GIS數(shù)據(jù)庫設計.ppt

空間數(shù)據(jù)庫設計 1 第八章應用型GIS數(shù)據(jù)庫詳細設計 8 1GIS數(shù)據(jù)庫設計的概念 8 2應用型GIS數(shù)據(jù)庫設計目標 8 3應用型GIS數(shù)據(jù)庫設計 8 4空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)連接 2 空間數(shù)據(jù)庫概念 空間數(shù)據(jù)庫指的是地理信息系統(tǒng)在計算機物理存儲介質(zhì)上存儲的與應用相關的地理空間數(shù)據(jù)的總和 一般是以一系列特定結(jié)構(gòu)的文件的形式組織在存儲介質(zhì)之上的 3 8 1GIS數(shù)據(jù)庫設計的概念 數(shù)據(jù)庫設計就是把現(xiàn)實世界中一定范圍內(nèi)存在著的應用處理和數(shù)據(jù)抽象成一個數(shù)據(jù)庫的具體結(jié)構(gòu)的過程 具體地講 就是對于一個給定的應用環(huán)境 提供一個確定最優(yōu)數(shù)據(jù)模型與處理模式的邏輯設計 以及一個確定數(shù)據(jù)庫存貯結(jié)構(gòu)與存取方法的物理設計 建立能反映現(xiàn)實世界信息和信息聯(lián)系 滿足用戶要求 以能被某個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) DBMS 所接受 同時能實現(xiàn)系統(tǒng)目標并有效存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫設計是一個復雜 繁瑣的過程 它通常要求包括 制定整個數(shù)據(jù)庫的使用目的和目標 分析和評價各種設計方案和雛形試驗 GIS數(shù)據(jù)庫的設計又要有更多的考慮 因為地理數(shù)據(jù)有矢量和柵格之分 各種數(shù)據(jù)又同時具有空間和屬性的特征 有的還有時間上的信息特征 各種特征的信息可能要用不同的結(jié)構(gòu)來表達 各類數(shù)據(jù)的開發(fā)可能是使用不同的GIS軟件來完成的 這樣數(shù)據(jù)的格式也各不相同 一個數(shù)據(jù)庫可能要求容納各種各樣的數(shù)據(jù)類型和格式 如何有機地將這些考慮結(jié)合起來 也是一個GIS數(shù)據(jù)庫設計成功與否的關鍵因素之一 GIS數(shù)據(jù)庫的設計應該既考慮數(shù)據(jù)的特征 又兼顧應用目的 僅依據(jù)數(shù)據(jù)特征來進行GIS數(shù)據(jù)庫設計的方法會忽略了用戶將如何使用這些數(shù)據(jù)的部分 所以這樣設計出的數(shù)據(jù)庫常常無人問津 按照應用目的設計的數(shù)據(jù)庫是根據(jù)用戶的使用目的來對數(shù)據(jù)庫進行設計 假若對數(shù)據(jù)的考慮加強一些 便可以使設計出的數(shù)據(jù)庫既充分利用了技術(shù)上的優(yōu)勢 又兼顧了用戶的應用目的 4 8 2應用型GIS數(shù)據(jù)庫設計目標 l 滿足用戶要求 2 良好的數(shù)據(jù)庫性能 3 對現(xiàn)實世界模擬的精確程度 4 能被某個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)接受 5 8 3應用型GIS數(shù)據(jù)庫設計 一 概念化設計二 數(shù)據(jù)庫邏輯設計三 數(shù)據(jù)庫物理設計 6 一 概念化設計 1 概念結(jié)構(gòu)設計的方法與步驟2 實體 關系模型3 數(shù)據(jù)庫地理實體類型確定4 地理實體屬性范圍8 實體間的基本關系 7 1 概念結(jié)構(gòu)設計的方法與步驟 設計概念結(jié)構(gòu)通常有四類方法 自頂向下 即首先定義全局概念結(jié)構(gòu)的框架 然后逐步細化 自底向上 即首先定義各局部應用的概念結(jié)構(gòu) 然后將它們集成起來 得到全局概念結(jié)構(gòu) 逐步擴張 首先定義最重要的核心概念結(jié)構(gòu) 然后向外擴充 以滾雪球的方式逐步生成其他概念結(jié)構(gòu) 直至總體概念結(jié)構(gòu) 混合策略 即將自頂向下和自底向上相結(jié)合 用自頂向下策略設計一個全局概念結(jié)構(gòu)的框架 以它為骨架集成由自底向上策略中設計的各局部概念結(jié)構(gòu) 其中最經(jīng)常采用的策略是自底向上方法 即自頂向下地進行需求分析 然后再自底向上地設計概念結(jié)構(gòu) 但無論采用哪種設計方法 一般都以E R模型為工具來描述概念結(jié)構(gòu) 一 概念化設計 8 2 實體 關系模型 實體 關系模型 即E R模型 其英文為 Entity RelationModel 是用實體關系來表示數(shù)據(jù)的模型 它的一個主要用途便是可以清楚地表達實體間的關系 尤其在實體很多 關系很復雜的情況下 E R模型會幫你清楚地理出其中的關系來 一 概念化設計 9 3 數(shù)據(jù)庫地理實體類型確定 地理信息的分類是對地理實體的一種抽象和概括 它決定了數(shù)據(jù)的質(zhì)量層次的劃分 在確定地理信息的分類時 其分類體系的設計應能包含所有所需的數(shù)據(jù)和資料信息 建立統(tǒng)一的地理要素分類體系 確保地理信息多用戶 多領域共享 在應用型地理信息系統(tǒng)設計與建立中 常將地理信息區(qū)分為地理基礎信息和專題信息 一 概念化設計 10 一 概念化設計 實際上實體與屬性是相對而言的 很難有截然劃分的界限 同一事物 在一種應用環(huán)境中作為 屬往 在另一種應用環(huán)境中就必須作為 實體 屬性不能再具有需要描述的性質(zhì) 即屬性必須是不可分的數(shù)據(jù)項 不能再由另一些屬性組成 屬性不能與其他實體具有聯(lián)系 聯(lián)系只發(fā)生在實體之間 實體的屬性范疇也稱為實體的屬性域 確定實體的屬性域的目的在于規(guī)定每個實體應包含哪幾類屬性信息 一般地 地學實體可包括幾何類型信息 分類分級信息 如下幾類屬性信息 4 地理實體屬性范圍 11 地學實體 幾何類型信息 分類分級信息 質(zhì)量描述信息 圖形信息 數(shù)量特征信息 名稱信息 12 a 幾何類型信息 點狀物體 線狀物體 面狀物體 復雜物體 三維物體等等 圖形b 分類分級信息 說明物體的類型歸屬 用特征碼或地理標識碼表示 c 圖形信息 描述物體的位置和形狀的信息 d 數(shù)量特征信息 描述物體的大小或其它可以度量的性能指標 如長度 寬度 高度 深度 密度等等 e 質(zhì)量描述信息 說明物體的質(zhì)量構(gòu)成 如某一類巖石的化學成份等 13 幾何類型信息 點狀物體線狀物體面狀物體復雜物體三維物體 14 分類分級信息 說明物體的類型歸屬 用特征碼或地理標識碼表示 地理基礎信息 居民地 道路 地形 水系 15 圖形信息 描述物體的位置和形狀的信息水塔坐標水塔的形狀 16 數(shù)量特征信息 描述物體的大小或其它可以度量的性能指標 如長度 寬度 高度 深度 密度等等 17 質(zhì)量描述信息 說明物體的質(zhì)量構(gòu)成 如某一類巖石的化學成份等 18 名稱信息 物體或地質(zhì)體的專有名稱 此類信息對某些實體具有標識作用 19 8 實體間的基本關系 在地理實體之間存在著各種各樣的關系 而GIS中只能直接建立一些最基本的關系 其它關系可以在基本關系的基礎上導出 一般地 地理實體具有下述三種類型的基本關系 a 定性 分層或分類 關系 每個地理實體必須至少屬于分類系統(tǒng)中的某一類 即系統(tǒng)要將全部實體在數(shù)據(jù)輸入過程中自動地進行分類組織 形成分類數(shù)據(jù)集合確保用戶按類別直接提取所需要的信息子集 b 定位關系 在GIS中對于地理信息的處理和編輯的一個特殊而重要的操作是按指定范圍 常為矩形范圍 來處理有關地理實體的信息 這是空間數(shù)據(jù)處理的一個特點 此類定位關系的建立為復雜的空間操作 如拓撲關系處理 奠定了基礎 c 拓撲關系 拓撲關系是指網(wǎng)結(jié)構(gòu)元素 結(jié)點 弧段 面域 間的鄰接 包含 關聯(lián)等關系 有的GIS是將它作為基本關系直接建立 有的則是以定位關系為基礎 間接導出實體間的拓撲關系 拓撲關系是空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化的重要體現(xiàn) 一 概念化設計 20 二 數(shù)據(jù)庫邏輯設計 1 空間數(shù)據(jù)邏輯設計1 空間數(shù)據(jù)邏輯劃分 1 圖塊結(jié)構(gòu)設計 2 圖層信息組織2 空間數(shù)據(jù)邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2 屬性數(shù)據(jù)邏輯設計1 屬性表與屬性關系的設計2 E R圖向關系數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換 21 1 空間數(shù)據(jù)邏輯劃分 在邏輯設計過程中 分兩步進行 一是圖塊結(jié)構(gòu)的設計 即按數(shù)據(jù)的空間分布將數(shù)據(jù)劃分為規(guī)則的或不規(guī)則的塊 二是圖層信息的組織 即按照數(shù)據(jù)的性質(zhì)分類 將性質(zhì)相同或相近的歸為一類 形成不同的圖層 圖塊結(jié)構(gòu)和圖層結(jié)構(gòu)是空間數(shù)據(jù)庫從縱 橫兩個方間的延伸 同時空間數(shù)據(jù)庫是兩者的邏輯再集成 1 空間數(shù)據(jù)邏輯設計 22 1 空間數(shù)據(jù)邏輯劃分 1 圖塊結(jié)構(gòu)設計為了在計算機中對大容量的空間數(shù)據(jù)進行有效的組織 需要將所研究的地理區(qū)域分割成兩塊或多塊獨立的塊 然后對這些圖塊建立空間索引 圖塊的結(jié)構(gòu)構(gòu)成空間數(shù)據(jù)庫的基本組成部分 圖塊劃分尺寸根據(jù)實際需要而定 必須遵循一定的原則 1 空間數(shù)據(jù)邏輯設計 23 遵循原則 其一 按存取頻率較高的空間分布單元劃分圖塊 以提高數(shù)據(jù)庫的存取效率 其二 圖塊的劃分應使基本存儲單元具有較為合理的數(shù)據(jù)量 數(shù)據(jù)量過大 會造成查詢分析效率低下 數(shù)據(jù)量過小 不便于數(shù)據(jù)管理 其三 在定義圖塊分區(qū)時 應充分考慮未來地圖數(shù)據(jù)更新的圖形屬性信息源及空間分布 以利于更新和維護 24 1 空間數(shù)據(jù)邏輯設計 2 圖層信息組織假設Li i 1 2 n 為任一數(shù)據(jù)層 則一幅完整的地圖 L L1 L2 Ln 數(shù)據(jù)層L是研究區(qū)域的所有信息總和 數(shù)據(jù)分層可以按 專題 時間 垂直高度等方式來劃分 地籍圖分層情況動畫 箭頭方向錯誤 請改變 先顯示右下角的圖 然后按箭頭方向逐層顯示 1 空間數(shù)據(jù)邏輯劃分 25 數(shù)據(jù)分層時就考慮的問題 1 數(shù)據(jù)具有同樣的特性 也可以說是數(shù)據(jù)有相同的屬性信息 2 按要素類型分層 性質(zhì)相同或相近的要素應放在同一層 3 即使是同一類型的數(shù)據(jù) 有時其屬性特征也不相同 所以也應該分層存儲 4 比例尺的一致性 8 同一層數(shù)據(jù)會有同樣的使用目的和方式 6 不同部門的數(shù)據(jù)通常應該放入不同的層 這樣便于維護 7 數(shù)據(jù)庫中需要不同級別安全處理的數(shù)據(jù)也應該單獨存儲 8 分層時應顧及數(shù)據(jù)量的大小 各層數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量最好比較均衡 9 盡量減少冗余數(shù)據(jù) 26 1 空間數(shù)據(jù)邏輯設計 地理信息系統(tǒng)中邏輯空間結(jié)構(gòu)主要有兩大類 即柵格結(jié)構(gòu)和矢量結(jié)構(gòu) 柵格結(jié)構(gòu)以規(guī)則的陣列表示地理空間現(xiàn)象的分布 地理實體的空間位置隱含其中 每個象元的相對行列位置表示其在地理坐標系中的相對值 而數(shù)值則表示該空間位置的地理屬性 易于存貯 操作和表示 矢量結(jié)構(gòu)通過記錄坐標的方式盡可能精確地表示點 線 面 多邊形 等地理實體 空間坐標設為連續(xù)的 允許任意位置 長度和面積的精確定義 其精度僅受數(shù)字化設備的精度和數(shù)值記錄長度的限制 因此其精度高而數(shù)據(jù)冗余小 2 空間數(shù)據(jù)邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 27 1 屬性表與屬性關系的設計 屬性是空間實體的特征反映 空間實體的屬性特征有質(zhì)量特征 數(shù)量特征和關系特征等等 一般地說 屬性數(shù)據(jù)是非空間型的 有的屬性數(shù)據(jù)是與實體的空間特征有關 如面積 周長等 屬性值是指存儲在數(shù)據(jù)庫中屬性的真值 它賦給屬性的特定的數(shù)量或質(zhì)量指標 關系數(shù)據(jù)庫中 數(shù)據(jù)庫的文件單元是屬性表 屬性表是屬性值的二維表格表示形式 一般地屬性表中的行表示實體目標 列表示屬性 而表與表之間則維持著某種關系 在相互關聯(lián)的兩個表中均存在的某一項來維持的 這種項叫做關鍵項 Key 地理數(shù)據(jù)庫中的空間和屬性數(shù)據(jù)之間的關系就是靠關鍵項來維持的 2 屬性數(shù)據(jù)邏輯設計 28 所有的信息存放在一個屬性關系表中 內(nèi)容繁多 容量較大 在進行數(shù)據(jù)庫各種操作時速度很慢 因此常將一個表分解成若干個子表 分解后表格雖多 但各表內(nèi)容少 而且項與項之間的關系反而更明確 存儲也更為有效 在進行數(shù)據(jù)庫查詢和更新時需要哪個表的信息則到哪個表中進行 屬性信息與空間信息分開存儲還有其它的好處 空間表戶主表地塊表 29 2 屬性數(shù)據(jù)邏輯設計 關系模型的邏輯結(jié)構(gòu)是一組關系模式的集合 而E R圖則是由實體 實體的屬性和實體之間的聯(lián)系三個要素組成的 所以將E R圖轉(zhuǎn)換為關系模型實際上就是要將實體 實體的屬性和實體之間的聯(lián)系轉(zhuǎn)化為關系模式 這種轉(zhuǎn)換一般遵循如下原則 一個實體型轉(zhuǎn)換為一個關系模式 實體的屬性就是關系的屬性 實體的碼就是關系的碼 一個m n聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個關系模式 與該聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉(zhuǎn)換為關系的屬性 而關系的碼為各實體碼的組合 一個1 n聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個獨立的關系模式 也可以與n端對應的關系模式合并 如果轉(zhuǎn)換為一個獨立的關系模式 則與該聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉(zhuǎn)換為關系的屬性 而關系的碼為n端實體的碼 一個1 1聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個獨立的關系模式 也可以與任意一端對應的關系模式合并 如果轉(zhuǎn)換為一個獨立的關系模式 則與該聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉(zhuǎn)換為關系的屬性 每個實體的碼均是該關系的候選碼 如果與某一端對應的關系模式合并 則需要在該關系模式的屬性中加入另一個關系模式的碼和聯(lián)系本身的屬性 三個或三個以上實體間的一個多元聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個關系模式 與該多元聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉(zhuǎn)換為關系的屬性 而關系的碼為各實體碼的組合 同一實體集的各實體間的聯(lián)系 即自聯(lián)系 也可按上述1 1 1 n和m n三種情況分別處理 具有相同碼的關系模式可以合并 2 E R圖向關系數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換 30 三 數(shù)據(jù)庫物理設計 1 確定數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)2 空間數(shù)據(jù)庫的物理設計1 構(gòu)造數(shù)據(jù)模型2 矢量和柵格數(shù)據(jù)文件 1 矢量格式 2 柵格格式3 屬性關系數(shù)據(jù)庫文件 31 1 確定數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu) 確定數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)設計數(shù)據(jù)的存儲路徑確定數(shù)據(jù)的存放位置確定系統(tǒng)配置 32 1 構(gòu)造數(shù)據(jù)模型 空間物理數(shù)據(jù)庫采用層次模型組織方式 把地圖作為樹的根 根據(jù)圖塊的劃分原則 將空間數(shù)據(jù)分為若干個圖幅 圖幅構(gòu)成樹的結(jié)點 為了在地圖中有效地組織和表達空間地理實體 按照地物的大小對其分級抽取 對不同大小地理的幾何對象表示進行整理分層 層中每種類型的要素均由不同的文件來定義 結(jié)點記錄之間具有一定的從屬關系 由此形成內(nèi)部空間索引系統(tǒng) 如果把層次模型中的記錄按照從上到下 從左到右的順序排列就得到一個記錄序列 因此物理上可以通過層次順序和路徑查找記錄實現(xiàn)該層次模型 2 空間數(shù)據(jù)庫的物理設計 33 2 矢量和柵格數(shù)據(jù)文件 1 矢量格式矢量格式分為兩種 多邊形圖形文件 線狀 包括點狀 圖形文件 記錄頭占用24個邏輯單元 第28個邏輯單元以后開始記錄空間坐標數(shù)據(jù) 每個邏輯單元為四個字節(jié) 對多邊形要求記錄每個邊界弧段沿其前進方向的左 右多邊形編號 以建立完整的拓撲結(jié)構(gòu) 線點圖形文件只記錄每條線 或每個點 的編號 多邊形編號和線點的編號可以作為指向?qū)傩杂涗浀闹羔?可以是特征值 多邊