（大地测量学与测量工程专业论文）基于oracle+spatial的地籍数据库增量更新系统设计与实现.pdf

摘要 地籍数据库是以地块为基本单元，记录和诠释其界址、权属、质 量和用途等几何、属性和时间信息的时空数据库。在地籍数据更新 中，由于地籍图形信息的变更引起相关信息的改变，使得地籍变更 处理操作极为复杂，所以当前国内外地籍数据更新仍然采用人、机 交互方式进行。但其方法操作复杂易产生人为错误，难以保证数据 的一致性，因此急需研究自动( 或半自动) 的地籍数据库增量更新 方法。 本文以对象关系型数据库和时态g i s 为基础，采用历史数据与 当前数据统一存储的模式，设计并开发了地籍数据库增量查询更新 系统，主要包括： 1 ) 空间拓扑关系查询模块，实现了地块地块、地块界址线、 界址线界址线及界址点界址点、界址点地块等空间拓扑关系查询； 2 ) 地籍信息更新模块，实现了地块合并、地块分割、公共边界 调整、复合分并变更中的图形和属性信息的自动化或半自动化增量 更新，并发展了相应的算法和流程； 3 ) 宗地时态信息查询模块，包括父子关系查询、历史快照数据 查询、变化信息查询等。 最后，作者以v c + + n e t 作为开发环境，将m a p l n f 0 7 0 集成在 v c n e t 下，利用o r a c l e0 0 4 0 ( o r a c l eo b j e c t sf o ro l e ) ，o d b c 和o c c i ( o r a c l ec 抖c a l li n t e r f a c e ) 实现o r a c l e 数据库的访问，以 实际的空间数据为例对本文所提出的方法和设计的算法进行了实 验。 关键词o r a c l es p a t i a l ，m a p l n f o ，地籍数据库，增量更新，查询， 时空关系 。 a b s t r a c t c a d a s t r a ld a t a b a s ei sas p a t i o t e m p o r a ld a t a b a s e w h i c hr e c o r d st h e s p a c e a t t r i b u t e a n dt i m ei n f o r m a t i o no fe a c h p a r c e l sb o u n d a r y , a u t h o r i t y , u s a g e a n d s oo n w i t ht h ep a r t i c u l a r i t yo ft o p o l o g i c a l r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc a d a s t r a le n t i t i e s i t i sd i f f i c u l tt ou p d a t et h e c a d a s t r a ld a t a b a s ew h e nac h a n g eh a p p e n e d t h e r e f o r ei t i s v e r y c o m m o nt ou p d a t ed a t am u t u a l l y w h i l et h em a n u a lu p d a t i n ga l w a y s w i l ll e a dt oe r r o r si nt h em a i n t e n a n c eo fi n t e g r i t yo fd a t a w h i c hm e a n s i ti sv i t a lt or e a l i z ea u t o m a t i co rs e m i a u t o m a t i cd a t au p d a t i n go fc i s 蹦n go b j e c t o r i e n t e dd a t a b a s em o d e la n ds p a t i o - t e m p o r a lg i sa si t s f o u n d a t i o na n ds t o r i n ga l lt h eh i s t o r i c a ld a t aa n dc u r r e n td a t ai no n e d a t a b a s e a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mo fi n c r e m e n t a lu p d a t i n gw a sd e s i g n e d a n dc a r d e do u t i nw h i c ht h r e em a i na s p e c t sw i l lb ei n c l u d e d ： 1 、t h em o d u l eo ft o p o l o g i c a lq u e r y , i n c l u d i n gt h et o p o l o g i c a l q u e r yo f p l o t s p l o t s ，p l o t s b o u n d a r i e s ，b o u n d a r i e s b o u n d a r i e so rn o d e s p l o t se t c ； 2 、t h em o d u l eo fu p d a t i n g s u c ha st h ea u t o m a t i c o r s e m i a u t o m a t i cu p d a t i n go fp l o ts p l i t ，u n i o n ，r e a l l o c a t i o n ，m o d i f i c a t i o n o f t h ec o m m o nb o r d e ra n dt h ec o r r e s p o n d i n ga r i t h m e t i ca n df l o w ； 3 、t h em o d u l eo fs p a t i o - t e m p o r a l q u e r y , i n c l u d i n gq u e r y o f f a t h e r - s o nr e l a t i o n s ，q u e r yo fs n a p s h o t ，q u e r yo fc h a n g e dd a t ae t c ； i nt h e e n d t a k i n gv c + + n e ta s ad e v e l o p i n gs e t t i n ga n d i n t e g r a t i n gm a p l n f o7 0a n do r a c l es p a t i a l9 2w h i c hi sc a l l e db v0 0 4 0 ( o r a c l eo b i e c t s f o ro l e ) 0 d b ca n d0 c c i ( o r a c l ec + + c a i l i n t e r f a c e ) t h ea u t h o ri l l u s t r a t e s t h et h e o d e sa n dm e t h o d sb ys o m e s p a t i a ld a t a k e yw o r d so r a c l es p a t i a l ，m a p i n f o ，c a d a s t r a ld a t a b a s e ，i n c r e m e n t a l u p d a t i n g ，q u e r y 硕士学位论文 绪论 1 1 地籍信息系统 第1 章绪论 地籍是记载土地位置、界址、数量、质量、权属和用途( 地类) 等基本状况 的图簿册。地籍的图簿册中，图主要是指宗地图和地籍图，宗地图的空间集合构 成地籍图；簿是指土地登记簿，是由土地登记卡的集合构成的；册是指土地归户 册。由土地归户卡的集合构成。宗地是一个多边形，由界址线和界址点构成，是被 权属界限所封闭的地块。土地登记卡以宗地为单位记录土地所有权和使用权状 况。土地归户卡记录同一土地使用者或所有者使用或所有的全部土地状况。土 地质量则是采用分等定级的方式确定 李雅素，刘忠阳- - 2 0 0 0 。 地籍信息系统是土地信息系统的重要组成部分，是地理信息系统范畴，是 地理信息系统技术在地籍管理中的应用。它是一个在计算机和现代技术支持下， 以“宗地”为核心实体，实现地籍信息的输入、储存、检索、处理、综合分析、 辅助决策以及结果输出的信息系统。 地籍管理的功能较为复杂。主要业务是进行土地登记，以确定宗地的权属 关系。土地登记包括设定登记、变更登记、他项权利登记等。土地登记的过程 需要对宗地的所有信息进行处理，包括宗地所在的空间位置、基本属性、宗地 的权利人信息、宗地权属关系的变化信息等。此外，地籍管理还应该为土地利 用、土地规划以及其它部门的应用提供帮助。因此，地籍信息系统是一个较为 复杂的应用系统 刘利等一2 0 0 3 。 1 2 地籍数据库 以数据库及数据库管理系统为基础，针对某种应用环境中的具体应用需求， 把大量的信息按照一定的数据模型组织起来，提供存储、维护、检索、分析数 据的功能，使用户可以方便、及时、准确地从数据库中获得所需的信息，辅助 人们对环境进行控制和进行决策的计算机应用系统，也就是信息系统的一种。 对于应用开发人员来说，数据库则意味着用某种数据库管理系统管理着的数据 集 蒋捷，韩刚，陈军等一2 0 0 3 ，所以地籍数据库实际上就是地籍数据的数据 集。 硕：l 二学位论文 地籍数据库是为存储、管理土地基本信息的数据库，即以地块为基本 单元用数字形式记录土地籍其附着物的位置、权属、数量、质量和土地利用 现状等几何和属性信息( 即地籍信息) 的数据库，能以最少重复( 冗余) 为多用途地籍服务，扩大地籍信息的应用范围，是数据库技术与地籍系统 相结合的产物，是地籍信息系统的核心 周晓光一2 0 0 5 】。 与一般的数据库不同，地籍数据库中的数据不仅有普通属性数据，而且还 有结构复杂的空间数据。空间数据需要用空间数据库管理系统来管理，由于几 何数据比一般的文本、数字型数据的结构要复杂的多，从而使得空间数据的管 理更新更加复杂。目前地籍数据库仍存在如下缺陷： 1 ) 没有图形数据，仅有属性数据。这一类可看作普通的管理信息系统，这类软 件无法管理图形数据，因此不能胜任地籍管理工作； 2 ) 既有属性数据又有图形数据，但图形数据只是示意性的。由于没有地理位置 和坐标等概念，系统也不是在g i s 平台上开发的，因此无法管理大量的图形 数据，其实际应用能力有限； 3 ) 基于绘图设计软件( 如传统的c a d ) 进行二次开发，既有图形数据又有属性 数据。这一类数据有一定应用价值，但由于图形和属性数据库接合不紧密，导 致地籍管理中仍然存在很多问题难以解决，如空间查询及g i s 属性管理方面 的操作困难等 韩伟刚，王建弟，郑润根一2 0 0 3 。 4 ) 地籍档案的传输和数据共享困难性。地籍档案是重要的法律凭证，同时也是 国家进行土地统计和征收土地使用税的重要依据，为完成土地统计及相关土地 管理工作必然涉及到地籍档案的传输与数据共享问题。基于文件存储的g i s 图 形信息，在传输和共享的过程中明显受g i s 平台的限制，不同平台的g i s 图形 文件，其数据存储格式是不相同的，出于商业目的考虑，一般来说，其内部格 式是不公开的，仅提供交换格式。 5 ) 数据的安全性差。目前大多数g i s 平台都是将空间信息和属性信息分开存 储，空间信息一般按某个开发商自定义的文件格式以文件方式存储，属性数据 由关系数据库进行存储管理。这种数据存储管理方式曾对g i s 的应用和推广起 到了积极的促进作用，但从g i s 的发展来看，上述基于文件的空间信息存储方 案只能是g i s 发展的过渡性方式，这种方式的缺点就是其安全性能差。一般来 说，数据文件的安全是由操作系统来完成的，这就使以文件存储的空间信息难 以有安全性保证，而地籍档案( 无论是地籍图形档案还是地籍文档) 是土地使 用者合法使用土地的法律凭证，这无论是对管理者还是使用者来说都是极其重 要的。地籍档案安全性在地籍信息系统中很重要，设计地籍信息系统的存储结 构时应充分考虑这一要求。 硕士学位论文 绪论 6 ) 地籍图形变更相对困难，其完整性和准确性难以保证。地籍变更是地籍管理 的核心内容，地籍变更包括图形和属性变更两大部分，属性变更在设计中较容 易实现。图形变更往往成为地籍系统设计的难点。目前的g i s 平台在图形变更 时，容易因操作失误而导致图形的移位或改变，这些失误在图形提交前若未得 到及时改正，就将成为永久错误存在g i s 图形文件中，这些错误将严重影响地 籍图的完整性和准确性 罗德安，廖丽琼一2 0 0 0 ； 彭秋苟，黄仁涛一2 0 0 2 。 正是因为以上原因，使得地籍数据的更新，特别是图形数据的更新更显得 复杂。再者鉴于地籍管理中宗地实体之间特殊的空间拓扑关系，数据的微小变 更都可能引发数据结构的重组，所以研究图形信息的变更以及与之相关的拓扑 关系、时空关系的变化就必须合理处理这些问题。 1 3 地籍数据库更新 当前数字化地籍数据库在很多地区已经建成，随着时间推移，数据的现势 性越来越差，数据更新问题日益紧迫。地籍数据库更新是在数字环境下，针对 土地各种变化情况，用反映土地现势状况各类相应数据和信息，以真实地反映 地籍信息的现状，历史数据的保存、变化原因的记录等，使数据库现状与实际 现状保持一致的过程，其目的就是为了保证数据的现势性。 1 3 1 地籍数据库更新特点 地籍具有法律性、精确性、连续性和现势性等特点，其中法律性是地籍的 基本特性，地籍的法律性要求地籍图簿册等资料具有可靠性，连续性和现势性 等。一、它要求地籍图上的界址点、界址线具有精确的位置、地籍簿上的权属 记载及面积等准确无误，二、它要对变更内容及时修正和更新，使地籍图册等 资料始终保持在同时性的水平上，三、它要保证各种簿册及图册之间互相关联、 构成承上启下、连续的完整体系。从而为每一地块的权属、位置及其来龙去脉 等提供准确无误的法律依据，并能对地籍信息的历史状态及演变过程进行恢复、 跟踪等 林增杰等- - 2 0 0 1 。周晓光认为地籍数据库更新具有如下几个方面的技 术特点： 1 ) 更新模式为增量式更新：地籍数据库更新是通过日常地籍变更登记制度 来保证的，日常地籍是以初始地籍为基数，针对土地数量、质量、权属及其分 布和利用、使用等情况变化，进行修正、补充和更新，以实现“随时变更、随 时调查、随时登记”的制度。每次变更后调查和修订的地籍目标只包括变化地 块及其受影响的周边地块，是增量式的变更登记制度，因此地籍数据库更新是 硕j 二学位论文 增量式更新。 2 ) 数据组织方式宜采用增量( 时态) 方式：在许多城市地籍变更几乎每天 发生，且一般一次变更只涉及到一、两个地块或一个地块中的几栋建( 构) 筑 物。由于地籍数据库不仅要求记录每一地块的权属、位置等空间和语义信息而 且还要记录其存在及变化的时间等信息，并且要求做到随时变更、随时更新， 最大限度的保持地籍数据库的现势性。显然每次变化后都保存前一时刻历史数 据的快照足不合适的，而时空数据库增量式数据组织方式，即每次变化后只将变 化了的目标作为历史数据存档，变化后的数据创建新的版本或添加新的对象， 没有发生变化的目标在数据库中保持不变，是地籍时态数据组织的理想模式。 3 ) 地块拓扑关系是其数据组织、更新与维护的基础：地块是地籍信息系统 的基本单元，地块由界址线所边界，界址线由界址点来定位。地块在理论上具 有“铺盖”特征，同时界址点、界址线、地块之间彼此牵制，存在多种拓扑关 系一致性约束条件，如a ) 地块多边形中不存在悬挂界址线、孤立界址线和孤 立界址点；b ) 相邻地块间不允许存在交叉；c ) 、相邻地块间不允许存在缝隙。 地籍信息系统的数据组织、更新与维护都必须满足上述要求。 特别是数据更新处理过程中的拓扑关系维护已成为一个国际前沿的难点和 热点问题，为控制空间数据库的质量，在更新过程中需要引入拓扑关系主动维 护功能，早期的地理信息系统由于缺少拓扑关系维护功能难以扩展为时态系统， 并导致大量的重复、反复劳动。 4 ) 地籍图形变更包括四种基本类型：地籍变更总体上可分为两大类型：一类是 地块属性发生变化，而地块几何特征并未变化，如过户登记等；另一类是地块图 形变更伴随着属性变化。 地籍数据库是空间数据库在地籍管理中的应用，研究地籍数据库的更新问 题，就必须应借鉴空间数据库更新领域的研究成果，因此本文先探讨空间数据 库更新的问题。空间数据库更新其实质就是保存历史数据，更新当前数据，使 数据库现状与实际现状保持一致的过程。一般空间数据库更新包括三个基本环 节和三种基本模式。 空间数据库更新的三个基本环节： a ) 变化信息的发现与提取，首先由专业人员对发生变更的地方进行调查分 类，然后又专业测量队对其进行数字化更新，获得变化的信息： b ) 主数据库更新，也就是在获取变化的信息以后，根据变化的信息分类及 受影响的区域，根据实际对主数据库的数据进行更新； c ) 用户数据库更新，也就是当主数据库更新以后，对用户数据库进行更新， 一般有两种方式，一是把最新的数据直接发布给用户，另一种是把变化的数据 硕士学位论文 绪论 发布给用户，由用户自己更新： 空间数据库更新的三种基本模式为： 定期更新，也就是每隔一定时间进行更新，如深圳每半年对城区进行一次 大比例尺地形图更新； 固定变化程度的更新，也就是根据变化信息所占比重，当达到一定程度对 其进行更新，比如3 0 的比重就进行一次更新。 增量式更新，也就是变化那里记录那里，其特点是冗余量小，这也是未来 地籍数据库更新的主要方式。 1 3 2 地籍数据库更新现状 地籍数据库更新系统当前以人工参与为主，由计算机辅助完成，其不足在 于自动化程度不高，加上人为因素，难以保证数据的完整性和统一性，为此迫 切需要研究地籍更新的自动化和半自动化。 当前常见地籍信息系统一般把历史数据和当前数据分开存储分开管理，这 样必然造成历史数据和当前数据及历史数据之间错综的时间和空间关系。比如 父子宗地的查询，就是最常见的一个棘手问题。一般的方式是保存其之间的时 间空间关系信息，通过指针或链查找需求的信息，但是随着数据的不断增加， 指针或链就越复杂，因此这种方式也越来越不适宜。为此很多学者尝试通过地 籍中特殊的时间和空间关系出发，探讨采用空间拓扑关系的隐式组织与查询来 实现时间空间关系查询。比如通过空间时间约束，来完成父子关系等时空关系 查询，与以往模式相比不用存储繁琐的空间时间关系信息，减少了空间数据的 冗余，维护了数据的一致性。 时态问题及图形数据和属性数据一体化管理是当前g i s 的两大难点和热 点，为此笔者采用最新的对象关系型数据库模型，结合当前g i s 平台和空间数 据库平台的查询分析功能及实际需求，尝试利用基于o r a c l es p a t i a l 和m a p l n f o 的双层查询模式及空间拓扑关系隐式组织与查询方式的采用来解决以上问题。 其特点是当信息发生变更后，系统通过拓扑关系自动通知相应信息进行变更， 部分实现了地籍信息变更的自动化。 硕士学位论文 1 4 研究内容论文各章安排 到目前为止，人们对地籍空间信息特别是拓扑关系变更机理的认识还很肤 浅，对地籍变更增量处理及增量处理过程中拓扑关系一致性维护的模型、方法、 算法等缺少系统、深入的研究，至今没有形成一套完整的、公认的地籍空间数 据增量更新与维护体系。这些已经导致目前已有地籍信息系统难以扩展时态功 能、地籍空间数据更新维护困难等一系列问题，严重制约了地籍数据库、地籍 信息系统的进一步发展，也难以指导下一代地籍信息系统的软件开发周晓光一 2 0 0 5 1 。为此本文尝试结合当前技术发展的热点，利用最新的一些技术和方法来 研究和实现地籍空间数据增量更新与维护。 地籍信息系统是地理信息系统在地籍管理中的应用，所以当前地理信息系 统的发展的热点和难点也是当前地籍信息系统发展的热点和难点。当前g i s 发 展的几个热点中其中一个是面向对象技术与g i s 的结合，另一个是时态g i s 的研 究。 双层查询模式 g i s 一般采用图形数据和属性数据分开管理的数据管理模型，即实体的图 形数据用拓扑文件存储管理，属性数据用关系数据库管理，两者之间通过唯一 标示进行连接。这种数据模型具有以下缺点： ( 1 ) 不利于空间数据的整体管理，保证数据的一致性； ( 2 ) g i s 的开放性和互操作性受到限制； ( 3 ) 数据共享和并行处理无保证； 因此人们寻找一种能够统一管理图形数据和属性数据的数据模型。面向对 象技术将当前世界的实体都抽象化为对象，利用四种数据抽象技术( 即分类、 概括、联合和聚集) 可构建复杂的地理实体，利用继承和传播着两种数据抽象 工具将所有实体对象构建成一个层结构。面向对象的方法为描述复杂的空间信 息提供了一条适合于人类思维模式的直观、结构清晰、组织有序的方法，面向 对象数据模型成为较为理想的统一管理g i s 空间数据的有效模型。因此，面向 对象的技术在g i s 中的应用，即面向对象的g i s ，已成为g i s 的发展趋势之一。 地理信息除具有空间特性外，还具有明显的时序特征，即动态变化特征。 由于受硬件的限制和一些技术原因，传统的g i s 只考虑地物的空间特性，而忽 略其时间特性，因此实现时空复合操作，将空间分析问题进一步拓展为时空分 析范畴，已成为新一代g i s 的重要研究课题 胡鹏等- - 2 0 0 2 。 硕士学位论文 鉴于以上两大技术热点分析，本文尝试利用以上思路实现利用对象技术构 建时态地籍信息系统，能较好解决图形数据和属性数据一致性问题及常见时空 查询功能。虽然历史数据和当前数据及其相互关系很复杂，但是经分析其不同 之处在历史数据( 历史空间对象) 有明确的结束时间和存在周期，而当前数据 的结束时问不确定，存在时间也待定，为此可假设其结束时间为一变量f ( f u t u r e t i m e ) ，存在周期为另一变量f b ( 即f u t u r e t i m e b e g i n t i m e ) ，那么就 可以用同一模式来来统一管理历史数据和当前数据。g i s 平台一般只能对当前 数据进行查询分析，无法对历史数据进行查询处理，所以须采用特殊的方式处 理历史数据的查询分析。分析地籍管理的实际、g i s 平台的局限性和当前空间 数据库技术的发展动态，拟采用历史数据和当前数据统一存储分别查询分析模 式，即双层查询模式。当前数据查询处理由g i s 平台处理为主，以空间数据库 查询分析为辅，而历史数据的查询分析以空问数据库引擎为主，具体如下图所 示： 图1 - 1 系统设计模式 这种模式不同以往历史数据和当前数据分开管理的数据库管理模式，所有 的信息都存储于一个数据库，但是查询分析却分别处理，能较好兼顾了效率和 实用性，避免数据操作的复杂性，提高查询分析效率。 研究的主要内容 地籍数据的更新，特别是图形数据的自动半自动化更新国内外研究不多， 其主要难点在于其复杂的时空拓扑关系及数据更新的影响。地籍图形数据的更 新是一个涉及到当前数据历史数据相互操作的问题，对更新方式，内容及变化 信息对地籍数据影响的研究还很肤浅，所以还没有一个实用的商业化的自动化 或半自动化图形更新系统出现。为此本文将采用以上所设计的系统模式，分析 其中不同类别信息的时空关系，探讨基于拓扑判定地籍信息自动更新的可行性。 本文将从地籍拓扑关系特点，变更的类型入手分析如何实现基于拓扑判定 硕士学位论文 增量式地籍数据更新的实现，其中主要工作在于： 1 ) 双层查询模式的采用，如图卜1 所示，查询分析不是仅由g i s 平台完成， 而是空间数据库引擎结合g i s 平台共同完成。其好处是避免了g i s 无法处理历 史的当前并不显示的数据。通过空间数据库技术，可以较好的解决历史数据的 查询分析，如父子关系分析等。 2 ) 利用对象关系型空间数据库模型来管理地籍数据，实现了增量式时态地 籍信息系统的构建。以往的传统f , i s 系统的数据管理模式，已不能满足海量数 据强时态性地籍数据管理，笔者跟踪最新的g i s 发展方向，实现了利用对象关 系型空间数据库和增量式更新技术构建时态地籍信息系统。 3 ) 实现并拓展了基于m a p l n f o 和o r a c l es p a t i a l 的拓扑关系的判定查询， 不仅能实现传统正反拓扑关系的判定查询，同时也实现了包含岛宗的宗地在内 的正反拓扑关系的判定。 4 ) 实现了地籍管理中常见的时空拓扑查询，包括父子关系查询、时间点快 照查询、时间段内变化信息查询等。 5 ) 基本实现了地籍中空间信息的更新，如合并，分割，公共边界调整等， 以及利用拓扑关系实现界址线界址点的自动生成，交换文件的读取等。 本文框架 第一章绪论，如前所述，主要对地籍信息系统的概念，当前地籍数据库的 问题及数据更新特点和现状作一介绍，然后阐述了本文研究的内容及创新点； 第二章首先介绍平台的选取，平台的数据组织模型，然后结合地籍管理的实际， 设计地籍数据库的数据字典； 第三章主要介绍地籍空间实体的空间拓扑关系的特点，采用平台的空间查询分 析功能，然后结合实际，阐述了地籍中常见的空间拓扑查询，时空关系查询及 实现过程等； 第四章主要介绍具体地籍信息变更的类型和特点，然后根据第三章所设计的数 据库，详细说明了以上更新关键算法的实现； 第五章是实验验证，对以上查询更新算法的验证及实现效果分析等； 第六章对本文进行总结，分析存在问题和最后对其发展的展望。 硕士学位论文基于o r a c l es p a t i a l 时空地籍数据库设计 第2 章基于o r a c l es p a t i a l 时空地籍数据库设计 增量式地籍数据更新，顾名思义就是只记录变化的信息，其特点更接近现 实。其不仅能描述地籍变更的实际，而且也能在数据库设计上尽量避免了数据 的冗余，有利于对地籍数据进行查询分析。界址点、界址线、地块间的特殊的 空间拓扑关系特征是地籍空间数据质量检查与维护的最可靠的基础 l a u r i n i ， t h o p s o n - - 1 9 9 2 1 ，也是处理地籍数据更新必须遵循的准则，那么地籍变更后界 址点、界址线、地块必须满足这些特殊的空间拓扑关系。因此当地籍信息发生 变更，比如当一个对象的位置发生变化后，通过拓扑关系的判定，系统自动通 知与之相关的周边对象进行更新，其特点是自动化程度得到加强，避开人为错 误，保证了数据更新的现势性和一致性，实现拓扑维护的自动化。 本章首先对选用平台及其数据模型进行说明，然后结合实际需求及选用平 台数据特点，阐述了基于m a p i n f o 和o r a c l es p a t i a l 增量式地籍数据库的数据组 织。 2 1 平台选型 2 1 1g i s 平台 选择g i s 平台要从平台功能的实用性、操作使用的方便性、性能价格比的 优越性等各方面去考虑。作为同一个时代著名的g i s 平台，他们的功能基本上 都能完成我们日常工作的需要。在进行应用地理信息系统开发时，无论怎样都 要在地理信息系统平台做二次开发，因为当前的任何一种地理信息系统平台还 不能满足各种行业业务管理的需要。 就任意一种地理信息系统平台来说，他们都由自己的优缺点，对于所有的 著名的地理信息系统平台它们几乎都有如下的特点功能： 1 ) 标准化的数据格式； 2 ) 开放的开发工具，具备面向对象技术、组件式开发技术，可方便灵活的 进行二次开发； 3 ) 产品系列丰富，全系列数据兼容和共享，便于用户进行系统移植和升级； 4 ) 强大的后备功能和扩展升级能力； 硕士学位论文基于o r a c l es p a t i a l 时空地籍数据库设计 5 ) 支持流行的o r a c l e 、s q ls e r v e r 等商用数据库： 6 ) c l i e n t s e r v e r + 协同作业+ i n t e r n e t 三位一体的体系结构： 7 ) 具备空间数据库引擎技术，可高效处理海量数据； 现在在国内市场占有率最高的当数a r c i n f o 和m a p i n f o ，主要原因是 因为a r c i n f o 的功能强大和m a p i n f o 的方便实用。因此我们在一般应用中 首选m a p i n f o 平台作为开发应用软件的地理信息系统平台。7 2 1 2 空间数据库平台 当前数据库管理系统传统上可以粗略分为两大类：关系型和面向对象型。 近年来，第三类数据库系统开始引人注目。这类系统结合了关系数据库和面向 对象数据库的优点，称为对象关系数据库系统( o l u ) b m s ) 。对象关系数据库 系统采用用户定义的函数和索引方法，方便了数据库中用户定义、存储、检索 和处理自己定义的数据类型。这样对象关系数据库系统就既能处理用空间对象 数据类型表示的空间信息，又能处理用空间索引方法和函数存取或操作的空间 信息。 对象关系数据库系统与传统数据库应用不同，空间应用要求它理解更多复 杂的空间数据类型，如点、线、多边形等，而且其对这些空间数据类型的操作 与对简单数据类型的操作相比要复杂得多。因此对象关系数据库系统在对空间 数据进行操作中，必须适应其“几何特性”、“对象在空间上的分布”、“时 变化”和“数据量”四个方面的特点。要使对象关系数据库系统能够处理企 业g i s 和基于位置的服务，它还必须提供如下特性： 一组空间数据类型，用来表示最具体的空间数据类型( 点、线、面) 、复 杂空间数据类型( 如带岛宗的面，面和线的异构体等) 以及对这些空间数据的 操作，例如求交集、并集、差集、距离、长度等。这些空间类型以及对它们的 操作应该使用标准查询语言的一部分，这种标准语言还可以用来访问和操纵系 统中的非空间数据。系统还应该具有若干增强功能，如处理空间查询( 范围查 询与连接查询等) 的索引、可用于非空间数据的并行加载与查询等。 除了上述特性外，对象关系数据库系统要支持空间应用还必须解决好以下 几个问题： 空间分类，主要指使用不同的空间模型，如用拓扑空间处理拓扑空问关系， 用网络空间处理最短路径之类的问题以及用量度空间使用正对称函数确定距离 关系等。 数据模型，对象关系数据库系统由于并入了与人对空间的感觉更接近的概 念，因而需提供更高的空间数据抽象能力。 硕士学位论文 基于o r a c l es p a t i a l 时空地籍数据库设计 查询语言，空间查询处理，主要指采取什么样的查询方式提供快速空间关 系查询能力，以节约查询时间，提高查询效率。 空间索引，为快速访问数据提供一条捷径，方便空间选择。 众多研究机构和学者都尝试使用对象关系数据库技术来管理海量的空间数 据。目前，较为成熟的处理技术有两种：一种是在数据库和用户应用系统间建 立中间层，这一中间层使得数据库操作系统可以存储和管理空间数据，e s r i 开 发的空间数据引擎( s d e ) 就是此类解决方法的典型代表；另一种是不需要中间 接口，而直接使用数据库操作系统来存储和管理空间数据，并使用数据库操作 系统的各种功能来管理、应用空间数据，典型的代表就是o r a c l e 公司提供的空 间数据插件，这就是所谓的o r a c l es p a t i a l 。 根据i d c 最新公布的名为空间信息管理：2 0 0 2 年竞争分析的研究报告， 甲骨文( o r a c l e ) 在全球面向空间信息管理( s p a t i a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ) 的数据库安装量中占有8 0 “9 0 的市场份额。这份报告指出，地理空间数据库 管理市场正在迅速发展，在未来的两至三年中，空间信息管理的基本功能( 甲 骨文目前已经提供了这些功能) 在数据库、应用服务器和数据访问技术中将变 得无所不在。0 r a c l e 9 i 数据库提供的定位服务( o r a c l e 9 is p a t i a l 和o r a c l e l o c a t o r ) 能够支持所有行业的多种应用，从自动绘图设备管理、地理信息系 统( g i s ) 、到无线定位服务和位置激活电子商务应用。所以这里空间数据库平台 的选择采用o r a c l es p a t i a l ，开发工具采用功能强大的v c + + n e t 。 2 2m a p l n f o 和o r a c l es p a t i a l 空间数据模型 2 2 1 m a p l n f o 空间数据模型 m a p h 曲在某种程度上采用了面向对象的空间数据模型，它将空间数据类型 抽象为点口。哟、折线 o l y l m e ) 及面域( r e g i o l l ) 组成。折线由一段或几段组成， 多边形为一闭合的线段环，面域为填充的多边形。每一多边形内还有一标志内 点。数据模型如图2 - 1 所示： 图2 1 数据模型实例 1 1 硕士学位论文基于o r a c l es p a t i a l 时空地籍数据库设计 m 印i n f b 的地理关系数据模型是：系统将每一地理上的目标，在属性数据库 里创建一条记录，两者之间以内部i d 的形式相联系，可用下图2 - 2 来表示： 字段1字段2 地理特征特征属性 图2 2 相关基本概念 m a p i n f o 从工程和地物的属性出发，将空间地物进一步向上抽象。按属性特征将 地物划分为各种类型，若干个地物类型又组成一个专题层( l a y e r ) ，同一个地理空间 的多个专题层组成一个工作区( w o r k s p a c e ) ，并以工作区的方式统率各地物层及其属 性表。这带来了一些好处。首先，它表达了地理空间的自然特性，接近事物的理解 方式；另一方面，它完整地表达了各类地理对象之间的各种关系。特别是在对地物 操作时，能针对不同的类型而作用于不同的层上，总体来说，用图2 3 可反i 抛v l a p i n f o 的数据模型。 工作区( w o r k s p a c e ) 图层1 数据项1 数据项2 l 到避 空间地物 寻磊 线状地物li 面状地 线段 结( 内) 点k ，y 图2 - 3m a p l n f o 的空间数据模型 从图2 3 可以看出，m a p i n f o 的空间数据模型较为完善且相对简单，不足之处 硕士学位论文基于o r a c l es p a t i a l 时空地籍数据库设计 是不能反映地物的拓扑结构【m a p i n f o7 0r e f e r e n c eu s e r sg u i d e 1 9 9 8 】。 除此之外，m a p i n f o 的空间数据组织还有如下几个特点： 1 ) 空间数据基类比较简单，仅支持如下几种：复合点、折线和区域。也就 是说虽然m a p i n f o 支持弧段，矩形、圆等规则图形，但是这些不属于空间数据 基类范围，所以在和别的系统或空间数据库进行数据转换时，会出现图形信息 的失真，比如矩形变为一般的多边形。 2 ) 虽然自带的二次开发工具m a p b a s i c 的功能很强大，但也有不少致命 缺陷，如不能对复合图形进行数据读取更新，所以对于空洞多边形的坐标，复 合折线的坐标数据读取无能为力。 3 ) m a p l n f o 中包含空洞的多边形，其内部数据的组织是外多边形为逆时针， 内多边形为顺时针，这与a r c i n f o 平台不同之处。 4 ) 与a r c l n f o 等g i s 平台不同之处在于m a p i n f o 不记录拓扑信息，虽然是 公共边界，也会被两个多边形分别单独存储。等。 2 2 2o r a c l es p a t i a l 空间数据模型 为了在常规d b m s 中管理空间数据，o r a c l es p a t i a l 在m d s y s 表空间定义了 一系列表、视图、索引、函数等来对空间数据进行描述，如下图2 4 。 图2 - 4m d s y s 表空间结构 硕士学位论文基于o r a c l es p a t i a l 时空地籍数据库设计 m d s y s 表空间主要定义投影坐标系，空间地理实体，索引等，其中最主要的 有两个表，表m d s y s s d o _ g e o m _ m e t a d a t a _ t a b l e 和表m d s y s s d 0 i n d e x _ m e t a d a t a _ t a b l e ，表m d s y s s d o _ g e o m _ m e t a d a t a _ t a b l e 主要定义表所属表空间，所包含的空间表的表名及投影坐标系等。 图2 - 5 表m d s y s s d o g e o m m e t a d a t a t a b l e 结构 表m d s y s s d 0 _ i n d e xm e t a d m a _ t a b l e 主要定义空间索引的相关信息，具体含义 鉴于篇幅不能一一列举，其表结构如下。 硕士学位论文基于o r a c l es p a t i a l 时空地籍数据库设计 图2 - 6 表m d s y s $ d o i n d e x m e t a d a t a t a b l e 结构 通过m a p i n f o 的e a s yl o a d e r 上传数据到o r a c l es p a t i a l ，系统自动创 建m a p l n f o 表空间，用于定义上传表的表名及索引信息。 图2 7 m a p l n f o 袁空间结构 其中表m a p i n f o m a p i n f o _ m a p c a t a l o g 主要定义上传地理表的表名，地理实 硕士学位论文基于o r a c l es p a t i a l 时空地籍数据库设计 体列的列名，最大最小坐标范围等，如图2 8 图2 - 8 表m a p i n f o m a p i n f o m a p c a t a l o g 结构 正是因为m a p i n f o 和o r a c l es p a t i a l 的不断完善，使得以往利用关系型d b m s 存储管理图形数据的一些常见问题逐渐得到解决，如不同图层查询显示，样式 颜色的不一致性等问题。此外，o r a c l es p a t i a 还为未来可能出现的需要，提 供了不少扩充功能，如三维、四维数据的存储管理等。下文将具体介绍o r a c l e s p a t i a l 的空间数据组织特点。 如上所述，o r a c l es p a t i a l 是一个能在o r a c l e 数据库中快速有效地存储、 访问、分析空间数据的完整的功能程序集。它可以满足以下两种用户的需求： 一种是想在传统的数据库中增加空间查询功能的用户；另一种是想存储、管理 包含海量地理数据的大型空间数据库的g i s 用户。它为在数据库管理系统内管 理空间数据提供了完全开放的体系结构，其各种功能在数据库服务器内完全集 成。用户可以通过s o l 定义和操纵空间数据，还可以访问标准的o r a c l e 特性。 o r a c l es p a t i a l 为存储空间数据提供了s d o g e o m e t r y 类型，它支持对空 间数据的操作运算，并为建立空间数据的索引提供了基于线性四叉树的索引方 案和基于参考树的方案，从而用户可以使用这些索引进行空间数据查询等的操 作。在o r a c l e 9 i 中还增加了：“空间聚合”、“基于函数的索引支持”、“大 地测量坐标支持”、“对空间索引的分区支持”、“线性参考支持”等功能。 o r a c l es p a t i a l 支持三种基本几何类型以及由它们组成的几何体。三种基 硕士学位论文基于o r a c l es p a t i a l 时空地籍数据库设计 本类型是：二维的点、线串和n 点多边形。线串由n 个点按照顺序排列，可以 是直线段、弧线段或两者的混合。当线串闭合时就构成了多边形，因此多边形 的边可以由直线段和弧线段组成。 空间数据模型是一个由元素、几何体和层组成的层次结构，如图2 9 所示： 图2 - 9 空间数据模型层次结构 由图2 - 9 可以看出空间层由几何体构成，几何体又由元素构成。元素是几 何体的基本组成部分，它可以作为点状地物、线状地物以及面状地物。在有洞 的区域中，构成区域的外多边形和内多边形将被视为两个不同的元素，它们共 同构成一个复杂的多边形。一个几何体就是一个用户空间特征的表示，以基本 元素的有序集合为模型构成。 层是几何体的异类积聚体，这些几何体有相同的属性集合。层对应于一个 表或一组表，而几何体是类型m d s y s s d og e o m e t r y 的实例，并存储在表内特别 的行和列中。 类型m d s y s s d o是存储点线面或者它们的同类或异类积聚体的_geometry 容器，其属性由一个几何类型标识符、一个空间参考系统标识符、一个元素描 述符数组和一个坐标数组以及其它内容构成。坐标数组包含坐标对或三维坐标 值，这些坐标定义了几何体元素的顶点。元素描述符数组定义了这些坐标应当 如何分配到构成几何体的那个或那些元素中，此数组还决定了坐标对( 或三维 坐标) 或者顶点是通过直线段连接还是通过圆弧连接。弧线段和弧多边形是其 硕士学位论文基于o r a c l es p a t i a l 时空地籍数据库设计 顶点通过圆弧连接的元素，而复合元素是其顶点通过直线段和圆弧段混合连接 的元素。图2 一l o 是s d 0g e o m e t r y 表示的类型。 图2 1 0s o o g e o m e t r y 袁示的类型示倒 在o r a c l e s p a t i a l 中，g i s 中的层被定义为数据库中的列一表对。一个层 中的所有几何体必须共享某些空间属性。特别地，