第四章GIS空间数据库

1、一、数据与数据库一、数据与数据库1. 1. 数据：描述事物的符号记录，是数据库中存储的基本数据：描述事物的符号记录，是数据库中存储的基本对象。对象。2. 2. 数据库：数据库数据库：数据库(Data Base)(Data Base)：是以一定的组织方式：是以一定的组织方式存储在一起的相互关联的数据集合。存储在一起的相互关联的数据集合。数据库系统包括数据库、数据库管理系统和数据库应用数据库系统包括数据库、数据库管理系统和数据库应用系统三个组成部分。系统三个组成部分。计算机对数据的管理经过了三个阶段计算机对数据的管理经过了三个阶段 ：程序管理阶段程序管理阶段 、文件管理阶段、文件管理阶段 、数据库

2、管理阶段、数据库管理阶段3 传统数据库与空间数据库的比较传统数据库传统数据库空间数据库空间数据库数据连续性数据连续性/ /相关性相关性不连续不连续 相关性小相关性小连续连续 较强空间相关性较强空间相关性实体类型实体类型/ /空间关系空间关系少少 简单固定简单固定多多 复杂且不固定复杂且不固定记录长度记录长度结构化结构化 等长等长非结构化非结构化 不等长不等长查询与操作查询与操作文字、数字文字、数字文字数字文字数字 空间图形空间图形空间数据库概念是GIS中存储的与应用相关的地理空间数据的总和。（是GIS基本且重要的组成部分）数据库数据库系统数据库系统空间数据库管理系统的实现空间数据库管理系统的实

3、现（1 1）常规）常规DBMSDBMS进行扩展，使有空间数据存进行扩展，使有空间数据存储、管理功能；（储、管理功能；（OracleOracle）（2 2）常规）常规DBMSDBMS基础上加一层空间数据库引基础上加一层空间数据库引擎。（擎。（ESRIESRI的的SDESDE（Spatial Database Spatial Database EngineEngine）GISGIS数据库的数据库的特点特点（与其它数据库相比）（与其它数据库相比） 不仅属性数据，还有大量的空间数据不仅属性数据，还有大量的空间数据数据量大，即使是一个极小的区域数据量大，即使是一个极小的区域 数据的应用相当广，如地理研究

4、、环境数据的应用相当广，如地理研究、环境保护、土地利用与规划、资源开发、生保护、土地利用与规划、资源开发、生态环境、市政管理、态环境、市政管理、 道路建设等等。道路建设等等。 数据库管理系统：提供数据库建立、使数据库管理系统：提供数据库建立、使用和管理的软件系统。用和管理的软件系统。数据库应用系统：为满足特定用户数据数据库应用系统：为满足特定用户数据处理要求而建立起来的，具有数据库访处理要求而建立起来的，具有数据库访问功能的应用软件，提供给用户一个访问功能的应用软件，提供给用户一个访问和操作特定数据库的用户界面。问和操作特定数据库的用户界面。现行空间数据库管理方案0基于文件与关系式数据库的空间

5、数据基于文件与关系式数据库的空间数据混合管理方案混合管理方案 0基于关系式数据库的空间数据管理方基于关系式数据库的空间数据管理方案案 0基于对象基于对象关系式数据库的空间数据关系式数据库的空间数据管理方案。管理方案。地理信息系统基础地理信息系统基础4-2 4-2 空间数据库模型空间数据库模型地理信息系统基础4-2 4-2 空间数据库模型空间数据库模型一、数据的管理模式：一、数据的管理模式：人工阶段（人工阶段（5050年代中期以前）、年代中期以前）、文件系统阶段（文件系统阶段（5050年代后期到年代后期到6060年代中期）年代中期）数据库系统阶段（数据库系统阶段（6060年代后期始）年代后期始）

6、二、空间数据库的设计二、空间数据库的设计空间数据库设计就是把现实世界中一定范围内存在着的应用数据空间数据库设计就是把现实世界中一定范围内存在着的应用数据抽象成一个数据库的具体结构的过程。抽象成一个数据库的具体结构的过程。实质：如何将地理实体以一定组织形式在数据库中表达。即空间实质：如何将地理实体以一定组织形式在数据库中表达。即空间实体数据的实体数据的模型化模型化问题。问题。1. 地理信息系统空间数据库模型建立过程地理现象和过程概念模型逻辑模型存储模型对地理现象和过程的抽象抽象客观世界（认识、抽象）客观世界（认识、抽象） 概念模型概念模型概念模型（选定数据模型、概念模型（选定数据模型、DBMSD

7、BMS） 逻辑模型逻辑模型逻辑模型（确定数据组织方式）逻辑模型（确定数据组织方式） 存储模型存储模型2. 2. 概念模型（空间特征，关系描述）概念模型（空间特征，关系描述）（1 1）空间特征：点、线、面、体四种基本类型；）空间特征：点、线、面、体四种基本类型；（2 2）实体在空间、时间、属性三方面存在联系：）实体在空间、时间、属性三方面存在联系： 空间联系：空间位置、分布、关系、运动等；空间联系：空间位置、分布、关系、运动等； 时间联系：客体随时间变化，可构成时态数据库；时间联系：客体随时间变化，可构成时态数据库； 属性关系：属性多级分类中的从属关系、聚类关系、相属性关系：属性多级分类中的从属

8、关系、聚类关系、相关关系。关关系。3. 3. 空间数据库的数据模型设计空间数据库的数据模型设计空间数据模型：对空间客体进行描述和表达的数学手段，空间数据模型：对空间客体进行描述和表达的数学手段，使之能反应客观实体及其关系。使之能反应客观实体及其关系。常用数据模型：层次模型；网状模型；关系模型；语义模常用数据模型：层次模型；网状模型；关系模型；语义模型；面向对象模型。型；面向对象模型。4. 4. 空间数据库的设计原则空间数据库的设计原则尽量减小存储冗余尽量减小存储冗余可变的数据结构可变的数据结构对数据及时访问对数据及时访问, ,高效查询高效查询能维持空间数据的复杂联系能维持空间数据的复杂联系支持

9、多种决策的需要，适应性强支持多种决策的需要，适应性强5. 5. 空间数据库的设计内容空间数据库的设计内容三个方面：数据结构、数据操作和完整性约三个方面：数据结构、数据操作和完整性约束，具体为：束，具体为：1 1）静态特性设计结构特性）静态特性设计结构特性2 2）动态特性设计数据库的行为特性）动态特性设计数据库的行为特性3 3）物理设计）物理设计6. 6. 空间数据库的设计步骤空间数据库的设计步骤需求分析概念设计逻辑设计物理设计数据库数据库的概念模型数据库的逻辑模型数据库的存储模型现实世界概念世界信息世界（1 1）需求分析）需求分析（2 2）概念设计）概念设计 建立数据库的概念模型建立数据库的概

10、念模型（3 3）逻辑设计）逻辑设计 把概念模型映射为数据库管理系统所支持的数据模型把概念模型映射为数据库管理系统所支持的数据模型（4 4）物理设计）物理设计 将数据库的逻辑模型在存储设备上实现将数据库的逻辑模型在存储设备上实现三、空间数据库的实现与维护三、空间数据库的实现与维护1. 1. 空间数据库的实现空间数据库的实现（1 1）建立实际的空间数据库结构；）建立实际的空间数据库结构；（2 2）装入试验性数据测试应用程序；）装入试验性数据测试应用程序；（3 3）装入实际空间数据，运行。）装入实际空间数据，运行。2.2.空间数据库的运行与维护空间数据库的运行与维护（1 1）维护安全性与完整性；）维

11、护安全性与完整性；（2 2）监测并改善数据库性能；）监测并改善数据库性能；（3 3）增加新的功能；）增加新的功能；（4 4）修改错误。）修改错误。一、数据模型数据库的核心问题一、数据模型数据库的核心问题1. 1. 数据模型：数据模型：是表达现实世界的规格化说明，在数据库中用形式化的方法描述数据的逻辑结构和操作。数据模型三要素：数据模型三要素： 数据结构数据结构 数据操作数据操作 数据的完整性约束条件数据的完整性约束条件数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、记录、文件和数据库。记录、文件和数据库。1 1、数据项：是可以定义数据的最小单位，也叫元、

12、数据项：是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、字段等。素、基本项、字段等。 2 2、记录：由若干相关联的数据项组成。、记录：由若干相关联的数据项组成。 文件：文件是一给定类型的文件：文件是一给定类型的( (逻辑逻辑) )记录的全部具体记录的全部具体值的集合。值的集合。 4 4、数据库：是比文件更大的数据组织。数据库是、数据库：是比文件更大的数据组织。数据库是具有特定联系的数据的集合，也可以看成是具有具有特定联系的数据的集合，也可以看成是具有特定联系的多种类型的记录的集合。数据库的内特定联系的多种类型的记录的集合。数据库的内部构造是文件的集合，这些文件之间存在某种联部构造是文件的集合，这些

13、文件之间存在某种联系，不能孤立存在。系，不能孤立存在。 2. 2. 空间数据模型：就是对空间实体及其联系进行描空间数据模型：就是对空间实体及其联系进行描述和表达的数学手段，使之能反映实体的某些结构述和表达的数学手段，使之能反映实体的某些结构特性和行为功能。特性和行为功能。 空间数据模型是衡量空间数据模型是衡量GISGIS功能强弱与优劣的主要因功能强弱与优劣的主要因素之一。素之一。3. 3. 数据模型类型：数据模型类型：基本上可以分为两类：基本上可以分为两类： 传统数据模型：如层次、网状和关系数据模型传统数据模型：如层次、网状和关系数据模型 新型数据模型：如语义数据模型，面向对象数据模新型数据模

14、型：如语义数据模型，面向对象数据模 型和时空数据模型型和时空数据模型数据间的逻辑联系主要是数据间的逻辑联系主要是指记录与记录之间的联指记录与记录之间的联系。系。 1 1、一对一的联系、一对一的联系(1(1：1) 1) 2 2、一对多的联系、一对多的联系(1(1：N) N) 3 3、多对多的联系、多对多的联系(M(M：N)N) A BABA BABA BAB数据模型是数据库系统中关于数据和联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表示。系的逻辑组织的形式表示。每一种数据模型都以不同的数据抽象与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观事物，有其不同的处理数据能力来反映客

15、观事物，有其不同的处理数据联系的方式。联系的方式。数据库领域采用的数据模型有层次模型、网数据库领域采用的数据模型有层次模型、网状模型和关系模型，其中应用最广泛的是关状模型和关系模型，其中应用最广泛的是关系模型。系模型。 层次数据库模型层次数据库模型它的特点是将数据它的特点是将数据组织成一对多关组织成一对多关系的结构。系的结构。层次结构采用关键层次结构采用关键字来访问其中每字来访问其中每一层次的每一部一层次的每一部分。分。层次数据库结构特层次数据库结构特别适用于文献目别适用于文献目录、土壤分类、录、土壤分类、部门机构等分级部门机构等分级数据的组织。数据的组织。 123456abcdefgMMab

16、cdefg1223344134355664c层次数据库模型优点：优点：0存取方便且速度快存取方便且速度快0结构清晰，容易理解结构清晰，容易理解0数据修改和数据库扩展容易实现数据修改和数据库扩展容易实现0检索关键属性十分方便检索关键属性十分方便缺陷：缺陷：0结构呆板，缺乏灵活性结构呆板，缺乏灵活性0同一属性数据要存储多次，数据冗余大（如公共同一属性数据要存储多次，数据冗余大（如公共边）边）0不适合于拓扑空间数据的组织不适合于拓扑空间数据的组织2. 2. 网状数据模型网状数据模型1 1）概念：将数据组织成有向图结构（系结构），图中的结点）概念：将数据组织成有向图结构（系结构），图中的结点代表数据记

17、录，连线描述不同结点数据间的联系。代表数据记录，连线描述不同结点数据间的联系。2 2）特点：允许有一个结点无双亲；一个结点可以有多于一个）特点：允许有一个结点无双亲；一个结点可以有多于一个的双亲（多对多）。的双亲（多对多）。3 3）数据存取：导航法（从任一实体出发）数据存取：导航法（从任一实体出发）地图MAP及多边形实体I和IIMAP网状数据模型网络数据库模型网络数据库模型3. 3. 关系数据模型关系数据模型1 1）概念：用表格数据表示实体和实体之间关系的数据模型，）概念：用表格数据表示实体和实体之间关系的数据模型，表为二维表，满足一定的条件。表为二维表，满足一定的条件。2 2）特点：数据结构

18、单一，是一种二维表格结构。）特点：数据结构单一，是一种二维表格结构。地图MAP及多边形实体I和IIMAPIabcdIIcefga12b23c34d41e35f56c34g641x1y12x2y23x3y34x4y45x5y56x6y6III 关系数据库模型关系数据库模型优点：优点： 结构特别灵活，满足所有布尔逻辑运结构特别灵活，满足所有布尔逻辑运算和数学运算规则形成的查询要求算和数学运算规则形成的查询要求 能搜索、组合和比较不同类型的数据能搜索、组合和比较不同类型的数据 增加和删除数据非常方便增加和删除数据非常方便缺陷：缺陷： 数据库大时，查找满足特定关系的数数据库大时，查找满足特定关系的数据

19、费时据费时 对空间关系无法满足对空间关系无法满足3 3）基本术语：）基本术语：属性：在二维表中的列（字段、数据项），列值即属性值。属性：在二维表中的列（字段、数据项），列值即属性值。关系模式：关系的描述。包括关系名、属性名、属性向域的映射等。关系模式：关系的描述。包括关系名、属性名、属性向域的映射等。元组：二维表中的行（记录的值）。元组：二维表中的行（记录的值）。关系：元组的集合，即关系模式和关系。关系：元组的集合，即关系模式和关系。关键字：关系中能唯一标识元组的属性（或属性组合）。关键字：关系中能唯一标识元组的属性（或属性组合）。关系数据库：一系列关系的集合。关系数据库：一系列关系的集合。关

20、系完整性：指关系的正确性、相容性和有效性。关系完整性：指关系的正确性、相容性和有效性。学号姓名性别年龄系号毕业学校9301011张三男1801中大附中9301012李四女1702六十六中学生登记表关系名属性关系模式元组关系关键字三种传统数据模型的比较三种传统数据模型的比较第四节第四节 空间数据库概念模型设计空间数据库概念模型设计 当前最为普遍采用的概当前最为普遍采用的概念模型是语义数据模型和面念模型是语义数据模型和面向对象数据模型。向对象数据模型。一、语义数据模型一、语义数据模型 语义语义模型的模型结构是由若干种抽象所组成，模型的模型结构是由若干种抽象所组成，用这些抽象来描述客体的基本语义特性

21、，再根据用这些抽象来描述客体的基本语义特性，再根据语义模型结构规则把这些抽象有机组织起来。语义模型结构规则把这些抽象有机组织起来。 最常用的语义模型是最常用的语义模型是E-RE-R模型，即实体模型，即实体- -联系联系模型，包括实体、联系和属性三个基本语义概念。模型，包括实体、联系和属性三个基本语义概念。用它来描述现实地理世界，不必考虑信息的存储用它来描述现实地理世界，不必考虑信息的存储结构、存取路径及存取效率等与计算机有关的问结构、存取路径及存取效率等与计算机有关的问题，接近现实题，接近现实地理世界，具有直观、自然、语义地理世界，具有直观、自然、语义较丰富等特点，在地理数据库设计中得到了广泛

22、较丰富等特点，在地理数据库设计中得到了广泛应用。应用。1 1、基本基本语义概念语义概念 在在E ER R模型中，设计人员可以通过一种称模型中，设计人员可以通过一种称为为E ER R图的图示方法来组织图的图示方法来组织E ER R模型的设计。模型的设计。实体实体 在在E ER R模型中，世界被划分成一个个实体（模型中，世界被划分成一个个实体（entityentity），这些实体是对客观存在的起独立作用），这些实体是对客观存在的起独立作用的客体的一种抽象，是物理上或者概念上独立存的客体的一种抽象，是物理上或者概念上独立存在的事物或对象。在在的事物或对象。在E ER R图中，用矩形符号表示图中，用矩

23、形符号表示实体。实体的命名标注于矩形符号之内。实体。实体的命名标注于矩形符号之内。属性 属性是对实体和联系特征的描述。每个属性对关联一个域（值的集合）。属性用一个椭圆形表示，椭圆中放置属性的名称，属性同实体之间也用线段连接。 联系联系 联系是客体间有意义的相互作用或对应关系。联系是客体间有意义的相互作用或对应关系。联系在联系在E ER R图中用菱形符号表示，联系的名称同图中用菱形符号表示，联系的名称同样标注于菱形符号之中。实体和联系之间用线段样标注于菱形符号之中。实体和联系之间用线段表示，并在线上注明连接的类型。表示，并在线上注明连接的类型。有有三种类型：三种类型：A BAB一对一（一对一（1

24、 1：1 1） 在一对一的联系中，在一对一的联系中，一个实体中每个实例只一个实体中每个实例只能与其他参与实体的一能与其他参与实体的一个实例相联系。个实例相联系。【例】两个实体集之间的一对一的联系的绘制方法：【例】两个实体集之间的一对一的联系的绘制方法： 假设某学院有若干个系，每个系只有一个主任。则主假设某学院有若干个系，每个系只有一个主任。则主任和系之间是一对一的关系。任和系之间是一对一的关系。 主任和系的属性分别如下：主任和系的属性分别如下： 主任主任编号，姓名，年龄，学历编号，姓名，年龄，学历; ; 系系系编号，系名系编号，系名写出主任和系之间的写出主任和系之间的E-RE-R图。图。1 1

25、主任主任系系管理管理1 1姓名姓名年龄年龄学历学历编号编号系编号系编号系名系名任职时间任职时间一对多（一对多（1 1：N N） 一对多联系可以将一个实体的一对多联系可以将一个实体的一个实例与另一个参与该联系的实一个实例与另一个参与该联系的实体的多个实例相联系。体的多个实例相联系。A BAB【例】两个实体集之间的一对多的联系的绘制方法。【例】两个实体集之间的一对多的联系的绘制方法。 假设在某仓库管理系统中，有两个实体集：仓假设在某仓库管理系统中，有两个实体集：仓库和商品。仓库用来存放商品，且规定一类商品只库和商品。仓库用来存放商品，且规定一类商品只能存放在一个仓库中，一个仓库可以存放多件商品。能

26、存放在一个仓库中，一个仓库可以存放多件商品。仓库和商品之间是一对多的联系。仓库和商品之间是一对多的联系。 仓库和商品的属性分别如下：仓库和商品的属性分别如下： 仓库仓库仓库号，地点，面积联单仓库号，地点，面积联单 商品商品商品号，商品名，价格商品号，商品名，价格 在存放联系中要反映出存放商品的数量。在存放联系中要反映出存放商品的数量。 写出仓库和商品之间的写出仓库和商品之间的E-RE-R图。图。1 1仓库仓库商品商品存放存放n n地点地点面积面积仓库号仓库号商品号商品号价格价格数量数量商品名商品名多对多（多对多（M M：N N） 有时候一个实有时候一个实体的多个实例会与体的多个实例会与另一个参

27、与该联系另一个参与该联系的实体的多个实例的实体的多个实例相联系。相联系。A BAB【例】两个实体集之间的多对多的联系的绘制方法。 假设在某教务管理系统中，一个教师可以上多门课，一门课也可以由多个老师去上。教师和课程之间是多对多的联系。 教师和课程可用以下属性来描述： 教师教师号，教师名，职称 课程课程号，课程名，班级 在“讲授”联系中应能反映出教师的授课质量。 写出教师和课程之间的E-R图。m m教师教师课程课程讲授讲授n n教师名教师名职称职称教师号教师号课程号课程号班级班级质量质量课程名课程名2、E-R图的设计方法 采用E-R模型进行数据库概念设计可以分为以下三个步骤： （1）设计局部的E

28、-R模型； （2）设计全局的E-R模型； （3）全局E-R模型的优化。 【例】某学校管理系统中有三个部门：后勤部、【例】某学校管理系统中有三个部门：后勤部、教务处和财务处。后勤部用来管理学生的住宿；教务处和财务处。后勤部用来管理学生的住宿；教务处用来管理学生选课和教师任课；财务处教务处用来管理学生选课和教师任课；财务处用来管理发放教师的工资。用来管理发放教师的工资。 后勤部涉及到的实体及实体之间的联系如下：后勤部涉及到的实体及实体之间的联系如下： 学生：属性有学号、姓名、性别、年龄、专业和入学生：属性有学号、姓名、性别、年龄、专业和入学时间学时间 宿舍：楼号、房间、档次宿舍：楼号、房间、档次

29、学生与宿舍的联系是一个学生只能住在一个宿舍，学生与宿舍的联系是一个学生只能住在一个宿舍，一个宿舍能住多个学生，学生住宿要交租金。一个宿舍能住多个学生，学生住宿要交租金。 教务处涉及到的实体及实体之间的联系如下：教务处涉及到的实体及实体之间的联系如下： 学生：属性有学号、姓名、性别、年龄、专业和入学生：属性有学号、姓名、性别、年龄、专业和入学时间学时间 教师：属性有教师号、姓名、性别、职称、专业教师：属性有教师号、姓名、性别、职称、专业 课程：属性有课程号、课程名、学时数、专业课程：属性有课程号、课程名、学时数、专业 各实体关系描述如下：一个学生可以选多门课，一各实体关系描述如下：一个学生可以选

30、多门课，一门课可以由多个学生选修；一个教师可以教多门课，一门课可以由多个学生选修；一个教师可以教多门课，一门课也可以由多个老师教；学生选修某门课有一个成绩；门课也可以由多个老师教；学生选修某门课有一个成绩；教师教某门课有一个质量评价。教师教某门课有一个质量评价。 计财处涉及到的实体及实体之间的联系如下：计财处涉及到的实体及实体之间的联系如下： 教师：属性有教师号、姓名、性别、职称、专业教师：属性有教师号、姓名、性别、职称、专业 工资：属性有基本工资、加班工资、扣税、工资编工资：属性有基本工资、加班工资、扣税、工资编号号 教师和工资的联系是：一个教师只能领一份工资，教师和工资的联系是：一个教师只

31、能领一份工资，一份工资只能由一个教师领，领工资时应注明是某月工一份工资只能由一个教师领，领工资时应注明是某月工资。资。n n学生学生宿舍宿舍住住1 1租金租金学号学号学生学生姓名姓名专业专业宿舍宿舍楼号楼号档次档次年年龄龄性别性别入学时间入学时间房间房间号号（a a） 后勤部的局部后勤部的局部E-RE-R图图 解：先根据题意设计出各部门的局部解：先根据题意设计出各部门的局部E-RE-R图图教师教师姓名姓名职称职称教师号教师号课程课程课程号课程号学时数学时数课程名课程名性别性别专业专业专业专业m m教师教师课程课程讲授讲授n n质量质量学生学生选修选修m mn n成绩成绩（b b） 教务处的局部教务处的局部E-RE-R图（学生同（图（学生同（a a）图）图） 工资工资扣税扣税基本工资基本工资加班工资加班工资工资编号工资编号工资工资教师教师领领1 11 1月份月份（c c） 财务处的局部财务处的局部E-RE-R图（教师同（图（教师同（b b）图）图） 1 1m m学生学生住住宿舍宿舍n n1 1教师教师课程课程选修选修m mn n讲授讲授n n领领工资工资1 1某学校管理系统的全局某学校管理系统的全局E-RE-R图图 二、面向对象的数据模型 面向对象方法基本出发点就是尽可能按照人类认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题。1、面向对象方法中的基本概念 在面向对象的方法中，对象、类、