空间数据管理：空间数据库.ppt

数据库技术是计算机科学技术的一个重要分支。自1968年第一个商品化的数据库管理系统IMS问世以来，数据库技术得到了迅速发展。随着计算机应用的不断深入，数据库的重要性日益被人们认识，它已成为信息管理、办公自动化、计算机辅助设计等方面的主要手段。,第六章空间数据管理：空间数据库6-1数据库管理概述,一、数据库的基本概念1、数据库：（DataBase)是计算机系统对数据资源的一种管理技术，是存储在计算机内的有序结构的数据集合。逻辑单位：从应用的角度来观察数据，是从数据与其所描述的对象之间的关系来划分数据层次，一般可分为数据项、数据项组、记录、文件和数据库。物理单位：数据在存储介质上存储单位，一般可分为位（比特）、字节、字、块（物理记录）和卷。,第六章空间数据管理：空间数据库6-1数据库管理概述,第六章空间数据管理：空间数据库6-1数据库管理概述,2、数据库管理系统（DataBaseManagementSystem,DBMS)是一个帮助用户建立、使用和管理数据库的软件系统，如ORACLE、SQL、DBASE、FoxBase/ForPro、Access等。,数据库定义：全局逻辑数据结构定义、用户数据库定义、保密定义、信息格式定义。数据库管理：系统控制、数据库存取及更新管理、数据完整性及有效性控制、并发控制等。数据库维护：数据库建立、更新和数据库重编、数据库结构维护、数据库恢复以及性能监视等。数据库通信：与操作系统的联机处理、具有分时系统及远程作业控制的相应接口及通信口。,功能,第六章空间数据管理：空间数据库5-1数据库管理概述,3、数据库系统(DataBaseSystem)是指计算机系统中引进数据库后的系统构成。由数据库、数据库管理系统、数据库管理员和用户所组成。也就是说数据库系统是由支持数据库的硬件设备、软件系统、专业领域的数据群体和管理人员构成的计算机运行系统。数据库和数据管理系统是数据库系统的主要组成部分。前者是以一定的组织方式存储在一起的、相互关联的数据集合，是应用程序利用数据资源的基础。后者是用以管理数据库的软件，以保证数据库以最佳的方式、最少的重复和最快的速度为多种应用服务。,第六章空间数据管理：空间数据库6-1数据库管理概述,二、数据库系统的主要特征1、数据量大2、保存持久3、多用户共享4、可靠性5、数据独立性6、减少数据冗余7、数据的结构化,第六章空间数据管理：空间数据库6-1数据库管理概述,三、数据管理技术的发展（一）、人工管理（二）、文件管理系统,共享数据文件的文件处理系统,第六章空间数据管理：空间数据库6-1数据库管理概述,1、数据文件的类型数据文件按其数据组织方式可以划分为简单文件、顺序文件和索引文件3类。2、文件系统的特点文件的应用是计算机数据处理的重大进展。数据文件可以按名引用，应用程序通过文件管理系统与数据文件发生联系，数据的物理结构与逻辑结构间有了简单变换，简化了程序员的数据管理工作。同时，一个应用程序可以和几个数据文件发生联系，增加了数据处理的灵活性。存在问题：（1）数据冗余度大（2）相同数据间没有一致的保护措施（3）应用程序与数据结构互相依赖（4）增加了程序的复杂性,第六章空间数据管理：空间数据库6-1数据库管理概述,三、数据库管理系统数据库管理系统是在文件处理系统的基础上进一步发展的系统，在用户应用程序和数据文件之间起到了桥梁作用。它的最大优点是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，不必知道数据文件的物理存储结构。当数据文件的存储结构改变时，不必改变应用程序。,数据文件1,数据文件2,数据文件3,应用程序1,应用程序2,输出1,输出2,数据库管理系统,第六章空间数据管理：空间数据库6-1数据库管理概述,优点：（1）集中控制（2）数据可以共享（3）数据的独立性（4）易扩充新的数据库应用（5）用户直接访问数据库（6）冗余信息得到控制（7）多种用户观点缺点：（1）建立数据库的费用较高（2）添加内容时变得复杂（3）风险集中化,第六章空间数据管理：空间数据库6-2数据库系统的主要数据模型,根据数据库结构的不同划分为以下几种数据库模型：层次模型网络模型关系模型分布式模型面向对象模型,一、层次模型层次模型是数据处理中发展较早、技木上也比较成熟的一种数据模型。它的特点是将数据组织成有向有序的树结构。层次模型由处于不同层次的各个结点组成。除根结点外，其余各结点有且仅有一个上一层结点作为其“双亲”，而位于其下的较低一层的若干个结点作为其“子女”。结构中结点代表数据记录，连线描述位于不同结点数据间的从属关系(限定为一对多的关系)。,原始地图M,存在问题：1、由于层次结构的严格限制，对任何对象的查询必须始于其所在层次结构的根，使得低层次对象的处理效率较低，并难以进行反向查询。数据的更新涉及许多指针，插入和删除操作也比较复杂。母结点的删除意味着其下属所有子结点均被删除，必须慎用删除操作。2、不能表达多对多联系，并导致数据冗余度增加。3、数据独立性较差。,层次数据库将组织成一对多的关系结构，特别适用于文献目录、土壤分类、部门机构等分级数据的组织。,地图M的层次数据模型,二、网状模型网络数据模型是数据模型的另一种重要结构，它反映着显示世界中实体间更为复杂的联系，其基本特征是，结点数据间没有明确的从属关系，一个结点可与其它多个结点建立联系。网络模型用连接指令或指针来确定数据间的显式连接关系，是具有多对多类型的数据组织方式，网络模型将数据组织成有向图结构。结构中结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间的关系。,优点：是可以描述现实生活中极为常见的多对多的关系，其数据存贮效率高于层次模型，但其结构的复杂性限制了它在空间数据库中的应用。网络模型在一定程度上支持数据的重构，具有一定的数据独立性和共享特性，并且运行效率较高。适用于数据间相互关系非常复杂的情况。问题：1、由于数据间联系要通过指针表示，指针数据项的存在使数据量大大增加，当数据间关系复杂时指针部分会占大量数据库存贮空间。2、修改数据库中的数据，指针也必须随着变化。因此，网络数据库中指针的建立和维护可能成为相当大的额外负担。,三、关系模型,关系数据模型示意图,在层次与网络模型中，实体间的联系主要是通过指针来实现的，即把有联系的实体用指针连接起来。而关系模型则采用完全不同的方法。关系模型是根据数学概念建立的，实体本身的信息以及实体之间的联系均表现为二维表，这种表就称为关系。一个实体由若干个关系组成，而关系表的集合就构成为关系模型。关系模型不是人为地设置指针，而是由数据本身自然地建立它们之间的联系，并且用关系代数和关系运算来操纵数据，这就是关系模型的本质。,优点：1、能够以简单、灵活的方式表达现实世界中各种实体及其相互间关系，使用与维护也很方便。关系模型通过规范化的关系为用护提供一种简单的用户逻辑结构。所谓规范化，实质上就是使概念单一化，一个关系只描述一个概念，如果多于一个概念，就要将其分开来。2、关系模型具有严密的数学基础和操作代数基础如关系代数、关系演算等，可将关系分开，或将两个关系合并，使数据的操纵具有高度的灵活性；3、在关系数据模型中，数据间的关系具有对称性，因此，关系之间的寻找在正反两个方向上难度程度是一样的，而在其它模型如层次模型中从根结点出发寻找叶子的过程容易解决，相反的过程则很困难。,四、面向对象模型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。面向对象就是用某物(对象),是什么(类),有什么(对象的状态),能干什么(方法)的方式来描述程序的方法。1面向对象的概念（1）对象与封装性（Encapsulation）一个对象是由描述该对象状态的一组数据和表达它的行为的一组操作（方法）组成的。一个对象object可定义成一个三元组：object=（ID，S，M）其中，ID为对象标识，M为方法集，S为对象的内部状态,（2）分类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。可以用一个三元组来建立一个类型：class=（CID，CS，CM)其中，CID为类标识或类型名，CS为状态描述部分，CM为应用于该类的操作。显然有，SCS和M=CM当objectclass时,（3）概括(Generalization）在定义类型时，将几种类型中某些具有公共特征的属性和操作抽象出来，形成一种更一般的超类。例如，将GIS中的地物抽象为点状对象、线状对象、面状对象以及由这三种对象组成的复杂对象，因而这四种类型可以作为GIS中各种地物类型的超类。(4)继承继承是一种服务于概括的工具。在上述的概念中，子类的某些属性和操作来源于它的超类，也就是说可以将超类的属性和操作遗传给子类及子类的子类。,（6）联合(Association)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，设立一个更高水平的对象表示那些相同的属性值。（7）聚集(Aggregation)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。例如，弧段聚集成线状地物或面状地物，简单地物组成复杂地物。,面向对象其实是现实世界模型的自然延伸。现实世界中任何实体都可以看作是对象。对象之间通过消息相互作用。另外，现实世界中任何实体都可归属于某类事物，任何对象都是某一类事物的实例。现实世界中的对象均有属性和行为，映射到计算机程序上，属性则表示对象的数据，行为表示对象的方法（其作用是处理数据或同外界交互）。所谓封装，就是用一个自主式框架把对象的数据和方法联在一起形成一个整体。可以说，对象是支持封装的手段，是封装的基本单位。继承是指一个对象直接使用另一对象的属性和方法。事实上，我们遇到的很多实体都有继承的含义。例如，若把汽车看成一个实体，它可以分成多个子实体，如：卡车、公共汽车等。这些子实体都具有汽车的特性，因此，汽车是它们的父亲，而这些子实体则是汽车的孩子。,6-3地图数据模型总论,6.3.1地图数据的基本组成空间定位1、空间数据空间量度空间结构空间聚合专题属性数据(土壤类型、土地利用)2、非空间数据质量描述数据(名称等)3、时间因素,6.3.2图形数据的构模面条模型1、失量数据模型拓扑模型网格系统2、面片数据模型多边形系统6.3.3专题属性数据的构模常用的专题属性数据构模是关系数据模型,6.3.4、图形数据与专题属性数据的连接,1、图形数据与专题属性数据分别管理2.对通用DBMS扩展以增加空间数据的管理能力3属性数据与图形数据具有统一的结构4图形数据与属性数据自成体系,GIS中的数据大多数都是地理数据，它与通常意义上的数据相比，具有自己的特点：地理数据类型多样，各类型实体之间关系复杂，数据量很大，而且每个线状或面状地物的字节长度都不是等长的等等。地理数据的这些特点决定了利用目前流行的数据库系统直接管理地理空间数据，存在着明显的不足，GIS必须发展自己的数据库-空间数据库。,6.3.5GIS中空间数据库的组织方式,传统数据库与空间数据库的比较,空间数据库是一种应用于地理空间数据处理与信息分析领域的的数据库，它所管理的对象主要是地理空间数据(包括空间数据和非空间数据)。传统数据库系统管理地理空间数据的局限性：(1)传统数据库系统管理的是不连续的、相关性较小的数字和字符；而地理信息数据是连续的，并且具有很强的空间相关性。(2)传统数据库系统管理的实体类型较少，并且实体类型之间通常只有简单、固定的空间关系；而地理空间数据的实体类型繁多，实体类型之间存在着复杂的空间关系，并且还能产生新的关系(如拓扑关系)。(3)传统数据库系统存贮的数据通常为等长记录的数据；而地理空间数据通常由于不同空间目标的坐标串长度不定，具有变长记录，并且数据项也可能很大，很复杂。(4)传统数据库系统只操纵和查询文字和数字信息；而空间数据库中需要有大量的空间数据操作和查询，如相邻、连通、包含、叠加等。,6.3.5GIS中空间数据库的组织方式,现行空间数据库管理方案,基于文件与关系式数据库的空间数据混合管理方案基于关系式数据库的空间数据管理方案基于对象关系式数据库的空间数据管理方案。,目前，大多数商品化的GIS软件都不是采取传统的某一种单一的数据模型，也不是抛弃传统的数据模型，而是采用建立在关系数据库管理系统(RDBMS)基础上的综合的数据模型，归纳起来，主要有以下三种：,文件关系数据库混合管理方案,属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效；几何数据采用图形文件管理，功能较弱，特别是在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制方面，比商用数据库要逊色得多。空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。GIS软件：Arc/Info，MapInfo，GenMap等,早期,GIS用户界面,图形处理,DBMS,图形文件库,属性数据库,高级语言,ODBC协议,数据库开发,数据库开发,全关系式数据库管理方案,属性数据、几何数据同时采用关系式数据库进行管理空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快属间接存取，效率比DBMS的直接存取慢，特别是涉及空间查询、对象嵌套等复杂的空间操作GIS软件：System9，SmallWorld、Geovision等,对象关系数据库管理方案,对现有的关系数据库进行扩展，增加空间数据类型解决了空间数据变长记录的存储问题，由数据库软件商开发，效率较高用户不能根据GIS要求进行空间对象的再定义，因而不能将设计的拓扑结构进行存储GIS软件：TIGER，Geo+、GeoTropics等,