空間概念和數(shù)據(jù)模型

空間概念和數(shù)據(jù)模型第1頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第2章空間概念和數(shù)據(jù)模型本章內(nèi)容2.1空間信息模型2.2數(shù)據(jù)庫設(shè)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(gòu)建面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型2.5小結(jié)第2頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)鍵點本章講述空間數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計有關(guān)的技術(shù)；空間概念、抽象、建模、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)庫設(shè)計；場模型、對象模型。第3頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月背景傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要關(guān)心商務(wù)和管理應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用空間數(shù)據(jù)更為復(fù)雜，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫不足以處理；空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和實現(xiàn)由應(yīng)用領(lǐng)域?qū)＜医鉀Q；傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計和實現(xiàn)由計算機專家解決。第4頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1空間信息模型現(xiàn)實世界

→（抽象）→

信息世界

→（轉(zhuǎn)化）→

數(shù)據(jù)世界（建立概念模型）

（建立數(shù)據(jù)模型）模型：對現(xiàn)實世界中的實體或?qū)ο蟮某橄蠡蚝喕?，是對實體或現(xiàn)象中的重要構(gòu)成及其相互關(guān)系的表達(dá)，能反映事物固有的特征或運動變化規(guī)律。數(shù)學(xué)模型：變量-公式數(shù)據(jù)模型：類別-關(guān)系什么是模型？第5頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月空間資料和數(shù)據(jù)幾何測量數(shù)據(jù)取樣數(shù)據(jù)圖紙數(shù)據(jù)建模依賴于建模對象的直接、間接的資料和數(shù)據(jù)的分析

不同領(lǐng)域?qū)ν粚ο笥胁煌哪Ｐ涂臻g建模第6頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月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(dá)空間現(xiàn)象-場模型用離散類別分布表達(dá)空間現(xiàn)象-對象模型第7頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月州立公園（State-Park）的SDB例子森林（Forest）道路（Road）管理員（Manager）消防站（Fire-Station）設(shè)施（Facility）（野營地，辦公室）河流（River）第8頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月森林的場模型觀點從函數(shù)的角度看，森林可建模成一個函數(shù)。定義域是森林占據(jù)的地理空間。值域是樹種的集合；空間二維坐標(biāo)連續(xù)取值，空間（X,Y）上任何一點都對應(yīng)一個函數(shù)值f(x,y)?？紤]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9頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月場模型適合表達(dá)的空間現(xiàn)象物理參數(shù)溫度、氣壓、濕度、電磁場、流體環(huán)境參數(shù)化學(xué)污染分布、地表化學(xué)元素分布第10頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月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(biāo)識和樹種名稱。得到二維空間中的離散對象及其坐標(biāo)。(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(biāo)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11頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月對象模型適合表達(dá)的空間現(xiàn)象人工建筑物城市基礎(chǔ)設(shè)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12頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.1場模型的結(jié)構(gòu)和操作場模型的3個組成部分：空間框架:空間格網(wǎng)，（定義域：空間+自變量）場函數(shù):fi:空間框架--〉屬性域（Ai）場操作：對單個或多個場函數(shù)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13頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2對象模型將空間信息抽象成明確的可標(biāo)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(shù)不同（數(shù)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14頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月場模型與對象模型的關(guān)系空間域上對象集合的某些屬性可以形成數(shù)據(jù)場；對場模型數(shù)據(jù)按照區(qū)間值分割或劃分可以形成空間對象。第15頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.3空間對象模型中的數(shù)據(jù)類型屬性數(shù)據(jù)類型：整型，浮點型，日期型等基本空間數(shù)據(jù)類型：點、線、面、體1維2維3維第16頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月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(gòu)成聚合第17頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月SDTS的空間數(shù)據(jù)類型（對象類型）第18頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月SDTS對象第19頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月OracleSpatial的空間對象第20頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月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21頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月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22頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月2）面向拓?fù)涞牟僮髡页鏊信c給定對象存在拓?fù)潢P(guān)系R的對象。對象A和B之間存在什么樣的拓?fù)潢P(guān)系R？空間對象的拓?fù)潢P(guān)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23頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月平面上二元拓?fù)潢P(guān)系

基于以下的相交情況：A的內(nèi)部A°，邊界?A以及外部AˉB的內(nèi)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24頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月兩個空間對象的拓?fù)潢P(guān)系第25頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月表2-1拓?fù)洳僮髋e例拓?fù)洳僮鱁ndpoint(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(dá)州內(nèi)Outside(point,region)麥迪遜市在明尼蘇達(dá)州之外Open(region)加拿大的內(nèi)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(nèi)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（弧）穿過森林（區(qū)域）Touches(region,region)明尼蘇達(dá)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26頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月空間對象的其他操作方位操作度量空間操作非拓?fù)洳僮鱁uclidean-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27頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月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28頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月將空間對象映射到JAVA找出Maple野營地周圍方圓10公里內(nèi)的旅游公司。Facility類Importjava.lang.*Importjava.io.*Importutil.*publicclassFacility{protectedStringname;protectedStringtype;protectedpointlocation;第29頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月將空間對象映射到JAVApublicFacility(Stringname,Stringtype,Pointlocation){=name;this.type=type;this.location=location;}publicbolleanwithinDistance(Facilityf,doubled){if(this.location.distance(f.location)<d)returntrue;elsereturnfalse;}}第30頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計的三個步驟概念模型設(shè)計（E-R）邏輯模型設(shè)計：與概念數(shù)據(jù)模型在商用DBMS上的具體設(shè)計實現(xiàn)（關(guān)系模型、層次模型、網(wǎng)狀模型）有關(guān)。關(guān)系模型設(shè)計：關(guān)系表，屬性，關(guān)系模式，邏輯一致性。關(guān)系查詢語言SQL與關(guān)系代數(shù)（詳細(xì)在第三章講）。關(guān)系數(shù)據(jù)模型（關(guān)系代數(shù)）并不能滿足空間數(shù)據(jù)的建模要求；GIS與關(guān)系數(shù)據(jù)庫之間還存在相當(dāng)大的語義鴻溝。目前還沒有廣為接受的地理信息數(shù)學(xué)模型，地圖代數(shù)并不成熟。ArcGIS的Geodatabase提供了空間實體及其關(guān)系的要素-對象-關(guān)系模型，但不支持SQL查詢操作。

物理模型設(shè)計：空間存儲、索引(第4章)。第31頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月E-R模型（概念模型）實體和屬性現(xiàn)實世界被劃分為一個個實體（Entity），或?qū)ο螅焕缰萘⒐珗@中的：河流、森林、設(shè)施實體由屬性（Attributes）來描述其性質(zhì)，唯一標(biāo)識實體的屬性或?qū)傩约Q為碼（Key）。屬性包括名稱和類型：類別、比例、數(shù)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(lián)系實體間關(guān)系通過聯(lián)系來關(guān)聯(lián)表達(dá)；第32頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月二元聯(lián)系一對一聯(lián)系（1:1）管理者與森林多對一聯(lián)系（M:1）設(shè)施與森林多對多聯(lián)系（M:N）河流與設(shè)施基數(shù)（Cardinality）第33頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實體及其屬性RiverNameLengthLineIDDischargeQualityFacilityNameLengthLineID第34頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實體的聯(lián)系RiverNameLengthLineIDDischargeQualityFacilityNameLengthLineIDSupplies_water_toNMVolume第35頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月E-R圖州立公園例子的ER圖７個實體屬性８個聯(lián)系第36頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月邏輯設(shè)計：關(guān)系模型1970年CODD提出，最流行的邏輯數(shù)據(jù)模型；表稱為一個關(guān)系（Relation），列稱為屬性(Attribute)；元組（或行）對應(yīng)關(guān)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37頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)系模型中的約束邏輯一致性要求，維護(hù)某些約束：碼約束：每個關(guān)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(guān)系的主碼值，要么為空值。第38頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月將ER模型映射到關(guān)系模型通常有５個基本步驟：（由CASE工具生成的ER圖可以轉(zhuǎn)化成關(guān)系模式：ERwin;OracleDesigner;RationalRose.）將每個實體映射成一個獨立的關(guān)系；1：1的聯(lián)系，將任一實體的碼屬性作為其他關(guān)系的外碼；M:1的聯(lián)系，“1”側(cè)關(guān)系的主碼作為“M”側(cè)關(guān)系的外碼。M:N的聯(lián)系，每個M:N聯(lián)系被映射成一個新的關(guān)系，關(guān)系的名稱就是聯(lián)系的名稱，關(guān)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(guān)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39頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月州立公園的例子：M:N聯(lián)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(lián)系，河流和設(shè)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40頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月州立公園的例子：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(guān)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41頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月E-R圖州立公園例子的ER圖７個實體屬性８個聯(lián)系第42頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月州立公園中森林林份的關(guān)系模式Forest-StandStand-idSpeciesForest-name(Integer)(varchar)(varchar)Forest-Stand-GeomStand-id

Polygonid(Integer)(Integer)M:1的聯(lián)系，“1”側(cè)關(guān)系的主碼作為“M”側(cè)關(guān)系的外碼。第43頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月州立公園中實體和聯(lián)系的關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式

規(guī)則：

（1）實體關(guān)系表

（2）M:N聯(lián)系關(guān)系表

（3）多值的幾何屬性關(guān)系表

第44頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月空間表在關(guān)系數(shù)據(jù)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(guān)系：Pointid(Integer)Latitude(Real)Longitude(Real)PointPolygonid(Integer)Seq-no(Integer)Pointid(Integer)PolygonLineid(Integer)Seq-no(Integer)Pointid(Integer)Line第45頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月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(guān)系（拓?fù)潢P(guān)系，Part-of關(guān)系）用類似于BNF（Bachus-Naurform巴克斯-諾爾范式）來表達(dá)空間擴展。第46頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月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(fù)合形狀導(dǎo)出形狀備選形狀第47頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月BNF表示的實體象形圖<形狀><基本形狀>（2）形狀<復(fù)合形狀><導(dǎo)出形狀><備選形狀>第48頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月BNF表示的實體象形圖<形狀>（３）基本形狀有哪些？第49頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月BNF表示的實體象形圖<形狀>（３）基本形狀點線面第50頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月BNF表示的實體象形圖（４）復(fù)合形狀（５）導(dǎo)出形狀（６）備選形狀（７）任意形狀（８）自定義形狀第51頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月BNF表示的聯(lián)系象形圖Part-of第52頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月用空間概念擴展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53頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4趨勢：用UML構(gòu)建面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型面向?qū)ο笳Z言促進(jìn)了OODBMS的發(fā)展；UML是用于面向?qū)ο筌浖O(shè)計的概念建模標(biāo)準(zhǔn)之一；包括：類屬性關(guān)系方法第54頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月類、屬性和關(guān)系類：應(yīng)用中所有具有相同性質(zhì)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(hù)屬性：從父類派生的類可以訪問該屬性。關(guān)系聚合（aggregation）:描述部分－整體關(guān)系泛化（generalization）:描述一般-特殊關(guān)系關(guān)聯(lián)（association）:描述不同類對象的對等關(guān)系。方法函數(shù)，類定義的一部分，用來修改類的行為或狀態(tài)。第55頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月UML例子Supplies_Water_To#VolumeRiver#Name#Length+GetName()Facility#Name+GetName()Supplies_water_toForest#Name#Geometry+GetName()Belongs_to**1..*1第56頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月ER與UML的比較ERUML實體（Entity）關(guān)系（Relationship）屬性（Attributes）碼屬性角色（Roles）綜合與特化（Generalization&Specialization）類（Class）關(guān)聯(lián)（Association）屬性（Attri