空间数据库技术(下)

第八讲空间数据库技术（下）中山大学遥感与地理信息工程系传统数据库管理空间数据的局限地理空间数据存储操作的对象可能是一维、二次、三维甚至更高维。一方面我们可以把地理空间数据库看成是传统数据库的扩充，另一方面，地理空间数据库突破了传统的数据库理论，如将规范关系推向非规范关系。而传统数据库系统只要针对简单对象，无法有效的支持复杂对象（如图形、图像）。传统数据库管理空间数据的局限传统数据库系统管理地理空间数据的局限性：1、传统数据库管理的是不连续的、相关性较小的数字和字符；而地理数据是连续的，具有很强的空间相关性。2、传统数据库管理的实体类型少，并且实体类型之间通常只有简单固定的空间关系；而地理空间数据库的实体类型繁多，实体类型之间存在着复杂的空间关系，并且能产生新的关系(P318)。传统数据库管理空间数据的局限3、传统数据库存贮的数据通常为等长记录的原子数据；而地理空间数据通常是结构化的，其数据项可能很大，很复杂，并且变长记录。4、传统数据库只操纵和查询文字和数字信息；而地理空间数据库中需要有大量的空间操作和查询，如特征提取、影像分割、影像代数运算、拓扑和相似性查询等。面向对象模型基本思想：对问题领域进行自然的分割，以更接近人类通常思维的方式建立问题领域模型，以便对客观的信息实体进行结构模拟和行为模拟，从而使设计出的系统尽可能直接的表现问题求解的过程。面向对象的数据库系统就是采用面向对象方法建立的数据库系统。面向对象数据库系统的特性基本特性：1、数据模型。它提供一组模拟信息实体的数据结构，一组操纵信息实体的方法和一组定义数据一致性状态的约束条件。2、永久性。数据应当长久存贮，并且能为应用程序交叉使用。3、并发性。多个用户可以同时访问和使用同一个数据库，并且能进行交互。面向对象数据库系统的特性5、恢复功能。当系统发生故障或损坏时，它应当能将系统恢复到以前的某种特定状态。6、查询语言。它应使用一种易用的高级语言访问和查询实体信息。4、事物管理。它应能监视数据库的交互过程，确保数据的一致性、正确性和稳定性。7、辅存管理。它应提供一组用于改善访问性能的高效结构和算法，包括索引管理、数据聚集、数据缓冲区、查询路径选择以及查询优化等。8、安全管理。具有保护信息的措施，提供权限检查的功能。面向对象数据库系统的特性9、数据抽象。它应能开发和使用灵活的、逻辑上复杂的抽象数据类型。10、较强的信息模拟能力。现实世界中实体的结构和行为在计算机环境当中被描述为类和对象，非常适合于模拟的用途。11、对象标识。系统为对象定义并维护唯一的标识符，这一对象独立于对象本身的内容和地址，并支持对象的共享。面向对象数据库系统的特性12、封装性与数据隐藏。对象由类型定义的方法操纵，其内部结构对于外部是隐藏的。13、主动（智能）数据。过程与数据的封装式系统具有推理能力，并具有一致性和有效性，这也能增强数据库定义智能操作触发器的能力。14、继承性。由类的抽象可以构成类层次，类层次中的子类可以集成父类的数据与行为。超类的特殊化为子类，子类的概括化形成超类。继承性自动维护类层次中的关系。面向对象数据库系统的特性15、多态性。数据和成员函数都可以在运行时刻动态的理解成不同含义。这是用重载和动态联编实现的。16、复合性。一组对象可以是另一个对象的一部分。17、消息传递。对象之间的交互是通过消息激活对象中的方法来实现的。它增强了系统的模拟能力。18、计算完整性。19、可扩充性。系统提供的操作、结构和约束不是固定的，用户可以在应用中增量的定义新的操作和类型。面向对象数据库系统的实现方式1、扩展面向对象程序设计语言（OOPL）,在OOPL中增加DBMS的特性2、扩展RDBMS，在其中增加面向对象的特性3、建立全新的支持面向对象数据模型的OODBMS面向对象数据库系统的实现方式1、扩展面向对象程序设计语言（OOPL）,在OOPL中增加DBMS的特性典型的OOPL有Smalltalk和C++。GmStone就是通过扩展Smalltalk形成的一种OODBMS。ONTOS则是通过扩展C++形成的一种OODBMS，它用标准的C++代码定义类和函数并主动提供数据字典的概念，使数据能动态定义。在OODBM中增加处理和管理地理信息数据的功能，则可以形成地理信息数据系统。在这种系统中，对象标识符为指向各种对象的指针，地理信息对象的查询通过指针依次进行。这种系统具有计算完整性。面向对象数据库系统的实现方式优点：1、能充分利用OOPL的强大功能，相对减少开发工作量。2、容易结合现有的C++语言应用软件，使系统的应用范围更广泛。缺点：没有充分利用现有的DBMS所具有的功能。面向对象数据库系统的实现方式2、扩展RDBMS，在其中增加面向对象的特性RDBMS是目前应用最广的数据库管理系统。我们可用OOPL来扩展RDBMS。IRIS就是用C语言和LISP语言扩展RDBMS形成的一种OODBMS.优点：1、能充分利用RDBMS的功能，可使用或是扩展SQL查询语言。2、结合二者的特性，可以大大减少开发工作量。缺点：I/O查询比较费时，需要完成一些额外的操作。查询效率比纯OODBMS低。面向对象数据库系统的实现方式3、建立全新的支持面向对象数据模型的OODBMS它重视计算完整性，以记述消息的语言为基础，备有全新的数据库程序数据语言（DBPL）或永久性程序设计语言。此外，它还提供非过程的查询语言。它并不以OOPL作为基础，而是创建独自面向对象DBPL。O2就是这种途径实现的。面向对象数据库系统的实现方式O2系统分为几个层次，它们是模式管理（SM）、对象管理(OM)和Wisconsin(WISS)存贮系统。SM负责类别、消息和公共区名字的生成、查询、更新和删除。OM负责复合对象以及复合值与消息的交换。WISS则提供构造记录的各种文档的存贮方法。优点：用常规语言开发的纯OODBMS全面支持面向对象数据模型，可扩充性较强，操作的效率高。重视计算完整性和非过程查询。缺点：数据库结构复杂，并且开发工作量很大。ER模型（EntityRelationshipModel）ER模型即实体联系模型，它是概念设计的主要方法和最常用的表达形式。ER模型的基本语义单位是实体与联系。ER模型可以形象地用图表表示，称为ER图。在ER图中，以矩形框表示实体类型，用椭圆表示实体类型和联系类型的属性，所有类型和属性都以相应的名称记入框内。联系类型和相关实体类型间以直线相连，并在直线的两端标明联系的种类（1：M，M：N或1：1）。ER模型（EntityRelationshipModel）建立ER模型的基本步骤：1）确定实体类型：如客户和销售商。2）确定联系类型：销售活动或订货活动。3）确定实体类型和联系类型画出ER图。4）确定实体类型与联系类型的属性：对于客户，其属性有客户的编号、姓名、地址等；对于联系类型，其属性有客户编号、销售编号、商品名称、销售量等。ER模型（EntityRelationshipModel）ER模型的基本成分是实体、联系和属性。在准确模拟现实时，还应对基本的ER模型进行扩展。对ER模型的扩展主要包括以下几方面内容：1）弱实体的划分与依赖联系：有些实体对另外一些实体有很强的依赖关系，如职工子女和职工之间。称前者为弱实体，二者之间的联系称为依赖联系。ER模型（EntityRelationshipModel）2）子类和超类：有时某个实体类型中所有实体同时也是另一实体类型中的实体，如中间销售商和销售商。称前一实体类型是后一实体类型的子类，后一实体类型称为超类。在ER图中，带有子类的实体以两端双线的矩形表示。子类的一个很重要的特征是继承，子类继承超类的所有抽象。另外，同一实体类型若干子类之间可能相交，也可能不相交，这取决于子类本身的定义。通过引入子类，可以简化ER模式为任何两个实体类型间只有唯一联系（1：1）的情形。3）ER模型的操作：在利用ER模型进行数据设计时，常常要对ER图进行各种变换，即ER模型的操作。这些操作包括实体类型、联系类型各种属性的分裂、合并、增删等。ER模型（EntityRelationshipModel）实体类型的分裂一个实体类型可以根据需要分解成若干实体类型。分裂方式有水平分裂和垂直分裂两种。水平分裂是指将实体分解成互不相关的子类，如将客户分为男客户和女客户。垂直分裂是指对实体的属性进行分组，如将客户信息中固定不变和经常变动的属性数据分别作为一个实体。ER模型（EntityRelationshipModel）实体类型的合并这是分裂的逆操作。在实体类型的合并和分裂过程中，实体间的联系类型也应作相应操作。其它ER模型的操作还有：联系类型的分裂、联系类型的合并、增加新的实体类型、删除实体类型、增加新联系以及删除联系。另外对于ER图中的属性也有许多操作，如值域的增加、删除、合并分裂等。ER模型（EntityRelationshipModel）利用ER模型进行概念设计大致分为三个步骤：1）设计局部ER模式2）全局ER模式的优化3）ER模型向数据模型的转换ER模型（EntityRelationshipModel）1）设计局部ER模式这是一种“分而治之”的策略，即先分别考虑各个用户的信息需求，形成局部概念结构，然后在综合形成全局结构。在局部ER模式设计中，应尽可能使模型结构简单化；应尽可能减少冗余的产生，联系和实体的属性应是不可分割的，不同实体类型的属性之间应无直接关联关系。局部模型的合并方式是按照其联系两两合并。由于局部ER模式间不可避免的会有很多不一致性（冲突），如属性冲突、结构冲突、命名冲突等，因而消除冲突，产生一个使整个系统所有用户共同理解和接受的统一的全局概念模式，非常必要。ER模型（EntityRelationshipModel）2）全局ER模式的优化在得到全局ER模式之后，为了提高数据库系统的效率，还应进一步依据处理要求对ER模式进行优化。一个好的ER模式，在准确全面反映用户功能需求外，还应满足下列条件：实体类型的个数应尽可能少；实体类型所含属性数据的个数尽可能少；实体类型间联系无冗余。因而针对上述三个条件还应对全局ER模式进行实体类型的合并、冗余属性和冗余联系的消除等操作。有时为了兼顾查询效率、存储代价等，对上述操作应根据具体情况而定。ER模型（EntityRelationshipModel）3）ER模型向数据模型的转换：ER模型像数据模型的转换是逻辑数据设计阶段的主要步骤之一。这种转换要遵循一定的规则，对于关系数据模型而言，其转换规则主要有：（1）一个实体类型转换成一个关系模式。实体的属性就是关系的属性，实体的键就是关系的键。（2）一个联系类型转换成一个关系模式，参与该联系的各实体的键以及联系的属性转换成关系的属性。该关系的键有三种情况：若联系为1：1，则每个实体的键均是该关系的键；若联系为1：M，则关系的键为“M”端实体的键；若联系为M：N，则关系的键为诸实体键的组合。ER模型（EntityRelationshipModel）ER模型的优点一是接近人的思维，容易理解；二是与计算机无关，用户容易接受。因此，ER模型已成为软件工程的一个重要设计方法。尽管如此，但现有的数据库不能直接接受ER模型，主要是ER模型只能说明实体间语义联系，还不能进一步说明详细数据结构。一般遇到一个实际问题，总是先设计一个ER模型，然后再转换成计算机已实现的数据模型。地理空间数据库系统的发展趋势1、面向对象模型的应用。2、多媒体技术拓宽了地理空间数据库系统的应用领域。3、虚拟现实技术促进了地理空间数据库的可视化。4、分布式处理和Client/Server模式的应用，使地理空间数据库具有与Internet/Intranet的连接能力，实现分布式事物处理、透明存取、跨平台应用、异构网互联、多协议自动转换等。地理空间数据库软件产品1、OracleSpatialCartridge(SC)2、Intergraph的GeoMedia系列3、ESRI的SpatialDataEngineer(SDE)4、MapInfo的SpatialWare数据字