空間數(shù)據(jù)庫引擎及其解決方案分析

1、0引言地理信息系統(tǒng)(GIS以空間數(shù)據(jù)為研究對象,在實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)存儲和操作的基礎(chǔ)上進行空間分析和應(yīng)用。以往受關(guān)系數(shù)據(jù)庫不支持空間數(shù)據(jù)管理的限制,傳統(tǒng)的GIS 軟件采用分離的方式管理數(shù)據(jù),即空間數(shù)據(jù)采用文件形式和目錄結(jié)構(gòu),屬性數(shù)據(jù)由內(nèi)置的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進行管理。分離體系結(jié)構(gòu)造成空間數(shù)據(jù)管理效率低下,無法獲得數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的有效支持;數(shù)據(jù)共享性差;在網(wǎng)絡(luò)方面無法得到有效拓展。目前,隨著數(shù)據(jù)庫技術(shù)的不斷發(fā)展,大型關(guān)系型、對象關(guān)系型、純對象型數(shù)據(jù)庫在完整性、安全性、標(biāo)準(zhǔn)化、開放性、可擴充性等方面日益完善,一般都提供對變長字段的支持,有些還支持空間數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)庫技術(shù)中處于核心位置的是空間數(shù)據(jù)庫引擎技術(shù),利用

2、這一技術(shù)可以將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)有機地集成起來,實現(xiàn)有效存儲和管理,并在此基礎(chǔ)上,實現(xiàn)便利的空間索引、查詢和各種分析操作。1空間數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫引擎空間數(shù)據(jù)庫,是以描述空間位置和點、線、面、體特征拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的位置數(shù)據(jù)及描述這些特征的屬性數(shù)據(jù)為對象的數(shù)據(jù)庫。空間數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫來組織管理空間地理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),提供對這些數(shù)據(jù)的有效存儲查詢和分析,以支持各種空間地理數(shù)據(jù)的應(yīng)用。然而,如何用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲、管理復(fù)雜的空間地理數(shù)據(jù),以支持空間關(guān)系運算和空間分析等GIS 功能,如何讓用戶透明地空間數(shù)據(jù)庫引擎及其解決方案分析文章編號:1672-1586(200604-0063-04摘要:解決用戶應(yīng)用系

3、統(tǒng)與空間數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)傳輸成為空間數(shù)據(jù)庫能否得以充分利用的關(guān)鍵問題。在眾多解決方案中,空間數(shù)據(jù)庫引擎?zhèn)涫荜P(guān)注。本文對幾種常見的空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE 、OracleSpatial 、SpatialWare 、DB2Spatial Extender 和Imformix Spatial DataBlade 以及SuperMapSDX+,從存儲模型、進程管理、空間查詢與索引、數(shù)據(jù)緩存技術(shù)以及二次開發(fā)等方面進行了分析。關(guān)鍵詞:空間數(shù)據(jù)庫;空間數(shù)據(jù)庫引擎;空間擴充器;空間數(shù)據(jù)刀片中圖分類號:P208文獻標(biāo)識碼:AAnalysis of Spatial Database Engine and Its S

4、olutionsWANG Ming-chong 1,ZHAO Jun 1,LI Yu-lin 2(1.Development and Application Research Center of GIS ,NWNU ,Lanzhou 730070,China ;2.Shangdong GeomaticsCenter ,Jinan 250013,ChinaAbstract:Data transmission between the Spatial Database and user s application systems becomes the primary problem.Whether

5、 Spatial Database can be used sufficiently depends on how much this problem can be coped with.In many solutions,Spatial Database Engine (SDEattracts much more attention.In this paper,the authors analyzed and discussed some typical spatial database management platforms including ArcSDE,Oracle Spatial

6、,SpatialWare,DB2Spatial Extender,Imformix Spatial DataBlade and SuperMapSDX +from the view of storing models ,process management schema ,spatial querying and indexing ,and data cache approaches.Key words:Spatial Database;Spatial Database Engine;Spatial Extender;Spatial DataBlade汪明沖1,趙軍1,李玉琳2(1.西北師范大

7、學(xué)GIS 開發(fā)應(yīng)用研究中心,甘肅蘭州730070;2.山東省地理信息中心,山東濟南250013汪明沖(1980-,男,江蘇沛縣人,碩士研究生,研究方向為地理信息科學(xué)及GIS 設(shè)計與開發(fā)。E -m a il :w a n g m c 126.c o m 收稿日期:2005-07-29訪問空間地理數(shù)據(jù),而不必關(guān)心它的實際存儲位置、方式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等實際問題成為采用空間數(shù)據(jù)庫組織管理空間數(shù)據(jù)所必須思考的問題?？臻g數(shù)據(jù)庫引擎(SDE正是解決這些問題的良好方法。空間數(shù)據(jù)庫引擎并不是空間數(shù)據(jù)庫,而是一座橋,將對空間數(shù)據(jù)的使用和存貯聯(lián)系在一起,其數(shù)據(jù)依賴于關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行存儲和管理,但應(yīng)用軟件對空間數(shù)據(jù)的存取是

8、通過空間數(shù)據(jù)庫引擎來實現(xiàn)的。空間數(shù)據(jù)庫引擎是指提供存儲、查詢、檢索空間地理數(shù)據(jù),以及對空間地理數(shù)據(jù)進行空間關(guān)系運算和空間分析的程序功能集合。正是空間數(shù)據(jù)庫引擎的引入,才建立了真正意義上的面向分布式空間數(shù)據(jù)庫和地理信息系統(tǒng)。在三層客戶機/服務(wù)器的環(huán)境下,為了建立GIS應(yīng)用體系,作為客戶應(yīng)用和空間數(shù)據(jù)庫中間層的空間數(shù)據(jù)庫引擎必須具備多用戶管理、多空間數(shù)據(jù)庫管理、空間數(shù)據(jù)索引、空間關(guān)系運算和空間分析功能以及GSQL語句的解釋執(zhí)行等基本功能。通過空間數(shù)據(jù)庫引擎可以用傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫對空間地理數(shù)據(jù)加以管理和處理,提供必要的空間關(guān)系運算和空間分析功能。目前,國際上在此領(lǐng)域內(nèi)進行深入研究并形成軟件產(chǎn)品的有E

9、SRI的ArcSDE、MapInfo的SpatialWare、Oracle 的Spatial、IBM DB2的Spatial Exten-der和IBM Imformix的DataBlade以及國內(nèi)超圖的SuperMapSDX+等。2幾種常見的空間數(shù)據(jù)引擎及其解決方案2.1ESRI的ArcSDE在目前采用集成結(jié)構(gòu)的商用數(shù)據(jù)庫軟件中,應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬ESRI公司的SDE(Spatial Database Engine,空間數(shù)據(jù)庫引擎,用于對海量空間數(shù)據(jù)及其屬性數(shù)據(jù)的管理和驅(qū)動,為并發(fā)訪問的多客戶端提供快速、安全的數(shù)據(jù)服務(wù)。SDE是美國著名的地理信息研究機構(gòu)ESRI推出的空間數(shù)據(jù)庫解決方案,它在現(xiàn)

10、有的關(guān)系或?qū)ο箨P(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行空間擴展,可以將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)集成在目前絕大多數(shù)的商用DBMS中,其數(shù)據(jù)模型和查詢語言能支持空間數(shù)據(jù)類型和空間索引,并且提供空間查詢和其他空間分析方法。SDE的開放式數(shù)據(jù)訪問模型,支持最新的標(biāo)準(zhǔn)(OpenGIS,SQL3,SQLMultimedia,提供快速的、多用戶的數(shù)據(jù)存取,提供開放的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。SDE將空間數(shù)據(jù)與其相關(guān)屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一放到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中進行管理,同時采取開放策略,提供標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用編程接口(API。這使得海量空間數(shù)據(jù)的管理獲得了一種較為理想的模式,同時,使得面向多用戶、在廣域網(wǎng)上以真正的客戶機/服務(wù)器方式提供空間數(shù)據(jù)訪問

11、服務(wù)成為可能,從而為面向企業(yè)和社會的GIS提供了高效的服務(wù)器端解決方案。空間數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用系統(tǒng)通?？煞譃?層結(jié)構(gòu)。SDE就是處于中間層的空間服務(wù)器,是一種中間件。它在用戶和所有的數(shù)據(jù)之間提供接口,使得用戶能通過SDE獲得空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)以及其他傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。SDE本身并無專用數(shù)據(jù)庫,而是通過與其他通用DBMS的集成來管理空間數(shù)據(jù)。根據(jù)DBMS的類型,SDE與DBMS的集成方式有以下兩種:1與傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(RDBMS集成傳統(tǒng)的RDBMS不支持?jǐn)?shù)據(jù)類型的擴展,無法管理2維的空間數(shù)據(jù),只能通過空間服務(wù)器對空間數(shù)據(jù)和空間操作進行解釋和管理。2與對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫(ORDBMS集成在

12、提供第一種集成方式的同時,由于對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫支持新的數(shù)據(jù)類型和函數(shù)擴展,SDE可以直接在數(shù)據(jù)庫中定義數(shù)據(jù)類型和空間函數(shù)。通過基于SQL函數(shù)對空間數(shù)據(jù)進行操作,并在數(shù)據(jù)庫層次建立空間索引。SDE采用Client/Serve結(jié)構(gòu),服務(wù)器和客戶端異步協(xié)同工作。服務(wù)器執(zhí)行所有的空間查找和檢索,并將結(jié)果返回給客戶端。為了充分利用服務(wù)器和客戶端的資源,一些耗費CPU資源較多的操作,如緩存計算、多邊形覆蓋等,則在客戶端運行。在DBMS中,SDE將空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)存儲在一個BLOB(Binary LargeObject Block類型的字段中,每種形狀(如點、線、面的對象組成一個形狀表,在表中每個空間對象以記錄的

13、形式存儲。這樣,只需一次磁盤存取就能檢索出空間對象的幾何數(shù)據(jù)。SDE采用無縫數(shù)據(jù)連接方式,使得數(shù)據(jù)檢索效率大大增強。盡管SDE采用的技術(shù)先進,有很多值得借鑒之處,但是在某些方面仍存在不足:1索引方法只采用了固定柵格類型,索引效率較低,而在目前的學(xué)術(shù)研究中,基于R樹的空間索引方法已廣為應(yīng)用且技術(shù)成熟,是以后的發(fā)展方向;2空間數(shù)據(jù)中不含拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),雖然減輕了空間數(shù)據(jù)存儲的復(fù)雜度,但也降低了空間查詢和空間分析的性能;3空間數(shù)據(jù)類型中有3維數(shù)據(jù)類型,但空間操作函數(shù)中針對3維對象的操作很少,對3維GIS的支持有限。2.2Oracle公司的SpatialOracle Spatial是Oracle公司推出的空

14、間數(shù)據(jù)庫組件,通過Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲和管理空間數(shù)據(jù)。Oracle 從9i開始對空間數(shù)據(jù)提供了較為完備的支持。由于Oracle Spatial本身是ORA-CLE數(shù)據(jù)庫的一個特殊組成部分,因此可以用ORACLE提供的程序接口對Oracle Spatial管理的空間數(shù)據(jù)進行操作。目前,ORACLE數(shù)據(jù)庫主要提供兩種接口方式對其數(shù)據(jù)進行存取:1ORACLE提供的面向C語言程序員的編程接口OCI(Oracle Call In-terface;2用ORACLE提供的OLE對象(Oracle Objects for OLE,簡稱OO4O快速訪問有關(guān)數(shù)據(jù)庫。Oracle Spatial主要通過元數(shù)據(jù)

15、表、空間數(shù)據(jù)字段(即SDO_GEOME-TRY字段和空間索引來管理空間數(shù)據(jù),并在此基礎(chǔ)上提供一系列空間查詢和空間分析函數(shù),讓用戶進行更深層次的GIS應(yīng)用開發(fā)。使用空間字段SDO_GEOMETRY存儲空間數(shù)據(jù),采用元數(shù)據(jù)表管理具有SDO_GEOMETRY 字段的空間數(shù)據(jù)表,采用R樹索引和四叉樹索引技術(shù),能有效提高空間查詢和空間分析效率。2.3Maplnfo公司的SpatialWareMaplnfo SpatialWare擴充了In-formix、Microsoft SQL Server和IBM DB2數(shù)據(jù)庫,即在SQL Server上通過擴充存儲函數(shù)機制,在IBM的DB2上將SpatialWar

16、e作為擴充器(Extender,在Infomix上將SpatialWare作為數(shù)據(jù)刀片(Datablade,以實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的管理。為了處理空間數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)庫必須滿足3個條件:1定義空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲機制的空間數(shù)據(jù)類型;2空間數(shù)據(jù)操作所必需的、能定制的空間索引結(jié)構(gòu);3擴充了SQL接口的空間操作。SpatialWare提供必要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以存儲空間數(shù)據(jù)的幾何信息。為了保證數(shù)據(jù)庫中的空間查詢性能,MaplnfoSpatialWare實現(xiàn)了R-樹索引,并在R-樹索引技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。在數(shù)據(jù)庫中,結(jié)構(gòu)化查詢語言SQL是用戶與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的交互接口,重要性是顯而易見的。為了利用空間數(shù)據(jù),需要擴展SQL以便數(shù)

17、據(jù)庫的常規(guī)操作能夠用于空間數(shù)據(jù)類型。這些操作對用戶而言應(yīng)該是透明的,在用戶使用這些操作時不應(yīng)該覺得與使用常規(guī)操作有什么不同。SpatialWare提供了豐富的操作,數(shù)量超過150個,大大增強了空間數(shù)據(jù)的可利用性和可操作性。2.4DB2空間擴充器DB2空間擴充器(IBM DB2SpatialExtender在DB2Universal Database中存儲、管理和分析空間數(shù)據(jù)以及傳統(tǒng)的文本和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這樣就可以生成、分析和利用關(guān)于地理特征的空間信息,例如辦公樓的位置或洪水區(qū)域的范圍。通過一組表示點、線和多邊形等幾何圖形的高級空間數(shù)據(jù)類型和可與這些新數(shù)據(jù)類型進行互操作的許多功能和特性,DB2Spa

18、tial Extender擴展了DB2Universal Database的功能,使其能夠?qū)⒖臻g信息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成在一起,為數(shù)據(jù)庫添加了一種智能要素。DB2空間擴充器利用SQL空間數(shù)據(jù)分析能力,提供空間數(shù)據(jù)的查詢功能和方法,通過在查詢時允許使用空間數(shù)據(jù)和函數(shù)來增強現(xiàn)有應(yīng)用程序的智能。它符合ISO SQL/MM空間標(biāo)準(zhǔn)和開放式地理信息系統(tǒng)協(xié)會(OGC的Simple Feature Specification for SQL,支持功能強大的可視化工具,如ESRI的ArcView GIS、ArcInfo、ArcView Busi-nessAnalyst和ArcIMS,并提供ArcEx-plorer

19、for DB2Version3.0。2.5Informix的空間數(shù)據(jù)刀片Informix的空間數(shù)據(jù)刀片(IBM In-formix Spatial DataBlade Module把GIS嵌入了動態(tài)服務(wù)器內(nèi)核(IBM InformixDynamic Server kernel,空間數(shù)據(jù)刀片實現(xiàn)了OpenGIS抽象數(shù)據(jù)類型的SQL3規(guī)范,符合OpenGlS關(guān)于SQL的簡單特征規(guī)范,能夠存儲空間數(shù)據(jù)類型?？臻g數(shù)據(jù)刀片是利用Spatial_ref-erences表對空間數(shù)據(jù)進行處理的,spatial_references表存儲地圖投影數(shù)據(jù),例如,當(dāng)使用墨卡托圓柱投影(Mer-cators proje

20、ction時,Spatial_references表存儲那些能夠使空間數(shù)據(jù)刀片把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到XY坐標(biāo)平面的相關(guān)信息。在spatial_references表中,空間參照ID(SRID是惟一的,作為關(guān)鍵字用以描述特殊的空間參照系。數(shù)據(jù)庫中,所使用的全部空間參照系在spatial_refere-nees表中必須有一個記錄。而且,關(guān)系表空間列中所有幾何體必須使用相同的空間參照系。在把空間對象插入spatial_refer-ences表之前,必須先行把這個對象的空間參照ID插入spatial_references表?？臻g數(shù)據(jù)刀片利用spatial_refer-ences表,再結(jié)合幾何列表(geome-t

21、ry_columns達到對空間數(shù)據(jù)處理的目的。2.6超圖的SuperMapSDX+北京超圖公司開發(fā)的Su-perMapSDX+海量空間數(shù)據(jù)管理引擎是SuperMap 第三代空間數(shù)據(jù)庫技術(shù),具有大數(shù)據(jù)量矢/柵數(shù)據(jù)管理、長事務(wù)處理能力、異構(gòu)分布式數(shù)據(jù)管理、拓?fù)潢P(guān)系支持等諸多性能和功能,其在空間索引速度、復(fù)雜集合實體支持等技術(shù)性能上甚至超過了國外同類產(chǎn)品。SuperMapSDX +不僅對Oracle 、Oracle Spatial 、SQL Server 、Sybase 等國外數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品支持良好,而且首次對國產(chǎn)DM3(達夢數(shù)據(jù)庫進行支持。Su-perMapSDX+采用“圖庫+四叉樹+網(wǎng)格”三級索引,

22、提高了空間查詢的效率及命中精度。2.7幾種常見的空間數(shù)據(jù)引擎及其解決方案的對比分析這幾種空間數(shù)據(jù)庫引擎是目前國內(nèi)外成功的商用數(shù)據(jù)庫軟件解決方案,它們在存儲模型、進程管理、空間查詢與索引、數(shù)據(jù)緩存技術(shù)、二次開發(fā)等方面各有其特點和創(chuàng)新之處,詳細(xì)情況見表1。3結(jié)論空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)在地理信息系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用,空間數(shù)據(jù)庫引擎技術(shù)又是空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)的核心部分和最關(guān)鍵部件。開發(fā)一個兼容性強、性能優(yōu)越、功能強大的空間數(shù)據(jù)庫,必須對空間數(shù)據(jù)庫及其關(guān)鍵技術(shù)進行深刻的理解和分析?？臻g數(shù)據(jù)庫引擎(SDE 是目前得到成功應(yīng)用的空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),它采用的空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)在一定程度上代表了目前的發(fā)展方向,對我們開發(fā)自己的

23、空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有很好的借鑒意義。參考文獻:1李濱,王青山,馮猛.空間數(shù)據(jù)庫引擎關(guān)鍵技術(shù)剖析J .測繪學(xué)院學(xué)報,2003,20(1:35-38.2李清文.面向組件的空間數(shù)據(jù)庫引擎的研究與實現(xiàn)D .北京:北京工業(yè)大學(xué),1999.3王青山.面向?qū)ο蟮乩頂?shù)據(jù)模型的研究與實踐D .鄭州:信息工程大學(xué),2000.4夏啟斌.空間數(shù)據(jù)庫引擎的設(shè)計與實踐D .鄭州:信息工程大學(xué),2002.5李濱.地理數(shù)據(jù)庫引擎的設(shè)計與實現(xiàn)D .鄭州:信息工程大學(xué),2003.6劉智斌.數(shù)據(jù)庫應(yīng)用的新發(fā)展-空間數(shù)據(jù)庫J .廣西科學(xué)院學(xué)報,1997,13(2:32-34.7王建濤,等.基于面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)庫引擎模型分析J .測繪學(xué)院學(xué)報,2005,22(2:110-111.8陳晟.GIS 空間數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)技術(shù)研究D .長沙:國防科技大學(xué),1998.9胡來林,劉仁義,劉南.空間信息管理系統(tǒng)SpatialWare 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)J .計算機應(yīng)用,2000,20(3:52-54.10毛先成,彭華熔.關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)分析J .地球信息科學(xué),2005.7(1