空间数据库学习报告

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1、国外空间数据库技术现状、存在问题与发展趋 势学号：逸 摘要：随着计算机技术日益成熟，以及“数字城市”理念逐步深入人心，空间数 据库技术在20 世纪 60 年代后迅速发展。本文论述了国外空间数据库技术的发展 现状，罗列了一些尚存问题，展望了空间数据库的发展方向，希望能对笔者的空 间数据库课程的学习打下认知基石。关键词：空间数据库技术一、国外空间数据库现状1.1空间数据库管理模式发展历程管理模式经历了纯文件模式、文件结合关系型数据库的管理模式、全关系型数据库管理 模式和面向对象的数据库管理模式四个阶段。1.2 当下空间数据库主流类型1.2.1 混合模型数据库所谓混合模型数据库其基本思想是将地理空间

2、信息按照专题特性进行分层,每个图层由 一类相同或相似的空间实体构成,如在一个城市中,道路、旅游景点、大专院校等不同特性的 空间实体构成不同专题的图层,然后对这些图层进行分层存储和处理。对于图层中的每个空 间实体,其属性数据被分为两部分: 空间属性和非空间属性,空间属性存储在文件系统中,非空 间属性则存储在关系数据库中,两者通过一个全局唯一的标识符进行关联。其示意图如下图 所示。图11.2.2 对象-关系型数据库近年来,结合关系数据库和面向对象思想的对象关系数据模型渐渐成为 GIS 应用中构 建数据库系统的主流技术。由于这种技术更为逼真地模拟了现实世界中空间实体的结构和相 互关系,并且采用单一系

3、统进行存储, 因而消除了传统混合模型的缺点 , 更有利于对空间数 据进行管理和维护。该类型数据库有如下优点： 采用对象-关系数据模型的商业化数据库产品技术上已经比较成熟 ,这就使得采用对 象-关系模型构造的数据模型可以直接在一个对象-关系数据库中进行存储、管理,并且由于 采用了符合行业标准的开放式数据接口,使得数据的共享更加方便有效； 由于采用了单独的数据库进行数据管理 , 使得对空间数据进行操作更加简单和方便, 效率也大大提高； 通过采用开放式的SQL平台以及大量空间操作函数的使用，能够开发岀功能更加强大 的应用系统,扩展了 GIS 应用的围1。1.2 空间数据库技术现状 近些年，空间数据库

4、技术在索引、数据更新、多源数据获取方面获得了一些进展，以下 举岀例子。1.2.1 空间数据库索引技术2（1）空间数据库索引技术的定义 数据索引是指在磁盘上组织数据记录的一种数据结构，是对存储在存储介质上的数据位置信息的描述。它用于优化某类数据检索的操作，是提高系统对数据获取效率的一种重要手 段。（2）空间数据库索引技术分类2 简单格网空间索引 格网空间索引的原理简单，即把目标空间实体集合所在的空间围划分成一系列大小相同的格。基于格网索引的查找思路也较简单，在数据分布较均匀的情况下，查询效率较高。但 格网的大小直接影响了索引表的大小，格网太小，索引表会急剧膨胀，维护索引表本身的花 费增加，查询效

5、率随之下降；反之，落在一个格的空间实体可能会过多；因此格的大小严重 制约着查询效率的提高。 K-D树空间索引K-D 树是早期用于索引多维空间数据的数据结构之一。 K- D 树的每层都把空间划分为 两个部分，沿着树的根结点进行一维划分；依次划分下一层结点，尽量保证左右子树中的结 点数目均衡，当结点中包含的点数少于叶子结点中包含的最大点数时停止划分。为了平衡 K-D树的深度，可结合B树来得到K-D-B树索引结构，但此类索引树对于占据一定空间围 的空间实体而言（如线和多边形），构造空间索引仍然不方便。因为当使用数据库表构造K-D 树的索引表时，树型结构的递归层次深，导致查询效率降低。 R树空间索引R

6、 树是 B 树在多维空间上的自然扩展，是由 Guttman 提岀的最早支持多维空间存取的方 法之一R树是一种高度平衡树，可控制树的深度，采用对象的最小外包矩形（MBR，来近 似表示空间实体。R树有如下几条特性：1）叶结点中存储该结点对应的空间要素的MBR和 空间要素标识；（2）MBR二维上是矩形，三维上是长方体，以此类推到高维空间；（3）非叶结 点存放其子女结点集合的整体外包络矩形和指向其子女结点的指针。 R 树是一种动态索引 结构，其查询、插入、删除可同时进行，而且不需要定期的对树结构重新组织。 R 树适合 于多维空间查询，不过由于空间数据分布的偶然性，使得各层节点 MBR 容易重叠，导致实

7、 际执行空间查询时，会产生多个查询分支，很大程度上降低了空间查询的效率。在最坏的情 形下，一个空间查询会退化成线性搜索。若使用外部数据库来描述 R 树，在缺乏特定的快 速物理数据块访问接口情况下，效率也会大打折扣。 四叉树空间索引在基于固定网格划分的四叉树空间索引机制中，工作空间在 X、Y 方向上进行 2N 等 分，形成2Nx2N的网格，并以此建立N级四叉树。在四叉树中，空间要素标识记录在其 外包络矩形所覆盖的每一个叶结点中。但当同一父亲的四个兄弟结点都要记录该空间要素标 识时，则只将该空间要素标识记录在该父亲结点上，并按这一规则向上层推进。层次型的树 状结构并不适合使用数据库表来直接描述，可

8、通过对四叉树的各层节点进行编码，来反映四 叉树的层次结构。四叉树索引在存中的层次型树状结构，其查询效率较高。(3)空间数据库索引技术的应用3 Oracle Spatial的空间数据索引可以通过用户定义的功能和索引方式，对用户定义的数 据类型进行存储、恢复和操作，弥补了以往关系数据库管理的不足； IBM空间数据刀片(Spatial DataBlade)： IBM DB2 Spatial Extender提供基于网格的三层 空间索引，该索引技术是基于传统的分层B树索引形成的； MySQL空间数据扩展：MySQL Spatial Extensions用自己的Geometry数据类型存储空间 数据，符

9、合和遵循OpenGIS中的Geometry模型； ERSI空间数据引擎：这是一种处于应用程序和数据库管理系统之间的中间件技术， 在用户和异构空间数据库之间提供了一个开放接口。1.2.2 数据更新技术4(1)国外空间数据库更新技术发展动态 国外美国地质调查局测绘部从 2001年开始计划建立近实时数据更新机制，将数据的现势性 保持在几天或数月之。英国军械测量局根据其实际情况，建立了推扫式和散点式相结合的更 新机制。日本采用基于栅格的更新方法，先更新1:2. 5万地形图，再用1:2. 5万图更新1 : 5 万图，城市地区每3 年更新一次，郊区每5 年更新一次，山区每10年更新一次。加拿大 测绘署地形

10、信息中心2001年启动了一项利用Landsat - 7影像更新1 : 5万地形数据的计 划，每年使用Landsat-7影像更新1 000幅以上地形数据。 国我国一些经济发展较快的省、市在建立更新机制、利用遥感影像获取变化信息、历史数 据存取、增量更新、多尺度级联更新等方面进行了许多有益的尝试，并取得一定成效。省测 绘局在2006年 2007年已完成1：10 000地形图快速更新试验，并已开始规模性试生产。 市、市、市从2007年开始1：500城市空间数据库增量更新试验，目前已逐步形成了各自地 方特色的更新模式。2008年清华山维公司推岀了基于时态的动态更新软件EPSW 2008,市、 市、市、

11、等城市正在使用中。由于现实世界空间实体及其相互关系随时间不断发生变化，使地理空间数据库的持续更 新既是一项长期艰巨任务，又是一个复杂的系统工程。本文以下仅对空间数据库数据更新的 相关技术进行探讨，而对与更新有关的政策层面问题不予论述。（2）空间数据库更新关键技术与方法5 区域整体更新区域整体更新按规模可分为两种：a.大规模区域整体更新。三到五年一个周期，进行大 面积的修测和补测。更新区域通常是行政区单元（权属单位）。区域整体更新成本较高，更 新投入由地方财政安排，一般用在区域空间要素变更很大、数据现势性很差的情况下； b. 小围区域整体更新。利用竣工测量或其他方法对区域发生变化的某组织单元（图

12、幅或网格） 进行的更新，这种方法适用于区域空间要素变更较小的情况。 增量更新 地理空间数据更新的实质是空间实体状态改变的过程，即实现由现实世界中的现状实体转变为数据库中的现状实体，及由数据库现状实体转变为数据库历史实体两个状态的转变。 因此地理空间数据更新不是简单删除替换。而增量更新采用面向对象数据模型存储空间要 素，空间实体相互独立而完整（实体之间拓扑关系是隐含存在的，一般在分析时临时建立）， 原则上对单个实体增加、删除、修改不影响其他要素实体，因此，历史数据只需要保留发生 变化的要素（即增量信息）。“增量更新”是今后的发展方向。但技术上比较复杂，存在一定 的技术风险。1.2.3异构、多源空

13、间数据库的互操作技术6（1）名词解释 异构是指不同历史时期、不同格式、不同存在形式的空间数据，如矢量数据和栅格数 据； 多源是指来源不同，如同为栅格形式，遥感影像与DE M数据来源不同。 互操作：异构多源空间数据的共享和GIS应用系统的无缝集成。（2）异构、多源空间数据库的互操作技术分析 目前，空间信息领域常用的空间数据格式已超过1 00种，而综合信息系统应用中的各部 门由于需求差异和历史等原因，往往会采用不同厂商的不同格式数据，部门之间的通信（互 联互访）成为一个棘手的问题。面对诸多不同格式的数据，如何使已有的数据得到更充分的 利用，成为当前GIS发展中亟待解决的问题。异构、多源空间数据共享

14、与互操作技术方案， 主要有数据格式转换模式、直接数据访问模式、关系数据库空间扩展模式，以及Web Service 的数据集成技术。这些方法在一定程度上解决了空间数据共享与互操作的问题，但也存在一 定的局限性。数据格式转换模式可以美国国家空间数据协会(NSDI )制定的统一空间数据格 式规SDTS ( Spatial Data Transformation Standard )来实现，在一定程度上提供了不同数据格 式之间统一空间对象描述方案，但难以为数据的集中和分布式处理提供解决方案，也难以实 现自动同步更新。直接数据访问模式可以在一个GIS系统中直接访问不同格式的空间数据， 避免了繁琐的数据转

15、换步骤，也避免了数据存储两份而导致的数据不一致的问题。但这种模 式依赖于GIS平台对不同格式空间数据的解析与支持能力，同时，由于一些数据格式没有公 开格式文档，格式升级变化难以保障。关系数据库空间扩展模式以包含空间位置的矢量栅格 数据查询检索定义和结构化查询语言SQL的拓展规SQL Multimedia (SQL/MM)，提供了面向 空间数据及多媒体数据的查询描述，支持数据库后端定义的空间函数算子调用，以及在查询 操作中实现空间分析功能。这种模式为不同GIS软件的互访与互操作提供了统一的数据存储 与访问机制，但由于其是以面向对象的思路在关系数据库中实现，在性能上有比较大的损失 基于 WebSe

16、rvice 的数据共享与互操作模式，以美国开放地理信息系统协会 (Open GIS Consortium, OGC)制定的数据共享规，用统一协议的方式使数据客户能够读取任意数据服务 器提供的空间数据。目前，统一协议对空间数据的支持尚不全面，还存在大量非标准空间数 据难以用统一协议高效表达。鉴于此， GIS 软件厂商提出了多源空间数据无缝集成框架 (Seamless Integration of Multi-source Spatial Data, SIMS)和虚拟空间数据引擎、通用空间数据引 擎(Universal Spatial Data Engine, USDE )、异构空间数据库集成技术(Open Grid ServicesArchitecture-data Access and Integra