空间数据库原理

（6）数据库管理系统
空 间 数 据 库 原 理 》 数据库管理系统(DBMS)是处理数据库数据 存取和各种管理控制的软件。它是数据库 的核心，应用程序对数据库的操作全部通 过DBMS进行。
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
数据库管理系统的功能
空 间 数 据 库 原 理 》
数据库定义功能
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
3、网络模型
空 间 数 据 库 原 理 》 将数据组织成有向图结构，图中的结点代 表数据纪录，连线表示不同结点之间的关 系。 其特征是：结点之间没有明确的从属关 系，一个结点可与其他多个结点建立联系 （可以是多对多的关系）。
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
人工管理阶段 文件系统阶段 数据库阶段
数据库发展原因：由于文件系统存在着文件之间 无联系、数据不完全独立于程序、只在文件级共 享数据等缺陷。
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
（1）数据库的概念
空 间 数 据 库 原 理 》 定义： 数据库可以看做是与现实世界有一定相 似性的模型，是认识世界的基础，是集中、 统一存储和管理某个领域信息的系统，它 根据数据间的自然联系而构成，数据较少 冗余，且具有较高的数据独立性，能为多 种应用服务。
（4）数据库的系统结构
空 间 数 据 库 原 理 》
局部 逻辑 结构 应用程序1 应用程序2 应用程序3 应用程序n
外模式1
外模式2
外模式n 全局 逻辑 结构
外模式与概念模式的映射
概念模式
逻辑独立性 物理 结构
内模式
概念模式与内模式的映射
数据库
物理独立性
武汉大Байду номын сангаас资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
4、关系模型
空 间 数 据 库 原 理 》 优点
结构简单灵活； 容易维护和理解；
数据修改方便 数据更新方便
有些系统甚至采用关系数据库系统管理几何图 形数据。
缺点
效率不高； 难以表达目标，尤其是复杂目标。
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
传统模型的比较实例
空 间 数 据 库 原 理 》
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
（3）数据库的主要特征
空 间 数 据 库 原 理 》
数据集中控制 数据独立
与应用程序独立（物理和逻辑独立）
数据共享
多用户 事务处理（并发等操作）
减少数据冗余 数据结构化 统一的数据保护功能
权限控制 一致性控制 并发控制
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
空间数据特征—空间性
空 间 数 据 库 原 理 》 空间数据最主要的特性。 最主要 空间数据描述了空间物体的位置、形态， 甚至需要描述物体的空间拓扑关系。
例如：描述一条河流，一般数据侧重于河流的 流域面积，水流量，枯水期等。而空间数据则 侧重于河流的位置、长度、发源地等和空间位 置有关的信息。复杂一点的还要处理河流与流 域内城市间的距离、方位等空间关系。
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
现实世界到数字世界的转换
空 间 数 据 库 原 理 》
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
（2）数据库系统的组成
数据集
空 间 数 据 库 原 理 》
一个结构化的相关数据的集合体，包括数据本身和 数据间的联系。数据集独立于应用程序而存在，是数据库 的核心和管理对象。
用数据库的数据描述语言DDL来定义概念模式、外模 式和内模式； 具体为：数据库逻辑结构、数据项、记录类型、记录 之间关系、安全控制等。
数据库管理功能
对数据的更新、存取功能
数据库维护功能
改善系统性能 受损后的复原 用户管理 拓宽数据库的用户要求
通讯功能（接口）
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
（4）数据库的系统结构
空 间 数 据 库 原 理 》 概念模式
也称模式，是数据库的总框架，是数据库中 关于目标存储的逻辑结构和特性、基本 操作和目 标与目标及目标与操作的关系和依赖性的描述， 以及对数据的安全性、完整性等方面的定义。
内模式
也称存储模式，是对数据库的物理存储器上 具体实现的描述。它规定在存储介质上的物理组 织方式、记录寻址技术，定义物理存储块的大小、 溢出处理方法等。
完备性
数据的不完备往往导致分析结果的不完善，甚至会造成决策失 误。
详细性 综合性
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
1、空间数据特征
空 间 数 据 库 原 理 》 空间数据除了具有一般数据的特征之外， 还具有一些区别于其他数据的特性。构成 空间数据的特征主要有：
空间性 抽象性 多尺度与多态性 多时空性
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
关系模型实例
空 间 数 据 库 原 理 》
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
关系模型实例
空 间 数 据 库 原 理 》
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
关系模型实例
空 间 数 据 库 原 理 》
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
（5）数据模型
空 间 数 据 库 原 理 》 数据库的核心问题是模型问题。 数据模型是数据库中对数据逻辑组织形式 的描述。 数据模型是对现实世界部分现象的抽象， 描述了数据的基本结构及其相互之间的关 系和在数据上的各种操作。 数据模型的三要素：数据结构、数据操作、 数据约束条件。
2、层次模型
空 间 数 据 库 原 理 》
层次模型是一种树结构模型，它把数据接自然的 层次关系组织起来，以反映数据之间隶属关系。 层次模型是数据库技术中发展最早、技术上比较 成熟的一种数据模型。 特点是地理数据组织成有向有序的树结构，也叫 树形结构。结构中的结点代表数据记录，连线描 述位于不同结点数据间的从属关系(一对多的关 系）。 由树的定义知，一棵树有且仅有一个无双亲结点 的称为根结点；其余结点有且仅有一个双亲结点。
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
1、空间数据特征
一般数据的特征
空 间 数 据 库 原 理 》
选择性
数据从某一（些）侧面描述事物本身。
可靠性
有很多原因影响数据的可靠性，比如数据在获取，存储，管 理，传播过程中会出现差错，导致数据的失真。必须保证数据 的可靠性。
时间性
事物是动态的，发展的，数据只能反映事物在某个时间态下的 状态。
网络模型实例
空 间 数 据 库 原 理 》
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
3、网络模型
空 间 数 据 库 原 理 》 优点
可以描述现实世界中极为常见的多对多关系；
缺点
结构的复杂性限制了它在空间数据库的使用；
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
4、关系模型
空 间 数 据 库 原 理 》 在关系模型中，数据的逻辑结构为满足一 定条件的二维表，表具有固定的列数和任 意行数，在数学上称为“关系”。二维表是同 关系 类实体的各种属性的集合，每个实体对应 于表中的一行，在关系中称为元组，相当 元组 于通常的一个记录；表中的列表示属性， 称为域，相当于通常记录中的数据项（字 段）。满足一定条件的规范化关系的集 合，就构成了关系模型。 使用SQL语言对其进行操作。
空 间 数 据 库 原 理 》 GIS 数据具有很强的时空特性。一个GIS 系统中的数据源既有同一时间不同空间的 数据系列；也有同一空间不同时间序列的 数据。不仅如此，GIS 会根据系统需要而采 用不同尺度对地理空间进行表达。GIS 数据 是包括不同时空和不同尺度数据源的集成。
最典型的例子有：就形态而言，任何城市在地 理空间中都占据一定范围的区域，因此可以认 为其是面状地物，但在比例尺比较小的空间数 据库中，城市是作为点状地物来处理的。
Multi-Scale、Multiple Representation
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
空间数据特征—多时空性
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
（5）数据模型
空 间 数 据 库 原 理 》 相关概念
实体（Entity） 属性（Attribute） 码（Key） 域（Domain） 实体型（Entity Type） 实体集（Entity set） 联系（Relation）
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
（4）数据库的系统结构
空 间 数 据 库 原 理 》 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。 应用程序是根据外模式对数据的描述而设计的。 一个外模式可以编写多个应用程序，但一个应 用程序只能对应一个外模式。 根据应用程序的不同，一个概念模式可以对应 多个外模式。
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
1、基本概念
空 间 数 据 库 原 理 》 数据库的概念 数据库的组成 数据库的主要特征 数据库的系统结构 数据模型 数据库管理信息系统
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
（1）数据库的概念
空 间 数 据 库 原 理 》
数据库技术产生于20世纪60年代末期，是计算机 领域中最重要的技术之一，是一种较理想的数据 管理技术。 数据管理是指对数据的组织、存储、检索和维护。 用计算机进行数据管理的三个阶段
空间性是空间数据区别于其他数据的标志 特征。 特征
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
空间数据特征—抽象性
空 间 数 据 库 原 理 》 空间数据描述的是现实世界中的地物和地 貌特征，非常的复杂，必须经过抽象处理。 抽象处理 不同主题的空间数据库，人们所关心的内 容也有差别。 空间数据的抽象性包括人为地取舍数据。 人为地取舍数据 抽象性使数据产生多语义问题。 多语义问题
在不同的抽象中，同一自然地物表示可能会有 不同的语义。如河流既可以被抽象为水系要 素，也可以被抽象为行政边界，如省界，县界 等。
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
空间数据特征—多尺度与多态性
空 间 数 据 库 原 理 》 不同的观察尺度具有不同的比例尺和不同 的精度，同一地物在不同的情况下就会有 形态差异。
物理存储介质
指计算机制存储器和内存储器。前者存储数据，后者 存储操作系统和数据库管理系统，并有一定数量的缓冲 区，用于数据处理,以减少内外存交换次数，提高数据存取 效率。
数据库软件
其核心是数据库管理系统（DBMS）。主要任务是对 数据库进行管理和维护。具有对数据进行定义、描述、操 作和维护等功能，接受并完成用户程序和终端命令对数据 库的请求，负责数据库的安全。
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
二、空间数据库模型
空 间 数 据 库 原 理 》
1、空间数据特征 2、空间数据库模型
混合数据库模型（Hybrid Model） 扩展结构模型（Extent Model） 统一数据模型（Integrated Model） 面向对象模型（Object-Oriented Model） 时空数据模型（Spatial-Temporal Model）
空 间 数 据 库 原 理 》
主要内容
一、传统数据库系统的数据模型 二、空间数据库模型 三、空间数据库设计 四、索引机制（前面已经介绍）
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
一、传统数据库系统的数据模型
空 间 数 据 库 原 理 》
1、基本概念 2、层次模型 3、网络模型 4、关系模型
第四章 空间数据库
空 间 数 据 库 原 理 建立数据库不仅仅是为了保存数据，扩展 人们的记忆，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。 空间数据库是一种专门化的数据库，因为 这类数据库具有明显的空间特征。 空间数据库的理论与方法是地理信息系统 的核心问题。
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
层次模型实例
空 间 数 据 库 原 理 》
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
2、层次模型
空 间 数 据 库 原 理 》 优点
是将数据组织成有向有序的树结构； 反映了现实世界中实体之间的层次关系。
缺点
不能表示多对多的关系； 难以顾及实体之间的拓扑关系； 导致数据冗余。