地下管網(wǎng)時空數(shù)據(jù)庫設計與應用

向 娟，黃青松

（1.國家測繪地理信息局 重慶測繪院，重慶 400015）

地下管網(wǎng)時空數(shù)據(jù)庫設計與應用

向 娟1，黃青松1

（1.國家測繪地理信息局 重慶測繪院，重慶 400015）

探討了三維管網(wǎng)信息系統(tǒng)后臺的時空數(shù)據(jù)庫設計原理，在保留現(xiàn)有時空數(shù)據(jù)庫設計大部分特性的基礎上，內(nèi)部采用全關系化的設計模式，協(xié)同管理空間數(shù)據(jù)和非空間的三維模型數(shù)據(jù)，應用到數(shù)字城市的三維管網(wǎng)系統(tǒng)建設項目中，取得了良好的效果。

三維管網(wǎng)；時空數(shù)據(jù)庫；TGIS

當前，管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)已出現(xiàn)偏實用帶有時空特性的二維管網(wǎng)系統(tǒng)[1]和偏向于瀏覽效果不帶時空特性的三維管網(wǎng)系統(tǒng)[2]。為了兼顧時空特性和三維特性的優(yōu)點，需要為三維管網(wǎng)信息系統(tǒng)后臺設計三維數(shù)據(jù)時空數(shù)據(jù)庫。與二維管網(wǎng)信息系統(tǒng)后臺的時空數(shù)據(jù)庫不同的是，二維數(shù)據(jù)只需要管理空間數(shù)據(jù)，而三維系統(tǒng)需要管理空間數(shù)據(jù)和非空間的模型數(shù)據(jù)，設計數(shù)據(jù)庫在注重效率的同時，還需要保持兩種數(shù)據(jù)關聯(lián)的正確性。

1 管網(wǎng)時空數(shù)據(jù)庫設計思路

在數(shù)據(jù)庫的設計中以實體為單位建立時間索引，且以實體的ID進行空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)關聯(lián)，數(shù)據(jù)的變更以實體的變化為事件觸發(fā)，面對應用系統(tǒng)開放一個數(shù)據(jù)更新接口，在內(nèi)部使用數(shù)據(jù)庫的函數(shù)包及觸發(fā)器維護，保障數(shù)據(jù)的完整性和規(guī)范性[3]。這樣就可以在數(shù)據(jù)庫中將實體的變化全部存儲起來，用戶可以用時間軸上的時間段過濾空間數(shù)據(jù)，做到任意時間點數(shù)據(jù)快速回放。

對存儲管理地理空間數(shù)據(jù)，目前有基于關系數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)的管理方法、建立全新的面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)的全關系化存儲管理等解決方案?？臻g數(shù)據(jù)的全關系化存儲管理是在標準的RDBMS上增加空間數(shù)據(jù)管理層，即空間數(shù)據(jù)引擎，利用該層將地理結構查詢語言轉(zhuǎn)化為標準的SQL查詢，借助索引數(shù)據(jù)的輔助關系實施空間索引操作。采用全關系化管理的方式，以充分利用RDBMS數(shù)據(jù)管理的功能，使空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)一體化集成。另外，由于歷史關系數(shù)據(jù)庫[4]也采用了關系模型，為關系代數(shù)擴展了時間語義，并且研究和開發(fā)了時間結構查詢語言。因此在全關系化空間數(shù)據(jù)庫擴充時態(tài)信息建立時空數(shù)據(jù)庫成為可能。

2 管網(wǎng)時空數(shù)據(jù)庫關鍵技術點

在帶有時態(tài)信息的空間數(shù)據(jù)庫中，將多種數(shù)據(jù)分成若干個表進行組織，表的邏輯設計目標是消除冗余以及保障增刪改的正確進行。時空數(shù)據(jù)庫的構建在設計之初需要確定好所使用的時空模型[1]，在實施階段，后臺的時空數(shù)據(jù)庫會根據(jù)前端的應用系統(tǒng)進行調(diào)整，使二者契合度高。

2.1 時空數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的維護

從3個方面來說明數(shù)據(jù)編輯在歷史數(shù)據(jù)表上的具體操作，這也是時空數(shù)據(jù)維護的整個過程，如圖1。

圖1 時空數(shù)據(jù)庫維護原理圖

1）添加數(shù)據(jù)。在原先的表中沒有數(shù)據(jù)，添加一條數(shù)據(jù)記錄可檢索到表中最大要素FeatureID為3，則添加一條FeatureID=4的數(shù)據(jù)到表中，并記錄各個操作時間。

2）編輯數(shù)據(jù)。編輯一個FeatureID=1的已有數(shù)據(jù)，將它打斷，則將打斷后的2個數(shù)據(jù)分別按FeatureID=5和FeatureID=6進行保存，將FeatureID=1標記為“刪除”，并記錄各個操作時間。編輯一個FeatureID=2的已有數(shù)據(jù)，對其進行移位操作后，仍將此要素按FeatureID=7進行存儲，將FeatureID=2標記為“刪除”，并記錄各個操作時間。

3）刪除數(shù)據(jù)。刪除一個FeatureID=3的已有數(shù)據(jù)，則將其標記為“刪除”， 并記錄各個操作時間。

2.2 時空數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的檢索

在時空數(shù)據(jù)庫中檢索出有用的數(shù)據(jù)，需要根據(jù)數(shù)據(jù)表中的相應標記來進行檢索。在提高效率方面數(shù)據(jù)檢索參照現(xiàn)有相關的研究成果[5,6]，更精準有效地完成數(shù)據(jù)的讀取。數(shù)據(jù)檢索分2個方面進行說明：

1）檢索現(xiàn)勢數(shù)據(jù)。在歷史數(shù)據(jù)表中，排除“標記=刪除”的所有要素都是現(xiàn)勢數(shù)據(jù)。

2）檢索歷史數(shù)據(jù)。要檢索歷史數(shù)據(jù)，則要根據(jù)各個數(shù)據(jù)的操作時間，檢索出某個時間點之前的數(shù)據(jù)。

3 管線時空數(shù)據(jù)庫的應用

3.1 管線實時展現(xiàn)

由于在數(shù)據(jù)庫中對現(xiàn)勢數(shù)據(jù)的查詢和調(diào)度最為頻繁，而查詢語句相對固定，在數(shù)據(jù)庫端建立一個現(xiàn)勢數(shù)據(jù)物化視圖[7]，并在客戶端的三維場景中看視圖區(qū)域?qū)崟r調(diào)度，如圖2。

圖2 現(xiàn)勢數(shù)據(jù)調(diào)度流程圖

在管網(wǎng)系統(tǒng)中使用此方案對現(xiàn)勢數(shù)據(jù)進行調(diào)度，整個三維場景約有20萬個三維管網(wǎng)模型數(shù)據(jù)，在漫游過程中能夠進行流暢的展現(xiàn)。圖3為三維場景中可視化的管網(wǎng)數(shù)據(jù)。

圖3 管網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度現(xiàn)勢數(shù)據(jù)

3.2 四維管線數(shù)據(jù)回溯

管線數(shù)據(jù)按時間版本回溯展示是在管線數(shù)據(jù)的編輯過程中記錄所有操作，將改變的數(shù)據(jù)加入數(shù)據(jù)的歷史庫，當需要回溯到某個時間點時，根據(jù)時間點到現(xiàn)狀庫和歷史庫中同時查詢，將結果數(shù)據(jù)組合構成要回溯時間點的數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)進行展示。圖4中，通過時間節(jié)點從時空數(shù)據(jù)庫中讀取該時間點的歷史數(shù)據(jù)，并在右側(cè)三維場景中與左側(cè)三維場景中的現(xiàn)勢數(shù)據(jù)進行對比展示。

圖4 管網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度歷史數(shù)據(jù)

4 結 語

結合現(xiàn)有TGIS在時空數(shù)據(jù)庫中的研究成果，將時空數(shù)據(jù)庫擴展后作為數(shù)據(jù)管理后臺應用到三維管網(wǎng)系統(tǒng)，對建設帶時空特性的三維數(shù)字城市項目有一定的意義。但這種時空數(shù)據(jù)庫并未加入版本控制，在下一步研究過程中將考慮多人協(xié)同在線編輯的問題。

[1] 馬吉慶,耿崇亮,許國酩. 時空數(shù)據(jù)模型在城市地下管線數(shù)據(jù)庫中的應用[J]. 科技信息, 2010(6): 350-351

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[3] 琚冠輝,萬靜. 時空數(shù)據(jù)庫規(guī)范化問題的研究[J]. 信息技術, 2009(6): 172-178

[4] 黃勇奇,崔偉宏. 基于歷史關系數(shù)據(jù)庫的時空數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)研究[J]. 遙感學報, 2008(5): 759-763

[5] 何亞軍. 時空數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)操縱及查詢優(yōu)化的研究與實現(xiàn)[D].武漢: 華中科技大學，2004

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1672-4623（2015）04-0035-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.013

向娟，碩士，工程師，主要從事GIS開發(fā)應用研究。

2015-01-06。