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第三章空间数据库学习目标了解数据库的基本概念了解数据库的特点和结构理解传统数据库模型重点：数据库模型的分类和特点难点：面向对象的数据库模型第三章空间数据库第一节数据库概述第二节传统数据库系统的数据模型第三节GIS中空间数据库的组织方式第四节面向对象空间数据库系统第一节数据库概述计算机对数据的管理经过了三个阶段：程序管理阶段、文件管理阶段、数据库管理阶段建立数据库不仅仅是为了保存数据，扩展人的记忆，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。地理信息系统中的数据库就是一种专门化的数据库，由于这类数据库具有明显的空间特征，所以有人把它称为空间数据库。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、管理和应用相关联的数据集合。第一节数据库概述数据库的主要特征数据库方法与文件管理方法相比，具有更强的数据管理能力。数据库具有以下主要特征1、数据集中控制特征2、数据冗余度小的特征3、数据独立性特征4、复杂的数据模型5、数据保护特征第一节数据库概述数据库的系统结构1、物理级：数据库最内的一层。它是物理设备上实际存储的数据集合(物理数据库)。它是由物理模式(也称内部模式)描述的。2、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。它是由概念模式定义的，这一级也被称为概念模型。3、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。它由外部模式定义。第一节数据库概述数据库的系统结构概念模型物理数据库外部模型A外部模型B用户A1用户A1用户B1用户B1数据库管理系统外部/概念映射A外部/概念映射B概念/内部映射外部模式外部模式概念模式内模式概念模型物理数据库外部模型A外部模型B用户A1用户A1用户B1用户B1数据库管理系统概念模型物理数据库外部模型A外部模型B用户A1用户A1用户B1用户B1数据库管理系统概念模型物理数据库外部模型A外部模型B用户A1用户A1用户B1用户B1概念模型物理数据库物理数据库外部模型A外部模型B外部模型A外部模型B用户A1用户A1用户B1用户B1用户A1用户A1用户A1用户A1用户B1用户B1用户B1用户B1数据库管理系统数据库管理系统外部/概念映射A外部/概念映射B外部/概念映射A外部/概念映射B概念/内部映射外部模式外部模式概念模式内模式外部模式外部模式概念模式内模式第一节数据库概述数据库的系统结构数据库管理系统是处理数据库存取和各种管理控制的软件，应用程序对数据库的操作全部通过DBMS进行。数据库管理系统数据库管理系统数据库定义数据库的装入数据管理数据库维护数据库通讯提供各种模式的语言及其支撑软件，并把各种定义信息也存贮于系统之中。它勾画出数据库的框架。数据库管理系统数据库定义数据库的装入数据管理数据库维护数据库通讯应用数据装入数据库a)键盘输入；b)接受另一个系统的数据文件数据库管理系统数据库定义数据库的装入数据管理数据库维护数据库通讯运行控制数据存取、更新数据完整性、有效性数据公享数据库管理系统数据库定义数据库的装入数据管理数据库维护数据库通讯重新定义数据重新组织性能监督与分析数据库整理故障恢复数据库管理系统数据库定义数据库的装入数据管理数据库维护数据库通讯操作系统接口处理各种语言接口远程操做接口处理DBMS组成语言处理程序运行控制程序建立与维护程序数据描述语言（DDL）数据操作语言（DML）终端命令解译系统控制数据存取数据更新并发控制数据完整性数据装入性能监控工作日志重新组织数据转储系统恢复SQL语言：数据查询DataQuery数据定义DataDefinition数据操纵DataManipulation数据控制DataControlOSDBMS应用程序工作区系统缓冲区数据库应用程序的外部模型模式存储模式(1)(8)(7)(6)(3)(4)(5)(2)OSDBMS应用程序工作区系统缓冲区数据库应用程序的外部模型模式存储模式OSDBMSOSDBMS应用程序工作区系统缓冲区数据库应用程序的外部模型模式存储模式应用程序工作区系统缓冲区数据库应用程序的外部模型模式存储模式(1)(8)(7)(6)(3)(4)(5)(2)(1)(1)(8)(8)(7)(7)(6)(6)(3)(3)(4)(4)(5)(5)(2)(2)应用程序对数据库的访问第一节数据库概述数据库中数据组织方式数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、记录、文件和数据库。1、数据项：是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、字段等。2、记录：由若干相关联的数据项组成。3、文件：文件是一给定类型的(逻辑)记录的全部具体值的集合。4、数据库：是比文件更大的数据组织。数据库是具有特定联系的数据的集合，也可以看成是具有特定联系的多种类型的记录的集合。数据库的内部构造是文件的集合，这些文件之间存在某种联系，不能孤立存在。第一节数据库概述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。1、一对一的联系(1：1)2、一对多的联系(1：N)3、多对多的联系(M：N)ABABABABABAB第二节传统数据库系统的数据模型数据模型数据模型是数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织的形式表示。每一种数据模型都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方式。数据库领域采用的数据模型有层次模型、网状模型和关系模型，其中应用最广泛的是关系模型。第二节传统数据库系统的数据模型层次数据库模型它的特点是将数据组织成一对多关系的结构。层次结构采用关键字来访问其中每一层次的每一部分。层次数据库结构特别适用于文献目录、土壤分类、部门机构等分级数据的组织。ⅠⅡ123456abcdefgMMⅠⅡabcdefg1223344134355664c第二节传统数据库系统的数据模型层次数据库模型优点：存取方便且速度快结构清晰，容易理解数据修改和数据库扩展容易实现第二节传统数据库系统的数据模型层次数据库模型缺陷：由于层次结构的严格限制，对任何对象的查询必须始于其所在层次结构的根，使得低层次对象的处理效率较低，并难以进行反向查询。数据的更新涉及许多指针，插入和删除操作也比较复杂。母结点的删除意味着其下属所有子结点均被删除，必须慎用删除操作。层次命令具有过程式性质，它要求用户了解数据的物理结构，并在数据操纵命令中显式地给出存取途径。模拟多对多联系时导致物理存贮上的冗余。数据独立性较差。第二节传统数据库系统的数据模型网状数据库模型反映着世界中实体间更为复杂的联系，其基本特征是，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。北京广州上海西安学生甲学生乙学生丙学生丁课程1课程2课程3课程4实例第二节传统数据库系统的数据模型网状数据库模型优点：–能明确而方便地表示数据间的复杂关系–数据冗余小缺陷：–网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难。它要求用户熟悉数据的逻辑结构，知道自身所处的位置。–网状数据操作命令具有过程式性质。–不直接支持对于层次结构的表达。第二节传统数据库系统的数据模型关系数据库模型关系模型是根据数学概念建立的，它把数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表形式。实体本身的信息以及实体之间的联系均表现为二维表，这种表就称为关系，而关系表的集合就构成为关系模型。关系模型不是人为地设置指针，而是由数据本身自然地建立它们之间的联系，并且用关系代数和关系运算来操纵数据，这就是关系模型的本质。第二节传统数据库系统的数据模型关系数据库模型MⅠⅡⅠⅡacbecfgdⅠa12ⅠⅠⅠⅡⅡⅡgb25f463e356d41c34地图多边形线1x1y12x2y23x3y34x4y45x5y56x6y6ⅠⅡ123456abcdefgM第二节传统数据库系统的数据模型关系数据库模型优点：–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，使用与维护也很方便。关系模型通过规范化的关系为用户提供一种简单的用户逻辑结构。所谓规范化，实质上就是使概念单一化，一个关系只描述一个概念，如果多于一个概念，就要将其分开来。–关系模型具有严密的数学基础和操作代数基础——如关系代数、关系演算等，可将关系分开，或将两个关系合并，使数据的操纵具有高度的灵活性；–在关系数据模型中，数据间的关系具有对称性，因此，关系之间的查询在正反两个方向上难度程度是一样的，而在其它模型如层次模型中从根结点出发寻找叶子的过程容易解决，相反的过程则很困难。第二节传统数据库系统的数据模型关系数据库模型缺点：–实现效率不够高。由于概念模式和存贮模式的相互独立性，按照给定的关系模式重新构造数据的操作相当费时。另外，实现关系之间联系需要执行系统开销较大的联接操作。–描述对象语义的能力较弱。现实世界中包含的数据种类和数量繁多，许多对象本身具有复杂的结构和涵义，为了用规范化的关系描述这些对象，则需对对象进行不自然的分解，从而在存贮模式、查询途径及其操作等方面均显得语义不甚合理。–不直接支持层次结构，因此不直接支持对于概括、分类和聚合的模拟，即不适合于管理复杂对象的要求，它不允许嵌套元组和嵌套关系存在。第二节传统数据库系统的数据模型关系数据库模型缺点（续）：–模型的可扩充性较差。关系模型只支持元组的集合这一种数据结构，并要求元组的属性值为不可再分的简单数据(如整数、实数和字符串等)，它不支持抽象数据类型，因而不具备管理多种类型数据对象的能力。–模拟和操纵复杂对象的能力较弱。关系模型表示复杂关系时比其它数据模型困难，因为它无法用递归和嵌套的方式来描述复杂关系的层次和网状结构，只能借助于关系的规范化分解来实现。过多的不自然分解必然导致模拟和操纵的困难和复杂化。第三节GIS中空间数据库的组织方式标准DBMS存储空间数据的局限性传统数据库系统管理的是不连续的、相关性较小的数字和字符；而地理信息数据是连续的，并且具有很强的空间相关性。传统数据库系统管理的实体类型较少，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，并且还能产生新的关系(如拓扑关系)。传统数据库系统存贮的数据通常为等长记录的数据；而地理空间数据通常由于不同空间目标的坐标串长度不定，具有变长记录，并且数据项也可能很大，很复杂。传统数据库系统只操纵和查询文字和数字信息；而空间数据库中需要有大量的空间数据操作和查询，如相邻、连通、包含、叠加等。第三节GIS中空间数据库的组织方式GIS的数据管理方法GIS应用软件GIS应用软件GIS应用软件GIS应用软件空间及属性数据文件GIS应用软件GIS应用软件GIS应用软件GIS应用软件空间及属性数据库扩展DBMS以容纳空间数据商业数据库GIS应用软件GIS应用软件GIS应用软件GIS应用软件空间及属性数据库用户设计的数据库GIS应用软件GIS应用软件GIS应用软件GIS应用软件空间数据库属性数据库管理空间数据的软件管理属性数据的DBMS第三节GIS中空间数据库的组织方式文件关系数据库混合管理方案属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效；几何数据采用图形文件管理，功能较弱，特别是在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制方面，比商用数据库要逊色得多。空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。GIS软件：Arc/Info，MGE，SICARD、GENEMAP等。第三节GIS中空间数据库的组织方式文件关系数据库混合管理方案几何数据属性数据ID数据文件数据库几何数据属性数据ID数据文件数据库早期图形用户界面图形处理DBMS属性用户界面图形文件库属性数据库图形用户界面图形处理DBMS属性用户界面图形文件库属性数据库图形文件库属性数据库GIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库高级语言ODBC协议GIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库高级语言数据库开发语言GIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库高级语言数据库开发语言数据库开发数据库开发第三节GI