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08第4章 土地信息系统空间数据结构与空间数据库1234


第4章 土地信息系统空间数据 结构与空间数据库

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土 地 信 息 系 统
LIS

4.1 土地信息系统空间数据结构
数据结构及相关概念 空间数据的拓扑关系 矢量数据结构 栅格数据结构 矢量数据结构与栅格数据结构的比较
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4.1.1数据结构及其相关概念 数据结构及其相关概念 土 地 信 息 系 统
LIS

数据元素与数据项
数据元素是数据的基本单位,或称元素、结点、顶点、记 记 数据元素 录。一个数据元素可以由若干个数据项(也可称为字段、 域、属性 属性)组成。 属性 数据项是数据结构中讨论的最小单位,是数据记录中最 数据项 基本的、不可分的有名数据单位。在LIS中,数据项用来 描述实体的某种属性。

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LIS

数据对象
数据对象是性质相同的数据元素的集合。如上例: 一个班级的成绩表可以看作一个数据对象。

数据结构
数据结构是指数据元素集合(也可称数据对象 数据对象) 数据对象 中各元素的关系。

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LIS 2)研究 2)研究 目的 1)研究 1)研究 内容

①数据的逻辑结构: 数据的逻辑结构: 各数据元素之间的逻辑关系 ②数据的存储结构: 数据的存储结构: 各数据元素在计算机中的存储关系 ③对各种数据结构进行的运算: 对各种数据结构进行的运算: 添加,删除,排序等 添加,删除, 一是提高数据处理的速度. 一是提高数据处理的速度. 速度 二是尽量节省在数据处理过程中所占用的计算 机存储空间 空间. 机存储空间.

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3)常见的数据结构类型 3)常见的数据结构类型

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LIS
线性结构 集合

特征 元素间为松散 的关系 (属于 关系)

示例

元素间为严格 的一对一关系

树形结构

元素间为严格 的一对多关系

图状结构 (或网状 结构) 结构)

元素间为多对 多关系

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4)包含 4)包含

表示数据元素的信息 表示各数据元素之间的前后件关系
根结点

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LIS

信息

几种基本数据结构的结点图: 几种基本数据结构的结点图:

根结点

叶结点

叶结点

有关概念(补充): 有关概念(补充): 补充 结点: 结点 组成数据结构的数据元素称为一个结点. 前后件关系: 前后件关系:数据元素之间的固有关系可以用前后件关系 (前驱与后继关系)描述。举例:家庭成员辈分关系(父亲、 儿子、女儿),“父亲”是“儿子”和“女儿”的前件, “儿子”和“女儿”是 “父亲”后件. 根节点: 根节点 在数据结构中,没有前件的节点称为根结点. 叶节点: 叶节点 没有后件的结点称为终端结点或叶结点. 7

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LIS

空间数据结构
是指空间数据适合于计算机存储、管理、 处理的逻辑结构。换句话说,是指空间数据以 什么形式在计算机中存贮和处理。

矢量数据结构 分 栅格数据结构 类 矢量栅格一体化数据结构(略)
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LIS
B.栅格表示形式 C.矢量表示形式

图4-1 矢量数据结构和栅格数据结构
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4.1.2 空间数据的拓扑关系
属性信息

土地信息
空间信息
(几何信息) 几何信息)

位置信息

解析几何方法

空间关系 信息

拓扑关系方法 拓扑关系方法

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拓扑的基本概念

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? 拓扑 拓扑一词来自于希腊文,意思是 “形状的研究”。 ? 拓扑学 拓扑学是几何学的一个分支,它 研究在拓扑变换下能够保持不变 的几何属性——拓扑属性。 ? 拓扑变换 拓扑变换——图形被弯曲、拉大、 缩小或任意的变形,只要在变形 过程中不使原来不同的点重合为 同一个点,又不产生新点。 ? 拓扑关系 拓扑关系是指图形在保持连续状态下变形,但图形关 系不变的性质。它关心的是空间的点、线、面之间的 联结关系,而不管实际图形的形状。也就是说,几何 形状相差很大的图形,它们的拓扑关系可能相同。

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LIS 图4-2 结点之间的拓扑关系

图4-3 面块之间的拓扑关系

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拓扑属性与非拓扑属性
拓扑属性: 拓扑属性:用于描述了两个对象之间的拓扑关 Relation)。 系(Topological Relation)。 一个点在一个弧段的端点 一个点在一个区域的边界上 拓扑属性 一个点在一个区域的内部 一个点在一个区域的外部 一个点在一个环的内部 ……
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LIS

图4-4 点、线、面之间的空间关系
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两点之间的距离 弧段的长度 非拓扑属性 一个区域的周长 一个区域的面积 ……

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拓扑结构的基本元素 拓扑结构的基本元素 结构
①拓扑弧段(arc) 拓扑弧段(arc)
该弧段中间不与其 它线段存在联系

②结点(node) 结点(node) (node
拓扑弧段的两个 端点,分别为首 结点、尾结点

③多边形(poly) 多边形(poly)
由数条拓扑弧段 连接而成
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拓扑关联

拓扑关系的类型

拓扑邻接 拓扑包含

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(1)拓扑关联性 表示空间图形中不同类型元素,如结点、 弧段及多边形之间的拓扑关系。 优点:每条弧段所包含的坐标点只需存储一次,如果不 优点: 考虑关联性而以每个多边形的全部封闭弧段的坐标点来 存储数据,不仅数据量大,还无法反映空间关系。

图4-5 图形的拓扑关联性

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(2)拓扑邻接性 表示图形中同类 (2) 元素之间的拓扑关系。如多边形 之间的邻接性,弧段之间的邻接 性以及结点之间的邻接性(连通 性)。 表4-1 多边形之间的邻接性

(a)

(b)

(c)

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表4-2 弧段和结点之间的关系表

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(a) (b)

表4-3 弧段之间的邻接性及结点之间的连通性

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(3)拓扑包含性 表示空间图形中,面状实体所 (3) 包含的其它面状实体或线状、点状实体的关系。 包含关系分简单包含、多层包含和等价包含三 种形式。

图4-6 面状实体之间的包含关系
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拓扑关系的关联表达 (1)全显式表达

指采用什么样的拓扑 关联来表达空间位置 数据之间的关系。

全显式表达不仅明确表示多边形->弧段 多边形多边形 ->点之间拓扑关系,同时还明显表达点-> 点 弧段- 多边形 弧段->多边形之间的关系。

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表4-6 结点—弧段 的拓扑关联表

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LIS 图4-7 地块图
表4-4 多边形—弧 段的拓扑关联表 表4-5 弧段—结点 的拓扑关联表 表4-7 弧段—多边 形的拓扑关联表

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(2)半隐式表达

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LIS

表4-8 ARC/INFO 中弧段数据结构

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拓扑关系的9 拓扑关系的9元组描述

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LIS

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LIS
注:交集为空用“I”表示,非空用“-I”表示。 交集为空用“ 表示,非空用“ 表示。 表示 表示

图4-8 8种拓扑关系
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空间数据采用拓扑关系的意义
(1) 根据拓扑关系,不需要利用坐标或距离,就可以 确定一种地理实体相对于另一种地理实体的空间位置 关系。 (2) 利用拓扑数据有利于空间要素的分析和查询。例 如判别某区域与那些区域邻接;某条河流能为那些居 民区提供水源,某行政区域包括那些土地利用类型等 等。 (3) 可以利用拓扑数据作为工具,重建地理实体。例 如实现道路的选取,进行最佳路径的设计等。
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4.1.3 矢量 矢量(vector)数据结构 数据结构
矢量:数学上称有大小和方向的量为 矢量 矢量;在计算机图形学中,相邻结点间 的弧段长度表示大小,弧段两端点的顺 序表示方向,此即是矢量;

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矢量数据的表示:通过记录坐标的方 矢量数据的表示

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式来精确表示点、线、面等地理实体。
–点(point):用一对(x, 点(point):用一对( y)表示; y)表示; 表示 –线(line, polyline): 线 polyline): 用一串(x1 用一串(x1 , y1), ,y2),…(xn yn)表 (x2 ,y2), (xn , yn)表 示; –面(polygon):由一串或 面 几串有序的且首尾坐标相 同的x 同的x、y坐标对表示。
Point
(X,Y) (X2,Y2)

(X4,Y4)

Line

(X3,Y3) (X1,Y1) (X1,Y1) (X5,Y5)

(X2,Y2)

Polygon
(X5,Y5) (X3,Y3) (X4,Y4)

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矢量数据的获取方式
1)由外业测量获得 可利用测量仪器自动记录测量成果,然后转 到空间数据库中。 2)由栅格数据转换获得 利用栅格数据矢量化技术,把栅格数据转换 为矢量数据。 3)跟踪数字化 用跟踪数字化的方法,把地图变成离散的矢 量数据。
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LIS

矢量数据结构
LIS中 矢量数据表示时应考虑以下问题 应考虑以下问题: 在LIS中,矢量数据表示时应考虑以下问题: ① 矢量数据自身的存贮和处理。 ② 与属性数据的联系。 ③ 矢量数据之间的空间关系(拓扑关系)。 矢量数据结构按其是否明确表示各地理实体的 矢量数据结构按其是否明确表示各地理实体的 空间相互关系可分为两大类 可分为两大类: 空间相互关系可分为两大类: 简单数据结构 拓扑数据结构
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1、简单数据结构:只记录空间对象的位置坐标和属 、简单数据结构:
性信息,不记录拓扑关系。 性信息,不记录拓扑关系。

编码方法有三种:
面条结构( 面条结构(Spaghetti Model)——最典型 ) 最典型

点位字典结构( 点位字典结构(Point Dictionary Model) )

点位字典结构( 链/点位字典结构(Chain/Point Dictionary Model) 点位字典结构 )

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面条结构:每个点、 面条结构:每个点、线、面目标都直接跟随它的空间坐 标,即 ?点目标:唯一标识码,地物编码,(X,Y) ?线目标:唯一标识码,地物编码,(X1,Y1…Xn,Yn) ?面目标:唯一标识码,地物编码, (X1,Y1…Xn,Yn,X1,Y1)

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点位字典结构:点坐标作为一个文件, 点位字典结构 点坐标作为一个文件,点、线和多边 点坐标作为一个文件 形由点号组成, 形由点号组成,即 点位字典:点号、(X,Y) ?点目标:唯一标识码,地物编码,点号 ?线目标:唯一标识码,地物编码,(点号1…点号n) ?面目标:唯一标识码,地物编码,(点号1…点号n, 点号1)

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点位字典结构: 链/点位字典结构: 点位字典结构
多边形码 P1 4 C1 2 3 5 P2 11 链码 C1 C2 C3 点码 7,1,2,3,4,5 7 1 2 3 4 5 5,6,7 5,11,10,9,8,7 C1 C2 链码 C2 C3

6 P2 10 P1 C2 9 C3 7 8

1

点码 1 2 11


点坐标 (x1,y1) (x2,y2) (x11,y11)

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简单数据结构的特点: 简单数据结构的特点:
①数据按点、线和多边形为单元进行组织,结构简单、 直观,编码容易。 ②每个多边形都以闭合线段存储,多边形之间的公共边 界被数字化两次和存储两次,造成数据冗余。 ③点、线和多边形有各自的坐标数据和属性数据,但没 有拓扑数据,互相之间不关联,空间分析非常困难。 ④岛只作为一个单个图形,没有与外界多边形的联系。

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2、拓扑数据结构:不仅表达几何位置和属性信息,还 、拓扑数据结构:不仅表达几何位置和属性信息,

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表示空间关系(拓扑关系)。 表示空间关系(拓扑关系)。

拓扑型数据结构由弧段 坐标 文件、结点文件和 拓扑型数据结构由弧段(坐标 文件、结点文件和 弧段 坐标)文件 多边形文件等一系列含拓扑关系的数据文件组成 等一系列含拓扑关系的数据文件组成. 多边形文件等一系列含拓扑关系的数据文件组成
– 结点文件由结点记录组成,存贮每个结点的结点号、 结点坐标及与该结点连接的弧段等; – 弧段坐标文件存贮组成弧段的点的坐标; – 弧段文件由弧记录组成,存贮弧段的起止结点号和 左右多边形号; – 多边形文件由多边形记录组成,存贮多边形号、组 成多边形的弧段号以及多边形的周长、面积、中心 点坐标。
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在拓扑数据结构中,较著名的是: 在拓扑数据结构中,较著名的是: ①美国人口调查局的DIME模型(Dual Independent Map Encoding——双重独立地图 编码模型) ②美国计算机图形及空间分析实验室研制的 POLYVRT模型(Polygon Converter——多边形转 换器) 。

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DIME模型: 模型: 模型

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DIME是美国人口调查局在人口调查的基础上发展起来的, DIME是美国人口调查局在人口调查的基础上发展起来的, 是美国人口调查局在人口调查的基础上发展起来的 线段为基本单元来描述多边形 边界、 为基本单元来描述多边形、 以线段为基本单元来描述多边形、边界、节点之间的拓扑 关系,DIME编码是其它拓扑编码结构的基础。 编码是其它拓扑编码结构的基础 关系,DIME编码是其它拓扑编码结构的基础。
P0 4
L2 L4

结点文件
5
L5 L6 L1
2

11
L1
1

3

L3

点码 1 2


点坐标 (x1,y1) (x2,y2) (x11,y11)

6 P2
L9

2
L1

P1

90

L1

10

1

L7

7 L8

8

11

多边形文件
面码 P1 P2 段码 L1 ,L2…,L7 L5 ,L6…,L12

弧段文件
段码 L1 L2 L11


起点 1 2 10

终点 2 3 11

左区 P0 P0 P2

右区 P1 P1 P0

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POLYVRT模型:数据结构的基本元素称“弧段”或“链 模型 数据结构的基本元素称“弧段”
段”,是当今各种空间数据结构的基本框架。 是当今各种空间数据结构的基本框架。

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DIME与POLYVRT的比较: 与 的比较: 的比较
区别: 区别:数据结构的基本单元不同,DIME模型是以两个数据 点之间的边界(拓扑模型中一般称为“段”—Segment) 为关系描述和记录的基本单元;而POLYVRT模型则以两个 结点之间的一段边(拓扑模型中一般称为“链”—Chain) 为基本单元,从而压缩数据量,提高系统的运行速度和效 率。 共同点: 共同点:二者都是以线性要素(段或链)作为存储记录结 点之间、链间以及多边形间相互关系的基本单元。
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拓扑数据结构的特点: 拓扑数据结构的特点: ① 数据存储冗余较小; ② 数据中保存了空间实体的拓扑关系; ③ 方便了空间关系的查询; ④ 能确保空间数据的一致性; ⑤ 数据更新时,要重新计算空间数据的拓 扑关系。

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3、简单型与拓扑型数据结构比较 、
? 两者都是目前最常用的数据结构
简单型代表软件为MapInfo 拓扑型代表软件为ArcInfo(ArcGIS Workstation)

? 它们各具特色: 它们各具特色:
简单型虽然会产生数据冗余和不一致,但易于 编辑。 拓扑型消除了数据的冗余和不一致,但操作复 杂。
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4.1.4 栅格 栅格(Raster)数据结构 数据结构
栅格数据的表示
栅格结构用密集的网格基 栅格结构用密集的网格基 本单元将地理区域 划分为网 将地理区域划分 本单元 将地理区域 划分 为网 格阵列。 位置由行、 格阵列 。 位置由行 、 列号定 属性为栅格单元的值。 义,属性为栅格单元的值。 点:由单个栅格表达。 单个栅格表达。 表达 线:由沿线走向有相同属性 一组相邻栅格表达 取值的一组相邻栅格表达。 取值的一组相邻栅格表达。 面:由沿线走向有相同属性 取值的一片栅格表达。 一片栅格表达 取值的一片栅格表达。
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栅格化

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网格基本单元可以三角形、方格和六角形来划分, 通常采用固定大小的正方形。空间实体就按其在 网格中什么行、什么列、取什么值来表示。 基本单元的大小代表了栅格地图空间数据的分辨 率。

图4-9 三角形、方格和六角形划分
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图4-10 兴国潋水河流域土壤全氮含量

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图4-11 栅格数据逼近的土地利用图
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栅格数据的获取

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1)来自于遥感数据 1)来自于遥感数据 通过遥感手段获得的数字图像就是一种栅格数据。 通过遥感手段获得的数字图像就是一种栅格数据。 2)来自于对图片的扫描 2)来自于对图片的扫描 通过扫描仪对地图或其它图件的扫描, 通过扫描仪对地图或其它图件的扫描,可把资料 转换为栅格形式的数据。 转换为栅格形式的数据。 3)由矢量数据转换而来 3)由矢量数据转换而来 通过运用矢量数据栅格化技术, 通过运用矢量数据栅格化技术,把矢量数据转换 成栅格数据。 成栅格数据。 4)由手工方法获取 4)由手工方法获取 在专题图上均匀划分网格,逐个网格地确定其属 在专题图上均匀划分网格,逐个网格地确定其属 性代码的值 最后形成栅格数据文件。 的值, 性代码的值,最后形成栅格数据文件。
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栅格属性代码的确定方法: 栅格属性代码的确定方法:
中心归属法——由栅格中心所在面域属性定 由栅格中心所在面域属性定; (1)中心归属法 由栅格中心所在面域属性定 (2)长度占优法——由最长线实体属性定; 长度占优法 由最长线实体属性定; 由最长线实体属性定 面积占优法——由面积最大实体属性定; 由面积最大实体属性定; (3)面积占优法 由面积最大实体属性定 重要性法——选最重要的地物类型。 选最重要的地物类型。 (4)重要性法 选最重要的地物类型

图4-12 栅格代码的确定
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栅格数据结构
根据压缩栅格数据存贮量的编码 方式的不同,介绍三类基本的栅格 方式的不同,介绍三类基本的栅格 数据结构: 数据结构:
直接栅格编码 游程长度编码 四叉树结构
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直接栅格编码法: 直接栅格编码法:
直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵,逐行 (或逐列)逐个记录代码,可以每行从左到右逐像元记录, 也可奇数行从左到右而偶数行由右向左记录,为了特定的 目的还可采用其他特殊的顺序。
A A A B B B B B C C B B B B C B B B B A A A A A B A A A A B A B B B B B B B B B B C C C C C C C C C C

A A A

A A A A

A A A A A A

A A A A B B B B

A A A B B B B B

A A A B C C C A

B A A C C C C A

B B B C C C A A

B B B C C A A A

B B B B C A A A

B B B B A A A A

优点: 优点:编码简单,信息无压缩、无丢失。 缺点: 缺点:数据量大。
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游程长度编码法: 游程长度编码法:
方案1 只在各行(或列) 方案1:只在各行(或列)数据的 代码发生变化时依次记录该代码以 及相同代码重复的个数; 及相同代码重复的个数; 沿行方向进行编码: 沿行方向进行编码: (A,3),(B,5); (A,4),(B,4); (A,4),(B,4); (A,1),(B,2),(C,3),(B,2) ; (B,2),(C,5),(A,1) ; (B,2),(C,3),(A,3) ; (B,2),(C,2),(A,4) ; (B,2),(A,6).
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A A A A B B B B

A A A B B B B B

A A A B C C C A

B A A C C C C A

B B B C C C A A

B B B C C A A A

B B B B C A A A

B B B B A A A A

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游程长度编码法(续 : 游程长度编码法 续):
方案2 逐个记录各行(或列) 方案2:逐个记录各行(或列)代 码发生变化的位置和相应代码。 码发生变化的位置和相应代码。 沿行方向进行编码: 沿行方向进行编码: (1,A), (4, B); (1,A), (5,B); (1,A), (5,B); (1,A), (2,B), (4, C), (7,B) ; (1,B), (3,C), (8,A) ; (1,B), (3,C), (6,A) ; (1,B), (3,C), (5,A) ; (1,B), (3,A).
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A A A A B B B B

A A A B B B B B

A A A B C C C A

B A A C C C C A

B B B C C C A A

B B B C C A A A

B B B B C A A A

B B B B A A A A

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游程长度编码法(续 : 游程长度编码法 续): 特点: 特点:
属性的变化愈少,行程愈长,压缩比例越大, 属性的变化愈少,行程愈长,压缩比例越大, 即压缩比的大小与图的复杂程度成反比

优点: 优点:

压缩效率高(保证原始信息不丢失);易于检 压缩效率高(保证原始信息不丢失);易于检 ); 叠加、 索、叠加、合并操作 只顾及单行单列, 只顾及单行单列,没有考虑周围的其他方向的 代码值是否相同, 代码值是否相同,压缩受到一定限制

缺点: 缺点:

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四叉树编码: 四叉树编码: 四叉树编码的基本思想: 四叉树编码的基本思想:
先把地图看成是一个正方形的单元, ①先把地图看成是一个正方形的单元,如果该单元 内有不同性质的多边形, 内有不同性质的多边形,则将单元分成四个大小相 同的二级单元, 同的二级单元,然后再分别判断这四个二级单元中 是否还有不同性质的多边形; 是否还有不同性质的多边形; 若其中某个二级单元中有不同性质的多边形, ②若其中某个二级单元中有不同性质的多边形,则 再划分成四个大小相同的三级单元; 再划分成四个大小相同的三级单元; 这种逐级一分为四的方法, ③这种逐级一分为四的方法,一直分到单元内无不 同性质的多边形为止。 同性质的多边形为止。
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用四叉树表示一个多边形
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(a)栅格数据

(b)四叉树编码

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A A A A B B B B

A A A B B B B B

A A A B

B A A

B B B

B B B

B B B

B B B B A A A
A A

A

B A A C B C C

A
A B

A A B

B
B

B B
C C A C A A A

C C C B A A A

C C C C C A C C C A C C A A A A A A

B
C

C
C

C

B
A A

A

A

A

B B

B BBCC

B C B

A A

ABAA AAAB AABC

CCAA CCCA CAAA
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三种编码方式的比较: 三种编码方式的比较: 直接栅格编码: 直接栅格编码:简单直观,是压缩编码方法的逻 辑原型; 游程长度编码: 游程长度编码:在很大程度上压缩数据,又最大 限度的保留了原始栅格结构,编码解码十分容易, 十分适合于微机土地信息系统采用; 四叉树编码: 四叉树编码:具有区域性质,又具有可变的分辨 率,有较高的压缩效率,四叉树编码可以直接进 行大量图形图象运算,效率较高,是很有前途的 编码方法。
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4.1.5矢量数据结构和栅格数据结构比较 矢量数据结构和栅格数据结构比较 土 地 信 息 系 统
LIS 矢量和栅格数据是两种表示土地信息的方法,前者的显 矢量和栅格数据是两种表示土地信息的方法,前者的显 著特点是位置明显,属性隐含,而后者的显著特点 显著特点是 著特点是位置明显,属性隐含,而后者的显著特点是属性 明显,位置隐含。两者各有自己的优缺点: 明显,位置隐含。两者各有自己的优缺点:

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4.2 土地信息系统空间数据库
数据库的应用领域相当广泛,从一般事务处理, 到各种专门化数据的存储与管理,都可以建立不同 类型的数据库。建立数据库不仅仅是为了保存数据 ,扩展人的记忆,而主要是为了帮助人们去管理 管理和 管理 控制与这些数据相关联的事物 与这些数据相关联的事物。 控制与这些数据相关联的事物 土地信息系统中的土地数据库就是为了帮助人 土地数据库 土地数据库 们去管理和控制与这些土地数据相关联的土地,由 于这类数据库具有明显的空间特征,一般把它称为 空间数据库。 空间数据库
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空间数据库在LIS中的地位与作用: :
空间数据库花费的时间要占整个系统建设所花 时间的85%以上。 85%以上 时间的85%以上。 空间数据库的布局和存取能力对LIS功能的实 空间数据库的布局和存取能力对LIS功能的实 LIS 现和工作的效率影响极大。 现和工作的效率影响极大。 贮存于空间数据库中的空间数据和属性数据是 土地信息系统的基础。 土地信息系统的基础。

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内容提要
数据库概述 空间数据库的数据模型 空间数据库设计 数据库管理系统 数据库系统的运行与保护
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4.2.1 数据库概述
数据库相关概念
通常,数据库 数据库系统 数据库是数据库系统 数据库 数据库系统的简称。一个完整的数据库 系统应该包括数据库、数据库管理系统(DBMS)和数据库应 用系统三个组成部分。 数据库 是按照一定结构组织的相关数据的集合,是在 计算机存储设备上合理存放的相互关联的数据集。 数据库管理系统 是提供数据库建立、使用和管理工具 的软件系统。 数据库应用系统 是为了满足特定的用户数据处理需求 而建立起来的,具有数据库访问功能的应用软件,它提供 给用户一个访问和操作特定数据库的用户界面。
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空间数据库相关概念: 空间数据库相关概念:
空间数据库系统 空间数据库系统 空间数据库 空间数据库 空间数据库管理系统 空间数据库管理系统 是指能够对存储的土地空 间数据进行语义和逻辑的 定义, 定义,提供必需的空间数 据查询、检索和存取功能, 据查询、检索和存取功能, 以及能够对空间数据进行 有效的维护和更新的一套 软件系统。 软件系统。 具有查询、检索、 具有查询、检索、 存取等功能 空间数据库应用系统 空间数据库应用系统 是由土地息系统 的空间分析模型 和应用模型所组 成的软件。 成的软件。

是在计算机物理 存储介质上存储 的、与应用相关 的土地空间数据 的集合。 的集合。

…… ……

管理、分析、 管理、分析、 决策……

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数据库的特征
一般数据库具有以下主要特征: 一般数据库具有以下主要特征: 数据集中控制(统一控制维护管理,方便共享) 数据集中控制 数据冗余度小(冗余的缺点:一是增加了存 数据冗余度小 储空间;二是易出现数据不一致) 数据独立(数据与应用程序相互独立) 数据独立 复杂的数据模型 数据保护(安全性控制、完整性控制、并发 数据保护 控制、故障的发现和恢复)
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空间数据库与一般数据库相比,具有以下特点: 空间数据库与一般数据库相比,具有以下特点:
①数据量特别大 数据量特别大。地理系统是一个复杂的综合体, 数据量特别大 要用数据来描述各种土地要素,尤其是要素的空 间位置,其数据量往往很大。 ②不仅有地理要素的属性数据,还有大量的空间 有大量的空间 数据,且这两种数据之间具有不可分割的联系。 数据 ③数据应用广泛 数据应用广泛。例如地理研究、环境保护、土 数据应用广泛 地利用与规划、资源开发、生态环境、市政管理、 道路建设等。
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数据库系统的结构
从数据库管理系统的角度看,数据库系统通常采用三级模 式结构:面向用户或应用程序员的用户级 用户级、面向建立和维护 用户级 数据库人员的概念级 概念级、面向系统程序员的物理级 物理级。 概念级 物理级 ?外模式 外模式:也称子模式 用户模式 子模式或用户模式 用户级,是数据库 外模式 子模式 用户模式,对应于用户级 用户级 用户看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述,是数 据库用户的数据视图。 ?概念模式 概念模式:又称逻辑模式 逻辑模式,对应 用户视图 概念模式 逻辑模式 于概念级 概念级,是数据库中全体数据 概念级 的逻辑结构和特征的描述,是所 DBA视图 有用户的公共数据视图。 ?内模式 内模式:也称存储模式 存储模式,对应于 内模式 存储模式 物理级,是数据物理结构和存储 物理级 方式的描述,是数据在数据库内 部的表示方式。
内部视图

图4-13 数据库系统的结构 69

三级模式间存在两次映射: 三级模式间存在两次映射:

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?外模式/概念模式映射:它定义了该外模 外模式/概念模式映射 外模式 式与概念模式之间的对应关系。当概念模式 改变时,由数据库管理员对各个外模式/概
外模式 映 念模式的映射作相应改变,可以使外模式保 逻辑独立性 射 概念模式 映 物理独立性 射 模式

持不变,从而应用程序不必修改,保证了数 数 据的逻辑独立性。 据的逻辑独立性 ?概念模式/内模式映射:它定义了数据全 概念模式/内模式映射 概念模式 局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。当 数据库的存储结构改变了,由数据库管理员 对概念模式/内模式映射作相应改变,可以

使概念模式保持不变,从而保证了数据的物 数据的物 理独立性。 理独立性
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4.2.2 空间数据库的数据模型
数据模型是对现实世界部分现象的抽象, 数据模型是对现实世界部分现象的抽象,是数据库中对 是对现实世界部分现象的抽象 数据内容和数据间联系的逻辑组织形式的描述。 数据内容和数据间联系的逻辑组织形式的描述。 现有的数据库都是基于某种数据模型来实现其数据组织 功能,数据模型一般地具有两种描述功能: 功能,数据模型一般地具有两种描述功能: ①数据内容的描述; 数据内容的描述; ②数据间联系的描述。 数据间联系的描述。 数据模型应满足三个条件: 数据模型应满足三个条件: ①能真实地模拟现实世界; 能真实地模拟现实世界; ②人们容易理解; 人们容易理解; ③便于在计算机上实现。 便于在计算机上实现。
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目前,数据库领域最常用的数据模型有五种: 目前,数据库领域最常用的数据模型有五种:

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层次模型; 网络模型; 关系模型; 面向对象模型; 时空模型。
新兴数据模型 传统数据模型

根据使用的模型,可以把数据库分成: 根据使用的模型,可以把数据库分成:层次型数据库、 网络型数据库、关系型数据库、面向对象数据库和时 空数据库。
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在数据模型中常用到以下概念: 在数据模型中常用到以下概念:
?实体:是可以相互区别而又可以被人识别的事、物、 实体: 实体 概念的统称,有具体的,也有抽象的;有物理上存 在的,也有概念性的; ?属性:实体的属性是指描述实体的若干特征; 属性: 属性 ?联系:是指实体与实体之间之间的关系 ,可区分 联系: 关系 联系 为一对一(1:1)、一对多(1:M)、多对多 (M:N)等类型。联系也可以有自己的属性; ?码:唯一标识实体的属性集; 码 ?域:属性的取值范围。 域
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班级 1 领导 1 班长

班级 1 组成 m 学生

课程 n 选修 m 学生

(a)1:1联系

(b)1:m联系

(c)n:m联系

图4-14 班级、学生和课程之间的联系
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1. 层次模型 层次模型——树结构 树结构

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层次模型的结构: 层次模型的结构
用树结构 树结构来表示实体之间联系的模型,树中的每个 树结构 结点代表一种实体类型。揭示的是实体之间一对多 一对多的 一对多 联系。通常把表示1的实体放在上方,称为“父结点 父结点”; 父结点 而将表示n的实体放在下方,称为“子结点 子结点”,最上层 子结点 只能有一个结点,称为根结点 根结点,最下层的末端结点称 根结点 为叶结点 叶结点。 叶结点

图4-15 地图Map及其层次模型表达

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层次模型的两个限制条件: 层次模型的两个限制条件 ①有且仅有一个结点无父节点,这个结点称为 根结点; ②除根节点外,其他的结点都有且仅有一个父 节点。 层次模型的特点: 层次模型的特点: 层次模型的优点是容易理解,单码查找速度 快,易于更新和扩充;但会产生数据冗余,且 难以顾及实体元素间的拓扑关系,给拓扑查询 带来困难,也不能直接表示实体之间多对多 (m:n)的联系。
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林地

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LIS 天然林 人工林 经 济 林 竹 林 特 用 林 …… 用 材 林 有林地 … … 灌木林地 疏林地
未成林地

苗圃

图4-16 层次模型示例
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2. 网络模型 网络模型——网络结构 网络结构

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网络模型的结构: 网络模型的结构 用网络结构 网络结构来表示实体间联系的模型,每个结 网络结构 点依然表示数据库中的一个实体类型。可以表示 实体之间多对多 多对多的关系。 多对多

图4-17 地图Map的网络模型表达
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网络模型与层次模型的区别: 网络模型与层次模型的区别
(1)可以有零个或多个结点无父结点 (2)至少有一个结点有多于一个父结点 (3)允许两个结点之间有两种或多种联系

网络模型的特点: 网络模型的特点:
网状模型可表示多对多的关系,其数据存储效 率较高,数据冗余也较小,适合于表示关系较复 杂的地理数据和具有网络状特征的地理实体,但 网状模型的结构复杂,数据更新也较为繁琐。
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学生甲

北 京 西 安 广 州 上 海

(a)
学生乙 学生丙 学生丁

课程1

课程2

课程3

课程4

(b) 图4-18 网状模型示例
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3. 关系模型 关系模型——二维表结构 二维表结构
关系模型的结构: 关系模型的结构: 关系模型是用二维表结构 二维表结构来表示实体和实体间 二维表结构 联系的模型。 关系模型中,每个关系应满足下列条件: 关系模型中,每个关系应满足下列条件: (1)表中的每一列属性都是不能再分的基本字 段; (2)各列被指定一个相异的名字; (3)各行(记录)相异,不允许重复; (4)行、列次序无关。
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表4-9 关系1:多边形边界关系表

表4-10 关系2:边界数据结构表

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表4-11 关系3:结点坐标关系表

LIS

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关系模型的特点: 关系模型的特点: 优点: 优点:可利用数据本身的公共值隐含地表达 实体之间的联系,结构简单灵活、数据修改 和更新方便、容易维护和理解,是当前数据 库中最常用的数据模型。 不足之处: 不足之处:难以处理空间数据库涉及的复杂 目标,管理较为复杂,查找速度与网状和层 次模型相比也要慢一些。
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4. 传统数据库系统管理土地空间数据 的局限性
?(1)传统数据库系统管理的是不连续的、相关性较小的数 字和字符;而土地数据库中的数据是连续 连续的,并且具有很 连续 强的空间相关性 空间相关性。 空间相关性 ?(2)传统数据库系统管理的实体类型 实体类型较少;而土地数据库 实体类型 的实体类型繁多,实体类型之间存在着复杂的空间关系, 并且还能产生新的关系(如拓扑关系)。 ?(3)传统数据库系统存贮的数据通常为等长记录 等长记录的数据; 等长记录 而土地数据通常由于不同空间目标的坐标串长度不定,具 有变长记录 变长记录,并且数据项也可能很大,很复杂。 变长记录 ?(4)传统数据库系统只操纵和查询文字和数字信息;而土 地数据库中需要有大量的空间数据操作和查询 空间数据操作和查询,如相邻、 空间数据操作和查询 连通、包含、叠加等。
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可有效表达图形与属性数据 5. 面向对象模型——可有效表达图形与属性数据

面向对象模型的涵义: 面向对象模型的涵义:
面向对象是指无论怎样复杂的事物都可以准确地由 一个对象表示,每个对象都有自己的特征和行为, 对象的特征 数据 特征用数据 数据来表示;对象的行为 行为用改变对象 状态的操作 操作来实现。 操作 面向对象模型是将现实世界的实体都抽象成对象, 然后进行分类 概括,以人们认识问题的自然方式 分类和概括 将所有的对象构建成一个分层结构,来描述问题领 域中各实体之间的相互关系和相互作用,从而建立 起的一个比较完整的结构模型。
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LIS中的面向对象模型: LIS中的面向对象模型: 中的面向对象模型
?在LIS面向对象数据结构中,通常可以把空间数据抽象为 点、线和面三种简单的地物类型,作为三种简单对象: ?点状地物 点状地物:如车站、水井等。具有标识号、编码、定位 点状地物 点坐标等数据项,并且有显示、增加、删除、修改等操 作。 ?线状地物 线状地物:如道路、河流等。线装地物由一条或多条弧 线状地物 段组成。具有标识号、编码、组成线状地物的弧段等数 据项和显示、增加、删除、修改等操作。 ?面状地物 面状地物:如湖泊、街区等。由一条或多条弧段构成, 面状地物 除了具有标识号、编码、弧段串等数据项外,还常常含 有面的内点坐标、面的坐标,甚至面状地物的外接矩形 的坐标等。并且有显示、增加、删除、修改等操作。
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图4-25 LIS中的面向对象模型
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4.2.3 空间数据库设计 空间数据库设计
1. 概述
空间数据库的设计问题,其实质是将空间客体以 一定的组织形式在数据库系统中加以表达的过程, 也就是LIS中空间客体数据的模型化问题。 这一问题首先是把现实世界抽象成概念模型,然 后转变为描述事物的形式逻辑模型,再转换成计算 机硬件可以接受的物理模型。

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数据库设计的整个过程包括以下几个典型步 骤,即概念设计、逻辑设计和物理设计。

图4-26 数据库设计的步骤
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2. 空间数据库设计的原则
?①尽量减少空间数据存储冗余; ?②提供稳定的空间数据结构; ?③满足用户对空间数据及时访问的需求,高效 提供用户所需的空间数据查询结果; ?④在空间元素间维持复杂的联系,反映空间数 据的复杂性; ?⑤支持多种决策需要,具有较强的应用适应性.
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3. 空间数据库设计的内容
系统需求分析 概念设计 逻辑设计 物理设计 需求说明书 E-R模型 逻辑数据库结构 物理数据库结构

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(1)系统需求分析

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是整个空间数据库设计与建立的基础,主要进行以下工 作: ①调查用户需求:了解用户特点和要求,取得设计者 与用户对需求的一致看法。 ②需求数据的收集和分析:包括信息需求(信息内容、 特征、需要存储的数据)、信息加工处理要求(如响应时 间)、完整性与安全性要求等。 ③编制用户需求说明书:包括需求分析的目标、任务、 具体需求说明、系统功能与性能、运行环境等,是需求 分析的最终成果。
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(2)概念设计
是将需求说明书中关于数据的需求,综合为一个独立 于计算机的反映用户观点的概念模型。表示概念模型 的最有力的工具是实体-联系模型。 实体-联系模型,即E-R模型,是1976年美籍华人 陈平山提出来的,当时是作为一种区别于层次、网 状、关系模型而提出来的新的数据模型。这种方法 面向现实世界,把管理系统所要描述的问题划分为 单个的实体,通过实体间的联系而有效、自然地模 拟现实世界。E-R模型包括实体、联系和属性三个 基本成分。
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①概念设计的一般步骤: 概念设计的一般步骤
首先根据单个应用的需求,用实体—联系模型画出 能反映每一应用需求的局部E-R模型。然后把这些 E-R模型图合并起来,消除冗余和可能存在的矛盾, 得出系统的总体E-R模型。图4-28是用E-R模型画 出的土地面积量算信息系统数据库的部分实体与联 系的局部E-R模型图。图中矩形框、菱形框和椭圆 形框分别表示实体、联系和属性。
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学生

学生选课

课程

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N
学号 姓名 性别 年龄 成绩

M
课程号 课程名 学分

(a) )

(b) )
图4-27 用E-R模型表示实体及其联系
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图幅理论面积

控制 控制
图斑 毛面积 净面积 (a)两个实体间的联系

行政单位块面积 图斑
零星地类 线状地物

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行政单位块面积

图斑号 地类号

(b)实体的属性 行政单位块面积 控制 面积 (c)联系的属性 图斑

图4-28 用E-R模型表示实体或联系的属性
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②用E-R模型建立概念模型的具体步骤 R模型建立概念模型的具体步骤:
下面以高校师生管理信息系统为例,说明用E -R来建立概念模型的具体步骤。
第一步:确定E 模型应含的实体。 第一步:确定E-R模型应含的实体。如前面所指 出的,每一实体可用来代表一类数据的集合。所 以在本例中,可以暂定主要管理对象为模型的第 一批实体,并分别取名为“教师”、“学生”。 (如图)
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第二步:建立系统单项应用的局部E 第二步:建立系统单项应用的局部E-R模型。 模型。 这一步的目标是在实体之间建立所需的联系。通 常的作法是,根据对系统的功能分析首先选出一 至数项有代表性的单项应用,建立起相应的局部 E-R模型。然后在此基础上逐渐扩充,所有实 体之间均建立起应有的联系。
教师 学生 任课 选修 课程 课程
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第三步:将局部E 第三步:将局部E-R模型综合为系统的总体E模型综合为系统的总体E R模型。方法为:先将具有相同实体的两个局部 模型。 E-R模型以该相同实体为基准进行集成;若还有 相同实体的局部E-R模型,则再次集成;这样一 直继续下去,直到所有相同实体的局部E-R模型都 被集成,便可得到全局E-R模型。(如图) 第四步:改进总体E 模型。 第四步:改进总体E-R模型。通过综合得到的初 始模型常常存在不完善的地方,需要进行改进。 一个完善模型应该具有最小的数据冗余。所以这 一步的主要目的就是减少冗余,尽可能避免数据 的重复存贮。
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图4-29 高校师生管理信息系统的总体结构
100

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图4-30 土地面积量算信息系统的总体结构

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(3)逻辑设计 )
逻辑设计是在概念设计的基础上,按照不同的 转换规则将前一步得出的概念模型转换为具体 DBMS支持的数据模型的过程,包括确定数据项、 记录及记录间的联系、安全性、完整性和一致性 约束等。由于VFP和大多数其它数据库只支持关系 关系 数据模型,所以这里仅讨论怎样把概念模型转变 数据模型 为数据库的关系模式。

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E-R模型向关系模式的转换: 模型向关系模式的转换: 在关系型数据库中,每一数据库文件表示 为一个关系。从E-R模型转换为关系模式, 就是将E-R模型中的所有实体和联系都会改 用关系来表示。

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模型向关系模型转换的主要过程: E-R模型向关系模型转换的主要过程:

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? 下面仍以某高校师生管理信息系统的E-R图为例, 说明用E-R图向关系模型转换的主要过程:

104

①把每一实体转换为一个关系

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首先分析实体的属性集,从中找出关系的主键(主键是 关系数据库中可用于唯一地识别任何记录的字段,主 键将决定其它属性的值,或者说其它属性对主键存在 依赖的关系),然后用关系式来表示实体。 例:实体转换为关系 各实体对应的关系如下: 系(系号、系名、系主任); 教师(工号、姓名、职称); 学生(学号、姓名、年龄、性别); 项目(项目号、项目名称、负责人); 课程(课程号、课程名、学分);
105

②每一联系也转换成关系

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联系的转换比较复杂。例如在E-R模型中,有的联系不带 属性,有的联系可能带一个或者多个属性。在转换成关 系时,在关系的属性集中一般应包括: a.联系本身的属性 b.由它所联系的各个实体的主键 例:联系转换为关系 教师(主键为“工号”) 项目(主键为“项目号”) 联系:参加(属性为“排名”) 对应的关系:参加(工号,项目号,排名)

③转换结果的改进
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(4)物理设计 )
物理设计是指有效地将空间数据库的逻辑结构在物 理存储器上实现,确定数据在介质上的物理存储结构, 其结果是导出空间数据库的存储模式 存储模式(内模式)。主要 存储模式 内容包括确定记录存储格式,选择文件存储结构,决 内容 定存取路径,分配存储空间。 物理设计的好坏将对土地数据库的性能影响很大, 一个好的物理存储结构必须满足两个条件: ①土地数据占有较小的存储空间; ②对数据库的操作具有尽可能高的处理速度。 在完成物理设计后,要进行性能分析和测试。
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物理设计的步骤:
第一步:存储记录格式设计 第二步:存储方法设计
方法:①顺序存储; ②散列存储; ③索引存储; ④聚簇存储(记录的垂直分解、记录的水平分解)

第三步:访问方法设计 第四步:完整性和安全性考虑 第五步:应用设计
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表4-12 字段类型、名称与宽度

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109

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物理设计的性能评价:
确定了数据库的物理结构之后,要对系统的性 能进行评价,重点包括查询响应时间、存储空 间、开销与效率等方面。实际上,往往需要经 过反复测试才能优化物理设计。

物理设计的结果: ——物理设计说明书
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4.2.4 数据库管理系统
数据管理系统(Data Base Manage System) 是管理数据库的核心软件,它建立在操作系统 的基础上,数据库的所有操作(数据库的建立、 使用和维护)都是在DBMS的统一管理和控制下 进行的。

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1.数据库管理系统的基本结构 1.数据库管理系统的基本结构
管理模块 属性数据库管理 覆 盖 运 算 建 立 修 改 结 构 数 据 录 入 编 辑 逻 辑 查 询 提 取 逻 辑 图 操 作 数 字 运 算 统 计 操 作

图形/图像数据库管理 图形 图像数据库管理 数 据 存 储 编 码 解 码 屏 幕 漫 游 统 计 查 询 数 字 变 换 符 号 注 记

图4-31 某LIS数据库管理系统的基本结构
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2.数据库管理系统的功能 2.数据库管理系统的功能
①数据库定义 是通过数据提供的数据描述语言实现的。 描述语言用来定义数据库的逻辑结构、数据库的结构框 架、定义数据项、建立记录类型、定义记录间的联系、 指定安全性控制要求、指定数据完整性控制设备等。 ②数据库通讯 是指数据库系统具备与操作系统的接口处 理,与各种语言的接口以及与远程操作的接口处理等。 ③数据库维护 是指系统应具备对数据库重新定义、数 据重新组织、性能监督和分析以及对数据库整理和发生 故障时恢复运行能力。
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数据库维护包括以下几方面的内容: 数据库维护包括以下几方面的内容: A.改善系统的使用性能; B.数据库受损后的复原; C.用户应用管理; D.拓宽数据库用户的需求。
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4.2.5 数据库系统的运行与保护 土 地 信 息 系 统
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1.数据库系统的运行 1.数据库系统的运行
1)人机交互方式

2)批处理方式
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2.数据库系统安全保护 2.数据库系统安全保护
主要涉及如下三个问题: 主要涉及如下三个问题: A.对用户规定使用权限; B.对数据进行逻辑检查; C.对并发操作要做适当处理。

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第4章思考题: 章思考题:
1.土地空间数据库的特点是什么?它在土地信息系统 中有何作用? 2.空间数据库的概念及其组成部分有哪些? 3.空间数据库设计包括哪些主要步骤? 4.传统的数据库模型有哪三种?它们各自的优缺点是什 么? 5.用E-R模型建立概念模型的具体步骤有哪些? 6.矢量数据和栅格数据如何表示?矢量和栅格数据的显 著特点? 7.什么是游程长度编码的数据结构? 8.四分树编码的基本思想?
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