（地球探测与信息技术专业论文）空间数据库管理系统及其oracle实现.pdf

摘要 陔8 、， 碍f j ir 犯 从空间数据库管理系统的发展现状及趋势看，对象关系型数据 库管理系统是当前海量空间数据管理的主流载体，论文从海量空间数 据管理所涉及到的对象关系型空间数据模型、空间数据引擎工作原 理、扩展的空间查询语言及空间数据索引方面进行了详细的阐述，并 在此基础上提出了一个空间数据库管理系统的框架。该系统有以下主 要的特色：空间对象模型对a r c s d e 及o p e n g i s 的几何模型进行了综 合和提炼，更适合现实地理实体的描述，层次性更加简化、清晰；数 据库对象模型在o p e n g i s 的基础之上进行了扩展。该系统原型在商用 数据库0 r a c l e9 i 实现，可完成海量空问数据的分布式存储与管理、多 用户的版本管理和长事务处理、以及海量图库的管理与操作。同时为 了展现所设计的系统的可行性，作者基于l i n u x 环境实现了一个桌面 平台。同时该系统可以应用于地震、气象、海洋等领域。 关键词空间数据管理系统，空间数据引擎，海量空间数据，关系数 据模型，几何对象模型，数据库对象模型，分布式存储与管理，版本 管理，图库 a b s t r a c t t h eo b i e c t r e l a t i o n a ld a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e mi st h em a i nm e d i at om a n a g e t h em a s s i v es p a t i a ld a t a 矗o mt h ec o n d i t i o na n d 也et r e n do ft b es p a t i a ld 砒a b a s e m a n a g e m e n ts v s t e md e v e l o p m e n t o b j e c t r e l a t i o n a ld a t am o d e l ，s p a t i a ld a t ae n g i n e ， e x t e n d e d s q la n ds p a t i a l i n d e xa r ed i s c u s s e di n d e t a i li nt h i s p a p e r a n d 廿1 e a r c h i t e c t u r eo ft h es p a t i a ld a t am a n a g e m e ms y s t e mi sp u tf o r w a r dt o 1 m es y s t e mh a s t h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：f i r s t ，a r e re v a l u a t i n ga 1 1 d s y n t h e s i z i n gt h eg e o m e t r v m o d e lo fm el a t e s ta r c g i sa n do p e n g i s ，t h ea u t h o rs c tf o r w a r dad e l i c a t es 口a t i a l o b i e c tm o d e lw m c hi sb r i e fa n dm o r es u i f a b l et od e s c r i b et h ee n t i t vo fr e a lw o r l d ： s e c o n d ，t h ea u t h o rd e s i g n sad a l a b a s eo b j e c tm o d e lw i t ho b j e c t o r i e m e dm e c h a n i s m b a s e do r a c l e9 im e p m t o t y p es y s t e mi si m p l e m e n t e dt os t o r ea 1 1 dm a n a g ed i s t r i b u t e d m a s s l v e s p a t i a ld a t a ， t o s u p p o r t v e r s i o n m a i l a g e m e n t啪o n gm u h i - u s e r s ，l o n g t r a n s a c t i o np r o c e s s i n ga n do p e r a t i o no fm a s s i v em a pl i b r a r y m e a i l w h i l e ，ad e s k t o p p l a t f o r mo nl i n u xi si m p i e m e n t e dt os h o wn l ef e a s i b i l i t vo ft h es v s t e m a t t h es a m e t i m et 1 1 es y s t e mi su s e df o rs e i s m ，o c e a l l ，w e a t h e l k e y w o r d s ：s p a t i a l d a t a b a s e m a n a g e m e n ts y s 似n s d e ，m a s s i v es p a t i a l d a t a ， r e l a t i o n a ld a t am o d e l ，g e o m e t r ym o d e l ，d a t a b a s eo b j e c tm o d e l ，v e r s i o nm a l l a g e m e m ， m a p 】i b r a r y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谫 的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学 位或证书而使崩过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 作者签名h 期：年月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留学位论 文，允许学位论文被查阅和借测；学校可以公布学位沦文的全部或部分内容，可 以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据困家或湖南省有关部门 规定送交学位论文。 作者签名：导师签名日期：年月日 吴杰学位论文第一章前言 第1 章前言 1 1 背景 自从1 9 6 0 年加拿大测量学家r 0 9 e r ft o m l i s o n 提出“要把地图变成数字形式的 地图，便于计算机处理与分析”的观点以来，就直是研究和发展g i s 软件的指 导思想。从其技术层面着眼，其发展可分为3 个阶段；现在所经历的第三阶段有 以下几个基本技术特点： 1 仍然以图层为处理的基础，但面临不断的演化。 2 引人了i n t e m e t 技术，开始向以数据为中心的方向过渡，实现了较低层次 的( 浏览型或简单查询型) b s 结构。 3 丌放程度大幅度的增加，组件化技术改造逐步完成。 4 逐渐重视元数据问题，空涮数据共享、服务共享和g i s 系统互连技术不 断发展g i s 软件的广泛应用，空间数据和g i s 服务功能的共享提到重要 的议事日程。 5 实现空间数据与属性数据的一体化存储和初步的一体化查询，并将不断 完善第三代g i s 软件。 6 应用领域迅速扩大，应用深度不断提高，开始具有初步的分析决策能力。 而未来g i s 平台的发展趋势将是在第三阶段的基础之上突破一系列的关键技 术，使得i t 领域许多行之有效的处理机制与实现技术在g i s 软件中得到充分体 现。新一代的g i s 软件需在以下关键技术上取得突破： 一 面向空间实体及其时空关系的数据组织与融合 一 统一的海量存储、查询与分析处理 包括支持t b 级以上的空间数据存储；有效的空间、属性一体化管理、 查询机制：面向问题的分析、处理手段和工具；有空问数据为基础的数 据挖掘；联机事务处理( o l t p ) 和联机分析处理( o l a p ) ；扩充的、支 持空间的“关系”概念与“关系运算”。 一 有效的分布式空间数据管理与计算 包括多用户同步空间数据操作与处理机制；数据、服务代理和多级 b s 体系结构：异构g i s 系统互连与互操作；空间数掘分布式存储与数据 安全；空间数据高效压缩与解压缩。 第1 页 吴杰学位论文 第一章前言 一一定的三维与时序处理能力 一强大的应用集成功能 一灵活的操纵能力与一定的虚拟现实表达 其中海量空间、属性数据的组织、管理、操纵、分析、表达是核心，分布式 的管理和计算是支柱，如何突破这两项关键技术成为新一代软件g i s 面临的关键 问题。 1 2 空间数据库管理系统发展现状 空间数据库管理系统是g i s 的核心，每次空间数据库管理系统的技术变革 都带来了g i 软件技术的革命。与空间数据一样，一个成功的空间数据库也必须 具有如下特征：空间特征、非结构化特征、空间关系特征、分类编码特征、海量 数据特征。 由于空间数据的复杂性和特殊性，一般的数据库难以满足要求，因而围绕空 间数据的管理，有以下几种管理模式： 1 2 1 文件与关系数据库混合管理系统 文件与关系数据库混合管理系统一般用文件管理系统管理空间数据，而用商 用关系数据库来管理属性数据，它们之间的联系通过目标标识或内部标识码进行 连接。导致这种连接方式的主要原因是早期的数据库管理系统不提供高级编程语 言如c 的接口，只能采用数据库操纵语言，这样通常会启动两个系统( g i s 空间 数据管理系统和关系数据库管理系统) ，甚至是两个系统来回切换，用起来很不 方便。 1 2 2 全关系型空间数据库管理系统 全关系型空间数据库管理系统是指空间数据和属性数据都用现有的关系数据 库管理系统管理。关系数掘库管理系统的软件厂商不作任何的扩展，由g i s 软件 商在此基础上进行开发，使之不仅能管理结构化属性数据，而且能管理非结构化 的空间数据。其管理空间数据有两种模式，一种是基于关系模型的方式，空间数 据按照关系数据模式组织，这种方式在访问空间数据时需要复杂的关系连接运 算，非常费时：另一种是将空间数据的变长部分处理成b i n a r y 二进制块b i o c k 字 第2 页 吴杰学位论文 第一章前言 段，这种方式省去了前面所述的大量关系连接操作，但二进制块读写效率要比定 长的属性字段慢得多，特别是牵涉到对象得嵌套，速度更慢。 大多数商用g i s 平台采用关系型数据库管理系统( r d b m s ) ，在处理复杂数 据、进行复杂操作时有很多限制难以克服。r d b m s 向对象关系数据库管理系统 ( o r d b m s ) 或面向对象的数据库管理系统( o o d b m s ) 过渡是大势所趋。 1 2 3 面向对象空间数据库管理系统( 0 0 d b m s ) 面向对象模型最适应于空间数据的表达和管理，它不仅支持变长记录，而且 支持对象的嵌套、信息的继承与聚集。面向对象的空间数据库管理系统允许用户 定义对缘和对缘的数据结构以及它的操作。当前已经推出了若干个面向对象数据 库管理系统如0 2 等，也出现了一些基于面向对象的数据库管理系统的地理信息 系统，如g d e 等。 面向对象的方法具有很强的数据建模能力。首先，通过类定义机制，数据库 设计者可以创建新的数据类型，直接完成实体的建模，而不会局限于预先定义的 数据类型与操作；第二，o o d b m s 的指针数据类型在表达目标之间的关系时十 分有利：第三，通过继承可以表达类型子类型之间的关系。子类可以从超类中继 承变量与方法；第四，目标行为建模扩展了建模的应用范围。此外，不需要对数 据类型进行标准化可以大量减少数据冗余或r d b m s 中的关系表数目。 对于g i s 应用，最初时倾向于采用o o d b m s 的方法，它所提供的建模语义 的丰富的可扩展性及其与编程语言紧密结合的完整计算方法，非常具有吸引力。 但是由于o o d b m s 缺乏有效的查询语言支持，管理与维护的复杂度很大，在g i s 界并没有引起广泛的共鸣。相反，随着各大刚) b m s 厂商对关系数据模型大刀阔 斧的有效扩展和商业化实现，使得面向对象的关系数据库管理系统重新焕发了无 穷的生命力，也成为当前海量空间数据管理的有效载体。对象关系数据模型也成 为空间数据表达的有效技术手段。 1 2 4 对象关系数据库管理系统( 0 r d b m s ) 由于直接采用通用的关系数据库管理系统的效率不高，而非结构化的空间数 据又十分重要，所以许多空间数据系统的软件商纷纷在关系数据库管理系统中进 行了扩展，使之能直接存储和管理非结构的空间数据，如i n f 0 “n i x 、o r a c l e 等推 出了空间数据专用模块，定义了点、线、面、圆、长方形等数据对象的a p i 函数。 这些函数，将各种空间对象的数据结构进行了预先的定义，用户使用时必须满足 它的数据结构的要求，用户不能根据g i s 的要求再定义。 这种扩展的空间对象管理模块主要解决了空间数据变长记录的管理，虽然它 第3 页 吴杰学位论文 第一章前害 仍然没有解决对象的嵌套问题，空间对象也不能由用户任意定义，但效率要比前面 所述的二进制块的管理高的多，这种关系数据库通过扩展数据模型而带来巨大优 势： 通过允许增加新的、用户定义的抽象数据类型( a d t s ) 及面向对象编程语言 的其他特征，如继承、操作函数、封装等提高r d b m s 的数据类型系统。由于是 基于r d b m s 的扩展，r d b m s 上大量的工作成果得以保留。本质上，这是一种 关系世界的s 0 l 和对象世界的基本建模元素之间的结合。 采用面向对象语言的编程模型，增加一些特征，以维护数据的持续性及程序 执行的原子性。 1 3 论文的组织和研究内容 针对现有g i s 软件平台中出现的问题，本论文对空间数据库管理系统涉及到 的几个环节进行了深入研究。 论文分为五章。各章内容简要如下： 第二章是理论研究部分，介绍了与对象关系数据库有关的一些理论，包括对 象关系数据模型、空间数据库引擎工作原理、扩展的空间查询语言以及空间索引 理论与方法。 第三章为空间数据库管理系统的设计部分，主要从体系结构、概念模型、几 何对象模型、空间数据库对象模型方面进行介绍。 第四章为空间数据库管理系统的实现部分，该部分主要介绍了o r a c l es p a t i a l 的相关技术，以及从分布式、版本管理、长事务处理、图库等方面介绍了分布式 海量空间数据库管理系统的实现过程，并介绍了该原型系统的开发环境；最后展 现该系统的部分成果。 第五章为本论文研究工作的总结及今后研究工作的展望。 1 4 课题来源 本论文是在国家8 6 3 重大项目_ 面向网络海量空间信息的大型g i s ”的支 持下完成的，该项目的总体预期目标是：立足技术创新产品跨越，在解决面向空 问实体及其关系的数据组织、高效海量空间数据的存储与索引、分布式计算等关 键技术问题的基础上，开发具有我国自主知识产权的、可支持国家级空间基础设 施建设的大型地理信息系统( g i s ) 基础软件平台，空间数据库服务器和空间应 第4 页 吴杰学位论文第一章前言 用服务器可以在u n i x l i n u x 大型服务器上运行，具有t b 级空间数据处理能力、 安全级别达到b 2 级，可以支持局域、广域网络环境下空间数据的分布式计算， 可供国家级空间数据处理与交换中，心以及大型g i s 应用工程使用。 第5 页 炅杰学位论文第二章对象关系型空间数据模型 第2 章对象关系型空间数据模型 不像传统的数据库应用程序，空间数据管理要求数据库能够理解更复杂 的数据类型，如：点、线和多边形等的数据类型，与那些在简单类型上进行 的操作相比，在这些数据类型上进行的操作更为复杂，因此我们需要更新的 技术来处理空间数据。 2 。1 空间数据管理的特殊需求 空间数据主要有5 种不同于传统属性数据的属性： 1 ) 空间化 每个空间几何对象都具有空间坐标，即空间几何对象隐含了空间分布 特征，这意味空间数据库在空间数据组织方面，要考虑它的分布特征，除 了要具备通用的数据库所具有的关键字索引外，一般还要具备空间索引 能力。 2 ) 非结构化 ， 在当前通用的关系数据库管理系统中，数据记录一般是结构化的。即 它满足关系数据模型的第一范式，每条记录是定长的，数据项的表达 只能是原子结构，不允许嵌套记录。而空间数据则不能满足这种结构化 的要求。若将一条记录表达一个空间对象，它的数据项可能是变长的， 它可能是2 对坐标，也可能是10 万对坐标；其二，1 个对象可能包含另 外的】个或多个对象，例如，1 个多变形，它可能含有多条段弧段。若一 条记录表示1 个弧段，在这种情况下，l 条多边形的记录就可能嵌套多条 弧段的记录，所以不能满足关系数据的范式要求，这也是为什么空间几 何数据难以直接采用通用的关系数据管理的主要原因。 3 ) 空闯关系 空间数据除了前面所述的空间坐标隐含了空间分布关系外。空间数据 中记录的拓扑信息表达了多种空间关系。这种拓扑数据结构一方面方便 第6 页 吴杰学位论文 第二章对象关系型空间数据模型 了空间查询和空间分析，另一方面也给空间数据的一致性和完整性维护 增加了复杂度特别是有些几何对象，没有直接记录空间坐标的信息， 如拓扑地面状目标，仅记录组成它的弧段的标识，因而进行查询、显示 和分析操作时都要操作和检索多个数据文件方能得以要实现。 4 ) 分类编码 一般而言，每一个空间对象都有一个分类编码，而这种分类编码往往 属于国家标准，或行业标准，或地区标准，每一种空间几何对象的类型在 某个g i s 中的属性项个数是相同的。因而在许多情况下，一种空间几何 对象类型对应于一个属性数据表文件。当然，如果几种空间几何对象类 型的属性项相同，也可以多种空间几何对象类型共用一个属性数据表文 件。 ， 5 1 海量空间数据 空间数据量是巨大的，通常称为海量数据。之所以成为海量数据是指 的数据量一般比通常的数据要大得多，一个城市的地理信息系统的数据 量可能达几十g b ，如果考虑影象数据的存储，可能大几百个g b ：对于 全国的地理信息系统来说，其数据量更大，达到几十t b ，甚至是几百 t b ，这样大的数据量要求空间数据库也必须具有海量空间数据的存储能 力。 综上所述，可见任何空间数据库管理与应用系统必须具备以下特征： 一 具有一套能代表原始空间数据类型( 点、线、面) 的空间数据类型 集，以及在这些数据类型上进行复杂数据类型的生产和运算，比如 交汇和距离。 一 空间数据类型和操作必须是标准查询语言的一部分，在系统中必须 可以通过它来访问和操作空间数据。例如，关系型数据库系统s 0 l 可以被扩展成支持空间数据类型和操作。 一 系统应提供性能优化，比如处理空间查询( 区域查询和联合查询) 的索引，上载和查询同时进行，这些对空间数据非常有用的。 空间数据库应该解决如下四方面的问题： 1 ) 数据模型 空间数据库通过使用空间概念提供了更高层次的空间数据抽象，例如 第7 页 吴杰学位论文第二章对象关系型空间数据模型 空间几何对象如何表达，空间几何对象和点、线、面等基本元素又是如 何联系在一起等。 2 ) 查询语言 很明显，传统s q l 不适合用来表达典型的空间查询，这已经促使各 方面进行努力来扩展它友好的空间构造能力，同时各个标准委员会最著 名的o g c 正在致力于制订扩展s q l 的种属功能规格，对象关系数据库 管理系统需要这种功能。 3 ) 空间查询处理 空间查询经常通过使用过滤和提取技术来实现。在第一个过滤阶段， 对于一定的空间查询，用一个空间对象的近似表示来判断可能会满足要 求的候选对象，这个近似值被选择出来( 如果对象a 和b 的近似值确 实满足一个关系，那么列象a 和b 很可能就具有那种关系，例如，如 果近似值是不相交的，则对象a 和b 可能是不相交的，然而，如果近 似值是非不相交的对象a 和b ，仍有可能是不相交的) ；第二提起阶段， 是在第一阶段的基础上进行的，它对第一个过滤阶段所得的候选对象进 行精确比较，求出满足条件的对象。 应用这个过滤和提取策略，有几个优点：第一、空间对象一般都非常 大，会消耗大量的主存储器空间，但是只需消耗少得多的时间和空间就 可以把一个对象的估计表示值载入内存。第二、空间对象上的计算一般 都非常复杂而昂贵，对象越复杂，计算空间关系的处理要求就越多，计 算估计对象速度会提高很多，而且对计算周期的要求会少得多。 空间查询可以分成两类：( i ) 窗口查询；( i i ) 联合查询。窗口查询捕获 一个空间对象称之为窗口，对象然后从满足窗口对象二元关系的表格中 寻找空间对象。例如查询找出北京市中所有通向紫竹院的马路是一个窗 口查询，这里表示紫竹院的对象是个窗口对象：联合查询是在两个满足 一定关系的表中寻找所有的对象，例如查询找出北京中所有的马路和公 园是个联合查询。 4 ) 空间索引化 索引通过提供更快的数据访问途径，有利于提高s q l 语句的执行速 度，在操作数据时空间索引也是减少磁盘i o 的重要途径，数据库为纯 数据提供了索引机制，但它不适用于空间数据。建立空间索引的目的是 使空间选择变得容易，也就是说对于一个查询，空间索引只需对嵌入到 空间里的对象子集进行搜索，从而找出查询答案。 第8 页 是杰学位论文第二章对象关系型空间数据模型 2 2 对象关系数据模型 在数据库中通常是用数据模型这个工具来对现实世界进行抽象的。而数据 模型通常由数据结构、数据操作和完整性约束三部分组成。为了把现实世界 中的具体事物进行抽象，人们常常首先把现实世界抽象为信息世界，然后再 将信息世界转化为机器世界。在把现实世界抽象为信息世界的过程中，实际 上是抽象出现实系统中有应用价值的元素及其关联。这时所形成的信息结构 是概念模型。在抽象出概念模型后，再把概念模型转换为计算机上某一d b m s 支持的数据模型。需要一种方法能够对现实世界的信息进行描述。 实际数据库系统中所支持的数据模型主要有层次模型、网络模型、关系模 型、对象模型和对象关系模型。 2 2 1 层次模型 用树型结构来表示实体之间联系的模型称为层次模型。层次模型是满足有 且仅有个根结点，非根结点有且仅有一个父结点的基本层次联系的集合。 构成层次模型的树是由结点和连线组成的，结点表示实体集( 文件或记录型) ， 连线表示相连两个实体之间的联系，这种联系只能是一对多的。通常把表示 ”的实体放在上方，称为父结点；而把表示“多”的实体放在下方，称为予 结点。 2 2 2网络模型 用网络结构来表示实体之间联系的数据模型称为网络模型。可以有一个以 上结点无父结点；至少有一个结点具有多于一个的父结点。 2 2 3 关系模型 用一个二维表格表示实体和实体之间联系的模型，称为关系模型。关系 模型由三部分组成：数据结构、关系操作集合和关系的完整性。 1 ) 关系数据结构 用关系( 表格数据) 表示实体和实体之间联系的模型称为关系模型。 通俗地讲，关系就是二维表格。 2 ) 关系操作 关系操作采用集合操作方式，即操作的对象和结果都是集合。这种操 作方式也称为一次一个集合的方式。关系模型中常用的关系操作包括： 选择、投影、连接、除、并、交、差等查询操作和增、删、改操作两大 部分。查询的表达能力是其中最重要的部分。 第9 页 吴杰学位论文第二章对象关系型空间数据模型 3 ) 完整性约束 在关系型数据库中，完整性约束用于确保数据的准确性和一致性。关 系模型提供了丰富的完整性控制机制，允许定义三类完整性：实体完整 性、参照完整性和用户定义完整性。其中实体完整性和参照完整性是关 系模型必须满足的完整性约束条件，应该由关系系统自动支持。 2 2 4 面向对象模型 面向对象的数据模型吸收了面向对象程序设计方法学的核心概念和基本 思想。一个面向对象的数据模型是用面向对象观点来描述现实世界( 对象) 的逻辑组织、对象间的限制、联系等的模型。一系列面向对象的核心概念构 成了面向对象数据模型的基础。概括起来，面向对象数据模型的核心概念是： 对象标识( o i d ) ：现实世界中的任何实体都被统一地用对象来 表示，每一个对象都有它唯一的标识，称为对象标识( o i d ) 。 封装：每一对象是其状态和行为的封装。 类和类层次：所有具有相同属性和方法集的对象便构成了一个对 象类( c l a s s ) 。 继承：个类可以继承类层次中其直接或间接祖先( 称为该类的 超类) 的所有属性和方法。 2 2 5 对象关系数据模型 对象关系数据模型是在关系数据模型的基础之上利用面向对象技术，它 充分结合了关系数据模型与面向对象模型的优点，并尽可能抛弃其不足，它 的出现成为空间数据表达的有效技术手段。 如在对现实世界的抽象过程中，同时用关系表和对象表来表达抽象世界， 对g i s 的空间几何对象，可以用关系表来保存其属性数据，而用对象表来表 示其空间数据，这种方式易于管理和表达。 2 3 空间数据库引擎基本原理 空削数据库引擎( s p a t i a ld a t a b a s ee n g i n e ，简称s d e ) 提供空间数据管 理及应用程序接口，是客户端服务器的两层架构软件，它可以对空间数据进 行存储、管理、以及快速的从商用数据库如o r a c l e 、m i c r o s o f ts q ls e r v e r s y b a s e ，i b md b 2 ，a n di n f o r m i x 获取空间数据。s d e 是一种伸缩性比较好的解 决方案，无沦是小的工作组还是大型企业实现它都很方便地对空间属性数据 进行整合。 第l o 页 吴杰学位论文 第二章对象关系型空间数据模型 空间数据引擎在用户和异构空j 刭数据库的数据之间提供了一个开放的接 口，它是一种处于应用程序和数据库管理系统之间的中间件技术，客户可以 通过空间数据引擎将自身的数据交给大型关系型d b m s ，由d b m s 统一管 理；同样，客户也可以通过空间数据引擎从关系型d b m s 中获取其他类型的 g i s 数据，并转换成为客户端可以使用的方式。由此可见，大型关系型数据 d b m s 已经成为各种格式不同空间数据的容器，而空间数据引擎成为就成为 空间数据出入该容器的转换通道。 空间数据引擎的工作原理如图2 ，1 ： 图2 1 空间数据引擎的工作原理 在不同的d b m s 中，空问数据引擎所起的作用也不一样。对传统关系型 d b m s ( 如o r a c l e 、m ss q l s e r v e r ，s y b a s e ) 来说，由于他们不支持空间数 据类型，因此空间数据引擎的作用是对空间数据进行模拟存储和分析 ( e m u l a l i o n ) ，对此，空间数据在r d b m s 中实际上采用基本数据类型存储， 如数值型，二进制型，但是随着扩展型d b m s 的出现，在d b m s 中可以定 义抽象数据类型，用户利用这种能力可以增加空间数据类型及相关函数，因 此空间数据类型与函数就从应用服务层转移到数据库服务层。 在上图中客户端通过调用s d e 中间件来实现对d b m s 的空间数据的管理 与操作，其中： 1 ) s d e 提供了连接d b m s 数据库的接口，其他的一切涉及到与d b m s 第l l 页 吴杰学位论文第二章对象关系型空间数据模型 数据库进行交互的操作都是在此基础之上完成。 2 ) s d e 对外提供了空间几何对象模型，用户可以在此模型基础之上建立 空间几何对象，并对这些几何对象进行操作。 3 ) s d e 关于空间属性数掘在d b m s 中如何存储及管理，它是实现空间 属性数据一体化的关键。 实际应用中s d e 主要有如下几种框架 a ) 两层架构 s d 2 图2 2 两层架构示意图 这种架构不存在s d e 应用服务器，客户端直接调用s d e 的a p i 对 d b m s 数据库对空间数据进行操纵和管理，s d e 的数据访问、空间分析等功 能由客户端实现，因此，这种架构对客户端的配置要求较高，可以称为胖客 户端。 b ) 三层架构 第1 2 页 吴杰学位论文 第二章对象关系型空间数据模型 s d 图2 3 三层架构示意图 2 在这种架构中，客户端通过s d e 应用服务器进行对d b m s 的空间数据进 行操纵的。s d e 的数据访问、空间分析等功能由s d e 应用服务器完成，从 而减少了客户端的负担，这种方式对客户端的要求较低，称为瘦客户端。应 用服务器也有负载均衡的作用。 c ) 混合架构 s d 图2 4 混合架构示意图 第1 3 页 3 吴杰学位论文第二章对象关系型空间数据模型 这种方式结合是两层和三层架构的访问方式。 现有的采用关系型数据库模型开发的数据引擎有a r c s d e 、o r a c l es p a t i a l ， i n f o r m i xs p a t i a id a t a b l a d e ，d b 2s p a t i a ld a t a e x 把n d e r 等。下面来简单介绍这几 种s d e 的优缺点。 0 r a c l es 口a t i a l 是在o r a c l ed b m s 基础之上进行的空间数据模型扩展，属 于两次架构的系统模式，它提供了对象类型( g e o m e t r y ) 用于表达点、线、 面、复合要素等，同时它有自己的一整套运行机制，如坐标参考系、数据模 型( 几何元素、几何对象、层) 、空问分柝计算、元数据管理、空间索引。 同样i b m 的d b 2 和i n f o m i x 也分别做了自己的空间数据模型扩展，分 别有其s p a t i a le x 妇坩e l 和s p a t i a ld a t 幻l a d e 技术，它和o r a c l es p a t i a i 的空间 扩展大同小异。 a r c s d e 支持没有空间扩展的r d b m s ，默认形式情况下，空间数据在 d b m s 数据库中是以b l o b 二进制格式存储地理几何数据的，当然也可以用 s d o ( s p a t i a ld a t a b a s eo b j e c t ) 方式进行存储，不过它没用利用空间数据扩 展方面的空间数据整合和操作功能，它有自己的空间分析计算；有自己独立 的几何对象模型和关系模型：空间元数据由自己来维护；空问索引按照自己 的机制来建立。 当然心c s d e 也有一些不足的地方，如它支持的数据类型有限：几何对 象模型复杂且不清晰；没有充分利用空间数据仓库技术：不支持多用户同步 机制等。 为此有必要在吸取a r c s d e 的优点的同时，尽量克服其中的不足，发展 空间数据库管理系统，带动国产g l s 的发展。 2 4 扩展空间查询语言 早在c o v e r a g e 数据模型时期，灵活、简单的s q l 查询语言就已被看好， 许多基于c o v e m g e 数据模型的g i s 软件都设计了自己的s s q l 语言，并制 作了相应的引擎，得到了广泛的应用。随着空间数据与属性数据的一体化存 储的出现，s ，s o l 就成为统一查询空间和属性数据的一种重要手段。 现在，许多商用数据库的空间数据扩展都提供扩展的空间查询语言，就 o r a c l es p a t i a l 来说，可以在s q l 语句中加入空间操作符、空间几何函数、空 间聚集函数、坐标系统转换函数等数据库对象，就可以进行空间查询。对于 空间与属性的一体化存储的结构中，这种方式操纵能力很强且组织起来更方 第1 4 页 吴杰学位论文 第二章对象关系型空间数据模型 便。 例如，有表c r e a t e t a b i eb e u i n g ( o i dn u m b e l s h a p em d s y s g e o m e t 忉 则某一拉框查询的s q l 语句为： s c l e c ia 。l df r o m b e n gaw h e r es d o _ f i l t e r ( as h a p e ，：a g e o m ，q u e 唧p c = w r n d o w ) = ，t r u e l ： ( 其中：a g e o m 为占位符，代表矩形框所表示的几何对象) 同样的空间操作符还有： s d o n n ( g m e t 。y 1 ，g e o m e r y 2 ，p a r a m 【，兀l i n l b e 川) ； s d 0 n n d i s t a n c e ( 1 1 i m b e j ) ： s d 0 一r j e l a t e ( g e o m e i r y i ，g e o m e i r y 2 p a r a m s ) ； s d o w i t h l n d i s t a n c e ( g e o m ee r y l ，a g e o m ，p a r a m s ) 空间函数有：s d og e o m r e l a t e 等1 9 个 空间聚集函数：s d o g g r _ m b r 等5 个 2 5 空间数据索弓 索引是对存储在介质上的数据位置信息的描述，是指示逻辑记录和物理 纪录之间一一对应关系的表或文件，主要用于提高系统对数据获取的效率。 空间索引是顾及空间实体表达形式多样、数据量庞大、空间操作计算复 杂等特点，依据空间实体的位置和形状或空间实体之间的某种空间关系，按 一定顺序排列的一种数据结构，其中包含了空间对象的概要信息：如空间对象 的标志、外接矩形、指向空间对象实体的指针等。它是对存储在介质上的数 据位置信息的描述，用来提高系统对数据获取的效率。它的性能的优劣直接 影响到空间数据库和地理信息系统的整体性能，是空间数据库管理系统和地 理信息系统的一项关键技术。 在普通数据库管理系统中，索引经常表现为一个文件，即指示逻辑记录 和物理记录之间的对应关系的表。通过关键字的索引使得关键字所对应标识 与数据库中的元组密切相联。索引表中的每一项包括一个数据值及一个或多 个指向存储在别处的数据的指针，通过指针可提取出被索引文件中与数据项 具有相同值的记录。索引可按关键字排序以加快数据搜索。 专家学者们提出了多种空间索引数据结构。目前最常见的是降维映射和 树结构法。降维映射是利用空间填充曲线将多维空间映射到一维空间，如 m o r t o n 码排列，然后用一维数据的索引技术来组织数据和建立索引项；树结 构法如四叉树、r 树等。点四叉树索引、k d 树索引、m x c i f 四叉树索引、 c e l l 树索引、f 树索引等适合内存索引，基于m o r t o n 码的b + 树索引，r 树索 第1 5 页 吴杰学位论文第二章对象关系型空问数据模型 引等适合磁盘索引。磁盘索引是空间索引的关键。 第】6 页 吴杰学位论文第三章空间数据库管理系统设计 第3 章空间数据库管理系统设计 空间数据库系统由数据库实体和空间数据库管理系统组成。而空间数据 库管理系统主要用于数据维护、操作和查询检索，它是地理信息系统应用项 目开展的瓶颈之一。 3 1 体系结构设计 软件开发是一个复杂的、耗资巨大的系统工程，设计合理而又易于扩展 的系统极为重要，根据当前软件技术发展的趋势以及g i s 软件的特点，在现 有商用关系数据库管理系统基础上，参照有关国际国内标准，基于客户服务 器环境，在一体化的空间数据模型的支持下，实现对空间数据的有效存储和 管理，并能通过扩充的s q l 和编程接口及时、快捷地访问空间信息，研制 具有特色的空间数据库系统，提供一个性能优异的空间数据组织、存储和访 问接口平台。具体来说要实现以下主要功能： 1 ) 合理的空间数据存储与组织：空间数据库管理系统在面向空间实体 及其对象关系数据模型的支持下，实现空间数据的组织和存储，空 间位置等信息仅作为空间实体的一个属性。从而改变现有的以图层 为单位的空间数据组织模式。空间数据的存储将空间信息关系化， 在统一的空间数据模型的支持下，实现在成熟的商用数据库管理系 统中的关系化存储。为实现“空间一属性数据一体化”、“矢量一栅格 数据一体化”和“空间信息业务信息一体化”奠定基础。同时通过建 立合理的包括拓扑在内的空间索引机制，以提高空间数据的访问和 操作效率。 2 ) 统一的空间数据访问：空间数据的访问是现有对象关系数据库管理 系统的s q l 的有效扩充，所有的空间数据访问采用扩充s q l 这一 统一的接口来实现。 3 ) 高效的空间数据操作：所有的空间操作以统一的空间数据模型为基 础，紧密结合商用数据库管理系统的特点和优点，利用商用数据库 管理系统的功能，从数据库管理系统底层实现空间数据的操作，并 第1 7 页 吴杰学位论文第三章空间数据库管理系统设计 合理利用空间数据索引技术，实现空间数据的高效操作。 4 ) 统一的元数据管理：参考国际和国内的相关标准，设计和实现空间 数据库管理系统的元数据规范，为用户访问和操作空间数据提供充 分的空间数据语义信息。 5 ) 用户管理：用户管理是实现数据安全的有效保障。空间数据库管理 系统的用户管理必须紧密结合商用数据库管理系统中的用户管理， 是在商用数据库管理系统用户管理的扩充和发展。 6 ) 并发管理：空间数据库管理系统支持多用户并发访问，设计合理的 多用户并发访问控制机制可以大大提高系统的性能，并使得空间信 息达到最大程度的共享。 7 ) 长事务处理：长事务处理是空间信息处理中的一个必须的功能。利 用关系数据库管理系统的功能，设计和实现长事务处理的合理机制。 8 ) 支持空间数据仓库的建立：空间数据仓库和联机空间分析是进行空 间分析决策的基础，空间数据仓库集成现有的空间数据库系统数据， 进一步发掘空间数据的潜在信息。 其体系结构如图3 1 所示。 图3 1空间数据库管理系统体系结构 第j 8 页 吴杰学位论文 第三章空间数据库管理系统设计 3 2 概念模型 地理信息系统由以下几个基本部分组成：人、数据、程序、软件、硬件。 其中数据是整个g i s 的基础和基石。地理数据由三部分组成，一是地理几何 数据，是与现实世界位置相关的信息，描述地理实体的空间特征；二是属性 数据，描述地理实体的属性特征；三是地理行为数据，描述地理实体的行为 如显示、编辑、分析、关系等。 面向实体的空间数据库可以提供管理地理数据的服务，包括：确认规则、 关系、拓扑联系等。空间数据库是在关系型数据库管理系统之上的基础构架， 描述现实世界对象的空间与属性的实体数据集合。空间数据库是整个地理信 息系统的核心。它的完备性和精度影响了其支持的所有应用。空间数据库将 现实世界抽象到数字化世界，如何组织与存储数字化地理特征十分重要。 0 p e n g i s 协会提出来对现实世界抽象的九层模型( 参见图3 2 ) ：t h e r e a lw o r l d 专t h ec o n c e p t u a lw o r l d 专t h eg e o s p a t i a lw o r l d 专t h ed i m e n s i o n a l w o r l d 专t h e p r 。j e c t w o r l d 专t h e o p e n g i s p o i n tw o r l d 专t h e o p e n g i s g e o m e t r y w o r l d 专t h e 0 p e n g i s f e a n l r ew o r l d 专t h e o p e n g i s f e a t u r e c 0 1 1 e c t i o nw o r l d 。通过九层抽象模型，现实世界可以抽象为地理特征集合世 界来进行描述。 第1 9 页 吴杰学位论文第三章空间数据库管理系统设计 刁i i n s t c o i i l n u n it y i n t e r f a c e s p a t i 8 1 r e f e r e n c e 图3 2 0 p e n g i s 九层抽象模型 o p e n g i s 基于上述构想提出来对整个现实世界的抽象模型，如图3 ，3 所 第2 0 页 c e e e e ：_ i r c e r c c h x r u 8 r u 8 如引 t t f u t f * “n e c r t c r 州叫 m u e b 毪 x “盯 麓 豪恶 e t n f t n 码幻 锄沁m 晰m 阡哳m 罪圄凿凿 攀一。一 呲 删 柰i i 漱勰 雾露国凿 吴杰学位论文第三章空间数据库管理系统设计 琶 虱，一 p a c k a 9 el ， f7 匿、匿 鬯竺翌 匿度睁 醇。箜 图3 3 o p e n g i s 抽象实体模型 i m e 协o a t a l 匦 i i - 陌磊鬲；r - 、 1l 【1 v p e、 i。一j 在本模型中对整个现实世界的抽象，抽象出的实体模型构架包括空间参 考系模型、地理几何对象模型、空间数据库模型、元数据模型( 参见囤3 3 ) 等四个基本层次。空间参考系确定了现实世界向实体世界转换的坐标系统， 地理几何对象模型是对现实世界抽象的地理基本几何对象，空间数据库模型 描述面向实体及其关系的数据模型，元数据模型描述实体模型的数据。 第2 l 页 章 警 吴杰学位论文第三章空间数据库管理系统设计 ii ；g e o m e l r y ： 图3 4ob l e c tm o d e l 3 3 几何对象模型 a r c g i s 软件平台在国内外享有较高的声誉和市场占有率它的几何对象模型如下 图3 5 第2 2 页 吴杰学位论文第三章空间数据库管理系统设计 臣氢f ! 运姜虱囱睦习 l 二= j 亡二d = = = 二 e 二_ l 二= 二 图3 - 5a r c g i s 几何对