空间数据库课件

空间数据库§3-1空间数据库的概念§3-2空间数据库模型三、空间数据库应用系统

二、空间数据库管理系统

一、空间数据库§3-3空间数据库的设计一、传统数据模型二、传统模型局限四、GIS空间数据库类型三、面向对象模型§3-3空间数据库的建立与维护

三、数据层设计二、结构设计一、需求分析四、数据字典设计一、空间数据库的建立二、空间数据库的维护一、数据库的概念

数据库技术产生于60年代末期,是计算机领域中最重要的技术之一,是一种较理想的数据管理技术。所谓数据管理是指对数据的组织、存贮、检索和维护。用计算机进行数据管理大体经历了三个阶段：即人工管理阶段、文件系统阶段和数据库阶段。

由于文件系统存在着文件之间无联系、数据不完全独立于程序，只在文件级共享数据等缺陷，因而数据库就发展了起来。数据库可以看作是与现实世界有一定相似性的模型，是认识世界的基础，是集中、统一地存储和管理某个领域信息的系统，它根据数据间的自然联系而构成，数据较少冗余，且具有较高的数据独立性，能为多种应用服务。目前，数据库还没有统一公认的定义，不同的定义是由于从不同的角度看待数据库而产生的。有两种比较普遍的定义：一种从应用的角度定义数据库为被存储起来的数据集合，这些数据被特定的组织（如公司、银行、大学、政府机关等）所利用。另一种定义是根据数据库内外特点描述数据库是存储在一起的相关数据的集合，它以最优的方式为一个或多个应用服务；数据的存储独立于使用客观存在的程序；对数据库插入新的数据、检索和修改原有数据均能按一种公用的和可控制的方法进行；数据被结构化，为今后的应用研究提供基础。简言之，数据库就是为一定目的服务，以特定的结构存储的相关联的数据集合。§3-1空间数据库的概念1、数据库的构成数据库作为一个复杂的系统，由以下三个基本部分构成：1°、数据集。一个结构化的相关数据的集合体，包括数据本身和数据间的联系。数据集独立于应用程序而存在，是数据库的核心和管理对象。2°、物理存储介质。指计算机的外存储器和内存储器。前者存储数据；后者存储操作系统和数据库管理系统，并有一定数量的缓冲区，用于数据处理，以减少内外存交换次数，提高数据存取效率。3°、数据库软件。其核心是数据库管理系统(DBMS)。主要任务是对数据库进行管理和维护。具有对数据进行定义、描述、操作和维护等功能，接受并完成用户程序和终端命令对数据库的请求，负责数据库的安全。2、数据库的主要特征数据库方法与文件系统方法相比，具有更强的数据管理能力。数据库具有如下主要特征：1°数据集中控制。在文件管理方法中，文件是分散的，每个用户或每种处理都有各自的文件，这些文件之间一般是没有联系的，因此，不能按照统一的方法来控制、维护和管理。而数据库则很好地克服了这一缺点，可以集中控制、维护和管理有关数据。2°数据独立。数据库中的数据独立于应用程序，包括数据的物理独立性和逻辑独立性，给数据库的使用、调整、优化和进一步扩充提供了方便，提高了数据库应用系统的稳定性。3°数据共享。数据库中的数据可以供多个用户使用，每个用户只与库中的一部分数据发生联系；用户数据可以重叠，用户可以同时存取数据而互不影响，大大提高了数据库的使用效率。4°减少数据冗余。数据库中的数据不是面向应用，而是面向系统。数据统一定义、组织和存储，集中管理，避免了不必要的数据冗余，也提高了数据的一致性。5°数据结构化。整个数据库按一定的结构形式构成，数据在记录内部和记录类型之间相互关联，用户可通过不同的路径存取数据。6°统一的数据保护功能。在多用户共享数据资源的情况下，对用户使用数据有严格的检查，对数据库规定密码或存取权限，拒绝非法用户进入数据库，以确保数据的安全性、一致性和并发控制。3、数据库的系统结构数据库系统的结构，一般划分为三个层次，概念模式、外模式和内模式(图4—1)。数据库系统的三级模式结构将数据库的全局逻辑结构同用户的局部逻辑结构和物理存储结构区分开来，给数据库的组织和使用带来了方便。不同的用户可以有各自的数据视图，所有用户的数据视图集中在一起统一组织，消除冗余数据，得到全局数据视图。用存储描述语言来定义和描述全局数据视图数据，并将数据存储在物理介质上。这中间进行了两次映象。一次是外模式与概念模式之间的映象，定义了它们之间的对应关系，保证了数据的逻辑独立性；另一次是概念模式与内模式之间的映象，定义了数据的逻辑结构和物理存储之间的对应关系，使全局逻辑数据独立于物理数据，保证了数据的物理独立性。在数据库系统中，用户所看到的数据和计算机中存放的数据是两回事，当然是有联系的。用户所理解的是用户自己理解的实体、实体的属性和实体间的关系，即用户只看到了数据库的外层。4、数据模型在数据库系统中，现实世界中的事物及联系是用数据模型来描述的，数据库中各种操作功能的实现是基于不同的数据模型的，因而数据库的核心问题是模型问题。数据模型是数据库中对数据的逻辑组织形式的描述。

数据模型是对现实世界部分现象的抽象，它描述了数据的基本结构及其相互之间的关系和在数据上的各种操作，是数据库系统中关于数据内容和数据间联系的逻辑组织的形式表示，以抽象的形式描述和反映一个部门或系统的业务活动和信息流程。

选择与建立数据模型的目的是用最佳的方式反映本部门的业务对象及信息流程和以最佳的方式为用户提供访问数据库的逻辑接口。

数据模型的三要素：数据结构、数据操作和数据的约束条件。

数据模型大体可以分为两种类型：一种是独立于计算机之外的，如实体——关系模型、语义数据模型等，它们不涉及信息在计算机中如何表示，常称概念模型；另一种模型是直接面向计算机的，它们以记录为单位构造数据模型，如数据库中常用的层次模型、网状模型和关系模型等。在数据模型中常用到下列概念：·实体(Entity)：实体是指现实世界中客观存在的，并可相互区别的事物。实体可以指个体，也可以指总体，即个体的集合。·属性(Attribute)：实体所具有的某一特性·码(Key)：唯一标识实体的属性集·域(Domain)：属性的取值范围·实体型(EntityType)：具有相同属性的实体具有共同的特征和性质，用实体名和属性名集合表示·实体集(EntitySet):同型实体的集合·联系：一是实体内部的联系；二是实体型之间的联系(1:1、1:n、m:n)。数据模型是数据特征的抽象，它不是描述个别数据，而是描述数据的共性。严格地说，一个数据库的数据模型应能描述数据的以下特征：1°、静态特性。包括实体和实体具有的特性、实体间的联系等，通过构造基本数据结构类型来实现。2°、动态特性。即现实世界中的实体及实体间的不断发展变化，通过对数据库的检索、插入、删除和修改等操作来实现。3°、数据间的相互制约与依存关系。通过一组完整性规则来实现。

由此可见，一个数据模型实际上给出了在计算机系统中描述现实世界的信息结构及其变化的一种抽象方法。数据模型不同，描述和实现的方法也不相同，相应的支持软件——数据库管理系统也就不同。

数据模型反映了现实世界中的实体之间的各种联系。实体间的联系有两类：一类是实体内部属性间的联系；另一类是实体与实体之间的联系。实体与实体之间的联系是错综复杂的，可以分为以下三种：1°、一对一的联系。这是最简单的一种实体之间的联系，它表示两个实体集中的个体间存在的一对一的联系。记为1：1。2°、一对多的联系。这是实体间存在的较普遍的一种联系，表示一种实体集E1中的每个实体与另一实体集E2中的多个实体间存在的联系；反之，E2中的每个实体都至多与E1中的一个实体发生联系。记为1：m。3°、多对多的联系。这是实体间存在的更为普遍的一种联系，表示多个实体集之间的多对多的联系。其中，一个实体集中的任何一个实体与另一个实体集中的实体间存在一对多的联系；反之亦然。记为m:n。5、数据库管理系统（DBMS）数据库管理系统(DBMS)是处理数据库数据存取和各种管理控制的软件。它是数据库系统的核心，应用程序对数据库的操作全部通过DBMS进行。数据库管理系统(DBMS)通常具有如下功能：1°、数据库定义功能。用数据库的数据描述语言DDL来定义概念模式、外模式和内模式，也就是说，具有给出数据库框架的功能。如定义数据库的逻辑结构、数据库的结构框架、定义数据项、建立记录类型、定义记录间的关系、指定安全控制要求等。2°、数据库管理功能。指对数据进行更新、存取等的控制功能。通常提供有数据操作语言来作为用户和数据库之间的接口。常用的数据库管理功能如：从数据库中检索出满足条件的数据、向数据库中插入数据、删除数据、修改数据、进行控制操作(如并发控制)等。3°、数据库维护功能。数据入库需要维护，通常包括如下工作：·改善系统的性能：及时掌握数据库的性能变化，性能下降时应进行干预，如对数据进行重新整理和组织。·受损后的复原：一方面应能防止各种伤害数据库的行为，另一方面当数据库受损后，应具有复原的手段。·用户管理：对用户应统一管理，分配使用权限，防止非法使用。·拓宽数据库用户的要求：根据用户要求，修改数据模式，根据新模式重新组织数据。4°、通讯功能。应具有与操作系统的接口、与各种语言的接口、与其它数据库通讯等能力。1、定义：是地理信息系统在计算机物理存储介质上存储和应用的相关的地理空间数据的总合。

书刊

数据

逻辑划分词句段目节章数据项、记录、文件和数据库

物理划分字行页期卷比特、字节、字、块、桶和卷空间数据库是空间数据库系统的简称。图片摘自张超主编的《地理信息系统实习教程》所配光盘二、空间数据库3、空间数据库的特点§3-1空间数据库的概念

1）数据量特别大；2）数据种类多，复杂；3）数据应用面相当广。

在建立地理空间数据库时，一方面应遵循和应用通用的数据库的原理和方法；另一方面又必须采取一些特殊的技术和方法来解决其他数据库所没有的问题。2、空间数据特征:1）空间特征：一般需要建立空间索引。2）非结构化特征：

结构化的，即满足第一范式:每条记录定长，且数据项是原子数据.而空间数据数据项变长，对象包含一个或多个对象，需要嵌套记录。3）空间关系特征：拓扑数据给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂性。

4）分类编码特征：一种地物类型对应一个属性数据表文件。多种地物类型共用一个属性数据表文件。5）海量数据特征。4、空间数据库管理系统§3-1空间数据库的概念

是指能够对物理介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上的定义；提供必须的空间数据查询、检索和存取功能；能够空间数据进行有效的维护和更新的一套软件系统。5、空间数据库应用系统

提供给用户访问和操作空间数据库的用户界面，是应用户数据处理需求而建立的具有数据库访问功能的应用软件。一般需要进行二次开发。一般由专业GIS软件提供返回一、传统数据模型§3-2空间数据模型

数据结构：是指数据的组织形式，在计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。数据模型：是描述实体及其相互关系的数学描述，是空间数据库建立的逻辑模型。两者之间的关系：混合的交叉关系，并不一一对应，世界多样性，确定数据模型，确保实用性，（便于模型化、存储、检查和分析），它并不基于空间数据结构。自学：用三种模型（层次、网络、关系）组织图：返回一、层次数据模型层次模型是一种树结构模型，它把数据按自然的层次关系组织起来，以反映数据之间的隶属关系。层次模型是数据库技术中发展最早、技术上比较成熟的一种数据模型。它的特点是地理数据组织成有向有序的树结构，也叫树形结构。结构中的结点代表数据记录，连线描述位于不同结点数据间的从属关系(一对多的关系)。由树的定义知，一棵树有且仅有一个无双亲结点的称为根的结点；其余结点有且仅有一个双亲结点，它们可分为m(m≥0)个互不相交的有限集，其中每一个集合本身又是一棵树，将其称为子树。图3—2表示地理实体E及其空间要素，图3—3是图3—2所示空间关系所构成的层次模型。这是一棵有向有序树，结点表示不同层次的地理要素，连线描述地理要素之间的从属关系。结点从属于(构成)有向边，有向边从属于(构成)多边形，多边形从属于(构成)实体E。

图3—4网状模型图3—3层次模型图3—2实体E及其空间要素二、网状数据模型网状模型将数据组织成有向图结构，图中的结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间的联系。这种数据模型的基本特征是，结点数据之间没有明确的从属关系，一个结点可与其它多个结点建立联系，即结点之间的联系是任意的，任何两个结点之间都能发生联系，可表示多对多的关系。图3—2所示实体E及其空间要素的网状模型如图3—4所示。层次数据模型和网状数据模型的区别：·层次模型中从子女到双亲的联系是唯一的，而网状模型则可以不唯一；·层次模型不允许有复合链，而网状模型则允许；层次数据模型和网状数据模型的缺陷：·要求应用程序员必须熟悉面向磁盘的优化技术和数据库的物理组织，对于每次特定的数据查询，必须编出十分复杂的查询应用程序。·一旦有新类型的数据加入，将会导致数据库结构的变化，在这种情况下，通常应用程序需要重写。

三、关系数据模型在关系模型中，数据的逻辑结构为满足一定条件的二维表，表具有固定的列数和任意的行数，在数学上称为“关系”。二维表是同类实体的各种属性的集合，每个实体对应于表中的一行，在关系中称为元组，相当于通常的一个记录；表中的列表示属性，称为域，相当于通常记录中的一个数据项。若二维表中有n个域，则每一行叫做一个n元组，这样的关系称为n度(元)关系。表的行对应于对象的实例，各个表的行列交点就用来存贮简单值。满足一定条件的规范化关系的集合，就构成了关系模型。

关系模型可以简单、灵活地表示各种实体及其关系，其数据描述具有较强的一致性和独立性。在关系数据库系统中，对数据的操作是通过关系代数实现的，具有严格的数学基础。

关系数据模型要求每一属性都必须赋给一个域，一个域就是一些正确值的集合，域可允许更多的语义检查，表中的每一个值都必须属于其属性的域或者为空。

RDBMS使用各种手段来加速表的访问，这些协调手段是透明的，只在读写表的命令中是不可见的。由RDBMS来决定在处理查询的过程使用协调信息的时间，如果需要则自动执行协调。每当修改相应表时，RDBMS自动修改协调信息。索引、hashing及排序都是常用的协调技术。图4—2所示地理实体E与空间要素可用关系模型构成如下关系：地理实体——多边形关系：E(Ⅰ，Ⅱ)多边形——多边形关系：Ⅰ(a,b,e)Ⅱ(e,c,d)

边——结点关系：

a(V１，V2) b(V2，V3) c(V3，V4) d(V１，V4) e(V１，V3)上述关系的二维表实现如图3—5所示。

EⅠEⅡⅠabeⅡecdaV1V2bV2V3eV3V1dV1V4cV4V3图3—5关系模型关系模型的进一步发展

RDBMS在目前的现状是理论和技术都非常完善和成熟，商品化的产品大量涌向市场，基本上占据了目前的数据库市场中传统应用领域的全部和90%以上的非传统应用领域，典型的代表有：DB2、INGRES、Oracle、SyBase、Xbase、FoxPro、Rdb/VMS、Informix等等。

RDBMS的发展主要体现在以下方面：（1）非结构化大型对象（LOB-LargeObject）的引进

在关系模型中附加非结构化内容，用于存贮大量变长字符串和二进制数据，是DEC公司于1981年就引进的概念，只是当时并未流行。随着多媒体技术的推广和应用，需要对诸如文本数据、图象数据、静止的视频片断、全动感的视频信息、声音波形等等这类大量的非结构化数据进行存储和管理，于是在目前一些大型的RDBMS（如DB2、Oracle等）中，增加了大型对象这种数据类型。（2）分布式数据库

70年代中期以来，由于计算机网络通信的迅速发展以及在地理上分散的公司、团体和组织对于数据库更为广泛的应用需求，在集中式数据库系统成熟技术的基础上产生和发展了分布式数据库系统，分布式数据库系统是数据库技术和网络技术两者相互渗透和有机结合的结果。目前，在该领域里，一些工作已经取得了显著的成果；许多基本问题已得到解决；一批原型系统已经研究成功并获得了许多经验；一些商品化的产品正在研制或已经推出。如Oracle、Informix、Sybase等等。（3）对象特性的融入

为了迎接面向对象数据库在非传统应用领域对关系数据库提出的挑战，确保关系数据库在数据库领域的霸主地位，关系数据库巨头Oracle、Sybase、DB2、Informix都在积极努力，使自己的关系型产品增加一些面向对象的成分。目前已经有推向市场的这类产品存在，如Oracle8、DB2等。二、传统模型存储空间数据的局限：

§3-2空间数据模型

1、层次模型用于GIS地理数据库的局限性

层次模型反映了实体之间的层次关系，简单、直观，易于理解，并在一定程度上支持数据的重构。用于GIS地理数据库存在的主要问题是：1）很难描述复杂的地理实体之间的联系，描述多对多的关系时导致物理存储上的冗余；2）对任何对象的查询都必须从层次结构的根结点开始，低层次对象的查询效率很低，很难进行反向查询；3）数据独立性较差，数据更新涉及许多指针，插入和删除操作比较复杂，父结点的删除意味着其下层所有子结点均被删除；4）层次命令具有过程式性质，要求用户了解数据的物理结构，并在数据操纵命令中显式地给出数据的存取路径；5）基本不具备演绎功能和操作代数基础。

2、网状模型用于GIS地理数据库的局限性§3-2空间数据模型

网状模型反映地理世界中常见的多对多关系，支持数据重构，具有一定的数据独立和数据共享特性，且运行效率较高。用于GIS地理数据库的主要问题如下：1）由于网状结构的复杂性，增加了用户查询的定位困难，要求用户熟悉数据的逻辑结构，知道自己所处的位置；2）网状数据操作命令具有过程式性质，存在与层次模型相同的问题；3）不直接支持对于层次结构的表达；4）基本不具备演绎功能和操作代数基础。3、关系模型用于GIS地理数据库的局限性§3-2空间数据模型

在GIS分析中，常常需要综合运用实体之间的空间关系和属性数据，要求GIS数据库能对实体的属性数据和空间数据进行综合管理。找离火车站最近的汽车站？空间数据库属性为火车站的点所有属性为汽车站的点空间计算距离最近的汽车站检索检索GIS分析

对属性数据用通用RDBMS可以很好管理，但对于空间数据一般DBMS却有局限，表现为：1）无法用递归和嵌套的方式来描述复杂关系的层次和网状结构，模拟和操作复杂地理对象的能力较弱；2）用关系模型描述本身具有复杂结构和涵义的地理对象时，需对地理实体进行不自然的分解，导致存储模式、查询途径及操作等方面均显得语义不甚合理；3）由于概念模式和存储模式的相互独立性，及实现关系之间的联系需要执行系统开销较大的联接操作，运行效率不够高。3、关系模型用于GIS地理数据库的局限性(续1)§3-2空间数据模型

4）空间数据通常是变长的，而一般RDBMS只允许记录的长度设定为固定长度，此外，通用DBMS难于存储和维护空间数据的拓扑关系。

5）一般RDBMS都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作。

6）一般DBMS不能支持GIS需要的一些复杂图形功能。

7）一般RDBMS难以支持复杂的地理信息，因为单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录，包括大地网、特征坐标、拓扑关系、属性数据和非空间专题属性等方面信息。3、关系模型用于GIS地理数据库的局限性(续2)§3-2空间数据模型

8）GIS管理的是具有高度内部联系的数据，为了保证地理数据库的完整性，需要复杂的安全维护系统，而这些完整性约束条件必须与空间数据一起存储，由地理数据库来维护系统数据的完整性。否则，一条记录的改变会导致错误、相互矛盾的数据存在，而一般RDBMS难以实现这一功能。返回三、面向对象模型§3-2空间数据模型

（一）基本概念

1、对象：含有数据和操作方法的独立模块，可以认为是数据和行为的统一体。如一个城市、一棵树均可作为地理对象。·具有一个唯一的标识，以表明其存在的独立性；·具有一组描述特征的属性，以表明其在某一时刻的状态——静态属性—数据；

·具有一组表示行为的操作方法，用以改变对象的状态。--作用、功能—函数、方法。

对象的划分：根据对象的共性，及对它的研究目的来划分，与具体的目的、性质相联系，不同的目的就会有不同划分。划分原则：找共同点，所有具有共性的系统成份就可为一种对象。地理对象属性—数据行为—方法2、类：§3-2空间数据模型

共享同一属性和方法集的所有对象的集合构成类。如河流均具有共性，如名称、长度、流域面积等，以及相同的操作方法，如查询、计算长度、求流域面积等，因而可抽象为河流类。3、实例

被抽象的对象，类的一个具体对象，称为，如长江、黄河等。真正抽象的河流不存在，只存在河流的例子。类是抽象的对象，是实例的组合，类、实例是相对的，类和实例的关系为上下层关系。类---申请实例---成为具体对象。4、消息：

对象之间的请求和协作。（并不独立存在）对象之间的关系，如鼠标点，就是消息，点某按纽，就是对按纽提出请求。类实例1实例2对象1对象2请求和协作消息

(二)面向对象的特性§3-2空间数据模型

1、抽象：是对现实世界的简明表示。形成对象的关键是抽象，对象是抽象思维的结果。2、封装：一般讲，包起来，将方法与数据放于一对象中，以使对数据的操作只可通过该对象本身的方法来进行。在这，指把对象的状态及其操作集成化，使之不受外界影响。3、多态：是指同一消息被不同对象接收时，可解释为不同的含义。同一消息，对不同对象，功能不同。功能重载->多态，简化消息，但功能不减。现实世界抽象对象1对象n对象2图元类CLineCCircledraw()draw(p1,r)draw(p1,p2)LineCircle

（三）四种核心技术§3-2空间数据模型

1、分类分类是把一组具有相同属性结构和操作方法的对象归纳或映射为一个公共类的过程。如城镇建筑可分为行政区、商业区、住宅区、文化区等若干个类。2、概括将相同特征和操作的类再抽象为一个更高层次、更具一般性的超类的过程。子类是超类的一个特例。一个类可能是超类的子类，也可是几个子类的超类。所以，概括可能有任意多层次。概括技术避免了说明和存储上的大量冗余。这需要一种能自动地从超类的属性和操作中获取子类对象的属性和操作的机制，即继承机制。3、聚集聚集是把几个不同性质类的对象组合成一个更高级的复合对象的过程。4、联合相似对象抽象组合为集合对象。其操作是成员对象的操作集合。

（四）面向对象数据模型的核心工具

§3-2空间数据模型

1、继承：一类对象可继承另一类对象的特性和能力，子类继承父类的共性，继承不仅可以把父类的特征传给中间子类，还可以向下传给中间子类的子类。

它服务于概括。继承机制减少代码冗余，减少相互间的接口和界面。1）单重继承、多重继承；全部继承、部分继承；取代继承、包含继承2）状态继承（数据）§3-2空间数据模型

子类继承父类的数据结构，子类还可定义自己新的数据结构。

子类任意使用父类的数据结构，有可能破坏封装，若只能通过发送消息来使用父类的域，又可能失去有效性，具体办法：

公有域：类可操作，实例也可操作。

私有域：只有类本身使用，用户不得访问。

保护域：子类可使用，继承使用，实例不能使用。

父类子类数据函数实例公有域私有域保护域：§3-2空间数据模型

3）功能的继承：子类继承父类的功能，但子类的功能要发生一些变化，功能函数重新定义，为使消息名简化，可让功能函数同名，但参数不一样，用子类功能取代父类功能函数。功能重载，功能函数名相同，但参数不一样。调用功能时，函数名及其参数共同决定，具体的功能，有了功能重载，对象就体现出多态性。

多态：同一个消息可根据发送消息对象的不同采用多种不同的行为方式，同一个消息对不同对象，功能不一。如鼠标，在不同按钮按，其功能不一样。4)继承与封装关系继承：父类特性子类继承，不可封装，封装，与外界隔离，表面是矛盾，实际上没有冲突，这正是OOP的优越。继承：一段代码使用，封装的代码重用，静态共享代码。封装：一段代码的集成、重用的组织方式，动态共享代码父类子类1子类2类1类2消息实例创建方法2、传播§3-2空间数据模型

传播与继承是一对。复杂对象的某些属性值不单独存于数据库中，而由子对象派生或提取，将子（成员）对象的属性信息强制地传播给综合复杂对象。成员对象的属性只存储一次，保证数据一致性和减少冗余。如武汉市总人口，由存储在各成员对象中的各区人口总和。3、继承与传播（区别）1）继承服务于概括，传播作用于联合和聚集；2）继承是从上层到下层，应用于类，而传播是自下而上，直接作用于对象；3）继承包括属性和操作，而传播一般仅涉及属性；4）继承是一种信息隐含机制，只要说明子类与父类的关系，则父类的特征一般能自动传给它的子类，而传播是一种强制性工具，需要在复合对象中显式定义它的每个成员对象，并说明它需要传播哪些属性值。

四、GIS空间数据库类型§3-2空间数据模型

缺点：1）程序依赖于数据文件的存储结构，数据文件修改时，应用程序也随之改变。2）以文件形式共享，当多个程序共享一数据文件时，文件的修改，需得到所有应用的许可。不能达到真正的共享，即数据项、记录项的共享。GIS应用1空间、属性数据文件1GIS应用2空间、属性数据文件2空间、属性数据文件31、基于文件管理的方式2、文件与关系数据库混合管理系统—双元模型§3-2空间数据模型

GIS应用软件Arc/Info图形用户界面ArcEdit属性用户界面Tables图形数据文件库属性数据库图形处理系统数据库管理系统oid除oid作为连接关键字以外，几乎是两者独立地组织、管理和检索。属性数据oid图形数据1)图形与属性结合的各自分开处理模式--------早期系统:

图形处理的用户界面和属性的用户界面是分开的，它们只是通过一个内部码连接。通常要同时启动两个系统，甚至两个系统来回切换，不方便。几何图形:图形用户界面与图形文件处理是一体的，中间没有裂缝。属性数据，则因系统和历史发展而异。2)图形与属性结合的混合处理模式§3-2空间数据模型

GIS通过DBMS提供的高级编程语言C或Fortran等接口，在C语言的环境下，直接操纵属性数据，查询属性数据库，并在GIS的用户界面下，显示查询结果。在ODBC(OpenDataBaseConnectivity,开放式数据库互连)推出后，GIS软件商只需开发GIS与ODBC的接口软件，就可将属性数据与任何一个支持ODBC的RDBMS连接。这样用户可在一个界面下处理图形和属性数据。用户界面C语言C或ODBC图形处理数据库管理系统图形数据文件库属性数据库

采用文件与RDBMS的混合管理模式中文件管理系统的功能较弱，特别是在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺少基本的功能。因而GIS软件商需要寻找能同时管理图形和属性数据的商用DBMS。3、全关系型空间数据库管理系统—分层模型§3-2空间数据模型

GIS软件商在标准DBMS顶层开发一个能容纳、管理空间数据的系统功能。GIS应用扩展DBMS以容纳空间数据商用DBMS空间和属性数据库代表软件System9,GeoView

等用RDBMS管理图形数据有两种模式：a、基于关系模型的方式，图形数据按关系数据模型组织。由于涉及一系列关系连接运算，费时。例如b、将图形数据的变长部分处理成BinaryBlock字段（多媒体或变长文本）。省去大量关系连接操作，但BinaryBlock的读写效率比定长的属性字段慢得多，特别涉及对象的嵌套时，更慢。4、对象--关系数据库管理系统关系模型组织图形数据§3-2空间数据模型

要找出组成多边形的采样点坐标，涉及多个关系表，作多次连接投影运算。多边形编号边号边长P1aP1bP1cP1dP1P2边号起结点号终结点号a17b21…结点号xy1..…2………CNE返回4、对象--关系数据库管理系统§3-2空间数据模型

DBMS软件商在RDBMS中进行扩展，使之能直接存储和管理非结构化的空间数据，如Informix和Oracle等都推出了空间数据管理的专用模块，定义了操纵点、线、面、圆等空间对象的ＡＰＩ函数。主要解决空间数据的变长记录的管理，效率比二进制块的管理高得多，但仍没有解决对象的嵌套问题，空间数据结构不能由用户定义，用户不能根据ＧＩＳ要求再定义，使用上受一定限制。GIS应用空间数据管理的专用模块

商用DBMS空间和属性数据库5、面向对象空间数据库管理系统5、面向对象空间数据库管理系统§3-2空间数据模型

1）面向对象数据模型的含义

为了有效地描述复杂的事物或现象，需要在更高层次上综合利用和管理多种数据结构和数据模型，并用面向对象的方法进行统一的抽象。这就是面向对象数据模型的含义，其具体实现就是面向对象的数据结构。

面向对象模型最适合于空间数据的表达和管理，它不仅支持变长记录，且支持对象的嵌套，信息的继承和聚集。允许用户定义对象和对象的数据结构及它的操作。可以将空间对象根据ＧＩＳ需要，定义合适的数据结构和一组操作。这种空间数据结构可以带和不带拓扑，当带拓扑时，涉及对象的嵌套、对象的连接和对象与信息聚集。面向对象的地理数据模型的核心是对复杂对象的模拟和操纵。2）复杂对象及特点§3-2空间数据模型

指具有复杂结构和操作的对象。复杂对象可以由多种关系聚合抽象而成，或由不同类型的对象构成，或具有复杂的嵌套关系等。复杂对象的特点可归结为：a)一个复杂对象由多个成员对象构成，每个成员对象又可参与其它对象的构成；b)具有多种数据结构，如矢量、栅格、关系表等；c）一个复杂对象的不同部分可由不同的数据模型所支持，也就是说，可以分布于不同的数据库中。

返回3）面向对象的几何数据模型§3-2空间数据模型

从几何方面划分，GIS的各种地物对象为点、线、面状地物以及由它们混合组成的复杂地物。每一种几何地物又可能由一些更简单的几何图形元素构成。空间地物复杂地物简单地物面域弧段节点面状地物线状地物点状地物

一个面状地物是由边界弧段和中间面域组成，弧段又涉及到节点和中间点坐标。或者说，节点的坐标传播给弧段，弧段聚集成线状地物或面状地物，简单地物聚集或联合组成复杂地物。4）拓扑关系与面向对象模型§3-2空间数据模型

将每条弧段的两个端点（通过它们与另外的弧段公用）抽象出来，建立单独的节点对象类型，而在弧段的数据文件中，设立两个节点子对象标识号，即用“传播”的工具提取节点文件的信息。面标识弧段标识……弧段标识起节点终节点中间点串…………节点标识XYZ…………面域文件弧段文件节点文件拓扑关系与数据共享

这一模型既解决了数据共享问题，又建立了弧段与节点的拓扑关系。同样，面状地物对弧段的聚集方式与数据共享和几何拓扑关系的建立也达到一致。5）面向对象的属性数据模型§3-2空间数据模型

面向对象数据模型是在包含RDBMS的功能基础上，增加面向对象数据模型的封装、继承和信息传播等功能。耕地园地林地居民地牧草地未用地交通用地水域GIS城镇农村居民点工矿地控制点电力设施公园

街道建筑物操作：查询插入删除属性：标识码区号街道号房主等建筑日期：职员库操作属性职员编号工资姓名饭店设施库房间床位操作属性工厂医院学校居民住宅饭店商店邮局银行6)面向对象地理数据模型的特点§3-2空间数据模型

可充分利用现有数据模型的优点。具有可扩充性。由于对象是相对独立的，因此可以很自然和容易地增加新的对象，并且对不同类型的对象具有统一的管理机制。c)可以模拟和操纵复杂对象。传统的数据模型是面向简单对象的，无法直接模拟和操纵复杂实体，而面向对象的数据模型具备对复杂对象进行模拟和操纵的能力。

在GIS中建立面向对象的数据模型时，对象的确定还没有统一的标准，但是，对象的建立应符合人们对客观世界的理解，并且要完整地表达各种地理对象，及它们之间的相互关系。7）面向对象数据库系统的基本概念

§3-2空间数据模型

数据库管理系统面向对象的系统永久性、外存管理、数据共享（并发）、数据可靠性（事务管理和恢复）、即席查询工具和模式修改类/类型、封装性/数据抽象、继承性、多态性/滞后联编、计算完备性、对象标识、复杂对象和可扩充性动态联编:为了实现多态，系统不能在编译时就把操作名联编到程序上，而要等到运行时才进行解释。8）面向对象数据库系统所具有的优势§3-2空间数据模型

（1）缩小了语义差距（2）减轻了“阻抗失配”问题传统数据库应用往往表现为把数据库语句嵌入某种具有计算完备性的程序设计语言中，由于数据库语言和程序设计语言的类型系统和计算模型往往不同，所以这种结合是不自然的，这个现象被称为“阻抗失配”。在OODB中，把需要程序设计语言编写的操作都封装在对象的内部，从本质上讲，OODB的问题求解过程只需要表现为一个消息表达式的集合。（3）适应非传统应用的需要

这种适应性主要表现在能够定义和操纵复杂对象，具备引用共享和并发共享机制以及灵活的事务模型，支持大量对象的存储和获取等等。B2B1AB2B1AB1B2A

当前已推出了若干OODBMS如O2等，也出现一个基于OODBMS的ＧＩＳ，但由于OODBMS价格昂贵且技术还不成熟，目前在ＧＩＳ领域不太通用。基于对象—关系的SDBMS将可能成为GIS空间数据库发展的主流。返回§3-3空间数据库的设计

空间数据库的设计是指在现在数据库管理系统的基础上建立空间数据库的整个过程。现实世界地理实体数据层设计结构设计需求分析数据字典设计返回一、需求分析§3-3空间数据库的设计需求分析是整个空间数据库设计与建立的基础，主要进行以下工作：1、调查用户需求：了解用户特点和要求，取得设计者与用户对需求的一致看法。2、需求数据的收集和分析：包括信息需求(信息内容、特征、需要存储的数据)、信息加工处理要求(如响应时间)、完整性与安全性要求等。3、编制用户需求说明书：包括需求分析的目标、任务、具体需求说明、系统功能与性能、运行环境等，是需求分析的最终成果。

在需求分析阶段完成：

数据源的选择和对各种数据集的评价（一般、空间、属性评价）。二、结构设计

现实世界地理实体逻辑模型物理模型概念模型需求分析§3-3空间数据库的设计

指空间数据结构设计，结果是得到一个合理的空间数据模型，是空间数据库设计的关键。空间数据库设计的实质是将地理空间实体以一定的组织形式在数据库系统中加以表达的过程，也就是地理信息系统中空间实体的模型化问题。三、数据层设计结构设计返回1、概念模型

是通过对错综复杂的现实世界的认识与抽象，最终形成空间数据库系统及其应用系统所需的模型。§3-3空间数据库的设计

表示概念模型最有力的工具是E—R模型，即实体—联系模型，包括实体、联系和属性三个基本成分。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题，比一般的数据模型更接近于现实地理世界，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应用。市区要素空间实体空间实体属性空间实体关系边线走向街道路面质量所属路段所属街道组成长度等m1模型E_R返回2、逻辑模型

逻辑模型的设计是将概念模型结构转换转换为具体DBMS可处理的地理数据库的逻辑结构(或外模式)，包括确定数据项、记录及记录间的联系、安全性、完整性和一致性约束等。

从E—R模型向关系模型转换的主要过程为：①确定各实体的主关键字；②确定并写出实体内部属性之间的数据关系表达