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第六章 空間數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構,一、空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 二、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構 三、空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構 四、分布式空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),,空間數(shù)據(jù)存儲器,,操作系統(tǒng),,數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),,空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),,系統(tǒng)操作員,空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成,1、空間數(shù)據(jù)庫 空間數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)模型組織、描述 和存儲，具有較小的冗余度，較高的數(shù)據(jù)獨立性和易擴 展性，并可為各種用戶共享。 從應用性質(zhì)上空間數(shù)據(jù)庫可分為基礎地理空間數(shù)據(jù) 庫和專題數(shù)據(jù)庫。,一、空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),基礎地理空間數(shù)據(jù)庫包括： DLG、DEM、DOM、DRG和元數(shù)據(jù)（MD） 專題數(shù)據(jù)庫（TD）包括： 土地利用數(shù)據(jù)、地藉數(shù)據(jù)、規(guī)劃管理數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)等。,（1）基礎地形要素矢量數(shù)據(jù)庫 基礎地形要素矢量數(shù)據(jù)庫含有政區(qū)、居民地、交通與管網(wǎng)、水系及附屬設施、地貌、地名、測量控制點等內(nèi)容。既包括以矢量結(jié)構描述的帶有拓撲關系的空間信息，又包括以關系結(jié)構描述的屬性信息。 （2）數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)庫 數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)庫是定義在X、Y域離散點（規(guī)則或不規(guī)則）的以高程表達地面起伏形態(tài)的數(shù)據(jù)集合。,（3）數(shù)字正射影像庫 具有正射投影的數(shù)字影像的數(shù)據(jù)及其管理軟件的集合。它既可直接應用于國民經(jīng)濟各行業(yè)，又可作為背景從中提取自然地理和社會經(jīng)濟信息，還可用于評價其他測繪數(shù)據(jù)的精度、現(xiàn)勢性和完整性。 （4）數(shù)字柵格地圖庫 數(shù)字柵格地圖數(shù)據(jù)庫的直接產(chǎn)品是數(shù)字柵格地圖，增加簡單現(xiàn)勢信息可用其制作有關數(shù)字或模擬事態(tài)圖。,（5）專題數(shù)據(jù) 土地利用數(shù)據(jù)、地藉數(shù)據(jù)、規(guī)劃管理數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)、水利數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)等。 （6）元數(shù)據(jù)庫 它是描述數(shù)據(jù)庫/子庫和庫中各數(shù)字產(chǎn)品的元數(shù)據(jù)構成的數(shù)據(jù)庫。,2、空間數(shù)據(jù)庫硬件系統(tǒng) （1）空間數(shù)據(jù)輸入輸出設備 設備配置要求能滿足空間數(shù)據(jù)獲取和成果輸出的各種需要。 主要的輸入設備有大幅面掃描儀、小幅面掃描儀、高精度航攝像片掃描儀、數(shù)字像機、GPS接收機等。 輸出設備包括：圖形顯示終端、噴墨繪圖儀、投影儀、激光照排機、打印機、數(shù)據(jù)交換設備等。,（2）空間數(shù)據(jù)處理設備 設備要求有足夠大的內(nèi)存、磁盤、光盤等作數(shù)據(jù)備份；系統(tǒng)有較高的通道能力，以提高數(shù)據(jù)傳送率。它分為服務器、圖形工作站和微機等。 （3）存儲及其他設備 存儲設備：冗余磁盤陣列、雙機熱備份、CD-ROM光盤機、磁帶機和CD-R刻盤機等。 電源設備：在線式不間斷電源、隔離變壓器 機房其他設備：空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng),3、操作系統(tǒng) （1）硬件管理 （2）進程管理 （3）內(nèi)存管理 （4）文件管理 （5）保護 （6）外設管理 （7）網(wǎng)絡控制軟件,4、數(shù)據(jù)字典 數(shù)據(jù)字典也叫數(shù)據(jù)目錄，它是數(shù)據(jù)庫設計與管理的有利工具。對于數(shù)據(jù)資源多，關系復雜和多用戶共享的數(shù)據(jù)庫來說，數(shù)據(jù)字典起著重要的作用。 它的主要內(nèi)容是關于數(shù)據(jù)類型的登記表，給出數(shù)據(jù)的名字、定義、組成和屬性。,5、空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 包括八個基本功能。 （1）空間數(shù)據(jù)定義功能 （2）空間數(shù)據(jù)獲取與處理 （3）空間數(shù)據(jù)的運行管理 （4）空間數(shù)據(jù)操縱功能 （5）數(shù)據(jù)處理和空間關系建立,（6）空間數(shù)據(jù)的檢索 （7）數(shù)據(jù)輸出與符號化 （8）數(shù)據(jù)維護功能,6、空間數(shù)據(jù)庫管理員 負責全面地管理和控制空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。 （1）決定數(shù)據(jù)庫中的信息內(nèi)容和結(jié)構 （2）決定數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構和存取策略 （3）定義數(shù)據(jù)的安全性要求和完整性約束條件,6、空間數(shù)據(jù)庫管理員 （4）監(jiān)控數(shù)據(jù)庫的使用和運行 （5）數(shù)據(jù)庫的改進和重組 （6）數(shù)據(jù)訪問授權 （7）數(shù)據(jù)庫的日常維護 定期備份,二、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構,1、數(shù)據(jù)庫的抽象層次 （1）模型與模式 模型是客觀事物的抽象化形式描述，它是獨立于具體實現(xiàn)方式的。同一個模型可用不同的方式來實現(xiàn)，因此，可把關于模型的具體實現(xiàn)的描述稱為模式，它與所采用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有關。 在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中用數(shù)據(jù)描述語言精確地定義數(shù)據(jù)模型稱為模式，它能為計算機所接受。,（2）子模式 它是用戶與數(shù)據(jù)庫的接口，是用戶看到的并獲準使用的那部分數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構，借此來操作數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。 它接口簡單，使用方便；提供數(shù)據(jù)共享性；孤立數(shù)據(jù)，安全保密。 （3）模式 它是對整個數(shù)據(jù)庫的全局邏輯描述，是對數(shù)據(jù)模型的一種等價處理或具體實現(xiàn)。模式的主體是數(shù)據(jù)模型，模式只能描述數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構，而不涉及具體存取細節(jié)。,（4）模式與子模式之間的關系 所有用戶子模式的最小并集是模式，從模式中可以導出各種子模式。 （5）存儲模式 用來描述數(shù)據(jù)在存儲裝置上的物理配置和組織問題。又稱為內(nèi)模式。,2、映射與數(shù)據(jù)獨立 映射實質(zhì)上是兩個事物之間的對應關系，它包括兩種不同的映射。 子模式/模式映射：定義概念記錄與用戶邏輯記錄之間的對應關系。邏輯獨立性 模式/存儲模式映射：定義概念數(shù)據(jù)庫與物理數(shù)據(jù)庫之間的對應關系。物理數(shù)據(jù)獨立性 用戶數(shù)據(jù)庫是概念數(shù)據(jù)庫的部分抽?。桓拍顢?shù)據(jù)庫是物理數(shù)據(jù)庫的抽象表示；物理數(shù)據(jù)庫是概念數(shù)據(jù)庫的具體實現(xiàn)。,3、數(shù)據(jù)語言 （1）數(shù)據(jù)定義語言 ①模式DDL ②子模式DDL ③物理DDL ④數(shù)據(jù)描述的獨立性問題 （2）數(shù)據(jù)操縱語言 用戶對數(shù)據(jù)提出的各種操作要求，實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的信息交換。,4、應用程序?qū)?shù)據(jù)庫的訪問 應用程序?qū)?shù)據(jù)庫的訪問是根據(jù)數(shù)據(jù)的三級模式由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）來執(zhí)行的。,三、空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構,1、基于文件系統(tǒng)的體系結(jié)構,數(shù)據(jù)庫管理系 統(tǒng)集成環(huán)境,應用程序API,功能模塊參數(shù),運行狀態(tài) 控制信息,數(shù)據(jù)庫運 行日志,緩沖公用區(qū),通信區(qū),空間數(shù)據(jù)庫引擎,,操作系統(tǒng),,數(shù)據(jù)文件,,,,,,（1）文件組織 當數(shù)據(jù)量大時，內(nèi)存無法存儲所有的數(shù)據(jù)。這時，需要基于磁盤的文件系統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和管理。 定長記錄：分配一定數(shù)量的字節(jié)作為文件頭 變長記錄：在每個記錄的末尾附加一個特殊的記錄終止符號，或者在每個記錄的開始處存儲記錄的長度。,聚簇文件組織：在每個文件中存儲兩個或者更多個不同類型的記錄的文件結(jié)構。允許使用一次塊的讀操作來讀取一個實體數(shù)據(jù)，以便提高數(shù)據(jù)查詢效率。 （2）空間數(shù)據(jù)引擎 基于特定的空間數(shù)據(jù)模型，在特定的數(shù)據(jù)存儲、管理系統(tǒng)的基礎上，提供對空間數(shù)據(jù)的存儲、檢索等操作，以提供在此基礎上的二次開發(fā)。 （3）緩沖區(qū)管理 目標是減少磁盤和存儲器之間傳輸?shù)膲K的數(shù)目。負責緩沖區(qū)空間分配的子系統(tǒng)稱為緩沖區(qū)管理器。,2、基于文件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的混合體系結(jié)構,數(shù)據(jù)庫管理系 統(tǒng)集成環(huán)境,應用程序API,通用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),空間數(shù)據(jù)庫引擎,,操作系統(tǒng),,幾何數(shù) 據(jù)文件,,,,,,,操作系統(tǒng),,屬性數(shù) 據(jù)庫,,,3、基于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的體系結(jié)構,數(shù)據(jù)庫管理系 統(tǒng)集成環(huán)境,應用程序API,空間數(shù)據(jù)訪問對象,空間數(shù)據(jù)庫引擎,,,,,操作系統(tǒng),,空間數(shù)據(jù)庫,,,4、空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的集中式體系結(jié)構,,空間數(shù)據(jù)庫,磁盤控制器,外設控制器,存儲控制器,存儲器,CPU,,,,,,,,,,,系統(tǒng)總線,5、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的客戶/服務器體系結(jié)構,（1）主機－終端式網(wǎng)絡 使用大型主機作為服務器，通過終端來訪問數(shù)據(jù)。,（2）工作組網(wǎng)絡 組網(wǎng)容易、維護簡單、使用方便。,（3）客戶/服務器網(wǎng)絡,服務器可以集中管理核心資源，同時客戶機也具有充分的自主控制的能力。,兩層Client/Server體系結(jié)構: 用戶界面層和業(yè)務邏輯層不分開,而數(shù)據(jù)服務層位于服務器端. 三層Client/Server模型: 構建了一種分割式的應用程序,系統(tǒng)對應用程序進行分割后,劃分成不同的邏輯組件,即用戶服務層、業(yè)務處理層、數(shù)據(jù)服務層。,四、分布式空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),空間數(shù)據(jù)一個主要的特征是分布而不是集中，因此分布式的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)最適合于處理空間數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡化有利于充分利用計算機資源，增強協(xié)同處理業(yè)務的能力。 分布數(shù)據(jù)的獨立性、分布式事務的原子性,1、空間數(shù)據(jù)的分布 分布式空間數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并不是存儲在一個場地的計算機存儲設備上，而是按照某種邏輯劃分分散地存儲在各個相關的場地上。 （1）空間數(shù)據(jù)的分片 根據(jù)地理信息的區(qū)域性和專題性的特征： 區(qū)域分片、專題分片 根據(jù)GIS系統(tǒng)的異構性： 同構分片和異構分片,（2）空間數(shù)據(jù)的分片沖突 在同構的條件下，出現(xiàn)的水平分片和垂直分片的沖突問題；它表現(xiàn)在空間數(shù)據(jù)的不一致上，稱之為分片沖突。 不同的分片存儲場地、GIS平臺、數(shù)據(jù)模型、地理表達方式、投影方式和數(shù)據(jù)質(zhì)量，都會導致數(shù)據(jù)分片存在差異和沖突。 （3）空間數(shù)據(jù)的分片異構性 ① 數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構 ② 訪問方式 ③ 數(shù)據(jù)格式,2、分布式空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的模式結(jié)構 分布式空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的模式結(jié)構總體上可以分為兩部分，如圖所示。,分布式空間數(shù)據(jù) 管理系統(tǒng),全局視圖,全局視圖,全局視圖,全局概念模式,分片模式,局部概念模式,局部概念模式,局部概念模式,局部內(nèi)模式,局部內(nèi)模式,局部內(nèi)模式,空間數(shù)據(jù)庫,空間數(shù)據(jù)庫,空間數(shù)據(jù)庫,空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3、分布式空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構 采用了Client/server結(jié)構。,分布式多空間數(shù)據(jù)庫的關鍵技術： ① 集成技術 ② 全局空間索引 ③ 事務管理 ④ 并發(fā)控制,思考題,1、什么是數(shù)據(jù)字典？什么是聚類？ 2、空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由哪幾部分組成？ 3、空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構主要有哪些？,