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空间数据管理本讲稿第一页，共四十六页数据组织和管理的层次数据项：可以定义数据的最小单位，也称字段。数据项与现实世界实体的属性相对应，表达事物的某项属性，可以用数值、字母、字符等形式，并有一定的取值范围。记录：由若干相关联的数据项组成。纪录与现实世界的实体相对应，是关于一个实体的数据总和。为了检索数据库中的纪录，每个记录必须有唯一的标识符。文件：一给定类型的记录的全体的集合。数据库：具有特定联系的多种类型的记录文件的集合。第一节、数据库概述本讲稿第二页，共四十六页一、数据管理的文件方式通过文件系统管理数据，应用程序本身不涉及数据的管理数据可以长期保存数据冗余度大、共享性差程序与数据有依赖性 文件结构改变时程序必须相应修改。文件系统应用程序1应用程序2应用程序3数据文件1数据文件3数据文件2文件管理方式是将数据组织保存在数据文件中，由操作系统中的文件管理系统进行数据管理。按文件名访问，按纪录进按文件名访问，按纪录进行存取。行存取。（windows文件管理系统）本讲稿第三页，共四十六页二、数据管理的数据库方式由数据库管理系统对数据进行组织、操作和维护数据库管理系统应用程序1应用程序2应用程序3数据1数据3数据2数据库文件系统应用程序1应用程序2应用程序3数据文件1数据文件3数据文件2本讲稿第四页，共四十六页数据库的主要特征数据共享性：保证不同用户和应用可以共享数据数据冗余度小：可以减少数据的重复存储数据独立性：数据与应用程序相互独立数据的物理储存方式和逻辑结构改变独立于应用程序复杂的数据模型：可以用层次模型、网络模型和关系模型表示现实世界中的数据组织及其数据间的联系；数据保护特征：安全性控制、完整性控制、并发控制、故障的发现和恢复本讲稿第五页，共四十六页三、数据库系统的构成数据库是数据库系统的简称l数据库：空间数据和属性数据l数据库管理系统:Oracle MS SQL l数据库应用系统:开发的具有数据库访问、数据处理查询功操作功能的用户界面。l 用户 应用系统用户DBMS数据库管理员数据库用户用户应用系统本讲稿第六页，共四十六页数据库系统图书馆数据库系统图书数据按类存放的一组图书文件图书编目的方法数据模型书架的设计和安置数据的物理组织书库数据占用的储存空间图书馆管理机构数据库管理系统图书查询数据检索图书借阅数据存取读者数据库用户本讲稿第七页，共四十六页第二节：数据模型什么是数据模型？数据模型是对数据库如何分类组织数据的一种模型化表示。包括三个要素：数据结构和联系的描述 反映客观实体的内容和相互联系数据操作的定义 数据的检索、修改、插入、删除数据完整性约束 制定保证数据完整性的规则本讲稿第八页，共四十六页第二节：数据模型数据模型概念中的术语l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。l属性(Attribute)：实体所具有的某一特性l域 (Domain)：属性的取值范围l关键字(Key)：唯一标识实体的属性集l联系：实体之间的关系 (1:1、1:n、m:n)。本讲稿第九页，共四十六页一、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。它的特点是把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)。层次模型 实体E及其空间要素本讲稿第十页，共四十六页二、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。网状模型 实体E及其空间要素本讲稿第十二页，共四十六页地理实体-多边形关系多边形-多边形关系边-结点关系 EII三、关系数据模型abeecdaV1V2bV2V3eV3V1dV1V4cV4V3本讲稿第十四页，共四十六页四、面向对象模型面向对象的基本思想是通过对问题领域进行自然的抽象分割，用更接近人类通常思维的方式建立问题领域的模型（对象），并进行结构模拟和行为模拟。（乐龙软件）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。本讲稿第十六页，共四十六页对象、类、方法、消息 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。对于一个对象，应具有如下特征：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；具有一组表示行为的操作方法，用以改变对象的状态。类：是对多个相似对象共同特性的描述。对象：XX居民小区标识：属性：小区名称、位置、面积、建筑面积、居住户数操作：户籍查询、人口统计、房屋出租、产权更替本讲稿第十七页，共四十六页面向对象数据模型的特征面向对象数据模型的特征 抽象性 对现实世界的简明表达，将现实世界的现象抽象为“对象”空间地物点状地物线状地物面状地物复杂地物电视塔桥梁车站道路水管电力线建筑物湖公园矿山大学县本讲稿第十八页，共四十六页面向对象数据模型的特征面向对象数据模型的特征 封装性：把对象的数据和操作数据的方法结合起来，统一封装在对象之中，对象的数据只能由对象的方法来操作。封装性使用户不必了解功能的实现过程，而只需了解对象有哪些功能；本讲稿第十九页，共四十六页面向对象数据模型的特征面向对象数据模型的特征 多态性 是指同一消息被不同对象接收时，可解释为不同的含义。因此，可以发送更一般的消息，把实现的细节都留给接收消息的对象。即相同的操作可作用于多种类型的对象，并能获得不同的结果。本讲稿第二十页，共四十六页大学点状地物管线建筑物复杂地物路灯下水井乘车点水管电力线办公楼学生宿舍教学楼新校区老校区面向对象的地理数据模型面向对象的地理数据模型 用抽象的点、线、面及其复杂的组合来表达对象通信线本讲稿第二十一页，共四十六页 空间数据库是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合 空间数据库的数据特征 l 空间特征和空间关系特征 l 非结构化特征 l 属性数据和空间数据联合管理特征 l 海量数据特征第三节：空间数据库本讲稿第二十三页，共四十六页一、一、空间数据库设计的步骤空间数据库设计的步骤需求描述和分析需求描述和分析概念设计概念设计逻辑设计逻辑设计物理设计物理设计实现实现运行维护运行维护本讲稿第二十四页，共四十六页一、需求分析一、需求分析1.调调查查用用户户需需求求：了了解解用用户户特特点点和和要要求求，取取得得设设计计者者与与用用户户对对需求的一致看法。需求的一致看法。2.需需求求数数据据的的收收集集和和分分析析：包包括括信信息息需需求求(信信息息内内容容、特特征征、需需要要存存储储的的数数据据)、信信息息加加工工处处理理要要求求(如如响响应应时时间间)、完完整性与安全性要求等。整性与安全性要求等。3.编编制制用用户户需需求求说说明明书书：包包括括需需求求分分析析的的目目标标、任任务务、具具体体需需求求说说明明、系系统统功功能能与与性性能能、运运行行环环境境等等，是是需需求求分分析析的的最最终终成果。成果。4.需需求求分分析析的的整整理理一一般般采采用用数数据据流流分分析析法法，分分析析结结果果以以数数据据流流图图DFD表示出来。表示出来。本讲稿第二十五页，共四十六页房产图形数据基础地形数据业务管理数据系统控制数据历史数据数据格式标准生产流程规范数据格式标准业务流程规范业务表格规范业务、流程、报表、模型等规范数据格式标准内业处理数据编辑数据转换审批结果入库审批结果入库系系 统统 数数 据据 库库标标 准准制定制定数数据据采采集集与与处处理理采购数据规整外业勘测扫描/手工录入数数据据整整理理与与入入库库中间格式数据数据转换数据转换中间格式数据中间格式数据本讲稿第二十六页，共四十六页二、概念模型设计二、概念模型设计概念模型不依赖于计算机系统和具体的概念模型不依赖于计算机系统和具体的DBMSDBMS，它是系统用，它是系统用户与户与GISGIS系统分析人员之间交流的语言。系统分析人员之间交流的语言。表示概念模型最有力的工具是表示概念模型最有力的工具是E ER R模型，即实体模型，即实体联系模型。联系模型。ER模型包括实体、联系和属性三个基本成分。用它来描述现实空间世模型包括实体、联系和属性三个基本成分。用它来描述现实空间世界，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，具有直观、自然、语义较丰富等特点。问题，具有直观、自然、语义较丰富等特点。市区要素市区要素空间实体空间实体空间实体属性空间实体属性空间实体关系空间实体关系边线边线走向走向街道街道路面质量路面质量所属路段所属路段所属街道所属街道组成组成长度等长度等m1模模型型E_RE_R本讲稿第二十七页，共四十六页三、逻辑模型设计三、逻辑模型设计 逻辑模型的设计是将概念模型结构转换为具体DBMS可处理的空间数据库的逻辑结构，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。逻辑模型设计由GIS数据库分析人员和设计人员完成。1)将E-R概念模型转换为初始的关系模型；2)规范化处理:3NF3)模型评价:是否满足用户的要求、功能和性能评价；4)优化模型：增加关系或属性、合并关系、分解关系；5)编写数据库的逻辑设计说明书 本讲稿第二十八页，共四十六页四、物理模型设计 主要内容包括1）确定记录存储格式；2）选择文件存储结构：顺序存储、散列存储、索引存储；3）决定存取路径，访问方法；4）完整性和安全性。物理设计的好坏将对空间数据库的性能影响很大，一个好的物理存储结构必须满足两个条件：一是地理数据占有较小的存储空间；二是对数据库的操作具有尽可能高的处理速度。是指有效地将空间数据库的逻辑结构在物理存储器上实现，确定数据在介质上的物理存储结构，其结果是导出空间数据库的存储模式。由计算机硬软件专家和程序员完成。本讲稿第二十九页，共四十六页数据库设计实例建立一个具有自动记录功能的环境监测网。在监测网中各个监测点的各种感测系统所测得的数据由一个中心计算机系统来储存和管理。因此需要构建一个空间数据库系统，用于管理监测站本身的信息以及测得的大气的数据资料。本讲稿第三十页，共四十六页一、需求分析需求：1)建立若干个观测站，每个站有数个不同的感测器；2)每个观测站的地理位置用地理坐标系表示；3)不同的感测器应该有厂家、型号等信息；4)记录气象观测站测量多种参数：温度、湿度、降水量等；5)提供测量站工作人员的信息；6).本讲稿第三十一页，共四十六页二、建立概念模型（E-R模型)分析有哪些实体、关系、属性：实体类型：观测站、感测器、制造商、测量值l实体：杭州观测站属性：高程、大气温度、降水量l属性值：海拔73米、4.2度、12.3mm关系：观测站有观测器、感测器是由某个制造商生产的关系类型：l1:1 一个观测站只可能有一个地理位置l1:n 一个观测站可以至少有一个感测器，而一个感测器不能同时属于两个观测站ln:m 一个观测站可以测量一个以上的大气参数；本讲稿第三十二页，共四十六页E-R模型图的图例含义本讲稿第三十三页，共四十六页第一步：确定实体本讲稿第三十四页，共四十六页第二步：确定实体间联系本讲稿第三十五页，共四十六页第三步：确定属性Ser.#本讲稿第三十六页，共四十六页三、将(E-R)概念模型转换为关系数据模型转换规则：l一个实体类型转换为一个关系模式，实体的属性就是关系的属性，实体的关键字就是关系的关键字；l一个联系类型转换为一个关系模式，参与该联系的各实体的关键字和联系的属性转换为关系的属性；本讲稿第三十七页，共四十六页气象站-位置关系表WStat Position_E_N Elevation W48149_05(3403980;5758140)67.5 W48249_01.WStat Longitude Latitude Elevation W48149_05 3403980 5758140 67.5 W48249_01.满足第一范式满足第一范式 1NF1NFSer.#第一范式1NF每个属性必须是原子的、不可分割的数据项；不允许出现完全相同的两个纪录。本讲稿第三十八页，共四十六页测量参数-测量值-气象站关系表PName WStat Date Value Unit of Measure Precipitation W48149_05 95_12_24 6,9 mm Rel_Humidity.PName WStat Date Value Precipitation W48149_05 95_12_24 6.9 Rel_Humidity.PName Unit of Measure Precipitation mm Rel_Humidity.满足第二范式满足第二范式 2NF2NF第二范式2NF关系满足第1范式（1NF）。每个非主属性必须完全函数依赖于整个主关键字。（部分依赖就要分离出来）主关键字本讲稿第三十九页，共四十六页感测器-制造商关系表Sensor#SType Condition MName MAddress MTelephone T0104 PT100 good Electronics Mnster 02518330 N0234.Sensor#SType Condition MName T0104 PT100 good Electronics N0234.MName MAddress MTelephone Electronics Mnster 02518330 Lambrecht.第三范式3NF关系满足第2范式（2NF）。各个非主属性之间没有函数传递依赖关系。主关键字本讲稿第四十页，共四十六页气象站-工作人员关系表Responsible Party1 WStat RName From To W48149_05 Mller 75_01_01 94_12_31 W48149_05 Meier 95_01_01.Responsible Party2 RName RAddress RTelephone Mller Mnster 02519876 Meier.本讲稿第四十一页，共四十六页第四节：空间数据库的组织方式空间数据管理的技术基于通用数据库的理论和技术空间数据管理的特殊性在于空间位置数据和属性数据的集成管理空间数据=空间位置数据+属性数据+两种数据间落实于空间实体上的联接关系本讲稿第四十二页，共四十六页现行空间数据库组织方案基于文件与关系式数据库的空间数据混合管理方案 基于关系式数据库的空间数据管理方案 基于对象关系式数据库的空间数据管理方案。本讲稿第四十三页，共四十六页文件-关系数据库混合管理方案属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效；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。空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。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数据库开发语言数据库开发本讲稿第四十四页，共四十六页属性数据、几何数据同时采用关系式数据库进行管理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)转化成标准的SQL查询。空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快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扩展关系数据库管理方案扩展关系数据库管理方案本讲稿第四十五页，共四十六页在开放型DBMS基础上扩充空间数据表达能力，空间扩展完全包含在DBMS中，用户可以使用自己的基本抽象数据类型来扩充DBMS。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）统一数据库管理方案统一数据库管理方案本讲稿第四十六页，共四十六页