空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展

1、引言

空間數(shù)據(jù)是 GIS 的基本構(gòu)成之一，GIS 應(yīng)用領(lǐng)域的推廣、應(yīng)用系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量的急速增長(zhǎng)及數(shù)據(jù)來(lái)源的多樣性，使得依賴(lài)于具體 GIS軟件平臺(tái)的文件型數(shù)據(jù)庫(kù)不能滿(mǎn)足實(shí)際需要，越來(lái)越多的 GIS 應(yīng)用系統(tǒng)采用成熟的商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)。

空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎是一種處于應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)之間的中間件技術(shù)，在用戶(hù)和異構(gòu)空間數(shù)據(jù)庫(kù)之間提供開(kāi)放接口。用戶(hù)通過(guò)空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎將不同形式的空間數(shù)據(jù)提交給數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(DBMS)，由 RDBMS 統(tǒng)一管理;也可以通過(guò)空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎從 DBMS 中獲取空間類(lèi)型的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為客戶(hù)可以使用的格式。因此，DBMS 實(shí)質(zhì)上是形式各異的空間數(shù)據(jù)的容器，而空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎就是空間數(shù)據(jù)出入該容器的通道。

自 1995 年 ESRI 發(fā)布 ArcSDE1.0 以來(lái)，各 GIS 平臺(tái)紛紛推出自己的空間數(shù)據(jù)引擎，各大數(shù)據(jù)庫(kù)廠商也意識(shí)到支持空間數(shù)據(jù)的重要性，在原有關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了空間擴(kuò)展模塊以支持空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和操作?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)引擎是與 GIS 平臺(tái)或者數(shù)據(jù)庫(kù)緊密結(jié)合的，在體系結(jié)構(gòu)上必然存在差異，本文提取三種典型結(jié)構(gòu)并以 Oralce Spatial、ArcSDE 和SuperMap SDX+為代表進(jìn)行對(duì)比分析，并提出空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向。

2、空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎研究現(xiàn)狀

各種空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎在本質(zhì)上都是通過(guò)利用和擴(kuò)展符合工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的 RDBMS 的數(shù)據(jù)類(lèi)型和功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的物理存儲(chǔ)。為了支持異構(gòu)平臺(tái)的訪問(wèn)和互操作，各種幾何類(lèi)型都遵循 OGC 等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。借助 RDBMS 的強(qiáng)大功能，空間數(shù)據(jù)引擎實(shí)現(xiàn)了“矢量-柵格”一體化存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)完整性和一致性的維護(hù)，提供嚴(yán)格的規(guī)則/有效性檢查，支持長(zhǎng)事務(wù)處理和版本管理，用戶(hù)權(quán)限管理和數(shù)據(jù)安全機(jī)制，并可實(shí)現(xiàn)分布式存儲(chǔ)和用戶(hù)透明的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)操作。

2.1 空間數(shù)據(jù)庫(kù)模型

理論上空間數(shù)據(jù)庫(kù)模型有：混合數(shù)據(jù)庫(kù)模型(Hybrid Model)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型(Integrated Model)、擴(kuò)展結(jié)構(gòu)模型(Extended Model)、面向?qū)ο竽Ｐ?Object-Oriented Model)和時(shí)空數(shù)據(jù)模型(Spatial-Temporal Model)。隨著各種商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展，目前在 GIS 領(lǐng)域中應(yīng)用比較成熟的是統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型、混合數(shù)據(jù)模型和擴(kuò)展結(jié)構(gòu)模型。

混合數(shù)據(jù)庫(kù)模型把空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)：空間數(shù)據(jù)及其拓?fù)潢P(guān)系存放在文件

中，屬性數(shù)據(jù)存放在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，二者通過(guò)唯一的標(biāo)識(shí)符建立聯(lián)系。SuperMap 的 SDB 和MapInfo 的Table 格式采用的都是混合模型?；旌夏Ｐ瓦m用于小型 GIS應(yīng)用系統(tǒng)，無(wú)法應(yīng)對(duì)海量空間數(shù)據(jù)的處理，同時(shí)，數(shù)據(jù)的安全性、一致性難以保證，基于文件的存儲(chǔ)系統(tǒng)也難以實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)并發(fā)操作。

統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型是一種純關(guān)系數(shù)據(jù)模型，空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)都用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的二維關(guān)系表來(lái)存儲(chǔ)，使用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系連接機(jī)制建立空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。國(guó)內(nèi) SuperMap SDX+和國(guó)外 ESRI 的Arc SDE、MapInfo的 SpatialWare 均采用了統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型。統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型易于與數(shù)據(jù)庫(kù)現(xiàn)有的功能相結(jié)合，保證數(shù)據(jù)的安全性;由于空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)都用關(guān)系表存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)的一致性容易維護(hù)，“空間數(shù)據(jù)-屬性數(shù)據(jù)”一體化存儲(chǔ)和“矢量-柵格”一體化都較容易實(shí)現(xiàn);數(shù)據(jù)庫(kù)提供的并發(fā)控制機(jī)制也可以用于空間數(shù)據(jù)的多用戶(hù)并發(fā)操作。

更多內(nèi)容請(qǐng)查看pdf