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空间数据库系统的设计与实现在第七章的第一部分介绍了空间数据的特征、规范与标准以及空间数据的逻辑预处理（包括分幅、分层和分专题要素）。在这一部分将介绍空间数据库的概念设计和逻辑设计，它是空间数据库设计的主要内容。教学提纲三、空间数据库的概念设计四、空间数据库的逻辑设计退出三、空间数据库的概念设计（一）空间数据需求分析（二）E-R模型（三）空间数据库的概念模型设计返回空间数据需求分析步骤用户需求调查分析空间数据现状系统分析各步骤具体工作内容其中，用户需求调查在空间数据需求分析中具有重要地位。调查方法以与GIS用户面对面讨论的形式为主，调研的最终结果是提交一份全面和完整的书面报告。报告完成后，应送交用户评议以证实报告的准确性和完整性，用户对报告的讨论及修改建议必须在最终报告中反映出来。用户需求调查系统分析分析数据现状现行业务处理流程；数据性质、获取途径与应用范围；数据间的关系；数据使用频率；用户的数据要求、处理方式与处理要求数据内容是否符合要求；数据的有效性；数据的完整性；数据的现势性；数据的表示方法；数据加工的难易程度；数据的标准化；数据的数量与质量；数据的来源分析系统环境和条件；确定系统边界；确定计算机实现的功能；抽象出系统模型返回E-R模型描述：E-R模型是构建信息系统或数据库概念模型的一种有效工具或有效方法（也称为E-R方法）。组成：实体类（简称实体）、关系类（简称关系）和属性分类：基本E-R方法、扩展E-R方法、空间E-R方法基本E-R方法由PeterChen于1976年提出特点：强调实体间的关系，而非实体的属性目的：•试图建立一个统一的数据模型，以概括层次、网状和关系三个传统的数据模型；•作为三种传统数据模型相互转换的中间数据模型；•作为超脱数据库管理信息系统的一种概念模型，以比较自然的方式描述现实世界。表示方法：E-R图。其中，实体用方框表示，属性用椭圆表示，关系用菱形表示。实体描述：它是所关心的客观事物的抽象，并且可以被唯一地标识。识别原则：•如果数据类相对独立，并可唯一标识，且具有自己的属性，则该数据类可能是一类实体，如果它仅是某类实体的特征，则它是一类属性•如果数据类与已识别的实体间存在关系/联系，则该数据类（已是一类实体的属性除外）可能是一类实体属性描述：它是实体的特征。一个实体总是通过其属性来描述的，对实体的管理和分析的操作是通过对属性的操作来实现的。关系/联系描述：它指的是实体之间的联结，可以有自己的属性。一般地，实体和属性是数据库的存储对象，而关系是数据库所要进行的查询操作。种类：拥有/属于关系、集/子集关系、父/子关系、实体的组成关系等。又可分为一对一、一对多、多对一、多对多等关系类型。E-R图示例(大学数据库)教师年龄姓名性别职称工资地址所属教研室讲授课程邮编市单位学校信箱教师教室课程名学时数内容T_S_C教研室地点名称编号所属系系地点名称编号系主任学生性别姓名年龄年级B_DN1S_D1NT_DN1多值属性联系型返回扩展E-R方法描述：它是在基本E-R方法的基础之上，引入分化与综合、聚集、范畴/类等抽象概念发展起来的。具有部分面向对象的色彩。分化与综合分化：即把一个实体或类按某一特征分为几个实体集。设有实体集E，如果F是E的某些真子集的集合，即F={Si|SiE，i=1，2，……，n}，则称F是E的一个分化，E是S1，S2，……，Sn的超实体集，S1，S2，……，Sn是E的子实体集。综合：它是分化的逆过程。返回聚集描述：由联系及参与联系的实体组合而成的新实体。即允许联系参与联系，而在基本E-R方法中是不允许的。返回范畴/类描述：范畴/类是一种扩展实体关系模型，即E-C-R（Entity-Category-Relationship）模型中的一个抽象概念——“实体集的一个子实体集”。范畴/类与分化的概念有些相似，区别是前者涵盖的范围更为广泛，允许不同类型的实体组成实体集，如线状可以是河流，也可以是道路，而河流和道路是不同类型的实体。返回空间E-R方法E-R方法在GIS中的应用分为两类：•直接应用。如属性数据库概念模型设计•空间E-R方法。根据空间数据的空间特性对基本E-R方法和扩展E-R方法进行改进，它最初由Calkins提出，在GIS中具有较成功的应用空间实体及其表达空间实体与一般实体区别：它具有空间特性。即它除了作为一般实体的普通属性外，还具有不同于一般实体的空间属性。三种空间实体类型（Calkins定义）：•有空间属性对应的一般实体；•有空间属性对应的需用多种空间尺度（类型）表达的实体；•有空间属性对应的需表达多时段的实体。这三种空间实体分别用单个特定矩形框、两个交叠的特定矩形框、三个重叠的特定矩形框表示。空间实体的关系及其表达关系分类（Calkins）：•一般关系（一般数据库都具有）；•拓扑关系（相邻、联结、包含）；•由空间操作导出的关系（邻近、交叠、空间位置的一致性）。表达：这三类关系分别用菱形、六边形、双线六边形表示。基本E-R方法和空间E-R方法比较基本E-R方法空间E-R方法实体构成例子学生（姓名、性别、年龄、入学时间、住址）宗地（产权人姓名、地址）多边形（坐标、拓扑关系）实体表达属性实体一般实体及其属性地理实体一般实体及其属性空间实体及其属性学生宗地PolygonGT坐标标识拓扑标识实体名称空间实体类型姓名、性别、……产权人姓名、地址、……E-R方法比较（续表）基本E-R方法空间E-R方法实体类型一种：一般实体（无空间实体对应）三种：一般实体（与空间实体对应）多空间尺度/类型表达的空间实体多时段表达的空间实体关系类型一种：三种：一般关系（拥有、参加）拓扑关系（连通、相邻、包含等）由空间操作导出的关系（邻近、交叠、跨越、空间一致性）空间E-R方法示例（据邵全琴等，1998）1渔船pointGTM共管区polygonGT包含于渔业公司渔政局渔船pointGT管理管理共管区polygonGT渔政船pointGT……包含于NNN11111NNNMMMMN中心渔场polygonGT禁渔区polygonGT围网渔船pointGT拖网渔船pointGTM海底障碍物pointGT交叠临近违规处罚O重叠注：1、M、N表示地理实体间的联系。如：它的含义为一个共管区内可以包含M艘渔船，即1：M的关系。返回数据库概念模型设计数据库概念模型：它是数据库的全局逻辑数据视图，是数据库管理员所看到的实体、实体属性和实体间的联系。概念模型设计任务：•概念数据库模式设计。以需求分析阶段所提出的数据要求为基础，对用户需求描述的现实世界通过对其中信息的分类、聚集和概括，建立抽象的高级数据模型(如E-R模型)，形成概念数据库模式•事务设计。是考察需求分析阶段提出的数据库操作任务，形成数据库事务的高级说明数据库概念设计流程图数据分析用户视图的设计用户视图的集成视图的分析和修改返回用户、征求意见数据流程图数据字典的形成单用户的概念结构(分E-R图)总体概念结构(初步E-R图)概念结构,(基本E-R图)空间数据库的概念模型设计流程确定系统所有的一般实体和地理实体确定各个实体的属性确定实体间的所有联系绘制表示一个单元的空间E-R图将空间E-R图转化为GIS软件和RDBMS可接受的数据模型将各个单元的空间E-R图组合起来，并优化返回概念模型设计步骤通过用户需求调查与分析，提取和抽象出空间数据库中所有的实体确定各个实体的属性。要求尽可能减少数据冗余，方便数据存取和操作，并能实现正确无歧义地表达实体根据系统数据流图及实体的特征正确定义实体间的关系根据提取、抽象和概括出的系统实体、实体属性以及实体关系绘制空间E-R图根据划分的标准和原则对这些单元的E-R图进行综合，并对其进行调整和优化，使其能够无缝地形成为一个整体将空间E-R图转化为适合GIS软件和数据库管理信息系统的数据模型。空间E-R模型是面向现实世界的，要将其在空间数据库中进行实现，必须转化成相关的GIS软件和数据库支持的模型四、空间数据库的逻辑设计（一）传统数据模型（二）面向对象数据模型（三）空间数据模型返回传统数据模型的类型层次模型网络模型关系模型层次模型它是以记录类型为结点的有向树或者森林。如果把层次模型中的记录按照先上后下、先左后右的次序排列就得到了一个记录序列，称为层次序列，层次序列码能指出层次路径。按照层次路径查找记录是层次模型的实现方法之一。根结点二级结点1二级结点2……………………三级结点1…………图中每个方框代表一个结点记录，附有该结点的属性值，结点间的连线反映了它们之间的从属关系网络模型它主要用于网络数据库的设计，是以记录类型为结点的网络结构。网络模型中通常用循环指针来联接网络中的结点。根结点二级结点1二级结点2……三级结点1三级结点2三级结点3……………………图中每个方框是一个结点，代表一个实体，每个实体用一个记录表示，不同实体之间的联系用网络联接。关系模型描述：它将数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表，亦称为关系，一个实体由若干关系组成，而关系表的集合就构成了关系模型。关系表示例：用地项目信息表和地块信息表用地项目编号用地单位地块编号……1地块12地块2…………地块编号面积用地类型……地块1地块2……三种模型的比较返回层次模型网络模型关系模型结构特征父结点与子结点的关系必须是一对一或一对多一个子结点可以有两个或多个父结点，两个结点之间可以有两种或多种联系实体间的联系通过公共值隐含地表达，并用关系代数和关系运算来操作优点结构清晰，较容易实现可以表示多对多的关系，冗余度较小结构简单灵活，数据修改和更新方便，容易维护和理解缺点不能表示多对多的联系，难以顾及数据共享和实体间的拓扑关系，数据冗余度大采用循环指针来联系结点，结构复杂，难以修改和维护，更新较为困难难以处理复杂的目标，效率、数据语义和目标标识等方面还有不足面向对象数据模型的框架传统数据库系统.持久性.共享.查询语言.并发控制.事务管理面向对象编程.复杂对象.对象确认.类和方法.封装.继承语义数据模型.聚合.概括.派生.联合确立对象数据模型面向对象数据模型的特点支持复杂对象。具有对简单对象运用各种构造符组成复杂对象的能力具有对象标识。对象独立于它的值存在具有封装性。数据库对象中既封装数据又封装程序，从而达到信息隐蔽，同时也实现逻辑数据的独立性支持类型和类的概念，类型概括了具有相同特性的一组对象的共同特性支持类或类型的层次结构，具有继承关系允许重载，即将同一名字用于不同类型的数据操作通过与现有程序设计语言的合理连接达到计算完备性具有扩充性面向对象数据模型的特征封装性：在面向对象的系统中，所有的实体都可以模型化为对象。对象是由描述该目标状态的一组数据和表达它的行为的一组操作（方法）组成，即某种相关的数据和行为的组合，这种行为就是对象的封装性。类：它是同类对象的集合，即具有相同属性和操作的目标的组合。类描述了该类对象的共同属性和共同的操作（方法），避免了对象的重复定义工作。超类和继承：超类的概念是为了减轻类的重复定义问题，方便类的管理。继承的概念是为了在超类和子类之间，使子类能够获得超类的属性项和操作。超类定义：简单的说就是将几种类型中某些具有共同特征的属性项和操作抽象出来，形成一种更一般的类，即超类。超类中所有的属性项和操作都赋予子类，同时，子类可以在超类的基础上添加其它的属性项和操作。举例：超类SuperC＝（属性1、属性2、属性3、操作1、操作2、操作3）；SuperC的子类Class1＝（属性4、操作4）。其中，Class1的属性项包括从SuperC继承来的属性1、2、3和自己定义的属性4，操作包括从SuperC继承来的操作1、2、3和自己定义的操作4。返回空间数据模型类型混合数据模型全关系型空间数据模型对象-关系型空间数据模型面向对象空间数据模型返回混合数据模型混合数据模型指在空间数据库建设中，采用将空间图形数据和相关联的属性数据分离开来管理的模式，空间数据与属性数据通过关键字连接。该