地理信息系统应用技术教案

第 5 次课
日期周次星期学时
一、本次教学目标
要求掌握数据库的基本概念，掌握传统数据库的数据模型：层次型、网络型、关系型，掌握空间数据库的组织方式：混合型、扩展型、统一型，了解面向对象数据库系统的基础理论。

二、内容纲要
第四章第一节数据库概述
一、数据库的定义
数据库（Database，简称DB）是按照一定结构组织的相关数据的集合，是在计算机存储设备上合理存放的相互关联的数据集。

地理信息系统的数据库（Geo-Database，即前面提到的空间数据库）是某区域内关于一定地理要素特征的数据集合。

空间数据库与一般数据库相比，具有以下特点：
(1)数据量大
(2)属性数据与空间数据紧密结合
(3)应用面广
二、数据库的主要特征
数据库方法与文件管理方法相比，具有更强的数据管理能力。

数据库具有以下主要特征：
1、数据集中控制
2、数据冗余度小
3、数据独立性
4、复杂的数据模型
5、数据保护
三、数据库的系统结构
数据库是一个复杂的系统。

数据库的基本结构可以分成三个层次：内模式、概念模式和外模式。

1、内模式：亦称存储模式，是数据库最内的一层，是对数据库在物理存储器上具
体实现的描述。

2、概念模式：概念模式是数据库的总框架，是对数据库中关于目标存储的逻辑结构和特性、基本操作、目标以及目标与操作的关系和依赖的描述，以及对数据的安全性、完整性等方面的定义。

3、外模式：亦称子模式，是数据库用户的数据视图。

它属于概念模式的一部分，描述用户数据的结构、类型、长度等。

四、数据组织方式
数据库据组织一般可以分为四级：字段、记录、数据表和数据库。

1、字段：是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、数据项等。

字段与现实世界实体的属性相对应，字段有一定的取值范围，称为域（Domain）。

2、记录：由若干相关联的字段组成。

记录是应用程序中输入–输出的逻辑单位。

为了唯一标识每个记录，就必须有记录标识符，也叫关键字。

记录标识符一般由记录中的第一个字段担任，唯一标识记录的关键字称主关键字（Primary Key），其他标识记录的关键字称为辅助关键字或二级关键字（Secondary Key）。

3、数据表：数据表是一给定类型的（逻辑）记录的全部具体值的集合。

4、数据库：是比数据表更大的数据组织形式。

五、数据间的逻辑联系
数据间的逻辑联系主要是指记录与记录之间的联系。

记录是现实世界中的实体的表示。

实体之间存在着一种或多种联系，这样的联系必然要反映到记录之间的联系上来。

数据之间的逻辑联系主要有三种：
1、一对一的联系：简记为1∶1。

2、一对多的联系（1∶N）：现实生活中一对多的联系比较常见。

3、多对多的联系（M∶N）：这是现实中最复杂的联系，在数据库中往往不能直接表示出来，而必须经过某种变换，使其分解成两个1∶N的联系来处理。

第二节传统数据库系统的数据模型
目前，数据库领域采用的数据模型有层次模型、网状模型和关系模型，其中应用最广泛的是关系模型。

一、层次模型
层次模型是数据处理中发展较早、技术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）。

层次模型反映了现实世界中实体间的层次关系，层次结构是众多空间对象的自然表达形式，并在一定程度上支持数据的重构。

但其应用时存在以下问题：
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。

父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、层次命令具有过程式性质，它要求用户了解数据的物理结构，并在数据操纵命令中显式地给出存取途径。

这提高了层次数据库使用的门坎，对用户的要求较高。

3、模拟多对多联系时导致物理存储上的冗余。

4、数据独立性较差。

二、网络模型
网络数据模型是数据模型的另一种重要结构，它反映了现实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。

但它应用时存在以下问题：
1、网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难。

它要求用户熟悉数据的逻辑结构，知道自身所处的位置。

2、网状数据操作命令具有过程式性质。

3、不直接支持对于层次结构的表达。

三、关系模型
关系模型是由E.F. Codd在20世纪70年代初首次引入到数据库领域中的。

关系模型是根据数学概念建立的，它把数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表形式。

此外，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。

在生活中表示实体间联系的最自然的途径就是二维表格。

表格是同类实体的各种属性的集合，在数学上把这种二维表格叫做关系。

二维表的表头，即表格的格式是关系内容的框架，这种框架叫做模式，也即数据表结构，关系由许多同类的实体所组成，每个实体对应于表中的一行，叫做一个元组或记录。

表中的每一列表示同一属性，叫做域。

一个实体可由若干关系组成，而关系表的集合就构成关系模型。

对这种数字化的模型，每个关系应满足下列条件：
①表中的每一列属性都是不能再分的基本字段；
②各列被指定一个相异的名字；
③各行（记录）相异，不能允许重复；
④行、列次序无关。

第三节GIS中空间数据库的组织方式
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具有工程性质的数据库，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）。

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，Relational Database Management System）基础上的综合的数据模型，归纳起来，主要有以下三种：一、混合结构模型（Hybrid Model）
混合结构模型的基本思想是用两个子系统分别存储和检索空间数据与属性数据，其中属性数据存储在常规的RDBMS中，几何数据存储在空间数据管理系统中，两个子系统之间使用一种标识符联系起来。

在检索目标时必须同时询问两个子系统，然后将它们的回答结合起来。

属这种模型的GIS软件有ArcInfo、MGE、MapInfo、GeneMap等。

二、扩展结构模型（Extended Model）
扩展结构模型采用同一DBMS（数据库管理系统，Database Management System）存储空间数据和属性数据。

其做法是在标准的关系数据库上增加空间数据管理层，即利用该层将地理结构查询语言（GeoSQL）转化成标准的SQL（结构化查询语言，Structural Query Language）查询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。

这种模型的代表性GIS软件有System 9，Small World等。

三、统一数据模型（Integrated Model）
这种综合数据模型不是基于标准的RDBMS，而是在开放型DBMS基础上扩充空间数据表达功能。

空间扩展完全包含在DBMS中，用户可以使用自己的基本抽象数据类型（ADT，Abstracted Data Type）来扩充DBMS。

在核心DBMS中进行数据类型的直接操作很方便、有效，并且用户还可以开发自己的空间存取算法。

属于此类综合模型的软件如TIGRIS（Intergraph）、GEO++(荷兰)等。

第四节面向对象数据库系统
一、面向对象技术概述
面向对象方法起源于面向对象的编程语言（简称OOPL，Object-Oriented Programming Language）。

它在系统设计中强调对象概念的统一，引入对象、对象类、方法、实例等概念和术语，采用动态联编和单继承性机制。

它还以OOPL为核心，集各种软件开发工具为一体，建立OO计算环境，配有很强的图形功能和多窗口用户界面。

面向对象方法基本出发点就是尽可能按照人类认识世界的方法和思维方式来分析
和解决问题。

客观世界是由许多具体的事物或事件、抽象的概念、规则等组成的。

面向对象方法具有的模块化、信息封装与隐藏、抽象性、多态性等独特之处，为解决大型软件管理，提高软件可靠性、可重用性、可扩充性和可维护性提供了有效的手段和途径，很快被引入到所有与计算机科学有关的领域，如在编程语言方面，Visual C++、C#、Delphi（Object Pascal）等支持OOP（面向对象编程，Object-Oriented Programming）。

吉奥之星（Geo Star）、Small World等GIS软件，也采用了面向对象的方法。

二、面向对象方法中的基本概念
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，这个对象是一个包含了数据集和操作集的实体。

1、对象
2、对象类
3、方法和消息
4、协议与封装
三、面向对象方法的数据抽象技术和数据抽象工具
面向对象的方法除数据与操作的封装性以外，还具有极强的抽象表达能力，具有分类（classification）、概括（generalization）、聚集（aggregation）和联合（association）等数据抽象技术以及继承（inheritance）和传播（propagation）等强有力的抽象工具。

1、分类(classification)
2、超类与概括
3、继承
4、联合与组合对象
5、聚集与复合对象
6、传播
四、面向对象的几何抽象类型
考察GIS中的各种地物，在几何性质方面不外乎表现为四种类型，即点状地物、线状处物、面状地物以及由它们混合组成的复杂地物，因而这四种类型可以作为GIS中各种地物类型的超类。

从几何位置抽象，点状地物为点，具有x,y,z坐标。

线状地物由弧段组成，弧段由结点组成。

面状地物由弧段和面域组成。

复杂地物可以包含多个同类或不同类的简单地物（点、线、面），也可以再嵌套复杂地物。

因此弧段聚集成线状地物，简单地物组合成复杂地物，结点的坐标由标识号传播给线状地物和面状地物，进而还可以传播给复杂地物。

在美国空间数据交换标准中，对矢量数据模型中的空间对象，抽象为６类分别是：复杂地物（Complex），多边形（Polygon）、环（Ring）、线（Line）、弧（Arc）、点－结点（Point-node）。

五、面向对象的属性数据模型
GIS中的地物可根据国家分类标准或实际情况划分类型。

如一个大学GIS的对象可分为建筑物、道路、绿化、管线等几大类，地物类型的每一大类又可以进一步分类，如建筑物可再分成教学楼、科研实验楼、行政办公楼、教工住宅、学生宿舍、后勤服务建筑、体育楼等子类，管线可再分为给水管道、污水管道、电信管道、供热管道、供气管道等，另一方面，几种具有相同属性和操作的类型可综合成一个超类。

六、面向对象数据库系统的实现方式
采用面向对象数据模型，建立面向对象数据库系统，主要有三种实现方式：
１、扩充面向对象程序设计语言（OOPL），在OOPL中增加DBMS的特性
2、扩充RDBMS，在RDBMS中增加面向对象的特性
3、建立全新的支持面向对象数据模型的OODBMS
重点、难点：
传统数据库的数据模型：层次型、网络型、关系型，空间数据库的组织方式：混合型、扩展型、统一型，面向对象数据库系统的基础理论。

三、教学设计
1、教学步骤：
1) 回顾上次课内容，课后习题疑难解答
2）概述本次课的主要内容提纲
3）逐个教学要点讲解
4）综合本次内容，提出课后学习要求
按照重点突出，详略得当，难点详细讲解的原则进行课堂时间分配，把传统数据库的数据模型部分作为一个小单元，空间数据库的组织方式作为一个小单元，面向对象数据库系统的基础理论作为一个小单元。

教学方法以讲解、示例和问答为主，联系实际应用，启发学生掌握基本概念，了解传统数据库的数据模型。

教学手段采用多媒体（计算机、投影仪）课件及相关软件演示结合的方
式，一方面详细说明理论概念，一方面用于示例图表展示及相关软件结构的展示。

2、作业：
P70思考题第1、3、6题。