地理信息系统(第二版)-第四章

3、多对多的联系(M：N)
这是现实中最复杂的联系，即对于集合A中的一个 元素ai。在集合B就存在一个子集B′＝(bj1， bj2…bjn) 与之相联系。反过来，对于B集合中的一个元素Bj在集 合A中就有一个集合A′＝(ai1，ai2 …ain)与之相联系。
A
B
A
一对多的联系(1：N)
B
A
B
A
多对多的联系(M：N)
如图所示的城市的交通联系，不仅是双向的而 且是多对多的。如图所示，学生甲、乙、丙、丁、 选修课程，其中的联系也属于网络模型。
北京 西安 广州
实
学生甲 学生乙
上海
例
学生丙 学生丁
课程 1
课程 2
课程 3
课程 4
网络数据模型
网络模型用连接指令或指针来确定数据间的显 示连接关系，是具有多对多类型的数据组织方式。
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，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。表中的每一列表示 同一属性，叫做域。
2 a 1 d
数据库常用的数据模型有三种：层次模型， 网络模型和关系模型。
5、数据保护特征
数据保护对数据库来说是至关重要的，一旦数 据库中的数据遭到破坏，就会影响数据库的功能， 甚至使整个数据库失去作用、数据保护主要包括 四个方面的内容：安全性控制、完整性控制、并 发控制、故障的发现和恢复。
3、数据库的系统结构
数据独立是数据库的关键性要求。数据独立 是指数据库中的数据与应用程序相互独立，即应 用程序不因数据性质的改变而改变；数据的性质 也不因应用程序的改变而改变。
4、复杂的数据模型
数据模型能够表示现实世界中各种各样的数 据组织以及数据间的 联系。复杂的数据模型是 实现数据集中控制、减少数据冗余的前提和保 证。采用数据模型是数据库方法与文件方式的 一个本质差别。
b Ⅰ c 4
3
e Ⅱ g
5 f
M
地图 M Ⅰ Ⅱ
多边形
Ⅰ Ⅱ
a c
b e
c f
d g
6
1
2 3 4 5
x1
x2 x3 x4 x5
y1
y2 y3 y4 t5 线
Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅱ
a b c d e f
1 2 3 4 3 5
2 3 4 1 5 6
g
6
4
6
x6
y6
关系数据库模型的特点
优点：
1、结构特别灵活，满足所有布尔逻辑运算和数学 运算规则形成的查询要求； 2、能搜索、组合和比较不同类型的数据； 3、增加和删除数据非常方便。
(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。
GIS中空间数据库的组织方式
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。此处， 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。
1、数据库的定义
数据库（database，DB）的定义：
数据库就是为了一定的目的，在计算机系统中
以特定的结构组织、存储、管理和应用的相互关联 的数据集合。
计算机对数据的管理经过了三个阶段 ： 程序管理阶段 文件管理阶段 数据库管理阶段
数据库是数据管理的高级阶段，它与传统的数 据管理相比有许多明显的差别，其中主要的有两点： 一是数据独立于应用程序而集中管理，实现了 数据共享，减少了数据冗余，提高了数据的效益； 二是在数据间建立了联系，从而使数据库能反 映出现实世界中信息的联系。
层次数据库模型的特点
优点：
1、存取方便且速度快； 2、结构清晰，容易理解； 3、数据修改和数据库扩展容易实现； 4、检索关键属性十分方便。
缺点：
1、结构呆板，缺乏灵活性； 2、同一属性数据要存储多次，数据冗余大（如公 共边）； 3、不适合于拓扑空间数据的组织。
层次结构模型应用时存在的问题
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，低层次对象的处理效率 较低，并难以进行反向查询；
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，即空间数据库。
以地理空间数据存储和操作为对象的空间数据库， 把被管理的数据从一维推向了二维、三维甚至更高维。 由于传统数据库系统(如关系数据库系统)的数据模拟 主要针对简单对象，因而无法有效地支持以复杂对象 (如图形、影像等)为主体的工程应用。
第四章
空间数据库
桂林理工大学博文管理学院建工系
第一节 数据库概述
数据库技术是20世纪60年代初开始发展起来的 一门数据管理自动化的综合性新技术。
建立数据库不仅仅是为了保存数据，扩展人的 记忆，而主要是为了帮助人们去管理和控制与这些 数据相关联的事物。地理信息系统中的数据库就是 一种专门化的数据库，由于这类数据库具有明显的 空间特征，所以有人把它称为空间数据库。
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：物理级、概念级和用户级。
1、物理级(也称内模式或存储模式) ：数据库 最内的一层。它是物理设备上实际存储的数据集 合(物理数据库)，是数据物理结构和存储结构的 描述。
2、概念级(也称模式或逻辑模式) ：是数据库 中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用 户的公共数据视图。 3、用户级(也称子模式、外模式或用户视图) ： 是数据库用户看见和使用的局部数据的逻辑结构 和特征的描述，是数据库用户的数据视图，是与 某一应用有关的数据的逻辑表示。
2、层次命令具有过程式性质，要求用户了解数据的物 理结构，并在数据纵命令中显示地给出存取途径 ； 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。
2、网络模型
网络数据模型是数据模型的另一种重要结构， 它反映着现实世界中实体间更为复杂的联系。
网络数据模型的基本特征是，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。
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： 一、混合结构模型 二、扩展结构模型
三、统一数据模型
1、混合结构模型（Hybrid Model）
它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。
4、数据库中数据组织方式
数据是现实世界的载体，是信息的具体表达形式。 数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、 记录、文件和数据库。
1、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。
2、记录：由若干相关联的数据项组成。对大多 数据库系统，记录是处理和存储信息的基本单位。
3、文件：文件是一给定类型的(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。
B
第二节 传统数据库系统的数据模型
数据模型的主要任务就是研究记录类型 之间的联系。 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。
1、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（即一对多的关系）。 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)。
2、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、数据集中控制特征 数据库集中控制和管理有关数据，以保证不同 用户和应用可以共享数据。 2、数据冗余度小的特征 冗余是指数据的重复存储。在数据库中应该严格 控制数据的冗余度。
3、数据独立性特征
(2) 不仅有地理要素的属性数据，还有大量的空间 数据，并且这两种数据之间具有不可分割的联系；
(3) 数据应用范围相当广泛。
传统数据库系统管理地理空间数据有以下几 个方面的局限性： (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)。
GIS
RDBMS
几何空间数据存储子 系统
混合结构模型原理框图
由于这种混合结构模型的一部分是建立在标准 RDBMS之上，故存储和检索数据比较有效、可靠。但因 为使用两个存储子系统，它们有各自的规则，查询操 作难以优化，存储在RDBMS外面的数据有时会丢失数据 项的语义；此外，数据完整性的约束条件有可能遭破 坏，例如在几何空间数据存储子系统中目标实体仍然 存在，但在RDBMS中却已被删除。