地理信息系统概论(第四章)课件.ppt

1、第四章 空间数据库石家庄经济学院石家庄经济学院冯文钊冯文钊数据库概述空间数据库概述空间概念和数据模型空间查询语言空间存储和索引空间数据库空间数据库1.数据库概述文件系统与数据库系统文件系统的缺陷数据冗余不一致数据访问困难不支持并发访问安全性问题突出数据库系统的特点数据结构化数据共享数据具有较高的独立性数据由DBMS统一管理和控制1.数据库概述数据库管理系统 DBMS是管理数据的软件，利用它来实现数据库系统的各种功能。DBMS的主要功能数据定义功能数据操作功能数据库的运行控制功能DBMS的系统结构分时环境下的集中式数据库系统结构网络环境下的客户/服务器结构物理上分布、逻辑上集中的分布式数据库物理

2、上、逻辑上都分布的数据库结构1.数据库概述数据抽象与数据独立性数据抽象数据库的物理结构（内模式）描述数据存储方式和物理结构数据库的逻辑抽象（模式）描述存储什么数据及数据间的关系数据库的视图结构（外模式）描述数据库的某个部分，反映的是用户关心的数据的逻辑数据结构1.数据库概述 数据独立性物理独立性数据的物理存储结构改变，应用程序不用改变逻辑独立性数据库的逻辑结构改变，用户的应用程序不用改变1.数据库概述数据模型（Data Model）数据模型是数据库的核心和基础，使计算机世界对现实世界进行抽象表示和处理的工具。层次模型1.数据库概述网状数据模型1.数据库概述关系数据模型 E.F.Code是关系数

3、据模型的奠基者基本关系术语 关系：一个关系就是一张二维表 元组：关系中除了包含属性名以外的每一行都称为一个元组，一个元组包含每个属性的一个值，关系是元组的集合，因此，在关系中不可能出现完全相同的两个元组。属性：表中的一列称为一个属性，给每个属性一个名字，称为属性名。域：属性的取值范围称为域。1.数据库概述 键（key）:如果关系的一个属性，或者属性组合能唯一的标识一个元组，则该属性或属性组合就称为该关系的候选键，简称键，一个关系可以有一个或多个候选键，但至少要有一个候选键，一般从候选键中选择一个作为主键（Primary Key）；由多个属性组成的键也称为组合键，如果一个关系的键包括所有的属性，

4、这种键称为全键。主属性与非主属性：包含在任一个候选键中的属性称为主属性，而不包含在任何一个候选键中的属性称为非主属性。空值：一个元组的某一属性取空值表示该属性值是未知的或者对当前元组来说是不可用的。关系模式：关系名和属性的集合1.数据库概述关系的数学定义笛卡尔积 A=a|a A,B=b|b B,则 A B=(a,b)|a A 且 b B 关系任何笛卡尔积的子集就形成一个关系，一个n目关系可以由n个集合D1 D2 D3 Dn 来定义关系模式：关系模式由关系名后跟属性集合和域名对组成 R(A1:D1,A2:D2,An:Dn)1.数据库概述关系的性质关系的名字是唯一的关系的每个分量包含一个原子的值组

5、成关系的每个属性都有不同的属性名同一属性列的属性值全部来自同一个域属性的顺序可以任意交换关系中不能有重复的元组元组的顺序无关紧要，任意两个元组可以任意交换位置1.数据库概述数据完整性域约束：用来设置关系的属性应取的值实体完整性约束：任何作为一个关系主键的属性值必须存在唯一且不能是空值参照完整性约束 外键：如果关系中的属性或属性组不是本关系的键，而是引用其他关系的键，称为此关系的外键。如果一个关系R中存在外键F，F与基本关系R的主键相对应，那么F值要么等于基本关系R中某个元组的键值，要么为空。一般完整性约束1.数据库概述关系规范化函数依赖 设R(U)是属性集U上的关系模式，X、Y是U上的任一个子

6、集，当且仅当R（U）中的每个X值只与R（U）中唯一的一个Y值相对应，即对于任意一个可能的关系R，R中不可能存在两个元组在X上的属性值相等，而在Y值上的属性值不等，则称“Y函数依赖于X”，或“X函数决定Y”，记为X Y，X称作决定因素，Y称作依赖因素。若Y不依赖于X，记做XY1.数据库概述职工号基本工资奖金061890.0050.00062720.0050.00063680.0080.00064890.0080.00职工号基本工资，职工号奖金1.数据库概述函数依赖推论1、如果属性X，Y有1：1联系，则存在X Y且 Y X，称为相互函数依赖，记为X Y或X 和Y等价2、如果存在X和Y是1：m联系，

7、则存在Y X，但XY3、如果存在X和Y是m：n联系，则X与Y之间不存在任何函数依赖完全函数依赖 设X Y是关系模式R的一个函数依赖，并且对于X中的任何一个真子集X，都有X Y，则称Y完全函数依赖于X，记作 X Y，若X Y，但Y不完全函数依赖于X，则称Y对X部分函数依赖，记作X Y 选课（学号，课程，成绩，学分）（学号，课程）成绩 课程学分 （学号，课程）成绩 （学号，课程）学分 p1.数据库概述ff p1.数据库概述n完全函数依赖推论 当X是单个属性时，X不存在任何真子集，若X Y，择有X Yf 1.数据库概述传递函数依赖 在关系模式R（U）中，如果存在X Y（Y不是X的子集），Y Z，但Y

8、X，则称Z对X传递函数依赖，或称Z传递依赖于X。比如：学生（学号，姓名，系别，系地址）学号系别，系别系地址，系地址学号学号系地址 是传递函数依赖1.数据库概述键 设K为R中属性或属性组合，若U完全函数依赖于K，则K为R的候选键，若候选键多于一个，则选定其中的一个作为主键，若K不是单一属性，则称为组合键。候选键具有两个特点：1、唯一性 2、无冗余性1.数据库概述关系模式的规范化第一范式 关系R中，如果每个属性值都是不可分的基本数据项，则称R满足第一范式部门经理员工AJohnBobSmith部门经理员工AJohnBobAJohnSmith1.数据库概述第二范式 如果关系模式R（U，F）中的所有非主

9、属性都完全函数依赖于任意一个候选键，则关系R是属于第二范式的学员信息（学号，名称，系别，系地址，课程号，成绩）学员成绩（学号，课程号，成绩）学员住处（学号，名称，系别，系地址）1.数据库概述第三范式 如果关系模式R（U，F）中的所有非主属性对任何候选键都不存在传递依赖，则称关系R是属于第三范式的 学员住处（学号，系别，系地址）学号系别，系别学号，系别系地址学号系地址学员（学号，系别）系（系别，系地址）1.数据库概述nBCNF范式改进的第三范式 如果关系模式R（U，F）的所有属性，既不部分依赖也不传递依赖于R的任何候选键，则称关系R是属于BCNF的。教学（学员，教师，课程）3NF 主属性“课程”

10、部分依赖于候选键（学员，教师，课程）即课程和教师之间存在依赖关系讲课（教师，课程），学习（学员，课程）1.数据库概述数据库设计的三个部骤概念数据模型实体联系模型是最有效的工具逻辑建模阶段关系模型物理设计阶段1.数据库概述ER模型(Entity Relationship Model)实体与属性ER模型中，世界被划分为一个个实体，由属性来描述实体性质，并通过联系互相关联。实体是物理上或概念上独立存在的事务或对象。实体由属性来刻画。属性可以是单值的或者多值的 联系除了实体和属性外，构成ER模型的第三个要素是联系，实体之间通过联系相互作用和关联1.数据库概述o1：1 一个实体中每个实例只能与其他参与实

11、体的一个实例相联系。如管理员和森林之间的关系。oM:1 一个实体的多个实例与另一个参与该联系的实体的一个实例相联接。Belong-to 是Facility和forest之间的联系，每个facility仅属于一个forest，而forest拥有多个facility1.数据库概述oM:N 一个实体的多个实例与另一个参与该联系的实体的多个实例相联系。River和Facility之间的Supplies-Water-to是这样一个联系，有时联系也有属性。Supplies-Water-to有一个属性Volumn.ER图 ER图为概念模型提供了图形化的表示方法，实体用矩形表示。属性表示为椭圆，联系表示为菱形

12、。联系的基数标注在菱形的旁边，键的属性加下划线，多值用双椭圆表示1.数据库概述将ER模型映射到关系模型将每个实体映射成一个单独的关系，实体的属性映射成关系的属性。对于1:1的联系，我们将任一个实体的键作为其他关系的一个外键如果联系是M:1，就把“1”侧的关系的主键作为“M”侧关系的外键对基数为M:N的联系，每个M:N联系被映射成一个新的关系，关系的名称就是联系的名称，而关系的键由参与实体的主键组组成1.数据库概述对于多值属性，创建一个具有两个列的新关系：一列对应多值属性，一列对应拥有多值属性值的实体的键。Elevation1.数据库概述1.数据库概述World数据库Country(Name:v

13、archar(35),Cont:varchar(35),Pop:integer,GDP:Integer,Life-Exp:interger,Shape:String)City(Name:varchar(35),Country:varchar(35),Pop:integer,Capital:char(1),shape:String)River(Name:varchar(35),Origin:varchar(35),Length:integer,shape:String)NameCont Pop(M)GDP(B)Lift_ExpShapeArgentinaSAM36.3348.270.75poly

14、gonid-6BrazilSAM183.31004.065.60polygonid-3CanadaNAM30.10658.077.08polygonid-1CubaNAM11.716.975.95polygonid-4MexicoNAM107.5693.469.36polygonid-2USANAM270.08003.075.75polygonid-5CountryCityBrasiliaBrazil1.5Ypointid-5Buenos AiresArgentina10.75Ypointid-9HavanaCuba2.1Ypointid-1Mexico CityMexico14.1Ypoin

15、tid-8MonterreyMexico2.0Npointid-3OttawaCanada0.8Ypointid-7RasarioArgentina1.1Npointid-6TorontoCanada3.4Npointid-4Washington.D.CUSA3.2Ypointid-2RiverMississipiUSA6000Lineid-4Rio CrandeUSA3000Lineid-3Rio ParanaBrazil2600Lineid-1St.LowrenceUSA1200Lineid-21.数据库概述关系代数 关系代数只有一种类型的运算对象和6种基本运算，运算对象是关系。6种运算是

16、：选择（Select）投影（Project）并（Union）笛卡尔积（Cross-product）差（Difference）交（Intersection）1.数据库概述选择和投影运算 选择和投影运算用来操纵单个关系中的数据。选择运算检索关系表中行的子集，而投影运算抽取列的子集。集合运算集合并集合差集合交笛卡尔积1.数据库概述连接运算 当需要在多个关系表之间进行查询时就要使用连接运算，连接运算可以理解成在笛卡尔积的基础上进行选择运算分为条件连接和自然连接条件连接自然连接SQL基础DDLnCREATE DATABASECREATE TABLEDROP TABLEALTER TABLEDMLINSE

17、RTDELETEUPDATE1.数据库概述SQL查询 Select ALL|DISTINCT,FROM,WHERE GROUP BY,HAVINGORDER BYASC|DESC,ASC|DESC1.数据库概述n简单查询列出所有国家的情况SELECT*FROM COUNTRYpDISTINCT和ALLDISTINCT可以去掉重复的元组比较ALL 和DISTINCT的区别SELECT DISTINCT CONT FROM COUNTRYSELECT ALL CONT FROM COUNTRYALL可有可无1.数据库概述p用AS指定查询结果的自定义列名 SELECT NAME AS 国名,CONT

18、 AS 大洲,POP(Millions)AS 人口 FROM COUNTRYp使用WHERE子句列出首都城市的属性 SELECT*FROM CITY WHERE CAPITAL=Y1.数据库概述p使用ORDER BY子句 从国家表里查询，按照大洲的升序排列，相同的大洲再按照人口降序排序 SELECT*FROM COUNTRY ORDER BY CONT ASC,POP(MILLIONS)DESC1.数据库概述pBETWEENAND 和NOT BETWEEN 查询人均GDP在500美元到1000美元之间的国家 SELECT *,(gdp(billions)*10E9)/(pop(millions

19、)*10E7)AS 人均GDP FROM COUNTRY WHERE(gdp(billions)*10E9)/(pop(millions)*10E7)BETWEEN 500 AND 10001.数据库概述SELECT *,(gdp(billions)*10E9)/(pop(millions)*10E7)AS 人均GDP FROM COUNTRY WHERE(gdp(billions)*10E9)/(pop(millions)*10E7)NOT BETWEEN 500 AND 10001.数据库概述p连接查询列出GDP超过1万亿美元国家的首都和人口 SELECT CI.NAME,CO.POP(M

20、ILLIONS)FROM CITY CI,COUNTRY CO WHERE CI.COUNTRY=CO.NAME AND CO.GDP(BILLIONS)1000 AND CI.CAPITAL=Y1.数据库概述 SELECT CI.NAME,CO.POP(MILLIONS)FROM CITY CI INNER JOIN COUNTRY CO ON CI.COUNTRY=CO.NAME WHERE CO.GDP(BILLIONS)1000 AND CI.CAPITAL=Y1.数据库概述 圣劳伦斯河发源地国家的首都的名字和该城市的人口是多少？SELECT CI.NAME,CI.POP(MILLIO

21、NS)FROM CITY CI,COUNTRY CO,RIVER R WHERE R.NAME=St.Lowrence AND R.ORIGIN=CO.NAME AND CI.COUNTRY=CO.NAME AND CI.CAPITAL=Y1.数据库概述 SELECT CI.NAME,CI.POP(MILLIONS)FROM CITY CI inner join COUNTRY CO on ci.country=co.name inner join RIVER R on co.name=r.origin WHERE R.NAME=St.Lowrence AND CI.CAPITAL=Y1.数据

22、库概述p嵌套查询 SELECT*FROM COUNTRY WHERE COUNTRY.NAME IN(SELECT ORIGIN FROM RIVER)SELECT*FROM COUNTRY WHERE COUNTRY.NAME NOT IN(SELECT ORIGIN FROM RIVER)1.数据库概述pALL和ANY ALL表示与子查询结果中所有记录的相应值相比较，均符合要求才行 ANY表示与子查询结果比较，任何一个记录满足条件就可以 select*from river where river.length(Kilometers)=all(select river.length(Kilo

23、meters)from river)1.数据库概述找出所有河流发源地的国家 select*from Country where country.name=any(select origin from river)列出GDP超过加拿大的国家 SELECT*FROM COUNTRY WHERE GDP(BILLIONS)ANY(SELECT GDP(BILLIONS)FROM COUNTRY WHERE NAME=CANADA)1.数据库概述 SELECT C2.*FROM COUNTRY C1 INNER JOIN COUNTRY C2 ON C1.NAME=CANADA WHERE C1.GD

24、P(BILLIONS)1)AND RIVER.LENGTH(KILOMETERS)1)2.空间数据库概述引论空间查询例子创建表Create table cersus_blocks(name string,area float,population number,boundary polyline);Realtion:cersus_blocks(name,area,population,boundary)2.空间数据库概述面向对象对象方法属性继承封装多态2.空间数据库概述空间数据库文件系统网状DBMS面向对象系统OODBMS关系DBMS层次DBMS对象关系DBMS2.空间数据库概述SDBMS定义

25、一个SDBMS是一个软件模块，他利用一个底层数据库管理系统SDBMS支持多种空间数据模型、相应的空间抽象数据类型（ADT）以及一种能够调用这些ADT的查询语言SDBMS支持空间索引、高效的空间操作算法每个SDBMS必备持久性、事务两种特性2.空间数据库概述空间分类学和数据模型描述方式拓扑：相邻网状：最短路径方位：正北欧氏几何：距离对象模型场模型（栅格结构）2.空间数据库概述查询语言（OGIS协会）查询处理Sample Senator（Name，SocSec，Gender，District）Business（Name，Owner，SocSec，Location）非空间连接：找出拥有该公司的女性参

26、议员的名字 Select S.Name From Senator S,Business B where S.Soc-sec=B.Soc-sec and S.gender=Female 空间连接：找出代表的选区面积大于300平方公里并在选区中拥有公司的参议员 Select S.Name From Senator S,Business B where S.District.Area()300 and Within(B.Location,S.District)2.空间数据库概述文件组织和索引B树R树查询优化数据挖掘3.空间概念和数据模型空间信息模型场模型空间框架：有限网格场函数：fi：空间框架 属性

27、域(Ai)场操作：不同场之间的联系和交互由场操作来指定o局部的o聚焦的o区域的o并（+）o复合（o）3.空间概念和数据模型基于对象的模型最为通用的形状是由“空间表示体系”所描述的“几何体”来表示，“空间几何体系”是一个坐标系统，几何体分为四类:点(Point)、线(Curve)、面(Surface)、几何体集合(Geometry Collection)3.空间概念和数据模型n空间对象的操作o面向集合的o拓扑的(九交矩阵)9(,)ABABABA BABABABABABAB 001001111相离011001001包含111111111在内部100010001相等001011111相接111011

28、001覆盖100110111被覆盖111111111交叠3.空间概念和数据模型o方位的o度量空间o欧氏空间扩展ER模型表达空间概念ER模型的不足oER模型无法自然映射场模型o传统ER模型，实体之间的关系由开发的应用来指导，而在空间建模中，空间对象之间总会有内在联系，如何将这些联系整合到ER模型中，又不使ER图变得复杂。o建模空间对象所使用的实体类型和“地图”比例尺有关，在概念模型中，如何表达同一个对象的多种表现形式。3.空间概念和数据模型用象形图扩展ER模型u实体象形图（1）象形图 *！任意可能的形状用户自定义形状3.空间概念和数据模型（2）形状 （3）基本形状 3.空间概念和数据模型（4）复

29、合形状 0，111，n0，nnn0，n3.空间概念和数据模型（5）导出形状 3.空间概念和数据模型（5）备选形状 3.空间概念和数据模型u实体象形图Part_of（网络）Part_of（分区）4.空间查询语言扩展SQL处理空间数据OGIS标准的SQL扩展用于所有几何类型的基本操作用于空间对象间拓扑关系的操作测试用于空间分析的一般操作强调空间的查询4.空间查询语言关系对象SQLSQL3概览查询示例5.空间时态数据库空间时态数据库概述空间时态数据库的表达空间时态数据库的更新空间时态数据库的查询时空一体化数据模型时间片快照模型地图叠加模型时空合成模型全信息对象模型主键属性域ncreate datab

30、ase worldnuse worldCREATE DATABASECREATE TABLEncreate table Country(Name varchar(35)primary key,Cont varchar(35),Pop(Millions)float,GDP(Billions)float,Life_Exp float,Shape varchar(20)ncreate table City(Name varchar(35)primary key,Country varchar(35),Pop(Millions)float,Capital char(1),Shape varchar(2

31、0)ncreate table River(Name varchar(35)primary key,Origin varchar(35),Length(Kilometers)integer,Shape varchar(20)COUNTRYCITYRIVERINSERTnInsert into Country values(Canada,NAM,30.1,658.0,77.08,polygonid-1)nInsert into Country values(Mexico,NAM,107.5,693.4,69.36,polygonid-2)nInsert into Country values(B

32、razil,SAM,183.3,1004.0,65.6,polygonid-3)nInsert into Country values(Cuba,NAM,11.7,16.9,75.95,polygonid-4)nInsert into Country values(USA,NAM,270.0,8003.0,75.75,polygonid-5)nInsert into Country values(Argentina,SAM,36.3,348.2,70.75,polygonid-6)nInsert into City values(Havana,Cuba,2.1,Y,pointid-1)nIns

33、ert into City values(Washington.D.C,USA,3.2,Y,pointid-2)nInsert into City values(Monterrey,Mexico,2.0,N,pointid-3)nInsert into City values(Toronto,Canada,3.4,N,pointid-4)nInsert into City values(Brasilia,Brazil,1.5,Y,pointid-5)nInsert into City values(Rasario,Argentina,1.1,N,pointid-6)nInsert into C

34、ity values(Ottawa,Canada,0.8,Y,pointid-7)nInsert into City values(Mexico City,Mexico,14.1,Y,pointid-8)nInsert into City values(Buenos Aires,Argentina,10.75,Y,pointid-9)nInsert into River values(Rio Parana,Brazil,2600,Lineid-1)nInsert into River values(St.Lowrence,USA,1200,Lineid-2)nInsert into River

35、 values(Rio Crande,USA,3000,Lineid-3)nInsert into River values(Mississipi,USA,6000,Lineid-4)SQL的OGIS标准定义的操作基本函数SpatialReference()返回几何体的基本坐标系Envelope()返回包含几何体的最小外接矩形Export()返回以其它形式表示的几何体IsEmpty()如果几何体是空集返回真IsSimple()如果几何体是不自交的返回真Boundary()返回几何体的边界SQL的OGIS标准定义的操作拓扑集合运算符Equal()如果两个几何体的内部和边界在空间上相等，则返回真D

36、isjoint()如果内部和边界都不相交，则返回真Intersect()如果几何体相交，则返回真Touch()如果两个面仅仅是边界相交内部不相交则返回真Cross()如果一条线和面的内部相交则返回真Within()如果给定的几何体的内部不和另一个几何体的外部相交则返回真Contains()判断给定的几何体是否包含另一个给定的几何体Overlap()如果两个几何体的内部有非空交集则返回真SQL的OGIS标准定义的操作空间分析Distance()返回两个几何体之间的最短距离Buffer()返回到给定几何体的距离小于或等于指定值的几何体的点的集合ConvexHull()返回几何体的最小闭包Intersection()返回由两个几何体的交集构成的几何体Union()返回由两个几何体的并集构成的几何体Difference()返回几何体与给定几何体不相交的部分SymmDiff()返回两个几何体与对方互不相交的部分