空间数据库原理与实践_北京师范大学

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SPOC学校专有课程

空间数据库原理与实践

开课时间： 2024年09月04日 ~ 2024年12月24日

学时安排： 0.5

当前开课已结束已有 32 人参加

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—— 课程团队

课程概述

随着数据时代的到来，以地理空间位置为核心的各类数据纷沓至来，“掌握空间数据库的相关理论和技能” 日益成为学生日后开展各类工作的重要基础技能。

《空间数据库原理与实践》课程内容包括理论原理和案例实践两大部分。课程在理论原理部分主要介绍地理空间数据库建设过程中涉及的相关基础理论。例如，空间数据库设计理念，空间数据模型、类型与函数，空间查询语言（GSQL），空间数据库的设计与实现，空间索引与查询优化，空间数据库的前沿与发展趋势等。课程在案例实践部分以开源空间数据库管理系统（PostgreSQL和PostGIS）为平台，介绍相关概念与使用方法，并在实践中体会相关知识。

课程主要面向本科生，使其掌握空间数据库的相关基本概念和理论，并辅之以案例讲授空间数据库的设计、建库和查询的过程与方法；同时，让学生了解空间数据库的前沿，了解空间数据库的未来发展趋势。

成绩要求

总成绩（100%）= 在线学习（10%）+ 课程讨论（10%）+ 作业成绩（30%）+ 期末考试（50%）

课程大纲

第0章：课程介绍

0.1. 为什么学（WHY）

0.2. 学什么（WHAT）

0.3. 如何学（HOW）

0.4. 教材介绍

第1章绪论

1.1.基本术语

1.2.四个图灵奖

1.3.DBMS带给我什么？

【实践】《空间数据库实验教程》第一章实验课件A、B、D

【作业】完成PostgreSQL数据的安装，掌握PostgreSQL数据库的使用，了解数据库用户角色与权限控制。

第二章数据库重要理论（数据库模型与关系代数）

2.1.数据库模型的发展史

2.1.1. 层次模型（1968：IBM的IMS）

2.1.2. 网络模型（197X： HP的IMAGE）

2.1.3. 关系模型（1980： Berkeley的INGRES）

2.1.4. 对象模型（199X：尚无成熟产品）

2.1.5. 对象-关系模型（200X： Oracle/PostgreSQL）

2.2. 关系数据库的基本理论

2.2.1.关系模型及相关术语

2.2.2.关系两基本要求

2.2.3.关系范式

2.2.4.关系代数

【实践】《空间数据库实验教程》第二章实验

【作业1】地层孢粉数据的理解与规范化。

【作业2】在规范化结果基础上，利用Excel中的相关函数，生成数据在规范化前的原始状态。

第三章空间查询语言（SQL）

3.1.SQL的产生及发展

3.2.SQL的三级模式

3.3.SQL的分类与特点

3.4. 数据定义语言（DDL）

3.5. 数据控制语言（DCL）

3.6. 数据操作语言（DML）

3.7. 数据查询语言（DQL）

【实践】《空间数据库实验教程》第一章实验课件C

【作业】掌握一般常用的SQL语句。

第四章：数据库设计

4.1.模型抽象的3个层次

4.2.数据库设计的步骤

4.2.1.需求分析

4.2.2.概念模型（ER图）

4.2.3.逻辑模型（关系模型）

4.2.4.物理模型

4.2.5.数据库实施

4.2.6.数据库运行与维护

【作业】完成地层孢粉数据库的设计报告，含概念设计、逻辑设计。

第五章数据索引

5.1.索引的含义

5.2.索引的分类

5.2.1. 按表存储的顺序分类

5.2.1.1.聚簇索引

5.2.1.2.与非聚簇索引

5.2.2. 按索引数据结构分类

5.2.2.1.哈希（Hash）索引

5.2.2.2.B树家族索引

5.2.2.3.位图（BitMap）索引

第六章并发与安全

【本章建议计算机专业的学生学习；其他专业有兴趣的学生自行阅读，了解即可】

6.1.并发访问控制

6.2.安全访问控制

第七章空间数据库的基础知识

7.1.基本概念

7.2.空间数据库管理技术的产生与发展

7.3.现有空间数据库的标准简介

第八章空间数据模型

8.1.几何对象模型

8.2.几何拓扑模型

8.3.网络拓扑模型

8.4.栅格数据模型

8.5.注记文本模型

【实践】《空间数据库实验教程》第三章实验

【作业】PostGIS介绍、下载与安装；以黄河流域“省级行政区-城市-河流”空间数据为例，实践矢量数据的基本操作（导入、导出、查看）；以黄河流域DEM数据为例，实践栅格数据的（导入、导出、查看）。

第九章空间结构化查询语言（GSQL）

9.1.PostgreSQL和PostGIS介绍

9.2.矢量数据的定义与操作

9.3.栅格数据的定义与操作

【实践1】《空间数据库实验教程》第四章实验

【作业1】以蓝湖地区基础地理数据数据为例，在PostgreSQL和PostGIS平台下完成数据库的设计、建设、数据导入、查询与优化。

【实践2】《空间数据库实验教程》第五章实验

【作业2】以黄河流域“省级行政区-河流-城市”数据库为案例，掌握高级GSQL查询方法；体会互局域网内的数据互访。

【实践3（自选）】《空间数据库实验教程》第七章、第八章实验

第十章空间索引

10.1.基本知识

10.2.基于Hash思想扩展的系列空间索引

10.3.基于B树思想扩展的系列空间索引

10.3.基于空间填充曲线的有序文件

【实践】《空间数据库实验教程》第九章实验课件

【作业】出租车GPS打点数据的导入、建立空间索引，现实OD矩阵的生成，实现轨迹时空相遇分析；对比有无索引查询速度的差异。

第十一章空间查询处理与优化

【本章建议计算机专业的学生学习；其他专业有兴趣的学生自行阅读，了解即可】

11.1.空间查询处理流程框架

11.2.空间查询操作执行算法

11.3.基于启发式规则的存取路径选择优化

11.4.基于代价的优化方法

11.5.基于空间直方图的空间查询选择率估计

第十二章空间数据库的前沿与发展趋势

12.1.分布式数据库存储技术

12.2.分布式计算框架

12.3分布式存储与计算的典型地理应用

【实践1】《空间数据库实验教程》第六章实验

【作业1】用GeoServer实现黄河流域数据库中空间数据的网络发布与共享，搭建WebGIS的服务器与样式定义，完成黄河流域地理空间数据的网站开发与发布。

【实践2（自选）】《空间数据库实验教程》第十章实验

【作业2（自选）】体会月度海量出租车GPS数据的分布式存储与计算

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参考资料

【教材】

[1]. 程昌秀. 《空间数据库管理系统概论（第2版）》. 科学出版社, 2023.

[2]. 程昌秀. 《空间数据库实验教程》. 科学出版社, 2024.

【教参】

[1]. 程昌秀, 宋晓眉.《基于执行代价的空间查询查询优化方法》. 科学出版社, 2015.

[2]. Shashi Shekhar, Sanjay Chawla. Spatial Database: A Tour. Prentice Hall, 2003.

[3]. 王珊, 萨师煊. 数据库系统概论（第5版）. 高等教育出版社, 2014.

[4]. OGC. OpenGIS Implementation Specification for Geographic information - Simple feature access - Part 1: Common architecture. 2011.

[5]. OGC. OpenGIS Implementation Specification for Geographic information - Simple feature access - Part 2: SQL option, 2010.

1 位授课老师

程昌秀

教授

大学

升学/择业

终身学习

程昌秀

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