（水利水电工程专业论文）基于odbc的流域gis空间数据存储与管理.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 数字流域所处理的数据大部分是空间数据，包括图形数据、影像数据、d e m ( 数 字高程模型) 数据等。传统地理信息系统软件一般将属性数据存储在数据库中，而将 空间数据库存放在义件系统中，或用内嵌空问数据厍来管理空阃数始。然而内嵌数钳 库缺乏商业数据库所拥有的开放性、一致性、安全性和标准化等一系列重要特性，不 适合管理海量、网络级的g i s 信息系统。在数字流域t 程的建设中，如何将g i s 空间 1 数据与属性数据统一存储于关系型数据库中，是目前需要重点解决的研究课题。，锣 为解决流域空问数据与属性数据一体化存储与管理的问题，一种有效的方法是建 立各种数据源的开放式数据库互连( o d b c ) 协议，及各自的驱动接口，有关g i s 的 应用程序通过统一的空间数据o d b c 驱动接口管理器操作各类数据源。本课题的目的 就是建立基于o d b c 的开放式数据访问模型，在现有的关系型数据库管理系统 ( r d b m s ) 的基础上进行空间扩展，将空间数据和非空间数据集成在r d b m s 中。 本文探讨了空间数据库的理论与技术以及当前的研究状况：深入分析和比较了 g i s 空间数据管理的几种模式；研究了o i s 空间数据的存储与查询技术；最后针对微 软s q ls e r v e r 数据库平台，提出了一种将空帕_ | 数据存入关系型数据库的数据模型，进 而根据此模型，开发了一个简易的g i s 空间数据引擎。该引擎基于o d b c ，实现了数 字流域的g i s 空间数据在关系型数据库s q ls e r v e r 中的存储、查询与管理。 关键词：g i s ，数字流域，空问数据库，o d b c ，空间数据库引擎数据模型 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed a t at h a td i g i t a lv a l l e yd e a l sw i t ha r em o s t l ys p a t i a ld a t a ，i n c l u d i n gg r a p h i c a ld a t a ， i m a g ed a t a , a n dd e m ( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) d a t a ，e t c c o m m o n l y , t r a d i t i o n a lg i s s o f t w a r es t o r e sa t t r i b u t ed a t ai n t od a t a b a s e s ，w h i l ep m s p a t i a ld a t ai m of i l es y s t e m s ，o r e m b e d d e d s p m i a l d a t a b a s e s h o w e v e r ，f i l es y s t e m sa n de m b e d d e dd a t a b a s e sl a c ko f r e l a t i o n a ld a t a b a s e s o p e n n e s s ，c o n s i s t e n c y ，s e c u r i t ya n ds t a n d a r d i z a t i o n t h e yc a n n o t m a n a g eh u g ev o l u m ea n d n e t w o r k - o r i e n t e dg i si n f o r m a t i o ns y s t e m s i nt h ec o n s t r u c t i o no f d i g i t a lv a l l e y , t h es t o r a g eo f g i ss p a t i a ld a t ai nr d b m si sa ni m p o r t a n ti s s u es h o u l db e s o l v e d i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo ft h ei n t e g r a t e ds t o r a g ea n dm a n a g e m e n to fv a l l e y s p a t i a l d a t aa n da t t r i b u t ed a t a , o n ee f f e c t i v em e t h o di st oe s t a b l i s h o p e nd a t a b a s e c o n n e c t i v i t y ( o d b c ) p r o t o c o lo f d i v e r s i f i e dd a t as o b r c e sa n dt h e i rd r i v ei n t e r f a c e s t h e a p p l i c a t i o np r o g r a m s o fg i s o p e r a t ed i v e r s i f i e dd a t as o u r c e sb y t h eu n i t e ds p a t i a ld a t a b a s e d r i v e ri n t e r f a c em a n a g e r t h ea i mo ft h et h e s i si st oe s t a b l i s ha no p e nd a t aa c c e s sm o d e l b a s e do no d b c ，e x t e n dt h er 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 m ( r d b m s ) ，a n d i n t e g r a t et h es p a t i a ld a t a a n d n o n - s p a t i a ld a t a i n t or d b m s t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fs p a t i a ld a t a b a s ea n dc u r r e n t r e s e a r c h ，a n a l y z e da n dc o m p a r e ds e v e r a lm e t h o d s o fg i ss p a t i a ld a t am a n a g e m e n t d e e p l y t h es t o r a g ea n dq u e r yt e c h n i q u e so fg 1 ss p a t i a ld a t aw e r ed i s c u s s e d a tl a s t ，b a s e do n m i c r o s o f ts q ls e r v e rd a t a b a s ep l a t f o r m ad a t am o d e l 、】l i n t r o d u c e dt os t o r es p a t i a ld a t a i n t or e l a t i o n a ld a t a b a s e t h e nb a s e do nt h ed a t am o d e l ，as i m p l eg i ss p a t i a ld a t a b a s e e n g i n ew a sd e v e l o p e d t h ee n g i n ew a sb a s e d0 1 1o d b c ，i m p l e m e n t e dt h es t o r a g e ，q u e r y a n d m a n a g e m e n t o f d i g i t a lv a l l e ys p a t i a ld a t a i ns q ls e r v e r k e y w o r d s ：g i s ，d i g i t a lv a l l e y ，s p a t i a ld a t a b a s e ，o d b c ，s p a t i a l d a t a b a s ee n g i n e ，d a t a m o d e l i i 华中科技大学硕士学位论文 i 绪论 i i 地理信息系统与数字流域的概念 地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是一种在计算机硬件、软件系 统支持下，对整个或部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、 运算、分析、显示和描述的技术系统【l 2 1 。 地理信息系统作为支持空间定位信息数字化获取、管理和应用的技术体系，随着 计算机技术、空间技术和现代信息基础设施的飞速发展，在全国经济信息化进程中的 重要性与日俱增。特别是当今“数字地球”概念的提出，使得人们对地理信息系统的 重要性有了更为深入的了解。最近十多年来，地理信息系统在全球得到了空前迅速的 发展，广泛应用于各个领域，产生了巨大的经济和社会效益。 地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定 位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等。数据库是g i s 的重要组成部分， 其主要功能是用于信息检索，并且能对专题数据进行覆盖分析和其他统计评价等决策 支持，这是g i s 其他功能的基础。g i s 中所要处理的数据除图形矢量数据以外，还存 在大量影像数据和d e m 数据，如何将矢量数据、影像数据和属性数据进行统一管理， 已成为空间数据库的一个重要研究方向。 广义地说，所谓数字流域，就是综合运用遥感( r s ) 、地理信息系统( g i s ) 、全球定 位系统( o p s ) 、虚拟现实( v r ) 、网络和超媒体等现代高新技术，对全流域的地理环境、 基础设施、自然资源、人文景观、生态环境、人口分布、社会和经济状态等各种信息 进行数字化采集与存储、动态监测与处理、深层融合与挖掘、综合管理与传输分发， 构建全流域可视化的基础信息平台和三维立体模型，建立适合于全流域各不同职能部 门的专业应用模型库和规则库及其相应的应用系统。在此基础上，研制和开发各级政 府领导部门综合管理整个流域，并进行宏观决策的计算机应用系统，是实现全流域各 类信息的可视化查询、显示和输出，将整个流域在计算机上虚拟再现，为各级政府主 管部门对全流域的综合规划、设计、建设、管理和服务等提供辅助决策依据和手段， 华中科技大学硕士学位论文 为社会公众提供关于流域信息服务的大型系统工程。 狭义地讲，数字流域是将上述广义数字流域的研究对象只局限于流域的水电能源 范畴，为全流域的水利水电部门应用和服务的计算机管理与应用系统。由此可见，数 字流域是一个集数字化、网络化和信息化等多种高新技术为一体的可视化计算机管理 和应用系统，是数字地球建设的一个重要区域层次。它不仅能在计算机上建立虚拟流 域，再现流域的各种资源分布状态，更为重要的是，它可以在对各类信息进行专题分 析的基础上，通过各种信息的交流、融合和挖掘，促进全流域不同部门、不同层次之 间的信息共享、交流和综合，进而对全流域的所有信息进行整体的综合处理和研究， 为全流域资源在空间上的优化配置、在时间上的合理利用，宏观、全局地制定整体规 划和发展战略，减少资源浪费和功能重叠，实现可持续发展提供科学决策的现代化工 具。 数字流域工程建设，对改善流域投资和生态环境、创造新的经济增长点具有重大 的推动作用，是展示全流域传统文化和旅游资源、树立流域现代化形象、扩大流域对 外开放的重要窗口。数字流域工程建设，是2 1 世纪以数字化、网络化和信息化为特 征的新经济时代的必然发展趋势，是实现传统水利水电向信息化水利水电发展的熏要 途径，必将成为政府组织、各部门参与、全社会共享的一项新兴基础设施建设事业1 3 j 。 在数字流域的建设中，涉及到大量的数据，这些数据大多具有地理空间特征，一 般用g i s 软件显示、操作和修改，g i s 空间数据的存储与管理是目前研究的一个热点。 1 2g i s 空间数据的特征 数据是g i s 系统中最基本的部分，利用计算机来提取、处理数据是g i s 的基本功 能。g i s 处理的数据分为两类：一类是地理元素中非空问的属性信息，称为属性数据； 一类主要是和空间位置空间关系有关的数据，称为空间数据。属性数据具有与一般事 务类数据相同的特征。当前关系数据库技术日益成熟，适合组织与管理g i s 数据中的 属性数据，建立属性数据库。而空间数据是指与空间位置和空间关系相联系的数据， 归纳起来它具有以下5 个基本特征： ( 1 ) 空间特征 2 华中科技大学硕士学位论文 地理信息具有空间定位的特点，每个空间对象都具有空间坐标，即空间对象隐含 了空间分布特征。这意味着在空间数据组织方面，要考虑它的空间分布特征。除了通 用型数据库管理系统或文件系统关键字的索引和辅助关键字索引以外，一般还需要建 立空间索引。 ( 2 ) 非结构化特征 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要求，每一条记录是定长的，数据项表达的只能是原子数据，不 允许嵌套记录。而空白】数据则不能满足这种结构化要求。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，不满足关系数据模型的范式要求，这就使得空间图 形数据难以直接采用通用的关系型数据库管理系统来管理。 ( 3 ) 空间拓扑关系特征 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。这种拓扑关系一方面方便了空间数据的查询和空间分 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性。特别是有些几何对 象，没有直接记录空间坐标的信息，如拓扑的面状目标，仅记录组成它的弧段的标识， 因而在查找、显示和分析操作时都需要操纵和检索多个数据文件方可得以实现。 ( 4 ) 分类编码特征 一般而言，每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，每一种地物的类型在某个g i s 中的属性项个数是相同 的。因而在许爹晴况下，一种地物类型对应于一个属性数据表文件。 ( 5 ) 海量数据特征 空间数据量是巨大的，通常称海量数据。之所以称为海量数据，是指它的数据量 比一般的通用数据库要大得多。一个城市地理信息系统的数据量可能达几十g b ，如 果考虑影像数据的存贮，可能达几百个g b 。这样的数据量在城市管理的其他数据库 中是很少见的。f 因为空间数据量大，所以需要在二维空| 日上划分块或者图幅，在垂 直方向上划分层来进行组织f 4 4 l 。 空问数据的这些特征对g i s 的数据管理提出了更高的要求，在g i s 中，如何将矢 3 华中科技大学硕士学位论文 璧数据、影像数据、d e m 数据等窄问数据跟属性数据进行统一管理，已成为地理信 息系统的一个重要研究方向。 1 3 课题的来源、目的和意义 1 3 1 选题背景 g i s 的核心是空间数据库，空间数据库系统是一个存贮空间和属性数据的数据库 系统，其数据模型和查询语言能支持空间数据类型和空间索引，并且提供空间查询和 其它空间分析的方法。在g i s 的集成环境中，数据库被g i s 系统平台完全封装，并且 在同一进程中对数据库进行操作，效率较高：不仅具有图形显示、编辑处理功能，而 且提供了强大的空间分析能力，通过内置的属性数据库，将图形与数据库进行关联， 实现属性到图形或图形到属性的双向查询。但这样的混合数据模型也存在以下几点明 显的不足： ( i ) 空间数据采用各个g i s 厂商定义的各种格式，不利于数据共享； ( 2 ) 空间数据以文件格式存储，安全性难以得到保证，也不利于管理； ( 3 ) 空间数据、属性数据的一致性维护比较困难； ( 4 ) 对c s 体系结构的支持能力差，不利于数据的传输。 关系数据库是目前数据库发展的主流，具有良好的安全措施和数据恢复机制。随 着复杂数据的引入，例如多媒体数据、空间数据等，对数据管理又提出了新的要求。 目前，关系数据库系统提供了存储复杂数据类型的能力，使利用关系数据库来管理空 间数据成为可能。 论文选题来源于：华中科技大学水电及数字化工程学院与湖北清江水电有限责任 公司合作开发的“数字流域”项目清江流域水文水情分析及仿真系统。该课题在 清江流域基础水文水情数据模型及数字化三维地形基础数据模型基础上，充分应用清 江公司已有的分析预报模型及国内外水文学、水力学工程晃与学术界的研究成果，建 立一个集水情分析、虚拟景观、三维可视化与一体的分析系统。 该系统涉及到了大量的数据，其中主要是与地理位置有关的空间数据，数据量大 4 华中科技大学硕士学位论文 且种类繁多，格式不一，这些数据的显示和操作是在g i s 应用软件中完成的，如何方 便、有效的将流域g i s 中空间数据与属性数据在关系型数据库中统一存储与管理，是 本课题研究的重点。 1 3 2 研究目的 为解决数字流域中空自j 数据与属性数据一体化存储与管理的问题，一种有效的方 法是建立各种数据源的开放式数据库互连( o d b c ) 协议，及各自的驱动接口，有关 g i s 的应用程序通过统一的空问数据o d b c 驱动接口管理器操作各类数据源【6 j 。 本课题的目的就是建立基于o d b c 的开放式数据访问模型，在现有的关系或对 象关系型数据库管理系统的基础上进行空间扩展，将空间数据和非空间数据集成在商 用关系型数据库管理系统中，以满足g i s 系统对空间图形数据的特殊查询和拓扑运 算，即根据属性数据访问图形数据，或由图形数据访问属性数据。实现快速的、多用 户的数据存取与管理，提供开放的应用开发环境。 1 3 3 课题意义 目前大型的关系型数据库技术已经比较成熟，在完整性、安全性、标准化、开放 性、可扩充性等方面日益完善，尤其是对变长字段支持的实现。利用关系型数据库的 这些优势，将空间数据和属性数据一体化存储于关系型数据库，将会更有效地存储和 管理g i s 数据，且便于空问分析。 全关系型存储的方法具有以下几点优势：( 1 ) 将g i s 中图层管理的思想融入关 系型数据库的空间数据管理中。建立图层的索引表，便于空间数据的快速检索以及与 g i s 软件的数据交换。( 2 ) 基于原有的g i s 标准数据结构，利用现有的技术与其它g i s 数据类型相互转化方便，空间数据开放性较强，有利于实现g i s 平台数据共享和互 操作。( 3 ) 图形显示和检索等操作仍由g i s 实现，无须从底层开发针对图形操作的 功能，实现方法比较容易。 尽管目前已经有一些厂商实现了用大型关系数据库来管理g i s 空问数据，比如 e s r i 公司的s d e 、o r a c l e 公司的o r a c l es p a t i a l 等，但这些商用空间数据库引擎都比 5 华中科技大学硕士学位论文 较昂贵，在实际应用中，从经济可行性、软件兼容性、实用性，以及二次开发等方面 考虑，自己丌发相应的空问数据接口程序是简单而实用的。 本文所，r 发的基于o d b c 的空、日j 数据接u 应用于“数字清江”系统中，实现了 流域空间数据和属性数据在商业关系型数据库中的统一存储与管理，具有经济、实用、 可扩展性强等特点，对课题后续部分的开发奠定了基础。 1 4 本文的主要研究内容和所做的工作 本文阐述了g i s 空间数据存储与管理的基本理论与技术，以及当前的研究状况； 深入分析和比较了g i s 空间数据管理的几种模式；研究了g i s 空间数据的存储与查询 技术。 在上述理论基础之上，通过对g i s 空间数据存储机制的深入研究与实践，提出了 一种将g i s 空间数据存入关系型数据库的数据模型，详细分析了空间数据在r d b m s 中的存储方式、数据组织、空间图形要素的表达；最后根据此模型，针对微软s q l s e r v e r 数据库系统，利用v i s u a lc + + 6 0 开发了一个简易的( 3 i s 空间数据引擎，并将 其应用于数字流域的开发系统中。该引擎基于开放式数据库连接( o d b c ) ，提供了 g | s 应用软件与关系型数据库之间的访问接口，实现了流域g i s 空间数据在关系型数 据库s q l s e r v e r 中的存储、查询与管理。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 空间数据库技术概述 2 1 空间数据库的概念 首先，空间数据库是一个数据库管理系统( d b m s ) 。其次，在空间数据库的数 据模型中能提供空1 日j 数据类型和查淘语言，支持空日j 关系、空1 日j 特性和宅间操作。第 三，在空间数据库的实施中支持空间数据类型，可进行有效的检索和索引，支持空间 选择和空间连接。概括的说，空间数据库系统是一个存储空间和非空问数据的数据库 系统，其数据模型和查询语言能提供空间数据类型，可以进行空间索引，并且提供 空间查询和其它空间分析的方法【7 1 。空间数据库的研究内容包括：空间及属性数据的 分析，空间模型分析，空间数据库的设计，空间数据查询及空间数据索引，以及其它 一些技术问题。 空间数据库技术为空间数据的管理提供了便利，它可以充分利用r d b m s 安全用 户管理、数据备份等功能，实现空间数据和属性数据真正的无缝连接，提高数据管理 和应用效率，便于数据共享，也为g i s 采用完全的c s 模式提供了基础。目前空间数 据库软件产品已经取得了广泛应用，比较知名的有o r a c l e 公司的o r a c l es p a t i a l 、e s r i 公司的s p a t i a ld a t a b a s ee n g i n e ( s d e ) 、m a p l n f o 公司的s p a t i a lw a r e 和i n t e r g r a p h 公 司的g e o m e d i a 等【引。 2 2 空间数据模型 空间数据模型是用来抽象、表示和处理显示世界中的数据和信息，是对现实世界 的模拟。空间数据管理是以给定的内部数据结构为基础，通过建立合理的数据模型， 从而建立数据库管理系统，力求有效地实现系统地应用要求。空问数据模型就是寻求 种描述地理实体地有效地数据表示方法，根据应用要求建立实体地数据结构和实体 之间地关系，把它们合理地组织起来，便于应用。对空间数据模型的认识和研究在设 计g i s 空间数据库和发展新一代g 1 s 系统的过程中起着举足轻重的作用。已提出地空 间数据模型包括栅格模型、矢量模型、矢量一栅格一体化模型及面向对象的模型。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 2 1 栅格模型 栅格数据模型是最简单、最真明地一种空脚数据模型，它是将地面划分为均匀地 网格，每个网格作为一个像元，像元的位置由所在行、列号确定，像元所含有的代码 表示其属性类型或仅是与其属性记录相联系的指针。在地理信息系统中，扫描数字化 数据、遥感数据和数字地面高程数据( d t m ) 等都属于栅格数据。由于栅格结构中的 行列阵列的形式很容易为计算机存储、操作和显示，给地理空间数据处理带来极大的 方便，收到普遍欢迎。又因为在栅格结构中，是将地面分划成相互邻接的大小均匀格 网方块，然后使每一地块与一个栅格像元对应。这样可知，由栅格结构所表示的地表 数据是不连续的，是经过量化的离散值，而每一个像元大小与它所代表的实地地块大 小之比就是栅格数据的比例尺。这样，在使用栅格数据计算面积、长度、形状等空间 指标时，若像元所代表的实地地块尺寸较大，则会造成较大的计算误差。 2 2 2 矢量模型 矢量数据模型是通过记录坐标的形式，用点、线、面等基本要素尽可能精确的来 表示各种地理实体。矢量数据表示的坐标空间是连续的，因此可以精确定义地理实体 的任意位置、长度、面积等。矢量数据的精度主要受数字化设备的精度和数值记录字 长的限制。矢量数据结构直接以几何空间坐标为基础，记录取样点坐标，可以将目标 表示得精确无误。对于一个数字制图系统而言，按照这种简单得记录方式，再适当增 加目标得主记名称、输出的线型和符号等，在矢量绘图仪上就可以得到精美的地图。 另外，该结构还可以对复杂数据以最小的数据冗余进行存储，相对于棚格结构来说， 它还具有数据精度高，存储空间小等特点，是一种高效的图形数据结构。在g i s 软件 中，主流是矢量格式的，如占g i s 市场份额最大的e s r i 公司的a r c i n f o a 2 2 3 矢量栅格一体化模型 在基于栅格的g i s 中，人们已经用元子空间充填表达方法表示面状地物a 对于线 状地物，以往人们仅使用矢量方法表示。事实上，如果也采用元子空间充填表达方法 8 华中科技大学硕士学位论文 表示线状目标，就可以将矢量和栅格的概念辨证统一起来，进而发展矢量栅格一体化 的数据结构。设在对一个线性目标数字化采样时，恰好在所经过的栅格内部获得了取 样点，这样的取样数据，就具有矢量和栅格双重性质。一方面，它保留了矢量数据的 全部特性，一个目标跟随了所有位置信息，并能建立拓扑关系；另一方面，它建立了 路径栅格与地物的关系，即路程上的任意一点都与目标直接建立了联系。这样，用填 满线性目标路径和充满面状目标空问的表达方法作为矢量栅格一体化数据结构的基 础。每个线性目标除记录原始取样点外，还记录所通过的栅格；每个面状地物除记录 它的多边形周边以外，还包括中间的面栅格。无论足点状地物、线性地物，还是面状 地物，均采用面向目标的描述方法，即直接跟随位置描述信息并进行拓扑关系说明， 因而它可以完全保持矢量的特性，而元子空间充填表达建立了位置与地物的联系，使 之具有栅格的性质。这样的数据模型就是矢量一栅格一体化的数据模型【9 】。 2 2 4 面向对象的模型 面向对象数据模型是面向对象技术与数据库技术相结合的产物。面向对象技术已 成为现代计算机技术的主流技术。在众多领域，面向对象技术已成为新代软件体系 结构的基石。面向对象数据模型和面向对象的空间数据管理一直是地理信息系统领域 所追求的目标。自上世纪八十年代末以来，人们就相当重视面向对象技术在g i s 领域 的应用软件技术也在不断发展。较早推出的面向对象g i s 软件s y s t e m 9 ，对面向对象 方法在g i s 中的应用起了较大推动作用。之后的s m a l l w o r l d 和a r c i n f o ，已使面向对 象g i s 到了普及应用阶段。国产g i s 软件g e o s t a r 从一开始设计就采用面向对象数据 模型和面向对象技术，中国的地球空间数据交换格式也以面向对象逻辑模型为主要设 计思想。 在面向对象数据模型中，其核心是对象，对象是客观世界中的实体在问题空问的 抽象。空间对象是地面物体或者说地理现象的抽象。空间对象有两个明显的特征：一 个是几何特征，它有大小、形态和位置：另一个是地物要素的属性特征。就属性特征 柬说，一般将空问对象进行编码，国家办有空间要素的分类编码标准。就几何特征而 苦，空间对象在二维g i s 中可以抽象为零维对象、一维对象和二维对象。 9 华中科技大学硕士学位论文 实际上，我们将零维对象均抽象为点对象，一维对象抽象为线对象，二维对象抽 象为面对象。为了直观地表达空问对象及周围环境的状态和性质，一般需要注记，办 可称为注记对象。 在面向对象的数据模型中，有四类空问实体对象：点对象、线对象、面对象、注 记对象。它们可以看成是所有空间地物的超类。每个对象又根据其物理( 属性) 特征 划分成地物类型，一个或多个地物类组成个地物层。地物层是逻辑上的，一个地物 类可能跨越几个地物层，这样就大大方便了数据处理【m 】。 2 3 空间数据存取方法 空间数据库中重要的一类几何操作，是空间搜索操作。检索和更新空问数据通常 不仅基于数据对象的文本属性，还需要其空间属性。对空间数据库的查询需要执行快 速的几何搜索操作，比如点搜索、区域搜索。两者都需要快速存取数据库中在空间占 据一定位置的空间数据对象。为支持这样的搜索操作，就需要空间存取方法。 传统的数据库有许多有效、可行的存取方法，但都是一维存取方法，如b 树，扩 展的h a s h i n g 。为处理多维查询，一种做法是连续对每一维都应用一维存取方法。然 而，这种方法的效率是不高的，因为每个索引在遍历时和其它索引相互独立，在某一 维搜索可能效率高，但不一定对其它的索引有效。通常，需要扩展一维存取方法以处 理多维数据。 利用多维存取方法，在空间数据库中通常采用如下方式管理空间对象：由于实际 几何对象的形状是任意复杂的，用对象的完整几何描述构造索引是不可取的。相反， 可以采用对精确对象的近似。在空间对象加入一个索引时，通常先对其实际形状进行 提取，即用一个简单的形状如一个边界框来近似实际的空间对象，给定最小范围区间， 常用的是矩形，称为最小范围矩形( m i n i m u mb o u n d i n gr e c t a n g l e ，m b r ) l i i l 。 2 4 空间数据库逻辑组织 关系型数据库是建立在关系模型的基础之上，它的基本组成为表，每个表由相应 1 0 华中科技大学硕士学位论文 的列( 域段) 和行( 记录) 组成，一个数据库则有许多表组成，表之间采用一定的关 系进行组织。目前，空间数据的组织形式般为图层。多个具有某些相同或相似特征 的空间对象的集合，在数据库中以表的形式进行组织和表达，形成表图层。根据所记 录的空间要素类型的不同，将表图层分为普通图层、拓扑图层和栅格图层，栅格图层 与普通图层、拓扑图层集成管理，可以进行相互转换，普通图层可以混合存储不含拓 扑的点、线、面、体对象，拓扑图层分为拓扑线、拓扑面、拓扑体图层，栅格图层分 为2 d 和3 d 栅格图层。对于一个空间数据库有一个图层元数据表和一个工程数据表， 图层元数据表记录该库中所有表图层的元数据，工程数据表记录该工程的描述信息， 其逻辑组织结构如图2 1 所示。 图2 - 1 空间数据库的逻辑组织结构 2 5 空间数据库的体系结构 图2 - 2 空间数据库的体系结构 空间数据和属性数据经过有机的集成处理存储于关系型数据库中，因而可以利用 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = ；= = = = = = = ；= = 一一= ：一： d b m s 的管理功能，实现基于数据库的数据操作、版本控制、权限管理和优化查询等。 通过各个表之间的关键字建立联系，实现数据的关联致性和互逆操作。空间数据表 的条记录相当于一个空日j 对象，通过定义全局或私有函数，可以实现跨图层空问分 析操作。空间数据库的体系结构如图2 2 所示。 在空间数据库服务器上，配置o d b c 访问数据库，实现查询优化，提高数据访 问速度，同时便于实现分布式操作。通过空阃数据访问接口实现空间数据的压缩、 解压缩、数据提取、空问检索和分析等操作，同时为o r a c l es p a t i a l 、i b md b s p a t i a l e x t e n d e r 以及e s r is d e 和m a p l n f os p a t i a lw a r e 提供接口，但具体的空间索引、检 索、分析等操作由其空间数据库自身维护、完成。 在执行空间检索、分析等操作时，首先经过空间索引表，提取粗略的空间对象 标识，然后按照空间对象标识，经过空间数据表过滤，提取空间对象，严格执行空 间计算，满足条件的空间对象即为结果。这种空间索引机制，基本能满足常规空间 检索分析的要求。 2 6 空间数据库技术的研究现状 目前，商用成熟g i s 软件都朝着将空间数据与属性数据存储于同一关系型数据库 r d b m s 方向发展。其中比较成熟的有m a p l n f o 公司的s p a t i a l w a r e ，e s r i 公司的s d e ， 2 疋o r a c l e 公司的o r a c l es p a t i a l ，它们都提供了全关系型或对象一关系型的数据模型。 下面对这三种技术做一简要分析。 2 6 1 m a p l n f o 中的空间数据库技术 m a p l n f o 是一种流行的o i s 开发平台，目前应用非常广泛。m a p l n f o 中的数据库 是采用混合型的空间数据库结构，分别使用不同的模块存储空间数据和属性数据。 其空间数据在垂直方向上是按分层进行组织的，如其图例中的美国地图由州界、州 府、重要城市和告诉公路等若干图层组成，因此进行地图显示时有很大的灵活性。 空间数据在水平方向上是按地图幅组织的，但图幅的大小不确定。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 m a p l n f o 中的数据模型采用基于对象的空间数据模型，基于对象的空间数据模型 的基本思路为将所要描述的信息空间视为离散的、可标识的和与空间相关的对象的 集合体。m a p l n f o 中每一个图层由5 个文件组成，其后缀分别为：t a b 、d a t 、i d 、 m a p 、i n d ，其中： ( 1 ) 属性数据的表结构文件( t a b ) 属性数据表结构文件定义了地图属性数据的表结构，包括字段( f i e l d ) 数、字段名 称、字段类型和字段宽度、索引字段及相应图层的一些关键空间信息描述。t a b 文 件实际上是一个文本文件。 ( 2 ) 属性数据文件( d a t ) 属性数据文件中存放完整的地图属性数据。在文件头之后，为表结构描述，其后 首尾相接地紧跟着各条具体的属性数据记录。 ( 3 ) 交叉索引文件( i d ) 交叉索引文件记录了地图中每一个空间对象在空间数据文件( m a v ) 中的位置指 针。每四个字节构成一个指针。指针排列的顺序与属性数据文件( d a t ) 中属性数据记 录存放的顺序一致。交叉索引文件实际上是一个空间对象的定位表。 ( 4 ) 空间数据文件( m a p ) 空侧数据文件具体包含了各地图对象的空间数据。空间数据包括空间对象的几何 类型、坐标信息和颜色信息等。另外还描述了与该空间对象对应的属性数据记录在属 性数据文件f d a t ) 中的记录号，这样当用户从地图上查询某一地图对象时，就能够方 便地查到之相关的属性信息。 ( 5 ) 索引文件( i n d ) 索引文件并不是必须的，只有当用户规定了数据库的索引字段后，m a p l n f o 系统 j 会自动产生索引文件。索引文件中对应于每个索引字段都有一个索引表。在每个索 引表中，先给出总的数据库记录数目，然后按照索引顺序给出每条属性数据记录在对 应的索引字段处的具体属性数据，和该记录在属性数据文件( d a t ) 及交叉索引文件 ( i d ) 中的记录号 1 2 - 1 4 】。 m a p l n f 0 采用双数据库存储，属性数据存于属性表，空洲数据存储m a p l n f o 自定 1 3 华中科技大学硕士学位论文 义文件中，两者通过一定的索引机制联系起来。其索引如图2 3 所示。 属性数据空间数据 文件头文件头 字段数字段定义索引1 _ 点、记录号、坐标 一 字段1 说明记录1索引2 一 一 线、记录号、坐标线型 记录2 - 面、记录号、坐标填充 一 一 字段m 说明索引n 图元数据描述记录x图例、颜色、大小 图幅区域 图层说明拐点数及坐标信息 图上实体描述 i d 文件 t a b 文件d a t 文件m a p 文件 图2 - 3m a p l n f o 的文件格式及数据关联机制 可以看出，属性数据文件( d a t ) 中记录的排列顺序和交叉索引文件( i d ) q b 指针的 排列顺序是一致的。从空间对象查询属性信息时，m a p l n f o 先在空间数据文件( m a p ) 找到相应的记录号，假设记录号为n ，则在交叉索引文件( i d ) 找到第n 个指针，该 指针指向的属性数据记录n 就是与空间对象对应的属性信息。反之，也可以通过属 性信息查询到空间信息。 2 6 2e s r i 的s d e 研究情况 美国环境系统研究所e s r i 推出的空间数据库管理软件s d e ( s p a t i a ld a t a b a s e e n g i n e ) ，在现有的关系或对象关系型数据库管理系统的基础上进行空间扩展，可以 强空间数据和非空间数据集成在目前绝大多数的商用d b m s 中。s d e 采用真正的客 户服务器体系结构的，是高性能、面向目标的空间数据库管理系统，并提供一系列 用于管理和访问大型分布式的地理数据的功能，用以支持超大型空间数据库管理以 1 4 华中科技大学硕士学位论文 及在网络环境中对多用户并发空间数据访问的快速响应方面的应用。s d e 为系统开 发者和集成商提供了一个高效能分布式和多用户的实时应用系统开发工具，它由一 个多线程的空间数据库服务器和客户应用程序接n ( a p i ) 组成。 从空间数据管理的角度来看，s d e 可看成是一个连续的空间数据模型，借助这 一模型，可将空间数据加入到关系数据库管理系统( r d b m s ) 中去。s d e 融入r d b m s 后，提供了对空间、非空间数据进行高效率操作的数据库接口。由于s d e 采用的是 c l i e n t s e r v e r 体系结构，大量用户可同时针对同一数据进行操作。s d e 提供各种应用 程序接口( a p i ) ，丌发人员可将空间数据检索和分析功能集成到他们的应用工程中 去。例如：房地产应用可返回通过邮政编码检索的城市房屋列表及描述。用s d e ， 该应用可包含空间信息，只要将房屋的位置、街道路网以及学校和商业区等特定区 域位置等存放到数据库中即可。有了这些信息，房地产代理商就能拿到例如位于某 座房屋一到二公里范围内的学校及商店的位置列表，并得到这一区域的图形信息， 打印输出街道、公共建筑和可用房屋的位置图等。s d e 在标准关系数据库环境中( 如 o r a c l e 、s y b a s e 、i n f o r m i x ) 实现，它使用一种可靠的几何数据模型来表达地理特征， 并辅之以关系数据库的数据类型表达各种属性信息，除了从关系数据库那里继承的 各种优越性，s d e 还实现了客户服务器互操作处理的结构，可以同时满足成百上千 的应用需求。客户机应用开发界面可以在几种不同平台上使用，而且很容易地集成 到应用开发环境中【1 6 - 1 8 1 。 s d e 的体系结构是一种数据库的而不是g i s 系统的体系结构，它使用关系型数 据库来存贮和管理所有空间数据和属性数据。s d e 是位于r d b m s 上面一个层次的 服务程序，为客户的请求提供空间数据的查询访问和分析服务。客户端对s d e 所有 功能访问都是通过应用程序接n ( a e t ) 来完成，s d e 应用程序接1 3 提供给用户标准的 空间查询和分析函数，以c 语言函数库的形式存在。新版本的a r c v i e w 就嵌入了s d e a p i 程序，使a r c v i e w 可被用来作为s d e 的客户端产品，请求s d e 服务器的服务。 s d e 的体系结构如图2 - 4 所示，客户端应用是最终用户运行的软件，它可以是 a r c v i e w 、m a p o b j e c t s 或a r c i n f o 的应用，也可以是用户为某一特定工程开发的应用。 与客户端应用结合的是s d e 客户库( c l i e n tl i b r a r y ) ，这是一个程序设计接e l ，用于 1 5 华中科技大学硕士学位论文 处理客户端应用提出的请求。 图2 - 4s d e 体系结构示恿图 在服务器端，有s d e 服务器处理程序、关系数据库管理系统和实际的数据。服 务器在本地执行所有的空间搜索和数据提取工作，它仅将满足搜索条件的数据在服务 器端缓冲存放并发回到客户端。缓冲处理收集大块的数据，然后将整个缓冲区中的数 据发往客户端应用，而不是一次只发一条记录。在服务器端处理并缓冲的方法大大提 高了效率，并使网上荷载大大降低。这在应用操纵数据库中成百上千万的记录时变得 至关重要。 s d e 采用协作处理方式，即处理既可在s d e 客户库一端也可在s d e 服务器一 端，取决于具体的处理在哪一端更快。有的功能不需要与服务器通讯。像多边形叠加 和分割这类主要耗费c p u 资源的任务，由客户库来完成最好，这样可避免大量的网 上操作。所有的服务器任务都是在s d e 服务器所在的平台e 完成的。而客户端应用 则可运行于多种不同的平台和环境，去访问同一个s d e 服务器和数据库。 s d e 采用的先进技术，对我们开发自己的空间数据库系统是很好的借鉴。但是， 在有些方面s d e 也还存在许多不足：( 1 ) 索引方法只采用了固定栅格模型，索引效率 较低，而在目前的学术研究中，基于r 树的空间索引方法已广为应用且技术成熟， 是以后的发展方向。( 2 ) 空间数据中不含拓扑逻辑，这虽然减轻了空间数据存储的 复杂度，但也降低了空间查询和空间分析的性能。( 3 ) 空间数据类型中尽管有了三维 数据类型，但空间操作函数中针对三维对象的操作很少，对三维g i s 的支持有限。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 由于s d e 的数据模型采用基于对象的模型，对基于域的模型支持有限，这也限制 了s d e 的应用领域。 2 6 3o r a c l e 空间实据库技术o r a c l es p a t i a l o r a c l e 公司于8 0 4 版本中推出了空间数据库管理工具s p a t i a l c a r t r i d g e ( s c ) ， s c 采用多记录多字段存储空间数据，s c 的空间数据管理和空间数据分析完全由 o r a c l e 来执行，对图形数据的管理采用的是一种开放的方式，任何授权用户可以通过 s