1、第四章 地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫,第1節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述 第2節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型 第3節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型 第4節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫邏輯模型設(shè)計和物理設(shè)計 第5節(jié) GIS空間時態(tài)數(shù)據(jù)庫,主要內(nèi)容,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,1. 數(shù)據(jù)庫的相關(guān)概念 數(shù)據(jù)庫：是指長期儲存在計算機內(nèi)有結(jié)構(gòu)的、大量的、可共享的數(shù)據(jù)集合。 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：是位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一層數(shù)據(jù)管理軟件；他的功能包括：數(shù)據(jù)定義，數(shù)據(jù)操作，數(shù)據(jù)庫的運行管理，數(shù)據(jù)庫的建立和維護。 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：指在計算機系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫后的系統(tǒng)，它由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及其開發(fā)工具、應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理員和用戶構(gòu)成。 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理員： 負責(zé)數(shù)據(jù)庫的

2、建立、使用和維護的專門人員。,一、空間數(shù)據(jù)庫的概念,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,2. 空間數(shù)據(jù)庫的相關(guān)概念 空間數(shù)據(jù)庫：是地理信息系統(tǒng)在計算機物理存儲介質(zhì)存儲的與應(yīng)用相關(guān)的地理空間數(shù)據(jù)的總合，以一系列特定結(jié)構(gòu)的文件形式組織后存儲在介質(zhì)上。 空間數(shù)據(jù)庫（系統(tǒng)）組成： 空間數(shù)據(jù)庫：是地理信息系統(tǒng)在計算機物理存儲介質(zhì)存儲的與應(yīng)用相關(guān)的地理空間數(shù)據(jù)的總合，一般是以一系列特定結(jié)構(gòu)的文件形式組織后存儲在介質(zhì)上。 空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：是指能夠?qū)ξ锢斫橘|(zhì)上存儲的地理空間數(shù)據(jù)進行語義和邏輯上的定義，提供必需的空間數(shù)據(jù)查詢檢索和存取功能，以及能夠?qū)臻g數(shù)據(jù)進行有效的維護和更新的一套軟件。 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)：應(yīng)用模塊。,

3、第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)擴展：直接對常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行擴展，加入一定數(shù)量的空間數(shù)據(jù)存儲與管理功能。 例如：Oracle 空間數(shù)據(jù)庫引擎（SDE: Spatial Database Engine）：在常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)上加一層空間數(shù)據(jù)庫引擎，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的存儲與管理。 例如：ESRI的SDE,3、空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的實現(xiàn)方法,空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是建立在常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的管理功能。,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,1. 空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計過程,這一過程一般需要兩步 人類對客體的認識、抽象，建立概念模型。 將概念模型轉(zhuǎn)換為計算機能夠接受的形式，即數(shù)據(jù)模型。,就是

4、將地理空間客體按一定的組織形式，在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中加以表達的過程。,二、 空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,地理空間是一個三維空間，有四個基本實體 點實體 線實體 面實體 體實體,地理空間的認知, 地理空間實體（客體）,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述, 地理空間實體間的聯(lián)系,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,能夠?qū)臻g數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理 幫助用戶查詢、檢索、增加刪除和修改數(shù)據(jù) 保障空間數(shù)據(jù)的獨立性、完整性、和安全性,2. 空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型設(shè)計,數(shù)據(jù)模型建立的目的 揭示空間實體的本質(zhì)特征，并對其進行抽象化，使之轉(zhuǎn)化為計算機能夠接受和處理的數(shù)據(jù)形式。,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,實際上是現(xiàn)實世界到機器世界的一個中

5、間層。概念模型用于信息世界的建模，是現(xiàn)實世界到信息世界的第一層抽象，是設(shè)計人員的有力工具。,（1）概念模型,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,(1) 實體(Entity)：客觀存在并可相互區(qū)別的事物 (2) 屬性(Attribute)：實體所具有的某一特性 (3) 碼(Key)：唯一標識實體的屬性集 (4) 域(Domain)：屬性的取值范圍 (5) 實體型(Entity Type)：具有相同屬性的實體必然有共同的特征和性質(zhì) (6) 實體集(Entity Set)：同型實體的集合 (7) 聯(lián)系(Relationship)：不同實體集之間的聯(lián)系,信息世界中的基本概念,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述, 一對一聯(lián)系(

6、1:1) 一對多聯(lián)系(1:n)。 多對多聯(lián)系(m : n),注意： E-R圖僅僅是對現(xiàn)實世界描述的一種工具，僅能建立概念模型(信息模型)，不能在計算機上直接實現(xiàn)。,兩個實體之間的聯(lián)系可分為以下三類,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,層 次 模 型 網(wǎng) 狀 模 型 關(guān) 系 模 型 面 向 對 象 模 型,（2）數(shù)據(jù)模型,常用數(shù)據(jù)模型種類,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,設(shè)計原則： 盡量減少空間數(shù)據(jù)存儲冗余； 提供穩(wěn)定的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在用戶的需要改變時，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠做出相應(yīng)的變化； 滿足用戶對空間數(shù)據(jù)及時訪問的需求，高效提供用戶所需的空間數(shù)據(jù)查詢結(jié)果； 在空間元素間維持復(fù)雜的聯(lián)系，反映空間數(shù)據(jù)的復(fù)雜性； 支持多種決

7、策需要，具有較強的應(yīng)用適應(yīng)性。,3. 空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計的原則、步驟和技術(shù)方法,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,第一步 需求分析 第二步 概念設(shè)計 第三步 邏輯設(shè)計 第四步 物理設(shè)計 第五步 數(shù)據(jù)庫的實施和維護,設(shè)計步驟,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,明白即將開發(fā)的GIS所支持的各種功能； 了解系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)內(nèi)容和行為； 了解數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和優(yōu)先次序，這些信息有利于制定數(shù)據(jù)庫的開發(fā)實施計劃。 了解數(shù)據(jù)庫和GIS的整體要求和藍圖。,現(xiàn)狀調(diào)查 調(diào)查內(nèi)容的組織的分析,第一步 用戶需求分析,GIS數(shù)據(jù)庫開發(fā)應(yīng)該主要了解下面的內(nèi)容,用戶需求分析方法：,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,用戶需求分析過程,現(xiàn)狀調(diào)查：通過實際調(diào)查了解用

8、戶的現(xiàn)狀及要求 調(diào)查內(nèi)容的組織的分析：對調(diào)查的結(jié)果進行整理、分析和組織，并提交報告及圖件。包括： 現(xiàn)有機構(gòu)的組織結(jié)構(gòu)圖 軟件、硬件資源表 專業(yè)人員清單 部門功能清單 數(shù)據(jù)來源清單,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,把用戶的需求加以解釋，用概念模型表達出來，具體任務(wù)包括： 1)數(shù)據(jù)庫的宏觀定義 指對數(shù)據(jù)庫比例尺、地圖投影和坐標系統(tǒng)的定義。 2)數(shù)據(jù)庫的特征設(shè)計 對于各種地理特征有關(guān)的屬性數(shù)據(jù)中以什么幾何形式表達進行設(shè)計。 3)數(shù)據(jù)庫表格及其關(guān)系的設(shè)計表達 對與地理特征有關(guān)的屬性數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中表達方式的設(shè)計。,第二步 概念化設(shè)計,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,4）數(shù)據(jù)庫總體設(shè)計的評定 根據(jù)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用目的和數(shù)據(jù)內(nèi)

9、容及使用方式來評價前面三步的設(shè)計結(jié)果。 5）數(shù)據(jù)庫概念模型的起草 將GIS數(shù)據(jù)庫的概念設(shè)計起草成正式的文件，作為后面詳細設(shè)計時參考。,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,第三步 邏輯設(shè)計 邏輯設(shè)計應(yīng)該選擇最適于描述與表達相應(yīng)概念結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型，然后選擇最合適的空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)時一般要分三步進行： 將概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為一般的關(guān)系、網(wǎng)狀、層次模型 將轉(zhuǎn)化來的關(guān)系、網(wǎng)狀、層次模型向特定空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)支持下的數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換。 對數(shù)據(jù)模型進行優(yōu)化。,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計特點 設(shè)計人員必須充分了解所用DBMS的內(nèi)部特征，特別是存儲結(jié)構(gòu)和存取方法； 充分了解應(yīng)用環(huán)境，特別是應(yīng)用的處理頻率和

10、響應(yīng)時間要求； 充分了解外存設(shè)備的特性。,第四步 物理設(shè)計 數(shù)據(jù)庫最終是要存儲在物理設(shè)備上的。為一個給定的邏輯數(shù)據(jù)模型選取一個最適合應(yīng)用環(huán)境的物理結(jié)構(gòu)（存儲結(jié)構(gòu)與存取方法）的過程，就是數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計。,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,根據(jù)邏輯設(shè)計和物理設(shè)計的結(jié)果，在計算機上建立實際的空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，裝入空間數(shù)據(jù)，并調(diào)試和運行。 建立實際的空間數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu) 裝入試驗性的空間數(shù)據(jù)對應(yīng)用程序進行測試，以確認其功能和性能是否滿足設(shè)計要求 裝入實際的空間數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)庫加載，建立起實際運行的數(shù)據(jù)庫。 數(shù)據(jù)庫試運行,1、數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn),三、 空間數(shù)據(jù)庫的實施和維護,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,2、相關(guān)的其它設(shè)計,在數(shù)據(jù)庫

11、試運行期間，應(yīng)進一步完善數(shù)據(jù)庫的功能和性能。 （1）空間數(shù)據(jù)庫再組織：調(diào)整或者改變空間數(shù)據(jù)庫的概念、邏輯和物理結(jié)構(gòu)的。 （2）安全性考慮：規(guī)定相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫使用權(quán)限，保證數(shù)據(jù)庫的安全運行。主要方法是授權(quán)。 （3）故障恢復(fù)處理：數(shù)據(jù)庫恢復(fù)就是把數(shù)據(jù)庫從錯誤狀態(tài)恢復(fù)到某一已知的正確狀態(tài)（亦稱為一致狀態(tài)或完整狀態(tài)）的功能。 （4）事務(wù)控制：事務(wù)控制的目的就是保證多用戶環(huán)境下的數(shù)據(jù)庫的完整性和一致性。,第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述,(1)維護空間數(shù)據(jù)庫的安全性和完整性：需要及時調(diào)整授權(quán)和密碼，轉(zhuǎn)儲及恢復(fù)數(shù)據(jù)庫 (2)監(jiān)測并改善數(shù)據(jù)庫性能：分析評估存儲空間和響應(yīng)時間。 (3)增加新功能：按用戶的需要及時擴充功能

12、，滿足用戶的新需要。 (4)修改錯誤：包括程序和數(shù)據(jù)。,3、空間數(shù)據(jù)庫的運行與維護,第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,一、 層次數(shù)據(jù)模型,有且只有一個結(jié)點沒有雙親結(jié)點，這個結(jié)點稱為根結(jié)點 根以外的其它結(jié)點有且只有一個雙親結(jié)點 同一雙親的子女結(jié)點稱為兄弟結(jié)點，沒有子女結(jié)點的結(jié)點稱為葉結(jié)點。,層次模型是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中最早出現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型，層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用層次模型作為數(shù)據(jù)的組織方式，用樹形結(jié)構(gòu)來表示各類實體以及實體間的聯(lián)系。如行政機構(gòu)，家族關(guān)系等。,(1)層次模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點,第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,在右圖的例子中， R1根結(jié)點， R2和R3為兄弟結(jié)點，是R1的子女結(jié)點； R4和R5為兄弟結(jié)點，是R2的子女結(jié)

13、點； R3 ， R4 ， R4 ，是葉結(jié)點。,第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,多邊形層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,(2)層次模型的數(shù)據(jù)存儲,層次數(shù)據(jù)庫中不僅要存儲數(shù)據(jù)本身，還要存儲數(shù)據(jù)之間的層次關(guān)系，應(yīng)將兩者的存儲結(jié)合在一起。 數(shù)據(jù)存儲方法包括：鄰接法（樹遍歷法）和通用選擇法,第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,層次數(shù)據(jù)庫及其實例,鄰接法（樹遍歷法） 按照層次樹前序穿越的順序，把所有記錄值依次鄰接存放，即通過物理空間的位置相鄰來體現(xiàn)（或隱含）層次順序。 數(shù)據(jù)檢索首先搜索雙親結(jié)點，然后搜索其子女結(jié)點。,第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,通用選擇法,通用選擇法不依賴于客體在樹狀結(jié)構(gòu)中的順序，而是根據(jù)所確定的選擇條件，在

14、結(jié)構(gòu)中選擇某特定的客體。,DRAW coordinates WHERE arcs=arc1,例如：從數(shù)據(jù)庫中提取弧段arc1的坐標并顯示,第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,二、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型,在現(xiàn)實世界中客體的聯(lián)系更多的是非層次關(guān)系的，用層次模型表示非樹形結(jié)構(gòu)是很不直接的，網(wǎng)絡(luò)模型可以克服這一弊病。 在數(shù)據(jù)庫中，把滿足以下兩個條件的基本層次聯(lián)系集合稱為網(wǎng)狀模型： 允許一個以上的結(jié)點無雙親： 一個結(jié)點可以有多于一個的雙親。 網(wǎng)狀模型可以更直接地去描述現(xiàn)實世界，而層次模型實際上是網(wǎng)狀模型的一個特例,第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,網(wǎng)狀模型示例,右圖（a）中， R3有兩個雙親記錄R1和R2 把R1和R2之間的聯(lián)系命名為

15、L1， 把R2與R3的聯(lián)系命名為L2,第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,網(wǎng)狀模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵是如何實現(xiàn)記錄之間的聯(lián)系。常用的方法是鏈接法，包括單向鏈接、雙向鏈接、向首鏈接等，此外還有其它實現(xiàn)方法，如引元陣列法、二進制陣列法、索引法等依據(jù)具體系統(tǒng)不同而不同。,網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫實例,第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,三、關(guān)系數(shù)據(jù)模型,1、關(guān)系模型的基本概念,(1)關(guān)系,關(guān)系是一個二維表，表的每行對應(yīng)一個元組，表的每列對應(yīng)一個域。,屬性：每列起一個名字，如XTIC,第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,基本關(guān)系 通?？煞Q為基本表或基表，它是實際存儲數(shù)據(jù)的邏輯表示。 查詢表 是查詢結(jié)果對應(yīng)的表 視圖表 是由基本表或

16、其它視圖表導(dǎo)出的表，是虛表，不對應(yīng)實際存儲的數(shù)據(jù)。,（2）關(guān)系的類型,第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,關(guān)系中某一屬性組，若它的值能唯一地標識一個元組，則稱該屬性組為候選關(guān)鍵字。,（3）關(guān)鍵字,主關(guān)鍵字：若一個關(guān)系有多個候選碼，則選定其中一個為主關(guān)鍵字。 主屬性：主關(guān)鍵字的諸屬性稱為主屬性。,非碼屬性：不包含在任何候選關(guān)鍵字中的屬性稱為非碼屬性。,第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,一個關(guān)系需要描述的方面： 關(guān)系是元組的集合，因此關(guān)系模式必須指出這個元組集合的結(jié)構(gòu)，即它由哪些屬性構(gòu)成，屬性來自哪個域，以及屬性與域的映象關(guān)系。 一個關(guān)系通常是由賦予它的元組語義來確定的。元組語義實質(zhì)上是一個n 目謂詞。凡是符合元組語義

17、的那部分元素的全體就構(gòu)成了該關(guān)系模式的關(guān)系。 隨著時間的變化，關(guān)系模式的關(guān)系也將發(fā)生變化。,（4）關(guān)系模式,關(guān)系的描述稱為關(guān)系模式。,第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,關(guān)系是關(guān)系模式在某一時刻的狀態(tài)或內(nèi)容。 關(guān)系模式是靜態(tài)的、穩(wěn)定的，而關(guān)系是動態(tài)的，隨時間不斷變化的。 在實際當(dāng)中，人們常常把關(guān)系模式和關(guān)系不加區(qū)別。,關(guān)系和關(guān)系模式之間的區(qū)別和聯(lián)系：,第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,是對某一類數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和屬性的說明。,2、關(guān)系數(shù)據(jù)庫,在一個給定的應(yīng)用領(lǐng)域中，所有實體與實體之間的聯(lián)系的關(guān)系的集合構(gòu)成一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫。,關(guān)系數(shù)據(jù)庫的型(Type),是型的一個具體賦值。,關(guān)系數(shù)據(jù)庫的值(Value),第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模

18、型,指關(guān)系的準確性、相容性和有效性。,關(guān)系的完整性,第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,若屬性 A 是基本關(guān)系 R 的主屬性，則屬性 A 不能取空值。,實體完整性,第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,參照完整性 在關(guān)系模型中，實體及實體間的聯(lián)系都是用關(guān)系來描述的，那么在兩個或者兩個以上的關(guān)系間就自然存在引用。,Type name 11 12 13 14,第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,關(guān)系模型應(yīng)提供定義和檢驗這類完整性的機制，以便用統(tǒng)一方法處理它們，應(yīng)用程序不承擔(dān)這一功能。,用戶定義的完整性,不同的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)根據(jù)其應(yīng)用環(huán)境的不同，往往需要一些特殊的約束條件，用戶定義的完整性就是針對某一具體關(guān)系數(shù)據(jù)庫的約束條件。它反映某一

19、具體應(yīng)用所涉及的數(shù)據(jù)必須滿足的語義要求。,例如：某個屬性必須取唯一值、某個屬性的取值范圍在0-100之間等。,第二節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,三種傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的比較,第四章 地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫,第1節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫概述 第2節(jié) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型 第3節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型 第4節(jié) 空間數(shù)據(jù)庫邏輯模型設(shè)計和物理設(shè)計 第5節(jié) GIS空間時態(tài)數(shù)據(jù)庫,主要內(nèi)容,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的不足 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理的是不連續(xù)的、相關(guān)性較小的數(shù)字和字符；而地理信息數(shù)據(jù)是連續(xù)的，并且具有很強的相關(guān)性。 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理的實體類型太少，并且實體之間通常只有簡單、固定的空間關(guān)系；而地理空間數(shù)據(jù)的

20、實體類型繁多，實體類型之間存在著復(fù)雜的空間關(guān)系，并且還能產(chǎn)生新的關(guān)系（如拓撲關(guān)系）。 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理是以等長記錄為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)；而地理空間數(shù)據(jù)通常是結(jié)構(gòu)化的，其數(shù)據(jù)項可能很大，很復(fù)雜，并且是變長記錄。 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)只操縱和查詢文字和數(shù)字信息；而地理空間數(shù)據(jù)庫中需要有大量空間數(shù)據(jù)庫操作和查詢，如特征提取，影象分割、影象代數(shù)運算、拓撲和相似性查詢。,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,語義模型的模型結(jié)構(gòu)是由若干種抽象所組成，用這些抽象來描述實體的基本語義特性，根據(jù)語義模型結(jié)構(gòu)規(guī)則,把這些抽象有機的組織起來。 語義模型是概念模型的一種，是對信息世界建模，表示方法有多種，其中實體聯(lián)系方法(Entity

21、-Relationship Approach)得到廣泛應(yīng)用，該方法用E-R圖來描述現(xiàn)實世界，用于建立概念模型。,一、語義數(shù)據(jù)模型（E-R模型）,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,實體型 實體是對客觀存在的起獨立作用的客體的一種抽象。 屬性 用橢圓形表示，并用無向邊將其與相應(yīng)的實體聯(lián)系起來 聯(lián)系 是客體間有意義的相互作用或?qū)?yīng)關(guān)系。一般分為三種聯(lián)系：一對一(1:1)，一對多(1:N ) ，多對多(M:N )。,E-R圖表達的三種語義,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,實體型 用矩形來表示，矩形內(nèi)寫明實體名。 屬性 用橢圓形表示，并用無向邊將其與相應(yīng)的實體聯(lián)系起來 聯(lián)系 用菱形表示，菱形框內(nèi)寫明聯(lián)系名

22、，并用無向邊分別與有關(guān)實體聯(lián)系起來，同時在無向邊上標注聯(lián)系的類型(1:1，1:n 或 m:n)。,E-R圖表示實體型、屬性和聯(lián)系的方法,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,E-R圖表示兩個實體之間的三類聯(lián)系,E-R模型的圖形表示,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,E-R模型設(shè)計步驟,（1）設(shè)計各個局部E-R圖 根據(jù)需求分析的結(jié)果（數(shù)據(jù)流圖、數(shù)據(jù)字典等）對現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)進行抽象，分解成不同功能的局部模塊，對每個局部模塊設(shè)計視圖，即分E-R圖。 分E-R圖中每一部分對應(yīng)一個局部應(yīng)用。,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,不同局部視圖中同一對象具有不同的抽象、同一實體中所包含的屬性排列次序不完全相同、實體之間

23、的聯(lián)系呈現(xiàn)不同的聯(lián)系類型。,(2) 設(shè)計全局E-R圖,屬性域沖突,即屬性值的類型、取值范圍或取值集合不同，屬性取值單位沖突,同名異義，異名同義（一義多名）。,命名沖突,結(jié)構(gòu)沖突,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,E-R圖的優(yōu)化原則： 實體類型個數(shù)盡可能少； 實體類型所含類型最少； 實體間聯(lián)系無冗余。,全局E-R圖的優(yōu)化,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,E-R圖的特點,接近人的思維，易于理解 E-R圖與計算機的實現(xiàn)無關(guān),E-R圖僅僅是概念模型，無法在計算機上直接實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計階段應(yīng)該將概念模型轉(zhuǎn)化為計算機能夠接受的數(shù)據(jù)模型，如層次、網(wǎng)絡(luò)、關(guān)系模型。,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,二、面向

24、對象的數(shù)據(jù)模型,面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析與設(shè)計 (OOAD) 面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計(OOAD)方法的發(fā)展在80年代末至90年代中出現(xiàn)了一個高潮，產(chǎn)生了統(tǒng)一的建模語言UML（Unified Modeling Language）。UML適用于以面向?qū)ο蠹夹g(shù)來描述任何類型的系統(tǒng)，而且適用于系統(tǒng)開發(fā)的不同階段，從需求規(guī)格描述直至系統(tǒng)完成后的測試和維護。,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,采用面向?qū)ο蟮乃枷耄瑢ο到y(tǒng)進行分析，根據(jù)用戶需求提取出系統(tǒng)應(yīng)具有的屬性和行為。,將分析的結(jié)果用某種易于轉(zhuǎn)化為編碼或易于理解的形式表達出來。我們常見的有流程圖，ER圖，數(shù)據(jù)流圖等。分析和設(shè)計是兩個相互結(jié)合、漸進的過程。,面向?qū)ο?/p>

25、的設(shè)計：,面向?qū)ο蟮姆治觯?第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,1、面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的基本概念 (1)對象 對象就是現(xiàn)實世界中客體的模型化，與數(shù)據(jù)庫中記錄、元組等概念相似。如：行政區(qū)域的多邊形對象，表示一條河流的弧段對象 對象的兩個特點 狀態(tài)性特征：是通過域來描述的，可稱為私有存儲單元。 封裝性特征：對象的封裝性特征表現(xiàn)為它的私有存儲單元只能由它自己的功能進行處理。,二、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,(2)消息 消息是對象之間相互請求或相互協(xié)作的唯一途徑。一個對象必須通過向其它對象發(fā)送消息的形式使得其它對象提供各自能實現(xiàn)的功能。 消息的特性： 消息是對象之間唯一的通信形式；

26、消息是外界能夠引用對象操作及獲取對象狀態(tài)的唯一方式。 消息的這些特性保證了對象的實現(xiàn)只能依賴于它本身的狀態(tài)和所能接受的消息，而不依賴于其它對象的內(nèi)部細節(jié)和狀態(tài)。,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,消息類型 公有消息 如果一些消息屬于同一個對象，其中有些消息可由其它對象向它發(fā)送的，叫做公有消息。 私有消息 如果一些消息是由它自己向自身發(fā)送的，就叫做私有消息。,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,多邊形對象組成,對象的組成示意,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,(3)類 類是對一組對象的抽象描述，它將該組對象所具有的共同特征集中起來，以說明該組對象的能力和性質(zhì)。,實例是某類的一個具體抽象；類是多個實例的抽

27、象的總和； 類和實例之間是抽象和具體的關(guān)系； 類的確定方法是歸納，這就要求在觀察問題是，注意提煉所遇到對象的共同特征，以確定其類的表達。,實例：是某類的一個具體抽象。,類和實例之間的關(guān)系,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,（1）繼承是現(xiàn)實世界中對象之間的一種獨特關(guān)系，它使得某對象可以自然的擁有另外一類對象的某些特征和功能。,2、繼承及類之間的層次關(guān)系,繼承包括單繼承和多繼承兩種，如下圖,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,（2）類的層次結(jié)構(gòu),是引入類的繼承關(guān)系而產(chǎn)生的，包括 超類：被繼承的類稱為超類。 子類：繼承其他類的對象稱為子類。,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,面向?qū)ο蟮墓δ苤剌d和多態(tài),3功能

28、重載和多態(tài)性：實現(xiàn)消息傳遞。,功能重載：功能重載實際上意味著實現(xiàn)特定功能的方法不僅以名稱來區(qū)分，而且用它所帶的參數(shù)來區(qū)別。 多態(tài)性：是同一個消息可以根據(jù)對象的不同，采用多種不同的行為方式。,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,4、概括和聚集 概括：是把一組具有相同特征和操作的對象類歸納在一個更一般的超類中。 例如，多邊形對象類和弧段對象類共同具有的一些空間特征，它們可作為空間對象類的子類，而空間對象類則是它們的超類。概括形成了子類和超類之間的is-a的語義聯(lián)系。,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,聚集：反映了嵌套對象的概念，嵌套對象是由一些其它對象組成的，它是用來描述較高層次對象的一種形式。 例如，

29、上述的地理信息系統(tǒng)圖形顯示子系統(tǒng)中，一個圖層對象類是由多邊形對象類、弧段對象類、點對象類等對象類的聚集體。這里的圖層對象就是嵌套對象，多邊形對象類與圖層對象之間形成is-part-of的語義聯(lián)系。,第三節(jié) 語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型,運用上述面向?qū)ο蟮母拍詈头椒?，就可以建立起地理信息系統(tǒng)中空間數(shù)據(jù)庫的對象數(shù)據(jù)模型。OpenGIS協(xié)會推薦了一種空間對象數(shù)據(jù)模型，其中的簡單幾何特征集如圖所示。,5、空間數(shù)據(jù)庫對象模型,簡單幾何特征集關(guān)系,第四節(jié) 邏輯模型設(shè)計和物理設(shè)計,(1)初始模式的形成 把E-R圖表示的實體聯(lián)系類型，轉(zhuǎn)換成選定的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所支持的記錄類型，如層次、網(wǎng)狀、關(guān)系模型、面向?qū)ο蟮取?

30、(2)子模式設(shè)計 子模式是應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫的接口，允許有效訪問數(shù)據(jù)庫而不破壞數(shù)據(jù)庫的安全性。 (3)模式評價根據(jù)定量分析和性能測試對數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)作出評價 (4)優(yōu)化模式利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供的功能，對模式進行優(yōu)化，但不改變數(shù)據(jù)庫的信息。,一、空間數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計的步驟和內(nèi)容,第四節(jié) 邏輯模型設(shè)計和物理設(shè)計,二、E-R模型向關(guān)系數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)換,E-R圖可以向不同的數(shù)據(jù)庫模型轉(zhuǎn)換，這里的以關(guān)系數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換為例。 (1)實體轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式：一個實體型轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。 (2)實體之間的聯(lián)系可以分以下情況進行轉(zhuǎn)換 1:1聯(lián)系轉(zhuǎn)換 每個實體可以轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式，也可以與任意一端對應(yīng)的關(guān)系模式合并。每個

31、實體的關(guān)鍵字是該關(guān)系的后選關(guān)鍵字。 1:N聯(lián)系轉(zhuǎn)換：可以分兩種情況 A:轉(zhuǎn)換為獨立的關(guān)系模式，關(guān)系的關(guān)鍵字為N端的關(guān)鍵字; B:與n端對應(yīng)的關(guān)系模式合并,關(guān)系的關(guān)鍵字為N端的關(guān)鍵字。,第四節(jié) 邏輯模型設(shè)計和物理設(shè)計,M:N 聯(lián)系轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換為獨立關(guān)系模式，關(guān)系的關(guān)鍵字是與該聯(lián)系相連的各實體的關(guān)鍵字的組合。,第四節(jié) 邏輯模型設(shè)計和物理設(shè)計,三、關(guān)系數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計（5步）,將E-R圖轉(zhuǎn)換成關(guān)系模式 根據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則，將將E-R圖轉(zhuǎn)換成關(guān)系模式 規(guī)范化處理 任務(wù)是消除異常，改善完整性、一致性和存儲效率。一般使關(guān)系達到3NF就可以滿足使用。規(guī)范化過程實際上就是單一化過程，即一個關(guān)系描述一個概念。如果關(guān)系中

32、多于一個概念，就把它分離出來。 模式評價 目的是檢查數(shù)據(jù)庫模式是否滿足用戶的要求，包括功能評價和性能評價。,第四節(jié) 邏輯模型設(shè)計和物理設(shè)計,優(yōu)化模式 合并：是對具有相同關(guān)鍵字的關(guān)系模式，如果對它們的處理主要是查詢操作，且常在一起使用，可將這類關(guān)系模式合并。 分解：是指關(guān)系雖已達到規(guī)范化的要求，但如果某些關(guān)系的屬性過多，則會影響效率，可將它分割成為兩個或多個關(guān)系模式，按屬性組分解的稱為垂直分解，垂直分解需滿足得到的每一個關(guān)系都 包含主關(guān)鍵字。 形成數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計說明書 包括：模式及子模式的集合，可用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的語言描述，也可列表描述；應(yīng)用設(shè)計指南，設(shè)計訪問方式、查詢路徑、處理要求、約束條件

33、等；物理設(shè)計指南，包括數(shù)據(jù)訪 問量、傳輸量、存儲量、遞增量等。,第四節(jié) 邏輯模型設(shè)計和物理設(shè)計,四、空間數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計,可分為5步，前三步為結(jié)構(gòu)設(shè)計，后兩步為約束和程序設(shè)計 (1)存儲記錄的格式設(shè)計：對數(shù)據(jù)項類型特征作分析，對存儲記錄進行格式化，決策如何進行數(shù)據(jù)壓縮或代碼化。 (2)存儲方法設(shè)計：是把存儲記錄在全數(shù)據(jù)庫范圍內(nèi)進行物理存儲安排。 順序存儲：該存儲方式的平均查詢次數(shù)為關(guān)系記錄個數(shù)的1/2； 散列存儲：該存儲方式的查詢次數(shù)由散列算法所決定； 索引存儲：需要確定創(chuàng)建何種索引，及在哪些庫和屬性上建立索引； 聚簇存儲：是指將不同類型的記錄分配到相同的物理區(qū)域中去。,第四節(jié) 邏輯模型設(shè)計和

34、物理設(shè)計,(3)訪問方法設(shè)計：訪問方法設(shè)計為存儲在物理設(shè)備上的數(shù)據(jù)提供存儲結(jié)構(gòu)和查詢路徑，該設(shè)計與選用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有很大關(guān)系。 (4)完整性和安全性考慮：根據(jù)邏輯設(shè)計說明書中提供的對數(shù)據(jù)庫的約束條件、具體選擇的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和操作系統(tǒng)的性能特征及硬件環(huán)境，設(shè)計建立數(shù)據(jù)庫完整性和安全性措施。 (5)應(yīng)用設(shè)計：包括人機界面的設(shè)計、輸入輸出格式的設(shè)計、代碼設(shè)計、處理加工設(shè)計等。 (6)形成物理設(shè)計說明書：包括存儲記錄格式，存儲記錄位置分布及訪問方法、它能滿足的操作需求，并給出對硬件和軟件系統(tǒng)的約束。,第五節(jié) GIS空間時態(tài)數(shù)據(jù)庫,一、空間時態(tài)數(shù)據(jù)庫概述,時空數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或數(shù)據(jù)處理技術(shù)，研究內(nèi)容包括以下三個方面： (1)空間時態(tài)數(shù)據(jù)的表達 空間時態(tài)數(shù)據(jù)表達的目的在于建立空間時態(tài)一體化數(shù)據(jù)模型。它涉及到時間標志、空間時態(tài)版本的標識、空間變化類型的定義、空間拓撲與時態(tài)拓撲、空間時態(tài)數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)，以及存取策略等內(nèi)容。,第五節(jié) GIS空間時態(tài)數(shù)據(jù)庫,(2)空間時態(tài)數(shù)據(jù)的更新 空間時態(tài)數(shù)據(jù)的更新研究空間數(shù)據(jù)更新的類型、操