淺析GIS空間數(shù)據(jù)庫

吳明哲 湯志華 郭文格

摘 要：空間數(shù)據(jù)庫是GIS的核心。GIS 所涉及的主要是空間數(shù)據(jù)，所以對于GIS 數(shù)據(jù)庫的大量研究都跟空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和管理模式相關(guān)。該文分析了GIS空間數(shù)據(jù)的特征及其對數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的要求，探討了幾種GIS 空間數(shù)據(jù)的管理模式。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；SDE；空間數(shù)據(jù)庫；面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫

一、概述

地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographical Information System）在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣泛的應用，特別是“數(shù)字地球”的提出，引起了各國政府的高度重視。這也使得地理信息系統(tǒng)理論面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。關(guān)鍵性的技術(shù)問題之一是GIS空間數(shù)據(jù)模型的完備性和適應性問題。實踐表明，對現(xiàn)有空間數(shù)據(jù)模型認識和理解的正確與否在很大程度上決定著GIS空間管理系統(tǒng)研制或應用空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計的成敗，而對空間數(shù)據(jù)模型的深入研究又直接影響著新一代GIS系統(tǒng)的發(fā)展。

GIS的核心是空間數(shù)據(jù)庫。空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是一個存貯空間和屬性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，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它空間分析的方法。因此，現(xiàn)在的GIS軟件都在朝集成結(jié)構(gòu)的空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)方向發(fā)展，將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)全部存儲在數(shù)據(jù)庫中。在目前的采用集成結(jié)構(gòu)的商用空間數(shù)據(jù)庫軟件中，應用最廣泛的當屬Esri spatial database engine（SDE），它能將各種數(shù)據(jù)存放在關(guān)系數(shù)據(jù)庫或?qū)ο箨P(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中。

二、空間數(shù)據(jù)的特征

空間數(shù)據(jù)除了具有一般數(shù)據(jù)的特征（如選擇性、可靠性、時間性、完備性、詳細性及綜合性等）之外，還具有一些區(qū)別于其他數(shù)據(jù)的特性。構(gòu)成空間數(shù)據(jù)的特征主要有以下幾點：（1）空間性：空間性是空間數(shù)據(jù)的主要特征，空間數(shù)據(jù)描述的是空間實體的位置、形態(tài)，甚至包括需要描述實體的空間拓撲關(guān)系等；（2）抽象性：空間數(shù)據(jù)是現(xiàn)實世界中的地物和地貌等特征的抽象描述抽象性的過程是人為地取舍數(shù)據(jù)的過程，也正是這一過程使得數(shù)據(jù)產(chǎn)生了多語義的問題；（3）多時空性：空間數(shù)據(jù)具有很強的時空性，一個空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)源中既有同一時間不同空間的數(shù)據(jù)系列，也有同一空間不同時間序列的數(shù)據(jù)。

三、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫的比較

空間數(shù)據(jù)由于它本身的特征，用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫來管理時，存在著以下的一些弊處：（1）傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理的是不連續(xù)的、相關(guān)性較小的數(shù)字或字符，而空間數(shù)據(jù)是連續(xù)的，并且有很強的空間相關(guān)性。（2）傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理的實體類型較少，并且實體類型之間通常只有簡單的、固定的空間關(guān)系，而空間數(shù)據(jù)的實體類型繁多，實體之間的空間關(guān)系較為復雜。（3）傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲的通常為等長記錄的數(shù)據(jù)，而空間數(shù)據(jù)通常由于描述對象的不同而具有變長記錄，并且數(shù)據(jù)項也可能多而復雜。（4）傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)只操作和查詢數(shù)字和文字信息，而空間數(shù)據(jù)的管理中需要大量的空間數(shù)據(jù)操作和查詢。

四、GIS 空間數(shù)據(jù)管理的要求

GIS 的一項重要功能就是具有空間分析功能。建立空間分析功能，不僅軟件要有空間分析模型，而且其數(shù)據(jù)庫必須支持空間分析功能，即數(shù)據(jù)庫儲存了拓撲關(guān)系的數(shù)據(jù)，通?？臻g拓撲數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)是合二為一的。GIS 要求在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部必須能夠很好地進行數(shù)據(jù)通信和協(xié)調(diào)，否則極易造成數(shù)據(jù)庫混亂。同時，GIS 軟件要求具有強大的信息檢索和分析功能，這是建立在其數(shù)據(jù)庫強大支持的基礎(chǔ)上，需要高效訪問大量數(shù)據(jù)，特別是一些圖形影像等數(shù)據(jù)。

五、空間數(shù)據(jù)庫的管理模式

（一）傳統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)管理模式。傳統(tǒng)的 GIS將空間數(shù)據(jù)或?qū)傩詳?shù)據(jù)分開管理，空間數(shù)據(jù)用文件系統(tǒng)管理，屬性數(shù)據(jù)用關(guān)系數(shù)據(jù)庫 （RDBMS）管理，通過內(nèi)置的屬性數(shù)據(jù)庫，將圖形與數(shù)據(jù)庫進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)屬性到圖形或圖形到屬性的雙向查詢。

（二）關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫管理模式。目前空間數(shù)據(jù)引擎技術(shù)流行的做法是以當前的關(guān)系數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，進行擴充和完善。在數(shù)據(jù)存儲和組織上，將空間數(shù)據(jù)項作為單獨的列加入到關(guān)系數(shù)據(jù)庫的表，用戶可像通常那樣對表中數(shù)據(jù)進行查詢、合并等，還可以進行由空間數(shù)據(jù)查屬性和由屬性查目標的空間分布等操作。

（三）時空數(shù)據(jù)模型。由于空間對象是隨時間變化的，而這種動態(tài)變化規(guī)律在許多應用領(lǐng)域中，如環(huán)境檢測、地震救援、天氣預報等的求解過程中起著十分重要的作用。目前比較流行的作法是在現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上擴充，如在關(guān)系模型的元組中加入時間，在對象模型中引入時間屬性。

六、結(jié)語

在地理信息系統(tǒng)（GIS）的集成環(huán)境中，數(shù)據(jù)庫被GIS系統(tǒng)平臺完全封裝，并且在同一進程中對數(shù)據(jù)庫進行操作，效率較高；不僅具有圖形顯示、編輯處理功能，而且提供了強大的空間分析能力，通過內(nèi)置的屬性數(shù)據(jù)庫，將圖形與數(shù)據(jù)庫進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)屬性到圖形或圖形到屬性的雙向查詢。ESRI 公司的SDE 是目前應用最為廣泛的空間數(shù)據(jù)庫軟件，它將空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)集成在通用的DBMS 中，使得空間數(shù)據(jù)得到有效的管理。SDE 中的數(shù)據(jù)采用無縫數(shù)據(jù)連接方式，使得數(shù)據(jù)的檢索效率大大增強。SDE 采用的先進技術(shù)，對我們開發(fā)自己的空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是很好的借鑒。

參考文獻

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