空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫規(guī)劃設(shè)計方案

空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫規(guī)劃設(shè)計方案空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫第1節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述第2節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型第3節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型第4節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫邏輯模型設(shè)計和物理設(shè)計第5節(jié)GIS空間時態(tài)數(shù)據(jù)庫主要內(nèi)容第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述1.數(shù)據(jù)庫的相關(guān)概念①數(shù)據(jù)庫：是指長期儲存在計算機內(nèi)有結(jié)構(gòu)的、大量的、可共享的數(shù)據(jù)集合。②數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：是位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一層數(shù)據(jù)管理軟件；他的功能包括：數(shù)據(jù)定義，數(shù)據(jù)操作，數(shù)據(jù)庫的運行管理，數(shù)據(jù)庫的建立和維護。③數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：指在計算機系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫后的系統(tǒng)，它由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及其開發(fā)工具、應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理員和用戶構(gòu)成。④數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理員：負責(zé)數(shù)據(jù)庫的建立、使用和維護的專門人員。一、空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫的概念第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述2.空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫的相關(guān)概念空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫：是地理信息系統(tǒng)在計算機物理存儲介質(zhì)存儲的與應(yīng)用相關(guān)的地理空間數(shù)據(jù)的總合，以一系列特定結(jié)構(gòu)的文件形式組織后存儲在介質(zhì)上。空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫（系統(tǒng)）組成：空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫：是地理信息系統(tǒng)在計算機物理存儲介質(zhì)存儲的與應(yīng)用相關(guān)的地理空間數(shù)據(jù)的總合，一般是以一系列特定結(jié)構(gòu)的文件形式組織后存儲在介質(zhì)上?？臻g數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：是指能夠?qū)ξ锢斫橘|(zhì)上存儲的地理空間數(shù)據(jù)進行語義和邏輯上的定義，提供必需的空間數(shù)據(jù)查詢檢索和存取功能，以及能夠?qū)臻g數(shù)據(jù)進行有效的維護和更新的一套軟件。數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)：應(yīng)用模塊。第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)擴展：直接對常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行擴展，加入一定數(shù)量的空間數(shù)據(jù)存儲與管理功能。例如：Oracle空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫引擎（SDE:SpatialDatabaseEngine）：在常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)上加一層空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫引擎，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的存儲與管理。例如：ESRI的SDE3、空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的實現(xiàn)方法空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是建立在常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的管理功能。第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述轉(zhuǎn)換現(xiàn)實世界人類的認識、抽象機器世界DBMS支持的數(shù)據(jù)模型現(xiàn)實世界中客觀實體的抽象過程信息世界的概念模型1.空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫的設(shè)計過程這一過程一般需要兩步①人類對客體的認識、抽象，建立概念模型。②將概念模型轉(zhuǎn)換為計算機能夠接受的形式，即數(shù)據(jù)模型。就是將地理空間客體按一定的組織形式，在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中加以表達的過程。二、空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫的設(shè)計第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述地理空間是一個三維空間，有四個基本實體點實體線實體面實體體實體地理空間的認知①地理空間實體（客體）第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述②地理空間實體間的聯(lián)系空間聯(lián)系屬性聯(lián)系時間聯(lián)系空間位置，空間分布，空間形態(tài)、空間相關(guān)等空間信息反映了空間分析所能揭示的信息，彼此互有聯(lián)系通過實體變化過程來反映。實體間的屬性主要體現(xiàn)為屬性多級分類體系中的從屬關(guān)系、聚類關(guān)系和相關(guān)關(guān)系第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述能夠?qū)臻g數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理幫助用戶查詢、檢索、增加刪除和修改數(shù)據(jù)保障空間數(shù)據(jù)的獨立性、完整性、和安全性2.空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型設(shè)計數(shù)據(jù)模型建立的目的揭示空間實體的本質(zhì)特征，并對其進行抽象化，使之轉(zhuǎn)化為計算機能夠接受和處理的數(shù)據(jù)形式。第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述

實際上是現(xiàn)實世界到機器世界的一個中間層。概念模型用于信息世界的建模，是現(xiàn)實世界到信息世界的第一層抽象，是設(shè)計人員的有力工具。（1）概念模型概念結(jié)構(gòu)設(shè)計過程用戶需求需求分析抽象信息結(jié)構(gòu)概念模型概念結(jié)構(gòu)能夠真實、處分的反映現(xiàn)實世界易于理解用戶與設(shè)計人員易于更改需求改變模型改變易于轉(zhuǎn)換關(guān)系、網(wǎng)狀、層次特點E-R圖第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述(1)實體(Entity)：客觀存在并可相互區(qū)別的事物(2)屬性(Attribute)：實體所具有的某一特性(3)碼(Key)：唯一標識實體的屬性集(4)域(Domain)：屬性的取值范圍(5)實體型(EntityType)：具有相同屬性的實體必然有共同的特征和性質(zhì)(6)實體集(EntitySet)：同型實體的集合(7)聯(lián)系(Relationship)：不同實體集之間的聯(lián)系信息世界中的基本概念第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述①一對一聯(lián)系(1:1)②一對多聯(lián)系(1:n)。③多對多聯(lián)系(m:n)注意：E-R圖僅僅是對現(xiàn)實世界描述的一種工具，僅能建立概念模型(信息模型)，不能在計算機上直接實現(xiàn)。兩個實體之間的聯(lián)系可分為以下三類第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述層次模型網(wǎng)狀模型關(guān)系模型面向?qū)ο竽Ｐ停?）數(shù)據(jù)模型常用數(shù)據(jù)模型種類第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述設(shè)計原則：

①盡量減少空間數(shù)據(jù)存儲冗余；②提供穩(wěn)定的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在用戶的需要改變時，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠做出相應(yīng)的變化；③滿足用戶對空間數(shù)據(jù)及時訪問的需求，高效提供用戶所需的空間數(shù)據(jù)查詢結(jié)果；④在空間元素間維持復(fù)雜的聯(lián)系，反映空間數(shù)據(jù)的復(fù)雜性；⑤支持多種決策需要，具有較強的應(yīng)用適應(yīng)性。3.空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫設(shè)計的原則、步驟和技術(shù)方法第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述第一步需求分析第二步概念設(shè)計第三步邏輯設(shè)計第四步物理設(shè)計 第五步數(shù)據(jù)庫的實施和維護設(shè)計步驟第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述明白即將開發(fā)的GIS所支持的各種功能；了解系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)內(nèi)容和行為；了解數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和優(yōu)先次序，這些信息有利于制定數(shù)據(jù)庫的開發(fā)實施計劃。了解數(shù)據(jù)庫和GIS的整體要求和藍圖?，F(xiàn)狀調(diào)查調(diào)查內(nèi)容的組織的分析第一步用戶需求分析GIS數(shù)據(jù)庫開發(fā)應(yīng)該主要了解下面的內(nèi)容用戶需求分析方法：第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述用戶需求分析過程現(xiàn)狀調(diào)查：通過實際調(diào)查了解用戶的現(xiàn)狀及要求調(diào)查內(nèi)容的組織的分析：對調(diào)查的結(jié)果進行整理、分析和組織，并提交報告及圖件。包括：現(xiàn)有機構(gòu)的組織結(jié)構(gòu)圖軟件、硬件資源表專業(yè)人員清單部門功能清單數(shù)據(jù)來源清單第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述把用戶的需求加以解釋，用概念模型表達出來，具體任務(wù)包括：1)數(shù)據(jù)庫的宏觀定義指對數(shù)據(jù)庫比例尺、地圖投影和坐標系統(tǒng)的定義。2)數(shù)據(jù)庫的特征設(shè)計對于各種地理特征有關(guān)的屬性數(shù)據(jù)中以什么幾何形式表達進行設(shè)計。3)數(shù)據(jù)庫表格及其關(guān)系的設(shè)計表達對與地理特征有關(guān)的屬性數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中表達方式的設(shè)計。第二步概念化設(shè)計第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述4）數(shù)據(jù)庫總體設(shè)計的評定根據(jù)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用目的和數(shù)據(jù)內(nèi)容及使用方式來評價前面三步的設(shè)計結(jié)果。5）數(shù)據(jù)庫概念模型的起草將GIS數(shù)據(jù)庫的概念設(shè)計起草成正式的文件，作為后面詳細設(shè)計時參考。第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述第三步邏輯設(shè)計邏輯設(shè)計應(yīng)該選擇最適于描述與表達相應(yīng)概念結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型，然后選擇最合適的空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)時一般要分三步進行：①將概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為一般的關(guān)系、網(wǎng)狀、層次模型②將轉(zhuǎn)化來的關(guān)系、網(wǎng)狀、層次模型向特定空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)支持下的數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換。③對數(shù)據(jù)模型進行優(yōu)化。第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計特點設(shè)計人員必須充分了解所用DBMS的內(nèi)部特征，特別是存儲結(jié)構(gòu)和存取方法；充分了解應(yīng)用環(huán)境，特別是應(yīng)用的處理頻率和響應(yīng)時間要求；充分了解外存設(shè)備的特性。第四步物理設(shè)計數(shù)據(jù)庫最終是要存儲在物理設(shè)備上的。為一個給定的邏輯數(shù)據(jù)模型選取一個最適合應(yīng)用環(huán)境的物理結(jié)構(gòu)（存儲結(jié)構(gòu)與存取方法）的過程，就是數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計。第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述根據(jù)邏輯設(shè)計和物理設(shè)計的結(jié)果，在計算機上建立實際的空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，裝入空間數(shù)據(jù)，并調(diào)試和運行。建立實際的空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)裝入試驗性的空間數(shù)據(jù)對應(yīng)用程序進行測試，以確認其功能和性能是否滿足設(shè)計要求裝入實際的空間數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)庫加載，建立起實際運行的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫試運行1、數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)三、空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫的實施和維護第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述2、相關(guān)的其它設(shè)計在數(shù)據(jù)庫試運行期間，應(yīng)進一步完善數(shù)據(jù)庫的功能和性能。（1）空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫再組織：調(diào)整或者改變空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫的概念、邏輯和物理結(jié)構(gòu)的。（2）安全性考慮：規(guī)定相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫使用權(quán)限，保證數(shù)據(jù)庫的安全運行。主要方法是授權(quán)。（3）故障恢復(fù)處理：數(shù)據(jù)庫恢復(fù)就是把數(shù)據(jù)庫從錯誤狀態(tài)恢復(fù)到某一已知的正確狀態(tài)（亦稱為一致狀態(tài)或完整狀態(tài)）的功能。（4）事務(wù)控制：事務(wù)控制的目的就是保證多用戶環(huán)境下的數(shù)據(jù)庫的完整性和一致性。第一節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述(1)維護空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫的安全性和完整性：需要及時調(diào)整授權(quán)和密碼，轉(zhuǎn)儲及恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(2)監(jiān)測并改善數(shù)據(jù)庫性能：分析評估存儲空間和響應(yīng)時間。(3)增加新功能：按用戶的需要及時擴充功能，滿足用戶的新需要。(4)修改錯誤：包括程序和數(shù)據(jù)。3、空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫的運行與維護第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型一、層次數(shù)據(jù)模型有且只有一個結(jié)點沒有雙親結(jié)點，這個結(jié)點稱為根結(jié)點根以外的其它結(jié)點有且只有一個雙親結(jié)點同一雙親的子女結(jié)點稱為兄弟結(jié)點，沒有子女結(jié)點的結(jié)點稱為葉結(jié)點。

層次模型是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中最早出現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型，層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用層次模型作為數(shù)據(jù)的組織方式，用樹形結(jié)構(gòu)來表示各類實體以及實體間的聯(lián)系。如行政機構(gòu)，家族關(guān)系等。(1)層次模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型R1R3R2R4R5兄弟結(jié)點兄弟結(jié)點根結(jié)點葉結(jié)點葉結(jié)點一個層次模型的示例葉結(jié)點在右圖的例子中，R1根結(jié)點，R2和R3為兄弟結(jié)點，是R1的子女結(jié)點；R4和R5為兄弟結(jié)點，是R2的子女結(jié)點；R3，R4，R4，是葉結(jié)點。第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型Coverage記錄polygons記錄arcs記錄nodes記錄coordinates記錄多邊形層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型(2)層次模型的數(shù)據(jù)存儲

層次數(shù)據(jù)庫中不僅要存儲數(shù)據(jù)本身，還要存儲數(shù)據(jù)之間的層次關(guān)系，應(yīng)將兩者的存儲結(jié)合在一起。

數(shù)據(jù)存儲方法包括：鄰接法（樹遍歷法）和通用選擇法第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型A1B1B4B6C3C7C14C2C5C9C4C6C8A1C14B1C3C5C7B4C2C9B6C4C6C8...鄰接法層次數(shù)據(jù)庫及其實例鄰接法（樹遍歷法）按照層次樹前序穿越的順序，把所有記錄值依次鄰接存放，即通過物理空間的位置相鄰來體現(xiàn)（或隱含）層次順序。數(shù)據(jù)檢索首先搜索雙親結(jié)點，然后搜索其子女結(jié)點。第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型通用選擇法通用選擇法不依賴于客體在樹狀結(jié)構(gòu)中的順序，而是根據(jù)所確定的選擇條件，在結(jié)構(gòu)中選擇某特定的客體。DRAWcoordinatesWHEREarcs=‘a(chǎn)rc1’例如：從數(shù)據(jù)庫中提取弧段arc1的坐標并顯示第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型二、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型

在現(xiàn)實世界中客體的聯(lián)系更多的是非層次關(guān)系的，用層次模型表示非樹形結(jié)構(gòu)是很不直接的，網(wǎng)絡(luò)模型可以克服這一弊病。在數(shù)據(jù)庫中，把滿足以下兩個條件的基本層次聯(lián)系集合稱為網(wǎng)狀模型：允許一個以上的結(jié)點無雙親：一個結(jié)點可以有多于一個的雙親。網(wǎng)狀模型可以更直接地去描述現(xiàn)實世界，而層次模型實際上是網(wǎng)狀模型的一個特例第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型網(wǎng)狀模型示例L1L5L3L4L1L2L1L2R1R2R3R1R2R3R5R4R1R2L2網(wǎng)狀模型的例子(a)(b)(c)右圖（a）中，R3有兩個雙親記錄R1和R2把R1和R2之間的聯(lián)系命名為L1，把R2與R3的聯(lián)系命名為L2第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型網(wǎng)狀模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵是如何實現(xiàn)記錄之間的聯(lián)系。常用的方法是鏈接法，包括單向鏈接、雙向鏈接、向首鏈接等，此外還有其它實現(xiàn)方法，如引元陣列法、二進制陣列法、索引法等依據(jù)具體系統(tǒng)不同而不同。網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫實例第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型三、關(guān)系數(shù)據(jù)模型1、關(guān)系模型的基本概念(1)關(guān)系關(guān)系是一個二維表，表的每行對應(yīng)一個元組，表的每列對應(yīng)一個域。元組域表的每行對應(yīng)一個元組域是一組具有相同數(shù)據(jù)類型的值的集合屬性：每列起一個名字，如XTIC第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型基本關(guān)系通常可稱為基本表或基表，它是實際存儲數(shù)據(jù)的邏輯表示。查詢表是查詢結(jié)果對應(yīng)的表視圖表是由基本表或其它視圖表導(dǎo)出的表，是虛表，不對應(yīng)實際存儲的數(shù)據(jù)。（2）關(guān)系的類型第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型

關(guān)系中某一屬性組，若它的值能唯一地標識一個元組，則稱該屬性組為候選關(guān)鍵字。關(guān)鍵字（3）關(guān)鍵字主關(guān)鍵字：若一個關(guān)系有多個候選碼，則選定其中一個為主關(guān)鍵字。主屬性：主關(guān)鍵字的諸屬性稱為主屬性。非碼屬性：不包含在任何候選關(guān)鍵字中的屬性稱為非碼屬性。第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型一個關(guān)系需要描述的方面：①關(guān)系是元組的集合，因此關(guān)系模式必須指出這個元組集合的結(jié)構(gòu)，即它由哪些屬性構(gòu)成，屬性來自哪個域，以及屬性與域的映象關(guān)系。②一個關(guān)系通常是由賦予它的元組語義來確定的。元組語義實質(zhì)上是一個n目謂詞。凡是符合元組語義的那部分元素的全體就構(gòu)成了該關(guān)系模式的關(guān)系。③隨著時間的變化，關(guān)系模式的關(guān)系也將發(fā)生變化。（4）關(guān)系模式關(guān)系的描述稱為關(guān)系模式。第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型關(guān)系是關(guān)系模式在某一時刻的狀態(tài)或內(nèi)容。關(guān)系模式是靜態(tài)的、穩(wěn)定的，而關(guān)系是動態(tài)的，隨時間不斷變化的。在實際當中，人們常常把關(guān)系模式和關(guān)系不加區(qū)別。關(guān)系和關(guān)系模式之間的區(qū)別和聯(lián)系：第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型是對某一類數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和屬性的說明。2、關(guān)系數(shù)據(jù)庫在一個給定的應(yīng)用領(lǐng)域中，所有實體與實體之間的聯(lián)系的關(guān)系的集合構(gòu)成一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫。關(guān)系數(shù)據(jù)庫的型(Type)

是型的一個具體賦值。關(guān)系數(shù)據(jù)庫的值(Value)第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型指關(guān)系的準確性、相容性和有效性。關(guān)系的完整性關(guān)系的完整性的種類參照完整性實體完整性用戶定義的完整性第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型若屬性A

是基本關(guān)系R

的主屬性，則屬性A

不能取空值。實體完整性主屬性第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型參照完整性

在關(guān)系模型中，實體及實體間的聯(lián)系都是用關(guān)系來描述的，那么在兩個或者兩個以上的關(guān)系間就自然存在引用。Type11121314Typename11121314第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型

關(guān)系模型應(yīng)提供定義和檢驗這類完整性的機制，以便用統(tǒng)一方法處理它們，應(yīng)用程序不承擔這一功能。用戶定義的完整性

不同的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)根據(jù)其應(yīng)用環(huán)境的不同，往往需要一些特殊的約束條件，用戶定義的完整性就是針對某一具體關(guān)系數(shù)據(jù)庫的約束條件。它反映某一具體應(yīng)用所涉及的數(shù)據(jù)必須滿足的語義要求。例如：某個屬性必須取唯一值、某個屬性的取值范圍在0-100之間等。第二節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型三種傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的比較第四章地理信息系統(tǒng)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫第1節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫概述第2節(jié)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型第3節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型第4節(jié)空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫邏輯模型設(shè)計和物理設(shè)計第5節(jié)GIS空間時態(tài)數(shù)據(jù)庫主要內(nèi)容第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的不足傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理的是不連續(xù)的、相關(guān)性較小的數(shù)字和字符；而地理信息數(shù)據(jù)是連續(xù)的，并且具有很強的相關(guān)性。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理的實體類型太少，并且實體之間通常只有簡單、固定的空間關(guān)系；而地理空間數(shù)據(jù)的實體類型繁多，實體類型之間存在著復(fù)雜的空間關(guān)系，并且還能產(chǎn)生新的關(guān)系（如拓撲關(guān)系）。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理是以等長記錄為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)；而地理空間數(shù)據(jù)通常是結(jié)構(gòu)化的，其數(shù)據(jù)項可能很大，很復(fù)雜，并且是變長記錄。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)只操縱和查詢文字和數(shù)字信息；而地理空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫中需要有大量空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫操作和查詢，如特征提取，影象分割、影象代數(shù)運算、拓撲和相似性查詢。第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型

語義模型的模型結(jié)構(gòu)是由若干種抽象所組成，用這些抽象來描述實體的基本語義特性，根據(jù)語義模型結(jié)構(gòu)規(guī)則,把這些抽象有機的組織起來。語義模型是概念模型的一種，是對信息世界建模，表示方法有多種，其中實體聯(lián)系方法(Entity-RelationshipApproach)得到廣泛應(yīng)用，該方法用E-R圖來描述現(xiàn)實世界，用于建立概念模型。一、語義數(shù)據(jù)模型（E-R模型）第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型①實體型實體是對客觀存在的起獨立作用的客體的一種抽象。②屬性用橢圓形表示，并用無向邊將其與相應(yīng)的實體聯(lián)系起來③聯(lián)系是客體間有意義的相互作用或?qū)?yīng)關(guān)系。一般分為三種聯(lián)系：一對一(1:1)，一對多(1:N)，多對多(M:N)。E-R圖表達的三種語義第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型①實體型用矩形來表示，矩形內(nèi)寫明實體名。②屬性用橢圓形表示，并用無向邊將其與相應(yīng)的實體聯(lián)系起來③聯(lián)系用菱形表示，菱形框內(nèi)寫明聯(lián)系名，并用無向邊分別與有關(guān)實體聯(lián)系起來，同時在無向邊上標注聯(lián)系的類型(1:1，1:n

或m:n)。E-R圖表示實體型、屬性和聯(lián)系的方法第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型E-R圖表示兩個實體之間的三類聯(lián)系實體型A實體型A實體型A聯(lián)系名聯(lián)系名聯(lián)系名實體型B實體型B實體型B11mnn1兩個實體之間的三類聯(lián)系E-R模型的圖形表示

第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型E-R模型設(shè)計步驟（1）設(shè)計各個局部E-R圖根據(jù)需求分析的結(jié)果（數(shù)據(jù)流圖、數(shù)據(jù)字典等）對現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)進行抽象，分解成不同功能的局部模塊，對每個局部模塊設(shè)計視圖，即分E-R圖。分E-R圖中每一部分對應(yīng)一個局部應(yīng)用。第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型不同局部視圖中同一對象具有不同的抽象、同一實體中所包含的屬性排列次序不完全相同、實體之間的聯(lián)系呈現(xiàn)不同的聯(lián)系類型。(2)設(shè)計全局E-R圖①屬性域沖突即屬性值的類型、取值范圍或取值集合不同，屬性取值單位沖突同名異義，異名同義（一義多名）。②命名沖突③結(jié)構(gòu)沖突第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型E-R圖的優(yōu)化原則：實體類型個數(shù)盡可能少；實體類型所含類型最少；實體間聯(lián)系無冗余。全局E-R圖的優(yōu)化第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型E-R圖的特點接近人的思維，易于理解E-R圖與計算機的實現(xiàn)無關(guān)E-R圖僅僅是概念模型，無法在計算機上直接實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計階段應(yīng)該將概念模型轉(zhuǎn)化為計算機能夠接受的數(shù)據(jù)模型，如層次、網(wǎng)絡(luò)、關(guān)系模型。第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型二、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析與設(shè)計(OOA＆D)

面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計(OOA＆D)方法的發(fā)展在80年代末至90年代中出現(xiàn)了一個高潮，產(chǎn)生了統(tǒng)一的建模語言UML（UnifiedModelingLanguage）。UML適用于以面向?qū)ο蠹夹g(shù)來描述任何類型的系統(tǒng)，而且適用于系統(tǒng)開發(fā)的不同階段，從需求規(guī)格描述直至系統(tǒng)完成后的測試和維護。

第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型采用面向?qū)ο蟮乃枷?，對系統(tǒng)進行分析，根據(jù)用戶需求提取出系統(tǒng)應(yīng)具有的屬性和行為。將分析的結(jié)果用某種易于轉(zhuǎn)化為編碼或易于理解的形式表達出來。我們常見的有流程圖，ER圖，數(shù)據(jù)流圖等。分析和設(shè)計是兩個相互結(jié)合、漸進的過程。面向?qū)ο蟮脑O(shè)計：面向?qū)ο蟮姆治觯旱谌?jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型1、面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的基本概念(1)對象對象就是現(xiàn)實世界中客體的模型化，與數(shù)據(jù)庫中記錄、元組等概念相似。如：行政區(qū)域的多邊形對象，表示一條河流的弧段對象對象的兩個特點狀態(tài)性特征：是通過域來描述的，可稱為私有存儲單元。封裝性特征：對象的封裝性特征表現(xiàn)為它的私有存儲單元只能由它自己的功能進行處理。二、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型(2)消息

消息是對象之間相互請求或相互協(xié)作的唯一途徑。一個對象必須通過向其它對象發(fā)送消息的形式使得其它對象提供各自能實現(xiàn)的功能。消息的特性：消息是對象之間唯一的通信形式；消息是外界能夠引用對象操作及獲取對象狀態(tài)的唯一方式。消息的這些特性保證了對象的實現(xiàn)只能依賴于它本身的狀態(tài)和所能接受的消息，而不依賴于其它對象的內(nèi)部細節(jié)和狀態(tài)。第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型消息類型公有消息如果一些消息屬于同一個對象，其中有些消息可由其它對象向它發(fā)送的，叫做公有消息。私有消息如果一些消息是由它自己向自身發(fā)送的，就叫做私有消息。第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型多邊形對象組成對象的組成示意第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型(3)類類是對一組對象的抽象描述，它將該組對象所具有的共同特征集中起來，以說明該組對象的能力和性質(zhì)。實例是某類的一個具體抽象；類是多個實例的抽象的總和；類和實例之間是抽象和具體的關(guān)系；類的確定方法是歸納，這就要求在觀察問題是，注意提煉所遇到對象的共同特征，以確定其類的表達。實例：是某類的一個具體抽象。類和實例之間的關(guān)系第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型（1）繼承是現(xiàn)實世界中對象之間的一種獨特關(guān)系，它使得某對象可以自然的擁有另外一類對象的某些特征和功能。對象類的單繼承和多繼承，及其層次結(jié)構(gòu)

直接繼承曲線對象類

多邊形對象類繼承曲面對象類的特性，還有曲線對象類的特性

2、繼承及類之間的層次關(guān)系繼承包括單繼承和多繼承兩種，如下圖第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型（2）類的層次結(jié)構(gòu)是引入類的繼承關(guān)系而產(chǎn)生的，包括超類：被繼承的類稱為超類。子類：繼承其他類的對象稱為子類。對象類的單繼承和多繼承，及其層次結(jié)構(gòu)

直接繼承曲線對象類

多邊形對象類繼承曲面對象類的特性，還有曲線對象類的特性

第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型

面向?qū)ο蟮墓δ苤剌d和多態(tài)

3．功能重載和多態(tài)性：實現(xiàn)消息傳遞。功能重載：功能重載實際上意味著實現(xiàn)特定功能的方法不僅以名稱來區(qū)分，而且用它所帶的參數(shù)來區(qū)別。多態(tài)性：是同一個消息可以根據(jù)對象的不同，采用多種不同的行為方式。第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型4、概括和聚集概括：是把一組具有相同特征和操作的對象類歸納在一個更一般的超類中。例如，多邊形對象類和弧段對象類共同具有的一些空間特征，它們可作為空間對象類的子類，而空間對象類則是它們的超類。概括形成了子類和超類之間的is-a的語義聯(lián)系。第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型聚集：反映了嵌套對象的概念，嵌套對象是由一些其它對象組成的，它是用來描述較高層次對象的一種形式。例如，上述的地理信息系統(tǒng)圖形顯示子系統(tǒng)中，一個圖層對象類是由多邊形對象類、弧段對象類、點對象類等對象類的聚集體。這里的圖層對象就是嵌套對象，多邊形對象類與圖層對象之間形成is-part-of的語義聯(lián)系。第三節(jié)語義和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型運用上述面向?qū)ο蟮母拍詈头椒?，就可以建立起地理信息系統(tǒng)中空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫的對象數(shù)據(jù)模型。OpenGIS協(xié)會推薦了一種空間對象數(shù)據(jù)模型，其中的簡單幾何特征集如圖所示。5、空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫對象模型簡單幾何特征集關(guān)系

第四節(jié)邏輯模型設(shè)計和物理設(shè)計(1)初始模式的形成把E-R圖表示的實體聯(lián)系類型，轉(zhuǎn)換成選定的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所支持的記錄類型，如層次、網(wǎng)狀、關(guān)系模型、面向?qū)ο蟮取?2)子模式設(shè)計子模式是應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫的接口，允許有效訪問數(shù)據(jù)庫而不破壞數(shù)據(jù)庫的安全性。(3)模式評價根據(jù)定量分析和性能測試對數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)作出評價(4)優(yōu)化模式利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供的功能，對模式進行優(yōu)化，但不改變數(shù)據(jù)庫的信息。一、空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計的步驟和內(nèi)容第四節(jié)邏輯模型設(shè)計和物理設(shè)計二、E-R模型向關(guān)系數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)換E-R圖可以向不同的數(shù)據(jù)庫模型轉(zhuǎn)換，這里的以關(guān)系數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換為例。(1)實體轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式：一個實體型轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。(2)實體之間的聯(lián)系可以分以下情況進行轉(zhuǎn)換①1:1聯(lián)系轉(zhuǎn)換每個實體可以轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式，也可以與任意一端對應(yīng)的關(guān)系模式合并。每個實體的關(guān)鍵字是該關(guān)系的后選關(guān)鍵字。②1:N聯(lián)系轉(zhuǎn)換：可以分兩種情況

A:轉(zhuǎn)換為獨立的關(guān)系模式，關(guān)系的關(guān)鍵字為N端的關(guān)鍵字;B:與n端對應(yīng)的關(guān)系模式合并,關(guān)系的關(guān)鍵字為N端的關(guān)鍵字。第四節(jié)邏輯模型設(shè)計和物理設(shè)計③M:N聯(lián)系轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為獨立關(guān)系模式，關(guān)系的關(guān)鍵字是與該聯(lián)系相連的各實體的關(guān)鍵字的組合。第四節(jié)邏輯模型設(shè)計和物理設(shè)計三、關(guān)系數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計（5步）①將E-R圖轉(zhuǎn)換成關(guān)系模式根據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則，將將E-R圖轉(zhuǎn)換成關(guān)系模式②規(guī)范化處理任務(wù)是消除異常，改善完整性、一致性和存儲效率。一般使關(guān)系達到3NF就可以滿足使用。規(guī)范化過程實際上就是單一化過程，即一個關(guān)系描述一個概念。如果關(guān)系中多于一個概念，就把它分離出來。③模式評價目的是檢查數(shù)據(jù)庫模式是否滿足用戶的要求，包括功能評價和性能評價。第四節(jié)邏輯模型設(shè)計和物理設(shè)計④優(yōu)化模式合并：是對具有相同關(guān)鍵字的關(guān)系模式，如果對它們的處理主要是查詢操作，且常在一起使用，可將這類關(guān)系模式合并。分解：是指關(guān)系雖已達到規(guī)范化的要求，但如果某些關(guān)系的屬性過多，則會影響效率，可將它分割成為兩個或多個關(guān)系模式，按屬性組分解的稱為垂直分解，垂直分解需滿足得到的每一個關(guān)系都包含主關(guān)鍵字。⑤形成數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計說明書包括：模式及子模式的集合，可用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的語言描述，也可列表描述；應(yīng)用設(shè)計指南，設(shè)計訪問方式、查詢路徑、處理要求、約束條件等；物理設(shè)計指南，包括數(shù)據(jù)訪問量、傳輸量、存儲量、遞增量等。第四節(jié)邏輯模型設(shè)計和物理設(shè)計四、空間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計可分為5步，前三步為結(jié)構(gòu)設(shè)計，后兩步為約束和程序設(shè)計(1)存儲記錄的格式設(shè)計：對數(shù)據(jù)項類型特征作分析，對存儲記錄進行格式化，決策如何進行數(shù)據(jù)壓縮或代碼化。(2)存儲方法設(shè)計：是把存儲記錄在全數(shù)據(jù)庫范圍內(nèi)進行物理存儲安排。①順序存儲：該存儲方式的平均查詢次數(shù)為關(guān)系記錄個數(shù)的1/2；②散列存儲：該存儲方式的查詢次數(shù)由散列算法所決定；③索引存儲：需要確定創(chuàng)建何種索引，及在哪些庫和屬性上建立索引；④聚簇存儲：是指將不同類型的記錄分配到相同的物理區(qū)域中去。第四節(jié)邏輯模型設(shè)計和物理設(shè)計(3)訪問方法設(shè)計：訪問方法設(shè)計為存儲在物理設(shè)備上的數(shù)據(jù)提供存儲結(jié)構(gòu)和查詢路徑，該設(shè)計與選用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有很大關(guān)系。

(4)完整性和安全性考慮：根據(jù)邏輯設(shè)計說明書中提供的對數(shù)據(jù)庫的約束條件、具體選擇的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和操作系統(tǒng)的性能特征及硬件環(huán)境，設(shè)計建立數(shù)據(jù)庫完整性和安全性措施。(5)應(yīng)用設(shè)計：包括人機界面的設(shè)計、輸入／輸出格式的設(shè)計、代碼設(shè)計、處理加工設(shè)計等。(6)形成物理設(shè)計說明書：包括存儲記錄格式，存儲記錄位置分布及訪問方法、它能滿足的操作需求，并給出對硬件和軟件系統(tǒng)的約束。第五節(jié)GIS空間時態(tài)數(shù)據(jù)庫一、空間時態(tài)數(shù)據(jù)庫概述

時空數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或數(shù)據(jù)處理技術(shù)，研究內(nèi)容包括以下三個方面：(1)空間時態(tài)數(shù)據(jù)的表達空間