第六講+GIS的數據庫設計.ppt

第六講地理信息系統(tǒng)數據庫設計與管理 程承旗北京大學遙感與地理信息系統(tǒng)研究所 GIS數據庫 一般來說數據庫的集合存放有下面幾個要求 1 最小冗余度原則 數據盡可能不重復 2 應用程序對數據資源的共享原則 以最優(yōu)的方式服務于一個或多個應用程序 3 數據獨立性原則 數據的存放盡可能地獨立于使用它的應用程序 統(tǒng)一管理原則 能夠用一個軟件統(tǒng)一管理這些數據 分享式數據庫 分享式數據庫的優(yōu)點可以從以下幾個方面來概括 1 靈活性增強 2 用戶應用程序的共同開發(fā) 3 維護的分享 4 減少數據的冗余度 GIS數據庫設計的概念 GIS數據庫設計過程 第一步需求分析第二步原型概念化設計第三步GIS數據庫的詳細設計第四步自動化方案制定第五步試點項目實施第六步數據庫總體實施 用戶需求分析 GIS數據庫開發(fā)應該主要了解下面的內容 1 明白即將開發(fā)的GIS所支持的各種功能 2 了解系統(tǒng)要求的數據內容和行為 3 了解數據之間的關系和優(yōu)先次序 這些信息有利于制定數據庫的開發(fā)實施計劃 4 了解數據庫和GIS的整體要求和藍圖 現狀調查 1 在訪談以前將各種問題以表格 問卷或其他書面形式寫出來 2 避免不必要的細節(jié) 著重了解預定的內容 3 整個訪談應由GIS專業(yè)技術人員掌握 控制進度 保持良好的訪談氣氛 4 盡可能在對方工作的地方進行 以便對方可以隨時提供必要的資料和過程 5 讓對方告知輕重次序 以便于在實施過程中決定執(zhí)行次序 6 注意負面意見 但不要急于作答 7 對于自己不熟悉的領域可以使用錄音機 錄相 照相等 需要了解的內容 通常可以分成機構的模式 日常操作 數據 專業(yè)人員 軟件和硬件這六大類 調查內容的組織的分析 1 現有機構的組織結構圖 1 現有機構的功能示意圖 2 現有機構的人員組織及功能示意圖 3 現有數據內容及來源清單 4 現有數據及其功能參照表 5 現有軟硬設備關系圖 除了以上6種內容以外 還應當包括下面三種 6 人員培訓計劃 7 GIS的輸出產品 8 實施的進度計劃 分析結果報告 分析結果報告通常要包括以下幾個部分 1 機構運作的邏輯數據流程圖 2 對于整個數據流程的每步過程 數據的輸入是如何轉換成數據的輸出 3 各主要處理均應當以任務的形式出現 4 各主要處理的步驟應簡單明地注明 2 建立GIS系統(tǒng)獲得的各種產品 各類GIS產品通?？梢园ǖ貓D 報表 文件 應用軟件包 屏幕查詢或是更新的數據庫等 3 硬件資源表 包括 硬件名稱 操作系統(tǒng) 主要功能 所屬部門 運行狀況等 4 軟件資源表 包括 軟件名稱 所屬單位 操作平臺 主要功能 參與的應用 運行狀況等 5 專業(yè)人員清單 主要包括 人員名稱 所屬部門職務 主要職責范圍 技術優(yōu)勢 經驗層次 目前工資等 6 數據功能參照表 I InputO Output 7 數據來源清單 數據功能參照表 8 部門功能清單 概念化設計 1 數據庫的宏觀地理定義 主要指對數據庫比例尺 地圖投影和坐標系統(tǒng)的定義 2 數據庫的地理特征設計 對于各種地理特征有關的屬性數據中以什么幾何形式表達進行設計 3 數據庫表格及其關系的設計表達 對與地理特征有關的屬性數據在數據庫中表達方式的設計 4 數據庫總體設計的評定 根據數據庫的應用目的和數據內容及使用方式來評價前面三步的設計結果 進行統(tǒng)籌的考量 5 數據庫概念模型的起草 將GIS數據庫的概念設計起草成正式的文件 作為后面詳細設計時參考 數據庫的宏觀地理定義 宏觀地理定義通常包括以下三個內容 比例尺 地圖投影和坐標系統(tǒng) 1 比例尺比例尺是指地圖和地表上長度的對應關系 它是地圖或數據精度和詳細程度的標志 2 地圖投影和地理坐標系統(tǒng)設計數據庫時可以有以下幾種選擇1 將所有數據放入一個帶 2 將各帶分別存放 3 選擇不同的地圖投影 4 選擇使用地理坐標系統(tǒng) 地圖投影選擇的幾個原則 1 任何地圖投影均有變形 2 等形投影保持小區(qū)域內不變 但任何一種投影不能保證大范圍內的不變 3 等面積投影保持同比例的情況下面積不變 4 等距離投影保持某種距離上下不變 但任何一種投影均不可能保持一幅地圖上任何兩點的距離均是不變的 等方向投影保持地圖上的方位角與真實方位角相同 投影和坐標系統(tǒng)選擇的一般原則 1 在經常需要投影變換而且覆蓋面積較大的情況下 應該使用地理坐標系統(tǒng) 2 笛卡兒坐標系統(tǒng)對于小面積和一個固定的坐標系最為適合 3 根據研究區(qū)的形狀來選擇變形最小的投影 4 如果有地區(qū)標準的話 應該使用地區(qū)標準 5 如果研究區(qū)的面積很重要時 可以考慮使用一種等面積的投影進行面積計算 而數據在存儲時可以使用另外一種投影 數據庫數據模型的確定 1 數據庫數據的組織 GIS中數據組織結構的分析主要包括 數據分層 數據在各層次上表達的形式及其格式 數據屬性信息的內容 數據分層的考慮因素 具有同樣的特性 即數據有相同的屬性信息 比例尺的一致性 該層數據會有同樣的使用目的和方式 不同部門的數據通常應該放入不同的層 便于維護 數據庫中需要不同級別安全處理的數據 數據庫中的各類數據的更新可能使用各種不同的數據源 在分層中 使用不同數據源更新的數據也應分層進行存儲 以便于更新 即使是同一類型的數據 有時其屬性特征也不相同 所以也應該分層存儲 2 空間數據庫屬性表與屬性關系設計 步驟 設計相互關聯(lián)的表格 對數據表進行規(guī)范化 定義主關鍵項和外部關鍵項 使用實體關系模型來定義關系 關系表的再規(guī)范化 1 設計相互關聯(lián)的表格 唯一性 在每個表中 每個記錄的關鍵項均必須是唯一的 不變性 不含有其他方面的信息 純粹性 不含有其他方面的信息 不重復性 不會被重復使用 即某一個值被刪除后 不會再被使用 可獲得性 需要時便可以拿來到此信息 2 空間數據的均衡化 將數據庫中各關系表進行分解 使其變成更簡單 更穩(wěn)定的一套關系表的過程叫數據庫的均衡化 3 使用實體 關系模型來幫助關系表的規(guī)范化 首先要識別實體 決定實體間的關系 決定各實體的關鍵項 將其匯成連通的圖表 4 邏輯數據圖 5 概念化設計的書面報告 文件內容應該將所有的數據內容加以詳細的概述 對數據庫的數據模型和內容加以描述 即分層和表格關系 在能夠使用圖表的情況下盡量使用圖表 很多詳細的內容可以放入附錄之中 以保持文本主體的清晰 假若時間允許 可以提供一個原型以更清楚地表示整個設計的概念 GIS數據庫的詳細設計 主要包括五個方面的內容 數據源的選擇 各種數據集的評價 各數據集的設計 數據字典的產生 數據庫具體存儲和管理結構的設計 數據源的選擇 來源 地圖 航空象片 GPS接收的數據 衛(wèi)星象片 現有的各種電子數據文件 照片 各種記錄性文件等 1 國家各機構生產和維護的數據2 省級政府生產和維護的數據3 各級地方政府生產和維護的數據4 商業(yè)團體的數據5 非贏利性機構生產的數據 各種數據的評價 1 數據一般狀況評價 數據的目前狀態(tài) 包括數據是否已有電子版 工是否有機構正在生產數據電子版 數據是否是一種標準形式 主要指該類數據是否在各政府機構式或商業(yè)團體生產的數據的標準化之列 數據是否可以直接GIS使用 常常某些數據需要經過一定的處理以后才能與數據庫中定義的數據相符合 數據的原始性 有些數據是由其他更原始的數據推導 綜合而來 數據的可替代性 常常對一種所需要的數據來說 會有多種來源 有些容易獲得 有些則較難在決定使用哪一種時 應該將各種可能來源的數據均加以收集并仔細比較 再做定論 數據與其他數據一致性 覆蓋的地區(qū)是否一致比例尺是否相同 數據的地理控制點是否符合數據庫的要求 在整個地區(qū)是否一致 投影是否與要求符合等 已存在的電子版數據的評價原則 1 數據格式 數據格式是一個很重要的因素 如果不與數據庫設計的要求相吻合 勢必要進行數據轉換 2 拓撲關系 GIS數據要求數據的特征之間保持應有的拓撲關系 3 數據分辯率 對于柵格數據 數據的分辯率是指象元的大小 4 數據覆蓋面及一致性 該數據是否能夠覆蓋整個的工作地區(qū) 5 數據的可獲得性 包括數據存儲的媒介 適用的計算機平臺和是否可以購買及免費提供 6 樣本數據 在數據評判過程 如果能夠有機會獲得該數據的樣本將會對數據的感性認識大大地提高 7 自動化過程實施的考慮 通常現有的數字化數據并不完全符合某一數據庫設計的要求 可能需要做不同程度的加工才能入庫 8 數據的元數據信息是否完全 元數據是不關數的重要信息 它的顧在與否及質量直接影響到該數據的價值 2 數據空間特征的評價 1 空間特征的表達方式 2 空間特征的連續(xù)性和閉合性 3 表示規(guī)則的比較 4 空間數據地理控制信息的比較 5 空間地理數據的系列性 6 分類方法的比較和評價 7 地理參考系統(tǒng)的一致性 3 數據屬性特征的評價 1 屬性的存在性 2 屬性數據與空間位置的匹配 3 屬性數據的編碼系統(tǒng) 4 屬性數據的現適性 空間數據層的設計 1 屬性數據類型的設計2 編碼標準的設計 數據字典 1 數據字典的內容2 數據文件的命名方法3 數據字典的元數據內容 數據字典 1 數據字典的內容 數據庫的總體組織結構 數據庫總體設計的框架 數據層的詳細內容定義及結構 數據命名的定義 元數據內容等 數據字典中各數據層的詳細內容定義及結構 標題類信息 名稱 類型 數據質量 各層的有關文件 表 各表的項及各項的定義 有效值范圍等 地理參考方面要求滿足的情況 其它有便于說明和理解的文字或圖表等 各層空間及屬性的質量控制規(guī)范 各層編號系統(tǒng)與其它各標準編號系統(tǒng)的關系 各層數據的使用與各應用類型的關系等 數據流圖 1 數據源點和數據終點2 加工 數據處理 變換 3 數據流4 文件 數據存儲 具體步驟如下 1 確定系統(tǒng)邊界 畫出頂層數據流圖 2 自項向下 對每個加工進行內部分解 畫出分層數據流圖 3 對數據流圖進行復查求精 在分層數據流圖求精過程中應該注意以下問題 檢查流入 流出加工的數據流的連續(xù)性 控制單張數據流圖的復雜性 父圖與子圖的數據平衡 終止加工分解的條件 局部文件 分解層次的均勻性問題 數據詞典 1 數據流條目 數據流名稱 別名列表 數據流組成 來源 去向 處理特點 使用頻率 數據量等 其他注釋 格式 位置等 數據流名稱 數據項 邏輯操作符 數據項 例1 學生成績單 課程編碼 課程名 任課教師1指導教師 學號 姓名 成績 備注 在描述數據流組成時 常用符號有 1 表示 定義為 等價于 表示 與 1 括號內用 1 分割的各項目選擇出現一項 括號內部分可以不出現 括號內部部分重復出現 2 數據項條目 例數據流 倉儲事務 中的數據項 零件 可以定義為數據項零件零件 零件號 零件名稱 規(guī)格 備注 數據項零件號零件號 Pxxxxxxx說明 零件號由字母P開頭的8個字符組成 后7個字符可以是字母或者數字 3 文件條目 文件名 別名 記錄定義 文件組織 存儲介質描述 文件 學生成績庫 定義如下 文件學生成績庫學生成績 學號 姓名 課程代碼 成績 必修1限選1任選 學號 由8位數字組成姓名 2 4個漢字課程代碼 字母C開關的8位字任串成績 1 3位十進制整數課程類別 1位標識符 定義為 B 必修X 限選R 任選文件組織 以學號為關鍵字遞增排列 4 加工說明 結構化語言描述判定樹描述判定表描述 存儲管理結構的設計 1 數據的精度考慮 一個數據庫的精度不會因為采用自動化的數據采集過程而使其增高 經數字化過的地理數據特征 其精度不會高于其原始地圖 數據庫總體精度是最低精度部分的數據的精度 2 美國國家地圖精度標準介紹 3 RDBMS對屬性信息存儲軟件的選擇 單獨對屬性信息的存儲 可以使整個數據庫的獨立性提高 屬性數據庫可以單獨地進行使用 維護和管理 可以充分利用DBMS系統(tǒng)的各種高級功能 屬性數據庫部分可以與其它GIS軟件的空間數據部分相結合使用 不受開發(fā)時軟件的限制 4 空間數據庫的管理 數據使用權限的設置 數據庫更新過程中的質量控制和安全性考慮 數據庫的恢復能力 合理管理單元的設定 數據庫系統(tǒng)的網絡考慮 實施規(guī)劃 建立數據自動化處理方法 2 實施質量控制的原則標準 3 將整個實施規(guī)劃與整個地理信息系統(tǒng)的實現相結合起來 自動化過程 在數據庫實施過程中需要實現的自動化過程可能是以下幾種 數據原始資料的采集 例如GPS數據的采集和攝影測量數據的采集 數據的數字化過程 圖形數據的數字化和屬性數據的輸入等 數據的轉換過程 現存的數據格式轉換成數據庫所需要的格式和定義 數據采集設計 1 直接的數據采集方法 1 GPS方法2 攝影測量方法考慮以下幾點 控制點 如果該地區(qū)沒有很好的大地控制點 則必須要先將一種控制點網絡建立后再行使用 比例尺 攝影測量的比例尺與造價關系很大 在確定使用何種比例尺時 應根據數據庫精度的要求 既不可使用太大比例尺 而使造價增高 也不應使用過小比例尺而失去應有的數據精度 提取的特征 辦提取數據庫中所需要的特征 數字正射影象數據 如果時間和費用允許的話 盡量產生數字正射影象數據 多邊形數據的提取 目前商用較廣泛的與攝影測量方法有關的軟件大多還是CAD類型的軟件 3 測量數據 2 空間數據的數字化過程 1 矢量數據的手扶跟蹤或數字化方式2 掃描數字化方式3 屬性數據的自動化處理 3 屬性數據的數字化通常有四種方法 1 鍵入法 2 使用光學的字符識別技術 3 在數字化或矢量化的過程中賦值 4 人工編輯 數據庫的質量控制 1 空間數據質量控制 a 空間位置的幾何精度 b 空間地理特征的完整性 是否所有的內容均數字化 c 空間特征表達的完整性 d 空間數據的拓撲關系 e 空間數據的地理參考系統(tǒng)是否正確 是否滿足整個數據庫使用