空间数据库 第二章(3)空间数据库的设计原理和实例
地理信息系统复习要点
地理信息系统复习要点详解所著考过为11级环科期中考试考过（张福平教的）第一章：导论1、解释数据与信息的概念，并说明两者之间的关系。
数据是通过数字化并记录下来可以被识别的符号，用以定性或定量地描述事物的特征和状况。
信息是用数字、文字、符号、语言等介质来表示事件、现象等内容、数量或特征，以便向人们提供关于现实世界新的事实的知识，作为生产、管理和决策的依据。
数据与信息的关系：数据是信息的表达形式，是信息的载体；信息则是数据中蕴含的事物的涵义，是数据的内容。
数据只有通过解释才有意义，才成为信息。
总之，数据是信息的载体，信息是数据的涵义。
2、地理信息的特点空间特征属性特征时序特征3、地理信息系统的定义（考过）地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、存储、管理、分析、模拟和显示以提供对规划、管理、决策和研究所需的信息空间系统。
4、地理信息系统由哪几个主要部分组成？（考过）系统硬件：（一）数据处理设备：a图形工作站b个人计算机c客户机/服务器系统（Client/Server ，简称C/S）;（二）数据输入设备:a图形手扶跟踪数字化仪b大幅面图形扫描仪c数字测量设备；（三）数据输出设备：a绘图仪b计算机显示器系统软件：（一）GIS功能软件1.GIS功能软件的分类GIS 基础软件平台和GIS应用软件2.GIS基础软件平台功能①空间数据输入和编辑②空间数据管理③空间数据处理和分析④空间数据输出⑤图形用户界面⑥系统二次开发功能（二）基础支撑软件：主要包括系统库软件和数据库软件。
（三）操作系统软件5、地理信息系统的功能有哪些？（基本功能与应用功能具体有哪些）（考过）基本功能与应用功能基本功能：数据的采集与编辑、数据的存储与管理、数据的处理与变换、空间分析和统计、产品的制作与演示、二次开方和编程应用功能：资源管理、区域规划、国土监测、辅助决策第二章：地理信息系统的数据结构1、地理空间的实体包括哪些？地理空间的实体包括点（point ）、线（line ）、面（polygon ）、曲面（surface ）、体（volume）等类型。
空间数据库原理
空间数据库原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊空间数据库原理。
这玩意儿啊，就像是一个超级大的宝库，里面装满了各种神奇的空间信息。
你可以把空间数据库想象成一个巨大的地图册，不过这个地图册可厉害啦！它不只是简单地画了些地图，而是把各种地理相关的信息都整整齐齐地放进去啦。
比如说啊，城市的位置、道路的走向、山川河流的分布，甚至每栋房子的具体位置都能在里面找到呢！那它是怎么做到这么厉害的呢？这就好像一个超级管理员，把所有的空间信息都有条有理地管理起来。
它有自己的一套方法，能快速准确地找到你需要的信息。
比如说你想找某个地方的气候数据，嘿，它一下子就能给你翻出来，就像变魔术一样！而且哦，空间数据库还特别能装！不管有多少数据，它都能轻松应对。
这就好比一个超级大胃王，再多的食物都能吃得下。
不管是海量的地理坐标，还是复杂的空间关系，它都能妥妥地存好。
你说这空间数据库对我们有啥用呢？用处可大啦！想想看，导航软件不就是靠它才能准确地给我们指路吗？还有城市规划、环境保护等等，都离不开它呀。
没有它，我们的生活可就没那么方便咯！比如说，规划师们要建一个新的小区，他们就得依靠空间数据库来了解这块地的周边环境啊，有没有学校、医院、商场啥的。
这样才能把小区建得更合理，让大家生活得更舒适呀。
再比如说，搞科研的人也得靠它呢！研究气候变化、地质灾害啥的，都得从空间数据库里找数据来分析呀。
空间数据库就像是我们生活中的一个默默付出的好帮手，平时可能不太起眼，但关键时刻真的太重要啦！我们可得好好珍惜它，让它更好地为我们服务呀！总之，空间数据库原理可真是个有趣又实用的东西。
它就像一个隐藏在幕后的大英雄，默默地为我们的生活和社会的发展贡献着力量。
我们要多去了解它、学习它，让它发挥出更大的作用！原创不易，请尊重原创，谢谢!。
空间数据库设计概述
需求分析
概念设计
逻辑设计
物理设计
空间 数据库
地理现象 和过程
数据库的 概念模型
数据库的 逻辑模型
数据库的 存储模型
现实世界
信息世界
计算机世界
4
3.1.1 空间数据库设计的内容
需求分析
概念设计
数据库 运行与维护
数据库实现
逻辑设计 物理设计
5
内容提纲
3.1.1 空间数据库设计的内容 3.1.2 空间数据库设计的目标 3.1.3 空间数据库设计的原则
6
3.1.2 空间数据库设计的目标
满足用户 需求
良好的数 据库性能
准确模拟 现实世界
能够被某 个数据库 管理系统
接受
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内容提纲
3.1.1 空间数据库设计的内容 3.1.2 空间数据库设计的目标 3.1.3 空间数据库设计的原则
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3.1.2 空间数据库设计原则
1. 空间数据库设计与应用系统设计相结合的原则； 2. 数据独立性原则； 3. 共享度高、冗余度低的原则； 4. 用户与系统的接口简单性原则； 5. 系统可靠性、安全性与完整性原则； 6. 系统具有重新组织、可修改与可扩充用性原则。
3.1 空间数据库设计概述
内容提纲
3.1.1 空间数据库设计的内容 3.1.2 空间数据库设计的目标 3.1.3 空间数据库设计的原则
2
内容提纲
3.1.1 空间数据库设计的内容 3.1.2 空间数据库设计的目标 3.1.3 空间数据库设计的原则
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3.1.1 空间数据库设计的内容
• 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。
数据库及空间数据库概论
地理信息共享与协同
空间数据库可以实现地理信息的共享和协同，促 进不同部门和地区之间的信息交流与合作。
遥感图像处理中的空间数据库应用
遥感数据存储与管理
空间数据库可以存储和管理大量的遥感数据，实现数据的统一管理 和高效访问。
MySQL Spatial
Oracle Spatial是Oracle数据库的一 个组件，提供了强大的空间数据管理 和分析功能。
MySQL Spatial是MySQL数据库的一 个扩展，提供了基本的空间数据类型 和函数，支持空间数据的存储和查询。
PostGIS
PostGIS是PostgreSQL数据库的一个 扩展，提供了丰富的空间数据类型和 函数，支持空间数据的存储、查询和 分析。
05
空间数据库的应用案例
城市规划与管理中的空间数据库应用
城市规划方案评估
空间数据库可以存储城市规划方案的相关数据，通过数据 分析和可视化技术，对规划方案进行评估和优化，提高规 划的科学性和合理性。
城市设施管理
利用空间数据库管理城市设施，如道路、桥梁、公园等， 实现设施的信息化、可视化及智能化管理，提高设施的使 用效率和安全性。
遥感图像处理与分析
利用空间数据库进行遥感图像的处理和分析，提取有用的地理信息， 为城市规划、资源调查等领域提供数据支持。
遥感监测与预警
通过空间数据库整合遥感监测数据，实现环境污染、气象灾害等方面 的预警和监测，提高应对自然灾害和环境问题的能力。
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数据库系统的基本概念
数据模型
数据模型是描述数据、数据关系 和数据操作的抽象表示，常见的 数据模型有层次模型、网状模型 和关系模型。
空间数据库
一、建库设计步骤1、需求分析黄土地区公路高边坡防护决策支持系统，是按照决策支持系统的概念结构，以ArcGIS为基础开发平台开发出来的专业型应用空间决策支持系统。
它提供了在黄土地区进行公路高边坡防护决策时的空间信息化解决方案。
整个系统由数据管理、库管理、数据显示管理、查询与检索、科学计算、结果输出等几大部分组成。
1.1 系统功能——结合黄土地区地质、环境特点以及高速公路边坡工程实际情况，依托GIS系统强大的空间分析能力和图像功能，以研究区域的地形、地貌、水文、地质等的空间图形数据和工程属性数据为计算分析基础，依据边坡类型及设计原理，建立正确可靠的数学模型，进行科学的边坡稳定性评价及防护设计决策。
本系统应具备如下功能：（1）空间数据的管理（2）模型计算与分析（3）边坡防护决策（4）分析结果输出1.2 数据源分析——公路边坡防护涉及的内容多，信息量大，且来源广泛，可称为多源数据。
研究地段的地形图：（1）航摄像片（2）遥感像片（3）地质填图等图片或图形资料（4）边坡稳定性评价的参数（5）以文字形式存在的各种调查统计资料（如区域性地质条件、地质构造、气候特征、降水量、地下水状况、植被、交通状况等）（6）公路的平面、纵断面、横断面设计及施工竣工资料（包括线路线型、里程、坐标、边坡及支挡结构物等）数据管理（7）总的来说，这些信息的基本形式包括3种，即图形（如地形图）、图像（如遥感像片）和文字数据信息。
1.3 平台及数据模型选择——ArcCatalog、Geodatabase、Dotnet2 系统设计2.1概念结构设计2.1.1 实体关系图2.1.2属性分析2.1.3类概括——数据库中的各数据集根据其用途和专业性质逻辑上分为基础地理数据、基础专题数据、公路专题数据和边坡专题数据四大类。
每类又包括若干个要素数据集，每个要素数据集又包含若干要素类。
（1）基础地理要素类：该类中包括了主要的基础地理信息要素，如水系、居民点、铁路、行政区划等。
空间数据库导论讲
一种基于四叉树的索引技术，用于对栅格数据进 行索引。
3
kd-tree索引
一种基于二叉树的索引技术，用于对高维数据进 行索引，适用于高维空间数据查询。
03
空间数据库管理系统
空间数据库管理系统的功能
数据存储
能够高效地存储和管理空间数 据，包括矢量数据、栅格数据
等。
数据检索
支持基于空间位置、属性、时 间等条件的快速查询和检索。
城市规划
城市规划需要大量的地理信息和空间 数据支持，空间数据库可以提供高效 的数据存储和处理能力。
交通管理
交通管理需要处理大量的地理信息和 车辆位置数据，空间数据库可以用于 存储、查询和分析这些数据。
空间数据库的发展历程
早期发展
早期的空间数据库主要基于文件系统进行存储和管理，随 着技术的发展和应用的深入，逐渐形成了专业的空间数据 库管理系统。
数据处理和分析
提供强大的空间数据处理和分 析功能，如空间分析、地图可 视化等。
数据更新和维护
支持数据的实时更新和维护， 保证数据的准确性和完整性。
主流的空间数据库管理系统
PostGIS
基于PostgreSQL的开源空间数据库管理系 统，功能强大且灵活。
Oracle Spatial
Oracle数据库的一个组件，提供全面的空间 数据管理和分析功能。
拓扑结构
用于表示空间实体之间的几何关系，如点、线、面之 间的相交、包含等关系。
几何结构
用于表示空间实体的几何特征，如长度、宽度、高度 等。
逻辑结构
用于表示空间数据的组织方式和存储方式，如空间数 据的分层、分类等。
空间索引技术
1 2
R树索引
空间数据库总结
空间数据库总结第一篇：空间数据库总结第一章：1.简述空间数据的结构特点及用传统商用关系数据库管理空间数据的局限性：答：1.结构特点：（1）从数据组织和管理角度看，空间数据与一般的事务数据相比具有非结构化特征（2）相对于一般的事务数据而言，空间数据量大（3）用以描述事物或现象随时间的变化2.局限性：（1）表示某种空间对象实体记录的空间字段难于预先确定（2）空间信息有坐标系统（3）关系数据原有的功能不能满足地理空间应用要求2.空间数据管理的演化过程答：1.人工管理阶段（20世纪50年代中期）特点：（1）数据不保存（2）没有数据管理软件（3）数据冗余2.文件系统阶段（20世纪60年代中期）特点：（1）数据文件是大量数据的集合形式（2）面向用户的数据文件（3）数据文件与对应的程序具有一定的独立性（4）由初期的顺序文件发展为索引文件、链接文件、直接文件等3.文件与数据库系统混合管理系统（20世纪80年代初期）特点：（1）对用户观点的数据进行严格细致的描述（2）允许用户以记录或数据项作单位进行访问（3）数据的物理存储可以很复杂，同样的物理数据可以导出多个不同的逻辑文件4.全关系型空间数据库管理系统（20世纪80年代后期）；5.对象关系数据库管理系统；6.面向对象的数据库系统3..空间数据库的研究内容：答：1.地理空间数据的获取与处理：（1）空间数据库的准确性研究；（2）空间数据质量研究；2.地理空间数据组织（1）空间数据的多种表达方式研究；（2）时空关系的研究；（3）海量空间数据库的结构体系研究3.地理空间数据库系统：（1）空间关系语言研究（2）分布处理和Client/Server模式4.地理空间数据共享的研究4.松散双元空间数据管理的结构及其弊端文件与数据库系统混合管理系统（20世纪80年代初期）特点：（1）对用户观点的数据进行严格细致的描述（2）允许用户以记录或数据项作单位进行访问（3）数据的物理存储可以很复杂，同样的物理数据可以导出多个不同的逻辑文件答：第二章：1.基于实体空间对象描述的基本特点：答：基于对象的模型强调个体现象，对象之间的空间位置关系通过所谓拓扑关系进行连接，主要描述不连续的地理现象，适合表示有固定形状的空间实体2.基于场模型地理空间描述适应的地理变量的分布特点：答：分布特点：在一定空间内连续分布。
空间数据库原理
物理存储介质
指计算机制存储器和内存储器。前者存储数据，后者 存储操作系统和数据库管理系统，并有一定数量的缓冲 区，用于数据处理,以减少内外存交换次数，提高数据存取 效率。
数据库软件
其核心是数据库管理系统（DBMS）。主要任务是对 数据库进行管理和维护。具有对数据进行定义、描述、操 作和维护等功能，接受并完成用户程序和终端命令对数据 库的请求，负责数据库的安全。
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
（5）数据模型
空 间 数 据 库 原 理 》 相关概念
实体（Entity） 属性（Attribute） 码（Key） 域（Domain） 实体型（Entity Type） 实体集（Entity set） 联系（Relation）
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
层次模型实例
空 间 数 据 库 原 理 》
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
2、层次模型
空 间 数 据 库 原 理 》 优点
是将数据组织成有向有序的树结构； 反映了现实世界中实体之间的层次关系。
缺点
不能表示多对多的关系； 难以顾及实体之间的拓扑关系； 导致数据冗余。
（6）数据库管理系统
空 间 数 据 库 原 理 》 数据库管理系统(DBMS)是处理数据库数据 存取和各种管理控制的软件。它是数据库 的核心，应用程序对数据库的操作全部通 过DBMS进行。
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系 蔡忠亮
数据库管理系统的功能
空 间 数 据 库 原 理 》
数据库定义功能
武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系蔡忠亮现实世界到数字世界的转换现实世界到数字世界的转换武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系蔡忠亮数据库系统的组成数据库系统的组成dbms武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系蔡忠亮数据库的主要特征数据库的主要特征数据集中控制数据独立与应用程序独立物理和逻辑独立数据共享多用户事务处理并发等操作减少数据冗余数据结构化统一的数据保护功能权限控制一致性控制并发控制武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系蔡忠亮数据库的系统结构数据库的系统结构应用程序2应用程序1应用程序3应用程序n外模式1外模式2外模式n概念模式内模式数据库外模式与概念模式的映射概念模式与内模式的映射逻辑独立性物理独立性物理结构全局逻辑结构局部逻辑结构武汉大学资源与环境科学学院地理信息科学系蔡忠亮数据库的系统结构数据库的系统结构外模式亦称子模式是数据库用户的数据视图
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第2二章.2空间概数据念库设计结构-review
什么是概念结构设计
《 空
需求分析阶段描述的用户应用需求是现实世
间 数
界的具体需求
据 库
将需求分析得到的用户需求抽象为信息结构
原
即概念模型的过程就是概念结构设计
理
》 概念结构是各种数据模型的共同基础，它比
数据模型更独立于机器、更抽象，从而更加稳
定。
概念结构设计是整个数据库设计的关键
第2二章.2空间概数据念库设计结构（续）
概念结构设计的特点
《
空
间 （1）能真实、充分地反映现实世界，包括事物
数
据
和事物之间的联系，能满足用户对数据的处理
库
原
要求。是对现实世界的一个真实模型。
理
》
（2）易于理解，从而可以用它和不熟悉计算机
的用户交换意见，用户的积极参与是数据库的
设计成功的关键。
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细节。有关存储、索引和内存管理等问题都在这一 阶段考虑和解决。
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第二章 空间数据库设计
一．概念数据建模－ER模型
对于概念数据建模来说，有许多可用的设计
《 空
工具，ER模型是其中最为流行的工具之一。
第二章 空间数据库设计
2.2.1 ER模型
1．实体和属性
《 空
在ER模型中，微型世界被划分成一个个实体
间 数 据
（entity），由属性（attribute）来描述实体性 质，并通过联系互相关联。实体是物理上或
库 原
者 概 念 上 独 立 存 在 的 事 物 或 对 象 。 在 State-
理 》
n学
生 专业
职称
班级
ER模型图例
实体 联系 属性
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第二章 空间数据库设计
2.2实例
《 空 间 数 据 库 原 理 》
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第5步物理设计
硬件和 OS特征
物理数据库结构
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第二章 空间数据库设计
2.1 数据库设计的三个步骤
数据库应用通过三个设计步骤来进行建模。
《 空 间
首先，采用高层次的概念数据模型（conceptual data model）来组织所有与应用相关的可用信息。实体-
2.2.1 ER模型
《 实体由属性来刻画性质。例
空 间 数
如 ， name 是 实 体 FOREST 的属性。唯一标识实体实例
据
的属性（或属性集）称为码
库 原
（ key ） 。 在 我 们 的 例 子 中 ，
理
假定任意两条道路均不能同
》
名 的 话 ， 实 体 ROAD 的
name属性 就是一个 码 。本
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第2二章.2空间概数据念库设计结构（续）
概念结构设计的特点(续)
《
空 间
（3）易于更改，当应用环境和应用要求改变时，
数 据
容易对概念模型修改和扩充。
库
原
理 （4）易于向关系、网状、层次等各种数据模型
空间数据库
The Spatial Database System
第二章 空间数据库设计
武汉理工大学资源与环境工程学院
第二章 空间数据库设计
软件生存期
数据库生存期
《
规划
空
间
数 据
需求分析
库
原
理
系统设计
》
程序编制
调试
运行维护
规划 需求分析 概念设计 逻辑设计 物理设计
实现 运行和维护
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例中数据库的所有ROAD实
例都有唯一的名称。尽管这
不是概念设计的问题，但
DBMS中必须有一个机制来
保证这种约束。
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第二章 空间数据库设计
2.2概念结构（续）
《
物理结构设计
空
间
数
据
库
原 理
逻辑结构设计
》
概念结构设计
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需求分析
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Park 例 子 中 ， Forest 、 RIVER 、 FORESTSTAND ROAD以及FIRE-STATION都是实体。
DBMS中必须有一个机制来保证这种约束。
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第二章 空间数据库设计
》
转换。
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第2二章.2空间概数据念库设计结构（续）
描述概念模型的工具
《
空 间
E-R模型
数
据
ER模型的基本元素
库 原
实体
理 》
联系
属性
职号 例子
学号
姓名 老 m
性别 师
姓名
教
2
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第二章 空间数据库设计
总体信息需求
第1步规划
处理需求 DBMS特征
《 空
第2步需求分析
间
数
需求说明书
据
库 原
第3步概念设计
理
数据库设 计的输入
》
信息结构
输出
（独立于硬件、软件）
第4步逻辑设计
逻辑数据库结构（DBMS能处理的） 应用程序说明书
数 据
联系（entity relationship, ER）模型是所有概念设计
库 工具中最为流行的一种。
原
理 》
第二步，也称为逻辑建模阶段，与概念数据模型在 商用DBMS上的具体实现有关。实现模型的例子有：
层次模型、网状模型和关系模型。其中关系模型是
目前商用数据库实现的最为广泛的模型之一。
最后，数据库设计的第三个步骤是物理设计的建模， 它解决数据库应用在计算机中具体实现时方方面面
间 数
ER模型同关系模型无缝地整合在一设计阶段的第二
原 理
步中最流行的逻辑模型之一。我们在这里使
》 用ER模型对State-Park例子进行建模。
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