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第四章 空间数据库 第一节 数据库概述 数据库技术是60年代初开始发展起来的一门数据管理自动化的综合性新技术。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 助人们去管理和控制与这些数据相关联的事物。地理信息系统中的数据库就是一种专门 化的数据库，由于这类数据库具有明显的空间特征，所以有人把它称为空间数据库，空 间数据库的理论与方法是地理信息系统的核心问题。 一 数据库的定义 数据库就是为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存储和应用的相关 联的数据集合。 计算机对数据的管理经过了三个阶段—最早的程序管理阶段，后来的文件管理阶段，现在 的数据库管理阶段。其中，数据库是数据管理的高级阶段，它与传统的数据管理相比有 许多明显的差别，其中主要的有两点：一是数据独立于应用程序而集中管理，实现了数 据共享，减少了数据冗余，提高了数据的效益；二是在数据间建立了联系，从而使数据 库能反映出现实世界中信息的联系。 地理信息系统的数据库(以下称为空间数据库)是某区域内关于一定地理要素特征的数据 集合。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，地理系统是一个复杂的综合体，要用数据来描述各种地理要素，尤其是 要素的空间位置，其数据量往往大得惊人。即使是一个很小区域的数据库也是如此。 (2) 不仅有地理要素的属性数据(与一般数据库中的数据性质相似)，还有大量的空间数据， 即描述地理要素空间分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可分割的联系。 （3) 数据应用的面相当广，如地理研究、环境保护、土地利用与规划、资源开发、生态环境 、市政管理、道路建设等等。 上述特点，尤其是第二点，决定了在建立空间数据库时，一方面应该遵循和应用通用数 据库的原理和方法，另一方面又必须采取一些特殊的技术和方法来解决其它数据库所没 有的管理空间数据的问题。 二、数据库的主要特征 数据库方法与文件管理方法相比，具有更强的数据管理能力。数据库具有以下主要特征 ： 1. 数据集中控制特征 在文件管理方法中，文件是分散的，每个用户或每种处理都有各自的文件，不同的 用户或处理的文件一般是没有联系的，因而就不能为多用户共享，也不能按照统一的方 法来控制、维护和管理。数据库很好地克服了这一缺点，数据库集中控制和管理有关数 据，以保证不同用户和应用可以共享数据。数据集中并不是把若干文件"拼凑"在一起， 而是要把数据"集成"。因此，数据库的内容和结构必须合理，才能满足众多用户的要求 。 2. 数据冗余度小的特征 冗余是指数据的重复存储。在文件方式中，数据冗余太。冗余数据的存在有两个缺点 ：一是增加了存储空间；二是易出现数据不一致。设计数据库的主要任务之一是识别冗 余数据，并确定是否能够消除。在目前情况下，即使数据库方法也不能完全消除冗余数 据。有时，为了提高数据处理效率，也应该有一定程度的数据冗余。但是，在数据库中 应该严格控制数据的冗余度。在有冗余的情况下，数据更新、修改时，必须保证数据库 内容的一致性。 3、数据独立性特征 数据独立是数据库的关键性要求。数据独立是指数据库中的数据与应用程序相互独立 ，即应用程序不因数据性质的改变而改变；数据的性质也不因应用程序的改变而改变。 数据独立分为两级：物理级和逻辑级。物理独立是指数据的物理结构变化不影响数据的 逻辑结构；逻辑独立意味着数据库的逻辑结构的改变不影响应用程序。但是，逻辑结构 的改变必然影响到数据的物理结构。目前，数据逻辑独立还没有能完全实观。 4、复杂的数据模型 数据模型能够表示现实世界中各种各样的数据组织以及数据间的 联系。复杂的数据模型是实现数据集中控制、减少数据冗余的前提和保证。采用数据模 型是数据库方法与文件方式的一个本质差别。 数据库常用的数据模型有三种：层次模型，网络模型和关系模型。因此，根据使用的 模型，可以把数据库分成：层次型数据库，网络型数据库和关系型数据库。 5、数据保护特征 数据保护对数据库来说是至关重要的，一旦数据库中的数据遭到破坏，就会影响数据 库的功能，甚至使整个数据库失去作用、数据保护主要包括四个方面的内容：安全性控 制、完整性控制、并发控制、故障的发现和恢复。 三、数据库的系统结构 数据库是一个复杂的系统。数据库的基本结构可以分成三个层次：物理级、概念级和 用户级。 1、物理级：数据库最内的一层。它是物理设备上实际存储的数据集合(物理数据库) 。它是由物理模式(也称内部模式)描述的。 2、概念级：数据库的逻辑表示，包括每个数据的逻辑定义以及数据间的逻辑联系。它是 由概念模式定义的，这一级也被称为概念模型。 3. 用户级：用户所使用的数据库，是一个或几个特