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第一章 数据库及空间数据库概论1.ppt

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第一章 数据库及空间数据库概论1.ppt
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空间数据库,计算机学院 王媛妮Email: ynwang2005@163.com,教 材,教材:空间数据库.吴信才.科学出版社.2009,参考书,教学参考资料: [1]崔铁军,地理空间数据库原理,科学出版社,2007 [2]Shashi Shekhar, Sanjay Chawla著. 谢昆青,马修军,杨冬青等译. 空间数据库. 机械工业出版社,2004 [3] 王家耀. 空间数据库信息系统原理.科学出版社.2001 [4] 吴立新. 地理信息系统原理与算法.科学出版社,2003 [5] 李建松. 地理信息系统原理,武汉大学出版社,2006 [6] 刘贵明. 地理信息系统原理及应用.科学出版社.2008 [7] 吴信才. 地理信息系统原理、方法及应用.中国地质大学(武汉).2000 [8] 樊红. Arc/Info应用于开发技术.武汉大学出版社.2002 [9] 普赖斯著.李玉龙等译. ArcGIS地理信息系统教程(第4版).电子工业出版社.2009 [10] 吴秀芹. ArcGIS9地理信息系统应用与实践.清华大学出版社.2007,第一章 数据库及空间数据库概论,基本内容: 1、数据管理技术的发展 2、数据模型与数据库系统 3、关系数据库(关系模型、关系代数、关系演算) 4、空间数据库及其与关系数据库的比较 5、新型数据库系统,教学要求,了解数据管理技术的发展阶段,数据描述的术语,数据模型的概念,数据库的体系结构,数据库管理系统的功能及组成,数据库系统的组成及全局结构;新型数据库系统的基本发展状况; 掌握数据模型与数据库系统结构。 了解关系数据库的发展历程、关系数据结构、规范化理论、关系数据库标准语言SQL、E-R模型。 了解空间数据的基本概念、特征,空间数据的发展历程;了解掌握空间数据库与传统关系数据库的主要差异。 了解目前主要的新型数据库系统(含时态空间数据库)。,一、 数据管理技术的发展,1、数据库的四个基本概念 数据(Data) 数据库(Database) 数据库管理系统(DBMS) 数据库系统(DBS),一、 数据管理技术的发展(续),数据(Data)是数据库中存储的基本对象 数据的定义 描述事物的符号记录 数据的种类 文字、图形、图象、声音 数据的特点 数据与其语义是不可分的,一、 数据管理技术的发展(续),数据举例 学生档案中的学生记录 (李明,男,1972,江苏,计算机系,1990) 数据的形式不能完全表达其内容 数据的解释 语义:学生姓名、性别、出生年月、籍贯、所在系别、入学时间 解释:李明是个大学生,1972年出生,江苏人,1990年考入计算机系 请给出另一个解释和语义,一、 数据管理技术的发展(续),人们收集并抽取出一个应用所需要的大量数据之后,应将其保存起来以供进一步加工处理,进一步抽取有用信息。数据库的定义 数据库(Database,简称DB)是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据集合,一、 数据管理技术的发展(续),数据库的特征 数据按一定的数据模型组织、描述和储存 可为各种用户共享 冗余度较小 数据独立性较高 易扩展,一、 数据管理技术的发展(续),数据库管理系统 什么是DBMS 数据库管理系统(Database Management System,简称DBMS)是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。 DBMS的用途 科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据,一、 数据管理技术的发展(续),DBMS的主要功能 数据定义功能提供数据定义语言(DDL)定义数据库中的数据对象 数据操纵功能:提供数据操纵语言(DML)操纵数据实现对数据库的基本操作(查询、插入、删除和修改),一、 数据管理技术的发展(续),数据库的运行管理保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用发生故障后的系统恢复 数据库的建立和维护功能(实用程序)数据库数据批量装载数据库转储介质故障恢复数据库的重组织性能监视等,一、 数据管理技术的发展(续),数据库系统 什么是数据库系统 数据库系统(Database System,简称DBS)是指在计算机系统中引入数据库后的系统构成。 在不引起混淆的情况下常常把数据库系统简称为数据库。 数据库系统的构成 由数据库、数据库管理系统(及其开发工具)、应用系统、数据库管理员(和用户)构成。,名词术语——数据库系统,数据库系统的构成,数据库在计算机系统中的地位,注 意,分清日常所说的“数据库”到底是指哪个概念数据库是oracle——数据库管理系统数据库是xjgl.db——数据库我们在开发数据库——数据库应用系统,一、 数据管理技术的发展(续),空间数据库基本概念 空间:事物之间的距离或间隔。(日常语义) 不同的学科有不同的解释。 数学领域中一般指某种对象(现象、状况、图形、函数等)的任意集合。GIS领域的空间是指地理环境或地球表层空间,是地理信息系统表达和研究的对象。为了在GIS中对地理空间进行描述,常需要借助于抽象的数学空间表达方法。 地理空间:空间参考信息的地理实体或地理现象发生的时空位置集。,一、 数据管理技术的发展(续),空间数据:以地球表面空间的位置为参照,用来描述空间实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的数据。 空间数据是一种带有空间坐标的数据,包括文字、数字、图形、影像、声音等多种方式。用来记录地理空间对象的位置、拓扑关系、几何特征和时间特征。 空间数据库:描述与特定空间位置有关的真实世界对象的数据集合。 任何真实世界的对象可能表示成数据库中的对象,但并不是任何对象都和地理位置相关,取决于所要表达的信息模型及应用。,一、 数据管理技术的发展(续),2、数据管理技术的产生和发展 什么是数据管理 对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护,是数据处理的中心问题 数据管理技术的发展过程 人工管理阶段(40年代中--50年代中) 文件系统阶段(50年代末--60年代中) 数据库系统阶段(60年代末--现在),一、 数据管理技术的发展(续),数据管理技术的发展动力 应用需求的推动 计算机硬件的发展 计算机软件的发展,,数据管理技术三个发展阶段的详细比较,应用背景 科学计算 科学计算、管理 大规模管理,硬件背景 无直接存取存储设备 磁盘、磁鼓 大容量磁盘,软件背景 没有操作系统 有文件系统 有DBMS,处理方式 批处理 实时处理、批处理,数据的管理者 用户(程序员) 文件系统 数据库管理系统,数据面向的对象 某一应用程序 某一应用 现实世界,数据的共享程度 无共享,冗余度很大 共享性差,冗余度大 共享性高,冗余度小,独立性差,实时处理、分布处理、批处理,具有高度的物理独立性和一定的逻辑独立性,数据的独立性,不独立,完全依靠于程序,记录内有结构、整体无结构,整体结构化,用数据模型描述,数据控制能力 应用程序自己控制 文件系统 数据库管理系统,二、数据模型与数据库系统,1、数据模型 在数据库中用数据模型这个工具来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息。通俗地讲数据模型就是现实世界的模拟 数据模型应满足三方面要求 能比较真实地模拟现实世界 容易为人所理解 便于在计算机上实现,二、数据模型与数据库系统(续),数据模型分成两个不同的层次 (1) 概念模型 也称信息模型,它是按用户的观点来对数据和信息建模。 (2) 数据模型 主要包括网状模型、层次模型、关系模型等,它是按计算机系统的观点对数据建模。,二、数据模型与数据库系统(续),客观对象的抽象过程---两步抽象 现实世界中的客观对象抽象为概念模型; 把概念模型转换为某一DBMS支持的数据模型。,二、数据模型与数据库系统(续),概念模型是现实世界到机器世界的一个中间层次。,二、数据模型与数据库系统(续),数据模型的组成要素 概念模型 常用数据模型 层次模型 网状模型 关系模型,二、数据模型与数据库系统(续),数据模型的组成要素 数据结构 数据操作 数据的约束条件,二、数据模型与数据库系统(续),什么是数据结构 对象类型的集合两类对象 与数据类型、内容、性质有关的对象 与数据之间联系有关的对象数据结构是对系统静态特性的描述,二、数据模型与数据库系统(续),数据操作 对数据库中各种对象(型)的实例(值)允许执行的操作及有关的操作规则 数据操作的类型 检索 更新(包括插入、删除、修改),二、数据模型与数据库系统(续),数据模型对操作的定义 操作的确切含义 操作符号 操作规则(如优先级) 实现操作的语言 数据操作是对系统动态特性的描述。,二、数据模型与数据库系统(续),数据的约束条件 一组完整性规则的集合。 完整性规则是给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和储存规则,用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化,以保证数据的正确、有效、相容。,二、数据模型与数据库系统(续),概念模型 1. 概念模型 2. 信息世界中的基本概念 3. 概念模型的表示方法,二、数据模型与数据库系统(续),概念模型的用途 概念模型用于信息世界的建模 是现实世界到机器世界的一个中间层次 是数据库设计的有力工具 数据库设计人员和用户之间进行交流的语言 对概念模型的基本要求 较强的语义表达能力,能够方便、直接地表达应用中的各种语义知识 简单、清晰、易于用户理解。,二、数据模型与数据库系统(续),信息世界中的基本概念 (1) 实体(Entity) 客观存在并可相互区别的事物称为实体。 可以是具体的人、事、物或抽象的概念。 (2) 属性(Attribute) 实体所具有的某一特性称为属性。 一个实体可以由若干个属性来刻画。 (3) 码(Key) 唯一标识实体的属性集称为码。,二、数据模型与数据库系统(续),(4) 域(Domain) 属性的取值范围称为该属性的域。 (5) 实体型(Entity Type) 用实体名及其属性名集合来抽象和刻画 同类实体称为实体型 (6) 实体集(Entity Set) 同型实体的集合称为实体集,二、数据模型与数据库系统(续),(7) 联系(Relationship) 现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界 中反映为实体内部的联系和实体之间的联系 实体型间联系 两个实体型 一对一联系(1:1) 三个实体型 一对多联系(1:n) 一个实体型 多对多联系(m:n),,,两个实体型间的联系,两个实体型间的联系,一对一联系 如果对于实体集A中的每一个实体,实体集B中至多有一个实体与之联系,反之亦然,则称实体集A与实体集B具有一对一联系。记为1:1。 实例 班级与班长之间的联系: 一个班级只有一个正班长 一个班长只在一个班中任职,两个实体型间的联系 (续),一对多联系 如果对于实体集A中的每一个实体,实体集B中有n个实体(n≥0)与之联系,反之,对于实体集B中的每一个实体,实体集A中至多只有一个实体与之联系,则称实体集A与实体集B有一对多联系。记为1:n 实例 班级与学生之间的联系: 一个班级中有若干名学生, 每个学生只在一个班级中学习,两个实体型间的联系 (续),多对多联系(m:n) 如果对于实体集A中的每一个实体,实体集B中有n个实体(n≥0)与之联系,反之,对于实体集B中的每一个实体,实体集A中也有m个实体(m≥0)与之联系,则称实体集A与实体B具有多对多联系。记为m:n 实例 课程与学生之间的联系: 一门课程同时有若干个学生选修 一个学生可以同时选修多门课程,多个实体型间的联系(续),多个实体型间的一对多联系 若实体集E1,E2,.,En存在联系,对于实体集Ej(j=1,2,.,i-1,i+1,.,n)中的给定实体,最多只和Ei中的一个实体相联系,则我们说Ei与E1,E2,.,Ei-1,Ei+1,.,En之间的联系是一对多的。,多个实体型间的联系(续),实例课程、教师与参考书三个实体型 如果一门课程可以有若干个教师讲授,使用若干 本参考书,每一个教师只讲授一门课程,每一本 参考书只供一门课程使用 课程与教师、参考书之间的联系是一对多的 多个实体型间的一对一联系 多个实体型间的多对多联系,同一实体集内各实体间的联系,一对多联系 实例职工实体集内部具有领导与被领导的联系 某一职工(干部)“领导”若干名职工 一个职工仅被另外一个职工直接领导 这是一对多的联系 一对一联系 多对多联系,二、数据模型与数据库系统(续),概念模型的表示方法 概念模型的表示方法很多实体-联系方法(E-R方法) 用E-R图来描述现实世界的概念模型 E-R方法也称为E-R模型,E-R图,实体型 用矩形表示,矩形框内写明实体名。,学生,教师,E-R图(续),属性 用椭圆形表示,并用无向边将其与相应的实体连接起来,E-R图(续),联系 联系本身:用菱形表示,菱形框内写明联系名,并用无向边分别与有关实体连接起来,同时在无向边旁标上联系的类型(1:1、1:n或m:n) 联系的属性:联系本身也是一种实体型,也可以有属性。如果一个联系具有属性,则这些属性也要用无向边与该联系连接起来,联系的表示方法,联系的表示方法(续),联系的表示方法示例,联系的表示方法示例(续),联系属性的表示方法,举例:图书管理信息系统的E-R图,姓名,借书人,借书登记,图书,价格,作者,书名,单位,位置,日期,总编号,分类号,借书证号,m,n,举例:用E-R图表示某个工厂的物资管理的概念模型 物资管理涉及的实体有: 仓库:属性有仓库号、仓库面积、电话号码。 零件:属性有零件号、名称、规格、单价、描述。 供应商:属性有供应商号、姓名、地址、电话号、帐号。 项目:属性有项目号、预算、开工日期。 职工:属性有职工号、姓名、年龄、职称。,项目,项目号,预算,开工日期,零件,零件号,名称,规格,单价,描述,供应商,供应商号,姓名,地址,帐号,电话号,实体及其属性图,实体之间的联系如下: 一个仓库可以存放多种零件,一种零件可以存放在多个仓库中。因此,仓库和零件具有多对多的联系。某种零件在某个仓库中的数量用库存量描述。 一个仓库有多个职工当仓库保管员,一个职工只能在一个仓库工作。因此,仓库和职工之间是一对多的联系。 职工之间具有领导与被领导的关系,即仓库主任领导若干保管员。因此,职工实体集中具有一对多的联系。 供应商、项目、零件之间具有多对多的联系。即一个供应商可以供给若干个项目多种零件,每个项目可以使用不同供应商供应的零件,每种零件可由不同供应商供给。,供应商,项目,零件,供应,供应量,库存,仓库,库存量,职工,领导,工作,,,,,,,,m,n,p,m,n,1,n,1,n,实体及其联系图,多对多联系,1对多联系,工厂物资管理E-R图,,,(3)实例:某学校有若干名教师和学生,并且教师和学生不能跨系;每个教师可以教授若干门课程,每门课程只能由一个教师任课;每个学生可以同时选修多门课程。请设计某学校的教学管理的E-R模型。 其中实体有:系、教师、学生、课程。 系属性有:系编号、系名、系主任。 教师属性有:教师编号、教师姓名、职称。 学生属性有:学号、姓名、性别、班号。 课程属性有:课程编号、课程名、学分。,,,E-R模型如下:,系,学生,课程,教师,系编号,系主任,系名,,,,教师编号,职称,教师姓名,学号,性别,姓名,课程号,学分,课程名,,,,,,,,,,选修,,,从属,任课,从属,,,,,,,,1,m,m,n,m,1,m,1,班号,,学时,,成绩,,练 习,1. 试举出三个实例,要求实体型之间分别有一对一、一对多、多对多的联系。2. 学校中有若干系,每个系有若干个班级和教研室,每个教研室有若干教员,其中有的教授每人各带若干研究生。每个班有若干学生,每个学生选修若干课程,每门课可由若干学生选修。用E-R图画出学校的概念模型。,
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