数据库管理系统PPT课件

1几个相关概念v 数据库：数据的集合。由DBMS统一管理，多用户共享。v 数据库管理系统DBMS：系统软件，对数据库进行统一管理和控制。v 数据库系统：带有数据库的整个计算机系统，包括硬件、软件、数据、人员。第1页/共74页2 地图数据库管理系统是用户与操作系统之间的一层数据管理软件。因为地图数据作为空间数据，比一般信息处理中的统计数据更复杂，如：数据类型繁多、数据操纵复杂、数据输出形式的多样性、数据量大等，因此就导致了地图数据库系统的复杂性。而且地图数据库作为一种图形数据库，它的管理比通常的非图形数据库要困难得多，人们在利用通用数据库管理系统管理地图数据的过程中也遇到和发现了许多问题。因此，对地图数据库管理系统的研究，具有某种程度的重要意义。第2页/共74页3主要内容:GDBMS软件功能GDBMS软件体系结构 基于文件系统的GDBMS设计与实现基于通用DBMS的GDBMS设计与实现GDBMS在关系数据库中的实现 第3页/共74页46.1 GDBMS的软件功能一、地图数据定义二、地图数据采集与数据装载三、地图数据编辑与处理四、数据处理与空间关系建立五、地图数据检索与查询第4页/共74页56.1 GDBMS的软件功能六、地图数据操纵七、地图数据输出与符号化八、数据维护九、数据的运行管理第5页/共74页66.1 GDBMS的软件功能地图数据库地图数据采集地图数据编辑与处理数据处理与空间关系建立数据检索查询数据库操纵数据输出与符号化外部数据文件装载地图数据定义数据维护数据运行管理数据库管理系统（GDBMS）第6页/共74页7一、地图数据定义功能 地图数据库管理系统提供数据定义语言，用户通过它可以方便地定义数据。二、地图数据采集和数据装载 采用不同设备和技术，对各种来源的地图数据进行采集，并对数据实施编辑检查，获取原始的地图数据。 6.1 GDBMS的软件功能第7页/共74页8利用扫描数字化地图进行空间数据自动或半自动采集；利用遥感影象提取空间数据来更新数据库；在显示扫描数字化地图和遥感影象的条件下利用地理数据编辑与处理功能以人机交互方式采集空间数据，同时录入必要的属性数据；装载其它外部数据交换格式文件的地图数据。 地图数据装载的功能：6.1 GDBMS的软件功能第8页/共74页9扫描地图遥感影象拓扑建立图象配准地图数据库矢量数据自动提取属性数据输入有关控制点数据外部数据文件数据装载以图象为背景手工采集中心投影改正地图数据输入与装载流程第9页/共74页10 通常，一个大型的和长期使用的系统，其地图数据采集和数据装载功能应该能够接收和装载其它常用系统和标准的外部地图数据文件，如地理数据交换格式文件、军事测绘数据库数据交换标准格式文件、AutoCAD DXF和MapInfo数据交换格式等地图数据文件。第10页/共74页11 在地图数据可视化（符号化或非符号化）条件下，以人机交互方式对地图数据（包括空间数据、属性数据和注记）进行编辑和处理，复合要素和简单要素之间的空间关系建立，对输入和装载的数据进行错误检查和处理，确定各种类型目标的符号属性。 三、地图数据编辑与处理 第11页/共74页12地理数据库数据块选择图象数据可编辑地理要素层几何数据增加、移动、删除和修改地理属性连接简单要属建立语义关系建立图象配准控制点拓扑维护复合要素数据块之间拓扑建立Leve 0Leve 1Leve 2地理数据编辑与处理流程图第12页/共74页13 地图数据显示控制 空间数据编辑 属性数据编辑 对输入和装载的数据进行错误检查和处理 确定点、线、面目标的拓扑关系 复合要素 确定数据块之间的拓扑关系 v 空间数据编辑的内容：第13页/共74页14 四、数据处理和空间关系建立 这是一系列工具软件的集合，包括地图投影变换、几何量算、数据裁剪和拼接、空间关系建立等，按用户要求重新组织数据，便于应用。对输入和编辑后的点、线、面空间数据进行拓扑关系处理和生成，自动或半自动构面。建立数据块与数据块之间邻接相关关系。 第14页/共74页15地理数据库待拓扑地理要素层提取待拓扑的链建立链号与地址的索引文件结点和链拓扑自动构建点、链、面目标自动匹配拓扑关系处理流程图第15页/共74页16五、地图数据的检索和数据查询 通过地图数据查询功能实现对空间和属性数据的空间查询。 检索，就是从地图数据库的全体数据集合中按照检索条件迅速查找出用户所需要的部分内容。地图数据库适用性的好坏，在很大程度上与检索手段的多样性、适应性及检索速度的快慢有关。 第16页/共74页17数据区地图要素层空间查询图形显示相关数据关联数据查询与检索流程图第17页/共74页18 定性检索：也称标题检索。它是按地物的属性代码从数据库中提取数据。 定位检索：也称开窗检索。它是按指定的矩形范围提取范围内全部目标的数据。 识别号检索：当物体的识别号为已知时，使用物体的识别号检索十分方便，且检索效率提高。 v 地图数据库一般应具有如下检索功能：第18页/共74页19 拓扑检索：它是将目标划分为弧段和节点，给定弧段或节点检索出一批与给定元素相关联或者相邻接的元素。 组合检索：将地图数据库中空间数据按其属性、位置和空间关系的进行单项查询或多项组合查询。组合检索的应用，使用户从数据库中提取数据的灵活性得到大大提高。 分析检索：用于实现对地理网络的基于网络拓扑关系的空间分析，最优路径分析。 第19页/共74页20六、地图数据操纵功能 地图数据库管理系统提供图形编辑界面，用户通过该界面可以实现对数据库的基本操作，包括：查询、插入、删除和修改等。图形编辑是适合空间数据特点的数据编辑方式，不仅要编辑地图要素的几何位置，而且还要编辑要素的描述信息以及要素之间的空间关系。 第20页/共74页21地图数据库数据操纵流程地理数据库新建数据区打开数据区要素层定义打开要素层地理要素层管理要素操作要素选择查询数据库安全与维护新建数据块打开数据块关闭数据块关闭数据区数据块管理关闭要素层要素修改删除复合要素建立DatasetSectionLayerFeature第21页/共74页22v 数据区管理 包括新建数据区（对数据区进行定义，一个数据区对应一个数据库文件）打开数据区、要素层定义、要素层控制（包括层删除、层排序、设置层图形缩放时视野范围、设置可视和可编辑标志等）要素层维护（对一要素层的点、线、面数据结构进行增、删、改）第22页/共74页23v 数据选择与查询 通过可视化的空间数据和属性数据选择地理目标。其选择方式有： 不同要素层中单目标选择、同一要素层中多目标选择（包括单选、圆形选择、矩形选择和多边形选择）。 通过给定的条件进行选择和查询（SQL查询），选择和查询结果形成一个新的要素层，它可以是被选择要素层的一个映射，并非物理存在的要素层，提供给某些分析功能使用。 也可以存储为一个物理要素层。第23页/共74页24v 数据库安全与维护 包括数据安全访问控制、数据库备份、恢复与容错处理。第24页/共74页25 提供按规范规定的数据交换标准格式； 按用户要求符号化处理输出到图形输出设备上。 可进行电子地图全符号化显示。 提供对点符、线符、面符进行设计的软件工具。 按照某种地图投影和地图数学基础屏幕地图显示或输出到绘图机、胶片输出机上等。七、数据输出与符号化第25页/共74页26地图数据库地理要素层地图投影与变换地图符号库地图显示数据块地图输出生成流程图第26页/共74页27 包括地图数据库的转储、恢复功能，数据库的重组织功能和性能监视、分析功能等。这些功能通常是由一些使用程序完成的。 空间数据库的重组织、重构造和系统的安全性与完整性控制等，是重要的维护方法。八、数据维护功能第27页/共74页28地图数据库在长期的运行过程中，经常需要对数据记录进行插入、修改和删除操作，这就会降低存储效率，浪费存储空间，从而影响地图数据库系统的性能。重组指在不改变地图数据库原来的逻辑结构和物理结构的前提下，改变数据的存储位置，将数据予以重新组织和存放。DBMS一般都提供数据库重组的应用程序。因地图数据库重组要占用系统资源，故重组工作不能频繁进行。v地图数据库的重组织第28页/共74页29 应用环境和用户需求改变时，需要对原来的系统进行修正和扩充，因此需要部分地改变原来地图数据库的逻辑结构和物理结构。 重构指局部改变地图数据库的逻辑结构和物理结构。通过改写其概念模式的存储模式进行。 地图数据库的重构，对延长应用系统的使用寿命非常重要，但只能对其逻辑结构和物理结构进行局部修改和扩充，如果修改和扩充的内容太多，就要考虑开发新的应用系统。v地图数据库的重构造第29页/共74页30 地图数据库的完整性，指数据的正确性、有效性和一致性，主要由后映象日志来完成，它是一个备份程序，当发生系统或介质故障时，利用它对数据库进行恢复。安全性指对数据的保护，主要通过权限授予、审计跟踪，以及数据的卸出和装入来实现。 v 地图数据库的完整性、安全性控制第30页/共74页31是地图数据库管理系统的核心技术模块，即按地图数据模型，设计数据结构，在结构化数据基础上对地图数据进行存储和检索，包括并发控制，安全性检查、完整性约束条件的检查和执行、数据库内部维护（如索引、数据字典的自动维护）等。所有对地图数据库的操作都要在这些控制程序的统一管理下进行，以保证数据的安全性、完整性以及多用户对数据库的并发使用。九、地图数据的运行管理第31页/共74页326.2 GDBMS软件体系结构 一、单机二、客户/服务器体系结构 三、多服务器/客户机结构 第32页/共74页33 单机，其用户GUI（graphical user interface）、事务处理、地理数据存储都在同一台机器上完成，用户界面层、GDB服务层（服务器）、地理数据存储层（数据库）3层融合在一起。一、单机第33页/共74页34二、客户/服务器体系结构 一部分是一个基于客户机（Client）的单机平台，提供单数据区管理，所有的管理和查询分析等应用都在此基础上进行。 另一部分作为地图数据库服务器（Server）提供对多数据区管理，并作为客户机平台的数据源。 客户机平台利用GDAO（地图数据库存储对象）与地图数据库服务器联接，查询获得的地理数据可作为客户机平台当前数据区中一个或若干要素层直接进行空间分析。客户机平台也可利用ODBC与大型商业数据库服务器进行数据连接。第34页/共74页35数据采集数据编辑处理查询检索地图数据库管理系统平台地图数据库ODBCGDAOOracleSQL Server地图数据库服务器图形显示拓扑关系处理客户机（Client）服务器（Server）GDBMS软件体系结构第35页/共74页36 地图数据库服务器的地图数据模型与客户机平台基本相同，所不同之处是客户机平台是单数据区管理，而地图数据库服务器对多数据区地理数据进行管理。第36页/共74页37这种结构分为三层： 第一层为用户界面层(GUI：GDB User InterFace)； 第二层为GDB服务层(服务器)； 第三层为地图数据存储层(数据库) 。上面3层完全分离。 三、多服务器/客户机体系结构 第37页/共74页38第38页/共74页39地理数据库系统体系结构类型GUIGDBMS用户事务处理GDB数据存储GUIGDBMS用户事务处理GDB数据存储GUI GUIGDBMS用户 GDBMS用户事务 事务处理 处理GDB GDB GDB数据存储 数据存储 数据存储第一层第二层第三层事务处理第39页/共74页406.3 基于文件系统的GDBMS设计与实现一 、 开 发 步 骤二 、 实 现 模 型三 、 系 统 特 点第40页/共74页41制图数据地图数据库管理系统体系结构地理数据库遥感影象2地理数据输入外部数据扫描地图3数据编辑处理地理目标数据（关系表）地理目标数据（对象）5数据检索查询7地图符号显示地理数据库管理系统ODBC或DAO数据源地理数据交换文件4数据处理关系建立6数据操纵外部数据文件数据装载8数据维护9数据运行管理1地理数据定义第41页/共74页42 计算机提供了操作系统支持下的文件系统，为用户提供了简便统一的存取和管理数据的方法，用户可以在此基础上建立自己的逻辑文件。地图数据量大，一般按内容分为多个文件，每个文件都可以用相同的或不同的逻辑文件形式组织，借助于文件系统完成数据存贮、输入和输出处理。第42页/共74页43v第一步是逻辑设计 逻辑设计将组织模型转换为文件结构或数据模型结构。为选择最适合表示组织模型的数据模型，逻辑设计中要用到实现模型结构的知识。v第二步是物理设计 通过物理设计以选择最适合于数据模型结构的物理结构，这些技术随采用的物理设备及存取方法而异。量化数据是数据库物理设计中要考虑的一个重要因素。所选择数据库的逻辑结构和物理结构的定义由数据库定义语言完成。 一、开发步骤第43页/共74页44v第三步是开发存取数据库的软件 一般系统中对数据库的存取是由数据库联机查询语言或嵌入在程序设计语言中的输入/输出命令完成的。 设计过程和实现模型的数据结构及支撑语言密切相关。基本文件结构包括数据结构及其存取命令两方面。 第44页/共74页45地图数据库操作系统地图数据库引擎通讯区功能模块参数缓冲公用区运行状态控制信息数据库运行日志数据库管理系统集成环境应用程序API基于文件的GDBMS体系结构第45页/共74页46二、实现模型 实现模型由软件和硬件组成，软件和硬件又可分成多个层次，这些层次之间通过界面沟通。用户命令通过这一系列层次转化为对所存贮数据的操作。 在不同的实现模型中，分层数目及每个界面的命令是不同的。第46页/共74页47v用户界面（user interface） 通过GDBMS提供的用户界面，用户使用文件或数据库定义语言定义数据库，调用存取命令完成对数据库的存取。v逻辑记录界面（logical record interface） 通过逻辑记录界面，实现在存取方法和用户界面之间逐个传送逻辑记录。v物理记录界面（physical record interface） 通过物理记录界面控制物理存贮设备，实现在内存和物理存贮设备之间逐个传送物理记录。第47页/共74页48实现模型的层次用户界面文件定义和存取命令数据模型结构数据库存取命令数据定义用户界面软件数据库管理系统文件处理器程序设计语言中的文件处理命令存取方法操作系统的磁盘存取命令支持数据库管理系统的专用程序逻辑记录界面物理记录界面数据库物理存贮设备第48页/共74页49 采用文件管理数据的优点是灵活，即每个软件厂商可以任意定义自己的文件格式、管理各种数据，这一特点在存储需要加密的数据以及非结构化的、不定长的集合坐标记录时是有帮助的。 文件方式管理地图数据的缺点也是显而易见的，需要有开发者实现属性数据的更新、查询、检索等操作，这样会增加属性数据管理的开发量，并且不利于数据的共享。 三、采用文件管理的特点第49页/共74页506.4 基于通用DBMS的GDBMS设计与实现一、基于通用DBMS的GDBMS二、通用数据库管理系统 三、空间数据库扩展插件 四、地理数据库访问对象 第50页/共74页51 为了克服文件系统管理地图数据的不足，在通用数据库管理系统出现以后，地图学专家开始了基于通用数据库管理系统的地图数据库管理系统的研究。 基于通用数据库管理系统的地图数据库管理系统，能够充分利用通用数据库系统的事物处理、并发机制、索引机制、并行处理、安全控制、容错与恢复等功能，同时针对地图数据的特点加以扩展，从而完成对地图数据的定义、操纵、查询和显示输出等功能。 第51页/共74页52 目前基于通用数据库管理系统的地图数据库管理系统包括： 二元化管理 集成化管理 面向对象数据库 一、基于通用DBMS的GDBMS第52页/共74页53v二元化方案 早期的通用RDBMS和现在的多数小型通用RDBMS一样，不支持二进制数据块字段类型。考虑到空间数据是非结构化的、不定长的，而且通用RDBMS不能实现对空间数据的操作，这样人们就考虑利用文件系统的方式来存储管理空间数据，而用通用关系数据库管理系统管理属性数据。这种把空间数据和属性数据分开，分别采用文件和数据库方式进行管理的方式有人称之为“二元化”管理。第53页/共74页54 具体地，采用这种方案的数据管理方式是：空间数据：包括定位数据和空间关系数据，是不定长数据，采用文件管理；时间数据：结构化数据，采用通用关系数据库管理；非空间属性数据：结构化的、定长数据，采用通用关系数据库管理；非结构化的描述数据：包括文本、图象、音频、视频等，一般都对应于一个文件，可简单地在关系数据库中记录其文件路径和名称。优点是关系数据库的数据量小，缺点是文件路径常因为文件的删除、移动操作而变得不可靠。 第54页/共74页55空间几何数据与属性数据的分开存储管理，需要定义它们之间的对应关系。通常的解决方法是在文件中各个地物都有唯一的标识码（地物ID），而在关系数据库的数据表中，也有一个标识码属性，这样每条记录可以通过该标识码确定与之对应的地物的连接关系。缺点是经常进行地物ID的查找（既包括给定地物查找记录，也包括根据给定的记录查找相应的地物），使查询和其它运算等一些操作速度变慢。 二元化管理的特点：第55页/共74页56目前Oracle8i、Informix等大型通用RDBMS支持二进制数据块的数据类型后，不定长的空间几何数据可以用二进制数据块的形式用关系数据库管理。所有地理数据全部被集成到RDBMS中，形成空间数据库。关系数据库的理论及其工具都已成熟，能提供一致的访问接口（SQL）来操作分布的海量数据，并且支持用户的并发访问、安全性控制和一致性检查。通用的访问接口也便于实现数据的共享。v 集成化方案第56页/共74页57空间数据库数据库访问接口空间数据访问接口空间模型服务应用程序API应用程序API应用程序API关系数据库管理系统地理数据库及其应用系统集成化的GDBMS的体系结构第57页/共74页58几何数据不定长，会造成存储效率的低下；现有的SQL并不支持空间数据的检索，需要软件开发者自己开发空间数据访问接口；如果要支持空间数据共享，则要对SQL进行扩展。 集成化全关系数据库管理的特点：第58页/共74页59v 面向对象数据库（OO_DBMS）管理 如果应用对象数据库管理地理数据，则可以扩充对象数据库中的数据类型以支持空间数据，包括点、线、面等几何体，并且允许定义对于这些几何体的基本操作，包括计算距离、检索空间关系，甚至稍微复杂的运算，如缓冲区计算、叠加操作等也可以由对象数据库管理系统“无缝”地支持。 第59页/共74页60 通过对象数据库管理系统，提供了对各种数据的一致的访问接口以及部分空间模型服务，不仅实现了数据共享，而且空间模型服务也可以共享，使地理数据库及其应用软件可以将重点放在数据表现和复杂的专业模型上。 但目前对象数据库管理系统还未成熟，许多技术问题仍然需要进一步研究。例如，支持用户自定义功能，可能会引发对系统的恶意入侵。查询优化也是对象数据库面临的一个难题，例如，要进行查询所有有高速公路通过并且人均收入大于1万元的县。 第60页/共74页61空间数据库数据库访问接口空间模型服务面向对象数据库管理系统地理数据库及其应用系统OO-DBMS的体系结构专业空间模型服务应用程序API应用程序API应用程序API第61页/共74页62二、通用数据库管理系统 通用数据库管理系统完成基本的数据库管理功能。如关系数据库 ORACLE8i、SQL Server、Infomix等大型商用数据库系统，如果数据量小也可以选用小型桌面数据库如Access等。三、空间数据库扩展插件SDEC Spatial Database Extension Cartridg是在通用数据库管理系统Oracle8.0之上，针对空间数据所做的一层扩展，使之能够存储和管理空间数据，并对空间数据的查询和分析提供支持。其中主要包括空间数据库定义、空间索引等部分。 第62页/共74页63 四、地理数据库访问对象GDAO 空间数据库访问对象（Geo-Database Access Objects）由一组能够完成数据库访问功能的对象组成，它能完全封装空间数据库的访问，将复杂、繁琐的数据库访问方法隐藏在部件内部，并向用户提供简单、明晰的访问接口，同时保证访问方式的灵活性。另外，通过该组对象提供的缓存机制，能够保证数据访问的高效性。 第63页/共74页646.5 GDBMS在关系数据库中的实现第64页/共74页65 当前的大部分地图数据库管理系统是基于关系型数据库的空间数据管理系统，它抛弃了一般的对数据库的访问方法，并且把不同的数据库访问机制有机地结合在一起，构成了以DAO为主，ODBC为辅的访问方式，在最底层抽象出对地理信息进行操纵的类，在这个基础上增加了一些地图数据库管理必须的基础性功能。 第65页/共74页66地图数据库管理基础性功能基本功能调用应用功能调用地理数据访问接口ADODAOODBC地理数据库外部数据库或数据源第66页/共74页67主要以DAO为主，VC+为DAO数据封装了功能全面的类，大大地加快了应用程序的开发。ODBC虽然支持多数据源，但它访问速度太慢，不适合于做底层的接口；另外，作为一个独立的应用系统没有必要在最底层上支持多数据源，只是在数据交换和共享时有这种需要。 目前许多应用系统前台采用一种高效的数据库，后台采用ODBC 连接多数据源。 关系数据库实现的特点：第67页/共74页68DAO数据库是 Microsoft 公司推出的基于Jet Engine的数据库，主要适合于访问由 Jet Engine创建的数据库(.mdb)，同时也支持其它的数据源。作为底层的数据库来用，应用系统必须可以获得很高的，DAO对数据库的控制权做得比较出色，可以控制从数据库本身、到表、到字段、索引等任何一个级别的对象的全面控制。而ODBC在这一方面还达不到要求。DAO的缺点是把数据库的全部细节完全暴露给了用户，也就从根本上丧失了数据库的安全性。 DAO的特点：第68页/共74页69传统的基于文件的系统只是对二进制文件的操作，RIMS中几何数据和属性数据统一交给DAO数据库管理，达到属性与图形真正意义上的一体化。RIMS中抽象出了许多包括地理实体在内的多种对象，每种对象对应存储到数据库中的一种类型的表里，凡是不定长度的数据类型都存储为数据库中的一个大二进制字段。 关系数据库中的实现主要解决的问题：v 地理数据在DAO数据库中的组织第69页/共74页70一个数据集对应一个数据库文件，按照空间范围进行网格划分，既达到存储多个数据块的目的，又巧妙的体现了空间索引的思想。每一个表中都建有一个以ID号为主关键字的索引，除了对单个表的操作，相互关联的不同表之间需要相互引用时，数据库的索引机制提供了极大的便利。v 地理数据在DAO数据库中的组织第70页/共74页71DAO数据库编程模式是一个应用程序，一般只能对应一种特定结构的数据库，而且大多数时候这个数据库必须已经事先创建好了，在程序设计中或者程序运行中，往往可能涉及到令人不快的数据库注册要求，这些都不适用于地图数据库中。在地图数据库系统中完全抛弃了Appwizard的协助，设计了灵活的访问方式。所有数据库都是程序运行中动态创建的，完全脱离任何外部数据库管理系统，打开某个地图数据库时，不需要用户其它注册操作。v 数据库的操作第71页/共74页72对数据库数据的操纵也不是用一般的DFX_数据交换方法，而是用GetFieldValue，SetFieldValue 方法实时动态地进行。这样可以在运行中动态操纵一些事先不知道其结构的数据库，而且DFX_数据交换方法在任何数据库表中的移动都会自动执行，而不管是否有读取或更新数据的需要。相对而言，GetFieldValue,SetFieldValue 方法在这方面就减少了不必要的操作，提高了速度。v 数据库的操作第72页/共74页73虽然数据库中数据类型多种多样，但对它们的操作都是相似的。在VC+以及包括数据库应用、OLE等在内的其它许多技术中，都广泛使用了一种智能化的数据类型Colevariant 类型，无论是什么类型的数据，从数据库中读取出来都是这样一种类型的对象，而同样无论什么数据要写入数据库，都可以通过构造这样一个对象进行存储。这种智能化的数据类型为数据库的操作提供了极大的便利。v 数据库的操作第73页/共74页74感谢您的观看！第74页/共74页