第4章_地圖數(shù)據(jù)模型

1、 從所有候選碼中選定一個(gè)用來(lái)區(qū)別同一實(shí)體集中的不同實(shí)體，稱作主碼。一個(gè)實(shí)體集中任意兩個(gè)實(shí)體在主碼上的取值不能相同。聯(lián)系(Relationship)： 實(shí)體之間的相互關(guān)聯(lián)。聯(lián)系的種類 實(shí)體之間的聯(lián)系的數(shù)量，即一個(gè)實(shí)體通過(guò)一個(gè)聯(lián)系集能與另一實(shí)體集相關(guān)聯(lián)的實(shí)體的數(shù)目。結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型 結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型的三要素： 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)操作 數(shù)據(jù)的約束條件1.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 描述系統(tǒng)的靜態(tài)特性，即組成數(shù)據(jù)庫(kù) 的對(duì)象類型。包括：數(shù)據(jù)本身：數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中一般按數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型來(lái)命名數(shù)據(jù)模型。2.數(shù)據(jù)操作 數(shù)據(jù)模型要定義操作含義、操作符號(hào)、操作規(guī)則，以及實(shí)現(xiàn)操作的語(yǔ)言。.數(shù)據(jù)的約束條件數(shù)據(jù)的約束條件是完整性規(guī)則的集合

2、，規(guī)定數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)及狀態(tài)變化所應(yīng)滿足的條件，以保證數(shù)據(jù)的正確、有效、相容。三、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型示例 層次模型 網(wǎng)狀模型 關(guān)系模型1.層次模型 用樹(shù)結(jié)構(gòu)表示實(shí)體之間聯(lián)系的模型叫層次模型。 樹(shù)由節(jié)點(diǎn)和連線組成，節(jié)點(diǎn)代表實(shí)體型，連線表示兩實(shí)體型間的一對(duì)多聯(lián)系。 優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。 缺點(diǎn)： 支持的聯(lián)系種類太少，只支持二元一對(duì)多聯(lián)系。 數(shù)據(jù)操縱不方便，子結(jié)點(diǎn)的存取只能通過(guò)父結(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行。IBM的IMS數(shù)據(jù)庫(kù)，1969年研制成功2.網(wǎng)狀模型是一個(gè)滿足下列條件的有向圖： 可以有一個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)無(wú)父節(jié)點(diǎn)。 至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)有多于一個(gè)的父節(jié)點(diǎn)（排除樹(shù)結(jié)構(gòu)）。 表達(dá)的聯(lián)系種類豐富。 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。關(guān)系中數(shù)據(jù)項(xiàng)之間存在兩

3、種依賴關(guān)系：函數(shù)依賴和多值依賴。 范式 范式是對(duì)關(guān)系的不同數(shù)據(jù)依賴程度的要求。 通過(guò)模式分解將一個(gè)低級(jí)范式轉(zhuǎn)換為若干個(gè)高級(jí)范式的過(guò)程稱作規(guī)范化（概念的純粹化）。 通常我們按屬性間情況來(lái)區(qū)分關(guān)系規(guī)范化的程度為：第一范式（1NF）、第二范式（2NF）、第三范式（3NF）、修正的第三范式（BCNF）、第四范式（4NF）。 范式之間的關(guān)系如下圖所示：一、RDBMS的局限v 表達(dá)能力有限 RDB的基本結(jié)構(gòu)是二維表，是一種平面結(jié)構(gòu)，無(wú)法表達(dá)嵌套的信息結(jié)構(gòu)。 在CAD等系統(tǒng)中，嵌套大量存在，如機(jī)器由很多部件構(gòu)成，每個(gè)部件又由多個(gè)零件構(gòu)成。 嵌套的平面化可以通過(guò)模式分解和連接運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。 連接在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中是十

4、分低效的運(yùn)算。v 類型有限 RDB的類型是系統(tǒng)內(nèi)置的，用戶只能使用固定的幾種。 新的應(yīng)用需要靈活的類型機(jī)制，DBMS應(yīng)該能夠支持用戶定義適合自己應(yīng)用的數(shù)據(jù)類型。 類型：數(shù)據(jù)抽象的一種方式，是一組值的集合以及在這組值上的操作。 提供一組內(nèi)在的數(shù)據(jù)類型，如整數(shù)、字符等。 提供定義新的數(shù)據(jù)類型的手段。數(shù)組：聚合同類型數(shù)據(jù)；結(jié)構(gòu)：聚合不同類型數(shù)據(jù)。 類型檢查 結(jié)構(gòu)與行為的分離 RDB中存儲(chǔ)的只是實(shí)體的數(shù)據(jù)，而實(shí)體的行為則交由應(yīng)用程序來(lái)編碼實(shí)現(xiàn)。 現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體除了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之外，同時(shí)還有其自身的行為。如學(xué)生應(yīng)該具有選課的行為。 實(shí)體的行為也是實(shí)體的屬性，應(yīng)當(dāng)同實(shí)體緊密結(jié)合，由應(yīng)用來(lái)維護(hù)是不適合的。 版

5、本與長(zhǎng)事務(wù) 多版本支持 要求DBMS能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)的多個(gè)版本，并建立自然、方便的管理機(jī)制 長(zhǎng)事務(wù) 當(dāng)前的有些應(yīng)用需要鎖住某些數(shù)據(jù)一整天甚或幾個(gè)星期，以便進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì) 只有版本問(wèn)題解決得好，長(zhǎng)事務(wù)的處理才有希望。 二、面向?qū)ο蠹夹g(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)結(jié)合 1.面向?qū)ο蠓椒?基本思想：從現(xiàn)實(shí)世界中客觀存在的事物（對(duì)象）出發(fā)，以盡可能接近人類思維的方式建立模型，對(duì)客觀事物進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬和行為模擬。 基本概念：對(duì)象、屬性、方法、消息、封裝、類、繼承、多繼承等。 應(yīng)用的新需求： 模擬復(fù)雜對(duì)象 模擬對(duì)象的復(fù)雜行為 面向?qū)ο蠹夹g(shù)給數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)帶來(lái)的好處： 復(fù)雜對(duì)象構(gòu)造能力使得對(duì)于客觀世界的模擬能力強(qiáng)，方式自然。 封裝性

6、向開(kāi)發(fā)人員和最終用戶屏蔽復(fù)雜性和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。 繼承性使得數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和應(yīng)用編程成為可重用的。 擴(kuò)充關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) 持久化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)工具包/部件 如何將面向?qū)ο蟾拍钆c數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)？ 兩條途徑： 將面向?qū)ο蟾拍钭鳛楦拍钤O(shè)計(jì)階段工具 將面向?qū)ο蟾拍罱Y(jié)合到數(shù)據(jù)庫(kù)操縱語(yǔ)言中 擴(kuò)展SQL 在SQL中增加復(fù)雜類型和面向?qū)ο筇卣鳌?持久化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 對(duì)某種現(xiàn)行的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行擴(kuò)展。 3W-Who Will Win？ 如何將面向?qū)ο蟾拍钆c數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)？ 兩條途徑： 將面向?qū)ο蟾拍钭鳛楦拍钤O(shè)計(jì)階段工具 將面向?qū)ο蟾拍罱Y(jié)合到數(shù)據(jù)庫(kù)操縱語(yǔ)言中 擴(kuò)展SQL 在SQ

7、L中增加復(fù)雜類型和面向?qū)ο筇卣鳌?持久化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 對(duì)某種現(xiàn)行的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行擴(kuò)展。 三、DBMS分類矩陣 DBMS有哪些不足？ 代價(jià)高 性能低對(duì)象繼承 Vs 對(duì)象包含ABCABCis-ais-part-of類B中的一個(gè)對(duì)象也是類A中的一個(gè)對(duì)象，它繼承了類A的所有屬性，同時(shí)具有自己的特殊屬性，以及對(duì)所繼承的方法提供自己的實(shí)現(xiàn)途徑。類A中的一個(gè)對(duì)象包含類B中的一個(gè)對(duì)象。A與B的屬性不必類似，也不必相互繼承對(duì)方的屬性。類A中的一個(gè)對(duì)象只能通過(guò)類B的方法來(lái)訪問(wèn)B中的變量。1NF2NF3NFBCNF4NF消除決定因素非鍵的非平凡函數(shù)依賴消除非主屬性對(duì)鍵的部分函數(shù)依賴消除非主屬性對(duì)鍵的傳遞函

8、數(shù)依賴消除主屬性對(duì)鍵的部分和傳遞函數(shù)依賴消除非平凡且非函數(shù)依賴的多值依賴空間實(shí)體的空間位置、關(guān)系和度量的描述是非常重要的?？臻g實(shí)體間的空間關(guān)系可以抽象為點(diǎn)、線、多邊形之間的六種關(guān)系：q 點(diǎn)點(diǎn)：重合；分離；一點(diǎn)為其他諸點(diǎn)的集合中心；點(diǎn)為其他諸點(diǎn)的地理中心，等等。q 點(diǎn)線：點(diǎn)在線上；線的端點(diǎn)（起點(diǎn)或終點(diǎn)）；線的交點(diǎn)；點(diǎn)與線的分離（可計(jì)算點(diǎn)到線的距離），等等。q 點(diǎn)多邊形：點(diǎn)在多邊形內(nèi)（可計(jì)數(shù)和統(tǒng)計(jì)）；點(diǎn)為多邊形的幾何（地理）中心；點(diǎn)在多邊形邊界上；點(diǎn)在多邊形外部，等等。q 線線：重合；相接（首尾相接和順序相接）；相交；相切；并行，等等。q 線多邊形：多邊形包含線（可計(jì)算多邊形內(nèi)線的密度）；線穿過(guò)多

9、邊形；線環(huán)繞多邊形；線與多邊形分離，等等。q 多邊形多邊形：包含；重合；相交（可以劃分子多邊形，進(jìn)行邏輯與、或、非和異或等計(jì)算）；相鄰；分離（計(jì)算距離、引力等），等等。上述空間關(guān)系又可以分成三類： 拓?fù)淇臻g關(guān)系 方位空間關(guān)系 度量空間關(guān)系 拓?fù)淇臻g關(guān)系拓?fù)鋵傩砸粋€(gè)點(diǎn)在一個(gè)弧段的端點(diǎn)一個(gè)弧段是一個(gè)簡(jiǎn)單弧段一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的邊界上一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的內(nèi)部一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的外部一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)環(huán)的內(nèi)部一個(gè)面是一個(gè)簡(jiǎn)單面一個(gè)面的連接性非拓?fù)鋵傩詢牲c(diǎn)之間的距離一個(gè)點(diǎn)指向另一個(gè)點(diǎn)的方向弧段的長(zhǎng)度一個(gè)區(qū)域的周長(zhǎng)一個(gè)區(qū)域的面積v 方位空間關(guān)系方位空間關(guān)系指的是空間實(shí)體之間的上下、前后、左右、東西南北等順序關(guān)系?？梢?/p>

10、根據(jù)實(shí)體類型分為：多邊形多邊形、多邊形線、多邊形點(diǎn)、線線、線點(diǎn)、點(diǎn)點(diǎn)之間的方位空間關(guān)系。 點(diǎn)點(diǎn)方位空間關(guān)系最好確定，只需計(jì)算兩點(diǎn)連線與某一基準(zhǔn)方向的夾角即可。多邊形點(diǎn)、線點(diǎn)方位空間關(guān)系也可以在一定程度上簡(jiǎn)化為點(diǎn)點(diǎn)方位空間關(guān)系。 其余方位空間關(guān)系的計(jì)算就相對(duì)復(fù)雜得多了，目前尚未有很好的解決辦法。v 度量空間關(guān)系基本度量空間關(guān)系指的是空間實(shí)體之間的距離，在此基礎(chǔ)上，還可以構(gòu)造出實(shí)體群之間的度量關(guān)系。距離度量有不同的計(jì)算方式：大地測(cè)量距離、曼哈頓距離（經(jīng)度差加上緯度差）、時(shí)間距離等。 此外，還有其他的一些空間量算的指標(biāo)： 幾何指標(biāo)：位置、距離、面積、體積形狀、方位等 自然地理參數(shù)：坡度、坡向、地表輻

11、射度、地形起伏度、通達(dá)度等 人文地理指標(biāo)：交通便利程度、吸引范圍、人口密度等四、地名數(shù)據(jù)的表示 地名可作為地圖要素的屬性內(nèi)容表示，但因地名數(shù)據(jù)本身具有分類分級(jí)特點(diǎn)及更為廣泛的用途，因而采用單獨(dú)的編碼系統(tǒng)表示。 地名用地名編碼和漢字代碼共同組成。地名可依據(jù)其注記的地圖要素分類，漢字代碼應(yīng)使用國(guó)標(biāo)，如GB2312-80。一、柵格結(jié)構(gòu)二、矢量結(jié)構(gòu)三、矢量到柵格的轉(zhuǎn)換四、柵格到矢量的轉(zhuǎn)換這里我們主要介紹針對(duì)柵格模型和對(duì)象模型的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它們是矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。v 矢量結(jié)構(gòu)用點(diǎn)、線、面表現(xiàn)地理實(shí)體，其空間位置由所在的坐標(biāo)參考系中的坐標(biāo)定義。v 柵格結(jié)構(gòu)空間被規(guī)則地劃分為柵格（通常為正方形）

12、；地理實(shí)體的位置用它們占據(jù)的柵格行、列號(hào)來(lái)定義；柵格的值代表該位置的狀態(tài)；柵格的大小代表空間分解能力。2.柵格結(jié)構(gòu)組織方式： 以像元為記錄的序列，可節(jié)省存貯空間，如圖； 以層為基礎(chǔ)，每層以像元為記錄序列，形式簡(jiǎn)單，如圖； 以層為主，每層以多邊形為序列，可節(jié)省用于存貯屬性的空間，如圖。柵格結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)壓縮 行程編碼 一種廣泛應(yīng)用于數(shù)字圖像處理的方法。這種方法是對(duì)圖像逐行掃描，不斷比較相鄰柵格中圖像的灰度值，將相鄰像元灰度值相同的格網(wǎng)聚成一組，稱為一種類型，相應(yīng)格網(wǎng)的數(shù)量稱為該類型的長(zhǎng)度 類型終止編碼 與行程編碼類似，不同之處是它不表示某種類型像素的數(shù)量，而是表示該類型像素在一行中最后一列相對(duì)于該行

13、首列的位置。 終列計(jì)數(shù) 與上述第2種方法類似，表示某類像素的特征值和其一行中最后一列相對(duì)該行首列的位置，但行數(shù)不表示，只是用 1 標(biāo)志一行的結(jié)束。這種方法較前兩種方法能壓縮更多的存貯空間。 類型終止編碼 用兩個(gè)整數(shù)表示一種類型，一個(gè)是類型特征值，一個(gè)是類型結(jié)束點(diǎn)在柵格矩陣中的位置。這種方法壓縮效果更佳，檢索方便，但表示柵格矩陣位置的整數(shù)值可能很大。 四叉樹(shù)編碼 定義：將22像元陣列連續(xù)地進(jìn)行4等分，一直分到正方形的大小正好與像元的大小相等為止； 優(yōu)點(diǎn)： 容易而有效地計(jì)算多邊形的數(shù)量特征； 陣列各部分的分辨率是可變的，邊界復(fù)雜部分四叉樹(shù)分級(jí)較多，分辨率也高； 柵格 四叉樹(shù)的轉(zhuǎn)換比其它壓縮方法容易

14、； 多變形中嵌套異類小多邊形的表示較方便。 缺點(diǎn)： 轉(zhuǎn)換的不定性 四叉樹(shù)編碼 定義：將22像元陣列連續(xù)地進(jìn)行4等分，一直分到正方形的大小正好與像元的大小相等為止； 優(yōu)點(diǎn)： 容易而有效地計(jì)算多邊形的數(shù)量特征； 陣列各部分的分辨率是可變的，邊界復(fù)雜部分四叉樹(shù)分級(jí)較多，分辨率也高； 柵格 四叉樹(shù)的轉(zhuǎn)換比其它壓縮方法容易； 多變形中嵌套異類小多邊形的表示較方便。 缺點(diǎn)： 轉(zhuǎn)換的不定性二、矢量結(jié)構(gòu)v 點(diǎn)實(shí)體 由單獨(dú)一對(duì)坐標(biāo)定位的一切地理或制圖實(shí)體，及屬性。v 線實(shí)體 直線：起、止點(diǎn)坐標(biāo)，屬性。 弧、鏈：n個(gè)坐標(biāo)對(duì)的集合，屬性，指針系統(tǒng)。v 面實(shí)體 無(wú)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的點(diǎn)、線、面的矢量結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)組織，如圖； 具有拓

15、撲結(jié)構(gòu)的矢量結(jié)構(gòu)，如圖； TIN（Triangle Irregular Network）結(jié)構(gòu)的拓?fù)浔磉_(dá)，如圖。柵格結(jié)構(gòu)v 優(yōu)點(diǎn)n 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；n 疊加操作易實(shí)現(xiàn)，更有效；n 能有效表達(dá)空間可變性；n 便于做圖象的有效增加。v 缺點(diǎn)n 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不嚴(yán)密不緊湊，需用壓縮技術(shù)解決；n 難以表達(dá)拓?fù)潢P(guān)系；n 圖形輸出不美觀，線條有鋸齒。矢量結(jié)構(gòu)v 優(yōu)點(diǎn)n 提供更嚴(yán)密的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；n 提供更有效的拓?fù)渚幋a，因而對(duì)需要拓?fù)湫畔⒌牟僮鞲行缇W(wǎng)絡(luò)分析；n 圖形輸出美觀，接近于手繪。v 缺點(diǎn)n 比柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；n 疊加操作沒(méi)有柵格有效；n 表達(dá)空間變化能力差；n 不能像數(shù)字圖象那樣做增強(qiáng)處理。三、矢量到柵格

16、的轉(zhuǎn)換 選擇單元的大小和形狀； 將點(diǎn)和線實(shí)體角點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到預(yù)定分辨率和已知位置的矩陣中； 利用單根根掃描線（沿行或列）或一組相連接的掃描線去測(cè)試線性要素與單元邊界的交叉點(diǎn)，并記錄穿過(guò)交叉點(diǎn)的柵格單元個(gè)數(shù)； 測(cè)試多邊形時(shí)，先測(cè)試角點(diǎn)，再對(duì)剩下線段進(jìn)行二次掃描，到達(dá)邊界位置時(shí)，記錄其位置與屬性值。四、柵格到矢量的轉(zhuǎn)換v 拓?fù)滢D(zhuǎn)換 保持柵格表達(dá)的連通性與鄰接性。v 轉(zhuǎn)換物體正確的外形 點(diǎn)：某個(gè)單元的值與周圍不同，代表點(diǎn)； 線：具有相同屬性值的連續(xù)的單元格，將其搜索出來(lái)并細(xì)化處理，成為一條線； 面：將所有單元編碼，將具有同一屬性的單元?dú)w為一類，再檢測(cè)兩類不同屬性的邊界作為多邊形的一條邊。一、空間數(shù)據(jù)分層的方法二、空間數(shù)據(jù)的組織三、空間數(shù)據(jù)的管理一、空間數(shù)據(jù)分層的方法 按專題分層 按時(shí)間序列分層 按地面垂直高度二、空間數(shù)據(jù)的組織 由專題和分幅組成 面向?qū)ο蟮慕M織三、空間數(shù)據(jù)的管理空間數(shù)據(jù)的管理：為了使空間數(shù)據(jù)的空間特征和屬性特征統(tǒng)一而采取的管理手段。 文件模式 混合模式 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式