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第八章空间数据库设计本章内容•空间数据库设计概述•面向对象的数据库设计•地理信息元数据设计•基于Geodatabase的数据库设计•空间数据采集建库第一节空间数据库设计概述•空间数据库设计概念•空间数据设计的目标•空间数据库设计的内容•数据库设计：–数据库设计是指对于一个给定的应用环境，构造最优的数据库模式，建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储数据，满足各种用户的应用需求（信息要求和处理要求）•空间数据库设计：–空间数据库的设计是指在现在数据库管理系统的基础上建立空间数据库的整个过程一、空间数据库设计概念二、数据设计的目标•1、满足用户要求2、准确模拟现实世界（现实世界信息世界）3、能被DBMS所接受4、具有良好的性能、较高的质量•数据库设计的核心（建立什么样的模型）1、如何保持数据的特性（结构准则）2、如何合理使用资源和提高存取效率（性能准则）三、空间数据库设计的内容•仿照软件生存期的定义，一般将数据库系统生存期划分为七个阶段：–规划–需求分析–概念设计–逻辑设计–物理设计–实现–运行维护分析和设计阶段实现和运行阶段数据库设计的基本步骤该阶段主要进行建立数据库的必要性和可行性分析，确定数据库系统在组织和管理信息中的地位，以及各个数据库之间的关系。在这个阶段要分析基于数据库系统的基本功能，再确定数据库的支持范围时，最好实现建立若干个范围不同的公用或专用数据库，然后逐步完成整个大型信息系统的建设。另外，还要对数据库与模型库、方法库或信息系统中其它成分的关系进行明确的规定。在数据库规划工作完成后，应编制详尽的可行性分析报告及数据库规划纲要，内容包括信息范围、信息来源、人力资源、设备资源、软件及支持工具、开发成本及进度安排等。1．规划这是整个数据库设计过程中比较费时、复杂同时也是很重要的一步，是整个空间数据库设计与建立的基础。主要收集数据库所有用户的信息内容和处理要求，并加以规格化和分析。在分析用户需求时，要确保用户目标的一致性。2．需求分析•需求分析阶段主要进行以下工作：–1）调查用户需求：了解用户特点和要求，取得设计者与用户对需求的一致看法。–2）需求数据的收集和分析：包括信息需求(信息内容、特征、需要存储的数据)、信息加工处理要求(如响应时间)、完整性与安全性要求等。•需求分析的整理一般采用数据流分析法，分析结果以数据流图DFD（DataFlowDiagram）表示。DFD同时也可以作为自顶向下逐步细化的描述工具。–3）编制用户需求说明书：包括需求分析的目标、任务、具体需求说明、系统功能与性能、运行环境等，是需求分析的最终成果。概念设计以需求分析为基础，将需求转换成通用的信息结构模型。这个抽象的信息系统模型被称为概念数据模型。概念模型不依赖于计算机系统和具体DBMS。3．概念设计•概念结构设计策略与方法(四种)–(1)自顶向下。即首先定义全局概念结构的框架，然后逐步细化。–(2)自底向上。即首先定义各局部应用的概念结构，然后将它们集成起来，得到全局概念结构。–(3)逐步扩张。即首先确定核心业务的概念结构，然后以此为中向外扩张，最终实现全局概念结构。–(4)混合策略。即将自顶向下和自底向下两种策略结合使用，首先确定全局的框架，划分为若干个局部概念模型，再采取自底向上的策略实现各局部的概念模型，加以合并实现全局概念模型。•表示概念模型最有力的工具是•即实体-联系模型，包括三个基本成分。•用它来描述现实地理世界，不必考虑信息的存储结构、存取路径及存取效率等与计算机有关的问题，比一般的数据模型更接近于现实地理世界，具有直观、自然、语义较丰富等特点，在地理数据库设计中得到了广泛应用。E-R模型实体、联系和属性ER模型（）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（?）。EntityRelationshipModel1：1，1：M或M：N建立ER模型的基本步骤：1）确定实体类型：如城镇和道路2）确定联系类型：如城镇位于某条道路边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城镇道路位于名称编号几何中心人口数长度空间属性名称编号类型长度起点终点道路中心线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：有些实体本身不能依据其属性值唯一的被识别，而必须依赖于它所联系的其他实体（父实体）才能被识别。这种实体称为依赖性实体或弱实体。例如道路数据库中的路段，307国道湖北段。•依赖性实体和识别联系用双线矩形框和双线菱形框表示。•依赖性实体总是强制性参与到识别联系中，否则其实例无法识别。•依赖实体与父实体之间的联系是1:1或M:1的关系。路段组成道路编号中心线……M1名称编号类型长度起点终点……2）子类和超类：某个实体类型E1中所有实体同时也是另一实体类型E2中的实体，如中间销售商和销售商。称E1是E2的子类，E2称为超类。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。从一个类产生其子类的操作称为特化，反过来，从类产生超类的操作成泛化。特化和泛化互为反操作。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。土地利用图斑线状地物零星地物d建筑物住宅农庄o3）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与合并、增加与删除、转位等。A.实体/联系（类型）的分裂与合并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。•实体的合并是分裂的逆操作，将多个实体合并为一个实体。•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，即分裂实体时相关的联系也分裂成多个联系，合并实体时其相关的多个联系也随之合并成一个联系。•联系的分裂是将一个联系分裂成多个联系，联系的分裂不会引起实体的分裂。•联系的合并是将多个联系个并成一个联系，联系的合并不会引起实体的合并。空间几何河流表示n1线要素河流表示1n1面要素表示2n1分裂合并B.实体/联系的增加和删除：可以在E-R模型中增加实体，而且在增加实体的同时增加联系，将该实体与模型中的其他实体联系起来。也可以增加联系连接模型中已有的实体。可以删除模型中的实体，在删除实体的同时应该删除实体的所有属性以及与该实体相关的所有联系。也可以删除模型中的联系，删除联系的同时删除该联系的所有属性。B.实体/属性的转位：向上转位：将某些实体的属性修改为实体。向下转位：将某些实体修改为实体的属性。道路名称编号类型长度起点终点中心线道路名称编号类型长度起点终点中心线表示坐标串利用ER模型进行概念设计大致分为三个步骤：1）设计局部ER模型2）设计全局ER模型3）全局ER模型的优化4．逻辑设计逻辑设计又称为“实现设计”，逻辑设计的目的是从概念结构中（如ER图）导出特定DBMS可处理的数据库的逻辑结构（数据库模式和外模式），这些模式在功能、性能、完整性和一致性约束以及数据库的可扩充性等方面均应满足用户的各种要求。1）导出初始模式：将概念设计结果（全局ER模式）转换成初始关系模式。对关系数据库而言，其逻辑设计的主要步骤如下：2）规范化处理：目的是减少乃至消除关系模式中存在的各种异常，改善完整性、一致性和存储效率。3）模式和性能评价：评价设计出的模式是否完全满足用户的功能要求，是否具有较高的效率。4）模式修正：通过合并、分解或选用另外结构等方法，完善需求分析和概念设计过程中没能满足的用户需求。特点文件方式基于RDBMS的空间数据库海量数据管理可以擅长空间与属性数据一体化难于实现一体化，需要通过连接实现一致性维护一体化开放性特殊格式工业标准，开放式管理可扩充能力弱强多用户并发难于实现很强的并发控制能力数据维护与更新文件数量多，管理困难只需一个数据库权限控制弱强•1．空间数据逻辑设计层1层2层3关系表关系表关系表（1）图块结构设计为了在计算机中对大容量的空间数据进行有效的组织，需要将所研究的地理区域分割成两块或多块独立的块，然后对这些图块建立空间索引。图块的结构构成空间数据库的基本组成部分。图块划分尺寸根据实际需要而定。必须遵循一定的原则。图块1图块2图块4图块3原则：其一，按存取频率较高的空间分布单元划分图块，以提高数据库的存取效率。其二，图块的划分应使基本存储单元具有较为合理的数据量。数据量过大，会造成查询分析效率低下;数据量过小，不便于数据管理。其三，在定义图块分区时，应充分考虑未来地图数据更新的图形属性信息源及空间分布，以利于更新和维护。•在多数情况下，图块按照地图图幅大小来划分，如小比例尺地图按经纬线分幅，大比例尺地图按矩形分幅。由于分幅后会出现某一空间实体跨越不同图幅，空间实体被分割成若干空间基本单元情况，因此需要在图幅、空间实体和空间基本单元之间建立连接关系。•主要通过建立空间索引表来实现，即建立：–a．图幅总索引表，记录各个图幅在整个区域的位置；–b．空间实体素引表，记录每个空间实体在各图幅上的分布；–c．基本单元素引表，记录每一基本单元与邻近八个图幅所连接的图幅号以及基本单元序号。•（2）图层信息组织–为了提高地图中各个要素的检索速度，便于数据的灵活调用、更新及管理，在空间数据库中，往往将不同类不同级的图元要素进行分层存放，每一层存放一种专题或一类信息。按照用户一定的需要或标准把某些相关图元要素组合在一起成为图层，它表示地理特征以及描述这些特征的属性的逻辑意义上的集合。在同一层信息中，数据都具有相同的几何特征和相同的属性特征。假设Li（i=1，2，…，n）为任一数据层，则一幅完整的地图。L=L1∪L2∪…∪Ln，数据层L是研究区域的所有信息总和。•数据分层可以按①专题，②时间，③垂直高度等方式来划分。•专题分层就是根据一定的目的和分类指标对底图上专题要素进行分类，按类设层，每类作为一个图层，对每一个图层赋予一个图层名。分类可以从性质、用途、形状、尺度、色彩等五个方面因素考虑。•2．属性数据逻辑设计–从理论上讲，设计逻辑结构应该选择最适于描述与表达相应概念结构的数据模型，然后对支持这种数据模型的各种DBMS进行比较，综合考虑性能、价格等各种因素，从中选出最合适的DBMS。–但在实际当中，往往是已给定了某台机器，设计人员没有选择DBMS的余地。目前DBMS产品一般只支持关系、网状、层次三种模型中的某一种，对某一种数据模型，各个机器系统又有许多不同的限制，提供不同的环境与工具。•属性表与属性关系的设计空间参数地块编码户主地址电话购买日期价格土地利用类型土地利用状态面积建造日期地块编码户主电话地址地块编码土地利用类型利用状态价格购买日期空间参数地块编码空间表户主表地块表5、物理设计•数据库存储结构和存储路径的设计。•即有效地将空间数据库的逻辑结构在物理存储器上实现，确定数据在介质上的物理存储结构，其结果是导出地理数据库的存储模式(内模式)。•主要内容包括确定记录存储格式，选择文件存储结构，决定存取路径，分配存储空间。•物理设计在很大程度上与选用的数据库管理系统有关。设计中应根据需要，选用系统所提供的功能。1.确定数据库的物理结构2.空间数据库的物理设计1）构造数据模型2）矢量和栅格数据文件（1）矢量格式（2）栅格格式3．属性空间数据关联1.确定数据库的物理结构•确定数据的存储结构•设计数据的存储路径•确定数据的存放位置•确定系统配置1）构造数据模型空间物理数据库采用层次模型组织方式，把地图作为树的根，根据图块的划分原则，将空间数据分为若干个图幅，