空間數(shù)據(jù)庫論文

1、空間數(shù)據(jù)庫概述武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢，430079摘要：空間數(shù)據(jù)庫是地理信息系統(tǒng)的核心，每一次空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)的變革都帶來地理信息系 統(tǒng)軟件的革命。本文是一片綜述性文章，首先闡述了空間數(shù)據(jù)庫的概念、內(nèi)容、特征，然后 介紹了空間數(shù)據(jù)管理的發(fā)展過程，其中對象一關(guān)系數(shù)據(jù)庫是目前空間數(shù)據(jù)的主要管理模式， 最后探討了空間數(shù)據(jù)庫的前沿發(fā)展。關(guān)鍵詞：空間數(shù)據(jù)庫；對象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫；空間數(shù)據(jù)庫模型1空間數(shù)據(jù)庫概念空間數(shù)據(jù)庫是地理信息系統(tǒng)的核 心，它具有通用數(shù)據(jù)庫的基本內(nèi)涵， 是指以特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如國土、規(guī) 劃、環(huán)境、交通等）和數(shù)據(jù)模型（如 關(guān)系模型、面向?qū)ο竽Ｐ偷龋┍磉_、 存儲和管理從

2、地理空間中獲取的某類 空間信息，滿足不同用戶對空間信息 需求的數(shù)據(jù)庫1。2空間數(shù)據(jù)庫內(nèi)容由于地理空間數(shù)據(jù)分為兩種類型 一種是具有幾何特征和離散特點的地 理要素，即空間對象數(shù)據(jù)，如點、線、 面、體等對象；另一種是指在一定空 間范圍內(nèi)連續(xù)變化的地理對象，即場 對象數(shù)據(jù)，如某一地理空間的數(shù)字高 程模型、不規(guī)則三角網(wǎng)、柵格影像數(shù) 據(jù)等，因此以應(yīng)用性質(zhì)劃分空間數(shù)據(jù) 庫，空間數(shù)據(jù)庫可分為基礎(chǔ)地理空間 數(shù)據(jù)庫和專題數(shù)據(jù)庫。基礎(chǔ)地理空間 數(shù)據(jù)庫包括矢量地形要素數(shù)據(jù)（DLG）、 數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像 （DOM）、數(shù)字柵格地圖（DRG）以 及元數(shù)據(jù)庫2。（1）矢量地形要素數(shù)據(jù)庫：矢量 核心地形要素

3、數(shù)據(jù)庫是存儲在計算機 中的各種數(shù)字地形數(shù)據(jù)及其數(shù)據(jù)管理 軟件的集合。矢量核心地形要素數(shù)據(jù) 庫包含有居民地、水系、測量控制點 等內(nèi)容。它既包括以矢量結(jié)構(gòu)描述的 帶有拓撲關(guān)系的空間信息，又包括以 關(guān)系結(jié)構(gòu)描述的屬性信息。（2）數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)庫：數(shù)字 高程模型是定義在X、Y域離散點（規(guī) 則或不規(guī)則）的以高程信息表達地面 起伏形態(tài)的數(shù)據(jù)集合。數(shù)字高程模型 數(shù)據(jù)庫是計算機存儲的數(shù)字高程模型 數(shù)據(jù)及其管理軟件的集合。數(shù)字高程 模型數(shù)據(jù)庫可以用于和高程信息有關(guān) 的地表形態(tài)分析、坡度分析、通視分析、洪水淹沒分析等方面。（3）數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)庫：數(shù)字 正射影像數(shù)據(jù)庫是具有正射投影的數(shù) 字影像的數(shù)據(jù)集合。數(shù)字正

4、射影像提 供豐富和直觀的信息，具有良好的可 判讀性和可測量性。數(shù)字正射影像數(shù) 據(jù)庫可以結(jié)合數(shù)字地形數(shù)據(jù)庫中的信 息或其他相關(guān)信息作為各種形式的數(shù) 字或模擬正射影像圖。（4）數(shù)字柵格地圖：數(shù)據(jù)柵格地 圖數(shù)據(jù)庫是數(shù)字柵格地圖及其管理軟 件的集合。數(shù)字柵格地圖對現(xiàn)有紙質(zhì) 地圖通過計算機處理后的柵格數(shù)據(jù)文 件。紙質(zhì)地形圖通過掃描并進行幾何 糾正、內(nèi)容更新和數(shù)據(jù)壓縮處理可生 成數(shù)字柵格地圖。數(shù)字柵格地圖保存 模擬地形圖的全部內(nèi)容和幾何精度， 生產(chǎn)快捷，成本較低。（5）元數(shù)據(jù)庫：元數(shù)據(jù)庫是描述 數(shù)據(jù)庫中各數(shù)字文件的元數(shù)據(jù)構(gòu)成的 數(shù)據(jù)庫。元數(shù)據(jù)庫包括系統(tǒng)各數(shù)據(jù)庫 及數(shù)字文件的基本信息、空間數(shù)據(jù)信 息、坐標系

5、統(tǒng)信息、數(shù)據(jù)質(zhì)量信息、 分層要素信息、發(fā)布信息和元數(shù)據(jù)參 考信息等。（6）專題數(shù)據(jù)：專題數(shù)據(jù)包括一 些土地利用專數(shù)據(jù)、規(guī)劃管理數(shù)據(jù)、 農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)、水利數(shù)據(jù)等。它們的形式 可以是矢量形式或柵格形式，所以可 采用矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進 行存儲和管理。3空間數(shù)據(jù)庫特征空間數(shù)據(jù)不僅具有普通對象的屬 性特征，還具有與位置相關(guān)的空間特 征。所以，地理空間數(shù)據(jù)庫與一般數(shù) 據(jù)庫相比，具有以下特征1：（1）空間特征?？臻g特征是空間 數(shù)據(jù)最主要的特征，它描述了空間物 體的位置、形態(tài)、空間拓撲關(guān)系等。 這就要求GIS除了具備通用數(shù)據(jù)庫管 理系統(tǒng)或文件系統(tǒng)的關(guān)鍵字索引和輔 助關(guān)鍵字索引外，還需建立空間索引 機制。

6、（2）空間關(guān)系特征?？臻g數(shù)據(jù)除 了空間坐標隱含了空間分布關(guān)系外， 空間數(shù)據(jù)中也記錄了拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表 達的多種空間關(guān)系。這種拓撲數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)一方面方便了空間數(shù)據(jù)的查詢和空 間分析，另一方面也給空間數(shù)據(jù)的一 致性和完整性維護增加了難度。（3）多尺度與多態(tài)性。不同觀察 尺度具有不同的比例尺和精度，同一 地物在不同情況下會有形態(tài)差異，這 就要求空間數(shù)據(jù)庫具備有效的多尺度 空間數(shù)據(jù)組織與管理功能，這也是一 般關(guān)系型數(shù)據(jù)庫所不具備的。（4）非結(jié)構(gòu)化特征。在一般關(guān)系 型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)記錄通常 是結(jié)構(gòu)化的。即它滿足關(guān)系數(shù)據(jù)模型 的第一范式要求，每條記錄是定長的， 數(shù)據(jù)項表達的只能是原始數(shù)據(jù)，不允 許嵌套

7、記錄。而空間數(shù)據(jù)則不能滿足 這種結(jié)構(gòu)化要求，這也是為什么空間 圖形數(shù)據(jù)難以直接采用通用的關(guān)系型 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的原因之一。（5）分類編碼特征。一般而言， 為了唯一識別地理實體和共享空間數(shù) 據(jù)，每一個空間對象都有一個分類編 碼，而這種分類編碼往往屬于國家標 準，或行業(yè)標準，或地區(qū)標準。通過 分類編碼將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián) 起來。（6）海量數(shù)據(jù)特征?？臻g數(shù)據(jù)量 是巨大的，通常稱為海量數(shù)據(jù)，所以 通常需要在二維空間上劃分為塊和圖 幅、在垂直方向上劃分為層來進行管 理。4空間數(shù)據(jù)管理發(fā)展過程4.1人工管理階段在20世紀50年代中期，計算機主 要用于科技計算，不需要將數(shù)據(jù)長期 保存，需要時人工輸入數(shù)據(jù)。

8、4.2文件管理階段在20世紀60年代中期，文件管理 方式是將所有的數(shù)據(jù)都存放于一個或 多個文件中，包括結(jié)構(gòu)化的屬性數(shù)據(jù)。 采用文件管理數(shù)據(jù)的優(yōu)點是靈活，即 每個軟件廠商可以任意定義自己的文 件格式，管理各種數(shù)據(jù)，這一點在存 儲需要加密的數(shù)據(jù)以及非結(jié)構(gòu)化的、 不定長的結(jié)合體坐標記錄時是有幫助 的。文件管理的缺點也是顯而易見的: 每個文件都是為特定的用途設(shè)計的， 同樣數(shù)據(jù)在多個文件中重復(fù)存儲，造 成數(shù)據(jù)冗余較大；程序和數(shù)據(jù)間的獨 立性較差，應(yīng)用程序依賴于文件的存 儲結(jié)構(gòu)，修改文件存儲結(jié)構(gòu)就要修改 程序；對數(shù)據(jù)的表示和處理能力較差， 文件結(jié)構(gòu)和操作比較單一；數(shù)據(jù)不一 致，更新時會造成同一數(shù)據(jù)在不同文

9、 件中的不一致；數(shù)據(jù)聯(lián)系弱，文件與 文件之間是獨立的，文件之間的聯(lián)系 必須通過程序來構(gòu)造4。4.3文件與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)混合管理 階段文件和關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合系統(tǒng)中， 圖形用數(shù)據(jù)文件存儲，屬性用關(guān)系數(shù) 據(jù)庫表存儲，兩者通過標識符相連接。 混合結(jié)構(gòu)管理模式的優(yōu)點是:GIS可通 過DBMS提供的高級編程語言的接口 直接操縱屬性數(shù)據(jù)，查詢屬性數(shù)據(jù)， 并在GIS的用戶界面下顯示查詢結(jié)果; 在ODBC推出后，GIS軟件商只需要 開發(fā)GIS與ODBC的接口軟件，就可 將屬性數(shù)據(jù)與任何一個支持ODBC的 RDBMS連接，這樣用戶可以在一個界 面下處理圖形和屬性數(shù)據(jù)。其缺點主 要是：屬性數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)通過ID聯(lián) 系，使

10、得查詢運算、模型操作運算速 度慢；數(shù)據(jù)分布和共享困難；屬性數(shù) 據(jù)和圖形數(shù)據(jù)分開存儲，數(shù)據(jù)的安全 性、一致性、完整性、并發(fā)控制以及 數(shù)據(jù)損壞后的恢復(fù)方面缺少基本的功 能；缺乏表示空間對象及其關(guān)系的能 力。4.4純關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫管理系 統(tǒng)在純關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理方式下， 圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)都采用現(xiàn)有的關(guān) 系型數(shù)據(jù)庫來存儲，使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫 的標準連接機制來進行空間數(shù)據(jù)與屬 性數(shù)據(jù)的連接。對于變長結(jié)構(gòu)的空間 幾何數(shù)據(jù)，一般采用兩種方式處理：（1） 按照關(guān)系型數(shù)據(jù)庫組織數(shù)據(jù)的基本原 則，對變長的幾何數(shù)據(jù)進行關(guān)系范式 的分解，分解成定長記錄的數(shù)據(jù)表進 行存儲。（2）將圖形數(shù)據(jù)的變長部分 處理成Binary二

11、進制Block塊字段。 這種管理方式的優(yōu)點是省去了空間數(shù) 據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的繁瑣連接，空間數(shù)據(jù) 的存取速度快，缺點是由于查詢過程 涉及空間索引，效率上低于DBMS中 所用的直接操作過程，且查詢過程復(fù) 雜。4.5對象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫成為目前最為流 行的空間數(shù)據(jù)管理方式。它是在傳統(tǒng) 關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，進行擴 展使之能夠同時管理矢量圖形數(shù)據(jù)和 屬性數(shù)據(jù)。擴展的方式有兩種：一種 是GIS軟件商在傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理 系統(tǒng)之上進行擴展，外加一個空間數(shù) 據(jù)管理引擎；另一種是在關(guān)系數(shù)據(jù)庫 系統(tǒng)中進行擴展，使之能直接存儲和 管理空間數(shù)據(jù)1。對象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫的 管理方式有以下特點：在關(guān)系數(shù)

12、據(jù)庫 管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴展；采用對象關(guān)系 數(shù)據(jù)模型；將空間坐標存在變長記錄 中；增加空間數(shù)據(jù)管理的操縱函數(shù)； 不支持拓撲關(guān)系；建立高效的空間索 引。由于對象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫提供了對于 非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)管理的擴展，其效率 比純關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理方式高得多， 同時，它又具有數(shù)據(jù)的安全性、一致 性、完整性、并發(fā)控制以及數(shù)據(jù)損壞 后的恢復(fù)方面等基本功能，支持海量 數(shù)據(jù)管理，它成為目前大型GIS系統(tǒng) 常用的數(shù)據(jù)管理方式。4.6面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫系統(tǒng)如果應(yīng)用面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫管理空 間數(shù)據(jù)，則可以擴充對象數(shù)據(jù)庫中的 數(shù)據(jù)類型以支持空間數(shù)據(jù)，包括點、 線、多邊形等幾何體，并且允許定義 對于這些幾何體的基本操作，包括計 算距

13、離、檢測空間關(guān)系、緩沖區(qū)計算 等，也可以由對象數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)“無 縫”地支持。這樣，通過對象數(shù)據(jù)庫 管理系統(tǒng)提供了對于各種數(shù)據(jù)的一致 的訪問接口以及部分空間模型服務(wù)， 不僅實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，而且空間模型 服務(wù)也可以共享。不過，目前面向?qū)?象的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)遠未成熟，許多的技 術(shù)問題仍需要進一步的研究。5空間數(shù)據(jù)庫模型GeodatabaseGeodatabase是一種采用標準關(guān)系 數(shù)據(jù)庫技術(shù)來表現(xiàn)地理信息的空間數(shù) 據(jù)庫模型，它能實現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)和柵格 數(shù)據(jù)一體化存儲，有三種格式： Personal Geodatabase，是基于 Access 數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)；File Geodatabase，是基 于文件的

14、實現(xiàn)；多用戶Geodatabase， 通過ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎，在 Oracle SQL Server 等 DBMS 中實現(xiàn)。 在Geodatabase數(shù)據(jù)庫模型中，可以將 圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)同時存儲在一個 數(shù)據(jù)表中，每一個圖層對應(yīng)這樣一個 數(shù)據(jù)表。在ArcGIS中，可以通過 ArcCatalog 對 Geodatabase 進行組織和參考文獻1張新長，馬林兵，張青年.地理信息 管理。6空間數(shù)據(jù)庫發(fā)展前沿6.1空間數(shù)據(jù)倉庫空間數(shù)據(jù)倉庫具有面向主題、集 成性、綜合性、時間相關(guān)性、面向空 間的特征，該技術(shù)從理論和實踐上都 展示出在空間數(shù)據(jù)存儲上的巨大價值， 它的目標是支持數(shù)字地球發(fā)展、空間

15、數(shù)據(jù)集成、空間決策支持發(fā)展的需求。 目前空間數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)遠未發(fā)展成熟， 仍有巨大的研究發(fā)展空間。6.2智能空間數(shù)據(jù)庫隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用， 智能空間數(shù)據(jù)庫也得到了新的發(fā)展， 主要包括：數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)方面的智 能化，智能空間數(shù)據(jù)庫與專家系統(tǒng)的 結(jié)合，智能化空間決策支持模型庫。6.3新型數(shù)據(jù)庫隨著用戶需求的提高和存儲技術(shù) 的發(fā)展，應(yīng)運而生了一系列新型數(shù)據(jù) 庫，如分布式數(shù)據(jù)庫、演繹數(shù)據(jù)庫、 多媒體數(shù)據(jù)庫、工程數(shù)據(jù)庫、時態(tài)數(shù) 據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫等，尤其是云存儲 與云計算（屬于分布式數(shù)據(jù)庫）環(huán)境 下的位置信息服務(wù)成為當(dāng)前研究的熱 點。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫M.北京：科學(xué)出版社，2004.黃杏元,馬勁松，湯勤.

16、地理信息系統(tǒng) 概論M.北京:高等教育出版社,2004.龔健雅，杜道生，李清泉等.當(dāng)代地 理信息技術(shù)M.北京：科學(xué)出版 社,2004.吳信才.空間數(shù)據(jù)庫M.北京:科學(xué) 出版社,2009.崔鐵軍.地理空間數(shù)據(jù)庫原理M. 北京:科學(xué)出版社,2007.吳秀芹，張洪巖，李瑞改等.ArcGIS 9 地理信息系統(tǒng)應(yīng)用與實踐M.北京:清 華大學(xué)出版社,2007.王樹良.空間數(shù)據(jù)挖掘視角M.北京: 測繪出版社,2006.Brief Introduction of Spatial DatabaseDong HongpingState Key Laboratory of Information Engineerin

17、g in Surveying, Mapping and Remote Sensing,Wuhan University, Wuhan 430079,ChinaAbstract : Spatial database is the most important module in GIS software. This paper firstly discusses the conception, content, essential characters of spatial database, then introduces developing process of spatial database, and the methods of object-relation is the main model of spatial database. At last, the paper explores its frontier development.Key Words: spatial database; the methods of object-relation; models of spatial databaseF