数据库与交通地理信息系统名师优质课赛课一等奖市公开课获奖课件

数据库与交通地理信息系统第1页主要内容数据库基础交通地理信息系统第2页此次课主要内容数据库发展历程数据库数据描述数据抽象过程概念模型、逻辑模型、数据模型数据库体系结构关系数据库组成结构化查询语言（了解）第3页引言城市交通信息服务系统离不开数据采集、分析与处理,而针对数据上述操作,必定需要数据库技术支持。所以,能够说数据库技术在当今信息服务系统中占有主要地位第4页城市交通服务信息平台主要功效数据抽取大量异构数据必须经过数据转换、重新组织和规范化存入数据仓库中,形成统一格式明细交通数据数据存放数据组织数据传输第5页数据库技术发展历程1963年，美国Honeywell企业IDS（IntegratedDataStore）系统投入运行，揭开了数据库技术序幕。20世纪70年代是数据库蓬勃发展年代，网状系统和层次系统占据了整个数据库商用市场，而关系系统仅处于实验阶段。20世纪80年代，关系系统因为使用简便以及硬件性能改善，逐步代替网状系统和层次系统占领了市场。20世纪90年代，关系数据库已成为数据库技术主流。进入二十一世纪以后，不论是市场需求还是技术条件成熟，对象数据库技术、Web数据库技术推广和普及已成定局。第6页数据库管理技术发展概况人工管理阶段文件系统阶段数据库阶段高级数据库阶段第7页数据库管理技术发展概况人工管理阶段

人工管理阶段（上世纪50年代中期前），计算机主要用于科学计算。外部存放器只有磁带、卡片和纸带等次序存放设备。软件只有汇编语言。数据处理方式基本上是批处理。人工管理阶段数据管理有以下特点： ①数据不保留在计算机内。 ②无专用软件对数据进行管理。 ③只有程序（program）概念，没有文件（file）概念。 ④数据面向程序。即一组数据对应一个程序。第8页数据库管理技术发展概况文件系统阶段（上世纪50年代后期至60年代中期）计算机开始用于信息管理。伴随数据量增加，数据存放、检索和维护问题成为紧迫需要，数据结构和数据管理技术快速发展起来。此时，外部存放器已经有磁盘、磁鼓等直接存取存放设备。软件领域出现了高级语言和操作系统。操作系统中文件系统是专门管理外存数据管理软件。数据处理方式有批处理，也有联机实时处理。

第9页数据库管理技术发展概况文件系统阶段数据管理有以下特点：①数据以“文件”形式可长久保留在外部存放器磁盘上。②数据逻辑结构与物理结构有了区分，但比较简单。③文件组织已多样化。有索引文件、链接文件和直接存取文件等。④数据不再属于某个特定程序，可重复使用。⑤对数据操作以统计为单位。文件系统仍显露出三个缺点：①数据冗余（redundancy）②数据不一致（inconsistency）③数据联络弱（poordatarelationship）

第10页第11页数据库管理技术发展概况数据管理技术进入数据库阶段标志是20世纪60年代末三件大事：①1968年美国IBM企业推出层次模型IMS系统。②1969年美国CODASYL组织公布了DBTG汇报，总结了当初各式各样数据库，提出网状模型。③1970年美国IBM企业E.F.Codd连续发表论文，提出关系模型，奠定了关系数据库理论基础。

第12页数据库管理技术发展概况数据库阶段数据管理含有以下特点：①采取数据模型表示复杂数据结构。②有较高数据独立性。③数据库系统为用户提供了方便用户接口。④数据库系统提供了四方面数据控制功效：并发控制，恢复，完整性和安全性。⑤增加了系统灵活性。第13页数据库管理技术发展概况数据库定义：长久存放在计算机内、有组织、统一管理相关数据集合。DB能为各种用户共享，含有较小冗余度、数据间联络紧密而又有较高数据独立性等特点

第14页数据库管理技术发展概况数据库管理系统定义（DBMS）： 位于用户与操作系统之间一层数据管理软件，它为用户或应用程序提供访问数据库方法，包含数据库建立、查询、更新及各种数据控制。DBMS总是基于某种数据模型，能够分为层次型、网状型、关系型和面向对象型等。

第15页数据库管理技术发展概况数据库系统（DatabaseSystem，DBS）：是实现有组织地、动态地存放大量关联数据、方便多用户访问计算机硬件、软件和数据资源组成系统，即采取数据库技术计算机系统。数据库技术（DBT）：数据库技术是研究数据库结构、存放、设计、管理和使用一门软件学科。第16页数据库管理技术发展概况高级数据库阶段20世纪80年代分布式数据库系统（DDBS）20世纪90年代对象数据库系统（ODBS）开放数据库互联技术（ODBC）二十一世纪初Web数据库系统XML数据库技术现代信息集成(DW、OLAP、DM)第17页数据描述在数据处理中，数据描述将包括到不一样范围。从事物特征到计算机中详细表示，实际上经历了三个阶段概念设计中数据描述逻辑设计中数据描述物理设计中数据描述第18页数据描述现实世界信息世界(概念模型)认识抽象计算机世界(数据模型)第19页数据描述概念设计中数据描述实体（entity）：客观存在，可相互区分事物。实体集（entityset）：性质相同同类实体集合。属性（attribute）：实体有很多特征，每一个特征称为属性。每一个属性有一个值域，其类型能够是整数型、实数型、字符串型等。实体标识符（identifier）：能惟一标识实体属性或属性集。称为关键码（key），或简称为键。第20页数据描述实体学生学号姓名性别年纪第21页数据描述逻辑设计中数据描述字段（field）：标识实体属性命名单位，或数据项。是可命名最小信息单位，又称为数据元素或初等项。统计（record）：字段有序集合。文件（file）：同一类统计集合称为文件。关键码（key）：能惟一标识文件中每个统计字段或字段集，称为统计关键码（简称为键）。第22页数据描述术语对应关系概念设计逻辑设计

实体………统计

属性………字段（数据项）

实体集………文件

实体标识………关键码第23页数据描述物理设计中数据描述位（Bit，比特）：一个二进制位称为“位”。字节（Byte）：8比特为一个字节，可存放一个字符所对应ASCII码。字（Word）：若干个字节组成一个字。一个字所含二进制位位数称为字长。块（Block）：又称为物理块或物理统计。块是内存和外存交换信息最小单位，每块大小，通常为210~214字节。桶（Bucket）：外存逻辑单位，一个桶可包含一个物理块或多个在空间上不一定连续物理块。卷（Volume）：一个输入输出设备所能装载全部有用信息，称为“卷”。

第24页数据描述数据联络描述联络（relationship）。现实世界中事物内部以及事物之间是有联络，在概念模型中反应为实体内部联络和实体之间联络。实体内部联络通常是指组成实体各属性之间联络，而实体之间联络通常是指不一样实体集之间联络。

二元联络有以下三种类型：①一对一联络：假如实体集E1中每个实体至多和实体集E2中一个实体有联络，反之亦然，记为“1:1”。②一对多联络：假如实体集E1中每个实体能够与实体集E2中任意个（零个或多个）实体间有联络，而E2中每个实体至多和E1中一个实体有联络，记为“1:N”。③多对多联络：假如实体集E1中每个实体能够与实体集E2中任意个（零个或多个）实体有联络，反之亦然，记为“M:N”。第25页数据描述请指出以下联络类型一个学校只有一个校长，一个校长只能管理一个学校。

学校一个系有多个专业，而一个专业只属于一个系。

一个学生能够选修多门课程，一门课程能够被多名学生选修。

第26页数据描述第27页数据抽象过程

模型（model）：对现实世界抽象。数据模型：描述数据库结构和语义，对现实世界数据进行抽象。从现实世界信息到数据库存放数据以及用户使用数据是一个逐步抽象过程。依据数据抽象级别定义了四种模型：概念数据模型、逻辑数据模型、外部数据模型和内部数据模型。普通，在提及时省略“数据”两字。第28页数据抽象过程表示用户需求观点数据全局逻辑结构模型，称为“概念模型”。表示计算机实现观点DB全局逻辑结构模型，称为“逻辑模型”。表示用户使用观点DB局部逻辑结构模型，称为“外部模型”。表示DB物理结构模型，称为“内部模型”。第29页第30页数据抽象过程数据抽象过程，详细步骤以下：第1步：依据用户需求，设计数据库概念模型，这是一个“综合”过程。第2步：依据转换规则，把概念模型转换成数据库逻辑模型，这是一个“转换”过程。第3步：依据用户业务特点，设计不一样外部模型，给程序员使用。第4步：数据库实现时，要依据逻辑模型设计其内部模型。普通，上述第1步称为DB概念设计，第2、3步称为DB逻辑设计，第4步称为DB物理设计。第31页概念模型

概念模型特点以下所述：（1）概念模型表示了数据整体逻辑结构，它是系统用户对整个应用项目包括数据全方面描述。（2）概念模型是从用户需求观点出发，对数据建模。（3）概念模型独立于硬件和软件。硬件独立意味着概念模型不依赖于硬件设备，软件独立意味着该模型不依赖于实现时DBMS软件。（4）概念模型是数据库设计人员与用户之间进行交流工具。第32页概念模型

ER模型是P.P.Chen于1976年提出。ER模型直接从现实世界中抽象出实体类型及实体间联络，然后用实体联络图（ER图）表示数据模型。设计ER图方法称为ER方法。ER图是直接表示概念模型有力工具。

第33页概念模型第34页概念模型第35页概念模型ER模型两个显著优点：一是简单，轻易了解，真实地反应用户需求；二是与计算机无关，用户轻易接收。ER模型已成为软件工程一个主要设计方法。不过ER模型只能说明实体间语义联络，还不能深入说明详细数据结构。在数据库设计时，碰到实际问题总是先设计一个ER模型，然后再把ER模型转换成计算机能实现数据模型，譬如关系模型。第36页逻辑模型在选定DBMS软件后，需要将概念模型按照选定DBMS特点转换成逻辑模型。逻辑模型含有以下特点：（1）逻辑模型表示了DB整体逻辑结构，是设计人员对整个应用项目数据库全方面描述。（2）逻辑模型是从数据库实现观点出发，对数据建模。（3）逻辑模型独立于硬件，依赖于软件（DBMS）。（4）逻辑模型是数据库设计人员与应用程序员之间交流工具。第37页数据模型在数据库中，数据模型通常由数据结构、数据操作和完整性约束三部分组成，是数据模型三要素。这三者准确地描述了数据库系统静态特征、动态特征和完整性约束条件。第38页数据模型惯用数据结构有：

层次

网状

关系

对象通常按数据结构类型来命名数据模型：

层次结构命名为层次模型

网状结构命名为网状模型网状模型和层次模型称为非关系模型。

第39页第40页数据模型用树型(层次)结构表示实体类型及实体间联络数据模型称层次模型（HierarchicalModel）。树结点是统计类型，每个非根结点有且只有一个父结点，上一层统计类型和下一层统计类型之间联络是1：N联络。层次模型数据库最大优势在于处理层次型数据效率比较高，不过，对于非层次式数据效率较低。另外，这种数据库也较复杂。第41页数据模型第42页数据模型用有向图结构表示实体类型及实体间联络数据模型称为网状模型(NetworkModel)。有向图中结点是统计类型，箭头表示从箭尾统计类型到箭头统计类型间联络是N:1联络。网状模型查找算法较层次模型要复杂一些，它是按结点内保留导航信息来实现。现在几乎没有些人使用网状数据库了，但这种数据库在数据库技术发展史上有着极为主要地位。第43页数据模型关系模型在关系数据库中，数据模型由数据结构、数据操作和完整性约束三部分组成。关系模型(RelationalModel)主要特征是采取二维表格形式来描述实体集，使得实体描述和实体间联络描述成为单一结构类型→关系表示。对关系数据库描述称为关系数据库模式,关系数据库模式是若干个关系模式集合。关系模式相当于前面提到统计类型，它实例称为关系，每个关系实际上是一张二维表格。第44页数据模型与前两种模型相比，数据结构简单。关系模型和层次、网状模型最大差异是用码而不是用指针导航数据，其表格简单，用户只需用简单查询语句就能够对数据库进行操作，并不包括存放结构、访问技术等细节。第45页

数据库理论5．1．1数据模型解放路食品店解放路262号李国基85222211桃园商场桃园路5号张山65226611香香瓜果店北大街21号王宏85123311白塔干鲜果店西大街56号宋亮22233211北大街食品店北大街162号林青青88555511情谊杂品店西大街511号李光明33456711光华商店东大街35号何重庆83046711路宝商店东大街001号秦淮江88889911

店名地址经办人电话各实体关于属性经办人值文件结构（实体属性集）统计（白塔干鲜果店

）文件SHOP(实体商店集合）数据项（单个属性值）第46页数据库体系结构1．三级模式结构数据库体系结构分为三级：外部级、概念级和内部级。亦称为三级模式结构或数据抽象三个级别。数据视图(DataView)

：从某个角度看到数据特征。第47页图5.1三级模式结构。外部级用户局部逻辑结构概念级内部级（单个用户视图）（全局视图）（存放视图）数据库整体数据结构数据库物理结构外部级最靠近用户，是单个用户所能看到数据特征，单个用户使用数据视图描述称为外模式。概念级包括到全部用户数据定义，也就是全局性数据视图，全局数据视图描述称概念模式内部级最靠近于物理存放设备，包括到物理数据存放结构，物理存放数据视图描述称为内模式第48页图5.2数据库系统体系结构（三级模式）主语言＋DML主语言＋DML主语言＋DML主语言＋DML主语言＋DML用户A1

用户A2

用户B1

用户B2

用户B3外模式A外模式B外模式/模式映象A外模式/模式映象B概念模式模式/内模式映象内模式数据库管理系统数据库OS由数据库管理员建立和维护第49页数据库体系结构三级结构和两级映象

（1）概念模式概念模式是数据库中全部数据整体逻辑结构描述。它由若干个概念统计类型组成，还包含统计间联络、数据完整性安全性等要求。数据按外模式描述提供给用户，按内模式描述存放在磁盘中，而概念模式提供了连接这两级相对稳定中间点，并使得两级中任何一级改变都不受另一级牵制。概念模式不包括存放结构、访问技术等细节，所以，概念模式含有物理数据独立性特点。概念模式简称为模式。第50页数据库体系结构（2）外模式外模式是用户与数据库系统接口，是用户用到那部分数据描述。外模式由若干个外部统计类型组成。用户使用数据操纵语言(DML)语句对数据库进行操作，实际上是对外模式外部统计进行操作。（3）内模式内模式是数据库在物理存放方面描述，定义全部内部统计类型、索引和文件组织方式，以及数据控制方面细节。第51页数据库体系结构（4）模式／内模式映象模式／内模式映象存在于概念级和内部级之间，用于定义概念模式和内模式之间对应性。因为这两级数据结构可能不一致，即统计类型、字段类型命名和组成可能不—样，所以需要这个映象说明概念统计和内部统计之间对应性。模式／内模式映象普通是放在内模式中描述。第52页数据库体系结构5）外模式／模式映象外模式／模式映象存在于外部级和概念级之间，用于定义外模式和概念模式之间对应性。外模式／模式映象普通是放在外模式中描述。第53页数据库体系结构两级数据独立性数据独立性是指应用程序和数据库数据结构之间相互独立，不受影响。因为数据库系统采取三级模式结构，所以系统含有数据独立性特点。第54页数据库体系结构（1）物理数据独立性对内模式修改尽可能不影响概念模式，称数据库到达物理数据独立性(简称物理独立性)。假如要修改数据库内模式，即数据库物理结构有所改变，只需要对模式／内模式映象做对应修改。（2）逻辑数据独立性对概念模式修改尽可能不影响外模式和应用程序，称数据库到达逻辑数据独立性(简称逻辑独立性)。假如要修改数据库概念模式，比如增加统计数据类型，只需要对外模式／模式映象做对应修改。第55页数据库体系结构数据库三级模式结构不足：三级模式结构使数据库系统到达了高度数据独立性。不过它给系统增加了额外开销。（1）要在系统中保留三级结构、两级映象内容，并进行管理；（2）用户与数据库之间数据传输要在三级结构中往返转换，增加了时间开销。第56页第57页关系模型关系模型概述关系模型利用数学方法研究数据库结构和定义对数据操作；基于关系模型关系数据库含有模型简单、数据独立性高、有较为坚实理论基础等特点。关系是有应用语义二维表，表中每一行是描述事物或事物一部分状态数据，表中每一列描述事物某个特征。第58页职员表职员号姓名部门性别年纪身份证号码

2113程晓清销售部男326101037203064052116刘英财务部女34610103700508506

2135李小刚管理部男306101037406095072138蒋民采购部男436101036108184062141王国洋销售部男41610103630910407关系(表)能够看成是由行和列交叉组成二维表格，它表示是一个实体集合一行称为一个元组，用来表示实体集中一个实体列称为属性，给每一列起一个名称即属性名，表中属性名不能相同列取值范围称为域，同列含有相同域，不一样列可有相同域。比如，性别取值范围是{男，女}，职员编号和年纪取值范围为整数域。第59页关系模型关系是二维表格，严格地说是一个规范化了二维表格，含有以下性质：（1）属性值是原子，不可分解。（2）没有重复元组。（3）没有行序。（4）理论上没有列序，为方便，使用时有列序。第60页关系模型关键码和表之间联络在关系数据库中，关键码(简称键)是关系模型一个主要概念。通常键由一个或几个属性组成，有以下几个键：(1)超键在一个关系中，能惟一标识元组属性或属性集称为关系超键。(2)候选键假如一个属性集能惟一标识元组，且又不含有多出属性，那么这个属性集称为关系候选键。第61页关系模型(3)主键（也称主码、主关键字）若一个关系中有多个候选键，则选其中一个为关系主键。用主键实现关系定义中“表中任意两行(元组)不能相同”约束。包含在任何一个候选键中属性称为主属性(PrimaryAttribute)；不包含在任何候选键中属性称为非主属性(NonprimaryAttribute)或非键属性(Non-keyAttribute)。第62页职员表职员号姓名部门性别年纪身份证号码

2113程晓清销售部男326101037203064052116刘英财务部女34610103700508506

2135李小刚管理部男306101037406095072138蒋民采购部男436101036108184062141王国洋销售部男41610103630910407职员号+部门属于超键职员号属于侯选键第63页

“课程”关系课程号课程名讲课课时讲课学期J001数据库 72 6J003 C程序设计54 2Z004 操作系统 725Z006 编译原理72 6X001 数值分析 54 3课程关系表结构为：课程(课程号、课程名、讲课课时、讲课学期)称之为关系模式。课程关系表中有5个元组(5行)四个属性(4列)候选码是“课程号”和“课程名”主码是“课程号”或“课程名”。第64页

“选课”关系学号课程学分100 人工智能 3125文化学 2150 市场营销学2175 人工智能 3190 文化学 2假定每个学生一次只能选修一门课程，则学号可作为主码。第65页主关键字为两个属性关系

数据库理论假定每个学生可修多门课程，学号不能惟一标识一行，这时主码需要是多个属性组合，如（学号，课程）。

学号课程学分100人工智能 3100市场营销学2100文化学2125市场营销学2125法律4150人工智能3第66页（4）外键若一个关系R中包含有另一个关系S主键所对应属性组F，则称F为R外键。比如，职员关系和部门关系分别为：

职员(职员编号，姓名，部门编号，性别，年纪，身份证号码)部门(部门编号，部门名称，部门经理)

职员编号为主键

部门编号为主键部门编号为外键

表与表之间联络是经过公共属性实现。公共属性是一个表主键和另一个表外键第67页

关系模型允许定义三种完整性约束，即是实体完整性约束、参考完整性和用户定义完整性约束。

实体完整性关系完整性完整性约束参考完整性用户定义完整性(应用领域需求)关系完整性约束第68页因为每个关系主键是惟一决定元组，故实体完整性约束要求关系主键不能为空值，组成主键全部属性都不能取空值。

关系完整性约束第69页比如，有以下“学生”关系：学生（学号，姓名，性别，出生日期）其中学号是主键，所以，学号不能为空值。比如，有以下“修课成绩”关系：修课成绩（年度，学期，学号，课程代码，课程类别，成绩性质，成绩）其中年度、学期、学号和课程代码四个属性共同组成主键，所以，年度、学期、学号和课程代码都不能为空值。关系完整性约束第70页参考完整性约束是关系之间相关联基本约束，它不允许关系引用不存在元组，即在关系中外键取值只能是关联关系中某个主键值或者为空值。关系完整性约束第71页比如：学系代码是“学系”关系主键、“专业”关系外键。“专业”关系中学系代码必须是“学系”关系中一个存在值或者为空值。第72页用户定义完整性约束是针对详细数据环境与应用环境由用户详细设置约束，它反应了详细应用中数据语义要求，它作用就是要确保数据库中数据正确性。比如，限定某属性取值范围，学生成绩取值必须在[0，100]范围。关系完整性约束第73页数据库系统组成

数据库系统通常是指数据库和对应软硬件系统。主要由数据库、用户、软件和硬件四部分组成。1数据库数据库包含两部分：物理数据库和数据库描述（数据字典）它能够供用户共享，含有尽可能小冗余度和较高数据独立性第74页2软件(Software)负责数据库存取、维护和管理软件系统，即数据库管理系统（DataBaseManagementSystem，简称DBMS）数据库应用开发工具支持DBMS运行操作系统3硬件（Hardware）存放和运行数据库系统硬件设备。包含CPU、内存、大容量存放设备、外部设备等。数据库系统组成第75页4用户用户是指使用数据库人，即对数据库存放、维护和检索等操作。用户分为三类：1.第一类用户，终端用户（EndUser）主要是使用数据库各级管理人员、工程技术人员、科研人员，普通为非计算机专业人员；2.第二类用户，应用程序员（ApplicationProgrammer）负责为终端用户设计和编制应用程序，方便终端用户对数据库进行存取操作。3.第三类用户，数据库管理员（DadabaseAdministrator，简称DBA）DBA是指全方面负责数据库系统“管理、维护和正常使用”人员数据库系统组成第76页编译系统OS硬件应用系统应用开发工具DBMS数据库系统层次结构图如图由上图看出：

DBMS在操作系统（OS）支持下工作，应用程序在DBMS支持下才能使用数据库。数据库系统组成第77页主流数据库介绍当前数据库市场，主流数据库包含：Oracle、SyBase、DB2、SQLServer、MySQL等。Oracle：开发商为美国甲骨文企业（Oracle）。Sybase：开发商为Sybase企业。DB2：开发商为IBM。SQLServer：开发商为微软。MySQL：由原MySQL企业开发。第