第四章 地理信息系统空间数据库

§ 2 空间数据库概念模型设计
概念模型要反映GIS需求。 对现象世界认识与抽象，包括：特征描述、关系分析、 过程模拟等，用概念化模型表达。 概念模型必须具备丰富的语义表达能力，易于设计人员 交流和理解，修改，向各种模型转换等特点。
常用概念模型： （1）传统数据模型（层次模型、网状模型、关系模型）
（2）语义数据模型
第四章 地理信息系统空间数据库
§1 空间数据库概述 §2 空间数据库概念模型设计 §3 空间数据库逻辑模型设计 §4 空间数据库的物理设计 §5 空间数据查询 §6 空间元数据
§1 空间数据库概述
1．1数据管理技术发展阶段 经历三个阶段： 人工管理：20世纪50年代中期以前。计算机主要用于科学计 算，没有数据管理功能。数据与程序是一个整体，数据只为本程 序所使用，不能共享。
指能够对介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上 的定义，提供空间数据查询、检索、存取、维护和更新功能 的软件系统。
（3）空间数据库应用系统
指由GIS的空间分析模型和应用模型所组成的软件。可以 管理空间数据，运用空间数据进行分析和决策。
1．3 空间数据库的设计 空间数据库的设计就是将地理空间实体以一定 组织形式在数据库系统中加以表达的过程。
2.2 语义数据模型
语义模型的模型结构是由若干种抽象所组成，用 这些抽象来描述空间实体的基本语义特征，再根据语 义模型结构规则把这些抽象结合起来形成模型。模型 形成空间实体类别以及这些类别之间的关联。
最 常 用 语 义 模 型 是 实 体 - 联 系 模 型 （ EntityRelationship model,E-R模型）。
•关系数据模型
实体本身的信息以及实体之间的联系均表现为二维表。 在数学上把这种二维表叫做“关系”。这些关系表的集合 就构成了关系模型。
多边形与弧关系
多边形号 弧号
P1
a1,a2,a3
P2
a2,a5,a7
P3
a3,a6,a4
P4
a6,a7,a8
地块图的关系表
弧段与结点关系
弧段号 起点 终点
a1
N1
N2
文件管理：20世纪50年代后期至60年代中期。计算机用于科 学计算，也用于数据管理。数据以文件形式长期保存在磁盘上。 但文件之间相互独立、缺乏联系。数据重复产生冗余。文件建立 、存取、查询、插人、删除、修改等操作都要用程序实现。
数据库管理：60年代后期以来。程序和数据的联系通过数据 库管理系统实现。数据不再面向特定的某个或多个应用，而是面 向整个应用系统。数据冗余减少，实现了数据共享。用户可以使 用查询语言或终端命令操作数据库。
（3）面向对象数据模型
2.1 传统的数据模型
层次模型、网状模型和关系模型
N2
a5
N5
a1 a2
P1
P2
a7
a3
N3 a6
P4
a8
P3 N1
N4
a4
地块图
•层次数据模型
树数据结构。数据关系是一对多（1：N）。
M
P1
P2
P3
P4
a1 a2 a3 a2 a5 a7 a3 a4 a6 a6 a7 a8
N1N2 N3N2 N1N3 N2N3 N2N5 N3N5 N1N3 N1N4 N3N4 N3N4 N3N5 N4N5
空间数据管理方法发展
空间数据库系统也由三个部分组成：
空间数据库应用系统
（1）空间数据库存储系统
空间数据库存储系统是GIS在计算机物理存储介质上存 储的与应用相关的地理空间数据的总和。
一般以一系列特定结构的文件形式存储在硬盘、光盘等 介质上。
在GIS中，空间数据库是核心。
（2）空间数据库管理系统
a2
N3
N2
a3
N1
N3
a4
N4
N1
a5
N2
N5
a6
N4
N3
a7
N3
N5
a8
N5
N4
结点坐标
结点号 坐标
N1
x1y1
N2
x2y2
N3
x3y3
N4
x4y4
N5
x5y5
优点：数据结构简单、清晰，能处理多对多关系。
缺点：当涉及的目标很多时，查找操作时间长，效率低。
•传统数据模型的缺点:
商用数据库大多数仍采用传统的数据模型，尤其 是关系数据模型。但实际应用中存在不足，表现在 以下几方面。
E-R模型的3个语义概念：
实体、联系和属性
• 实体：对客观存在的起独立作用的事物的一种抽象。 用矩形符号表示。包括： 点 (point) 线（polyline） 面（polygon） 体（polyhedra）
数据库是数据库系统的简称。 一个完整的数据库系统应当包括三个组成部分：
（1）数据库存储系统：按照一定的结构组织在一 起的相关数据的集合；
（2）数据库管理系统：提供数据库建立、使用和 管理工具的软件系统；
（3）数据库应用系统 ：根据用户需求建立的具有 数据库访问功能的应用软件。
1．2 空间数据库的概念
（3）逻辑设计：把概念模型利用数据库管理系统提供 的工具映射为计算机中数据库管理系统所支持的数据模 型。如实体-联系模型转换成关系数据库模型。
（4）物理设计：数据库的逻辑模型在实际物理存储设 备上加以实现，建立物理数据库。
用户
数
需求解释
据
概念模型
库 的
数据映射
系
逻辑模型
统
物理实现
结
物理模型
构
空间数据库设计过程
(1)以记录作为数据模型的基本结构，不能很好地面向对象
(2)不能以自然方式表示客体之间的联系 客体联系被掩盖在记录、属性之中。
(3)数据语义贫乏 数据语义是指数据本身具有的表达数据属性及其关系
的能力。各属性之间关系（从属关系、性质、成分 ）通过 文字来叙述。
（4）数据类型少，难以满足用户需要 整数、实数、字符型和日期型等。缺拓扑数据。
优点：层次分明、结构清晰、易理解。 缺点：冗余度大，不适于表示数据的拓朴关系。
•网状数据模型
图数据结构。表达数据关系是多对多（M：N）。
M
P1
P2
P3
P4
a1
a2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
a3
a4
a5
a6
a7
a8
N1
N2
N3
N4
N5
同层次模型相比： 优点：压缩了数据量。数据间显式连接，便于表达复杂的拓朴关 系； 缺点：数据之间的联系通过指针表示，指针数据项使数据量大大 增加。
空间数据模型是对空间实体进行描述和表达的 手段。 空间数据库设计最终归结为空间数据模型设计
空间数据设计的过程和步骤
GIS空间数据库的设计经历过程： 现实世界-信息世界-计算机世界
空间数据库设计步骤： （1）需求分析：系统分析特定的专业应用需求。
（2）概念设计: 把用户的需求加以解释，并用概念模 型表达出来。概念模型是对现实世界的抽象。主要描述 数据及其之间的语义关系。如实体-联系模型、面向对 象数据模型。