第四章GIS空间数据库第一节空间数据库概述一、数据库概念数据库有三个基本部分组成：⑴ 数据集（库）：按一定结构组织起来的相关数据的集合，既包括数据与数据间的联系。
⑵ 物理存储介质：计算机的外存与内存储器，外存存储数据，内存存储操作系统与数据库管理系统，并有一定数量的缓冲区，用于数据处理。
⑶ 数据库软件：核心是数据库管理系统（DBMS），对数据进行建立、定义、管理与维护，还有数据库应用系统，通过空间分析模型对数据进行分析与决策。
二、数据库特征⑴ 数据集中控制维护管理。
⑵数据独立于应用程序。
⑶ 数据共享，多用户可同时存续数据，提高使用效率。
⑷ 减少数据冗余，提高数据的一致性。
⑸ 数据结构化，数据按一定结构形式构成，数据间具有联系。
⑹ 数据保护功能，具有使用权限，确保数据安全。
第二节数据模型一、关系模型关系模型是以数学理论为基础构建的数据模型，它把复杂的数据结构归纳为简单的二元关系，即把每一个实体集看作是一个二维表。
关系模型是用一个单一的二维表结构表示实体及实体间的联系，而满足一定条件的二维表称为一个关系。
其中每一行是一个实体（记录），每一列是一个实体属性（字段），表中第一行是各字段的型的集合。
作为一个关系的二维表，必须满足以下条件：⑴ 表中的每一个属性值都是不可再分的基本单元；⑵ 表中每一列的属性名必须是唯一的；⑶ 表中每一列必须有相同的数据类型；⑷ 表中不能有完全相同的行；关系模型的最大特点是描述的一致性，结构简单清晰。
显然，实体及其联系在关系表中一目了然。
也可以通过关系之间的连接运算建立新的关系，对关系数据库的查询和统计操作均通过布尔逻辑与数学关系运算实现。
关系模型存取路径完全对用户隐蔽，使程序与数据具有高度的独立性。
关系模型使用与维护方便。
由关系数据结构组成的数据库系统称为关系数据库系统。
在关系数据库中，对数据的操作几乎全部建立在一个或多个关系表格上，通过对这些表格的操作来实现对数据的管理。
二、层次模型与树结构层次模型是在数据处理中发展最早、技术上已成熟的一种数据模型。
他的特点是将数据组织成一棵有根结点的定向的有序树（树指无回的连通图），它是一棵倒挂的树，树分根、枝、叶。
它必须满足两个条件：①有一个结点，没有父结点，②其它结点中有且仅有一个父结点。
没有父亲的结点称为根结点，其余的结点称为从属结点。
从属结点中有下属的为枝，无下属为叶。
从根结点开始按父子联系依次连接的结点序列称为层次路径。
如一所高校，它由校、院、系、专业、教师、学生等构成，其结构图就像一棵树，校是树根（称根结点），院、系、师、生等为枝（结点），枝结点向上向下都有联系，向上只能有唯一的联系，向下可有若干联系，向下无任何联系的为叶，如具体某个学生。
在层次模型中，必须按照从根开始的某条路径进行访问。
层次模型表达的实体间的联系是一对多关系，当实体具有层次关系时，适宜采用层次型数据库进行管理。
一对多关系指一个父属性对应多个子属性，而一个子属性只对应一个父属性。
层次模型中一切联系都是向下的。
在树形结构中，表示方法是多样的。
如一本书A分为B、C两章，B章又分为D、E、F三节；C章分为G、H两节，E节又分为两小节I、J。
三、网状模型与图结构用丛结构表示的实体间的联系模型叫网状结构模型。
层次模型根结点只有一个，根以外的其它结点只有一个父结点，若打破此限制，则层次模型就形成了网状模型。
因此网状模型是在层次模型基础上发展起来的，层次模型是网状模型的特殊形式，网状模型是层次模型的一般形式。
从另一个角度上讲，网状模型是在层次结构的基础发展起来的，它扩充了层次结构对联系的限制，因此可灵活地表示实体间的多种关系。
它需满足以下条件：⑴ 可以有一个以上的结点没有父结点。
⑵ 至少有一个结点有多于一个的父结点。
⑶ 结点间可以有多种联系。
四、三种数据模型的比较（见黄杏元等地理信息系统p126表4）（一）三种数据模型优缺点分析目前，不同的地理信息系统分别用到了以上三种模型。
以上三种模型可分为两类，其中层次模型与网状模型，都依赖于某种固定的连接关系。
层次模型，记录按树结构存储，而且所有记录只能有一个所有者，用户可以通过路径与其它记录的连接来存取每一个记录。
网状结构是层次结构的一般形式（层次结构是网状结构的特殊情况），在网状结构中，一个已知的记录可以有多个所有者等。
在层次与网状结构中，数据库中最低层的记录如果不与它的父记录发生关系就会失去意义，这样的模型，叫做面向结构的模型。
而关系模型可称为面向操作的模型。
⑴关系模型是潜力较大的模型，也是微型机上使用最多的模型。
所谓关系模型就是一个二维表，表中数据本身自然地建立起它们之间的联系，并用关系代数与关系运算来操作数据。
它的数据结构灵活、清晰，通过逻辑运算与数学运算进行查询、检索、修改、运算，数据易于更新。
关系模型在数据库中增加数据项的方式有两种：一是产生一个新表，二是向已有的表中追加数据项。
当数据库需要修改或更新时，不需要重新组织数据结构。
关系模型的缺点是没有预先考虑存取路径，因而使查询速度非常慢。
⑵层次结构的优点是容易理解，易于更新与扩充，但查找比较麻烦，需要大量的索引文件，某些数据可能重复多次，因而冗余量大。
⑶网状结构中的任一记录可与任意多个记录建立关系，因此与层次模型比较，大大地减少了冗余，在表示关系复杂的地理数据和网状特征的地理实体效果好，但网状结构数据指针比较复杂，数据更新要繁琐。
从本质上看，层次与网状模型是相同的，在逻辑上它们都用结点表示实体，用连线表示实体间的联系；从物理上，它们都用指针来实现两个文件间的联系，只不过网络模型中的连线、指针较为复杂而已。
（二）传统数据库管理系统的局限性以上三种模型可以说是传统的数据库模型，在数据管理上有明显不足：⑴传统数据库主要处理的对象是属性特征的数据，只能操作和查询文字和数字，无法有效地支持复杂对象如图形图像等，而地理空间数据中有大量的空间数据需要操作和查询；⑵ 传统的数据库管理系统管理的是不连续的相关性较小的数字和字符，而地理数据是连续的，而且有很强的空间相关性；⑶传统数据库系统管理的数据类型较少，空间关系简单，而地理数据类型是多样的，并存在着复杂的空间关系；⑷ 传统数据库不能以自然的、接近人类思维的方式表示实体及其联系。
为了更好的模拟和操作现实世界中的复杂现象，克服传统数据模型的局限性，人们从更高的层次探讨新的数据模型。
包括：⑴以数据库设计为背景而产生的实体-联系（E-R）模型；⑵从操作角度模拟客观世界且具有严密代数基础的函数数据模型；⑶对事物及其联系进行自然表达的语义网络模型；⑷基于图论多层次数据抽象的超图数据模型；⑸基于逻辑的演绎数据模型；⑹面向对象的概念和面向对象程序设计为基础的面向对象数据模型。
其中面向对象的数据模型是高层次模型的最重要发展。
五、面向对象的数据模型（一）面向对象的基本思路面向对象方向的基本思路是：是用更接近人类通常思维的方式建立问题领域的模型，以便对信息实体进行结构模拟和行为模拟，从而使设计出的系统尽可能直接地表现问题求解的过程。
面向对象的数据模型就是采用面向对象方法建立的数据模型。
（二）面向对象的相关概念无论怎样复杂的事物，又可以准确地由一个对象表示。
将客观世界的每一个概念实体模型化为对象。
每个对象都包含了数据集和操作集。
⑴ 对象：含有数据和操作方法的独立模块，是数据和行为的统一体。
如一个学校、一个城市、一棵树、一条河流等可作为对象。
河流坐标描述了其位置与形状，河流的变迁则表达了它的行为。
一个对象应有唯一的标识、属性与操作方法。
标识表示其存在的独立性，属性表示其状态，操作用以改变对象的状态。
⑵ 类：相同属性、结构和操作方法的对象的集合，或说同类对象的集合。
如河流有名称、长度与流域面积，操作方法可查询、计算长度、求流域面积等，因而可抽象为河流类，如长江、黄河。
⑶ 消息：对对象进行操作的请求。
对象间的操作只能通过消息来进行。
（三）面向对象数据库的特性⑴抽象性：抽象是对客观世界的简化，形成对象的关键是抽象，对象是抽象思维的结果，抽象思维是通过概念、判断、推理来反映对象的本质，解释对象内部联系的过程。
任何一个对象都是通过抽象和概括而形成的。
⑵封装性：将方法与数据放在一个对象中。
对象就是一个封装好的独立模块。
⑶多态性：同一消息被不同的对象接收时，可解释为不同的含义，相同的操作可用于多种类型的对象，并能获得不同的结果。
⑷永久性：数据可长期保存，并可交叉使用。
⑸并发性：多个用户可同时访问一个数据库。
⑹安全性：具有保护措施，提供权限检查功能。
⑺复合型：某对象可以是另一对象的一部分。
⑻可扩充性：用户可在应用中增加新的操作和类型。
（四）面向对象的核心技术⑴ 分类：同一类的对象共享相同的属性项与操作方法⑵ 概括：将几种类型中具有共性特性的属性和操作方法抽象出来，形成一种更一般的超类。
如地物抽象为点、线、面。
⑶ 聚集：将几个不同的对象组合成一个更高水平的复合对象。
⑷ 联合：将同一类对象中的几个具有相同属性值的对象组合起来，为避免重复，设立一个更高水平的对象表示那些形同属性的属性值。
运用上述的概念方法与技术，便可建立面向对象空间数据库，其结构就是面向对象的数据模型。
第三节空间数据库设计一、数据的管理模式数据管理指的是对数据的分类、组织、编码、储存、检索和维护。
在30多年来随着计算机的发展，经历了三个阶段：人工管理阶段、文件管理阶段、数据库系统阶段。
（一）人工管理阶段（50年代中期以前）计算机主要用于科学计算，但是外存没有软、硬盘，软件没有操作系统。
特点：数据不保存；没有软件系统对数据进行管理；数据是面向应用的。
（二）文件管理阶段（50年代后期到60年代中期）计算机除了用于科学计算外，还大量用于管理，外存有了磁盘，软件有了操作系统，操作系统有了专门管理数据软件的文件系统。
特点：能进行数据处理，可长期保存数据，又软件进行管理，文件已多样化，数据的存取以纪录为单位。
数据冗余度大，数据和程序缺乏独立性。
（三）数据库系统阶段（60年代后期开始）计算机用于管理的规模大，共享需求增强，有了大容量的磁盘，开始考虑分布处理，软件价格上升，硬件价格下降。
特点：面向全组织的复杂的数据结构，数据冗余度小，易扩充，数据和程序具有独立性，有统一的数据控制功能。
二、空间数据库的设计数据库设计是根据不同的应用目的和用户要求，在一个给定的应用环境中，确定最优的数据模型、处理模式、存储结构、存取方法，建立能反映现实世界的地理实体间信息的联系，以满足用户要求，又能被一定的数据库管理系统接受，同时能实现系统目标并有效地存取、管理数据的数据库。
空间数据库的设计是指在数据库管理系统的基础上建立空间数据库的过程。
主要包括需求分析、结构设计和数据层次设计三部分。
（一）需求分析需求分析是空间数据库设计与建立的基础，具体为：⑴调查用户需求：了解用户特点和要求。
