第四章GIS空間數據庫gis

1、 第四章第四章 GIS空間數據庫空間數據庫 空間數據庫也叫地圖數據庫。空空間數據庫也叫地圖數據庫。空間數據庫的理論與方法是地理信息系間數據庫的理論與方法是地理信息系統的核心問題之一。統的核心問題之一。 在數據在數據獲取獲取過程中，空間數據庫過程中，空間數據庫用于存儲和管理地理信息；在用于存儲和管理地理信息；在數據處數據處理、分析和數據輸出階段理、分析和數據輸出階段，它是地理，它是地理信息的提供者。信息的提供者。 數據庫設計的合理性關系到整個數據庫設計的合理性關系到整個地理信息系統工程的成敗。地理信息系統工程的成敗。 數據庫數據庫就是為了一定的目的，在就是為了一定的目的，在計算機系統中以特定的結

2、構組織、計算機系統中以特定的結構組織、存儲、管理和應用的相關聯的數據存儲、管理和應用的相關聯的數據集合。集合。 計算機對數據的管理經過了三計算機對數據的管理經過了三個階段個階段 ：人工管理階段人工管理階段 、文件管、文件管理階段理階段 、數據庫管理階段、數據庫管理階段1、數據庫的概念、數據庫的概念: 數據庫的特點：數據庫的特點： 數據集中控制數據集中控制 數據較少冗余數據較少冗余 具有較高的數據獨立性具有較高的數據獨立性 復雜的數據模型復雜的數據模型 數據共享數據共享 能為多種應用服務能為多種應用服務 統一的數據保護統一的數據保護數據庫的組成：數據庫的組成：數據集數據集物理存儲介質物理存儲介質

3、數據庫軟件數據庫軟件數據組織方式數據組織方式:n數據庫中的數據組織一般可以分為數據庫中的數據組織一般可以分為四級四級：數據項、記：數據項、記錄、文件和數據庫。錄、文件和數據庫。q1、數據項數據項：是可以定義數據的最小單位，也叫元素、基本項、：是可以定義數據的最小單位，也叫元素、基本項、字段等。數據項的取值范圍，稱為域。字段等。數據項的取值范圍，稱為域。 q2、記錄記錄：由若干相關聯的數據項組成。：由若干相關聯的數據項組成。 q3、文件文件：文件是一給定類型的（邏輯）記錄的全部具體值的：文件是一給定類型的（邏輯）記錄的全部具體值的集合。集合。 q4、數據庫數據庫：是比文件更大的數據組織。數據庫是

4、具有特定聯：是比文件更大的數據組織。數據庫是具有特定聯系的數據的集合，也可以看成是具有特定聯系的多種類型的系的數據的集合，也可以看成是具有特定聯系的多種類型的記錄的集合。數據庫的內部構造是文件的集合，這些文件之記錄的集合。數據庫的內部構造是文件的集合，這些文件之間存在某種聯系，不能孤立存在。間存在某種聯系，不能孤立存在。 定義：定義：GISGIS空間數據庫空間數據庫-GSDB-GSDB是一是一種應用于地理空間數據處理與信息分種應用于地理空間數據處理與信息分析領域的具有工程性質的數據庫析領域的具有工程性質的數據庫，是是地理信息系統在計算機物理存儲介質地理信息系統在計算機物理存儲介質上存儲和應用的

5、相關的地理空間數據上存儲和應用的相關的地理空間數據的總和。的總和。 它所管理的對象主要是它所管理的對象主要是地理空間數地理空間數據據。 2、GIS空間數據庫空間數據庫圖圖 空間數據庫的組織結構空間數據庫的組織結構道 路 圖1 1）數據量特別大）數據量特別大 2 2）數據種類多，復雜。且數據種類多，復雜。且屬性數屬性數據和空間數據并存，聯系緊密據和空間數據并存，聯系緊密3 3）數據應用面相當廣）數據應用面相當廣(1) 空間數據庫存儲系統：空間數據庫存儲系統：以特定結構的文件以特定結構的文件存儲于介質上的地理空間數據的總和。存儲于介質上的地理空間數據的總和。 (2) 空間數據庫管理系統：空間數據庫

6、管理系統：能對空間數據進行定能對空間數據進行定義、查詢、檢索、維護和更新的一套義、查詢、檢索、維護和更新的一套軟件系統。軟件系統。（功能擴展式如（功能擴展式如Oracle，空間數據庫引擎如，空間數據庫引擎如ESRI的的SDE）(3) 空間數據庫應用系統：空間數據庫應用系統：空間分析模型和應空間分析模型和應用模型所組成的軟件。用模型所組成的軟件。 從應用性質上空間數據庫可分為基礎從應用性質上空間數據庫可分為基礎地理空間數據庫和專題數據庫。地理空間數據庫和專題數據庫?；A地理空間數據庫包括：基礎地理空間數據庫包括： DLG、DEM、DOM、DRG和元數據（和元數據（MD）專題數據庫（專題數據庫（T

7、D）包括：）包括： 土地利用數據、土地利用數據、地籍地籍數據、規(guī)劃管理數據、道數據、規(guī)劃管理數據、道路數據等。路數據等。 實質就是將地理空間實體以一定實質就是將地理空間實體以一定的組織形式在數據庫中加以表達的的組織形式在數據庫中加以表達的過程，也就是過程，也就是GIS中空間實體中空間實體建立建立數據模型數據模型的過程。的過程。1、空間數據庫的設計、空間數據庫的設計: 數據模型數據模型是現實世界的規(guī)格化的說明。是現實世界的規(guī)格化的說明。具體地說，數據庫的具體地說，數據庫的數據結構、操作集合和數據結構、操作集合和完整性約束規(guī)則集合完整性約束規(guī)則集合組成了數據庫的數據模組成了數據庫的數據模型。型。

8、空間數據模型空間數據模型是對空間實體進行描述和是對空間實體進行描述和表達的手段，使之能反映實體的某些結構特表達的手段，使之能反映實體的某些結構特性和行為功能，性和行為功能，是衡量是衡量GIS功能強弱與優(yōu)劣功能強弱與優(yōu)劣的主要因素之一。的主要因素之一。 從這一角度來說，空間數據庫的設計最終從這一角度來說，空間數據庫的設計最終可以歸結為空間數據庫模型的設計。可以歸結為空間數據庫模型的設計。2、空間數據庫的設計過程、空間數據庫的設計過程: 圖圖P114需求分析：需求分析：與系統目的、用戶需求相關；與系統目的、用戶需求相關；概念設計：概念設計：解釋用戶需求，用概念模型表達，實現從現實世界到信息解釋用戶

9、需求，用概念模型表達，實現從現實世界到信息世界的抽象。世界的抽象。邏輯設計：邏輯設計：將信息世界的概念模型映射為計算機世界的數據模型（數將信息世界的概念模型映射為計算機世界的數據模型（數據庫）；據庫）；物理設計：物理設計：邏輯模型的存儲設備的物理實現。邏輯模型的存儲設備的物理實現。結構設計結構設計數據層設數據層設計計n 原則（原則（P115） 盡量減少空間數據存儲的冗余度；盡量減少空間數據存儲的冗余度； 提供穩(wěn)定的空間數據數據結構，并能根提供穩(wěn)定的空間數據數據結構，并能根據用戶需求而迅速改變；據用戶需求而迅速改變； 滿足用戶的訪問需求并高效提供查詢結滿足用戶的訪問需求并高效提供查詢結果；果；

10、應能反映數據間的復雜聯系；應能反映數據間的復雜聯系； 具有較強的應用適用性。具有較強的應用適用性。n 技術方法技術方法3、空間數據庫的原則和技術方法、空間數據庫的原則和技術方法: 三、三、空間數據庫的空間數據庫的實現實現和和維護維護: （P115P115-116-116）1、空間數據庫的實現：、空間數據庫的實現： 建立實際的空間數據庫結構；建立實際的空間數據庫結構； 以實驗性數據進行系統測試；以實驗性數據進行系統測試； 加載實際數據，實現空間數據庫的建立。加載實際數據，實現空間數據庫的建立。2、空間數據庫的運行與維護、空間數據庫的運行與維護一、語義數據模型一、語義數據模型 語義語義是指數據本身

11、具有的表達數據屬性及是指數據本身具有的表達數據屬性及其關系的能力。其關系的能力。1、概念：、概念：是由若干種抽象所組成，用這些是由若干種抽象所組成，用這些抽象來描述客體的基本語義特性，再根據語抽象來描述客體的基本語義特性，再根據語義模型規(guī)則把這些抽象有機地組織起來。如義模型規(guī)則把這些抽象有機地組織起來。如實體聯系模型實體聯系模型（E-R模型）模型）u 實體：實體：是對客觀存在的一種抽象。是對客觀存在的一種抽象。矩形表示矩形表示u 聯系聯系：是客體間有意義的相互作用或對應關系。是客體間有意義的相互作用或對應關系。u 屬性：屬性：是對實體和聯系特征的描述。是對實體和聯系特征的描述。橢圓形表示橢圓形

12、表示數據間的邏輯聯系數據間的邏輯聯系 數據間的邏輯聯系主要數據間的邏輯聯系主要是指記錄與記錄之間的聯是指記錄與記錄之間的聯系。系。 1）一對一的聯系（）一對一的聯系（1：1） 2）一對多的聯系（）一對多的聯系（1：N） 3）多對多的聯系（）多對多的聯系（M：N）A BABA BABA BAB2、采、采用用E-R模型模型建立數據庫的步驟：建立數據庫的步驟： 設計局部的設計局部的E-R模型：見書模型：見書P117圖圖4-6. 設計全局的設計全局的E-R模型：模型： 全局全局E-R模型的優(yōu)化：實體類型盡可能少，所模型的優(yōu)化：實體類型盡可能少，所含屬性盡可能少，實體類型之間聯系無冗余。含屬性盡可能少，

13、實體類型之間聯系無冗余。優(yōu)化的方式：優(yōu)化的方式： 把有聯系的實體類型合并；把有聯系的實體類型合并； 冗余屬性的消除；冗余屬性的消除； 冗余聯系的消除。冗余聯系的消除。 1 1、基本思想：基本思想：我們通過對問題領域進行我們通過對問題領域進行自然分割，用更接近人類通常思維的方式建自然分割，用更接近人類通常思維的方式建立問題領域的模型，從而將客觀世界的一切立問題領域的模型，從而將客觀世界的一切實體實體模型化為對象模型化為對象。 每一種對象都有各自的每一種對象都有各自的內部狀態(tài)內部狀態(tài)（結構（結構模擬）和模擬）和運動規(guī)律運動規(guī)律（行為模（行為模擬）；擬）；不同對象不同對象之間的相互聯系和相互作用就構

14、成了各種不之間的相互聯系和相互作用就構成了各種不同的系統，并使系統盡可能地直接表現出問同的系統，并使系統盡可能地直接表現出問題的求解過程。題的求解過程。 二、面向對象的數據模型二、面向對象的數據模型對象的數學本質及其特征：對象的數學本質及其特征： 一個對象一個對象objectobject是一個三元組：是一個三元組： objectobject(ID(ID，S S，M)M)IDID為為對象標識對象標識，以表明其存在的獨立性；，以表明其存在的獨立性；S S為為對象的內部狀態(tài)對象的內部狀態(tài)，它是一組描述對象特征的屬性，它是一組描述對象特征的屬性，以表明其在某一時刻的狀態(tài)它可以直接是以表明其在某一時刻的

15、狀態(tài)它可以直接是屬性值，屬性值，也可以是另外一組對象的集合；也可以是另外一組對象的集合；M M為為方法集方法集，由多個操作組成，用以改變對象的狀態(tài)。，由多個操作組成，用以改變對象的狀態(tài)。 2 2、面向對象方法中的一些基本概念、面向對象方法中的一些基本概念：（1 1） 對象：對象：ObjectObject 含有數據和操作方法的獨立模塊含有數據和操作方法的獨立模塊, ,是是數據和行為的統一體。如一個城市、一數據和行為的統一體。如一個城市、一棵樹都可作為一個對象?？脴涠伎勺鳛橐粋€對象。 GISGIS中的地理對象：描述一個地理實中的地理對象：描述一個地理實體的空間和屬性數據以及定義一系列對體的空間和屬

16、性數據以及定義一系列對實體有意義的操作函數的統一體。實體有意義的操作函數的統一體。-對象，類，消息，方法，協議，封裝對象，類，消息，方法，協議，封裝（2 2） 對對 象象 類：類：ClassClass 共享同一屬性和方法集的所有對象的集合，共享同一屬性和方法集的所有對象的集合，簡稱類。簡稱類。從一組對象中抽象出公共的方法和屬從一組對象中抽象出公共的方法和屬性，并將它們保存在同一個類中，性，并將它們保存在同一個類中，這是面向對這是面向對象方法的核心內容。象方法的核心內容。如河流均具有共性，如名如河流均具有共性，如名稱、長度、河流面積等，以及相同的操作方法，稱、長度、河流面積等，以及相同的操作方法

17、，如查詢、計算長度、求流域面積等，因而可抽如查詢、計算長度、求流域面積等，因而可抽象為河流類。象為河流類。（3 3）實例）實例 被抽象的對象，類的一個具體對象，如長被抽象的對象，類的一個具體對象，如長江、黃河等。真正抽象的河流不存在，只存江、黃河等。真正抽象的河流不存在，只存在河流的例子。在河流的例子。 類描述了類描述了實例實例的共有形式的共有形式(屬性等屬性等)以及作以及作用于類中對象上的操作用于類中對象上的操作(方法方法)。每個對象都是。每個對象都是這個類的一個實例，對象與類的關系是這個類的一個實例，對象與類的關系是instanceof的關系。類的關系。類申請實例申請實例成為具體對象。成為

18、具體對象。（4 4）方法和消息：）方法和消息：對同一個類所定義的所有操作稱為對同一個類所定義的所有操作稱為方法方法，對類的操作是由方法來具體實現的。對類的操作是由方法來具體實現的。消息消息是是對象之間的請求與協作。如鼠標點就是消息；對象之間的請求與協作。如鼠標點就是消息；點某按鈕，就是對按鈕提出請求。點某按鈕，就是對按鈕提出請求。另外，消息還分另外，消息還分公有消息公有消息和和私有消息私有消息，對象之間發(fā)送的消息，叫公有消息，對象自對象之間發(fā)送的消息，叫公有消息，對象自己向本身發(fā)送的消息，叫私有消息。己向本身發(fā)送的消息，叫私有消息。（5 5） 協協 議：議： 協議協議是一個對象對外服務的說明，

19、是一個對象對外服務的說明，它告知一個對象可以為外界做什么；它告知一個對象可以為外界做什么；它是由一個對象能夠接受并且愿意接它是由一個對象能夠接受并且愿意接受的所有消息構成的對外接口。受的所有消息構成的對外接口。 外界對象能夠并且只能向該對象外界對象能夠并且只能向該對象發(fā)送協議中所提供的消息，請求該對發(fā)送協議中所提供的消息，請求該對象服務。象服務。是對現實世界的簡明表示。形是對現實世界的簡明表示。形成對象的關鍵是抽象，對象是抽象成對象的關鍵是抽象，對象是抽象思維的結果思維的結果1 1）抽象性：）抽象性：3 3、面向對象的特性、面向對象的特性封裝是指將方法與數據存放于一個封裝是指將方法與數據存放于

20、一個對象中，以使對數據的操作只可通過該對象中，以使對數據的操作只可通過該對象本身的方法來進行。對象本身的方法來進行。 即一對象不能直接作用于另一對象的即一對象不能直接作用于另一對象的數據，對象間的通信只能通過消息來進數據，對象間的通信只能通過消息來進行。對象是一個封裝好的獨立模塊。行。對象是一個封裝好的獨立模塊。2 2）封裝性：）封裝性：3 3、面向對象的特性、面向對象的特性 是指同一對象被不同對象接收時，可是指同一對象被不同對象接收時，可解釋為不同的含義。解釋為不同的含義。 同一消息，對不同對象，功能不同。同一消息，對不同對象，功能不同。功能重載（參數）功能重載（參數）多態(tài)，簡化消息，多態(tài)，

21、簡化消息，但功能不減。但功能不減。3 3）多態(tài)性：）多態(tài)性：3 3、面向對象的特性、面向對象的特性1 1) )分分 類：類： 分類是把一組具有相同屬性結構和分類是把一組具有相同屬性結構和操作方法的對象歸納或映射為一個公操作方法的對象歸納或映射為一個公共類的過程。共類的過程。 對象和類的關系是對象和類的關系是“實例實例”的關的關系；系；(instance-of)(instance-of)。4 4、面向對象模型的核心技術：、面向對象模型的核心技術：-分類，概括，聚集，聯合分類，概括，聚集，聯合 2 2) ) 概概 括：括： 概括是把幾個類中某些具有部分概括是把幾個類中某些具有部分公共特征的屬性和操

22、作方法抽象出公共特征的屬性和操作方法抽象出來，形成一個更高層次、更具一般來，形成一個更高層次、更具一般性的超類的過程。性的超類的過程。 子類子類和和超類超類用來表示概括的特用來表示概括的特征，表明它們之間的關系是征，表明它們之間的關系是“即即是是”(is-a)(is-a)關系，子類是超類的一關系，子類是超類的一個特例。個特例。如多邊形對象類和弧段對象如多邊形對象類和弧段對象類概括形成空間對象類類概括形成空間對象類 聚集是將幾個聚集是將幾個不同類不同類的對象組合的對象組合成一個更高級的復合對象的過程。成一個更高級的復合對象的過程。 “ “復合對象復合對象”用來描述更高層用來描述更高層次的對象，次

23、的對象，“部分部分”或或“成分成分”是復合對象的組成部分。是復合對象的組成部分?！俺煞殖煞帧迸c與“復合對象復合對象”的關系是的關系是“部部分分”(partsof)(partsof)的關系。的關系。如多邊如多邊形對象類和弧段對象類聚集形成圖層形對象類和弧段對象類聚集形成圖層對象類。對象類。3 3） 聚聚 集集：4 4）聯）聯 合：合： 聯合是將聯合是將同一類對象中同一類對象中的幾的幾個具有部分相同屬性值的對象組個具有部分相同屬性值的對象組合起來，形成一個更高水平的合起來，形成一個更高水平的集集合對象合對象的過程。的過程。 術語術語“集合對象集合對象”描述的是描述的是由聯合而構成的更高水平的對象，

24、由聯合而構成的更高水平的對象，有聯合關系的對象互稱為成員有聯合關系的對象互稱為成員(member-of) 。 1 1） 繼繼 承承： 是現實世界中對象之間的一種獨特關系，它使是現實世界中對象之間的一種獨特關系，它使得某類對象可以自然地擁有另外一類對象的某些特得某類對象可以自然地擁有另外一類對象的某些特征和功能。征和功能。繼承性有雙重作用：繼承性有雙重作用： 減少代碼的冗余減少代碼的冗余 通過協調性簡化對象類相互之間的接口和界面通過協調性簡化對象類相互之間的接口和界面 5 5、面向對象模型的核心工具：、面向對象模型的核心工具：-繼承，傳播繼承，傳播單重繼承和多重繼承單重繼承和多重繼承： 指僅有一

25、個直接父類的繼承，要求每一個指僅有一個直接父類的繼承，要求每一個類最多只能有一個中間父類，這種限制意味類最多只能有一個中間父類，這種限制意味著一個子類只能屬于一個層次，而不能同時著一個子類只能屬于一個層次，而不能同時屬于幾個不同的層次。屬于幾個不同的層次。 單重繼承可以構成樹形層次，最高父類單重繼承可以構成樹形層次，最高父類在頂部，最特殊的子類在底在頂部，最特殊的子類在底部。部。1.1.單重繼承：單重繼承： 允許子類有多于一個的直接父類的繼承。允許子類有多于一個的直接父類的繼承。多重繼承允許幾個父類的屬性和操作傳給一個多重繼承允許幾個父類的屬性和操作傳給一個子類，這就不是層次結構。子類，這就不

26、是層次結構。 2.2.多重繼承：多重繼承： 傳播是一種作用于聚集和聯合傳播是一種作用于聚集和聯合的工具，用于描述復合對象或集的工具，用于描述復合對象或集合對象對成員對象的依賴性并獲合對象對成員對象的依賴性并獲得成員對象的屬性的過程。得成員對象的屬性的過程。 它通過一種強制性的手段將它通過一種強制性的手段將成員對象的屬性信息傳播給復合成員對象的屬性信息傳播給復合對象。對象。 2 2）傳）傳 播播：( (1)1) 繼承服務于概括，服務于概括，而傳播繼承服務于概括，服務于概括，而傳播作用于聯合和聚集；作用于聯合和聚集；( (2)2) 繼承是從上層到下層，應用于類，而傳繼承是從上層到下層，應用于類，而

27、傳播是自下而上，直接作用于對象；播是自下而上，直接作用于對象；( (3)3) 繼承包括屬性和操作，而傳播一般僅涉繼承包括屬性和操作，而傳播一般僅涉及屬性；及屬性；( (4)4) 繼承是一種信息隱含機制，而傳播是一繼承是一種信息隱含機制，而傳播是一種強制性工具。種強制性工具。3 3）繼承和傳播的區(qū)別：）繼承和傳播的區(qū)別： 從幾何方面劃分，從幾何方面劃分，GISGIS的各種地物對象的各種地物對象為點、線、面狀地物以及由它們混合組為點、線、面狀地物以及由它們混合組成的復雜地物。每一種幾何地物又可能成的復雜地物。每一種幾何地物又可能由一些更簡單的幾何圖形元素構成。由一些更簡單的幾何圖形元素構成。 每個

28、地物對象都可以通過其標識號和每個地物對象都可以通過其標識號和其屬性數據聯系起來。若干個地物對象其屬性數據聯系起來。若干個地物對象（地理實體）可以作為一個圖層，若干（地理實體）可以作為一個圖層，若干個圖層可以組成一個工作區(qū)。在個圖層可以組成一個工作區(qū)。在GISGIS中可中可以開設多個工作區(qū)。以開設多個工作區(qū)。 6 6、面向對象的數據模型：、面向對象的數據模型：面向對象的幾何數據模型：面向對象的幾何數據模型： 關系數據模型和關系數據模型和RDBMSRDBMS基本上適應基本上適應于于GISGIS中屬性數據的表達與管理。中屬性數據的表達與管理。 但若采用面向對象的數據模型，語但若采用面向對象的數據模型

29、，語義將更加豐富，層次關系也更明確。義將更加豐富，層次關系也更明確。 可以說，面向對象數據模型是在可以說，面向對象數據模型是在包含包含RDBMSRDBMS的功能基礎之上，增加了的功能基礎之上，增加了面向對象數據模型的面向對象數據模型的封裝、繼承和封裝、繼承和信息的傳播信息的傳播等功能。等功能。面向對象的屬性數據模型：面向對象的屬性數據模型：以土地利用管理以土地利用管理GISGIS為例的面向對象的為例的面向對象的屬性數據模型屬性數據模型 7、面向對象數據庫系統的實現方、面向對象數據庫系統的實現方式式n擴充面向對象程序設計語言（擴充面向對象程序設計語言（OOPL），），在在OOPL中增加中增加DB

30、MS的特性的特性n擴充擴充RDBMS，在，在RDBMS中增加面向對中增加面向對象的特性象的特性n建立全新的支持面向對象數據模型的建立全新的支持面向對象數據模型的OODBMS 1 1、概念、概念: :層次模型是一種層次模型是一種樹結構樹結構模型模型，它把數據按自然的層次關，它把數據按自然的層次關系組織起來，以反映數據之間的系組織起來，以反映數據之間的隸屬關系。隸屬關系。 一、層次模型：一、層次模型：例例1 1將下圖表示的地理實體將下圖表示的地理實體E E及其空間關系用及其空間關系用層次模型予以表示。層次模型予以表示。 例一、例一、轉換結果：轉換結果：2、特點特點:是地理數據組織成有向有序的樹結是

31、地理數據組織成有向有序的樹結構，也叫構，也叫樹形結構樹形結構。結構中的結點代表數據。結構中的結點代表數據記錄，連線描述位于不同結點數據間的從屬記錄，連線描述位于不同結點數據間的從屬關系關系(一對多的關系一對多的關系)。 層次模型反映了現實世界中實體層次模型反映了現實世界中實體間的層次關系，層次結構是眾多空間間的層次關系，層次結構是眾多空間對象的自然表達形式，并在一定程度對象的自然表達形式，并在一定程度上支持數據的重構。但其應用時上支持數據的重構。但其應用時存在存在局限：局限： 1 1）由于層次結構的嚴格限制，對）由于層次結構的嚴格限制，對任何對象的查詢必須始于其所在層次任何對象的查詢必須始于其

32、所在層次結構的根，使得低層次對象的處理結構的根，使得低層次對象的處理效效率較低。率較低。3 3、層次模型的局限性：、層次模型的局限性：2）它不能直接表示某類實體同其他）它不能直接表示某類實體同其他n類類實體間可能存在的隸屬關系。實體間可能存在的隸屬關系。層次模型也不能直接表示兩類實體間層次模型也不能直接表示兩類實體間的的m：n關系。關系。 3）模擬多對多聯系時導致物理存貯上）模擬多對多聯系時導致物理存貯上的冗余。的冗余。 4）數據獨立性差，數據更新如插入、數據獨立性差，數據更新如插入、刪除等操作復雜，涉及多指針。刪除等操作復雜，涉及多指針。 3 3、層次模型的局限性（續(xù)）：、層次模型的局限性（

33、續(xù)）： 網狀模型將數據組織成網狀模型將數據組織成有向圖有向圖結構結構，圖中的，圖中的結點結點代表數據記錄，代表數據記錄，連線描述不同結點數據間的聯系。連線描述不同結點數據間的聯系。 這種數據模型的基本特征是：這種數據模型的基本特征是：結點數據之間結點數據之間沒有明確的從屬關系，沒有明確的從屬關系，結點之間的聯系是任意的，結點之間的聯系是任意的，可表示可表示多對多多對多的關系。的關系。二、網狀數據模型：二、網狀數據模型：例例2 2 將下圖表示的地理實體將下圖表示的地理實體E E及其空間關系用網狀及其空間關系用網狀模型予以表示。模型予以表示。 例二例二. 轉轉 換換 結結 果：果： 例二例二.結點

34、：結點：記錄記錄有關地理要有關地理要素的數據記素的數據記錄錄連線：連線：記記錄有關地錄有關地理要素之理要素之間的聯系間的聯系 網絡模型在一定程度上支持數據的網絡模型在一定程度上支持數據的重構，具有一定的共享特性，并且運行重構，具有一定的共享特性，并且運行效率較高。但它應用時效率較高。但它應用時存在以下問題：存在以下問題： 1 1、網狀結構的復雜，增加了用戶查、網狀結構的復雜，增加了用戶查詢和定位的困難。詢和定位的困難。 2 2、網狀數據操作命令具有過程式性、網狀數據操作命令具有過程式性質。質。 3 3、不直接支持對于層次結構的表達，、不直接支持對于層次結構的表達，數據修改困難。數據修改困難。網

35、狀模型的局限：網狀模型的局限：1 1、關系模型的邏輯數據結構：關系模型的邏輯數據結構： 在關系模型中，數據的邏輯結構為在關系模型中，數據的邏輯結構為滿足一定條件的滿足一定條件的二維表二維表，表具有固定的，表具有固定的列數和任意的行數。列數和任意的行數。 二維表是二維表是同類實體的各種屬性的集同類實體的各種屬性的集合，合，每個實體對應于表中的一行，表中每個實體對應于表中的一行，表中的列表示屬性。的列表示屬性。滿足一定條件的規(guī)范化滿足一定條件的規(guī)范化關系的集合，就構成了關系模型。關系的集合，就構成了關系模型。三、關系模型：三、關系模型：2、關系數據模型的一些基本概念：關系數據模型的一些基本概念：（

36、1）關系：關系：一個二維表，行對應一個元組，列對應一個二維表，行對應一個元組，列對應一個域；每一列取個名字，稱為屬性。一個域；每一列取個名字，稱為屬性。（2）關鍵字：關鍵字：某一唯一標識一個元組的屬性組，主某一唯一標識一個元組的屬性組，主關鍵字對應的是主屬性；關鍵字對應的是主屬性；（3）關系模式：關系模式：關系的描述，包括關系名、屬性名、關系的描述，包括關系名、屬性名、屬性向域的映射（屬性的類型、長度等）；屬性向域的映射（屬性的類型、長度等）；（4）關系數據庫：關系數據庫：一系列關系的集合。有型、值之一系列關系的集合。有型、值之分，型是對數據庫的描述，值是關系的集合；分，型是對數據庫的描述，值

37、是關系的集合；（5）關系完整性：關系完整性：關系的正確性、相容性和有效性。關系的正確性、相容性和有效性。包括：實體完整性、參照完整性、用戶定義的完整性。包括：實體完整性、參照完整性、用戶定義的完整性。1 1）實體完整性：）實體完整性：每個表有一個明確每個表有一個明確 的主的主關鍵字，主關鍵字是一個或者多個屬性的集關鍵字，主關鍵字是一個或者多個屬性的集合。合。2 2）參照完整性：）參照完整性：要求要求RDBMSRDBMS保持其保持其 外來關外來關鍵字與它相應的主關鍵字一致，外來關鍵字鍵字與它相應的主關鍵字一致，外來關鍵字是一個表的主關鍵字但它又嵌入另一個表中。是一個表的主關鍵字但它又嵌入另一個表

38、中。3 3）用戶定義的完整性：）用戶定義的完整性：由應用環(huán)境決定，由應用環(huán)境決定，并針對某一具體數據庫的約束條件必須滿足并針對某一具體數據庫的約束條件必須滿足的規(guī)則。的規(guī)則。 表的完整性規(guī)則：表的完整性規(guī)則：3、 表的操作符：表的操作符： SQLSQL（Structured Query Structured Query LanguageLanguage）語言提供了表的操作符，它的功能包語言提供了表的操作符，它的功能包括：查詢括：查詢QueryQuery、操縱、操縱ManipulationManipulation、定義定義DefifitionDefifition和控制和控制ControlCont

39、rol四個四個方面。方面。 SQLSQL是一個綜合的、通用的、功能是一個綜合的、通用的、功能強大的關系數據庫語言。強大的關系數據庫語言。 1 1）視圖（）視圖（ViewView）：）：一個虛表，即視圖所對應的數一個虛表，即視圖所對應的數據并不是存儲在視圖中，而是存在導出它的一個據并不是存儲在視圖中，而是存在導出它的一個或多個表中?；蚨鄠€表中。2 2）范式）范式: :關系滿足某種規(guī)范化的形式。關系滿足某種規(guī)范化的形式。用來避免用來避免表修改操作的邏輯不一致性的一些規(guī)則集，范式表修改操作的邏輯不一致性的一些規(guī)則集，范式有多種層次，高級范式可以對低級范式增加約束有多種層次，高級范式可以對低級范式增加

40、約束條件。條件。 有第一范式（有第一范式（1NF1NF）、）、第二范式（第二范式（2NF）、第三范式）、第三范式（3NF）、）、BC范式（范式（BCNF）. 第一范式（第一范式（1NF）是一個關系模式所要遵循的最基本）是一個關系模式所要遵循的最基本的條件，的條件，即關系中的每個屬性必須是原子的、不可分割的即關系中的每個屬性必須是原子的、不可分割的數據項。數據項。1NF也是其他范式成立的前提條件。也是其他范式成立的前提條件。4 、視圖和范式：、視圖和范式：、例例3 3將下圖表示的地理實體將下圖表示的地理實體E E及其空間關及其空間關系用關系模型予以表示。系用關系模型予以表示。 例三例三. 轉轉

41、換換 結結 果：果： ( (1 1) )關系模型通過規(guī)范化的關系為用戶提關系模型通過規(guī)范化的關系為用戶提供一種供一種簡單的用戶邏輯結構簡單的用戶邏輯結構；能夠以簡單、；能夠以簡單、靈活的方式表達現實世界中各種實體及其相靈活的方式表達現實世界中各種實體及其相互間關系，使用與維護也很方便互間關系，使用與維護也很方便 。 ( (2 2) )具有嚴密的數學基礎和操作代數基礎具有嚴密的數學基礎和操作代數基礎，如關系代數、關系演算等，可將關系分開，如關系代數、關系演算等，可將關系分開，或將兩個關系合并，使數據的操縱具有高度或將兩個關系合并，使數據的操縱具有高度的靈活性。的靈活性。6 6、關系模型的特點：、

42、關系模型的特點： 優(yōu)點：優(yōu)點：6 6、關系模型的特點：、關系模型的特點： 缺點：缺點： 實現效率不夠高實現效率不夠高。 描述對象語義的能力較弱描述對象語義的能力較弱。 不直接支持層次結構。不直接支持層次結構。 模型的可擴充性較差模型的可擴充性較差。四、標準四、標準DBMS存儲空間數據的局限性存儲空間數據的局限性n空間數據記錄是變長的，而一般的數據庫都只允許把記空間數據記錄是變長的，而一般的數據庫都只允許把記錄的長度設定為固定。錄的長度設定為固定。n在存儲和維護空間數據拓撲關系方面存在著嚴重缺陷。在存儲和維護空間數據拓撲關系方面存在著嚴重缺陷。n一般都難以實現對空間數據的關聯、連通、包含、疊加一

43、般都難以實現對空間數據的關聯、連通、包含、疊加等基本操作。等基本操作。n不能支持復雜的圖形功能。不能支持復雜的圖形功能。n單個地理實體的表達需要多個文件、多條記錄，一般的單個地理實體的表達需要多個文件、多條記錄，一般的DBMS也難以支持。也難以支持。n難以保證具有高度內部聯系的難以保證具有高度內部聯系的GIS數據記錄需要的復雜的數據記錄需要的復雜的安全維護。安全維護。五、五、GIS中空間數據庫的組織形式中空間數據庫的組織形式n混合結構模型混合結構模型n擴展結構模型擴展結構模型n統一數據模型統一數據模型 q屬性數據存儲在常規(guī)屬性數據存儲在常規(guī)RDBMS上，數據存儲和檢索比較可上，數據存儲和檢索比

44、較可靠、有效；靠、有效；q空間數據存儲在空間數據管理系統中，功能較弱，特別是空間數據存儲在空間數據管理系統中，功能較弱，特別是在數據的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制方面，比商在數據的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制方面，比商用數據庫要遜色得多。用數據庫要遜色得多。q兩個子系統之間采用一種標識符聯系起來。兩個子系統之間采用一種標識符聯系起來。q屬性數據與空間數據分開存儲，數據的完整性有可能遭到屬性數據與空間數據分開存儲，數據的完整性有可能遭到破壞。破壞。qGIS軟件：軟件：SuperMap，ArcGIS，MGE，SICARD、GENEMAP等。等。空空間間數數據據屬屬性性數數據據ID數數據據庫

45、庫數數據據庫庫早早期期圖形用戶界面圖形用戶界面圖形處理圖形處理DBMS屬性用戶界面屬性用戶界面圖形圖形文件庫文件庫屬性屬性數據庫數據庫GIS用戶界面用戶界面圖形處理圖形處理DBMS圖形圖形文件庫文件庫屬性屬性數據庫數據庫高級語言高級語言ODBC協議協議GIS用戶界面用戶界面圖形處理圖形處理DBMS圖形圖形文件庫文件庫屬性屬性數據庫數據庫高級語言高級語言數據庫開發(fā)語言數據庫開發(fā)語言數據庫開發(fā)數據庫開發(fā)數據庫開發(fā)數據庫開發(fā)q屬性數據、空間數據同時采用關系數據庫進行管理；屬性數據、空間數據同時采用關系數據庫進行管理；q在標準的關系數據庫上增加空間數據管理層，即利用該層在標準的關系數據庫上增加空間數據

46、管理層，即利用該層將地理結構查詢語言將地理結構查詢語言(GeoSQL)轉化成標準的轉化成標準的SQL查詢，查詢，借助索引數據的輔助關系實施空間索引操作。借助索引數據的輔助關系實施空間索引操作。q空間數據和屬性數據不必進行繁瑣的連接，數據存取空間數據和屬性數據不必進行繁瑣的連接，數據存取較快；較快；q空間數據屬間接存取，效率比空間數據屬間接存取，效率比DBMS的直接存取慢，的直接存取慢，特別是涉及空間查詢、對象嵌套等復雜的空間操作。特別是涉及空間查詢、對象嵌套等復雜的空間操作。qGIS軟件：軟件： SuperMap，ArcGIS， System9，Small World、Geovision等。等

47、。GIS界面界面空間數據處理空間數據處理RDBMS空間空間數據庫數據庫擴充實體類型擴充實體類型（點、線、面等）（點、線、面等）q在開放型在開放型DBMS基礎上擴充空間數據表達功基礎上擴充空間數據表達功能，空間擴展完全包含在能，空間擴展完全包含在DBMS中。中。q解決了空間數據變長記錄的存儲問題，效率解決了空間數據變長記錄的存儲問題，效率較高。較高。qGIS軟件：軟件： SuperMap，ArcGIS， TIGRIS，Geo+、Geo Tropics等。等。GIS界面界面屬性數據屬性數據（定長記錄）（定長記錄）空間數據空間數據（變長記錄）（變長記錄）RDBMS空間空間數據庫數據庫關系表關系表二進

48、制塊二進制塊六、空間數據庫管理系統（六、空間數據庫管理系統（SDBMS）n文件文件關系型數據庫管理系統關系型數據庫管理系統n全關系型數據庫管理系統全關系型數據庫管理系統n對象對象關系型數據庫管理系統關系型數據庫管理系統 n純對象型數據庫管理系統純對象型數據庫管理系統1 1、文件和關系數據庫管理系統、文件和關系數據庫管理系統 文件和關系數據庫管理系統是在文件和關系數據庫管理系統是在2020世紀世紀8080年代的關系數據庫的出現的基礎上而產生的年代的關系數據庫的出現的基礎上而產生的空間數據管理模式。空間數據管理模式。 2020世紀世紀9090年代很多國內外年代很多國內外GISGIS軟件均采用這軟件

49、均采用這種空間數據管理模式，如種空間數據管理模式，如ArcInfoArcInfo、MapInfoMapInfo等。等。n基本結構圖基本結構圖GIS系統系統圖形用戶界面圖形用戶界面 屬性用戶界面屬性用戶界面圖形數據管理圖形數據管理DBMS圖形數據圖形數據文件文件屬性屬性數據庫數據庫IDn特點特點空間圖形數據和屬性數據分開存儲；空間圖形數據和屬性數據分開存儲；圖形數據用文件系統存儲，屬性數據用圖形數據用文件系統存儲，屬性數據用RDBMS存儲，用惟一存儲，用惟一的標識符或內部連接碼將屬性數據和圖形數據聯系起來，統一的標識符或內部連接碼將屬性數據和圖形數據聯系起來，統一管理。管理。在空間數據的組織上，

50、垂直方向分圖層管理，水平方向分圖在空間數據的組織上，垂直方向分圖層管理，水平方向分圖幅管理；幅管理；屬性數據和圖形數據分開存儲；屬性數據和圖形數據分開存儲；數據一致性維護困難，即數據一致性、完整性、安全性差，系數據一致性維護困難，即數據一致性、完整性、安全性差，系統查詢運算、模型操作運算速度慢。統查詢運算、模型操作運算速度慢。屬性數據和圖形數據分開存儲，數據分布和共享困難，對屬性數據和圖形數據分開存儲，數據分布和共享困難，對C/S、B/S網絡結構體系支持能力差，很難適應網絡環(huán)境下對數網絡結構體系支持能力差，很難適應網絡環(huán)境下對數據并發(fā)操作和一致性操作的要求。據并發(fā)操作和一致性操作的要求。這種管

51、理方式缺乏表示空間對象及其關系的能力，不能建立真正意義上的空間數據這種管理方式缺乏表示空間對象及其關系的能力，不能建立真正意義上的空間數據庫，隨著信息技術的發(fā)展，空間數據管理將不采用這種方式。庫，隨著信息技術的發(fā)展，空間數據管理將不采用這種方式。2、全關系型空間數據管理系統n全關系型空間數據管理系全關系型空間數據管理系統統：將非結構空間圖形數：將非結構空間圖形數據作為二進制對象，存儲據作為二進制對象，存儲在關系數據庫的二進制塊在關系數據庫的二進制塊中，將屬性數據存儲在數中，將屬性數據存儲在數據表的列中，由關系型數據表的列中，由關系型數據庫統一管理。據庫統一管理。 基本結構圖基本結構圖GIS系統

52、系統RDBMS+擴展部分擴展部分關系和屬性關系和屬性數據庫數據庫n特點特點對空間數據統一管理；對空間數據統一管理；將圖形數據存儲在二進制數據塊中；將圖形數據存儲在二進制數據塊中；描述空間關系涉及一系列關系連接運算，結構且費時；描述空間關系涉及一系列關系連接運算，結構且費時；實現空間實現空間SQL查詢要附加接口。查詢要附加接口。（此模式只適用功能簡（此模式只適用功能簡單的單的GIS）便于數據維護省去了大量圖形數據和屬性數據的連接操作，提高了查詢速度3、對象關系型空間數據庫管理系統n對象對象關系型空間數據庫管理系統：關系型空間數據庫管理系統：是是通用通用RDBMS的擴展的擴展，是，是在在RDBMS中增加空間數中增加空間數據管理專用模塊據管理專用模塊，定義了操縱點、線、面、，定義了操縱點、線、面、圓等空間對象的圓等空間對象的API函數，以解決空間數據函數，以解決空間數據的變長記錄的管理，使空間數據管理的效率的變長記錄的管理，使空間數據管理的效率明顯提高。明顯提高。n基本結構圖基本結構圖GIS應用系統應用系統空間數據空間數據屬性數據屬性數據專用空間數據專用空間數據管理層管理層+索引索引標準標準RDBMS空間數據空間數據管理模塊管理模塊n特點特點空間數據和屬性數據的聯結由空間數據管理?？臻g數據和屬性數據的聯結