福建省基礎空間數據管理技術研究

摘要：福建省基礎地理信息中心作為福建省基礎空間數據的管理和分發服務單位，管理和分發福建省多種類、多比例尺、多數據源、分布式、多時態的基礎空間信息，在基礎空間數據管理上存在多種形式，本文通過幾種管理模式的技術分析，結合中心的管理實際，總結了福建省空間數據管理的多樣性和技術特點，對比分析出各種管理模式的優勢和缺點。
 關鍵詞：空間數據   管理   文件   數據庫

1. 引言
 空間數據是指與空間位置和空間關系相聯系的數據。福建省基礎空間數據是以數字線劃圖（DLG）、數字高程模型（DEM）、數字正射影像（DOM）、數字柵格地圖（DRG）（簡稱4D產品）為主要代表的基礎地理信息數據，還包括：數字地形圖、控制點、各種分辨率的遙感影像和航片等數據。
 空間數據具有以下特點：1）空間特征2）非結構化數據3）空間拓撲關系特征4)分類編碼特征5）海量數據特征�？臻g數據具有非常規數據的特征，因而對空間管理也不能直接采用關系數據庫方式管理。目前，對空間數據的管理主要是在傳統數據管理技術的基礎上改造、擴展來實現空間數據的管理，采用專用體系結構方式進行管理，甚至采用專門的空間數據庫管理系統來管理。通�？臻g數據管理方式有下述幾種方式：文件管理方式、文件——數據庫混合管理方式、空間數據庫管理方式。福建省基礎地理信息中心對空間數據的管理主要是文件——數據庫混合管理方式以及數據庫管理方式兩種形式。數據庫管理方式正逐漸成為空間數據管理的主要潮流。
2. 福建省基礎空間數據管理
 2.1. 文件管理方式
 由于空間數據同一類型的地理實體的空間數據（即定位數據），如道路，不同的道路一般具有不同的空間形態和復雜程度，用來表達它們的空間點數不相等。也就是說，同一類型的空間實體，表達該類不同實體的空間數據的數據項是不相等的，無法用表格的方式來統一存儲管理。所以，空間實體的空間數據無法用關系數據庫管理系統來進行管理而采用操作系統的文件系統來存儲管理。在文件管理方式下，其體系結構如圖1。
 在這種管理方式中，文件管理系統是操作系統的一部分，是通用的文件管理，而不是專門的數據管理軟件，空間數據依然保留自身的文件格式，GIS平臺負責響應對不同文件格式的空間數據請求，對于一般的流行的空間數據格式，GIS平臺都能支持。這種空間數據庫的建立和研究也就是根據應用的需求合理安排文件目錄。
 福建省基礎地理信息中心的歸檔基礎空間數據即屬于文件目錄管理方式，這些空間數據按照數據類型－生產單位－測區（片區）－生產時間－文件的目錄文件方式組織和存放，所有空間數據文件在WORD文檔中登記造冊，記錄文件存放的物理位置，在分發服務時對照記錄提取文件。
 采用文件管理數據的優點是靈活，可以任意定義自己的文件格式，管理各種數據。文件管理的缺點也是顯而易見的，尤其較為大型的GIS一般建立在Internet/Interanet上，采用文件方式進行管理相對于數據庫管理存在兩方面的不足：數據共享性差、數據獨立性低。
 2.2. 文件——數據庫混合管理方式
 傳統的GIS數據庫實際上包含2個數據庫，一個空間庫(圖形庫)，一個屬性庫(關系庫)，并且空間數據和屬性數據是單獨存放，二者以相同的字段為聯結紐帶。其模式如圖2。
 其中圖形文件存儲點、線、面圖形要素，主要采用拓撲結構編碼存儲；后者存儲屬性數據，屬性庫是一個典型的關系數據庫，采用常規(關系)數據庫編碼存儲。這也是通常所說文件——數據庫混合管理方式。其體系結構如圖3。
 目前福建省測繪局生產的DLG是按照GIS標準生產的數字線化圖，這種數據以當前流行的通用GIS格式文件存儲，如E00\SHAPE等格式，文件存儲了圖形和對應的屬性數據。這種管理方式克服了屬性數據管理的效率、安全性和共享等問題，提高了系統效率，同時也便于與以文本數值型數據為主的辦公自動化（OA）和管理信息系統（MIS）實現集成管理。
 但是這種方式還是以文件形式進行空間數據管理，空間數據還是不能享受關系數據庫管理系統的優越性，更不能滿足分布式系統和網絡服務器用戶本機體系的要求。隨著圖形數據的海量增長，管理難度急劇增大，特別是GIS應用的普及和非GIS領域訪問空間數據的需求，要求采用商用數據庫管理系統管理圖形和屬性數據即空間數據庫管理方式。
 2.3. 數據庫管理方式
 由于傳統數據庫的局限性使其很難滿足這些新的應用領域。為了支持新應用，人們在傳統數據庫系統的基礎上針對不同應用進行不同功能的擴展以滿足應用的需求，同時在新數據理論上進行了廣泛的研究，產生多種空間數據庫管理方式。其主要目標是實現空間數據一體化存儲管理，各種空間數據庫的基本管理模式如圖4。
 從圖4描述可知，空間數據庫的研究主要是對幾何字段數據的處理，通過建立不同的幾何數據模型，產生了不同數據庫管理方式。目前，主要有三種空間數據庫：全關系型空間數據庫（RDB）、面向對象型空間數據（OODB）、對象——關系型數據庫（ORDB），下面將對其進行分別研究。
 （1）、RDB空間數據管理
  關系型數據庫是建立在關系模型的基礎之上，它的基本組成為表，每個表由相應的列（域段）和行（記錄）組成，一個數據庫則有許多表組成，表之間采用一定的關系進行組織。關系數據庫系統管理空間數據，一般可以通過“二次開發”，用程序來定義和處理不同“空間對象”的不同操作，關系數據庫管理系統軟件不作任何的擴展，由GIS軟件在此基礎上進行開發，使之不僅能管理結構化屬性數據，而且能管理非結構化的空間數據。其體系結構圖5。
 在這種管理方式中，通過應用程序開發中間件來管理空間數據有兩種模式：一種是基于關系模型的方式，空間數據按照關系數據模式組織，這種方式在訪問空間數據時需要復雜的關系連接運算，非常費時；目前福建省基礎地理信息中心的大部分空間數據管理分發服務系統均采用這種模式管理，如：控制點管理系統，控制點空間數據和屬性數據分開存儲，通過關鍵字相互連接，GIS應用程序通過這種連接讀取空間數據和屬性數據。
 另一種是將空間數據的變長部分處理成Binary二進制塊Block字段，目前大部分關系數據庫管理系統都提供了二進制塊的字段域，以適應管理多媒體數據或可變長文本字符。這種管理方式在福建省基礎空間數據管理中主要體現在影像管理上，影像按照分塊方式存儲在Binary二進制塊Block字段，多條記錄組成一幅影像，GIS影像數據當作一個二進制塊，交由關系數據庫管理系統進行存儲和管理，可以認為一個塊對應于數據表中的一條記錄。這樣它帶來的最直接的好處是避免了前面所述對“連接關系”的查找，但二進制塊讀寫效率要比定長的屬性字段慢得多，特別是牽涉到對象得嵌套，速度更慢。
 （2）、OODB空間數據管理
   面向對象技術(Object-Oriented 簡稱OO)是計算機軟件中發展非常迅速的一項技術，面向對象數據庫系統是面向對象技術與數據庫技術相結合而產生的，具有復雜結構的對象。面向對象數據庫系統支持的數據模型成為面向對象數據模型。面向對象模型最適應于空間數據的表達和管理，它不僅支持變長記錄，而且支持對象的嵌套、信息的繼承與聚集。面向對象的空間數據庫管理系統允許用戶定義對象和對象的數據結構以及它的操作。采用面向對象空間數據庫管理空間數據其體系結構如圖6。
 盡管目前對面向對象數據模型沒有一個統一的公認的定義，但已有面向對象數據庫系統都支持以下幾個方面：對象、類、類層次和繼承、對象標識。同時面向對象的方法具有很強的數據建模能力。
 （3）、ORDB空間數據管理
 對象關系數據模型能直接存儲和管理非結構的空間數據，如Informix、Oracle等推出了空間數據專用模塊，定義了點、線、面、圓、長方形等數據對象的API函數。這些函數，將各種空間對象的數據結構進行了預先的定義，用戶使用時必須滿足它的數據結構的要求，用戶不能根據GIS的要求再定義。
 其體系結構如圖7。
 通過允許增加新的、用戶定義的抽象數據類型（ADTs）及面向對象編程語言的其他特征，如繼承、操作函數、封裝等提高RDBMS的數據類型系統。
 福建省基礎地理信息數據庫管理系統采用對象關系數據庫Oracle 9i管理空間數據和屬性數據，可以充分利用對象關系數據庫數據管理的功能，利用SQL語言對空間與非空間數據進行操作，同時可以利用對象關系數據庫的海量數據管理、事務處理（Transaction）、記錄鎖定、并發控制、數據倉庫等功能，使空間數據與非空間數據一體化集成。采用對象關系數據庫管理空間數據庫符合Open GIS規范，這將增加空間數據的互操作性，并使GIS融入IT技術的主流。能夠建立高效的、安全的基礎地理信息數據庫。
 （4）、三種空間數據庫對比研究
 上述三種數據庫均可實現空間數據數據庫一體化存儲和管理，從當前的空間數據庫發展狀況看，三種空間數據庫各有優勢，下面將對三種數據庫從通用性等方面做簡單對比如表1。
 數據模型 管理方式 關鍵技術 查詢語言 空間數據類型
RDB 關系型 關系數據庫 中間件
（SDE） SQL BLOB型
OODB 面向對象型 面向對象數據庫 OODBMS GSQL 空間對象型，自定義類型
ORDB 對象——關系型 對象關系數據庫 空間模型服務 GSQL 自定義類型，BLOB型
 表1空間數據庫性能對照表
 綜觀上述三種空間數據庫管理模式各有優勢，它們一般都提供對LOB字段的支持，有些還支持空間數據和自定義數據類型。這樣可以將空間數據和屬性數據有機地集成起來，按照數據庫形式實現對數據的存儲和管理，在此基礎上，實現便利的空間索引、查詢和各種空間分析操作。需要指出的是，對象——關系型空間數據庫充分吸收前兩種數據庫的優點，在常規大型數據庫的基礎上進行擴展，實現基于空間數據的空間索引，檢索和分析等操作，是空間數據庫實現的技術捷徑。
3. 結論
 顯然，對于日趨向企業級和社會級的GIS應用而言，以文件方式保存空間數據，已經很難適應海量數據的管理、并發操作、安全控制和訪問效率等。目前雖然采用數據庫管理方式還不能解決空間數據存儲管理的所有問題，但采用數據庫系統來管理空間數據具有文件管理無法比擬的優越性：數據的共享性好，冗余度低；數據獨立性高；數據由DBMS統一管理和控制。
 對空間數據管理采用數據庫模式管理已經成為地理信息系統發展的一種趨勢。

參考文獻
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