《地理信息技术应用》最新备课课件：4-GIS空间数据库

1)采用标准DBMS存储空间数据的主要问题 ➢GIS中空间数据记录是变长的，且要存储和维护空间 数据拓扑关系； ➢DBMS一般都难以实现对空间数据的关联、连通、包 含、叠加等基本操作。 ➢GIS需要一些复杂的图形功能，一般的DBMS不能支 持；
➢地理信息是复杂的，单个地理实体的表达需要多个文 件、多条记录、或许包括大地网、特征坐标、拓扑关系、 空间特征量测值、属性数据的关键字以及非空间专题属 性等； ➢具有高度内部联系的GIS数据记录需要更复杂的安全 性维护系统。
存储在计算机环境中的相互关联的数据集
在这样的环境中，数据是永久的，也就是说 它可以幸免于软件和硬件的问题（除非是磁盘 崩溃）。
大数据卷和持久性是数据库最大的两个特点。
一个简单的数据库系统环境
Application programs/queries
Software to process queries Software to access stored data
④ 重新设计一个具有空间数据和属性数据管理和分析 功能的数据库系统。
2.数据库的数据与文件组织分级
数据项 数据项是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、 字段等，数据项与现实世界实体的属性相对应，数据项 有一定的取值范围，称为域，域以外的任何值对该数据 项都是无意义的。 记录 记录是由若干相关联的数据项组成，是处理和存储信息 的基本单位，是关于一个实体的数据总和，构成该记录 的数据项表示实体的若干属性。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 记录中的第一个数据项担任，唯一标识记录的关键字称 主关键字，其它标识记录的关键字称为辅关键字。
DBMS
Stored database
Stored database definition metadata
数据库基础知识
什么是数据库? 数据库系统的构成
数据库系统的发展 数据库中的数据模型
数据库系统的构成
硬件
操作系统 数据库管理系统 应用软件、管理人员
数据库是存贮在计算机内的有结构的数据集合； 数据库管理系统是一个软件，用以维护数据库、接受并 完成用户对数据库的一切操作； 数据库系统指由硬件设备、软件系统、专业领域的数据 体和管理人员构成的一个运行系统。
2)GIS数据管理方法主要4种类型 ① 对不同的应用模型开发独立的数据管理服务，这是
一种基于文件管理的处理方法。 ② 在商业化的DBMS基础上开发附加系统。开发一个
附加软件用于存储和管理空间数据和空间分析，使 用DBMS管理属性数据。 ③ 使用现有的DBMS，通常是以DBMS为核心，对系统 的功能进行必要扩充，空间数据和属性数据在同一 个DBMS管理之下。需要增加足够数量的软件和功 能来提供空间功能和图形显示功能。
数据模型是描述数据内容和数据之间联系的工
具，它是衡量数据库能力强弱的主要标志之一。 数据模型是一组描述数据库的概念。这些概念 精确地描述数据、数据之间的关系、数据的语 义和完整性约束。很多数据模型还包括一个操 作集合。这些操作用来说明对数据库的存取和 更新。
数据模型应满足三方面要求： 一是能真实地模拟现实世界； 二是容易为人们理解； 三是便于在计算机上实现。
M 1a
eⅠ 2 4 bc
dⅡ 3
1.层次数据模型
层次数据库模型是将数据组织成一对多关系的结构， 其特点为： (1)有且仅有一个结点无双亲，这个结点即树的根； (2)其它结点有且仅有一个双亲。
1、层次模型：
优点：层次数据库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。例如全国— 省—县—乡是一棵十分标准的有向树，其中“全国” 是根节点，省以下的行政区划单元都是子节点。这 种数据模型的优点是层次和关系清楚，检索路线明 确。
结构的复杂性限制了它在空间数据库的使用
3、关系模型：
基本思想：用二维表形式表示实体及其联系。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值，每一行 形成一个由多种属性组成的多元组，或称元组(tupple)，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或通过关 系直接运算建立。元组(或记录)是由一个或多个属性(数据项) 来标识，这一个或一组属性称为关键字，一个关系表的关键 字称为主关键字，各关键字中的属性称为元属性。关系模型 可由多张二维表形式组成，每张二维表的“表头”称为关系 框架，故关系模型即是若干关系框架组成的集合。如上图所 示的多边形地图，可用下图所示关系表示多边形与边界及结 点之间的关系。
数据间的逻辑联系主要是指 记录与记录之间的联系。
1、一对一的联系(1：1)
2、一对多的联系(1：N)
A
B
3、多对多的联系(M：N)
A
B
A
B
A
B
常用数据文件：
文件组织主要指数据记录在外存设备上的组织， 它由操作系统OS进行管理，具体讲在外存设备 上如何安排数据和组织数据，以及实施对数据 的访问方式等问题。操作系统实现的文件组织 方式，可以分为顺序文件、索引文件、直接文 件和倒排文件。
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。记录是表示现实世界中的实体的。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：一对一的联系；一对多的 联系；多对多的联系。
数据间的逻辑联系 实体与实体之间的联系分为以下三种
数据库管理系统 数据库管理系统（Database Management System，DBMS）是在文件处理系统的基础上 进一步发展的系统。DBMS在用户应用程序和 数据文件之间起到了桥梁作用。DBMS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。
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《地理信息技术应用》
备课课件 第四章 空间数据库
第四章 空间数据库
1 数据库概述 2 数据库系统的数据模型 3 GIS空间数据库 4 GIS中空间数据库的数据模型 5 面向对象数据库系统 6 案例学习
第一节 数据库概述
数据库基础知识
什么是数据库? 数据库系统的构成 数据库系统的发展
什么是数据库?
顺序文件 是最简单的文件组织形式，对记录按照主关键 字的顺序进行组织。 索引文件 索引文件除了存储记录本身（主文件）以外， 还建立了若干索引表，这种带有索引表的文件 叫索引文件。索引表中列出记录关键字和记录 在文件中的位置（地址）。
直接文件 直接文件又称随机文件，其存储是根据记录关键字 的值，通过某种转换方法得到一个物理存储位置， 然后把记录存储在该位置上。查找时，通过同样的 转换方法，可以直接得到所需要的记录。 倒排文件 倒排文件是带有辅索引的文件，其中辅索引是按照 一些辅关键字来组织索引的。倒排文件的主要优点 是在处理多索引检索时，可以在辅检索中先完成查 询的‘交’、‘并’等逻辑运算，得到结果后再对 记录进行存取，从而提高查找速度。
因为在目前，地理要素之间的相互联系是难以描述的， 只能独立地建立多个关系表，例如：地形关系，包含的属性 有高度、坡度、坡向，其基本存贮单元可以是栅格方式或地 形表面的三角面；人口关系，含的属性有人的数量，男女人 口数，劳动力，抚养人口数等。基本存贮单元通常是对应于 某一级的行政区划单元。
3、关系模型：
缺点：许多操作都要求在文件中顺序查找 满足特定关系的数据，如果数据库很大， 这一查找过程要花很多时间。搜索速度是 关系数据库的主要技术标准，也是建立关 系数据库花费高的主要原因。
3、关系模型：
关系模型中应遵循以 下条件：
(1) 二维表中同一列 的属性是相同的；
(2) 赋予表中各列不 同名字(属性名)； (3) 二维表中各列的 次序是无关紧要的；
(4) 没有相同内容的 元组，即无重复元组；
(5) 元组在二维表中 的次序是无关紧要的。
3、关系模型：
优点： （1）它的结构特别灵活，可满足所有用布尔逻辑运算和数 学运算规则形成的询问要求； （2）关系数据还能搜索、组合和比较不同类型的数据； （3）加入和删除数据都非常方便。 （4）关系模型用于设计地理属性数据的模型较为适宜。
2、网络模型：（例如学生选课、朋友圈）
优点：网络数据库结构特别适用于数据间相互关系非常复杂 的情况，除了上面说的图形数据外，不同企业部门之间的生 产，消耗联系也可以很方便地用网状结构来表示。
可以描述现实世界中极为常见的多对多的关系 缺点：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。另外，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。
文件ห้องสมุดไป่ตู้
文件是一给定类型的（逻辑）记录的全部具体值的集合， 文件用文件名称标识，文件根据记录的组织方式和存取 方法可以分为：顺序文件、索引文件、直接文件和倒排 文件等。
数据库
数据库是比文件更大的数据组织，数据库是具有特定联 系的数据的集合，也可以看成是具有特定联系的多种类 型的记录的集合。数据库的内部构造是文件的集合，这 些文件之间存在某种联系，不能孤立存在。
建立严密的分类和编码系统，实现数据的标准化和规范化。
数据库是为一定目的服务，以特定的数 据存储的相关联的数据集合，它是数据管理 的高级阶段，是从文件管理系统发展而来的。 地理信息系统的数据库（简称空间数据库或 地理数据库）是某一区域内关于一定地理要 素特征的数据集合。
空间数据库的相关概念
空间数据库（系统）组成：包括3部分 ➢空间数据库：是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关的 地理空间数据的总合，一般是以一系列特定结构的文件形式组织后存储在介 质上。
数据库基础知识
什么是数据库? 数据库系统的构成 数据库系统的发展
数据库系统的发展
层次数据库系统 网状数据库系统
层次数据模型 网状数据模型
关系数据库系统
关系数据模型
面向对象数据库 系统
面向对象数据模 型
第二节 数据库系统的数据模型
在数据库系统中，现实世界中的视为及联
系是用数据模型来描述的，数据库中各种操作 功能的实现是基于不同的数据模型的，因而数 据库的核心问题是数据模型。
数据库设计的核心问题之一就是设计一个 好的数据模型。目前在数据库领域，常用 的数据模型有：层次模型、网络模型、关 系模型以及最近兴起的面向目标模型。
数据库中的数据模型
数据模型是客观事物及其联系的数据描述 主要的数据模型
层次模型 网状模型 关系模型 面向对象的数据模型
数据模型实例
以地图M为例：
• 地图M中有两个面实体ⅠⅡ • Ⅰ多边形由a,b,e组成 • Ⅱ多边形由b,c,d组成 • a边的两个端点是1，2 • b边的两个端点是2，4 • c边的两个端点是2，3 • d边的两个端点是3，4 • e边的两个端点是1，4
数据库的英文是DATA BASE，是以一定的组织方式存 储在一起的相互关联的数据集合，能以最佳方式，最少 重复（冗余）为多种目的服务。其意义为数据基地，即 统一存贮和集中管理数据的基地。
这有些类似资料库，实际上资料库的许多特征都可以从数据库 中找到。在资料库中，各类资料都有严格的分类系统和编码表， 并存放在规定的资料架上，为管理和查找资料提供了极大的方便。 当资料的数据形式存放于计算机时，它已经失去直观性，更需要
➢空间数据库管理系统：是指能够对物理介质上存储的地理空间数据进行语 义和逻辑上的定义，提供必需的空间数据查询检索和存取功能，以及能够对 空间数据进行有效的维护和更新的一套软件。
➢数据库应用系统：应用模块。
数据库 数据 数据模型 数据的物理组织 数据库管理系统 外存 用户 数据存取
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缺点：层次模型不能表示多对多的联系，这是令人 遗憾的缺陷。在GIS中，若采用这种层次模型将难以 顾及公共点，线数据共享和实体元素间的拓扑关系， 导致数据冗余度增加，而且给拓扑查询带来困难。
2、网络模型：
在网络模型中，各记录类型间可具有任意连接的联系。
一个子结点可有多个父结点；可有一个以上的结点无父特点； 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、多对多)（见下图）