数据库设计，就是把现实世界中一定范围内存在着的应用处理和数据抽象成一个数据库的具体结构的过程。具体来讲，对于一个给定的应用环境，提供一个确定最优数据模型与处理模式的逻辑设计，以及一个确定数据库存储结构与存取方法的物理设计，建立能反映现实世界信息和信息联系，满足用户要求，能被某个DBMS所接受，同时能实现系统目标并有效存取数据的数据库。GIS数据库是GIS系统的重要组成部分，存储着大量的空间数据。GIS数据库设计的任务，就是经过一系列的转换，将现实世界描述为计算机世界中的空间数据模型，也就是将地理现象表示为空间数据模型和数据结构。

3.1.1 GIS数据库设计的内容

空间数据库的设计，是指在现有数据库管理系统的基础上建立空间数据库的整个过程，其核心工作是将地理现实抽象成计算机能够处理的数据模型。由于人们理解地理现象的方式与计算机处理数据的方式相距甚远，直接将地理现实描述成计算机数据模型有较大困难。因此，空间数据库的设计问题，其实质是将地理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，也就是地理信息系统中空间客体数据的模型化问题，最终建立计算机能够处理的数据模型。

实际的数据库设计要以用户需求分析为基础，并考虑数据库应用，因此完整的数据库系统设计可分为六个阶段(如图3.1所示): 用户需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、数据库实现、运行与系统维护。

1. 需求分析

需求分析是整个过程中最基础、最困难、最耗时的一步。主要通过收集空间数据库设计涉及的用户信息内容和处理要求，并加以规格化和分析。一般采用数据流分析方法，分析结果以数据流表示。数据流图同时也可以作为由顶向下步细化时描述对象的工具。

2. 概念设计

概念设计是整个数据库设计的关键，以需求分析为基础，通过对用户需求进行综合、归纳与抽象，将需求分析转换成通用的信息结构模型，形成局部概念模式(局部视图)和全局概念模式(全局视图)。例如，可以用实体-联系模型表示。在这个抽象层次的信息系统模型被称为概念数据模型。

3. 逻辑设计

逻辑设计主要任务是把信息世界中的概念模型转换为计算机世界中受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。在这一阶段，概念模型被匹配到特定的数据库管理系统(DBMS)，称为逻辑数据模型，它决定数据库要素的逻辑结构。例如，如果DBM是关系数据模型，那么第二阶段的部分工作将是建立关系模式。

4. 物理设计

物理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。这一阶段实施构造物理数据模型，它包含所有的物理实施细节。例如，数据文件如何在特定的介质上存储的细节。包括文件结构、内存和磁盘空间、访问和速度等因素。

图3.1 数据库设计的内容和步骤流程图

5. 数据库实现

数据库实现主要分为建立实际的数据库结构、装入试验数据对应用程序进行测试、装入实际数据建立实际数据库三个步骤。

这不是瀑布模型，每一步都可以有反馈。以上各步不仅有反馈、有反复，还有并行处理。另外，在数据库的设计过程中还包括一些其他设计，如数据库的安全性、完整性、一致性和可恢复性等方面的设计。不过，这些设计总是以牺牲效率为代价的，设计人员的任务就是要在效率和尽可能多的功能之间进行合理的权衡。

6. 数据库运行与维护

空间数据库系统经过试运行后即可投入正式运行。在其运行过程中必须不断地进行评价、调整与修改。

设计一个完善的空间数据库应用系统是不可能一蹴而就的，往往是上述六个阶段的不断重复。该过程既是空间数据库设计的过程，也包括了应用系统的设计过程。在设计过程中把空间数据库的设计和对空间数据库中空间数据处理的设计紧密结合起来，将这两个方面的需求分析、抽象、设计、实现在各个阶段同时进行，相互参照，相互补充，以完善两方面的设计。

3.1.2 空间数据库设计目标

数据库设计的基本目标主要有满足用户需求，良好的数据库性能，准确模拟现实世界，能够被某个数据库管理系统接受四个方面。

1. 满足用户需求

数据库设计应以用户需求和约束条件为基础，尽可能准确地定义系统的需求。

2. 良好的数据库性能

数据库性能的两个基本方面是存储效率和存取效率。即尽量减少冗余数据、有利于快速访问数据。但是这两个方面的要求是有冲突的，实际的数据库设计方案往往是这两个方面性能的折中。此外，还有适应性、可移植性、安全性等方面的要求。

3. 准确模拟现实世界(www.daowen.com)

数据模型是对现实世界的模拟，模拟的准确程度取决于两个因素: 一是所采用的数据模型的性质，二是数据库设计的质量。由于空间客体具有复杂的结构，因此要求数据模型具有丰富的建模构造，能够表达复杂的空间客体和空间客体间的复杂联系。面向对象数据模型比关系模型更能有效地表达空间客体及其联系。

4. 能够被某个数据库管理系统接受

数据库设计的最终结果是建立一个能够在选定的数据库管理系统支持下运行的数据模型和处理模型，建立有效、可用的数据库。

3.1.3 空间数据库设计原则

随着空间信息技术的发展，空间数据库所能表达的空间对象日益复杂，用户功能日益集成化，从而对空间数据库的设计提出了更高的要求。许多早期的空间数据库设计着重强调的是数据库的物理实现，注重于数据记录的存储和存取方法。而现在，要求空间数据库设计者能根据用户要求、当前的经济技术条件和已有的软、硬件实践经验，选择行之有效的设计方法与技术等。目前，对空间数据库的设计已提出许多准则，其中包括:

1. 空间数据库设计与应用系统设计相结合的原则

空间数据库设计应该和应用系统设计相结合。即整个设计过程中要将空间数据库结构设计和对数据的处理设计紧密结合起来，并将此作为空间数据库设计的重要原则。

2. 数据独立性原则

数据独立性分为数据的物理独立性和数据的逻辑独立性。

数据的物理独立性是指数据的存取与程序分离，这样可以保证数据存储结构与存取方法的改变不必要求修改程序。使初步数据共享成为可能，只要知道数据存取结构，不同程序可共用同一数据文件。

数据的逻辑独立性是指数据的使用与数据的逻辑结构相分离，通过建立对数据逻辑结构即数据之间联系关系的描述文件、应用程序服务等方法实现。这样可以保证当全局数据逻辑结构改变时，不一定要求修改程序，程序对数据使用的改变也不一定要求修改全局数据结构，使进一步实现深层次数据共享成为可能。

3. 共享度高、冗余度低原则

在设计空间数据库时，要充分考虑“数据库从整体角度看待和描述数据”这一特点，即数据不再面向某一个应用而是面向整个系统，因此数据可以被多个用户、多个应用共享使用(即用最优的方式服务于一个或多个应用程序)。同时，数据共享还能够避免数据之间的不相容与不一致。

数据共享可以大大减少数据冗余，节约存储空间。因为同一系统包含大量重复数据，不但浪费大量存储空间，还有潜在不一致的危险，即同一记录在不同文件中可能不一样(如修改某个文件中某个数据而没有在另外的文件中作相应的修改)。所以，在数据库中数据共享，减少了由于数据冗余造成的数据不一致现象。

但是，有时为了某种需要(如缩短访问时间或简化寻址方法)，系统也需要一定量的冗余数据。所以，在设计数据库时，要遵守最小冗余度原则(即数据尽可能不重复)，而不能要求消除一切冗余数据。

4. 用户与系统的接口简单性原则

用户与系统的接口简单，可以及时满足用户访问空间数据的需求，并能高效地提供用户所需的空间数据查询结果。同时，能满足用户容易掌握、方便使用系统，使其能更有效地通过非过程化的SQL语句查询、更新、管理系统。

5. 系统可靠性、安全性与完整性原则

一个数据库系统的可靠性体现在它的软、硬件故障率小，运行可靠，出故障时能迅速恢复到可用状态。

数据的安全性是指系统对数据的保护能力，防止非法使用造成数据泄密和破坏。即对数据进行控制，使用户按系统规定的规则访问数据，防止数据有意或无意地泄露。

完整性是指数据的正确性、有效性和相容性。完整性检查将数据控制在有效的范围内，或保证数据之间满足一定的关系。通常设置各种完整约束条件来解决这一问题。

6. 系统具有重新组织、可修改与可扩充性原则

系统为了适应数据访问率的变化，提高系统性能，改善数据组织的零乱和时空性能差，需要改变文件的结构或物理布局，即改变数据的存储结构或移动它们在数据库中的存储位置，这种改变称为数据的重新组织。一般通过数据库系统自动完成该任务。

要充分考虑到一个数据库通常不是一次性建立起来的，而是通过分期、分批逐步建立起来的。因此，整个系统在结构和组织技术应该是容易修改和扩充的，即设计数据库时要考虑与未来应用接口的问题，以防将来系统有所变化而使整个数据库设计推倒重来或使已经建成的数据库系统不能正常工作。当然，修改和扩充后的系统，不必修改或重写原有的应用程序，也不应影响所有用户的使用。

总之，设计的系统应该是弹性较大、容易扩充、有较强的适应性、能不断满足新的需求。