第三章空间数据库讲义

《第三章空间数据库讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章空间数据库讲义（76页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第三章 空间数据库,数据库是一个信息系统的基本且重要的组成部分。同样，在一个空间项目的工作流程中，地理信息系统负责管理工作流程所需的空间数据，辅助用户用这些数据进行空间分析、综合，进而进行所需的决策。所以，地理信息系统是该项目工作过程的支柱。空间数据库是地理信息系统中空间数据的存储场所。在一个项目的工作过程中，空间数据库发挥着核心的作用。,第一节 空间数据库概述,1.数据管理的发展阶段 数据管理：对数据的分类、组织、编码、储存、检索和维护。 1.1人工管理阶段(50年代中期以前) 背景：计算机主要用于科学计算；外存只有磁带、卡片、纸带；没有操作系统。 特点：数据不保存；没有软件系统对数据进行管

2、理；没有文件概念，数据的组织由程序员设计；一组数据对应一个程序。,1.2文件系统阶段(50年代后期到60年代中期) 背景：计算机用于管理；外存有了磁盘等直接存取的存储设备；有了管理数据软件，即文件系统。 特点：计算机用于数据处理，磁盘保存数据；软件管理数据；文件多样化；数据的存取以记录为单位；数据冗余度大；数据和程序缺乏独立性。,2.空间数据库的概念 2.1数据库系统的组成 2.1.1数据库：是按照一定的结构组织在一起的相关数据的集合； 2.1.2数据库管理系统（DBMS)：提供数据库建立、使用和管理工具的软件系统 2.1.3数据库应用系统：具有数据库访问功能的应用软件，提供用户界面。,2.2

3、空间数据库系统的组成 2.2.1 空间数据库：指GIS在计算机中存储的与应用相关的地理空间数据的总和。以文件的形式存储。 2.2.2 空间数据库管理系统：指能够对存储的地理空间数据进行定义、查询检索、存取、维护和更新的软件系统。,2.3空间数据库管理系统的实现方法: 2.3.1 对常规数据库管理系统进行功能扩展，加入空间数据存储与管理功能。如Oracle。 2.3.2 在常规数据库管理系统之上添加一层空间数据库引擎，以获得空间数据存储和管理的能力。如SDE。 2.3.3 空间数据库应用系统：由GIS的空间分析模型和应用模型所组成的软件。管理空间数据，分析与决策。,2.4数据库的主要特点 数据共

4、享。所有用户可同时存取数据库中数据。是数据库先进性的体现。 数据冗余度小。由于数据共享，避免各自建立应用文件，冗余度低，数据一致性好。 数据独立。数据库的逻辑结构同应用程序相互独立，数据存储结构的变化不影响数据的逻辑结构。 数据集中控制。文件管理中数据处于分散状态，数据库可对数据进行集中控制和管理。 数据保护。保证数据的一致性、可维护性、安全性、可靠性。,3.数据组织与数据文件 31数据组织的分级 3.1.1数据项 是定义数据的最小单位，也叫字段。数据项与实体的属性相对应，数据项有一定的取值范围，称为域。n个数据项可以组合成复（组）合数据项。,3.1.2记录 记录由若干相关联的数据项组成。记录

5、是处理和存储信息的基本单位。 唯一标识记录关键字称主关键字，其他标识记录的关键字称为次关键字。 3.1.3文件 是一给定类型的记录的全部具体值的集合。文件用文件名标识。 3.1.4数据库 是具有特定联系的数据的集合，数据库的内部构造是文件的集合，文件之间存在联系。,3.2常用的数据文件 数据库是文件的集合，各种操作是对文件执行相应的操作。 3.2.1顺序文件(Sequential File) 按记录进入文件的先后顺序存放。 优点是结构简单；连续存取速度快。缺点是不便于插入、删除和修改，不便于查找某一特定记录。,3.2.2直接存取文件(Direct Access File) 也称随机文件，通过建

6、立Hash函数：i=H(k) (k为关键字，i为地址)把关键字转换成地址。 关键是如何构建Hash函数，原则是减少关键字转换成地址时出现的冲突，即不同关键字转换后得相同地址。 优点：文件随机存放，插入、删除方便，查找速度快，节省空间。,3.3.3索引文件(Index File) 索引文件是指带有索引表的文件。在索引表中存放记录的关键字和记录在文件中的位置。 索引文件在存贮器上分为两个区，即索引区和数据区。索引区存放索引表；数据区存放主文件。建立索引表的目的是提高查询速度。,3.3.4倒排文件(Inverted File) 含有次关键字的索引表称为倒排表，倒排表和主文件构成倒排文件。 优点：对复

7、杂的多关键字查询时，可在倒排表中选择完成查询的“交”、“并”等逻辑运算，提高了查询的速度。 例如：查询林地、缓坡、半阳坡的地块：,首先查出林地的地块号P1=1，4，5，6，10；缓坡的地块号P2=1，5，6，10；坡向为半阳的地块号P3=4,6,10。P=P1P2P3=6，10。,第二节 空间数据库的设计与维护,1.空间数据库的设计 空间数据库的设计问题，其实质是将地理空间客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客体数据的模型化问题。,1.1空间数据库设计过程,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,1.2空间数据库的数据模型设

8、计 空间数据库模型就是对客体进行描述和表达的数学手段，使之能反映客体的某些结构特征和行为功能。 空间数据么形式衡量地理信息系统功能强弱与优劣的主要因素之一。数据组织的好坏直接影响到空间数据库中数据查询、检索的方式、速度和效率。从这一意义上看，空间数据库的设计最终可以归结为空间数据模型的设计。,1.3空间数据库设计的原则、步骤和技术方法 1.3.1现在，对空间数据库的设计已经提出许多准则，其中包括： 尽量减少空间数据存储的冗余量； 提供稳定的空间数据结构，在用户的需要改变时，该数据结构能迅速作相应的变化； 满足用户对空间数据及时访问的需求，并能高效地提供用户所需的空间数据查询结果； 在数据元素间

9、维持复杂的联系，以反映空间数据的复杂性； 支持多种多样的决策需要，具有较强的应有适应性。,1.3.2空间数据库设计的设计过程 地理信息系统数据库设计往往是一件相当复杂的任务，为有效地完成这一任务特别需要一些合适的技术，同时还要求将这些设计技术中确的组织起来，构成一个有序的设计过程。 设计技术和设计过程是有区别的，设计技术使之数据库设计者所使用的设计工具，其中包括各种算法、文本化方法、用户组织的腿那个表示法、各种转化规则、数据库定义的方法以及编程技术；而设计过程则是确定了这些技术的使用顺序。,1.3.3空间数据库设计的技术方法 空间数据库设计技术可分为下列两类： 数据分析技术，数据分析技术是用于

10、分析用户数据的语义的技术手段； 技术设计技术，技术设计技术用于将数据分析结果转化为数据库的技术实现。,1.3.4空间数据库设计的内容 数据库设计的内容包括了数据模型的三个方面：即数据结构、数据操作和完整性约束。具体区分为： 静态特性设计，又称结构特性设计。也就是根据给定的应用环境，设计数据库的数据模型（即数据结构）或数据库模式。它包括概念结构设计和逻辑结构设计两个方面。 动态特性设计，又称数据库的行为特性设计。设计数据库的查询、静态事务处理和报表处理等应用程序。 物理设计。根据动态特性，即应用处理要求，在选定的数据库管理系统环境之下，把静态特性设计中得到的数据库模式加以物理实现，即设计数据库的

11、存储模式和存取方法。,1.3.5数据库设计的典型步骤 需求分析。即用系统的观点分析与某一特定的数据库应用有关的数据集合。 概念设计。把用户的需求加以解释，并用概念模型表达出来。概念模型实现实世界到信息世界的抽象，具有独立于具体的数据库实现的优点，因此是用户和数据库设计人员之间进行交流的语言。 逻辑设计。数据库逻辑设计的任务是：把信息世界中的概念模型利用数据库管理系统所提供的工具映射为计算机世界中为数据库管理系统所支持的数据模型，并用数据描述语言表达出来。,物理设计。数据库的物理设计之数据库存储结构和存储路径的设计，即将数据库的逻辑模型在实际的物理存储设备上加以实现，从而建立一个具有较好性能的物

12、理数据库。,1.4空间数据库的实现与维护 1.4.1空间数据库的实现 根据空间数据库逻辑设计和物理设计的结果，就可以在计算机上创建其实际的空间数据库结构，装入空间数据，并测试和运行，这个过程就是空间数据库的实现过程。,它包括： 建立实际的空间数据库结构。 装入试验性的空间数据对应用程序进行测试，以确认其功能和性能是否满足设计要求，并检查对数据库存储空间的占有情况。 装入实际的空间数据，即数据库的加载，建立起实际运行的空间数据库。,1.4.2相关的其它设计 其它设计的工作包括加强空间数据库的安全性、完整性控制，以及保证一致性、可恢复性等，总之是以牺牲数据库运行效率为代价的。设计人员的任务就是要在

13、实现代价和尽可能多的功能之间进行合理的平衡。这一设计过程包括： 空间数据库的再组织设计 故障恢复方案设计 安全性考虑 事务控制,1.4.2空间数据库的运行与维护 维护空间数据库的安全性和完整性：需要及时调整授权和密码，转储即恢复数据库。 检测并改善数据库性能：分析评估存储空间和相应时间，必要时进行数据库的再组织。 增加新的功能：对现有功能按用户需要进行扩充。 修改错误：包括程序和数据。,第三节 数据库的数据模型,1.数据库的数据模型 数据库的数据结构（层次、网络、关系等）、操作集合（检索和更新的操作规则等）和完整性规则（数据约束条件）集合，组成了数据库的数据模型。 1.1 传统的数据模型 70

14、年代广泛流行的是网络数据模型和层次模型。80年代以来，占主导地位的是关系数据模型。,1.1.1层次模型 记录都处于一定的层次上。,1.1.2网络模型,1.1.3关系模型 它把数据结构归结为满足一定条件的二维表，这种表称为关系。一个实体由若干个关系组成，而关系表的集合就构成了关系模型。,1.1.4传统数据模型的缺点 以记录作为数据模型的基本结构，不能很好地面向对象。 数据语义贫乏。数据语义是指数据本身具有的表达数据属性及其关系的能力。 数据类型少，难以满足用户需要。,三种常用的传统数据模型的比较,1.2面向对象的数据模型 1.2.1基本概念 对象。一个对象是现实世界中一个客体的模型化。它有惟一的

15、名称标识，并且把自身的状态和功能封装在一起。对象是对现实世界的一种高度的抽象概括形式。任何一个空间客体都可以用对象表达，如表示一个行政区域的多边形对象、表示一条河流的弧段对象等。,消息。是对象之间互相请求或相互协作的惟一途径。如果消息属于同一对象，其中有些可由其他对象向它发送的，叫做公有消息。另外一些则是由它自己向自身发关的，叫私有消息。如多边形对象中要求计算周长等，可由外界对象发送给它，这就是公有消息。如要求弧段分别计算出各自的长度，给这些弧段对象发送消息就是私有消息。,类。是对一组对象的抽象描述，它将该组对象所具有的共同特征集中起来，以说明该组对象的能力和性质。类和实例之间是抽象和具体的关

16、系。 继承。继承使得某类对象可以自然地拥有另外一类对象的某些特征和功能。这使得对象之间某些相同或相似的特征和功能不需要重复地实现，只要通过继承就可以相互借用和共享。,类的层次结构。被继承的类称为超类或基类，继承其他类的对象类称为子类或派生类。如直线段对象类继承了曲线对象类的特性和功能，可以从曲线对象类中派生出来，则曲线对象类为超类，直线段对象类为子类。,概括：把一组具有相同特征和操作的对象类归纳在一个更一般的超类中。如空间对象类归纳了多边形对象类和弧段对象类共有的一些空间特征，而互为子类和超类。概括形成了子类和超类之间一种称为is-a(即是）的语义联系。,聚集。反映了嵌套对象的概念，嵌套对象是由一些其他对象组成的，它是描述更高层次对象的一种形式。如一个图层对象类是由多边形、弧段、点等对象类的聚集体。图层对象就是嵌套对象、多边形对象类等与图层对象之间形成一种is-part-of（部分）的语义联系。,2.空间数据库对象模型 运用上述面向对象的概念和方法，就可以建立空间数据库