空間概念和數據模型

空間概念和數據模型第一頁，共六十一頁，2022年，8月28日第2章空間概念和數據模型本章內容2.1空間信息模型2.2數據庫設計的三個步驟2.3趨勢：用空間概念擴展ER模型2.4趨勢：用UML構建面向對象數據模型2.5小結第二頁，共六十一頁，2022年，8月28日關鍵點本章講述空間數據庫概念設計有關的技術；空間概念、抽象、建模、數據模型、數據庫設計；場模型、對象模型。第三頁，共六十一頁，2022年，8月28日背景傳統(tǒng)數據庫主要關心商務和管理應用領域；重點是高效安全地處理大量相對簡單的事物；GIS，CAD以及工程等具有明確的空間和幾何成分的應用空間數據更為復雜，傳統(tǒng)數據庫不足以處理；空間數據庫的設計和實現由應用領域專家解決；傳統(tǒng)數據庫設計和實現由計算機專家解決。第四頁，共六十一頁，2022年，8月28日2.1空間信息模型現實世界

→（抽象）→

信息世界

→（轉化）→

數據世界（建立概念模型）

（建立數據模型）模型：對現實世界中的實體或對象的抽象或簡化，是對實體或現象中的重要構成及其相互關系的表達，能反映事物固有的特征或運動變化規(guī)律。數學模型：變量-公式數據模型：類別-關系什么是模型？第五頁，共六十一頁，2022年，8月28日空間資料和數據幾何測量數據取樣數據圖紙數據建模依賴于建模對象的直接、間接的資料和數據的分析

不同領域對同一對象有不同的模型空間建模第六頁，共六十一頁，2022年，8月28日空間信息模型一個州立公園的例子用連續(xù)變量分布表達空間現象-場模型用離散類別分布表達空間現象-對象模型第七頁，共六十一頁，2022年，8月28日州立公園（State-Park）的SDB例子森林（Forest）道路（Road）管理員（Manager）消防站（Fire-Station）設施（Facility）（野營地，辦公室）河流（River）第八頁，共六十一頁，2022年，8月28日森林的場模型觀點從函數的角度看，森林可建模成一個函數。定義域是森林占據的地理空間。值域是樹種的集合；空間二維坐標連續(xù)取值，空間（X,Y）上任何一點都對應一個函數值f(x,y)。考慮森林分布，按林分對空間區(qū)域作窮盡劃分。(0,4)(0,0)(0,2)(4,0)(2,0)橡樹冷杉松樹其他f(x,y)=“松樹”，0≤x≤2;2<y≤4“冷杉”，0≤x≤2;0<y≤2xy“橡樹”，2≤x≤4;0<y≤2“0”，2≤x≤4;2<y≤4第九頁，共六十一頁，2022年，8月28日場模型適合表達的空間現象物理參數溫度、氣壓、濕度、電磁場、流體環(huán)境參數化學污染分布、地表化學元素分布第十頁，共六十一頁，2022年，8月28日森林的對象模型考慮f值發(fā)生變化的地方，在明確規(guī)定樹種之間界限的情況下，可以得到多邊形的邊界。每個多邊形都有一個唯一的標識和樹種名稱。得到二維空間中的離散對象及其坐標。(0,4)(0,0)(0,2)(4,0)(2,0)橡樹冷杉松樹其他xy多邊形ID樹種邊界坐標FS1FS2FS3松樹冷杉橡樹[(0,2),(2,2),(2,4),(0,4)][(2,0),(4,0),(4,2),(2,2)][(0,2),(2,2),(2,4),(0,4)]第十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日對象模型適合表達的空間現象人工建筑物城市基礎設施，道路、房屋、公園自然對象河流、湖泊、熱帶氣旋、危險區(qū)域其他類別變量Network第十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日2.1.1場模型的結構和操作場模型的3個組成部分：空間框架:空間格網，（定義域：空間+自變量）場函數:fi:空間框架--〉屬性域（Ai）場操作：對單個或多個場函數值的操作場模型的空間操作疊加操作(局部操作)：給定位置的新場值取決于同一位置的多個輸入場值，（f+g）(x)=L(f(x),g(x))，常用于地圖綜合。聚焦操作：給定位置的新場值取決于該位置的一個假定小鄰域上的輸入值，例如高程場的梯度，溫度場梯度。帶操作（區(qū)域操作）：例如計算區(qū)域的面積、平均值等。第十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日2.1.2對象模型將空間信息抽象成明確的可標識的類別實體或事物，稱之為對象，并加以命名（名稱變量）。與場函數不同（數值變量）?？臻g對象的主要特點是它的屬性集，包括空間屬性和非空間屬性。第十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日場模型與對象模型的關系空間域上對象集合的某些屬性可以形成數據場；對場模型數據按照區(qū)間值分割或劃分可以形成空間對象。第十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日2.1.3空間對象模型中的數據類型屬性數據類型：整型，浮點型，日期型等基本空間數據類型：點、線、面、體1維2維3維第十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日OGC空間對象幾何體點面線空間參照系統(tǒng)幾何體集合多面多線多邊形線串2…*多點1…*1…*線線性環(huán)多個多邊形多個線串2…*1…*繼承構成聚合第十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日SDTS的空間數據類型（對象類型）第十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日SDTS對象第十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日OracleSpatial的空間對象第二十頁，共六十一頁，2022年，8月28日XML表示的空間對象<gml:PolygonsrsName="EPSG:7408"><gml:outerBoundaryIs><gml:LinearRing><gml:coordinates>0.0,0.030.0,50.060.0,100.070.0,50.0100.0,30.00.0,0.0</gml:coordinates></gml:LinearRing></gml:outerBoundaryIs></gml:Polygon><gml:boundedBy><gml:BoxsrsName="/gml/srs/epsg.xml#4326"><gml:coord><gml:X>0.0</gml:X><gml:Y>0.0</gml:Y></gml:coord><gml:coord><gml:X>100.0</gml:X><gml:Y>100.0</gml:Y></gml:coord></gml:Box></gml:boundedBy>第二十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日2.1.4空間對象的操作1）面向集合的操作并(Union)交(Intersection)包含屬于第二十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日2）面向拓撲的操作找出所有與給定對象存在拓撲關系R的對象。對象A和B之間存在什么樣的拓撲關系R？空間對象的拓撲關系類型Point-Surface;Curve-Surface;Surface-Surface例子：地塊與危險棄物場規(guī)劃帶或線與洪泛區(qū)第二十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日平面上二元拓撲關系

基于以下的相交情況：A的內部A°，邊界?A以及外部AˉB的內部B，邊界?B以及外部Bˉ九交矩陣交為空集：用0表示交為非空集：1第二十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日兩個空間對象的拓撲關系第二十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日表2-1拓撲操作舉例拓撲操作Endpoint(point,arc)點是弧的端點Simple-nonself-intersection(arc)非自交的弧On-boundary(point,region)溫哥華在加拿大和美國的邊界上Inside(point,region)明尼阿波利斯市在明尼蘇達州內Outside(point,region)麥迪遜市在明尼蘇達州之外Open(region)加拿大的內部是個開域（不包括其邊界）Close(region)Carleton郡是個閉域（包括其邊界）Connected(region)瑞士是個連通域（對于區(qū)域上的任兩點，都有完全內含在該區(qū)域上的路徑將這兩點連接起來），而日本不是連通域Inside(point,loop)點在環(huán)中Crosses(arc,region)路（?。┐┻^森林（區(qū)域）Touches(region,region)明尼蘇達州（區(qū)域）是威斯康星州（區(qū)域）的鄰州Overlap(region,region)土地覆蓋（區(qū)域）和土地利用（區(qū)域）相重疊第二十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日空間對象的其他操作方位操作度量空間操作非拓撲操作Euclidean-distance(point,point）兩點間的距離Direction(point,point)麥迪遜市在明尼阿波利斯市的東面Length(arc)單位向量的長度是1個單位Perimeter(area)單位正方形的周長是4個單位Area(region)單位正方形的面積是1個平方單位第二十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日2.1.5動態(tài)空間操作靜態(tài)操作中操作對象不受操作的影響。動態(tài)操作改變它所作用的對象。三種基本的動態(tài)操作：創(chuàng)建Create銷毀Destroy更新Update第二十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日將空間對象映射到JAVA找出Maple野營地周圍方圓10公里內的旅游公司。Facility類Importjava.lang.*Importjava.io.*Importutil.*publicclassFacility{protectedStringname;protectedStringtype;protectedpointlocation;第二十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日將空間對象映射到JAVApublicFacility(Stringname,Stringtype,Pointlocation){=name;this.type=type;this.location=location;}publicbolleanwithinDistance(Facilityf,doubled){if(this.location.distance(f.location)<d)returntrue;elsereturnfalse;}}第三十頁，共六十一頁，2022年，8月28日2.2數據庫設計的三個步驟概念模型設計（E-R）邏輯模型設計：與概念數據模型在商用DBMS上的具體設計實現（關系模型、層次模型、網狀模型）有關。關系模型設計：關系表，屬性，關系模式，邏輯一致性。關系查詢語言SQL與關系代數（詳細在第三章講）。關系數據模型（關系代數）并不能滿足空間數據的建模要求；GIS與關系數據庫之間還存在相當大的語義鴻溝。目前還沒有廣為接受的地理信息數學模型，地圖代數并不成熟。ArcGIS的Geodatabase提供了空間實體及其關系的要素-對象-關系模型，但不支持SQL查詢操作。

物理模型設計：空間存儲、索引(第4章)。第三十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日E-R模型（概念模型）實體和屬性現實世界被劃分為一個個實體（Entity），或對象；例如州立公園中的：河流、森林、設施實體由屬性（Attributes）來描述其性質，唯一標識實體的屬性或屬性集稱為碼（Key）。屬性包括名稱和類型：類別、比例、數值（場）。屬性的單值和多值：例如森林的空間多值屬性（包括多個多邊形）聯系實體間關系通過聯系來關聯表達；第三十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日二元聯系一對一聯系（1:1）管理者與森林多對一聯系（M:1）設施與森林多對多聯系（M:N）河流與設施基數（Cardinality）第三十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日實體及其屬性RiverNameLengthLineIDDischargeQualityFacilityNameLengthLineID第三十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日實體的聯系RiverNameLengthLineIDDischargeQualityFacilityNameLengthLineIDSupplies_water_toNMVolume第三十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日E-R圖州立公園例子的ER圖７個實體屬性８個聯系第三十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日邏輯設計：關系模型1970年CODD提出，最流行的邏輯數據模型；表稱為一個關系（Relation），列稱為屬性(Attribute)；元組（或行）對應關系實例；屬性的取值范圍稱為域：整型、浮點型、字符型、日期型。不支持自定義類型和幾何類型。第三十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日關系模型中的約束邏輯一致性要求，維護某些約束：碼約束：每個關系必須有一個主碼（primaryKey）實體完整性：主碼不能取空值參照完整性：外碼（foreignkey）的屬性值要么是另一個關系的主碼值，要么為空值。第三十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日將ER模型映射到關系模型通常有５個基本步驟：（由CASE工具生成的ER圖可以轉化成關系模式：ERwin;OracleDesigner;RationalRose.）將每個實體映射成一個獨立的關系；1：1的聯系，將任一實體的碼屬性作為其他關系的外碼；M:1的聯系，“1”側關系的主碼作為“M”側關系的外碼。M:N的聯系，每個M:N聯系被映射成一個新的關系，關系的名稱就是聯系的名稱，關系的主碼由參與實體的主碼對組成。對于多值屬性，創(chuàng)建一個有兩列的新關系：一列為擁有該多值屬性的實體的碼，另一列為該多值屬性。第三十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日州立公園的例子：M:N聯系映射為新表Supplies_Water-To是Facility實體和River實體之間的一個M:N聯系，河流和設施的名字組成主碼，Volume為新表的一個屬性。Supplies_Water-ToFacName

RivNameVolume(varchar)(varchar)(Real)第四十頁，共六十一頁，2022年，8月28日州立公園的例子：多值屬性Forest-Stand有一個多值屬性Polygonid。創(chuàng)建一個有兩列的新關系：一列為擁有該多值屬性的實體的碼，另一列為該多值屬性StandId(Integer)(Integer)

Forest-Standard-GeomPolygonid第四十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日E-R圖州立公園例子的ER圖７個實體屬性８個聯系第四十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日州立公園中森林林份的關系模式Forest-StandStand-idSpeciesForest-name(Integer)(varchar)(varchar)Forest-Stand-GeomStand-id

Polygonid(Integer)(Integer)M:1的聯系，“1”側關系的主碼作為“M”側關系的外碼。第四十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日州立公園中實體和聯系的關系數據庫模式

規(guī)則：

（1）實體關系表

（2）M:N聯系關系表

（3）多值的幾何屬性關系表

第四十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日空間表在關系數據庫模型中，ER圖中實體的空間屬性必須用特殊的方式處理：空間屬性被表示為新的關系：Pointid(Integer)Latitude(Real)Longitude(Real)PointPolygonid(Integer)Seq-no(Integer)Pointid(Integer)PolygonLineid(Integer)Seq-no(Integer)Pointid(Integer)Line第四十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日2.3用空間概念擴展ER模型用形象圖擴展ER模型增加空間實體的語義（Point,Line,Polygon）增加空間關系（拓撲關系，Part-of關系）用類似于BNF（Bachus-Naurform巴克斯-諾爾范式）來表達空間擴展。第四十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日BNF表示的實體象形圖<象形圖><形狀><*><！>（1）象形圖任意可能的形狀用戶定義形狀基本形狀復合形狀導出形狀備選形狀第四十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日BNF表示的實體象形圖<形狀><基本形狀>（2）形狀<復合形狀><導出形狀><備選形狀>第四十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日BNF表示的實體象形圖<形狀>（３）基本形狀有哪些？第四十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日BNF表示的實體象形圖<形狀>（３）基本形狀點線面第五十頁，共六十一頁，2022年，8月28日BNF表示的實體象形圖（４）復合形狀（５）導出形狀（６）備選形狀（７）任意形狀（８）自定義形狀第五十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日BNF表示的聯系象形圖Part-of第五十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日用空間概念擴展ER模型<基本形狀>●/〗基本形狀的語法●點/線〗面基本形狀的象形圖第五十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日2.4趨勢：用UML構建面向對象數據模型面向對象語言促進了OODBMS的發(fā)展；UML是用于面向對象軟件設計的概念建模標準之一；包括：類屬性關系方法第五十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日類、屬性和關系類：應用中所有具有相同性質的對象的抽象和封裝。屬性：描述類和對象的特征。+公有的屬性：屬性可以被任何類訪問和操作；-私有的屬性：只有屬性所在的類才能訪問這個屬性；#受保護屬性：從父類派生的類可以訪問該屬性。關系聚合（aggregation）:描述部分－整體關系泛化（generalization）:描述一般-特殊關系關聯（association）:描述不同類對象的對等關系。方法函數，類定義的一部分，用來修改類的行為或狀態(tài)。第五十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日UML例子Supplies_Water_To#VolumeRiver#Name#Length+GetName()Facility#Name+GetName()Supplies_water_toForest#Name#Geometry+GetName()Belongs_to**1..*1第五十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日ER與UML的比較ERUML實體（Entity）關系（Relationship）屬性（Attributes）碼屬性角色（Roles）綜合與特化（Generalization&Specialization）類（Class）關聯（Association）屬性（Attri