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1、空间数据库第1页，本讲稿共63页空间概念和数据模型数据抽象和数据建模空间信息模型概念模型基于场的模型基于对象的模型空间数据类型、空间对象关系两种拓扑关系代数：9IM，RCC第2页，本讲稿共63页数据库设计的三个步骤概念模型按用户的观点从现实应用中抽象出事物以及事物之间的联系逻辑建模建立概念和联系的逻辑结构物理设计建模对逻辑结构进行具体实现方面的安排和考虑存储组织、索引、内存管理第3页，本讲稿共63页数据抽象现实世界、信息世界、计算机世界数据库系统是面向计算机的，而应用是面向现实世界的两个世界存在着很大差异，要直接将现实世界中的语义映射到计算机世界是十分困难的引入一个信息世界作为现实世界通向计算
2、机实现的桥梁信息世界是对现实世界的抽象，从纷繁的现实世界中抽取出能反映现实本质的概念和基本关系信息世界中的概念和关系，要以一定的方式映射到计算机世界中去，在计算机系统上最终实现信息世界起到了承上启下的作用第4页，本讲稿共63页数据抽象现实世界信息世界计算机世界概念化形式化用户、应用数据库系统第5页，本讲稿共63页数据建模应用概念模型逻辑模型/实现模型现实世界信息世界计算机世界第6页，本讲稿共63页数据建模概念数据模型按用户的观点来对数据和信息建模用于组织信息世界的概念，表现从现实世界中抽象出来的事物以及它们之间的联系这类模型强调其语义表达能力，概念简单、清晰，易于用户理解它是现实世界到信息世界
3、的抽象，是用户与数据库设计人员之间进行交流的语言如E-R模型、面向对象模型第7页，本讲稿共63页实体-联系（E-R）模型现实世界被划分为若干实体（entity），由属性（attribute）来描述性质，通过联系（relationship）互相关联实体：现实中或者概念上独立存在的事物或者对象属性：刻画实体性质的数值或描述联系：表达实体间的关联一对一、一对多、多对多第8页，本讲稿共63页E-R图学生学生课程课程选修选修姓名姓名学号学号系别系别课程名课程名先修课先修课主讲老师主讲老师成绩成绩实体实体联系联系属性属性第9页，本讲稿共63页面向对象模型现实世界被看作若干对象类（class），由属性（at
4、tribute）来描述性质，方法（method）来描述行为，通过关系（relationship）互相关联类：现实中具有相同性质的对象的封装属性：描述对象的性质方法：修改对象的状态，体现对象的功能关系：类之间的关联聚合aggregation：整体-部分关系泛化generalization：一般-特殊关系关联association：其它关系第10页，本讲稿共63页ODL模型ProductPersonCompanycategorynamepricenamestockpricenameaddresssexbuysworksFormadeByemploysmakes类关联关联属性属性第11页，本讲稿共6
5、3页数据建模逻辑数据模型从计算机实现的观点来对数据建模是信息世界中的概念和联系在计算机世界中的表示方法一般有严格的形式化定义，以便于在计算机上实现如层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型第12页，本讲稿共63页逻辑模型的三要素数据结构描述系统的静态特性，即组成数据库的对象类型数据本身类型、内容、性质。如网状模型中的数据项、记录，关系模型中的域、属性，关系等数据之间的联系例如网状模型中的系型，关系模型中的外码在数据库系统中一般按数据结构的类型来命名数据模型第13页，本讲稿共63页逻辑模型的三要素数据操作描述系统的动态特性，即对数据库中对象的实例允许执行的操作的集合，包括操作及操作规则一般有检
6、索、更新（插入、删除、修改）操作数据模型要定义操作含义、操作符号、操作规则，以及实现操作的语言数据的约束条件数据的约束条件是完整性规则的集合，规定数据库状态及状态变化所应满足的条件，以保证数据的正确、有效、相容第14页，本讲稿共63页逻辑模型示例-层次层次模型用树结构表示实体之间联系的模型叫层次模型树由节点和连线组成节点代表实体型连线表示两实体型间的一对多联系树的特性每棵树有且仅有一个节点无父节点，称为树的根树中的其它节点都有且仅有一个父节点第15页，本讲稿共63页逻辑模型示例-层次系教研室学生教员1:N联系实体型第16页，本讲稿共63页逻辑模型示例-层次地址系名系号教研室名教研室号年级姓名学
7、号职称姓名职工号第17页，本讲稿共63页逻辑模型示例-层次R1101计算机D02数据库R01G1王明S0012教授何璧E1101G2郑直S0020G3周密S0199网络R02人工智能R03讲师刘新E3721教授王恩E1234助教付弈E3721第18页，本讲稿共63页逻辑模型示例-层次优点：结构简单，易于实现缺点：支持的联系种类太少只支持二元一对多联系只允许实体集间的一种联系，不支持实体集间的多种联系缺点：数据操纵不方便子结点的存取只能通过父结点来进行插入、删除复杂，父结点的删除导致子结点的删除，丢失必要的信息代表产品：IBM的IMS数据库，1969年研制成功第19页，本讲稿共63页逻辑模型示例
8、-网状学生学生课程课程选课选课年级姓名学号学分课程名课程号成绩课程号学号AC1S1AC2S1BC1S2A-C2S2CC1S3S1S2S3C1C2第20页，本讲稿共63页逻辑模型示例-网状优点表达的联系种类丰富性能良好，存取效率高缺点结构复杂语言复杂DBTG报告1969年，由美国CODASYC（Conference On Data System Language，数据系统语言协商会）下属的DBTG（Data Base Task Group）组提出，确立了网状数据库系统的概念、方法、技术第21页，本讲稿共63页逻辑模型示例-关系用二维表来表示实体及其相互联系属性属性元组元组男女男性别192221年
9、龄D01李红S02D02王伟S03D01张军S01系号姓名学号第22页，本讲稿共63页逻辑模型示例-关系简单，表的概念直观、单一，用户易理解非过程化的数据请求，数据请求可以不指明路径数据独立性，用户只需提出“做什么”，无须说明“怎么做”坚实的理论基础：关系代数第23页，本讲稿共63页空间信息模型空间信息几何信息、拓扑信息和属性信息矢量表示与栅格表示空间关系空间操作空间查询第24页，本讲稿共63页空间信息与地球表面有关的事物、事件行政区划交通运输网动植物分布校园建筑布局天气变化趋势污染物扩散和影响第25页，本讲稿共63页空间信息描述这些事物、事件的信息包含了空间位置和延伸信息什么地方？多大范围？
10、因为空间位置和延伸发生关系方位？相互交叉？重叠？包含？同时包含了其它位置无关的信息名称？归属？价值？第26页，本讲稿共63页几何、拓扑、属性几何信息描述了事物在空间中的位置及所占据的范围将地球表面以投影方式转换为平面通过平面几何来抽象描述和研究事物的位置和范围用图形和符号的方式来描绘这些空间相关的事物第27页，本讲稿共63页几何、拓扑、属性拓扑信息研究空间相关的事物本身或者事物之间的在空间坐标变换下的不变性质事物本身的内外关系事物之间的相离、相接、相交事物之间相连的布局第28页，本讲稿共63页几何、拓扑、属性属性信息与位置范围无关的其它信息描述了事物本身的内在性质和外在表现事物之间的非位置关系
11、供应商号供应商名所在城市B01红星北京S10宇宙上海T20黎明天津Z01立新重庆第29页，本讲稿共63页矢量表示与栅格表示矢量表示采用点坐标、点之间的连接来描述地物的位置、边界第30页，本讲稿共63页矢量表示与栅格表示栅格表示采用图像方法直接描述地物第31页，本讲稿共63页空间关系描述地物之间在空间位置和范围上的相离、相接、相交、包含等关系第32页，本讲稿共63页空间操作代表地物的几何图形之间所进行的一些几何运算缓冲区生成叠加运算第33页，本讲稿共63页空间查询获取关于地物的几何性质位置、周长、面积获取地物之间的空间关系相离、相接、相交或包含可以通过叠加运算来获取空间关系获取代表地物的图形的图
12、论性质连通性分析最短/最佳路径选择最佳资源配置第34页，本讲稿共63页基于场的模型将空间信息看作一个平面上的函数定义域是地理空间值域是信息编码的集合场模型的组成部分空间框架：构建了场的定义域连续平面：坐标定位离散网格：编码定位场函数：f:空间框架属性域场操作：对函数的运算算术运算和函数合成微分（计算坡度）与积分（计算均值）相关第35页，本讲稿共63页基于对象的模型将空间信息看作具有属性和关系的对象的集合可识别与可区分的对象实体对象实体具有属性（空间属性/非空间属性）对象实体之间具有关联对象模型的组成部分对象类型对象属性和操作对象关系第36页，本讲稿共63页OGIS空间数据类型第37页，本讲稿共
13、63页空间对象操作与关系对象的集合操作和集合关系对象作为元素或者集合来处理拓扑关系空间对象之间与形状、大小等度量无关的关系：相接/相离/包含/相交基于点集拓扑的表达和代数拓扑的表达度量关系/性质和度量空间中距离相关的关系和性质：距离/长度/面积方位关系东南西北前后左右等绝对或者相对的方位第38页，本讲稿共63页度量空间设X是一个非空集合，如果已知X中任何一对元素x,y，均给定一个实数d(x,y)与之对应，而且满足下列条件d(x,y)=0（非负）；d(x,y)=0 x=y（到自身距离为0）；d(x,y)=d(y,x)（对称）；d(x,y)Relate(b,overlapMatrix);第47页，
14、本讲稿共63页拓扑关系代数：DE-9IM优势可以表达多种空间关系可以对特定的空间关系进行微调缺点所表示的空间关系不能通过自然语言表达对于一般开发者形成理解障碍解决方案将普遍理解的空间关系用DE-9IM重新定义第48页，本讲稿共63页拓扑关系代数：DE-9IM相离Disjoint内部 边界 外部内部FF*边界FF*外部*第49页，本讲稿共63页拓扑关系代数：DE-9IM相接Touches图示第50页，本讲稿共63页拓扑关系代数：DE-9IM相接Touches适于A/A,L/L,L/A,P/A 和 P/L内部 边界 外部内部FT/*/*边界*/T/*/*/T*外部*第51页，本讲稿共63页拓扑关系
15、代数：DE-9IM交叉Crosses适于P/L,P/A,L/L 和 L/AP/L,P/A,L/A内部 边界 外部内部T*T边界*外部*第52页，本讲稿共63页拓扑关系代数：DE-9IM交叉CrossesL/L内部 边界 外部内部0*边界*外部*第53页，本讲稿共63页拓扑关系代数：DE-9IM被包含Within图示第54页，本讲稿共63页拓扑关系代数：DE-9IM被包含Within内部 边界 外部内部T*F边界*F外部*第55页，本讲稿共63页拓扑关系代数：DE-9IM重叠Overlaps适于A/A,L/L,P/PA/A,P/P内部 边界 外部内部T*T边界*外部T*第56页，本讲稿共63页拓
16、扑关系代数：DE-9IM重叠OverlapsL/L内部 边界 外部内部1*T边界*外部T*第57页，本讲稿共63页拓扑关系代数：DE-9IM包含Contains相交Intersects第58页，本讲稿共63页拓扑关系代数：RCC区域连接算子RCCRegion Connection CalculusRCC是一个代数系统，从定义的“区域”、“连接关系”以及两条公理出发，采用一阶谓词逻辑定义出所有的拓扑关系“区域”是拓扑空间中的非空集合，也就是我们需要讨论拓扑关系的对象“连接关系”是一个区域间的二元关系，两条公理阐明了其自反和对称的性质第59页，本讲稿共63页拓扑关系代数：RCCC:connects
17、DC:disconnectsP:is part ofPP:is proper part ofEQ:is equal toO:overlapsPO:partially overlapsDR:discrete fromEC:externally connectedTPP:tangential proper partNTPP:non-tangential 第60页，本讲稿共63页拓扑关系代数：RCC通过上述定义的关系，可以进一步定义作用于区域的函数sum(x,y):union of x and ycompl(x):complement of xprod(x,y):intersection of x
18、and ydiff(x,y):difference of x and y这些函数又可以进一步定义更为复杂的关系第61页，本讲稿共63页拓扑关系代数：RCC还可以通过增加公理来附加区域的一些性质如表达区域都可以分出真内部区域可以表达更为复杂或者特定的拓扑关系第62页，本讲稿共63页参考文献TP311.13/261空间数据库=Spatial databases a tour(美)Shashi Shekhar,Sanjay Chawla著 谢昆青.等译 北京 机械工业出版社 2004 OGC Open Geodata ModelJ.Renz:Qualitative Spatial Reasoning with Topological Information(The Region Connection Calculus),LNAI 2293,pp.4150,2002.第63页，本讲稿共63页