第07章 空间数据管理

一对多的联系（1：N）
在1：N的联系中，一个集合中的某一个元素可以标识 另一个集合中的多个元素。
多对多的联系（M：N）
在M：N的联系中，两集合间任一个集合中的某一个 元素都可以标识另一个集合中的多个元素。
1.2 传统数据库系统的数据模型
数据模型是数据库系统关于数据和联系的逻辑组织的 形式表示。 每一个具体的数据库都是由一个相应的数据模型来定 义。每一种数据模型都可以以不同的数据抽象与表示能力 来反映客观事物，有其不同的处理数据联系的定义。 数据模型的主要任务是研究记录类型之间的联系。 层次模型、网络模型和关系模型
数据库的主要特征
数据集中控制特征：保证不同用户和应用可以共享数据 数据冗余度小的特征：可以减少数据的重复存储 数据独立性特征：数据与应用程序相互独立 复杂的数据模型：表示现实世界中各种各样的数据组织 及其数据间的联系；层次模型、网络模型和关系模型 • 数据保护特征：安全性控制、完整性控制、并发控制、 故障的发现和恢复 • • • •
空间数据库的特点
空间数据库与一般数据库相比，具有以下特点： �.数据量特别大：地理系统是一个复杂的综合体，需要描述 各种地理要素，尤其是要素的空间位置，其数据量很大。 �.包括属性数据和空间数据，两者具有不可分割的联系。 �.数据应用的面积相当广。 建立空间数据库时，一方面应该遵循和应用通用数据库 的原理和方法；另一方面又必须采取一些特殊的技术和方法 来解决其它数据库所没有的管理空间数据的问题。
继承
继承是一种服务于概括的工具。在概括的概念中，子 类的某些属性和操作来源于它的超类。 在遗传的过程中，可以将超类的属性和操作遗传给子 类的子类。 继承有单个继承和多个继承。单个继承是指子类仅有 一个直接的父类，而多个继承允许多于一个直接父类。 从继承内容上讲，继承还有包含继承、受限继承、取 代继承等等。
优点： • 存储和检索数据比较有效、可靠 缺点： • 查询操作难以优化 • 存储在RDBMS外的数据有时会丢失数据项的语义 • 数据完整性的约束条件有可能遭到破坏
扩展结构模型
（extended model） 基本思想：采用同一DBMS存储空间数据和属性数 据，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 查询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。 代表软件： System 9、Small World等。
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几何操作 集的实体。 • • • • 对象 对象类 方法和消息 协议与封装
对象
一个对象是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。对象是数据和行为的统一 体。 GIS中的地理对象：描述一个实体的空间和属性数据以 及定义一系列对实体有意义的操作函数的统一体。 一个对象object是一个三元组
地理信息系统导论
百度文库第七章
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空间数据管理
空间数据库 � 栅格数据结构及其编码 � 矢量数据结构及其编码 � 矢栅结构的比较及转换算法 � 空间索引机制 � 空间信息查询
邓吉秋
中南大学GIS研究中心
1.空间数据库
数据库概述 � 传统数据库系统的数据模型 � GIS中空间数据库的组织方式 � 面向对象数据库系统
传播
传播是作用于联合和聚集的工具，它通过一种强制性 的手段将子对象的属性信息传播给复杂对象。 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。
层次模型
将数据组织成有向有 序的树结构，由处于不同 层次的各个结点组成。
层次模型的优缺点
优点： • 反映了现实世界中实体的层次关系 • 是空间对象的自然表达形式 • 在一定上支持数据的重构 缺点： • 对低层次对象的处理效率较低，并难以进行反向查询 • 更新、插入和删除操作比较复杂 • 层次命令具有过程式性质 • 模拟多对多联系时导致物理存储上的冗余 • 数据独立性较差
object＝（ID，S，M）
一个对象就是一个具有名称标识并有自身的状态与功 能的实体。
对象类
对象类，简称类，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形成 “类”。类是用来定义抽 象数据类型的，类描述了实例的形式（属性等）以及作用 于类中对象上的操作（方法）。 属于同一类的所有对象共享相同的属性项和方法，每 个对象都是这个类的一个实例，即对象与类的关系是 instance-of 的关系。 同一个类中的对象在内部状态的表现形式上（即型） 相同，但它们有不同的内部状态，即有不同的属性值，类 中的对象并不是一模一样的，而应用于类中所有对象的操 作却是相同的。
面向对象方法的数据抽象技术和数据抽象工具
数据抽象技术： • 分类（Classification） • 概括（Generalization） • 聚集（Aggregation） • 联合（Association） 数据抽象工具： • 继承（Inheritance） • 传播（Propagation）
统一结构模型的优缺点
优点： • 直接操作很方便、有效 • 用户可以开发自己的空间存取算法 缺点： • 用户必须在DBMS环境中实施自己的数据类型，对有些 应用将相当复杂
1.4 面向对象数据库系统
面向对象技术 面向对象方法（ Object-Oriented Paradigm）起源于面 向对象的编程语言（ OOPL）。 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。 面向对象方法具有的模块化、信息封装与隐藏、抽象 性、多样性等独特之处，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。
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。 记录表示的是现实世界中的实体，而实体之间存在着 一种或多种联系，记录之间的联系反映的就是实体之间的 这种联系。 • 一对一的联系 • 一对多的联系（ 1：N） • 多对多的联系（ M：N）
一对一的联系（1：1）
在1：1的联系中，一个集合中的某一个元素可以标识 另一个集合中的一个（仅有的一个）元素。
关系模型
把数据的逻辑 结构归结为满足一 定条件的二维表形 式。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。
关系模型的优缺点
优点： • 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，使用与维护方便。 • 数据的操纵具有高度的灵活性 • 数据间的关系具有对称性 缺点： • 实现效率不够高 • 描述对象语义的能力较弱 • 不直接支持层次结构 • 模型的可扩充性较差 • 模拟和操纵复杂对象的能力较差
混合结构模型
（hybrid model） 基本思想：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。 代表软件： ArcInfo、MGE、SICAD、GeneMap等。
混合结构模型的优缺点
分类
分类：把一组具有相同结构的实体归纳成类的过程。 被归类的实体是类的实例对象。 属于同一类的对象具有相同的属性和操作方法。
超类与概括
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。 子类与超类的关系是 is-a的关系。一个子类可能是某个 或某几个超类的子类，同时又可能是几个子类的超类。 建立超类实际上是一种概括，避免了说明和存储上的 大量冗余。
联合与组合对象
在定义对象时，将同一类对象中的几个具有部分相同 指的对象组合起来，为了避免重复，设立一个更高水平的 对象表示这些相同的属性值，构成组合对象。 联合常用集合来描述，有联合关系的对象叫成员，联 合就是指“成员”关系。 在联合中，一个成员对象的具体细节被忽略了，强调 的是整个对象的特征。 一个集合对象的实例可以分解成一系列其成员对象的 实例。 联合通过其成员产生集合数据结构，一个集合的操作 是由该集合每个成员的操作组成的。
数据组织方式
• 数据项：可以定义数据的最小单位，也称元素、基本项、 字段等。（域，数据项目，数据值） • 记录：由若干相关联的数据项组成。（记录的 “型”和 “值”，关键字，主关键字） • 文件：一给定类型的（逻辑）记录的全部具体值的集合。 • 数据库：具有特定联系的数据的集合，可以看成是具有 特定联系的多种类型的记录的集合，内部结构是文件的 集合。
聚集与复合对象
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 有自己的属性描述数据和操作，它们与复合对象的关系是 parts-of 的关系。 每个聚集对象的实例都可以分解成其他成员对象实 例，每个成员对象都保持其自有的功能。聚集的每一个操 作是由每个部分产生的不同操作所组成的。
扩展结构模型的优缺点
优点： • 省去了空间数据库和属性数据库之间的繁琐联结，空 间数据存取速度较快 缺点： • 存取效率低于 DBMS中所用的直接操作过程 • 查询过程复杂
统一结构模型
（integrated model） 基本思想：在开放型DBMS基础上扩充空间数据表达 能力，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）来扩充DBMS。 代表软件： Tigris(Intergraph)、GEO++(荷兰)等。
1.3 GIS中空间数据库的组织方式
传统数据库管理地理空间数据的局限性： � 管理的是不连续的、相关性较小的数字和字符 � 管理的实体类型较少，并且实体类型之间只有简单、 固定的空间关系 � 存储的数据通常为等长记录的数据 � 只操纵和查询文字和数字信息 大多数商品化的 GIS软件采样建立在关系数据库管理系 统（RDBMS）基础上的综合的数据模型： �.混合结构模 型， �.扩展结构模型， �.统一数据模型。
网络模型
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。
网络模型的优缺点
优点： • 比层次结构具有更大的灵活性和更强的数据建模能力 • 可以描述多对多的关系，其数据存储效率关于层次模型 • 具有一定的数据独立性和共享特性，运行效率较高 缺点： • 较高复杂，增加了用户查询和定位的困难 • 网状数据操作命令具有过程式性质 • 不支持对于层次结构的表达
数据库的系统结构
• 物理级：数据库最内的一层，是物理设备上实际存储的 数据集合（物理数据库），是由物理模式（内部模式） 的。 • 概念级：数据库的逻辑表示，包括每个数据的逻辑定义 以及数据间的逻辑联系，是由概念模式定义的，也称概 念模型。 • 用户级：用户所使用的数据库，是一个或几个特定用户 所使用的数据集合（外部模型），是概念模型的逻辑子 集，是由外部模式定义的。
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1.1 数据库概述 数据库的定义
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、存储和应用的相关联的数据集合。 计算机对数据管理的三个阶段： 程序管理阶段，文件管理阶段，数据库管理阶段 数据库管理的特点： 1.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。 2.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。 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。
方法和消息
对一个类所定义的所有操作称为方法。对对象类的操 作是由方法来具体实现的，而对象间的相互联系和通信的 唯一途径是通过 “消息”传送来实现。 消息是对象与对象之间相互联系、请求与协作的途径。 消息分公有消息和私有消息。
协议与封装
协议是一个对象对外服务的说明，它告知一个对象可 以为外界做什么，外界对象能够并且只能向该对象发送协 议中所提供的消息，请求该对象服务。它是由一个对象能 够接受并且愿意接受的所有消息构成的对外接口。 封装就是将某件事物包围起来，使外界不必知道其实 际内容。对象通过封装后，其它对象只能从公有消息中提 供的功能进行请求服务，对这个对象内部的情况不必了解。