空間數(shù)據(jù)管理精品課件

1、空間數(shù)據(jù)管理第1頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五數(shù)據(jù)組織和管理的層次數(shù)據(jù)項：可以定義數(shù)據(jù)的最小單位，也稱字段。 數(shù)據(jù)項與現(xiàn)實世界實體的屬性相對應(yīng)，表達事物的某項屬性，可以用數(shù)值、字母、字符等形式，并有一定的取值范圍。記錄：由若干相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)項組成。 紀(jì)錄與現(xiàn)實世界的實體相對應(yīng)，是關(guān)于一個實體的數(shù)據(jù)總和。為了檢索數(shù)據(jù)庫中的紀(jì)錄，每個記錄必須有唯一的標(biāo)識符。文件：一給定類型的記錄的全體的集合。數(shù)據(jù)庫：具有特定聯(lián)系的多種類型的記錄文件的集合。第一節(jié)、數(shù)據(jù)庫概述第2頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五一、數(shù)據(jù)管理的文件方式通過文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序本

2、身不涉及數(shù)據(jù)的管理數(shù)據(jù)可以長期保存數(shù)據(jù)冗余度大、共享性差程序與數(shù)據(jù)有依賴性 文件結(jié)構(gòu)改變時程序必須相應(yīng)修改。文件系統(tǒng)應(yīng)用程序1應(yīng)用程序2應(yīng)用程序3數(shù)據(jù)文件1數(shù)據(jù)文件3數(shù)據(jù)文件2 文件管理方式是將數(shù)據(jù)組織保存在數(shù)據(jù)文件中，由操作系統(tǒng)中的文件管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)管理。按文件名訪問，按紀(jì)錄進行存取。（windows文件管理系統(tǒng)）第3頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五二、數(shù)據(jù)管理的數(shù)據(jù)庫方式由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行組織、操作和維護數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)用程序1應(yīng)用程序2應(yīng)用程序3數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)3數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)庫文件系統(tǒng)應(yīng)用程序1應(yīng)用程序2應(yīng)用程序3數(shù)據(jù)文件1數(shù)據(jù)文件3數(shù)據(jù)文件2第4頁，共46頁

3、，2022年，5月20日，12點31分，星期五數(shù)據(jù)庫的主要特征數(shù)據(jù)共享性：保證不同用戶和應(yīng)用可以共享數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)冗余度小：可以減少數(shù)據(jù)的重復(fù)存儲數(shù)據(jù)獨立性：數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序相互獨立 數(shù)據(jù)的物理儲存方式和邏輯結(jié)構(gòu)改變獨立于應(yīng)用程序復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型：可以用層次模型、網(wǎng)絡(luò)模型和關(guān)系模型表示現(xiàn)實世界中的數(shù)據(jù)組織及其數(shù)據(jù)間的聯(lián)系；數(shù)據(jù)保護特征：安全性控制、完整性控制、并發(fā)控制、故障的發(fā)現(xiàn)和恢復(fù)第5頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五三、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的簡稱數(shù)據(jù)庫： 空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng): Oracle MS SQL 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng) : 開發(fā)的具有數(shù)據(jù)庫訪問、

4、數(shù)據(jù)處理查詢功操作功能的用戶界面。 用戶 應(yīng)用系統(tǒng)用戶DBMS數(shù)據(jù)庫管理員數(shù)據(jù)庫用戶用戶應(yīng)用系統(tǒng)第6頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)圖書館數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)圖書數(shù)據(jù)按類存放的一組圖書文件圖書編目的方法數(shù)據(jù)模型書架的設(shè)計和安置數(shù)據(jù)的物理組織書庫數(shù)據(jù)占用的儲存空間圖書館管理機構(gòu)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)圖書查詢數(shù)據(jù)檢索圖書借閱數(shù)據(jù)存取讀者數(shù)據(jù)庫用戶第7頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五第二節(jié)： 數(shù)據(jù)模型什么是數(shù)據(jù)模型？ 數(shù)據(jù)模型是對數(shù)據(jù)庫如何分類組織數(shù)據(jù)的一種模型化表示。包括三個要素：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和聯(lián)系的描述 反映客觀實體的內(nèi)容和相互聯(lián)系數(shù)據(jù)操作的定義 數(shù)據(jù)的檢

5、索、修改、插入、刪除數(shù)據(jù)完整性約束 制定保證數(shù)據(jù)完整性的規(guī)則第8頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五第二節(jié)：數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型概念中的術(shù)語實體 (Entity)：實體是指現(xiàn)實世界中客觀存在的并可相互區(qū)別的事物。屬性 (Attribute)：實體所具有的某一特性域 (Domain)：屬性的取值范圍關(guān)鍵字(Key)：唯一標(biāo)識實體的屬性集聯(lián)系：實體之間的關(guān)系 (1:1 、1:n、 m:n)。第9頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五一、層次數(shù)據(jù)模型層次模型是一種樹結(jié)構(gòu)模型，它把數(shù)據(jù)按自然的層次關(guān)系組織起來，以反映數(shù)據(jù)之間的隸屬關(guān)系。它的特點是把地理數(shù)據(jù)組織成有

6、向有序的樹結(jié)構(gòu)，也叫樹形結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中的結(jié)點代表數(shù)據(jù)記錄，連線描述位于不同結(jié)點數(shù)據(jù)間的從屬關(guān)系(一對多的關(guān)系)。 層次模型 實體E及其空間要素第10頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五層次模型的優(yōu)缺點優(yōu)點：反映了現(xiàn)實世界中實體的層次關(guān)系是空間對象的自然表達形式，易于理解缺點：對低層次對象的處理效率較低，并難以進行反向查詢更新、插入和刪除操作比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)獨立性較差模擬多對多聯(lián)系時導(dǎo)致物理存儲上的冗余第11頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五二、網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型網(wǎng)狀模型將數(shù)據(jù)組織成有向圖結(jié)構(gòu)，圖中的結(jié)點代表數(shù)據(jù)記錄，連線描述不同結(jié)點數(shù)據(jù)間的聯(lián)系。這種數(shù)據(jù)模型

7、的基本特征是，結(jié)點數(shù)據(jù)之間沒有明確的從屬關(guān)系，一個結(jié)點可與其它多個結(jié)點建立聯(lián)系，即結(jié)點之間的聯(lián)系是任意的，任何兩個結(jié)點之間都能發(fā)生聯(lián)系，可表示多對多的關(guān)系。 網(wǎng)狀模型 實體E及其空間要素第12頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)缺點優(yōu)點：比層次結(jié)構(gòu)具有更大的靈活性和更強的數(shù)據(jù)建模能力可以描述多對多的關(guān)系，其數(shù)據(jù)存儲效率大于層次模型具有一定的數(shù)據(jù)獨立性和共享特性，運行效率較高缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了用戶查詢和定位的困難網(wǎng)狀數(shù)據(jù)操作命令具有過程式性質(zhì)不支持對于層次結(jié)構(gòu)的表達第13頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五地理實體-多邊形關(guān)系多邊形-多

8、邊形關(guān)系邊-結(jié)點關(guān)系EII三、關(guān)系數(shù)據(jù)模型abeecdaV1V2bV2V3eV3V1dV1V4cV4V3第14頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五關(guān)系模型的優(yōu)缺點優(yōu)點：能夠以簡單、靈活的方式表達現(xiàn)實世界中各種實體及其相互間關(guān)系，使用與維護方便。數(shù)據(jù)的操縱具有高度的靈活性數(shù)據(jù)間的關(guān)系具有對稱性缺點：實現(xiàn)效率不夠高描述對象語義的能力較弱不直接支持層次結(jié)構(gòu)模型的可擴充性較差模擬和操縱復(fù)雜對象的能力較差第15頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五四、面向?qū)ο竽Ｐ兔嫦驅(qū)ο蟮幕舅枷胧峭ㄟ^對問題領(lǐng)域進行自然的抽象分割，用更接近人類通常思維的方式建立問題領(lǐng)域的模型（

9、對象），并進行結(jié)構(gòu)模擬和行為模擬。 （樂龍軟件）基本出發(fā)點就是以對象作為最基本的元素，盡可能按照人類認(rèn)識世界的方法和思維方式來分析和解決問題。第16頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五 對象、類、方法、消息 含有數(shù)據(jù)和操作方法的獨立模塊，可以認(rèn)為是數(shù)據(jù)和 行為的統(tǒng)一體。如一個城市、一棵樹均可作為地理對象。對于一個對象，應(yīng)具有如下特征：具有一個唯一的標(biāo)識，以表明其存在的獨立性；具有一組描述特征的屬性，以表明其在某一時刻的狀態(tài)；具有一組表示行為的操作方法，用以改變對象的狀態(tài)。類：是對多個相似對象共同特性的描述。 對象：XX 居民小區(qū)標(biāo)識：屬性：小區(qū)名稱、位置、面積、建筑面積、

10、居住戶數(shù) 操作：戶籍查詢、人口統(tǒng)計、房屋出租、產(chǎn)權(quán)更替第17頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的特征 抽象性 對現(xiàn)實世界的簡明表達，將現(xiàn)實世界的現(xiàn)象抽象為“對象”空間地物點狀地物線狀地物面狀地物復(fù)雜地物電視塔橋 梁車 站道 路水 管電力線建筑物湖公 園礦 山大 學(xué)縣第18頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的特征 封裝性：把對象的數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的方法結(jié)合起來，統(tǒng)一封裝在對象之中，對象的數(shù)據(jù)只能由對象的方法來操作。 封裝性使用戶不必了解功能的實現(xiàn)過程，而只需了解對象有哪些功能；第19頁，共46頁，2022年，5月20日

11、，12點31分，星期五面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的特征 多態(tài)性 是指同一消息被不同對象接收時，可解釋為不同的含義。因此，可以發(fā)送更一般的消息，把實現(xiàn)的細(xì)節(jié)都留給接收消息的對象。即相同的操作可作用于多種類型的對象，并能獲得不同的結(jié)果。 第20頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五大學(xué)點狀地物管線建筑物復(fù)雜地物路燈下水井 乘車點 水 管電力線辦公樓學(xué)生宿舍 教學(xué)樓新校區(qū) 老校區(qū)面向?qū)ο蟮牡乩頂?shù)據(jù)模型 用抽象的點、線、面及其復(fù)雜的組合來表達對象通信線第21頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五面向?qū)ο蟮膶傩詳?shù)據(jù)模型 GIS中的地物可根據(jù)國家分類標(biāo)準(zhǔn)或?qū)嶋H情況劃分類型。如

12、一個大學(xué)GIS的對象可分為建筑物、道路、綠化、管線等幾大類，地物類型的每一大類又可以進一步分類，如建筑物可再分成教學(xué)樓、科研實驗樓、行政辦公樓、學(xué)生宿舍等子類，管線可再分為給水管道、污水管道、電信管道、供熱管道、供氣管道等，另一方面，幾種具有相同屬性和操作的類型可綜合成一個超類。 第22頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五 空間數(shù)據(jù)庫是某一區(qū)域內(nèi)關(guān)于一定地理要素特征的數(shù)據(jù)集合 空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)特征 空間特征和空間關(guān)系特征 非結(jié)構(gòu)化特征 屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)聯(lián)合管理特征 海量數(shù)據(jù)特征第三節(jié)：空間數(shù)據(jù)庫第23頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五一、 空間數(shù)

13、據(jù)庫設(shè)計的步驟需求描述和分析概念設(shè)計邏輯設(shè)計物理設(shè)計實現(xiàn)運行維護第24頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五一、需求分析調(diào)查用戶需求：了解用戶特點和要求，取得設(shè)計者與用戶對需求的一致看法。需求數(shù)據(jù)的收集和分析：包括信息需求(信息內(nèi)容、特征、需要存儲的數(shù)據(jù))、信息加工處理要求(如響應(yīng)時間)、完整性與安全性要求等。編制用戶需求說明書：包括需求分析的目標(biāo)、任務(wù)、具體需求說明、系統(tǒng)功能與性能、運行環(huán)境等，是需求分析的最終成果。需求分析的整理一般采用數(shù)據(jù)流分析法，分析結(jié)果以數(shù)據(jù)流圖DFD表示出來。 第25頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五房產(chǎn)圖形數(shù)據(jù)基礎(chǔ)地形數(shù)

14、據(jù)業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)流程規(guī)范數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)流程規(guī)范業(yè)務(wù)表格規(guī)范業(yè)務(wù)、流程、報表、模型等規(guī)范數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)業(yè)處理數(shù)據(jù)編輯數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換審批結(jié)果入庫審批結(jié)果入庫系 統(tǒng) 數(shù) 據(jù) 庫標(biāo)準(zhǔn)制定數(shù)據(jù)采集與處理采購數(shù)據(jù)規(guī)整外業(yè)勘測掃描/手工錄入數(shù)據(jù)整理與入庫中間格式數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中間格式數(shù)據(jù)中間格式數(shù)據(jù)第26頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五二、概念模型設(shè)計概念模型不依賴于計算機系統(tǒng)和具體的DBMS，它是系統(tǒng)用戶與GIS系統(tǒng)分析人員之間交流的語言。表示概念模型最有力的工具是ER模型，即實體聯(lián)系模型。ER模型包括實體、聯(lián)系和屬性三個基本成分。用它來描述現(xiàn)

15、實空間世界，不必考慮信息的存儲結(jié)構(gòu)、存取路徑及存取效率等與計算機有關(guān)的問題，具有直觀、自然、語義較豐富等特點。市區(qū)要素空間實體空間實體屬性空間實體關(guān)系邊線走向街道路面質(zhì)量所屬路段所屬街道組成長度等m1模型E_R第27頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五三、邏輯模型設(shè)計 邏輯模型的設(shè)計是將概念模型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為具體DBMS可處理的空間數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)，包括確定數(shù)據(jù)項、記錄及記錄間的聯(lián)系、安全性、完整性和一致性約束等。邏輯模型設(shè)計由GIS數(shù)據(jù)庫分析人員和設(shè)計人員完成。 將E-R概念模型轉(zhuǎn)換為初始的關(guān)系模型；規(guī)范化處理: 3NF模型評價: 是否滿足用戶的要求、功能和性能評價；優(yōu)化模

16、型：增加關(guān)系或?qū)傩?、合并關(guān)系、分解關(guān)系；編寫數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計說明書 第28頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五四、物理模型設(shè)計 主要內(nèi)容包括1）確定記錄存儲格式；2）選擇文件存儲結(jié)構(gòu)：順序存儲、散列存儲、索引存儲；3）決定存取路徑，訪問方法；4）完整性和安全性。 物理設(shè)計的好壞將對空間數(shù)據(jù)庫的性能影響很大，一個好的物理存儲結(jié)構(gòu)必須滿足兩個條件： 一是地理數(shù)據(jù)占有較小的存儲空間； 二是對數(shù)據(jù)庫的操作具有盡可能高的處理速度。 是指有效地將空間數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)在物理存儲器上實現(xiàn)，確定數(shù)據(jù)在介質(zhì)上的物理存儲結(jié)構(gòu)，其結(jié)果是導(dǎo)出空間數(shù)據(jù)庫的存儲模式。由計算機硬軟件專家和程序員完成。第

17、29頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五數(shù)據(jù)庫設(shè)計實例建立一個具有自動記錄功能的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)。在監(jiān)測網(wǎng)中各個監(jiān)測點的各種感測系統(tǒng)所測得的數(shù)據(jù)由一個中心計算機系統(tǒng)來儲存和管理。因此需要構(gòu)建一個空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用于管理監(jiān)測站本身的信息以及測得的大氣的數(shù)據(jù)資料。第30頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五一、需求分析需求：建立若干個觀測站，每個站有數(shù)個不同的感測器；每個觀測站的地理位置用地理坐標(biāo)系表示；不同的感測器應(yīng)該有廠家、型號等信息；記錄氣象觀測站測量多種參數(shù)：溫度、濕度、降水量等；提供測量站工作人員的信息；.第31頁，共46頁，2022年，5月20日，1

18、2點31分，星期五二、建立概念模型（E-R模型)分析有哪些實體、關(guān)系、屬性：實體類型：觀測站、感測器、制造商、測量值實體：杭州觀測站屬性：高程、大氣溫度、降水量屬性值：海拔73米、4.2度、12.3mm關(guān)系：觀測站有觀測器、感測器是由某個制造商生產(chǎn)的關(guān)系類型：1:1 一個觀測站只可能有一個地理位置1:n 一個觀測站可以至少有一個感測器，而一個感測器不能同時屬于兩個觀測站n:m 一個觀測站可以測量一個以上的大氣參數(shù)； 第32頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五E-R模型圖的圖例含義第33頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五第一步：確定實體第34頁，共4

19、6頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五第二步：確定實體間聯(lián)系第35頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五第三步：確定屬性Ser.#第36頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五三、將(E-R)概念模型轉(zhuǎn)換為關(guān)系數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換規(guī)則：一個實體類型轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式，實體的屬性就是關(guān)系的屬性，實體的關(guān)鍵字就是關(guān)系的關(guān)鍵字；一個聯(lián)系類型轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式，參與該聯(lián)系的各實體的關(guān)鍵字和聯(lián)系的屬性轉(zhuǎn)換為關(guān)系的屬性；第37頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五氣象站-位置關(guān)系表WStat Position_E_N Elevation W48

20、149_05 (3403980;5758140) 67.5 W48249_01 . . . . . . WStat Longitude Latitude Elevation W48149_05 3403980 5758140 67.5 W48249_01 . . . . .滿足第一范式 1NFSer.#第一范式1NF每個屬性必須是原子的、不可分割的數(shù)據(jù)項；不允許出現(xiàn)完全相同的兩個紀(jì)錄。第38頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五測量參數(shù)-測量值-氣象站關(guān)系表PName WStat Date Value Unit of Measure Precipitation W48149

21、_05 95_12_24 6,9 mm Rel_Humidity . . . . . . . . . . PName WStat Date Value Precipitation W48149_05 95_12_24 6.9 Rel_Humidity . . . . . . . .PName Unit of Measure Precipitation mm Rel_Humidity . . . 滿足第二范式 2NF第二范式2NF關(guān)系滿足第1范式（ 1NF）。 每個非主屬性必須完全函數(shù)依賴于整個主關(guān)鍵字。 （部分依賴就要分離出來）主關(guān)鍵字第39頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，

22、星期五感測器-制造商關(guān)系表Sensor# SType Condition MName MAddress MTelephone T0104 PT100 good Electronics Mnster 02518330 N0234 . . . . . . . . . . . .Sensor# SType Condition MName T0104 PT100 good Electronics N0234 . . . . . . . . .MName MAddress MTelephone Electronics Mnster 02518330 Lambrecht . . . . . .第三范式3N

23、F關(guān)系滿足第2范式（ 2NF）。 各個非主屬性之間沒有函數(shù)傳遞依賴關(guān)系。主關(guān)鍵字第40頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五氣象站-工作人員關(guān)系表Responsible Party1 WStat RName From To W48149_05 Mller 75_01_01 94_12_31 W48149_05 Meier 95_01_01 . . .Responsible Party2 RName RAddress RTelephone Mller Mnster 02519876 Meier . . . . . . 第41頁，共46頁，2022年，5月20日，12點31分，星期五第四節(jié)：空間數(shù)據(jù)庫的組織方式空間數(shù)據(jù)管理的技術(shù)基于通用數(shù)據(jù)庫的理論和技術(shù)空間數(shù)據(jù)管理的特殊性在于空間位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的集成管理空