空间数据库设计与实现

空间数据库技术

李瑞改第九章空间数据库设计第9章空间数据库设计9.1空间数据库设计概述9.2需求分析9.3概念结构设计9.3逻辑结构设计9.4物理设计9.5空间数据库实现9.6数据库运行与维护9.1空间数据库设计概述一、空间数据库设计原那么空间数据库设计与应用系统设计相结合的原那么数据独立性原那么共享度高、冗余度低原那么用户与系统的接囗简单性原那么系统可靠性、平安性与完整性原那么系统具有重新组织、可修改与可扩充性原那么9.1空间数据库设计概述二、空间数据库设计过程需求分析阶段概念设计阶段逻辑设计阶段物理设计阶段数据库实现阶段数据库运行和维护阶段9.2需求分析需求分析就是分析用户的需要与要求需求分析是设计数据库的起点。需求分析的结果是否准确地反映了用户的实际要求，将直接影响到后面各个阶段的设，并影响到设计结果是否合理和实用。9.2需求分析据CAAOS发布的调查报告，美国1995年在IT上花费2500亿美元用于175000个软件工程，但是其中31%工程在完成前被取消，53%的工程本钱为原始估计的189%，仅仅16%软件工程按时、按预算完成。9.2需求分析9.2.1需求分析的任务与方法9.2.2数据流图与数据字典9.2.1需求分析的任务与方法一、需求分析的任务用户根本需求调研：调查应用领域，对各种应用的信息要求和操作要求进行详细分析，形成需求说明书。分析空间数据现状：分析数据内容是否符合要求，数据的有效性、完整性、现势性、标准化、表示方法、表示的难易程度、数量与质量、来源等。系统环境与功能分析：分析系统环境与条件、确定实现的功能、抽象出系统模型。Ⅰ：明确调查内容

Ⅱ：准备相应的问题清单

Ⅲ：整理问题清单/形成调研报告用户根本需求调研报告用户数据现状调研报告用户系统分析调研报告用户系统分析问题清单用户数据现状问题清单用户根本需求调研问题清单系统分析分析系统环境和条件确定系统边界确定计算机实现的功能抽象出系统模型分析数据现状数据内容是否符合要求数据的有效性数据的完整性数据的现势性数据的表示方法数据加工的难易程度数据的标准化数据的数量与质量数据的来源用户需求调查现行业务处理流程数据性质、获取途径与应用范围数据间的关系数据使用频率用户的数据要求、处理方式与处理要求二、常用的调查方法跟班作业：亲身参加业务工作了解业务活动的情况，此方法较准确了解用户需求，但消耗时间。开调查会：与用户座谈了解业务活动情况及用户需求。可以相互启发。请专人介绍：请用户派出专人详细介绍需求。询问：对某些调查中的问题，找专人询问。设计调查表请用户填写：如果调查表设计合理，此方法很有效，易于为用户接受。查阅记录：查阅与原系统有关的数据记录。9.2.1需求分析的任务与方法工作过程结果：形成用户需求分析调查报告9.2.2数据流图与数据字典空间数据库需求分析过程中通常使用数据流图和数据字典来对用户需求加以描述。数据流图以图形的方式描绘数据在系统中流动和处理的过程，描述了数据流动、存领教与处理的逻辑关系。作用有二：〔1〕描述系统的整体概念；〔2〕划分系统边界。一、数据流图的根本成分数据流图用来表示现行系统的信息流动和加工处理的详细情况，是现行系统的一种逻辑抽象，独立于系统的实现。数据流图的绘制建立在SADT的根底上，采取自上而下的的方法。GIS数据流图包括：加工、外部实体、数据流、数据存储文件及根本成分备注。数据处理数据存储数据流数据源点或终点二、数据流图分层1.首先把任何一个系统都抽象为：数据流数据流数据存储信息要求数据来源处理数据输出处理要求SADT〔结构化系统分析与设计技术〕中心问题是把功能逐层分解成多个子功能，同时进行相应数据分析与分解。二、数据流图分层2．分解处理功能和数据二、数据流图分层2．分解处理功能和数据〔1〕分解处理功能：将处理功能的具体内容分解为假设干子功能，将子功能继续分解，直到把工作过程表达清楚为止。〔2〕分解数据：在处理功能的同时，其所用的数据也逐级分解，形成数据流图，数据流图表达了数据和处理过程的关系。〔3〕表达方法：处理过程：用判定表或判定树来描述。数据：用数据字典来描述。9.2.2数据流图与数据字典三、数据字典数据字典〔DataDictionary,DD〕是用来定义数据流图中的各个成分的具体含义，是关于数据信息的集合。它是数据流图中所有要素严格定义的场所。实现数据字典的常见方法：全人工过程全自动过程混合过程1.数据字典的用途数据字典是各类数据描述的集合数据字典是进行详细的数据收集和数据分析所获得的主要结果数据字典在数据库设计中占有很重要的地位2、数据字典的内容数据字典的内容数据项数据结构数据流数据存储处理过程数据项是数据的最小组成单位假设干个数据项可以组成一个数据结构数据字典通过对数据项和数据结构的定义来描述数据流、数据存储的逻辑内容。〔1〕数据项数据项是不可再分的数据单位对数据项的描述

数据项描述＝{数据项名，数据项含义说明，别名，数据类型，长度，取值范围，取值含义，与其他数据项的逻辑关系}取值范围、与其他数据项的逻辑关系定义了数据的完整性约束条件。〔2〕数据结构数据结构反映了数据之间的组合关系。一个数据结构可以由假设干个数据项组成，也可以由假设干个数据结构组成，或由假设干个数据项和数据结构混合组成。对数据结构的描述 数据结构描述＝｛数据结构名，含义说明，组成:｛数据项或数据结构｝｝〔3〕数据流数据流是数据结构在系统内传输的路径。对数据流的描述数据流描述＝｛数据流名，说明，数据流来源，数据流去向，组成:｛数据结构｝，平均流量，顶峰期流量｝数据流来源：来自哪个过程。数据流去向：将到哪个过程去。平均流量：单位时间里的传输次数。顶峰期流量那么：顶峰时期的数据流量。数据项例子例：学生学籍管理子系统的数据字典。数据项，以“学号〞为例：数据项：学号含义说明：唯一标识每个学生别名：学生编号类型：字符型长度：8取值范围：00000000至99999999取值含义：前两位标别该学生所在年级，后六位按顺序编号与其他数据项的逻辑关系：数据结构例子数据结构以“学生〞为例 “学生〞是该系统中的一个核心数据结构：数据结构：学生含义说明：是学籍管理子系统的主体数据结构，定义了一个学生的有关信息组成：学号，姓名，性别，年龄，所在系，年级数据流例子数据流“体检结果〞可如下描述：数据流：体检结果说明：学生参加体格检查的最终结果数据流来源：体检数据流去向：批准组成：……平均流量：……顶峰期流量：……〔4〕数据存储目的：确定最终数据库需要存储哪些信息。数据存储定义以数据流图为根底。〔1〕考察数据流图中每个数据存储信息，确定其是否应该而且可能由数据库存储〔2〕定义每个数据存储。编号数据存储名数据项说明建立该数据存储的处理过程存取该数据存储的处理过程数据量…数据存储定义表〔5〕处理过程定义(1)考察数据流图中的每个数据处理：确定设计的数据库系统是否应该而且可能支持这个处理过程。如果支持，列入支持应用的范围。(2)对每个处理过程进行严格定义：包括处理过程名、处理功能描述、处理要求、输人数据、输出数据等。〔5〕处理过程处理功能描述简要说明该处理过程用来做什么〔而不是怎么做〕。处理要求的描述包括处理频度要求，如单位时间里处理多少事务、处理数据量、响应时间等。这些处理要求是后面物理设计的输入及性能评价的标准。编号处理过程名处理功能描述处理要求输人数据输出数据处理过程定义表9.2需求分析

需求分析的注意点：用户参与的重要性用原型法来帮助用户确定他们的需求预测系统的未来改变9.3概念结构设计概念结构设计：是对用户信息需求的综合分析、归纳，形成一个不依赖于空间数据库管理信息结构设计。是从用户的角度对现实世界的一种信息描述。比较流行的建模工具有E-R图和UML模型。9.3.1E-R模型设计1.E-R模型为概念模型的实现提供了图形化的方法。实体属性联系ER图9.3.1E-R模型设计ER图：9.3.1E-R模型设计1.E-R模型ER模型不能表达空间建模中的特定语义。〔1〕ER模型的最初设计隐含了基于对象模型的假设。场模型无法用ER模型进行自然的映射。〔2〕传统的ER模型中，实体之间的联系由所要开发的应用来导出，而在空间建模中，空间对象之间总会有内在的联系。如何将这些联系引入ER图，又不使图变得复杂是一个问题。〔3〕建模空间对象所使用的实体类型和空间数据的比例尺有关。在一个概念模型中，如何表达同一个对象的多种表现形式是一个问题。9.3.1E-R模型设计2.空间E-R模型〔1〕空间实体及其表达描述的实体具有空间特性，具有空间属性，一般用点、线、面或Grid-cell、Tin、Image像元表示。三种实体类型：空间属性对应的一般实体；空间属性对应的需用多种空间尺度的实体；有空间属性对应的需表达多时段的实体。〔2〕空间实体的关系及其表达一般关系拓扑关系〔相邻、联结、包含〕空间操作〔邻近、交叠、空间位置的一置性〕3.用象形图扩展ER模型实体象形图〔1〕象形图象形图是一种将对象插在方框内的微缩图表示，这些微缩图用来扩展ER图，并插到实体矩形框中的适当位置。〔2〕形状形状是象形图中的根本图形元素，它代表着空间数据模型中的元素。一个模型元素可以是根本形状、复合形状、导出形状或备选形状。〔3〕根本形状<根本形状>●/〗根本形状的语法●点/线〗面根本形状的象形图9.3.1E-R模型设计〔4〕复合形状为了处理那些不能用某个根本形状表示的对象，我们定义了一组聚合的形状，并用基数来量化这些复合形状。〔5〕导出形状如果一个对象的形状是由其他对象的形状导出的，那么就用斜体形式来表示这个象形图。<基数>0.111,n基数的语法●0，n〗n使用了基数的多重形状的象形图0,nn〗<导出形状><基本形状>基本形状的语法●/导出形状的象形图〔6〕备选形状备选形状可以用于表示某种条件下的同一个对象。例如，根据比例尺，一条河流可以表示成一个多边形或一条线。<备选形状><根本形状><导出形状><根本形状><根本形状>备选形状的语法备选形状的象形图〔7〕任意形状对于形状的组合，我们用通配符〔*〕表示，它表示各种形状。例如，一个灌溉网是由泵站〔点〕、水渠〔线〕以及水库〔多边形〕所组成的。〔8〕用户自定义形状除了点、线和多边形这些根本形状外，用户还可以定义自己的形状。例如，为了表达更多的信息，用户可能更愿意使用感慨号之类的象形图来表示灌溉网。联系象形图联系象形图用来构建实体间联系的模型。例如，part-of用于构建道路与路网之间联系的模型，或是用于把森林划分成林分的建模。Part_of〔网络〕Part_of〔分区〕联系的象形图扩展E-R图利用ER模型设计的步骤9.3.2利用UML模型设计UML模型是另一个流行的概念建模工具。是用于面向对象软件设计的概念层建模的新兴标准之一。它是一种综合型语言，用于在概念层对结构化模式和动态行为进行建模。UML是一种通用的可视化建模语言，用于对软件进行描述、可视化处理理解、构造和建立软件制品的文档。作为一种建模语言，UML的定义包括UML语义和UML表示法两个局部：〔1〕UML语义，描述基于UML的精确元模型定义。元模型为UML的所有元素在语法和语义上提供了简单、一致、通用的定义性说明，使开发者能在语义上取得一致，消除了因人而异的最正确表达方法所造成的影响。〔2〕UML表示法，定义UML符号的表示法，为开发者或开发工具使用这些图形符号和文本语法为系统建模提供了标准。这些图形符号和文字所表达的是应用级的模型，在语义上它是UML元模型的实例。UML包含五类图，用例图、静态图、对象图、行为图、交互图和实现图。这里我们采用静态图当中的类图。UML类图表示法9.4逻辑结构设计9.4.1关系数据模型9.4.2E-R模型向关系模型转换9.4.3面向实体的逻辑模型设计9.4.1关系数据模型关系模型的根本思想是用二维表形式表示实体及其联系。二维表中的每一列对应实体的一个属性，其中给出相应的属性值；每一行形成一个，由多种属性组成的多元组，或称元组，与一特定实体相对应。实体间联系和各二维表间联系采用关系描述或通过关系直接运算建立。以地图M为例：地图M中有两个面实体ⅠⅡ

Ⅰ多边形由a,b,e组成MⅡ多边形由b,c,d组成1a

a边的两个端点是1，2e

Ⅰ2b边的两个端点是2，44b

cc边的两个端点是2，3d

Ⅱd边的两个端点是3，43e边的两个端点是1，4关系模型例关系模型中应遵循以下条件：〔1〕二维表中同一列的属性是相同的；〔2〕赋予表中各列不同名字〔属性名〕；〔3〕二维表中各列的次序是无关紧要的；〔4〕没有相同内容的元组，即无重复元组；〔5〕元组在二维表中的次序是无关紧要的。关系模型的优点：〔1〕结构灵活，可满足所有用布尔逻辑运算和数字运算规那么形成的询问要求；〔2〕能搜索、组合和比较不同类型的数据；〔3〕参加和删除数据方便；〔4〕适宜地理属性数据的模型。关系模型的缺点：许多操作都要求在文件中顺序查找满足特定关系的数据，假设数据库很大的话，这一查找过程要花很多时间。9.4.2E-R模型向关系模型转换将E-R图转换为关系模型实际上就是要将实体、实体的属性和实体之间的联系转化为关系模式，这种转换一般遵循如下原那么：〔1〕一个实体型转换为一个关系模式。实体的属性就是关系的属性，实体的码就是关系的码。〔2〕一个M:N联系转换为一个关系模式。与该联系相连的各实体的码以及联系本身的属性均转换为关系的属性。而关系的码为各实体码的组合。〔3〕一个1:N联系可以转换为一个独立的关系模式，也可以与n端对应的关系模式合并。如果转换为一个独立的关系模式，那么与该联系相连的各实体的码以及联系本身的属性均转换为关系的属性，而关系的码为n端实体的码。9.4.2E-R模型向关系模型转换将E-R图转换为关系模型实际上就是要将实体、实体的属性和实体之间的联系转化为关系模式，这种转换一般遵循如下原那么：〔4〕一个1:1联系可以转换为一个独立的关系模式，也可以与任意一端对应的关系模式合并。〔5〕三个或三个以上实体间的一个多元联系转换为一个关系模式。与该多元联系相连的各实体的码以及联系本身的属性均转换为关系的属性。而关系的码为各实体码的组合。〔6〕同一实体集的实体间的联系，即自联系，也可按上述1:1、1:N和M:N三种情况分别处理。〔7〕具有相同码的关系模式可合并。9.4.3面向实体的逻辑模型设计地理实体在模型中表示为要素。要素是由几何实体和属性组成的。它包括简单类型，例如，一个界址点、一个行政界线、一块土地；它们的几何形态分别为简单点，简单线和简单区。还有一些复杂类型的实体，例如，一个河流的流域。它的几何特性对应的是多种形态的几何实体，所以它的几何特性是一个复合类型。换句话说，通过原子几何实体〔点、线、区〕的任意组合可表达和描述任意几何复杂度的实体。什么是几何实体？它是地理对象的外观特征或可视化形状。地理实体可以用三种几何实体表示在地图上：点、线、多边形。继续细分下去，几何形态包括单点、多点、单弧段、多弧段、多边形等。1．要素类的建模与表达2．注记类的建模与表达3．关系类的建模与表达4．规那么的建模与表达9.5空间数据库物理设计9.5.1空间数据库存储策略9.5.2空间数据库关系模式设计9.5.1空间数据库存储策略对象-关系数据库管理，基于商业数据库进行存储，其存储策略如下：数据存储层对象管理层并发控制管理器安全管理器地理数据库管理器接口数据库对象类、要素类、关系类、注记类等地理数据库层数据管理层SDE接口SDE客户端SDE服务器CSSQLSQL9.5.2空间数据库关系模式设计空间数据库主要包含空间数据和元数据信息两个局部。空间数据以“地理数据库—要素数据集—类〞的层次进行组织。例如，类层次的对象有要素类、注记类、对象类、关系类和规那么等，每一种对象在空间数据库当中需要用一个表集来描述其信息和内部关系。元数据信息那么描述前面所有空间数据的元数据信息，使用数据字典进行表达。9.5.2空间数据库关系模式设计1．地理数据库数据字典表关系2．要素类的关系模式3．注记类的关系模式4．关系类的关系模式5．规那么的关系模式9.6空间数据库的实施和维护空间数据库系统实施9.6.2空间数据库系统维护空间数据库系统实施空间数据库的概念设计、逻辑设计和物理设计修改以后，便可以开始正式的进行数据库实施了。实施的过程，应当以实施方案为指南，尽量按照方案进行实施。但是再好的方案也是不可能完全准确的，在实施过程中常常需要对实施方案做或多或少的改动。任何方面的改动都应当以书面形式备案，做到有案可查。空间数据库系统实施空间数据库的实施一般过程如下：〔1〕数据录入：数据录入的数据源应包括系统设计的各类源数据，以检测各输出软件的可行性和数据转换格式的正确性。〔2〕数据编辑：对录入的数据在进入数据库以前的编辑和预处理要尽可能测试各种编辑功能和操作，检测其平安性和可操作性。〔3〕数据库建立：应保证所选择的试验小区的数据足以建立一个完整的空间数据库和属性数据库，以检测其结构的合理性和拓扑关系的正确性以及数据连接的正确性等，同时对数据库管理系统的功能也应进行全面测试。〔4〕数据分析与处理：利用所建立的数据库的数据对应用型GIS的根本分析功能，特别是对应用模型进行测试，检查模型的正确性和可靠性。〔5〕数据输出：输出结果能否满足所设计的要求和用户的需要。9.6.2空间数据库系统维护1．维护的内容1〕程序的维护在系统维护阶段，会有一局部程序需要改动。根据运行记录，