空间数据库教案课件

空间数据库参考资源n空间数据库空间数据库中国地质大学(武汉)信息工程学院，郭际元郭际元 周顺平周顺平 刘修国刘修国 编著。n空间数据库技术 河南理工大学李国斌，汤永利编著。/2010年02月/电子工业出版社n地理空间数据库原理 崔铁军编著/2007年04月/科学出版社编著n空间数据库 吴信才编著/2009年05月/科学出版社空间数据库n1.1.数据库概述数据库概述 n2.2.矢量地图数据库矢量地图数据库 n3.3.栅格地图数据库栅格地图数据库 n4.4.地图符号库地图符号库 n5.5.三维空间数据模型三维空间数据模型 n6.6.海量空间数据组织与管理海量空间数据组织与管理 n7.7.时态时态GISGIS数据库数据库 n8.8.空间数据的关系化管理空间数据的关系化管理 n9.9.网络网络GISGIS空间数据管理空间数据管理 1.1.数据库概述数据库概述n1.1 1.1 数据库的概念数据库的概念 n1.2 1.2 数据模型数据模型n1.3 1.3 数据库设计的三个步骤数据库设计的三个步骤 n1.4 1.4 新型数据库系统新型数据库系统n1.5 1.5 空间数据挖掘技术及应用空间数据挖掘技术及应用 1.1数据库的概念数据库的概念n数据库的英文是数据库的英文是DATA BASEDATA BASE，其意义为数，其意义为数据基地，即统一存贮和集中管理数据的据基地，即统一存贮和集中管理数据的基地。基地。n1.1.1 1.1.1 数据管理的文件方式数据管理的文件方式 n1.1.2 1.1.2 数据库系统管理数据方式数据库系统管理数据方式 n1.1.3 1.1.3 数据库系统的构成数据库系统的构成1.1.1 1.1.1 数据管理的文件方式数据管理的文件方式n这种方式是把数据的存取抽象为一种模这种方式是把数据的存取抽象为一种模型：使用时只要给出文件名称、格式和型：使用时只要给出文件名称、格式和存取方式等，其余的一切组织与存取过存取方式等，其余的一切组织与存取过程由专用软件一文件管理系统来完成。程由专用软件一文件管理系统来完成。P1P2P3FMSF1F2F3n文件管理系统的特点：文件管理系统的特点：n（1）数据文件是大量数据的集合形式。每个文件）数据文件是大量数据的集合形式。每个文件包含有大量的记录，每个记录包含若干个甚至多达包含有大量的记录，每个记录包含若干个甚至多达几十个以上的数据项。文件和文件名面向用户并存几十个以上的数据项。文件和文件名面向用户并存贮在计算机的存贮设备上，可以反复利用。贮在计算机的存贮设备上，可以反复利用。n（2）面向用户的数据文件，用户可通过它进行查）面向用户的数据文件，用户可通过它进行查询、修改、插入、删除等操作。询、修改、插入、删除等操作。n（3）数据文件与对应的程序具有一定的独立性，）数据文件与对应的程序具有一定的独立性，即程序员可以不关心数据的物理存贮状态，只需考即程序员可以不关心数据的物理存贮状态，只需考虑数据的逻辑存贮结构，从而可以大量地节省修改虑数据的逻辑存贮结构，从而可以大量地节省修改和维护程序的工作量。和维护程序的工作量。n（4）数据文件的缺点是只能对应于一个或几个应）数据文件的缺点是只能对应于一个或几个应用程序，不能摆脱程序的依赖性。数据文件之间不用程序，不能摆脱程序的依赖性。数据文件之间不能建立关系，呈现出无结构的信息集合状态，往往能建立关系，呈现出无结构的信息集合状态，往往冗余度大，不易扩允，维护和修改。冗余度大，不易扩允，维护和修改。1.1.2 1.1.2 数据库系统管理数据方式数据库系统管理数据方式n数据库管理系统（数据库管理系统（DBMSDBMS）的最大优点是）的最大优点是提供了两者之间的数据独立性。即应用提供了两者之间的数据独立性。即应用程序访问数据文件时，不必知道数据文程序访问数据文件时，不必知道数据文件的物理存贮结构（见图示件的物理存贮结构（见图示)。逻辑数据。逻辑数据独立性指的是当数据的整体逻辑结构改独立性指的是当数据的整体逻辑结构改变时不必改动应用程序；物理数据独立变时不必改动应用程序；物理数据独立性指的是当改动数据的物理布局和组织性指的是当改动数据的物理布局和组织时，无论是数据的整体逻辑结构或应用时，无论是数据的整体逻辑结构或应用程序都可不予改动。程序都可不予改动。1.1.2 1.1.2 数据库系统管理数据方式数据库系统管理数据方式局部逻辑观点全局逻辑观点逻辑数据变换物理数据变换应用程序的逻辑文件数据库管理员的全面逻辑数据描述物理数据库n数据库管理系统的特点：数据库管理系统的特点：n（1）数数据据管管理理方方式式建建立立在在复复杂杂的的数数据据结结构构设设计计的的基基础础上上，将将相相互互关关联联的的数数据据集集文文件件赋赋于于某某种种固固有有的的内内在在联联系系。各各个个相相关关文文件件可可以通过公共数据项联系起来。以通过公共数据项联系起来。n（2）数数据据库库中中的的数数据据完完全全独独立立，不不仅仅是是物物理理状状态态的的独独立立，而而且且是是逻逻辑辑结结构构的的独独立立，即即程序访问的数据只需提供数据项名称。程序访问的数据只需提供数据项名称。n（3）数数据据共共享享成成为为现现实实，数数据据库库系系统统的的并并发发功功能能保保证证了了多多个个用用户户可可以以同同时时使使用用同同一一个个数据文件，而且数据处于安全保护状态。数据文件，而且数据处于安全保护状态。n（4）数据的完整性、有效性和相容性保证）数据的完整性、有效性和相容性保证其冗余度最小，有利于数据的快速查询和维其冗余度最小，有利于数据的快速查询和维护。护。1.1.3 1.1.3 数据库系统的构成数据库系统的构成n数据库数据库是存贮在计算机内的有结构的数是存贮在计算机内的有结构的数据集合；据集合；n数据库管理系统数据库管理系统是一个软件，用以维护是一个软件，用以维护数据库、接受并完成用户对数据库的一数据库、接受并完成用户对数据库的一切操作；切操作；n数据库系统数据库系统指由硬件设备、软件系统、指由硬件设备、软件系统、专业领域的数据体和管理人员构成的一专业领域的数据体和管理人员构成的一个运行系统。个运行系统。1.2 1.2 数据模型数据模型n数据模型是数据库系统中关于数据内容和数据数据模型是数据库系统中关于数据内容和数据之间联系的逻辑组织的形式表示。每一个具体之间联系的逻辑组织的形式表示。每一个具体的数据库都由一个相应的数据模型来定义。的数据库都由一个相应的数据模型来定义。n1.2.1 1.2.1 层次模型层次模型 n1.2.2 1.2.2 网络模型网络模型 n1.2.3 1.2.3 关系模型关系模型 n1.2.4 1.2.4 面向对象模型面向对象模型 1.2.1 1.2.1 层次模型层次模型n层次数据库模型是将数据组织成一对多（或双亲层次数据库模型是将数据组织成一对多（或双亲与子女）关系的结构（与子女）关系的结构（见示例见示例）。其特点为：）。其特点为：（1 1）有且仅有一个结点无双亲，这个结点即树）有且仅有一个结点无双亲，这个结点即树的根；（的根；（2 2）其它结点有且仅有一个双亲。）其它结点有且仅有一个双亲。n层层次次模模型型的的优优点点是是层层次次和和关关系系清清楚楚，检检索索路路线线明明确确。层层次次模模型型的的缺缺点点就就是是不不能能表表示示多多对对多多的的联联系系。在在GISGIS中中若若采采用用这这种种层层次次模模型型将将难难以以顾顾及及公公共共点点、线线数数据据共共享享和和实实体体元元素素间间的的拓拓朴朴关关系系，导导致致数数据据冗余度增加，而且给拓朴查询带来困难。冗余度增加，而且给拓朴查询带来困难。n以地图以地图M M为例：为例：n地图地图M M中有两个面实体中有两个面实体 n多边形由多边形由a,b,ea,b,e组成组成 M Mn多边形由多边形由b,c,db,c,d组成组成 1 1 a a na a边的两个端点是边的两个端点是1 1，2 2 e e 2 2 nb b边的两个端点是边的两个端点是2 2，4 4 4 4 b b c cnc c边的两个端点是边的两个端点是2 2，3 3 d d nd d边的两个端点是边的两个端点是3 3，4 34 3ne e边的两个端点是边的两个端点是1 1，4 4层次模型例层次模型例1.2.2 1.2.2 网络模型网络模型n在网络模型中，各记录类型间可具有任意多连接在网络模型中，各记录类型间可具有任意多连接的联系（的联系（见示例见示例）。一个子结点可有多个父结点；）。一个子结点可有多个父结点；可有一个以上的结点无父结点；父结点与某个子可有一个以上的结点无父结点；父结点与某个子结点记录之间可以有多种联系（一对多、多对一、结点记录之间可以有多种联系（一对多、多对一、多对多）。多对多）。n网网络络模模型型的的优优点点：可可以以描描述述实实体体间间复复杂杂的的关关系系。网网络络模模型型的的缺缺点点：表表示示数数据据间间联联系系的的指指针针数数据据项项会会大大大大增增加加数数据据量量；会会增增加加数数据据库库建建立立和和维维护护的的复杂性。复杂性。网状模型例网状模型例abcde1234III1.2.3 1.2.3 关系模型关系模型n关系模型的基本思想是用二维表形式表示实关系模型的基本思想是用二维表形式表示实体及其联系（体及其联系（见示例见示例）。二维表中的每一列）。二维表中的每一列对应实体的一个属性，其中给出相应的属性对应实体的一个属性，其中给出相应的属性值；每一行形成一个实体，由多种属性组成值；每一行形成一个实体，由多种属性组成的多元组，或称元组，与一特定实体相对应。的多元组，或称元组，与一特定实体相对应。实体间联系和各二维表间联系采用关系描述实体间联系和各二维表间联系采用关系描述或通过关系直接运算建立。或通过关系直接运算建立。n关系模型中应遵循以下条件：关系模型中应遵循以下条件：n（1）二维表中同一列的属性是相同的；）二维表中同一列的属性是相同的；n（2）赋予表中各列不同名字（属性名）；）赋予表中各列不同名字（属性名）；n（3）二维表中各列的次序是无关紧要的；）二维表中各列的次序是无关紧要的；n（4）没有相同内容的元组，即无重复元组；）没有相同内容的元组，即无重复元组；n（5）元组在二维表中的次序是无关紧要的。）元组在二维表中的次序是无关紧要的。n关关系系模模型型的的优优点点：（1 1）结结构构灵灵活活，可可满满足足所所有有用用布布尔尔逻逻辑辑运运算算和和数数字字运运算算规规则则形形成成的的询询问问要要求求；（2 2）能能搜搜索索、组组合合和和比比较较不不同同类类型型的的数数据据；（3 3）加加入入和和删删除除数数据据方方便便；（4 4）适适宜宜地地理理属属性性数数据据的的模模型型。关关系系模模型型的的缺缺点点：许许多多操操作作都都要要求求在在文文件件中中顺顺序序查查找找满满足足特特定定关关系系的的数数据据，若若数数据据库库很很大大的的话话，这一查找过程要花很多时间。这一查找过程要花很多时间。关系模型例关系模型例1.2.4 1.2.4 面向对象模型面向对象模型n面向对象的定义是指无论怎样复杂的事例都可面向对象的定义是指无论怎样复杂的事例都可以准确地由一个对象表示。每个对象都是包含以准确地由一个对象表示。每个对象都是包含了数据集和操作集的实体，即是说，面向对象了数据集和操作集的实体，即是说，面向对象的模型具有封装性的特点。的模型具有封装性的特点。n1.1.面向对象模型的概念面向对象模型的概念 n2.2.面向对象数据库（面向对象数据库（OODBOODB）模型的特征）模型的特征 n3.3.面向对象数据库的设计方法面向对象数据库的设计方法 n4.GIS4.GIS中的面向对象模型中的面向对象模型 1.1.面向对象模型的概念面向对象模型的概念 n(1)(1)对象与封装性（对象与封装性（encapsulationencapsulation）n一一个个对对象象是是由由描描述述该该对对象象状状态态的的一一组组数数据据和和表表达达它它的的行行为为的的一一组组操操作作（方方法法）组组成成的的。可可见见，对对象是数据和行为的统一体。象是数据和行为的统一体。n一个对象一个对象object定义：定义：object=（ID，S，M）其中，其中，ID为对象标识，为对象标识，M为方法集，为方法集，S为对为对象的内部状态，它可以是属性值，亦可以是象的内部状态，它可以是属性值，亦可以是另一组对象的集合。另一组对象的集合。n2.2.分类分类 n类是关于同类对象的集合，具有相同属性和操作的类是关于同类对象的集合，具有相同属性和操作的对象组合在一起。属于同一类的所有对象共享相同对象组合在一起。属于同一类的所有对象共享相同的属性项和操作方法，每个对象都是这个类的一个的属性项和操作方法，每个对象都是这个类的一个实例，即每个对象可能有不同的属性值。可以用一实例，即每个对象可能有不同的属性值。可以用一个三元组来建立一个类型个三元组来建立一个类型 class=（CID，CS，CM）其其中中，CID为为类类标标识识或或类类型型名名，CS为为状状态态描描述述部部分分，CM为应用于该类的操作。因此为应用于该类的操作。因此S CS和和M CM 当当object class 每每个个类类型型定定义义一一组组操操作作，供供该该类类中中每每个个对对象象应应用用；每个对象的内部状态（属性值）不完全相同。每个对象的内部状态（属性值）不完全相同。n3.3.概括概括(generalization(generalization）n超超类类：在在定定义义类类型型时时，将将几几种种类类型型中中某某些些具具有有公公共共特特征征的的属属性性和和操操作作抽抽象象出出来来，形形成成一一种种更更一一般般的的超超类。设有两种类型：类。设有两种类型：class1=（CID1，CSA，CSB，CMA，CMB）class2=（CID2，CSA，CSC，CMA，CMc）可可形形成成一一种种超超类类：Superclass（CID，CSA，CMA）其中其中SID为超类的标识号为超类的标识号,此时此时 class1=（CID1，CSB，CMB）class2=（CID2，CSC，CMC）class1和和class2称称为为Superclass的的子子类类（Subclass）。）。一个类可能是某个或某几个超类的子类，同时一个类可能是某个或某几个超类的子类，同时又可能是几个子类的超类。又可能是几个子类的超类。n概概括括：建建立立超超类类实实际际上上是是一一种种概概括括，避避免免了了说明和存贮上的大量冗余。说明和存贮上的大量冗余。n继承：是一种服务于概括的工具。由于超类继承：是一种服务于概括的工具。由于超类和子类的分开表示，在获取子类对象的状态和子类的分开表示，在获取子类对象的状态和操作时，利用继承工具可以自动得到子类和操作时，利用继承工具可以自动得到子类的超类的状态和操作。的超类的状态和操作。n4.4.联合联合(association)(association)n在定义对象时，将同一类对象中的几个具有相同属在定义对象时，将同一类对象中的几个具有相同属性值的对象组合起来，为了避免重复，设立一个更性值的对象组合起来，为了避免重复，设立一个更高水平的对象表示那些相同的属性值。高水平的对象表示那些相同的属性值。设有两个对象：设有两个对象：object1=（ID1，SA，SB，M）object2=（ID2，SA，SC，M）可设立一个新对象：可设立一个新对象：object3=（ID3，SA，object1，object2，M）此时，此时，object1和和object2可变为：可变为：object1=（ID1，SB，M）object1=（ID2，SC，M）object1和和object2称为称为“分子对象分子对象”，它们的联合，它们的联合object3称为称为“组合对象组合对象”。n5.5.聚集聚集n聚集是将几个不同特征的对象组合成一个更高水平的对象。聚集是将几个不同特征的对象组合成一个更高水平的对象。每个不同特征的对象是该复合对象的一部分，它们有自己的每个不同特征的对象是该复合对象的一部分，它们有自己的属性描述数据和操作，这些是不能为复合对象所公用的，但属性描述数据和操作，这些是不能为复合对象所公用的，但复合对象可以从它们那里派生得到一些信息。如弧段聚集成复合对象可以从它们那里派生得到一些信息。如弧段聚集成线状地物或面状地物，简单地物组成复杂地物线状地物或面状地物，简单地物组成复杂地物设有两种不同特征的分子对象设有两种不同特征的分子对象 object1=（ID1，S1，M1）object2=（ID2，S2，M2）用它们组成一个新的复合对象用它们组成一个新的复合对象object3=（ID3，S3，object1（Su），object2（Sv），M3）其中，其中，Su S1，Sv S2。复合对象复合对象Object3拥有自己的属性值和操作，仅从分子对拥有自己的属性值和操作，仅从分子对象（象（object1和和object2）中提取部分属性值，且一般不继承）中提取部分属性值，且一般不继承子对象的操作。子对象的操作。n在联合和聚集这两种对象中，是用在联合和聚集这两种对象中，是用“传播传播”作为传递子对象的属性到复杂对象的工具。作为传递子对象的属性到复杂对象的工具。即是说，复杂对象的某些属性值不单独存于即是说，复杂对象的某些属性值不单独存于数据库中，而是从它的子对象中提取或派生。数据库中，而是从它的子对象中提取或派生。如，一个多边形的位置坐标数据，并不直接如，一个多边形的位置坐标数据，并不直接存于多边形文件中，而是存于弧段和结点文存于多边形文件中，而是存于弧段和结点文件中，多边形文件仅提供一种组合对象的功件中，多边形文件仅提供一种组合对象的功能和机制，通过建立聚集对象，借助于传播能和机制，通过建立聚集对象，借助于传播的工具可以得到多边形的位置信息。的工具可以得到多边形的位置信息。2.2.面向对象数据库（面向对象数据库（OODBOODB）模型的特征）模型的特征 n（1 1）对对象象和和对对象象标标识识符符：任任一一现现实实世世界界中中的的实实体体都都模拟成一个对象，由唯一对象标识符与之对应。模拟成一个对象，由唯一对象标识符与之对应。n（2 2）属属性性和和方方法法：属属性性有有单单值值的的，也也有有多多值值的的。属属性性不不受受第第一一范范式式的的约约束束，不不必必是是原原子子的的，可可是是另另一一个对象。方法是作用在对象上的方法集合。个对象。方法是作用在对象上的方法集合。n（3 3）类：同一类对象共用相同的属性集和方法集。）类：同一类对象共用相同的属性集和方法集。n（4 4）类类层层次次和和继继承承：类类是是低低层层次次的的概概括括；而而子子类类继继承承了了高高层层次次类类的的所所有有属属性性和和方方法法，亦亦有有自自己己特特有有的的属性和方法。属性和方法。3.3.面向对象数据库的设计方法面向对象数据库的设计方法n（1 1）确定对象及对象类）确定对象及对象类na从从真真实实世世界界中中抽抽取取有有意意义义的的物物体体和和概概念念作作为为对象，并将某类作为数据库系统的基础类；对象，并将某类作为数据库系统的基础类；nb根根据据数数据据抽抽象象化化的的原原则则，如如果果表表示示一一组组物物体体的的对对象象集集合合具具备备系系统统所所需需要要的的相相似似特特性性和和操操作作，那么该集合应用类来表示。那么该集合应用类来表示。n（2 2）确定操作）确定操作n要要详详细细分分析析系系统统的的需需求求，研研究究对对各各类类对对象象起起作作用用的的操操作作，包包括括对对象象自自身身的的操操作作和和该该对对象象对对另另一一类类对对象象起作用的操作。起作用的操作。na构构造造操操作作又又称称创创建建操操作作：在在OODB中中产产生生该该类类的一个新的对象或实例，并赋予属性值。的一个新的对象或实例，并赋予属性值。nb访访问问操操作作：提提供供附附加加访访问问的的功功能能，能能产产生生该该类类的实例的某些特征。的实例的某些特征。n c变更操作：用来改变特定对象的属性值。变更操作：用来改变特定对象的属性值。4.GIS4.GIS中的面向对象模型中的面向对象模型n（1 1）空间地物的几何数据模型）空间地物的几何数据模型n从从几几何何方方面面划划分分GISGIS的的各各种种地地物物可可抽抽象象为为：点点状状地地物物、线线状状地地物物、面面状状地地物物以以及及由由它它们们混混合合组组成成的的复复杂杂地地物物。每每一一种种几几何何地地物物又又可可能能由由一一些些更更简简单单的的几几何图形元素构成。何图形元素构成。n例例如如，一一个个面面状状地地物物是是由由周周边边弧弧段段和和中中间间面面域域组组成成，弧弧段段又又涉涉及及到到结结点点和和中中间间点点坐坐标标。或或者者说说，结结点点的的坐坐标标传传播播给给弧弧段段，弧弧段段聚聚集集成成线线状状地地物物或或面面状状地地物物，简单地物组成复杂地物。简单地物组成复杂地物。4.GIS4.GIS中的面向对象模型中的面向对象模型空间地物点状地物节点线装地物弧段面域面状地物复杂地物简单地物n（2 2）拓朴关系与面向对象模型）拓朴关系与面向对象模型n通通常常地地物物之之间间的的相相邻邻和和关关联联关关系系可可通通过过公公共共结结点点、公公共共弧弧段段的的数数据据共共享享来来隐隐含含表表达达。在在面面向向对对象象数数据据模模型型中中，数数据据共共享享是是其其重重要要的的特特征征。将将每每条条弧弧段段的的两两个个端端点点（通通常常它它们们与与另另外外的的弧弧段段公公用用）抽抽象象出出来来，建建立立一一个个单单独独的的结结点点对对象象类类型型，而而在在弧弧段段的的数数据据文文件件中中，设设立立两两个个结结点点子子对对象象标标识识号号，即即用用“传传播播”的工具提取结点文件的信息，如图所示。的工具提取结点文件的信息，如图所示。n这一模型既解决了数据共享问题，又建立了这一模型既解决了数据共享问题，又建立了弧段与结点的拓朴关系。同样，面状地物对弧段与结点的拓朴关系。同样，面状地物对弧段的聚集方式与数据共享，几何拓朴关系弧段的聚集方式与数据共享，几何拓朴关系的建立亦达到一致。的建立亦达到一致。n（2 2）拓朴关系与面向对象模型）拓朴关系与面向对象模型区标识弧段标识结点标识XYZ1211110090100222,24,25,23129085120323136088110424,26,28145582150525,26,2715308013016522090弧标识起结点终结点中间点串211111221215231313241412251514261614271615281612图 拓扑关系与数据共享区域文件节点文件弧段文件n（3 3）面向对象的属性数据模型）面向对象的属性数据模型n关系数据模型和关系数据库管理系统基本上关系数据模型和关系数据库管理系统基本上适应于适应于GISGIS中属性数据的表达与管理。若采中属性数据的表达与管理。若采用面向对象数据模型，语义将更加丰富，层用面向对象数据模型，语义将更加丰富，层次关系也更明了。可以说，面向对象数据模次关系也更明了。可以说，面向对象数据模型是在包含关系数据库管理系统的功能基础型是在包含关系数据库管理系统的功能基础上，增加面向对象数据模型的封装、继承、上，增加面向对象数据模型的封装、继承、信息传播等功能。信息传播等功能。n如土地利用管理如土地利用管理GISGIS的目标可分为耕地、园地、林地、的目标可分为耕地、园地、林地、牧草地、居民点、交通用地、水域、和未利用地等几牧草地、居民点、交通用地、水域、和未利用地等几大类，地物类型的每一大类又可以进一步分类，如居大类，地物类型的每一大类又可以进一步分类，如居民点可再分为城镇、农村居民点、工矿用地等子类。民点可再分为城镇、农村居民点、工矿用地等子类。另外，根据需要还可将具有相同属性和操作的类型综另外，根据需要还可将具有相同属性和操作的类型综合成一个超类。例如工厂、农场、商店、饭店属于产合成一个超类。例如工厂、农场、商店、饭店属于产业，它有收入和税收等属性，可把它们概括成一个更业，它有收入和税收等属性，可把它们概括成一个更高水平的超类产业类。由于产业可能不仅与建筑物高水平的超类产业类。由于产业可能不仅与建筑物有关，还可能包含其它类型如土地等。所以可将产业有关，还可能包含其它类型如土地等。所以可将产业类设计成一个独立的类，通过行政管理数据库来管理。类设计成一个独立的类，通过行政管理数据库来管理。在整个系统中，可采用双重继承工具，当要查询饭店在整个系统中，可采用双重继承工具，当要查询饭店类的信息时，既要能够继承建筑物类的属性与操作，类的信息时，既要能够继承建筑物类的属性与操作，又要继承产业类的属性与操作。又要继承产业类的属性与操作。面向对象的数据库示例面向对象的数据库示例n属性数据管理中也需用到聚集的概念和属性数据管理中也需用到聚集的概念和传播的工具。例如，在饭店类中，可能传播的工具。例如，在饭店类中，可能不直接存储职工总人数、房间总数和床不直接存储职工总人数、房间总数和床位总数等信息，它可能从该饭店的子对位总数等信息，它可能从该饭店的子对象职员数据库、房间床位数据库等数据象职员数据库、房间床位数据库等数据库中派生得到。库中派生得到。面向对象的数据库示例面向对象的数据库示例面向对象的数据库示例面向对象的数据库示例GIS林地耕地园地牧草地居民点交通用地水域未用地城镇农村居民点工矿用地控制点街道公园电力设施建筑物操作：查询、插入、删除属性：标志码、区号医院学校居民住宅饭店工厂商店银行邮局1.3 1.3 数据库设计的三个步骤数据库设计的三个步骤n1.3.1 1.3.1 数据库设计的三个步骤数据库设计的三个步骤n1.3.2 ER1.3.2 ER模型模型 n1.3.3 1.3.3 用象形图扩展用象形图扩展ERER模型模型 1.3.1 1.3.1 数据库设计的三个步骤数据库设计的三个步骤n第一步：采用高层次的概念数据模型第一步：采用高层次的概念数据模型（conceptual data modelconceptual data model）来组织所有与）来组织所有与应用相关的可用信息。应用相关的可用信息。n在概念层上，重点关注应用的数据类型及其联在概念层上，重点关注应用的数据类型及其联系和约束。系和约束。n设计过程的这个阶段不考虑具体实现细节。设计过程的这个阶段不考虑具体实现细节。n概念模型通常用浅显文字，结合简单一致的图概念模型通常用浅显文字，结合简单一致的图形符号形符号(实体实体-联系模型，联系模型，entity entity relationship,ER)relationship,ER)来表示。来表示。n第二步，也称为逻辑建模阶段，与概念数第二步，也称为逻辑建模阶段，与概念数据模型在商用据模型在商用DBMSDBMS上的具体实现有关。上的具体实现有关。n商用商用DBMSDBMS中的数据由实现模型来组织。实现中的数据由实现模型来组织。实现模型的例子有：层次模型、网状模型和关系模型的例子有：层次模型、网状模型和关系模型。模型。n第三步：是物理设计的建模，它解决数据第三步：是物理设计的建模，它解决数据库应用在计算机中具体实现时方方面面细库应用在计算机中具体实现时方方面面细节。节。1.3.2 ER1.3.2 ER模型模型nERER模型是最为流行的建模工具之一。模型是最为流行的建模工具之一。n实体和属性实体和属性n实体是物理上或者概念上独立存在的事物或对象。实体是物理上或者概念上独立存在的事物或对象。n实体由属性来刻画性质，属性可以是单值或多值的。实体由属性来刻画性质，属性可以是单值或多值的。n联系联系n一对一（一对一（1111）n在一对一的联系中，一个实体中每个实例只能与其他参与实在一对一的联系中，一个实体中每个实例只能与其他参与实体的一个实例相联系。体的一个实例相联系。n例如，实体例如，实体MANAGERMANAGER和和FORESTFOREST之间的联系之间的联系managesmanages就是一个一就是一个一对一的联系。对一的联系。n多对一（多对一（M1M1）n多对一联系可将一个实体的多个实例与另一个参多对一联系可将一个实体的多个实例与另一个参与该联系的实体的一个实例相连接。与该联系的实体的一个实例相连接。nBelongs_toBelongs_to是实体是实体FACILITYFACILITY与与FORESTFOREST之间的一个之间的一个多对一联系，这里假定每个设施仅仅属于一个森多对一联系，这里假定每个设施仅仅属于一个森林，但每个森林可以有多个设施。林，但每个森林可以有多个设施。n多对多（多对多（MNMN）n一个实体的多个实例会与另一个参与该联系的实一个实体的多个实例会与另一个参与该联系的实体的多个实例相联系。体的多个实例相联系。n实体实体RIVERRIVER和和FACILITYFACILITY之间的联系之间的联系supplies_water_tosupplies_water_to正是这样的一个联系。正是这样的一个联系。nERER图图1.3.3 1.3.3 用象形图扩展用象形图扩展ERER模型模型n实体象形图实体象形图 n（1 1）象形图）象形图 n象形图是一种将对象插在方框内的微缩图表示，这些微缩图象形图是一种将对象插在方框内的微缩图表示，这些微缩图用来扩展用来扩展ERER图，并插到实体矩形框中的适当位置。图，并插到实体矩形框中的适当位置。n（2 2）形状）形状 n形状是象形图中的基本图形元素，它代表着空间数据模型中形状是象形图中的基本图形元素，它代表着空间数据模型中的元素。的元素。n一个模型元素可以是基本形状、复合形状、导出形状或备选一个模型元素可以是基本形状、复合形状、导出形状或备选形状。形状。n（3 3）基本形状）基本形状 /基本形状的语法点/线面基本形状的象形图n（4 4）复合形状）复合形状 n为了处理那些不能用某个基本形状表示的对象，为了处理那些不能用某个基本形状表示的对象，可以定义了一组聚合的形状，并用基数来量化这可以定义了一组聚合的形状，并用基数来量化这些复合形状。些复合形状。n（5 5）导出形状）导出形状 n如果一个对象的形状是由其他对象的形状导出的，如果一个对象的形状是由其他对象的形状导出的，那么就用斜体形式来表示这个象形图。那么就用斜体形式来表示这个象形图。0.111,n基数的语法 0，n n使用了基数的多重形状的象形图0,nn基本形状的语法/导出形状的象形图n（6 6）备选形状）备选形状n备选形状可以用于表示某种条件下的同一个对象。备选形状可以用于表示某种条件下的同一个对象。n例如，根据比例尺，一条河流可以表示成一个多边形或一例如，根据比例尺，一条河流可以表示成一个多边形或一条线。条线。n n 备选形状的语法备选形状的语法 nn 备选形状的象形图备选形状的象形图 n（7 7）任意形状）任意形状n对于形状的组合，可以用通配符（对于形状的组合，可以用通配符（*）表示，它表示各种）表示，它表示各种形状。形状。n例如，一个灌溉网是由泵站（点）、水渠（线）以及水库例如，一个灌溉网是由泵站（点）、水渠（线）以及水库（多边形）所组成的。（多边形）所组成的。*n（8 8）用户自定义形状）用户自定义形状 n除了点、线和多边形这些基本形状外，用户还可以定义自除了点、线和多边形这些基本形状外，用户还可以定义自己的形状。己的形状。n例如，为了表达更多的信息，用户可能更愿意使用感叹号例如，为了表达更多的信息，用户可能更愿意使用感叹号之类的象形图来表示灌溉网。之类的象形图来表示灌溉网。n联系象形图联系象形图n联系象形图用来构建实体间联系的模型。联系象形图用来构建实体间联系的模型。n例如，例如，part-ofpart-of用于构建道路与路网之间联系的模用于构建道路与路网之间联系的模型，或是用于把森林划分成林分的建模。型，或是用于把森林划分成林分的建模。n Part_ofPart_of（网络）（网络）Part_ofPart_of（分区）（分区）n 联系的象形图联系的象形图 带象形符号的带象形符号的ERER图图 1.4 1.4 新型数据库系统新型数据库系统n1.4.1 1.4.1 分布式数据库分布式数据库 n1.4.2 1.4.2 专家数据库专家数据库 n1.4.3 1.4.3 演绎数据库演绎数据库 n1.4.4 1.4.4 多媒体数据库多媒体数据库 n1.4.5 1.4.5 工程数据库工程数据库n1.4.6 1.4.6 空间数据库空间数据库 n1.4.7 1.4.7 时态数据库时态数据库 n1.4.8 1.4.8 实时数据库实时数据库 1.4.1 1.4.1 分布式数据库分布式数据库n(1)(1)分布式数据库的特色分布式数据库的特色 n(2)(2)使用分布式数据库的原因使用分布式数据库的原因 n(3)(3)分布式数据库的体系结构所包含的分布式数据库的体系结构所包含的 基本部件基本部件 1.1.分布式数据库的特色分布式数据库的特色n（1 1）地方自治性：在集中式数据库中非常强调）地方自治性：在集中式数据库中非常强调对全局的集中控制，而在分布式数据库中不强对全局的集中控制，而在分布式数据库中不强调全局的集中控制，而强调各结点的地方自治。调全局的集中控制，而强调各结点的地方自治。这给每一结点相当的独立性。这给每一结点相当的独立性。n（2 2）相互协作性：地方自治是分布式数据库特）相互协作性：地方自治是分布式数据库特色的一个方面，光有这一方面是远远不够的，色的一个方面，光有这一方面是远远不够的，更重要的是当某结点的事务需要存取他结点的更重要的是当某结点的事务需要存取他结点的数据时，更需要各结点间相互协作，相互配合。数据时，更需要各结点间相互协作，相互配合。这种协作是平等关系的协作。这种协作是平等关系的协作。1.1.分布式数据库的特色分布式数据库的特色n（3 3）位置透明性：位置透明性意味着用）位置透明性：位置透明性意味着用户使用数据时，无须了解所存取的数据所户使用数据时，无须了解所存取的数据所在位置。这一位置信息是由系统通过全局在位置。这一位置信息是由系统通过全局目录而获得，并由系统决定是在本结点自目录而获得，并由系统决定是在本结点自治处理，还是通过网络存取他结点的数据。治处理，还是通过网络存取他结点的数据。这种透明性简化了应用程序，大大方便了这种透明性简化了应用程序，大大方便了用户。它是分布式数据库的主要目标之一。用户。它是分布式数据库的主要目标之一。1.1.分布式数据库的特色分布式数据库的特色n（4 4）副本的透明性：在集中式数据库中减少冗余是它）副本的透明性：在集中式数据库中减少冗余是它的主要目标之一，但在分布式数据库中出于性能和效率的主要目标之一，但在分布式数据库中出于性能和效率方面的考虑，有时需要在不同结点存放同一数据库的几方面的考虑，有时需要在不同结点存放同一数据库的几个副本。这主要考虑到下述两个因素和背景。一是应用个副本。这主要考虑到下述两个因素和背景。一是应用的局部性，在分布环境下，为了减少网上的传输，提高的局部性，在分布环境下，为了减少网上的传输，提高效率，确定了一个处理原则，即能在本地区处理的事务效率，确定了一个处理原则，即能在本地区处理的事务不申请网上的传输。因而重复存放副本就是自然的策略；不申请网上的传输。因而重复存放副本就是自然的策略；二是系统的可行性，在分布环境下，一个结点出现了故二是系统的可行性，在分布环境下，一个结点出现了故障，不影响整个系统的运行。需要在某地区获得的数据，障，不影响整个系统的运行。需要在某地区获得的数据，可在其他结点获得。在这种情况下，副本提高了系统的可在其他结点获得。在这种情况下，副本提高了系统的可靠性、可用性。可靠性、可用性。2.2.使用分布式数据库的原因使用分布式数据库的原因n（1 1）组织和经济上的需要；很多部门的组织结构是分）组织和经济上的需要；很多部门的组织结构是分散的，分布式数据库更加符合这种状态的自然结构。随散的，分布式数据库更加符合这种状态的自然结构。随着计算机技术的发展，经济方面的因素使得人们怀疑集着计算机技术的发展，经济方面的因素使得人们怀疑集中式计算机中心是否合适。而分布式数据库可以灵活地中式计算机中心是否合适。而分布式数据库可以灵活地根据经济条件逐步投资。这是发展分布式数据库最重要根据经济条件逐步投资。这是发展分布式数据库最重要的原因。的原因。n（2 2）如何充分利用已有的数据资源；在很多情况下，）如何充分利用已有的数据资源；在很多情况下，一些部门已有一些分散的、独立的集中式数据库，而应一些部门已有一些分散的、独立的集中式数据库，而应用要求有一个全局的信息系统，统一各分散的独立的数用要求有一个全局的信息系统，统一各分散的独立的数据库，分布式数据库正好符合这种需要。据库，分布式数据库正好符合这种需要。2.2.使用分布式数据库的原因使用分布式数据库的原因n（3 3）新的功能和结构增长；如果一个部门需增）新的功能和结构增长；如果一个部门需增加新的结构和应用，如银行开设新的支行，新加新的结构和应用，如银行开设新的支行，新的仓库的增加的增加，分布式数据库可适应这的仓库的增加的增加，分布式数据库可适应这种增长，能平稳地增加现有的数据和程序，而种增长，能平稳地增加现有的数据和程序，而对系统影响最小。集中式数据库在设计开始就对系统影响最小。集中式数据库在设计开始就确定了应用的目标和规模，以后的扩展是很困确定了应用的目标和规模，以后的扩展是很困难的，扩展的代价和复杂度都难令人接受。这难的，扩展的代价和复杂度都难令人接受。这里指的是整体而非局部的模型的改变。里指的是整体而非局部的模型的改变。2.2.使用分布式数据库的原因使用分布式数据库的原因n（4 4）通讯开销：没有全局设计和优化的一般网络数据）通讯开销：没有全局设计和优化的一般网络数据库，其通讯开销是很大的。因为次环境下没有全局字典，库，其通讯开销是很大的。因为次环境下没有全局字典，也没有从整体出发的分布式数据库的存储布局、物理分也没有从整体出发的分布式数据库的存储布局、物理分片、查询优化，因而效率是很低的，而网上开销又大。片、查询优化，因而效率是很低的，而网上开销又大。n（5 5）小型计算机的发展：它提供较低的成本与大型机）小型计算机的发展：它提供较低的成本与大型机相当的功能。这是发展分布式数据库的硬件条件之一。相当的功能。这是发展分布式数据库的硬件条件之一。n（6 6）网络技术的商品化：近些年，网络技术发展很快，）网络技术的商品化：近些年，网络技术发展很快，各种商品化的性能较优的网络产品不断进入市场。这是各种商品化的性能较优的网络产品不断进入市场。这是实现分布式数据库的硬件条件之二。实现分布式数据库的硬件条件之二。3.3.分布式数据库的体系结构所包分布式数据库的体系结构所包含的基本部件含的基本部件n（1 1）数据库管理）数据库管理DBDB系统，即集中式数据库管理系统系统，即集中式数据库管理系统DBMSDBMS；n（2 2）数据通讯子）数据通讯子DCDC系统；系统；n（3 3）全局数据字典）全局数据字典DDDD（有关网上的数据分布）；（有关网上的数据分布）；n（4 4）分布式数据库管理）分布式数据库管理DDBDDB系统，即负责分布处理的数系统，即负责分布处理的数据管理。据管理。n上述四部分合起来称为分布式数据库管理系统上述四部分合起来称为分布式数据库管理系统DDBMSDDBMS（Distributed Database Management SystemsDistributed Database Management Systems）。）。DDBMSDDBMS提供的典型功能：（提供的典型功能：（1 1）存取其他结点的数据；）存取其他结点的数据；（2 2）分布透明性；（）分布透明性；（3 3）支持数据库管理和控制；）支持数据库管理和控制；（4 4）对分布事物的并发控制和恢复等。）对分布事物的并发控制和恢复等。1.4.2 1.4.2 专家数据库专家数据库n人工智能是研究计算机模拟人的大脑和模拟人人工智能是研究计算机模拟人的大脑和模拟人的活动的一门科学，因此逻辑推理和判断是其的活动的一门科学，因此逻辑推理和判断是其最主要的特长，但对于信息检索则效率很低。最主要的特长，但对于信息检索则效率很低。数据库技术是数据处理的最先进的技术，对于数据库技术是数据处理的最先进的技术，对于信息检索有其独特的优势，但对于逻辑推理却信息检索有其独特的优势，但对于逻辑推理却无能为力。专家数据库是人工智能与数据库技无能为力。专家数据库是人工智能与数据库技术想结合的产物。它具有两种技术的优点，而术想结合的产物。它具有两种技术的优点，而避免了它们的缺点。它是一种新型的数据库系避免了它们的缺点。它是一种新型的数据库系统，它所涉及的技术除了人工智能和数据库以统，它所涉及的技术除了人工智能和数据库以外还有逻辑、信息检索等多种技术和知识。外还有逻辑、信息检索等多种技术和知识。1.1.人工智能的弱点人工智能的弱点n（1 1）人工智能系统中的知识库中只含有）人工智能系统中的知识库中只含有少量的规则和事实。这是不能进入实用少量的规则和事实。这是不能进入实用的原因之一。的原因之一。n（2 2）人工智能系统的效率极低，这是不）人工智能系统的效率极低，这是不能进入实用的原因之二。能进入实用的原因之二。2.2.传统数据库系统的弱点传统数据库系统的弱点n（1 1）不能进行逻辑推理和知识处理。）不能进行逻辑推理和知识处理。n（2 2）不能管理复杂的类型对象，如）不能管理复杂的类型对象，如CADCAD，CAMCAM，RLSIRLSI，CASECASE等。等。3.3.专家数据库的研究目标专家数据库的研究目标n（1 1）专家数据库中不仅包含大量的事实，而）专家数据库中不仅包含大量的事实，而且应包含大量的规则。且应包含大量的规则。n（2 2）专家数据库系统应具有较高的检索和推）专家数据库系统应具有较高的检索和推理效率，满足实时要求。理效率，满足实时要求。n（3 3）专家数据库应不仅检索，而且能推理。）专家数据库应不仅检索，而且能推理。n（4 4）专家数据库应能管理复杂的类型对象如）专家数据库应能管理复杂的类型对象如CADCAD，CAMCAM，CASECASE等。等。n（5 5）专家数据库应能进行模糊检索。）专家数据库应能进行模糊检索。4 4专家系统的研究成果专家系统的研究成果n（1 1）智能数据库接口：这是比较模糊的说法，）智能数据库接口：这是比较模糊的说法，并没有准确的定义，主要的几点有：自然语言并没有准确的定义，主要的几点有：自然语言输入理解；多媒体声图文一体化用户接口；不输入理解；多媒体声图文一体化用户接口；不确定推理。确定推理。n（2 2）知识数据模型的发展：传统的数据模型）知识数据模型的发展：传统的数据模型中没有关于知识的描述，专家数据库既要处理中没有关于知识的描述，专家数据库既要处理数据，又要处理知识，数据模型中当然要反映数据，又要处理知识，数据模型中当然要反映出来，因此提出知识数据模型。知识数据模型出来，因此提出知识数据模型。知识数据模型要扩展数据模型，使新系统能处理复杂的对象，要扩展数据模型，使新系统能处理复杂的对象，如时态、特殊坐标、事件、活动等。知识数据如时态、特殊坐标、事件、活动等。知识数据库系统要求存取动态数据库，以辅助问题求解。库系统要求存取动态数据库，以辅助问题求解。知识数据模型还有研究工具和方法论。知识数据模型还有研究工具和方法论。4 4专家系统的研究成果专家系统的研究成果n（3 3）存储模型：传统人工智能系统在存储上）存储模型：传统人工智能系统在存储上是非常落后的、原始的，未采用现代数据存储是非常落后的、原始的，未采用现代数据存储和存取技术。因此不仅只能处理少量规则和事和存取技术。因此不仅只能处理少量规则和事实，而且效率极低。近些年吸取了数据处理的实，而且效率极低。近些年吸取了数据处理的先进技术，取得了如下进展：先进技术，取得了如下进展：将内存模式将内存模式（全部事实和规则都进内存）改为内外存交互（全部事实和规则都进内存）改为内外存交互模式，即采用缓冲区技术。模式，即采用缓冲区技术。将规则、模式、将规则、模式、数据、黑板等存在磁盘上。数据、黑板等存在磁盘上。可有效存取大型可有效存取大型数据库和知识库。数据库和知识库。不用其他逻辑方法，紧紧不用其他逻辑方法，紧紧抓住带有递归的抓住带有递归的HornHorn子句逻辑作设计语言的基子句逻辑作设计语言的基础础捕捉规则寻找规则捕捉规则寻找规则/目标树。目标树。提出了对提出了对数据库进行查询数据库进行查询/子查询的优化方法子查询的优化方法DATA-DATA-LOGLOG的评价。的评价。1.4.3 1.4.3 演绎数据库演绎数据库n演绎数据库是将逻辑程序设计思想和关系演绎数据库是将逻辑程序设计思想和关系数据库思想结合起来数据库思想结合起来 n1 1演绎数据库的基本概念演绎数据库的基本概念 n2 2演绎数据库的基本结构演绎数据库的基本结构 n3 3演绎数据库的研究现状演绎数据库的研究现状 n3 3演绎数据库、知识库与智能数据库演绎数据库、知识库与智能数据库 1.1.演绎数据库的基本概念演绎数据库的基本概念n演绎的含义是根据已知的事实和规则进行推理，回答演绎的含义是根据已知的事实和规则进行推理，回答用户提出的各种问题。演绎数据库也被称为逻辑数据用户提出的各种问题。演绎数据库也被称为逻辑数据库演绎关系数据库或虚关系数据库。换言之，它们具库演绎关系数据库或虚关系数据库。换言之，它们具有很强的推理能力，这种推理能力起源于人工智能的有很强的推理能力，这种推理能力起源于人工智能的研究。研究。n演绎数据库可包含三方面内容；实数据（事实）、规演绎数据库可包含三方面内容；实数据（事实）、规则及虚数据。虚数据系根据已知的实数据经使用规则则及虚数据。虚数据系根据已知的实数据经使用规则推理而得到的，它不必存放在数据库中。推理而得到的，它不必存放在数据库中。n演绎数据库可获得远远多于传统数据库中的数据，但演绎数据库可获得远远多于传统数据库中的数据，但其占有的实际物理空间与传统数据库差不多。而且还其占有的实际物理空间与传统数据库差不多。而且还具有易维护、易扩充、冗余度小和数据录入量少等优具有易维护、易扩充、冗余度小和数据录入量少等优点。点。2 2演绎数据库的基本结构演绎数据库的基本结构n演绎数据库由三部分组成；演绎数据库由三部分组成；n（1 1）传统数据库管理）传统数据库管理 由于演绎数据库建立在由于演绎数据库建立在传统数据库之上，因此传统数据库是演绎数据传统数据库之上，因此传统数据库是演绎数据库的基础。库的基础。n（2 2）具有对一阶谓词逻辑进行推理的演绎结构）具有对一阶谓词逻辑进行推理的演绎结构 这是演绎数据库全部功能特色所在，推理功能这是演绎数据库全部功能特色所在，推理功能由此结构完成。由此结构完成。n（3 3）数据库与推理机构的接口）数据库与推理机构的接口 由于演绎结构由于演绎结构是逻辑的，而数据库是非逻辑的，因此必须有是逻辑的，而数据库是非逻辑的，因此必须有一个接口实现物理上的连接。一个接口实现物理上的连接。3 3演绎数据库的研究现状演绎数据库的研究现状n对演绎数据库的研究始于对演绎数据库的研究始于2020世纪世纪7070年代后期，年代后期，对它的研究分两个方面；数学模型和实现方法。对它的研究分两个方面；数学模型和实现方法。n（1 1）数学模型）数学模型n在演绎数据库中往往用证明论作为其实现的数在演绎数据库中往往用证明论作为其实现的数学模型。在证明论中，演绎数据库可视为一个学模型。在证明论中，演绎数据库可视为一个一阶谓词演算的公理系统。一个公理系统包括；一阶谓词演算的公理系统。一个公理系统包括；公理；一阶谓词演算公式；公理；一阶谓词演算公式；定理；有公理定理；有公理通过证明而获得的一阶谓词演算公式；通过证明而获得的一阶谓词演算公式；证明；证明；有公理经推理而得到定理的证明工程。有公理经推理而得到定理的证明工程。3 3演绎数据库的研究现状演绎数据库的研究现状n（2 2）实现方法）实现方法n