第三章 空间数据模型,主要内容,第一节 关系数据模型第二节 栅格数据模型第三节 矢量数据模型第四节 矢量数据模型TIN第五节 空间数据模型比较第六节 属性数据与空间数据的连接第七节 数据模型发展趋势,空间数据特征及其表达,属性关系数据库(relational)位置连续空间离散对象时间静态动态,空间数据的基本特征,空间特征数据：记录位置、拓扑关系和几何特征，是GIS与其它DBMS的主要区别属性特征数据：非定位数据，主要指专题属性，即实体所具有的各种性质，常以数字符号文本和图像等方式表达，表达方式主要有表格和图像两种方式时间特征数据：现象或实体随时间的变化，即位置不变时，属性变化或属性不变，但位置变化,空间数据的三个基本特征,空间实体和现象,连续变化与不连续变化空间信息与非空间信息,概念模型,连续视图( field view - continuous)对象视图 (object view - discrete),栅格和矢量表达,概念模型的实施,栅格和矢量模型的二分法栅格、矢量和TIN,第一节 关系数据模型,基础知识数据库的数据模型关系数据库基本原理常用环境数据的专题属性数据库发展趋势适用于非空间信息、属性数据,一、基础知识,数据库是信息系统的基石，所有的信息系统都与数据库密不可分最简单的信息系统就是一个数据库数据库是环境信息系统管理海量、复杂的环境数据的有效手段之一,1、数据库系统的相关概念及含义,数据库（DB） ：存储数据的“仓库”，数据被有组织地存放在计算机的存储设备中数据库管理系统（DBMS） ：为数据库访问提供服务的计算机数据管理软件，支持应用程序访问和操作数据库数据，提供事物处理、并发控制、恢复、安全、语言接口、容错性、数据目录和存储管理等服务数据库系统（DBS） ：存放在计算机中的数据集合以及管理这些数据的计算机软件的总和,特点,数据库是集成的，包括许多用户的数据，每个用户只享用其中的一小部分，且不同用户使用的部分以多种方式重叠，即单独的数据库可被许多不同的用户所共享,数据库的含义,有一个结构化的相关数据的集合，即数据库本身，是数据库系统的核心和管理对象。没有数据冗余，能够为多种应用服务，独立于应用程序而存在。有一个负责数据库管理和维护的软件系统，称为数据库管理系统-DBMS(Data Base Management System)，为各种操作提供一种公用的方法，接受或完成用户程序或终端命令提出的访问数据库的各种请求，负责数据库的维护，保护数据不受破坏。有一个（或一组）负责整个数据库系统的建立、维护和协调工作的专门人员，即数据库管理员-DBA(Data Base Administrator)，负责对数据库系统的全面管理与监督，并对运行状况进行统计分析，不断改进数据库设计。,数据库的主要成分,数据(data)：所存储的逻辑实体在计算机中的二进制表示联系(relationship)：数据项之间的某种对应约束(constraint)：定义正确数据状态的断言模式(schema)：描述数据库中数据的 组织和联系,数据库模式的概念,模式将数据存储的物理外表与逻辑表示分开内部模式：定义数据在物理存储区中如何组织及存放在何处概念模式：按照适当的数据模型定义所存储数据的结构外部模式：为特定用户定义数据库的一个或多个视图,2、数据库系统的发展阶段,文件系统阶段(20th ,50-60s)：提供简单的数据共享与数据处理功能，一般附属于操作系统而并不成为独立的软件，仅是数据库系统的雏形并不是真正的数据库初级数据库系统阶段(20th , 60s起)：脱胎于文件系统的层次模型与网状模型的数据库系统，为统一管理与共享数据提供了有利支持，但受文件的物理结构影响较大，在使用时需要了解数据的物理结构，同时表示数据模式的结构方式也过于繁琐，影响了对数据结构的复杂性要求的实现关系数据库系统阶段(20th , 70s起)：具有简单的结构方式与较少的物理表示，使用与操作极为方便，是目前占主导地位的数据库系统高级数据库系统阶段(20th , 80s起) ：适应计算机应用新领域的新型数据库系统，如工程数据库、多媒体数据库、CAD数据库、图形数据库、图像数据库、智能数据库、分布式数据库及面向对象的数据库等,常用的关系数据库系统,dBASEFoxbase , FoxProMicrosoft AccessOracleSybase,数据库管理的层次,数据的集成度,数据录入流程,3、数据库系统的基本特点,数据的集成化数据的独立性物理独立性逻辑独立性数据共享数据可供多个应用使用可以开发新的应用而不增加新的数据数据可直接对外开放，向社会提供服务减少数据冗余集中管理,保证数据的一致性数据的完整性安全保密机制保密部分与公用部分隔离建立访问规则将数据以密码形式存放完整性控制：正确性、有效性、一致性数据的并发控制与故障恢复系统标准化,数据库系统与文件系统的区别,4、数据库系统的组成,系统平台（OS）操作系统：UNIX, Windows, Linux计算机:巨型、大、中、小型、微机网络数据库管理系统（DBMS）数据的定义DDL-Data Definition Language数据的操纵DML-Data Manipulation Language数据的控制DCL-Data Control Language数据的服务数据库（DB）数据库应用数据库管理员（DBA）数据库设计数据库维护改善系统性能、提高系统效率,二、数据库的数据模型,数据模型：表示实体及实体间联系的数据库的数据结构数据模型DM=（R，L）R-记录型的集合L-记录型之间联系的集合数据模型的类型：按记录间联系的表示方式层次模型网状模型关系模型,1、层次模型与树结构,兴起于20世纪60年代，发展较早，技术上比较成熟将数据组织成有向有序的树结构-根、枝、叶结构，数据存放的基本单位是片段（即层）结点代表数据记录，连线描述位于不同结点数据间的从属关系（限定为一对多的关系）,层次模型特点,层次分明，结构清晰，比较容易实现，适合分级类型数据的组织层次越多时，处理效率越低分层结构使数据具有方向性，查询、删除等操作不灵活数据的冗余度较大,层次模型示例,2、网状模型与图结构,一个连通的基本层次联系的集合，结点数据间没有明显的从属关系，一个结点可以与其它多个结点建立联系将数据组织成有向图结构，结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间的关系，可以表示多对多的关系复杂的网可以分解成若干个基本结构，即分解系存放的基本单位是记录，即按记录存放查找时间较省，数据的冗余度比层次模型小，但比关系模型大,网状模型示例,3、关系模型与二维表结构,由于层次模型和网状模型所具有的缺陷以及缺乏充实的理论基础，人们开始寻求新的数据模型IBM公司E.F.Codd 在1970-1974年间发表了一系列有关关系模型的论文，奠定了关系模型的基础，关系模型得到广泛应用，关系数据库成为目前最流行的数据库用表格数据来表示实体和实体间联系的模型即关系模型，是由许多二维关系表组成的集合关系间建立联系的方法：两个关系通过定义相同的属性名，反映相互联系定义第三个关系，把两个关系建立起来,建立关系示例,关系模型的特点,通过关系中的数据而不是通过指针连接来表示实体间的关系：表结构中的行对应于元组，各行相异，不允许重复列对应于域，列的名称称为属性，各列名称相异，且为不能再分的基本字段行、列次序无关紧要 n元关系必有n个属性数据结构简单，用户使用方便简单、灵活地表示各种实体及其关系，功能强数据描述具有较强的一致性和独立性理论基础深：严密的数学基础和操作代数基础，与一阶逻辑理论密切相关，具有一定的演绎功能,三、关系数据库基本原理,以关系模型为基础应用数学理论处理数据组织E.F.Codd 1970年发表大型共享数据银行数据的关系模型，获得1981年图灵奖解释了关系模型定义了某些关系代数运算研究了数据的函数相关性定义了关系的第三范式开创了数据库的关系方法和数据规范化理论研究目前绝大多数数据库系统属于关系数据库,1、关系数据库系统的衡量准则,目前衡量数据库的重要标准仍是E.F.Codd 分别于1974年及1985年提出的准则E.F.Codd于1974年在IFIP会议上提出的关系数据库的六个准则为：提供高度的数据独立性提供严格的数据视图减轻DBA的工作建立理论基础事物管理与文件管理相结合为商业及其它行业的服务做准备操作对象是记录集合，而不是单个记录,完全关系型的12条严格标准,信息准则确保访问准则空值的系统处理准则基于资源管理的动态统一的易用的数据子语言数据定义功能视图定义功能数据操作完整性约束能力授权机制事物处理能力,视图更新准则高级插入、修改及删除操作物理数据独立性逻辑数据独立性数据完整性准则分布独立性无损害原则,E.F.Codd于1985年在Computer World杂志上提出,关系数据库的种类,半关系型系统：不提供完备的数据子语言，数据独立性差，无视图功能与空值概念，只满足准则中的少量原则，早期产品dBASE-III, Foxbase基本关系型系统：完备的数据子语言，一定的数据独立性，一定空值处理能力，视图功能，满足准则的大部分条件目前大多数系统DB2, INFOMIX, ORACLE, SYBASE, INGRE5, UNIFY等完全关系型系统：严格符合12条准则，一种理想化的系统，目前尚未出现,2、关系代数,许多数学理论可以表示关系模型，最著名的是关系代数（relational algebra）与关系演算（relational calculus）关系代数用代数方法表示关系模型关系演算用逻辑方法表示关系模型关系代数是一种抽象的查询语言，是关系数据操纵语言的传统表达方式，用对关系的运算来表达查询运算对象、运算符、运算结果是运算的三大要素,关系代数运算,运算对象-关系运算结果-关系运算符-四类集合运算符：，差，广义笛卡儿积专门的关系运算符：选择、投影、连接、除算术比较符：， ， ，逻辑运算符: ，,3、关系数据库标准语言SQL,结构化查询语言（SQL-Structured Query Language），一种基于关系代数的语言功能包括查询、操作、定义和控制四个方面通用的，功能极强的关系数据库语言，已成为关系数据库的标准语言,SQL语言的动词,SQL基本概念,基本表(base table): 是本身独立存在的表，一个关系对应一个表，一些基本表对应一个存储文件，一个表可以带若干个索引，索引存放在存储文件中视图(view): 是从基本表或其它视图中导出的表，是一个虚表，本身不独立存储在数据库中，数据库中只存放视图的定义而不存放视图对应的数据，数据仍存放在基本表中对于用户，视图和基本表都是关系存储文件：存储文件的逻辑结构组成了关系数据库的内模式，存储文件的物理文件结构是任意的，存储文件对用户是透明的,SQL对关系数据库模式的支持,SQL支持关系数据库三级模式结构，外模式对应于视图和部分基本表，模式对应于基本表，内模式对应于存储文件,数据定义,数据定义：关系数据库由模式、外模式和内模式组成，基本对象是表、视图和索引，因此SQL数据定义功能包括定义表、视图和索引由于视图是基本表的虚表、索引是依附于基本表的，因此SQL通常不提供修改视图定义和修改索引定义的操作，只能删除后重建,数据查询,查询是数据库的核心操作SQL 语言提供SELECT语句进行查询，有灵活的使用方式和丰富的功能，一般格式为：SELECT ALL DISTINCT，FROM，WHEREGROUP BY HAVING ORDER BY ASC | DESC,