福建省基础空间数据管理技术研究

摘要：福建省基础地理信息中心作为福建省基础空间数据的管理和分发服务单位，管理和分发福建省多种类、多比例尺、多数据源、分布式、多时态的基础空间信息，在基础空间数据管理上存在多种形式，本文通过几种管理模式的技术分析，结合中心的管理实际，总结了福建省空间数据管理的多样性和技术特点，对比分析出各种管理模式的优势和缺点。
 关键词：空间数据   管理   文件   数据库

1. 引言
 空间数据是指与空间位置和空间关系相联系的数据。福建省基础空间数据是以数字线划图（DLG）、数字高程模型（DEM）、数字正射影像（DOM）、数字栅格地图（DRG）（简称4D产品）为主要代表的基础地理信息数据，还包括：数字地形图、控制点、各种分辨率的遥感影像和航片等数据。
 空间数据具有以下特点：1）空间特征2）非结构化数据3）空间拓扑关系特征4)分类编码特征5）海量数据特征。空间数据具有非常规数据的特征，因而对空间管理也不能直接采用关系数据库方式管理。目前，对空间数据的管理主要是在传统数据管理技术的基础上改造、扩展来实现空间数据的管理，采用专用体系结构方式进行管理，甚至采用专门的空间数据库管理系统来管理。通常空间数据管理方式有下述几种方式：文件管理方式、文件——数据库混合管理方式、空间数据库管理方式。福建省基础地理信息中心对空间数据的管理主要是文件——数据库混合管理方式以及数据库管理方式两种形式。数据库管理方式正逐渐成为空间数据管理的主要潮流。
2. 福建省基础空间数据管理
 2.1. 文件管理方式
 由于空间数据同一类型的地理实体的空间数据（即定位数据），如道路，不同的道路一般具有不同的空间形态和复杂程度，用来表达它们的空间点数不相等。也就是说，同一类型的空间实体，表达该类不同实体的空间数据的数据项是不相等的，无法用表格的方式来统一存储管理。所以，空间实体的空间数据无法用关系数据库管理系统来进行管理而采用操作系统的文件系统来存储管理。在文件管理方式下，其体系结构如图1。
 在这种管理方式中，文件管理系统是操作系统的一部分，是通用的文件管理，而不是专门的数据管理软件，空间数据依然保留自身的文件格式，GIS平台负责响应对不同文件格式的空间数据请求，对于一般的流行的空间数据格式，GIS平台都能支持。这种空间数据库的建立和研究也就是根据应用的需求合理安排文件目录。
 福建省基础地理信息中心的归档基础空间数据即属于文件目录管理方式，这些空间数据按照数据类型－生产单位－测区（片区）－生产时间－文件的目录文件方式组织和存放，所有空间数据文件在WORD文档中登记造册，记录文件存放的物理位置，在分发服务时对照记录提取文件。
 采用文件管理数据的优点是灵活，可以任意定义自己的文件格式，管理各种数据。文件管理的缺点也是显而易见的，尤其较为大型的GIS一般建立在Internet/Interanet上，采用文件方式进行管理相对于数据库管理存在两方面的不足：数据共享性差、数据独立性低。
 2.2. 文件——数据库混合管理方式
 传统的GIS数据库实际上包含2个数据库，一个空间库(图形库)，一个属性库(关系库)，并且空间数据和属性数据是单独存放，二者以相同的字段为联结纽带。其模式如图2。
 其中图形文件存储点、线、面图形要素，主要采用拓扑结构编码存储；后者存储属性数据，属性库是一个典型的关系数据库，采用常规(关系)数据库编码存储。这也是通常所说文件——数据库混合管理方式。其体系结构如图3。
 目前福建省测绘局生产的DLG是按照GIS标准生产的数字线化图，这种数据以当前流行的通用GIS格式文件存储，如E00\SHAPE等格式，文件存储了图形和对应的属性数据。这种管理方式克服了属性数据管理的效率、安全性和共享等问题，提高了系统效率，同时也便于与以文本数值型数据为主的办公自动化（OA）和管理信息系统（MIS）实现集成管理。
 但是这种方式还是以文件形式进行空间数据管理，空间数据还是不能享受关系数据库管理系统的优越性，更不能满足分布式系统和网络服务器用户本机体系的要求。随着图形数据的海量增长，管理难度急剧增大，特别是GIS应用的普及和非GIS领域访问空间数据的需求，要求采用商用数据库管理系统管理图形和属性数据即空间数据库管理方式。
 2.3. 数据库管理方式
 由于传统数据库的局限性使其很难满足这些新的应用领域。为了支持新应用，人们在传统数据库系统的基础上针对不同应用进行不同功能的扩展以满足应用的需求，同时在新数据理论上进行了广泛的研究，产生多种空间数据库管理方式。其主要目标是实现空间数据一体化存储管理，各种空间数据库的基本管理模式如图4。
 从图4描述可知，空间数据库的研究主要是对几何字段数据的处理，通过建立不同的几何数据模型，产生了不同数据库管理方式。目前，主要有三种空间数据库：全关系型空间数据库（RDB）、面向对象型空间数据（OODB）、对象——关系型数据库（ORDB），下面将对其进行分别研究。
 （1）、RDB空间数据管理
  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。关系数据库系统管理空间数据，一般可以通过“二次开发”，用程序来定义和处理不同“空间对象”的不同操作，关系数据库管理系统软件不作任何的扩展，由GIS软件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。其体系结构图5。
 在这种管理方式中，通过应用程序开发中间件来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；目前福建省基础地理信息中心的大部分空间数据管理分发服务系统均采用这种模式管理，如：控制点管理系统，控制点空间数据和属性数据分开存储，通过关键字相互连接，GIS应用程序通过这种连接读取空间数据和属性数据。
 另一种是将空间数据的变长部分处理成Binary二进制块Block字段，目前大部分关系数据库管理系统都提供了二进制块的字段域，以适应管理多媒体数据或可变长文本字符。这种管理方式在福建省基础空间数据管理中主要体现在影像管理上，影像按照分块方式存储在Binary二进制块Block字段，多条记录组成一幅影像，GIS影像数据当作一个二进制块，交由关系数据库管理系统进行存储和管理，可以认为一个块对应于数据表中的一条记录。这样它带来的最直接的好处是避免了前面所述对“连接关系”的查找，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。
 （2）、OODB空间数据管理
   面向对象技术(Object-Oriented 简称OO)是计算机软件中发展非常迅速的一项技术，面向对象数据库系统是面向对象技术与数据库技术相结合而产生的，具有复杂结构的对象。面向对象数据库系统支持的数据模型成为面向对象数据模型。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象和对象的数据结构以及它的操作。采用面向对象空间数据库管理空间数据其体系结构如图6。
 尽管目前对面向对象数据模型没有一个统一的公认的定义，但已有面向对象数据库系统都支持以下几个方面：对象、类、类层次和继承、对象标识。同时面向对象的方法具有很强的数据建模能力。
 （3）、ORDB空间数据管理
 对象关系数据模型能直接存储和管理非结构的空间数据，如Informix、Oracle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API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GIS的要求再定义。
 其体系结构如图7。
 通过允许增加新的、用户定义的抽象数据类型（ADTs）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RDBMS的数据类型系统。
 福建省基础地理信息数据库管理系统采用对象关系数据库Oracle 9i管理空间数据和属性数据，可以充分利用对象关系数据库数据管理的功能，利用SQL语言对空间与非空间数据进行操作，同时可以利用对象关系数据库的海量数据管理、事务处理（Transaction）、记录锁定、并发控制、数据仓库等功能，使空间数据与非空间数据一体化集成。采用对象关系数据库管理空间数据库符合Open GIS规范，这将增加空间数据的互操作性，并使GIS融入IT技术的主流。能够建立高效的、安全的基础地理信息数据库。
 （4）、三种空间数据库对比研究
 上述三种数据库均可实现空间数据数据库一体化存储和管理，从当前的空间数据库发展状况看，三种空间数据库各有优势，下面将对三种数据库从通用性等方面做简单对比如表1。
 数据模型 管理方式 关键技术 查询语言 空间数据类型
RDB 关系型 关系数据库 中间件
（SDE） SQL BLOB型
OODB 面向对象型 面向对象数据库 OODBMS GSQL 空间对象型，自定义类型
ORDB 对象——关系型 对象关系数据库 空间模型服务 GSQL 自定义类型，BLOB型
 表1空间数据库性能对照表
 综观上述三种空间数据库管理模式各有优势，它们一般都提供对LOB字段的支持，有些还支持空间数据和自定义数据类型。这样可以将空间数据和属性数据有机地集成起来，按照数据库形式实现对数据的存储和管理，在此基础上，实现便利的空间索引、查询和各种空间分析操作。需要指出的是，对象——关系型空间数据库充分吸收前两种数据库的优点，在常规大型数据库的基础上进行扩展，实现基于空间数据的空间索引，检索和分析等操作，是空间数据库实现的技术捷径。
3. 结论
 显然，对于日趋向企业级和社会级的GIS应用而言，以文件方式保存空间数据，已经很难适应海量数据的管理、并发操作、安全控制和访问效率等。目前虽然采用数据库管理方式还不能解决空间数据存储管理的所有问题，但采用数据库系统来管理空间数据具有文件管理无法比拟的优越性：数据的共享性好，冗余度低；数据独立性高；数据由DBMS统一管理和控制。
 对空间数据管理采用数据库模式管理已经成为地理信息系统发展的一种趋势。

参考文献
苏峰，黄正军.　GIS空间数据管理模式探讨〔J〕.计算机仿真，2003，20(8):140-143。
福建省测绘局.　 福建省1：10000空间数据库总体方案　2003.7。
宋卫峰，刘允才等.　分布式GIS地图数据的组织和发布[J].计算机工程，2003，29（14）：192-194。
刘仁义, 刘南, 苏国中. 图形数据与关系数据库的结合及其应用[Ｊ]. 测绘学报,2000-11.
马云, 王文渊. 对象-关系模型在空间数据管理中的应用[J]. 计算机应用研究,2000,56-58.