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1、第第4章章 空间数据库空间数据库本讲稿第一页，共二十八页建立数据库不仅仅是为了保存数据，扩展人的记忆，而主要是为了帮助人们去管理和控制与这些数据相关联的事物。地理信息系统中的数据库就是一种专门化的数据库，由于这类数据库具有明显的空间特征，所以有人把它称为空间数据库。定义：数据库就是为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存储、管理和应用的相关联的数据集合。计算机对数据的管理经过了三个阶段：程序管理阶段、文件管理阶段、数据库管理阶段 本讲稿第二页，共二十八页数据库中数据组织方式 数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、记录、文件和数据库。记
2、录、文件和数据库。1 1、数据项：是可以定义数据的最小单位，也叫元、数据项：是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、字段等。素、基本项、字段等。2 2、记录：由若干相关联的数据项组成。、记录：由若干相关联的数据项组成。文件：文件是一给定类型的文件：文件是一给定类型的(逻辑逻辑)记录的全部具体记录的全部具体值的集合。值的集合。4 4、数据库：是比文件更大的数据组织。数据库是、数据库：是比文件更大的数据组织。数据库是具有特定联系的数据的集合，也可以看成是具有具有特定联系的数据的集合，也可以看成是具有特定联系的多种类型的记录的集合。数据库的内特定联系的多种类型的记录的集合。数据库的内部构造是文件
3、的集合，这些文件之间存在某种联部构造是文件的集合，这些文件之间存在某种联系，不能孤立存在。系，不能孤立存在。本讲稿第三页，共二十八页数据间的逻辑联系 数据间的逻辑联系主要是指记录与记录之间的联系。1、一对一的联系(1：1)2、一对多的联系(1：N)3、多对多的联系(M：N)A BAB本讲稿第四页，共二十八页数据模型 数据模型是数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织的形式表示。每一种数据模型都以不同的数据抽象与表示能力来反映客观事物，有其不同的处理数据联系的方式。数据库领域采用的数据模型有层次模型、网状模型和关系模型，其中应用最广泛的是关系模型。本讲稿第五页，共二十八页层次数据库模型层次数据库模型
4、 它的特点是将数据它的特点是将数据组织成一对多关组织成一对多关系的结构。系的结构。层次结构采用关键层次结构采用关键字来访问其中每字来访问其中每一层次的每一部一层次的每一部分。分。层次数据库结构特层次数据库结构特别适用于文献目别适用于文献目录、土壤分类、录、土壤分类、部门机构等分级部门机构等分级数据的组织。数据的组织。本讲稿第六页，共二十八页层次数据库模型优点：n n存取方便且速度快n n结构清晰，容易理解n n数据修改和数据库扩展容易实现n n检索关键属性十分方便缺陷：n n结构呆板，缺乏灵活性n n同一属性数据要存储多次，数据冗余大（如公共边）n n不适合于拓扑空间数据的组织本讲稿第七页，共
5、二十八页网络数据库模型网络模型用连接指令或指针来确定数据间的显式连接关系，是具有多对多类型的数据组织方式。系名化学系教师数学生数研究生系名地质系教师数49学生数257研究生71学校名称西北大学系名城资系教师数52学生数300研究生70系名教师数学生数研究生系名教师数学生数学号002312姓名张三年级3籍贯广东系名教师数学生数研究生系名教师数学生数教师号66姓名谢元礼年龄30职称教授系名教师数学生数研究生系名教师数学生数课程号A01课程名GIS周学时4学分5系名教师数系名学号002312课程号A01本讲稿第八页，共二十八页网络数据库模型网络数据库模型优点：能明确而方便地表示数据间的复杂关系数据冗
6、余小缺陷：网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难。需要存储数据间联系的指针，使得数据量增大数据的修改不方便（指针必须修改）本讲稿第九页，共二十八页关系数据库模型关系数据库模型1 1x1x1y1y12 2x2x2y2y23 3x3x3y3y34 4x4x4y4y45 5x5x5t5t56 6x6x6y6y6关系数据库模型是以记录组或数据表的形式组织数据，以便于利用各种关系数据库模型是以记录组或数据表的形式组织数据，以便于利用各种地理实体与属性之间的关系进行存储和变换，不分层也无指针，是地理实体与属性之间的关系进行存储和变换，不分层也无指针，是建立空间数据和属性数据之间关系的一种非常有效的数据
7、组织方法。建立空间数据和属性数据之间关系的一种非常有效的数据组织方法。点本讲稿第十页，共二十八页关系数据库模型关系数据库模型优点：n n结构特别灵活，满足所有布尔逻辑运算和数学运算规则形成的查询要求n n能搜索、组合和比较不同类型的数据n n增加和删除数据非常方便缺陷：n n数据库大时，查找满足特定关系的数据费时 n n对空间关系无法满足本讲稿第十一页，共二十八页传统数据模型在存储空间数据上存在传统数据模型在存储空间数据上存在的不足的不足n n传统数据库系统管理的是传统数据库系统管理的是不连续的、相关性较小不连续的、相关性较小的数字或者的数字或者字符；而空间数据是连续的，并且有很强的空间相关性
8、字符；而空间数据是连续的，并且有很强的空间相关性n n传统数据库系统管理的传统数据库系统管理的实体类型较少实体类型较少，并且实体类型之间通，并且实体类型之间通常只有常只有简单的、固定的空间关系简单的、固定的空间关系；而空间数据库的实体类型繁；而空间数据库的实体类型繁多，实体之间存在复杂的空间关系多，实体之间存在复杂的空间关系n n传统数据库系统存储的数据通常为传统数据库系统存储的数据通常为等长记录的数据等长记录的数据；而空间数；而空间数据库通常由于不同目标的坐标串长度不定，具有变长记录，并据库通常由于不同目标的坐标串长度不定，具有变长记录，并且数据项也可能很多很复杂且数据项也可能很多很复杂n
9、n传统数据库系统传统数据库系统只操作和查询数字和文字信息只操作和查询数字和文字信息；而空间数据库；而空间数据库中需要大量的空间数据操作和查询，如包含等。中需要大量的空间数据操作和查询，如包含等。本讲稿第十二页，共二十八页GIS的数据管理方法GISGIS应用应用软件软件空间及属性数据文件GISGIS应用应用软件软件空间及属性数据库扩展DBMS以容纳空间数据商业数据库GISGIS应用应用软件软件空间及属性数据库用户设计的数据库GISGIS应用应用软件软件空间数据库属性数据库管理空间数据的软件管理属性数据的DBMS本讲稿第十三页，共二十八页全关系数据库管理方案n n属性数据、几何数据同时采用关系式数
10、据库进行管理属性数据、几何数据同时采用关系式数据库进行管理n n空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快n n属间接存取，效率比属间接存取，效率比DBMSDBMS的直接存取慢，特别是涉及空间查询、对象嵌套等复杂的空的直接存取慢，特别是涉及空间查询、对象嵌套等复杂的空间操作间操作n nGISGIS软件：软件：System9System9，Small WorldSmall World、GeovisionGeovision等等GIS界面属性数据（定长记录）空间数据（变长记录）DBMS空间数据库关系表二进制块本讲稿第十四页，共二十八页文文件件
11、 关关系系数数据据库库混混合合管管理理方方案案n n属性数据建立在属性数据建立在RDBMSRDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效；上，数据存储和检索比较可靠、有效；n n几何数据采用图形文件管理，功能较弱，特别是在数据的安全性、一致几何数据采用图形文件管理，功能较弱，特别是在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制方面，比商用数据库要逊色得多。性、完整性、并发控制方面，比商用数据库要逊色得多。n n空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。n nGISGIS软件：软件：Arc/InfoArc/Info，MGEMGE，SICARDSICARD、
12、GENEMAPGENEMAP等。等。几何数据属性数据ID数据文件数据库早期图形用户界面图形处理DBMS属性用户界面图形文件库属性数据库GIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库高级语言ODBC协议GIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库高级语言数据库开发语言数据库开发数据库开发本讲稿第十五页，共二十八页不同的层以及同一层中不同图形要素类型（点、线、面）不同的层以及同一层中不同图形要素类型（点、线、面）,将产生不同的将产生不同的ShapeShape文件，同时对每一个要素自动产生一文件，同时对每一个要素自动产生一个特征码（个特征码（FeatureIDFeatureID）。）。图层
13、图层i图层图层j点文件点文件i线文件线文件i面文件面文件i点文件点文件j线文件线文件j面文件面文件jShape文件本讲稿第十六页，共二十八页用户可以不使用特征码而自己设定标识码XXXXXXXXXX大类码小类码一级代码二级代码要素类型识别位本讲稿第十七页，共二十八页全关系式数据库管理方案n n属性数据、几何数据同时采用关系式数据库进行管理属性数据、几何数据同时采用关系式数据库进行管理n n空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快n n属间接存取，效率比属间接存取，效率比DBMSDBMS的直接存取慢，特别是涉及空间查询、对象嵌套的直接存取
14、慢，特别是涉及空间查询、对象嵌套等复杂的空间操作等复杂的空间操作n nGISGIS软件：软件：System9System9，Small WorldSmall World、GeovisionGeovision等等GIS界面属性数据（定长记录）空间数据（变长记录）RDBMS空间数据库关系表二进制块本讲稿第十八页，共二十八页扩展关系数据库管理方案n n在标准的关系数据库上增加空间数据管理层，即利用该层将地理结构查询语言在标准的关系数据库上增加空间数据管理层，即利用该层将地理结构查询语言(GeoSQL)(GeoSQL)转化成标准的转化成标准的SQLSQL查询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。查
15、询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。n n解决了空间数据变长记录的存储问题，由数据库软件商开发，效率较高解决了空间数据变长记录的存储问题，由数据库软件商开发，效率较高n n用户不能根据用户不能根据GISGIS要求进行空间对象的再定义，因而不能将设计的拓扑结构进行存储要求进行空间对象的再定义，因而不能将设计的拓扑结构进行存储n nGISGIS软件：软件：TIGERTIGER，Geo+Geo+、Geo TropicsGeo Tropics等等GIS界面空间数据处理RDBMS空间数据库扩充实体类型（点、线、面、圆等）本讲稿第十九页，共二十八页面向对象数据库系统 面向对象（object-ori
16、ented，oo）的概念起源于程序设计语言面向对象的编程语言(简称OOPL)，强调对象概念的统，引入对象、对象类、方法、实例等概念和术语，采用动态联编和单继承性机制。它以OOPL为核心，集各种软件开发工具为一体，建立OO计算环境，配有很强的图形功能和多窗口用户界面。基本出发点就是以对象作为最基本的元素，尽可能按照人类认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题。本讲稿第二十页，共二十八页00对象：对象：是对客观世界实体的抽象描述，由信息（数据）和对数据的操是对客观世界实体的抽象描述，由信息（数据）和对数据的操作组合而成。作组合而成。00类：类：是对多个相似对象共同特性的描述。是对多个相似对象共同特
17、性的描述。00消息：消息：是对象之间通信的手段，用来指示对象的操作。分公有消是对象之间通信的手段，用来指示对象的操作。分公有消息和私有消息。息和私有消息。00方法：方法：是对象接收到消息后应采取的动作序列的描述。是对象接收到消息后应采取的动作序列的描述。00实例：实例：是由一特定类描述的具体对象。是由一特定类描述的具体对象。00元类：元类：是相似的类的共同属性的抽象，元类的实例是类，类的是相似的类的共同属性的抽象，元类的实例是类，类的实例是对象。实例是对象。对象具有封装性和继承性，涉及到分类（对象具有封装性和继承性，涉及到分类（classificationclassification）、概括）
18、、概括（generalizationgeneralization）、聚集（）、聚集（aggregationaggregation）、联合（）、联合（associationassociation）、继、继承（承（inheritanceinheritance）和传播（）和传播（propagationpropagation）等概念。）等概念。基本概念 本讲稿第二十一页，共二十八页基本概念n n协议：是一个对象对外服务的说明，它告知一个对象可以为外界。n n封装：是将某件实物包围起来，使外界不必知道其实际内容。n n继承：从某类对象得到另一类对象的特征和能力。如饭店子类从建筑物类继承地址、建筑日期等属
19、性。引入类的继承，就出现了类的层次结构，也就有了超类（基类）、子类（派生类）的概念。本讲稿第二十二页，共二十八页基本概念n nn概括：概括：概括：是把一组具有相同特征和操作的对象归纳在一个是把一组具有相同特征和操作的对象归纳在一个是把一组具有相同特征和操作的对象归纳在一个更一般的超类中。更一般的超类中。更一般的超类中。n nn联合：联合：联合：是相似对象的抽象组合，可看作是更高层次的集是相似对象的抽象组合，可看作是更高层次的集是相似对象的抽象组合，可看作是更高层次的集合对象。如西安市是新城区、雁塔区、碑林区等区的联合对象。如西安市是新城区、雁塔区、碑林区等区的联合对象。如西安市是新城区、雁塔区
20、、碑林区等区的联合。又联合关系的对象叫成员。合。又联合关系的对象叫成员。合。又联合关系的对象叫成员。n nn聚集：聚集：聚集：是类似于联合的抽象化概念，不强调整个对是类似于联合的抽象化概念，不强调整个对象的具体细节，例如建筑物是墙、窗、门、房顶和象的具体细节，例如建筑物是墙、窗、门、房顶和楼板几部分的聚集。楼板几部分的聚集。n nn传播：传播：作为联合和聚集的一种工具，通过一种强制性的作为联合和聚集的一种工具，通过一种强制性的作为联合和聚集的一种工具，通过一种强制性的手段将子对象的属性信息传递给复杂对象。例如西安市大手段将子对象的属性信息传递给复杂对象。例如西安市大手段将子对象的属性信息传递给
21、复杂对象。例如西安市大学生数量可以由各个大学的学生数求和派生得到。学生数量可以由各个大学的学生数求和派生得到。学生数量可以由各个大学的学生数求和派生得到。本讲稿第二十三页，共二十八页面向对象的几何抽象类型 GISGIS中的各种地物，在几何性质方面不外乎表现为四种类型，即点状地物、线状中的各种地物，在几何性质方面不外乎表现为四种类型，即点状地物、线状处物、面状地物以及由它们混合组成的复杂地物，因而这四种类型可以作为处物、面状地物以及由它们混合组成的复杂地物，因而这四种类型可以作为GISGIS中各种地物类型的超类。中各种地物类型的超类。本讲稿第二十四页，共二十八页面向对象的属性数据模型 GIS中的
22、地物可根据国家分类标准或实际情况划分类型。如一个大学GIS的对象可分为建筑物、道路、绿化、管线等几大类，地物类型的每一大类又可以进一步分类，如建筑物可再分成教学楼、科研实验楼、行政办公楼、教工住宅、学生宿舍、后勤服务建筑、体育楼等子类，管线可再分为给水管道、污水管道、电信管道、供热管道、供气管道等，另一方面，几种具有相同属性和操作的类型可综合成一个超类。本讲稿第二十五页，共二十八页面向对象数据库系统的实现方式 面向对象的数据模型从概念上将人们对面向对象的数据模型从概念上将人们对GISGIS的理解提高到了一个新的高度。的理解提高到了一个新的高度。一方面，它巧妙地容纳了一方面，它巧妙地容纳了GIS
23、GIS中拓扑数据结构的思想，能有效地表达空中拓扑数据结构的思想，能有效地表达空间数据的拓扑关系。另一方面，面向对象数据模型在表达和处理属性间数据的拓扑关系。另一方面，面向对象数据模型在表达和处理属性数据时，又具有许多独特的优越性。数据时，又具有许多独特的优越性。目前，采用面向对象数据模型，建立面向对象数据库系统，主要有三目前，采用面向对象数据模型，建立面向对象数据库系统，主要有三种实现方式：种实现方式：n n扩充面向对象程序设计语言扩充面向对象程序设计语言(OOPL)(OOPL)，在，在OOPLOOPL中增加中增加DBMSDBMS的特性的特性 n n扩充扩充RDBMSRDBMS，在，在RDBM
24、SRDBMS中增加面向对象的特性中增加面向对象的特性 n n建立全新的支持面向对象数据模型的建立全新的支持面向对象数据模型的OODBMSOODBMS 本讲稿第二十六页，共二十八页吉奥吉奥之星之星 中的中的空间空间对象对象模型模型 本讲稿第二十七页，共二十八页思考与练习思考与练习n n简述简述GISGIS的几种主要数据模型，并进行各自优缺点分析。的几种主要数据模型，并进行各自优缺点分析。n n数据库中的分层数据模型与空间数据库分层组织有何不同？数据库中的分层数据模型与空间数据库分层组织有何不同？n n简述简述GISGIS数据管理方法的发展过程和趋势，并请说明目前数据管理方法的发展过程和趋势，并请说明目前GISGIS中没有中没有采用标准的数据库管理系统来管理图形数据的主要原因。采用标准的数据库管理系统来管理图形数据的主要原因。本讲稿第二十八页，共二十八页