数据库关系模型设计基本步骤

4.2.2　数据库设计

空间数据库的设计问题，其实质是将空间客体以一定的组织形式在数据库系统中加以表达的过程，也就是土地管理GIS中空间客体数据的模型化问题。数据库设计的整个过程包括以下几个典型步骤，即概念设计、逻辑设计和物理设计。在设计的不同阶段要考虑不同的问题，在每个设计阶段必须选择适当的论述方法及与其相应的设计技术，对其中每一个大的设计阶段再划分为若干更细的设计步骤。

数据库设计包括以下内容:

1.需求分析

需求分析即用系统的观点分析与某一特定的数据库应用有关的数据集合。需求分析是整个数据库设计与建立的基础，它主要包括调查用户的需求与需求数据的收集和分析以及编制用户需求说明书。

2.概念设计

对需求分析阶段所搜集的信息和数据进行分析、整理，确定地理实体、属性及它们之间的联系，将各用户的局部视图合并成一个全局视图，形成独立于计算机的反映用户需求的概念模型。概念模型是现实世界到信息世界的抽象，具有独立于具体的数据库实现的优点，因此是用户和数据库设计人员之间进行交流的语言。数据库需求分析和概念设计阶段需要建立数据库的数据模型，可采用的建模技术方法主要有三类:①面向记录的传统数据模型，包括层次模型、网状模型和关系模型;②注重描述数据及其之间语义关系的语义数据模型，如实体—关系模型等;③面向对象的数据模型，它是在前两类数据模型的基础上发展起来的面向对象的数据库建模技术。表示概念模型的最有力的工具是E-R模型，即实体—关系模型，包括实体、联系和属性三个基本成分。它描述现实世界，不必考虑数据结构、存储路径等问题，比一般的数据模型更接近于现实世界。

E-R方法即实体——关系方法是1976年美籍华人陈平山提出来的，当时是作为一种区别于层次、网状、关系模型而提出来的新的数据模型。这种方法在对数据模型进行分析上，不是面向实现，而是面向现实世界。E-R方法把管理系统所要描述的问题划分为单个的实体，通过实体间的联系而有效、自然地模拟现实世界。基于实体—关系的概念模型包括以下几个方面的内容:①实体、关系和属性的提取;②建立操作表和属性列表;③局部实体—关系模型的建立;④全局实体模型的建立。通过功能分解，确定实体类型、关系类型以及属性，建立实体—关系模型，并将实体—关系模型转换成某个数据库系统可接收的数据模型。

实体—关系的描述是数据逻辑模型分析的重要环节。实体—关系描述不清，则给后续E-R模型向关系模型的转换带来困难。

为了理解实体、关系的概念，可以使用E-R数据模型对一个系统进行模拟性描述。一个非常直观的描述方法是E-R图(E-R Diagram)。在E-R图中，矩形框表示实体、菱形框表示关系，实体与关系相连的线段上注明的l、n、m、p表明关系的基数化。

3.逻辑设计

数据库逻辑设计的任务是:把信息世界中的概念模型利用数据库管理系统所提供的工具映射为计算机世界中为数据库管理系统所支持的数据模型，并用数据描述语言表达出来。逻辑设计又称为数据模型映射。所以，逻辑设计是根据概念模型和数据库管理系统来选择的。例如将上述概念设计所获得的实体—关系模型转换成关系数据库模型。逻辑设计的目的是从概念模型导出特定的数据库管理系统可以处理的数据库的逻辑结构(数据库的模式和外模式)，这些模式在功能、性能、完整性和一致性约束及数据库可扩充性等方面均应满足用户提出的要求。

1)初始模式形成

把E—R图表示的实体—关系模型，转换成选定的数据库管理系统所支持的记录模型，包括层次、网状、关系、面向对象系统等。

2)子模式设计

子模式是应用程序与数据库的接口，允许有效访问数据库而不破坏数据库的安全性。

3)模式评价

对逻辑数据库结构即模型，根据定量分析和性能测算做出评价。定量分析是指处理频率和数据容量及其增长情况。性能测算是指逻辑记录访问数目、一个应用程序传输的总字节数和数据库的总字节数等。

4)优化模式

为使模式适应信息的不同表示，可利用数据库管理系统性能，如创建索引、散列功能等，但不修改数据库的信息。

E-R模型可以向现有的各种数据库模型转换，对不同的数据库模型有不同的转换规则。

4.物理设计

数据库的物理设计指数据库存储结构和存储路径的设计，即将数据库的逻辑模型在实际的物理存储设备上加以实现，从而建立一个具有较好性能的物理数据库。该过程依赖于给定的计算机系统。在这一阶段，设计人员需要考虑数据库的存储问题，即所有数据在硬件设备上的存储方式、管理和存取数据的软件系统、数据库存储结构以保证用户以其所熟悉的方式存取数据以及数据在各个位置的分布方式等。

空间数据库的物理设计，是从一个满足用户信息需求的、已确定的逻辑数据库结构(即逻辑模型)出发，研制出一个有效的、可实现的物理数据库结构(存储结构或物理模型)的过程。物理设计常常包括某些操作约束，如响应时间、存储要求等。

物理设计可分为五步，前三步为结构设计，后两步为约束和程序设计。各步的具体内容是:

1)存储记录的格式设计

对数据项类型特征作分析，对存储记录进行格式化，决策如何进行数据压缩或代码化。使用“记录的垂直分解”方法，对含有较多属性的关系按其中属性的使用频率不同进行分割;或使用“记录的水平分解”方法，对含有较多记录的关系，按某些条件进行分割，并把它们定义在相同或不同类型的物理设备上，或在同一设备的不同区域上，从而使访问数据库的代价最小，提高数据库的性能。

2)存储方法设计

物理设计中最重要的一个问题是把存储记录在全数据库范围内进行物理存储安排。存储的方法主要有:①顺序存储。该存储方式的平均查询次数为关系记录个数的l/2;②散列存储。该存储方式的查询次数由散列算法所决定;③索引存储。该存储方式需要确定创建何种索引及在哪些库和属性上建立索引;④聚簇存储。“记录聚簇”是指将不同类型的记录分配到相同的物理区域中去，充分利用物理顺序性的优点，提高访问速度，即将经常在一起使用的记录聚簇在一起，以减少物理输入输出的次数。

3)访问方法设计

访问方法设计为存储在物理设备上的数据提供存储结构和查询路径，该设计与选用的数据库管理系统有很大关系。

4)完整性和安全性考虑

根据逻辑设计说明书中提供的对数据库的约束条件、具体选择数据库管理系统和操作系统的性能特征及硬件环境，设计建立数据库完整性和安全性措施。

5)应用设计

该设计包括人机界面的设计、输入/输出格式的设计、代码设计、处理加工设计等。

6)形成物理设计说明书

物理设计的结果是物理设计说明书，包括存储记录格式、存储记录位置分布及访问方法，它能满足操作的需求，并给出对硬件和软件系统的约束。在设计过程中，效率问题只能在各种约束得到满足且获得可行性方案之后进行。此外，物理设计中应充分注意物理数据的独立性。所谓物理数据的独立性是指消除由于物理数据结构设计的改变而引起对数据库应用程序的修改。