第四章地理信息系统数据库管理(南京信息工程大学地理信息系统GIS)

1、第四章地理信息系统数据库管理(南京信息工程大学地理信息系统GIS)数据层次与文件组织数据层次与文件组织空间数据库空间数据库传统数据库模型传统数据库模型面向对象数据库系统面向对象数据库系统v一、数据组织的分级一、数据组织的分级v二、数据间的逻辑联系二、数据间的逻辑联系一、数据组织的分级一、数据组织的分级数据组织的分级方法：数据组织的分级方法：按逻辑单位分级从数据与所描述的对象之间的关系划分层次有数据项、记录、文件、数据库按物理单位分级数据在存储介质上的存储单位层次有比特、字节、字、块、桶、卷文件记录数据项数据项组逻辑数据单位之间的关系图示数据项数据项数据项组数据项组记录记录文件文件数据库数据库最

2、基本的不可分割的数据单位,具有独立的逻辑意义逻辑上具有某种共同标志的若干数据项组成的数据项或数据项组集合,对文件进行存取操作的基本单位给定类型逻辑记录的全部具体值的集合文件的集合，文件之间存在某种联系，不能孤立存在二、数据间的逻辑联系二、数据间的逻辑联系（1 1）一对一的联系（）一对一的联系（1:11:1）：是指在集合）：是指在集合A A中存在一元素中存在一元素a ai i, ,则在集合则在集合B B中就有且仅有一个中就有且仅有一个b bi i与之联系。与之联系。 (2)(2)一对多的联系（一对多的联系（1:N)1:N)：在集合：在集合A A中存在一个中存在一个a ai i ，则，则在集合在集

3、合B B中存在一个子集中存在一个子集B=bB=bi1i1b bi2i2 b binin 与之联系。与之联系。（3 3）多对多的联系（）多对多的联系（M:N)M:N)：对于集合：对于集合A A中的一个元素中的一个元素a ai i, , 在在集合集合B B中就存在一个子集中就存在一个子集B=bB=bi1i1b bi2i2 b binin 与之相联系，反与之相联系，反之亦然。之亦然。地理名称空间位置1:1(1)市县市乡县农作物土壤类型省1:N1:N1:NM:N(2)(3)A BAB数据存储数据库数据管理程序库程序库( (数据库软件数据库软件) )原始信息原始信息数据库数据库空间数据库空间数据库空间数

4、据库概述空间数据库概述v一、数据库的概念v二、传统的数据库模型v三、面向对象数据库系统v四、数据库管理系统一、数据库的概念一、数据库的概念 长期储存在计算机内的、有组织的、可共享的、互相关长期储存在计算机内的、有组织的、可共享的、互相关联的数据集合。联的数据集合。数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和储存，具有较数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和储存，具有较小的冗余度、较高的独立性和易扩展性，并为用户共享。小的冗余度、较高的独立性和易扩展性，并为用户共享。 空间数据库空间数据库应用于地理空间数据处理与分析领域；管理的对象为地理空间数应用于地理空间数据处理与分析领域；管理的对象为地理

5、空间数据。据。 与一般数据库相比具有以下特点：与一般数据库相比具有以下特点：n数据量特别大；数据量特别大；n有属性数据和大量空间数据；有属性数据和大量空间数据；n数据应用面很广。数据应用面很广。传统数据库模型传统数据库模型v数据模型数据模型 是数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织的形式是数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织的形式表示。表示。 每一种数据模型都以不同的数据抽象与表示能力来反映客每一种数据模型都以不同的数据抽象与表示能力来反映客观事物，有其不同的处理数据联系的方式。观事物，有其不同的处理数据联系的方式。 数据库采用的主要的数据模型：数据库采用的主要的数据模型： 层次模型；网状模型；

6、关系模型层次模型；网状模型；关系模型数据模型概述数据模型概述v三种模型之间的根本区别在于数据之间联系三种模型之间的根本区别在于数据之间联系的表示方式不同（记录型之间的联系方式不的表示方式不同（记录型之间的联系方式不同）。同）。层次模型用层次模型用“树结构树结构”表示表示网状模型用网状模型用“图结构图结构”表示表示关系模型用关系模型用“二维表二维表”（或称关系）表示（或称关系）表示层次模型与树结构coverage1polygon1polygon2arc1arc2arc1node1node1 树树 结点结点数据记录数据记录 连线连线从属关系从属关系arc3一、层次数据模型的数据结构一、层次数据模型

7、的数据结构在数据库中定义满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型：在数据库中定义满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型：（1）有且只有一个结点没有双亲结点，即根节点；）有且只有一个结点没有双亲结点，即根节点；（2）根以外的其它结点有且中有一个双亲结点。）根以外的其它结点有且中有一个双亲结点。根结点根结点叶结点叶结点兄弟结点兄弟结点兄弟结点兄弟结点12233441abcd343554cefM层次模型adcfeb12435M系编号系名办公地点专业方向班级职工号姓名研究方向学号系名成绩教研室编号教研室系系教研室教研室教员教员班级班级学生学生教员学生数据库模型教员学生数据库模型学号系名成

8、绩学号系名成绩学号系名成绩学号课程名成绩学号系名成绩S-CmnSCCSSCCS学生学生S课程课程C(1)(3)(2)用层次模型表示多对多的联系用层次模型表示多对多的联系二、多对多联系在层次模型中的表示二、多对多联系在层次模型中的表示学号课程名成绩学号课程名成绩学号课程名成绩三、层次模型的存储结构三、层次模型的存储结构常用的实现方法有两种：邻接法、链接法常用的实现方法有两种：邻接法、链接法ACBA1B1B4B6C5C7C14C3C2C9C4C8C6层次数据库及其实例层次数据库及其实例A1B1C3C5C7C14B4C2C9B6C4C6C8A21、邻接法：按照层次树前序穿越的顺序把所有记录值依次邻接

9、存放。、邻接法：按照层次树前序穿越的顺序把所有记录值依次邻接存放。2、链接法：用指引元反映数据之间的层次关系。、链接法：用指引元反映数据之间的层次关系。A1B1B4B6C3A2C5C7C14 *C4C9*C2C6C8A1C14C7C5C3B1B4B6C2C9C4C6C8(a)(b)四、层次模型的优缺点：四、层次模型的优缺点： 优点：模型层次分明、结构清晰，较容易实现；性能优于关系模型，不低优点：模型层次分明、结构清晰，较容易实现；性能优于关系模型，不低于网状模型。从子女查找双亲，只有唯一的结果于网状模型。从子女查找双亲，只有唯一的结果 缺点：对多对多联系表示起来方法笨拙；缺点：对多对多联系表示

10、起来方法笨拙； 查询比较麻烦，需要大量的索引文件；查询比较麻烦，需要大量的索引文件； 插入和删除操作也比较复杂。插入和删除操作也比较复杂。 数据独立性较差等。数据独立性较差等。层 次 模 型网状模型与图结构网状模型与图结构一、网状数据模型的数据机构一、网状数据模型的数据机构在数据库中，把满足以下两个条件的基本层次联系集合称为网状模型在数据库中，把满足以下两个条件的基本层次联系集合称为网状模型:(1)允许一个以上的结点无双亲；允许一个以上的结点无双亲；(2)一个结点可以有多于一个的双亲。一个结点可以有多于一个的双亲。R1R2R1R2R4R5R3R2R1R3L1L5L4L2L1L2L3L2L1特点

11、：特点：有向图结构；有向图结构；一个结点可与其它多个结点建立一个结点可与其它多个结点建立联系；联系；结点结点数据记录；数据记录；连线连线不同结点数据间的关系。不同结点数据间的关系。abcd12345efMadcfeb12435M课程号课程名学分学号姓名系别学号课程号成绩学生学生课程课程选课选课S-SCC-SC学生/选课/课程的网状数据库模式二、网状数据模型的存储结构二、网状数据模型的存储结构S1 C1 AS1 C2 AS2 C1 AS2 C3 BS3 C1 BS3 C2 BS4 C1 AS4 C2 AS4 C3 BS1S2S3S4C1 C2 C3 学生/选课/课程的网状数据库实例链接法链接法指

12、引元阵列法指引元阵列法二进制阵列法二进制阵列法索引法等索引法等课程学生选修mnE-R 图图网状模型能明确而方便地表示数据间的复杂关系；能明确而方便地表示数据间的复杂关系；数据冗余小；数据冗余小；有良好的性能，存取效率较高。有良好的性能，存取效率较高。网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难；网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难；需要存储数据间联系的指针，使得数据量增大；编写应用程序需要存储数据间联系的指针，使得数据量增大；编写应用程序麻烦；麻烦；数据的修改不方便（指针必须修改）。数据的修改不方便（指针必须修改）。 是一数学化的模型，是一数学化的模型，实体本身的信息以及实体之间实体本身的

13、信息以及实体之间的联系均表现为二维表，在数学上称的联系均表现为二维表，在数学上称“关系关系”。这些。这些关系表的集合就构成了关系模型。关系表的集合就构成了关系模型。关系表：关系表：R(AR(A1 1,A,A2 2,A,An n) ) 关系模型与二维结构表关系模型与二维结构表关系名关系名 R所包含的属性名所包含的属性名 （关系框架）（关系框架） 行行元组元组 相当一记录值相当一记录值 列列属性属性v关系模型由关系模型由IBMIBM公司研究院于公司研究院于19701970年首次提出。年首次提出。v2020世纪世纪8080年代以来，计算机厂商新推出的数据库管理系统几乎都是支持关年代以来，计算机厂商新

14、推出的数据库管理系统几乎都是支持关系模型的。系模型的。关系模型的数据结构关系模型的数据结构- -主要术语主要术语v关系（关系（RelationRelation）一个关系对应通常所说的一张二维表，由行和列组成；一个关系对应通常所说的一张二维表，由行和列组成；v元组（元组（TupleTuple）表中的一行称为一个元组，或记录；表中的一行称为一个元组，或记录；v属性（属性（AttributeAttribute）表中的一列称为一个属性。表中的一列称为一个属性。v码（码（KeyKey）表中的某个属性或属性组，它们的值可以惟一地确定一个元表中的某个属性或属性组，它们的值可以惟一地确定一个元组，且属性组中不

15、含多余的属性，这样的属性或属性组称为组，且属性组中不含多余的属性，这样的属性或属性组称为关系的码。关系的码。主码主码/ /候选码候选码关系模型的数据结构关系模型的数据结构- -主要术语主要术语v域（域（DomainDomain）属性的取值范围称为域。属性的取值范围称为域。v分量（分量（elementelement）元组中的一个属性值称为分量。元组中的一个属性值称为分量。v关系模式（关系模式（Relation modeRelation mode）关系的型称为关系模式，关系模式是对关系的描述。关系的型称为关系模式，关系模式是对关系的描述。关系模式一般的表示是：关系名关系模式一般的表示是：关系名(

16、(属性属性1 1，属性，属性2 2，属性，属性n)n)。如：学生学籍（学号，姓名，年龄，所在系）如：学生学籍（学号，姓名，年龄，所在系）关系模型举例关系模型举例v学生学籍表学生学籍表学号学号姓名姓名性别性别年龄年龄所在系所在系00001王平男20计算机系00002李丽女20计算机系00010张晓刚男19数学系1x1y12x2y23x3y34x4y45x5t56x6y6点关系模型关系模型的数据结构关系模型的数据结构- -关系关系v关系模型中的数据全部用关系表示关系模型中的数据全部用关系表示v例如，关系模型中，学生、课程、学生与课例如，关系模型中，学生、课程、学生与课程之间的联系表示为：程之间的联

17、系表示为：学生学生( (学号，姓名，性别，年龄，所在系学号，姓名，性别，年龄，所在系) )；课程课程( (课程号，课程名，选修课课程号，课程名，选修课) )；选修选修( (学号，课程号，成绩学号，课程号，成绩) )；关系操作关系操作v关系操作主要包括数据查询和插入、删除、关系操作主要包括数据查询和插入、删除、修改数据。修改数据。v关系中的数据操作是集合操作。关系中的数据操作是集合操作。v关系操作语言都是高度非过程的语言。关系操作语言都是高度非过程的语言。关系模型的优缺点：关系模型的优缺点：优点：数据结构灵活、清晰，可以通过数学运算优点：数据结构灵活、清晰，可以通过数学运算进行各种查询、计算和修

18、改；数据描述具有较强进行各种查询、计算和修改；数据描述具有较强的一致性和独立性。的一致性和独立性。 缺点：当关系很复杂时，计算机需要执行一系列的数缺点：当关系很复杂时，计算机需要执行一系列的数据操作，比较费时。据操作，比较费时。传统数据库管理传统数据库管理地理空间数据的局限性地理空间数据的局限性 传统数据库系统传统数据库系统地理空间数据地理空间数据管理不连续、相关性较小的数字和字符管理不连续、相关性较小的数字和字符连续的、具有很强的空间相关性连续的、具有很强的空间相关性管理的实体类型少，且实体类型间只有简管理的实体类型少，且实体类型间只有简单、固定的空间关系单、固定的空间关系实体类型繁多，存在

19、复杂的空间关系，且实体类型繁多，存在复杂的空间关系，且还能产生新的关系（拓扑关系）还能产生新的关系（拓扑关系）存储的通常为等长记录的数据存储的通常为等长记录的数据为变长记录，且数据项可能很大、很复杂为变长记录，且数据项可能很大、很复杂只操纵和查询文字和数据信息只操纵和查询文字和数据信息操纵和查询大量空间数据操纵和查询大量空间数据面向对象数据模型面向对象数据模型面向对象方法中的基本概念面向对象方法中的基本概念1 1、对象：、对象：是对客观世界实体的抽象描述；由描述该对象（目标）状态的是对客观世界实体的抽象描述；由描述该对象（目标）状态的信息（数据）和表达它的行为的操作（方法）组合而成。信息（数据

20、）和表达它的行为的操作（方法）组合而成。 2 2、类：具有相同属性和服务的一组对象的集合，是对象的抽象描述。类：具有相同属性和服务的一组对象的集合，是对象的抽象描述。 对象具有封装性和继承性，涉及到分类、概括、聚集、联合、对象具有封装性和继承性，涉及到分类、概括、聚集、联合、继承和传播等概念。继承和传播等概念。3 3、概括与继承、概括与继承v1 1）超类与概括）超类与概括 将几种类型中某些具有公共特征的属性和操作抽象出来，将几种类型中某些具有公共特征的属性和操作抽象出来，形成更一般的超类。形成更一般的超类。 人人某学校数据库的类层次结构图某学校数据库的类层次结构图研究生研究生本科生本科生教员教员工人工人行政人员行政人员学生学生教职员工教职员工v2 2）继承）继承 超类的属性和操作可以无条件的被它的子类所拥有。超类的属性和操作可以无条件的被它的子类所拥有。是一种强有力的建模工具。是一种强有力的建模工具。 有单个继承和多个继承有单个继承和多个继承仅一个直接父类仅一个直接父类 多个直接父类多个直接父类建筑物建筑物招待所招待所