第九章空間數據庫設計第1頁，課件共65頁，創作于2023年2月9.空間數據庫設計9.1空間數據庫設計概述9.2需求分析9.3概念結構設計9.4邏輯結構設計9.5空間數據庫物理設計9.6空間數據庫的實施和維護9.7空間數據庫建庫第2頁，課件共65頁，創作于2023年2月9.1空間數據庫設計概述9.1.1空間數據庫設計原則9.1.2空間數據庫設計過程第3頁，課件共65頁，創作于2023年2月9.1.1空間數據庫設計原則1）空間數據庫設計與應用系統設計相結合的原則2）數據獨立性原則3）共享度高、冗余度低原則4）用戶與系統的接口簡單性原則5）系統可靠性、安全性與完整性原則6）系統具有重新組織、可修改與可擴充性原則第4頁，課件共65頁，創作于2023年2月9.1.2空間數據庫設計過程第5頁，課件共65頁，創作于2023年2月9.2需求分析9.2.1需求分析的任務與方法9.2.2數據流圖與數據字典第6頁，課件共65頁，創作于2023年2月9.2.1需求分析的任務與方法第7頁，課件共65頁，創作于2023年2月9.2.2數據流圖與數據字典1．數據流圖的基本成分第8頁，課件共65頁，創作于2023年2月2．數據流圖分層第9頁，課件共65頁，創作于2023年2月3．數據字典1）數據項數據項的描述通常包括以下內容:數據項名，數據項含義說明，別名，數據類型，長度，取值范圍，取值含義，與其他數據項的邏輯關系，數據項之間的聯系“取值范圍”，“與其他數據項的邏輯關系”。2）數據結構數據結構反映了數據之間的組合關系。一個數據結構可以由若干個數據項組成，也可以由若干個數據結構組成，或由若干個數據項和數據結構混合組成。對數據結構的描述通常包括以下內容：數據結構名，含義說明，組成：數據項或數據結構。第10頁，課件共65頁，創作于2023年2月3）數據流是數據結構在系統內傳播的路徑。對數據流的描述通常包括以下內容：數據流名，說明，數據流來源，數據流去向，組成：數據結構，平均流量，高峰期流量。4）數據存儲數據存儲是數據結構停留或保存的地方，也是數據流的來源和去向之一。它可以是手工文檔或手工憑單，也可以是計算機文檔。對數據存儲的描述通常包括以下內容:數據存儲名，說明，編號，輸入的數據流，輸出的數據流數據結構，數據量，存取頻度，存取方式。5）處理過程處理過程的具體處理邏輯一般用判定表或判定樹來描述。數據字典中只需要描述處理過程的說明性信息，通常包括以下內容：處理過程名，說明，輸入：數據流，輸出：數據流，處理：簡要說明。第11頁，課件共65頁，創作于2023年2月9.3概念結構設計9.3.1利用E-R模型設計9.3.2利用UML模型設計第12頁，課件共65頁，創作于2023年2月9.3.1利用E-R模型設計ER模型是最為流行的建模工具之一。實體和屬性實體是物理上或者概念上獨立存在的事物或對象。實體由屬性來刻畫性質，屬性可以是單值或多值的。聯系一對一（1∶1）在一對一的聯系中，一個實體中每個實例只能與其他參與實體的一個實例相聯系。例如，實體MANAGER和FOREST之間的聯系manages就是一個一對一的聯系。第13頁，課件共65頁，創作于2023年2月多對一（M∶1）多對一聯系可將一個實體的多個實例與另一個參與該聯系的實體的一個實例相連接。Belongs_to是實體FACILITY與FOREST之間的一個多對一聯系，這里假定每個設施僅僅屬于一個森林，但每個森林可以有多個設施。

多對多（M∶N）一個實體的多個實例會與另一個參與該聯系的實體的多個實例相聯系。實體RIVER和FACILITY之間的聯系supplies_water_to正是這樣的一個聯系。

第14頁，課件共65頁，創作于2023年2月ER圖第15頁，課件共65頁，創作于2023年2月用象形圖擴展ER模型實體象形圖（1）象形圖

象形圖是一種將對象插在方框內的微縮圖表示，這些微縮圖用來擴展ER圖，并插到實體矩形框中的適當位置。

（2）形狀

形狀是象形圖中的基本圖形元素，它代表著空間數據模型中的元素。

一個模型元素可以是基本形狀、復合形狀、導出形狀或備選形狀。

（3）基本形狀

<基本形狀>●/〗基本形狀的語法●點/線〗面基本形狀的象形圖第16頁，課件共65頁，創作于2023年2月（4）復合形狀為了處理那些不能用某個基本形狀表示的對象，我們定義了一組聚合的形狀，并用基數來量化這些復合形狀。（5）導出形狀

如果一個對象的形狀是由其他對象的形狀導出的，那么就用斜體形式來表示這個象形圖。<基數>0.111,n基數的語法●0，n〗n使用了基數的多重形狀的象形圖0,nn〗<導出形狀><基本形狀>基本形狀的語法●/導出形狀的象形圖第17頁，課件共65頁，創作于2023年2月（6）備選形狀備選形狀可以用于表示某種條件下的同一個對象。例如，根據比例尺，一條河流可以表示成一個多邊形或一條線。

<備選形狀><基本形狀><導出形狀><基本形狀><基本形狀>備選形狀的語法●〗●〗

備選形狀的象形圖

（7）任意形狀對于形狀的組合，我們用通配符（*）表示，它表示各種形狀。例如，一個灌溉網是由泵站（點）、水渠（線）以及水庫（多邊形）所組成的。

第18頁，課件共65頁，創作于2023年2月（8）用戶自定義形狀

除了點、線和多邊形這些基本形狀外，用戶還可以定義自己的形狀。例如，為了表達更多的信息，用戶可能更愿意使用感嘆號之類的象形圖來表示灌溉網。

聯系象形圖聯系象形圖用來構建實體間聯系的模型。例如，part-of用于構建道路與路網之間聯系的模型，或是用于把森林劃分成林分的建模。

Part_of（網絡）Part_of（分區）聯系的象形圖

第19頁，課件共65頁，創作于2023年2月帶象形符號的ER圖

第20頁，課件共65頁，創作于2023年2月利用ER模型設計的步驟第21頁，課件共65頁，創作于2023年2月9.3.2利用UML模型設計UML模型是另一個流行的概念建模工具。是用于面向對象軟件設計的概念層建模的新興標準之一。它是一種綜合型語言，用于在概念層對結構化模式和動態行為進行建模。UML是一種通用的可視化建模語言，用于對軟件進行描述、可視化處理理解、構造和建立軟件制品的文檔。第22頁，課件共65頁，創作于2023年2月作為一種建模語言，UML的定義包括UML語義和UML表示法兩個部分：（1）UML語義，描述基于UML的精確元模型定義。元模型為UML的所有元素在語法和語義上提供了簡單、一致、通用的定義性說明，使開發者能在語義上取得一致，消除了因人而異的最佳表達方法所造成的影響。（2）UML表示法，定義UML符號的表示法，為開發者或開發工具使用這些圖形符號和文本語法為系統建模提供了標準。這些圖形符號和文字所表達的是應用級的模型，在語義上它是UML元模型的實例。UML包含五類圖，用例圖、靜態圖、對象圖、行為圖、交互圖和實現圖。這里我們采用靜態圖當中的類圖。第23頁，課件共65頁，創作于2023年2月表9-1UML類圖表示法第24頁，課件共65頁，創作于2023年2月9.4邏輯結構設計9.4.1關系數據模型9.4.2E-R模型向關系模型轉換9.4.3面向實體的邏輯模型設計第25頁，課件共65頁，創作于2023年2月9.4.1關系數據模型關系模型的基本思想是用二維表形式表示實體及其聯系（見示例）。二維表中的每一列對應實體的一個屬性，其中給出相應的屬性值；每一行形成一個，由多種屬性組成的多元組，或稱元組，與一特定實體相對應。實體間聯系和各二維表間聯系采用關系描述或通過關系直接運算建立。第26頁，課件共65頁，創作于2023年2月關系模型中應遵循以下條件：（1）二維表中同一列的屬性是相同的；（2）賦予表中各列不同名字（屬性名）；（3）二維表中各列的次序是無關緊要的；（4）沒有相同內容的元組，即無重復元組；（5）元組在二維表中的次序是無關緊要的。關系模型的優點：（1）結構靈活，可滿足所有用布爾邏輯運算和數字運算規則形成的詢問要求；（2）能搜索、組合和比較不同類型的數據；（3）加入和刪除數據方便；（4）適宜地理屬性數據的模型。關系模型的缺點：許多操作都要求在文件中順序查找滿足特定關系的數據，若數據庫很大的話，這一查找過程要花很多時間。第27頁，課件共65頁，創作于2023年2月以地圖M為例：地圖M中有兩個面實體ⅠⅡ

Ⅰ多邊形由a,b,e組成MⅡ多邊形由b,c,d組成1a

a邊的兩個端點是1，2e

Ⅰ2b邊的兩個端點是2，44b

cc邊的兩個端點是2，3d

Ⅱd邊的兩個端點是3，43e邊的兩個端點是1，4第28頁，課件共65頁，創作于2023年2月關系模型例第29頁，課件共65頁，創作于2023年2月9.4.2E-R模型向關系模型轉換將E-R圖轉換為關系模型實際上就是要將實體、實體的屬性和實體之間的聯系轉化為關系模式，這種轉換一般遵循如下原則：（1）一個實體型轉換為一個關系模式。實體的屬性就是關系的屬性，實體的碼就是關系的碼。（2）一個M:N聯系轉換為一個關系模式。與該聯系相連的各實體的碼以及聯系本身的屬性均轉換為關系的屬性。而關系的碼為各實體碼的組合。（3）一個1:N聯系可以轉換為一個獨立的關系模式，也可以與n端對應的關系模式合并。如果轉換為一個獨立的關系模式，則與該聯系相連的各實體的碼以及聯系本身的屬性均轉換為關系的屬性，而關系的碼為n端實體的碼。第30頁，課件共65頁，創作于2023年2月（4）一個1:1聯系可以轉換為一個獨立的關系模式，也可以與任意一端對應的關系模式合并。（5）三個或三個以上實體間的一個多元聯系轉換為一個關系模式。與該多元聯系相連的各實體的碼以及聯系本身的屬性均轉換為關系的屬性。而關系的碼為各實體碼的組合。（6）同一實體集的實體間的聯系，即自聯系，也可按上述1:1、1:N和M:N三種情況分別處理。（7）具有相同碼的關系模式可合并。第31頁，課件共65頁，創作于2023年2月E-R圖向關系模型的轉換（續）轉換原則⒈一個實體型轉換為一個關系模式。關系的屬性：實體型的屬性關系的碼：實體型的碼例，學生實體可以轉換為如下關系模式：學生（學號，姓名，出生日期，所在系，年級，平均成績）性別、宿舍、班級、檔案材料、教師、課程、教室、教科書都分別轉換為一個關系模式。第32頁，課件共65頁，創作于2023年2月E-R圖向關系模型的轉換（續）⒉一個m:n聯系轉換為一個關系模式。關系的屬性：與該聯系相連的各實體的碼以及聯系本身的屬性關系的碼：各實體碼的組合 例，“選修”聯系是一個m:n聯系，可以將它轉換為如下關系模式，其中學號與課程號為關系的組合碼：

選修（學號，課程號，成績）第33頁，課件共65頁，創作于2023年2月E-R圖向關系模型的轉換（續）⒊一個1:n聯系可以轉換為一個獨立的關系模式，也可以與n端對應的關系模式合并。1)轉換為一個獨立的關系模式關系的屬性：與該聯系相連的各實體的碼以及聯系本身的屬性關系的碼：n端實體的碼第34頁，課件共65頁，創作于2023年2月E-R圖向關系模型的轉換（續）⒊一個1:n聯系可以轉換為一個獨立的關系模式，也可以與n端對應的關系模式合并。2)與n端對應的關系模式合并合并后關系的屬性：在n端關系中加入1端關系的碼和聯系本身的屬性合并后關系的碼：不變可以減少系統中的關系個數，一般情況下更傾向于采用這種方法第35頁，課件共65頁，創作于2023年2月E-R圖向關系模型的轉換（續）例，“組成”聯系為1:n聯系。 將其轉換為關系模式的兩種方法：

1)使其成為一個獨立的關系模式：組成（學號，班級號）2)將其學生關系模式合并： 學生（學號，姓名，出生日期，所在系，年級，班級號，平均成績）第36頁，課件共65頁，創作于2023年2月E-R圖向關系模型的轉換（續）⒋一個1:1聯系可以轉換為一個獨立的關系模式，也可以與任意一端對應的關系模式合并。1)轉換為一個獨立的關系模式關系的屬性：與該聯系相連的各實體的碼以及聯系本身的屬性關系的候選碼：每個實體的碼均是該關系的候選碼第37頁，課件共65頁，創作于2023年2月E-R圖向關系模型的轉換（續）⒋一個1:1聯系可以轉換為一個獨立的關系模式，也可以與任意一端對應的關系模式合并。2)與某一端對應的關系模式合并合并后關系的屬性：加入對應關系的碼和聯系本身的屬性合并后關系的碼：不變第38頁，課件共65頁，創作于2023年2月E-R圖向關系模型的轉換（續）例，“管理”聯系為1:1聯系，可以有三種轉換方法：（1）轉換為一個獨立的關系模式：

管理（職工號，班級號）或 管理（職工號，班級號）（2）“管理”聯系與班級關系模式合并，則只需在班級關系中加入教師關系的碼，即職工號：

班級：（班級號，學生人數，職工號）（3）“管理”聯系與教師關系模式合并，則只需在教師關系中加入班級關系的碼，即班級號：

教師：（職工號，姓名，性別，職稱，班級號，是否為優秀班主任）第39頁，課件共65頁，創作于2023年2月E-R圖向關系模型的轉換（續）注意：從理論上講，1:1聯系可以與任意一端對應的關系模式合并。但在一些情況下，與不同的關系模式合并效率會大不一樣。因此究竟應該與哪端的關系模式合并需要依應用的具體情況而定。由于連接操作是最費時的操作，所以一般應以盡量減少連接操作為目標。例如，如果經常要查詢某個班級的班主任姓名，則將管理聯系與教師關系合并更好些。第40頁，課件共65頁，創作于2023年2月E-R圖向關系模型的轉換（續）⒌三個或三個以上實體間的一個多元聯系轉換為一個關系模式。關系的屬性：與該多元聯系相連的各實體的碼以及聯系本身的屬性關系的碼：各實體碼的組合 例，“講授”聯系是一個三元聯系，可以將它轉換為如下關系模式，其中課程號、職工號和書號為關系的組合碼：

講授（課程號，職工號，書號）第41頁，課件共65頁，創作于2023年2月E-R圖向關系模型的轉換（續）⒍同一實體集的實體間的聯系，即自聯系，也可按上述1:1、1:n和m:n三種情況分別處理。 例，如果教師實體集內部存在領導與被領導的1:n自聯系，我們可以將該聯系與教師實體合并，這時主碼職工號將多次出現，但作用不同，可用不同的屬性名加以區分：教師：｛職工號，姓名，性別，職稱，系主任｝第42頁，課件共65頁，創作于2023年2月E-R圖向關系模型的轉換（續）⒎具有相同碼的關系模式可合并。目的：減少系統中的關系個數。合并方法：將其中一個關系模式的全部屬性加入到另一個關系模式中，然后去掉其中的同義屬性（可能同名也可能不同名），并適當調整屬性的次序。第43頁，課件共65頁，創作于2023年2月E-R圖向關系模型的轉換（續）例，“擁有”關系模式：擁有（學號，性別）與學生關系模式：學生（學號，姓名，出生日期，所在系，年級，班級號，平均成績）都以學號為碼，可以將它們合并為一個關系模式：學生（學號，姓名，性別，出生日期，所在系，年級，班級號，平均成績）第44頁，課件共65頁，創作于2023年2月應用例：在著書工作中，一位作者可以編寫多本圖書，一本書可以由多位作者編寫。

設作者的屬性有：作者號，姓名，單位，電話；書的屬性有：書號，書名，出版社，

日期。試完成如下問題：（1）設計該系統的E-R圖；（2）將該E-R圖轉換為關系模型結構；（3）指出轉換結果中每一個關系模式的候選碼。第45頁，課件共65頁，創作于2023年2月（1）E-R圖（2）將該E-R圖轉換為關系模型結構如下：作者（作者號，姓名，單位，電話）圖書（書號，書名，出版社，日期）編寫（作者號，書號）（3）以上關系模式中帶下劃線的為該關系模式的候選碼作者號姓名單位電話出版社書號書名日期作者圖書編寫mn第46頁，課件共65頁，創作于2023年2月9.4.3面向實體的邏輯模型設計地理實體在模型中表示為要素。要素是由幾何實體和屬性組成的。它包括簡單類型，例如，一個界址點、一個行政界線、一塊土地；它們的幾何形態分別為簡單點，簡單線和簡單區。還有一些復雜類型的實體，例如，一個河流的流域。它的幾何特性對應的是多種形態的幾何實體，所以它的幾何特性是一個復合類型。換句話說，通過原子幾何實體（點、線、區）的任意組合可表達和描述任意幾何復雜度的實體。什么是幾何實體？它是地理對象的外觀特征或可視化形狀。地理實體可以用三種幾何實體表示在地圖上：點、線、多邊形。繼續細分下去，幾何形態包括單點、多點、單弧段、多弧段、多邊形等。第47頁，課件共65頁，創作于2023年2月1．要素類的建模與表達第48頁，課件共65頁，創作于2023年2月2．注記類的建模與表達第49頁，課件共65頁，創作于2023年2月3．關系類的建模與表達第50頁，課件共65頁，創作于2023年2月4．規則的建模與表達第51頁，課件共65頁，創作于2023年2月9.5空間數據庫物理設計9.5.1空間數據庫存儲策略9.5.2空間數據庫關系模式設計第52頁，課件共65頁，創作于2023年2月9.5.1空間數據庫存儲策略對象-關系數據庫管理，基于商業數據庫進行存儲，其存儲策略如下：數據存儲層對象管理層并發控制管理器安全管理器地理數據庫管理器接口數據庫對象類、要素類、關系類、注記類等地理數據庫層數據管理層SDE接口SDE客戶端SDE服務器CSSQLSQL第53頁，課件共65頁，創作于2023年2月9.5.2空間數據庫關系模式設計空間數據庫主要包含空間數據和元數據信息兩個部分。空間數據以“地理數據庫—要素數據集—類”的層次進行組織。例如，類層次的對象有要素類、注記類、對象類、關系類和規則等，每一種對象在空間數據庫當中需要用一個表集來描述其信息和內部關系。元數據信息則描述前面所有空間數據的元數據信息，使用數據字典進行表達。第54頁，課件共65頁，創作于2023年2月1．地理數據庫數據字典表關系2．要素類的關系模式表9-3要素類信息關系表說明表9-4幾何實體信息關系表說明表9-5點信息關系表說明表9-6弧段信息關系表說明表9-7弧段拓撲信息關系表說明表9-8點圖形參數關系表說明表9-9線圖形參數關系表說明表9-10區圖形參數關系表說明第55頁，課件共65頁，創作于2023年2月3．注記類的關系模式表9-11注記信息關系表說明4．關系類的關系模式表9-12關系類信息關系表說明5．規則的關系模式表9-13有效規則關系表說明表9-14屬性規則關系表說明表9-15關系規則關系表說明表9-16拓撲規則關系表說明表9-17空間規則關系表說明第56頁，課件共65頁，創作于2023年2月9.6空間數據庫的實施和維護9.6.1空間數據庫系統實施9.6.2空間數據庫系統維護第57頁，課件共65頁，創作于2023年2月9.6.1空間數據庫系統實施

空間數據庫的概念設計、邏輯設計和物理設計修改以后，便可以開始正式的進行數據庫實施了。實施的過程，應當以實施計劃為指南，盡量按照計劃進行實施。但是再好的計劃也是不可能完全準確的，在實施過程中常常需要對實施計劃做或多或少的改動。任何方面的改動都應當以書面形式備案，做到有案可查（吳信才等，2002）。空間數據庫的實施一般過程如下：（1）數據錄入：數據錄入的數據源應包括系統設計的各類源數據，以檢測各輸出軟件的可行性和數據轉換格式的正確性。第58頁，課件共65頁，創作于2023年2月（2）數據編輯：對錄入的數據在進入數據庫以前的編輯和預處理要盡可能測試各種編輯功能和操作，檢測其安全性和可操作性。（3）數據庫建立：應保證所選擇的試驗小區的數據足以建立一個完