（计算机科学与技术专业论文）嵌入式空间数据库综合查询技术研究.pdf

国防科技大学研究生院学位论文 摘要 传统的嵌入式g i s ( e m b e d d e dg e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) 一般基于文件 系统的形式，利用自身所集成的功能完成对空间数据和属性数据的处理。但随着 嵌入式g i s 应用领域的不断扩大，人们所提出的查询要求越来越复杂。例如，“查 询在某一条公路周边2 0 0 米范围内的宾馆饭店”，“查询洪水泛滥区会殃及到的 高速公路等等。传统的嵌入式g i s 往往无能为力。于是，采用嵌入式空间数据 库的解决方案迎刃而生。 s t a r s d b 是课题组基于开源嵌入式关系数据库s q l i t e 自主研发的一款嵌入式 空间数据库系统。s t a r s d b 主要包括空间数据映射、空间索引、空间查询、查询对 象解析和空间数据对象化五个功能模块。其中空间数据的映射和空间索引部分的 研究已经完成。本文主要研究开发s t a r s d b 的空间查询、查询对象解析和空间数 据对象化技术，设计并实现s t a r s d b 嵌入式空间数据库的综合查询系统。所要解 决的关键问题是：如何在空间数据映射和空间索引的基础上，根据用户输入的查 询条件，完成对空间数据和属性数据的综合查询。 本文完成的主要工作和所取得的主要研究成果如下： 1 在标准s q l 的基础上扩展对空间数据的查询功能，实现了用户对空间数 据和属性数据进行综合查询的接口e g s q l 语言。具有良好的系统兼容性和扩 展性。 2 针对系统对空间数据和属性数据处理顺序的不同，提出并设计实现了三种 嵌入式空间数据库综合查询算法：先属性串行查询算法、先空间串行查询算法和 并行查询算法。实验表明，采用l i n u x 下p o s i x 多线程编程技术的并行查询算法， 比前两种算法，具有更高的查询效率和更好的可移植性。为s t a r s d b 综合查询系 统提供了一套可行的、高效的执行调度策略。 3 设计并实现了e g s q l 查询分析器。通过对e g s q l 语言进行语法解析、 查询分解和执行调度等分析，实现了对e g s q l 语言准确、高效的解析与执行，能 够完成用户的复杂空间查询请求。 最后，本文基于个应用实例q g i s m i n u s ( 基于知名开源软件q g i s 自主研 发的一款嵌入式g i s 应用软件) 对s t a r s d b 综合查询系统进行了性能评测。测试 结果表明，所开发的s t a r s d b 综合查询系统查询功能完善、内存空间占有率较小、 查询响应速度较快，能够满足对存储资源和计算资源要求严格的嵌入式g i s 应用 需求，具有良好的实用和推广价值。 主题词：嵌入式空间数据库，s t a r s d b ，e g s q l 语言，综合查询算法，查询 分析器，q g i s m i n u s ，嵌入式g i s 第i 页 国防科技火学研究生院学位论文 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a le m b e d d e dg e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e mu s u a l l yi m p l e m e n t st h e d i s p o s a lo fs p a t i a ld a t aa n da t t r i b u t ed a t ab yt h ef u n c t i o no fi t s e l f , b a s e do nt h ef i l e s y s t e m h o w e v e r ，a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n ga p p l i c a t i o nf i e l do fe m b e d d e dg e o g r a p h y i n f o r m a t i o ns y s t e m ，t h eq u e r yr e q u e s t so fp e o p l eb e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l e x s u c ha s “q u e r yt h eh o t e lo rr e s t a u r a n tn e a rb yah i g h w a yi n2 0 0m e t e r ”“q u e r yt h e h i g h w a yw h i c hc o v e r e db yt h ef l o o d w a t e rf l o o d i n g i tm a k e st h er e s o l v e n to fa d o p t i n g e m b e d d e ds p a t i a ld a t a b a s ed e v e l o p e d s t a r s d bi sa ne m b e d d e ds p a t i a ld a t a b a s es y s t e md e v e l o p e db yo u ri t e mg r o u p ， w h i c hb a s e do nt h eo p e ns o u r c ee m b e d d e dr e l a t i o nd a t a b a s es q l i t e i tm a i n l yi n c l u d e s f i v ep a n sf u n c t i o nm o d u l e s ：s p a t i a ld a t am a p p i n g ，s p a t i a li n d e x ，s p a t i a lq u e r y ，q u e r y o b j e c tp a r s ea n ds p a t i a ld a t ao b j e c t i v i z a t i o n t h er e s e a r c ho fs p a t i a ld a t am a p p i n ga n d s p a t i a li n d e xw e r ec o m p l e t e d t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e st h ed e v e l o p m e n to fs p a t i a l q u e r y ，q u e r yo b j e c tp a r s ea n ds p a t i a ld a t ao b j e c t i v i z a t i o nt e c h n o l o g y ，d e s i g n e sa n d i m p l e m e n t st h ei n t e r g r a t i o nq u e r ys y s t e mo ft h ee m b e d d e ds p a t i a ld a t a b a s es t a r s d b t h ek e yp r o b l e mi nt h i sp a p e rt os e t t l ei s ：h o wt oc o m p l e t et h ei n t e r g r a t i o nq u e r yo f s p a t i a ld a t aa n da t t r i b u t ed a t ab a s e do nt h es p a t i a ld a t am a p p i n ga n ds p a t i a li n d e x ，o n t h eb a s i so fq u e r yc o n d i t i o nw h i c hi n p u t t e db yu s e r s t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e sa n ds o l v e st h e s ep r o b l e m s ： 1 e x p a n d st h eq u e r yf u n c t i o nf o rs p a t i a ld a t ab a s e do nt h es t a n d a r ds q l ，a n d i m p l e m e n t sa ne g s q ll a n g u a g ea sa ni n t e r f a c ew h i c hu s e r sc a nq u e r yt h ei n t e r g r a t i o n o fs p a t i a ld a t aa n da t t r i b u t ed a t a i th a sw e l lc o m p a t i b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y 2 a i ma tt h es y s t e md e a l i n gw i t hs p a t i a ld a t aa n da t t r i b u t ed a t ai nd i f f e r e n t o r d e r ，p u t sf o r w a r da n di m p l e m e n t st h r e ek i n d so f e m b e d d e ds p a t i a ld a t a b a s e i n t e r g r a t i o nq u e r ya r i t h m e t i c ：f i r s ta t t r i b u t es e r i a lq u e r ya r i t h m e t i c ，f i r s ts p a t i a ls e r i a l q u e r ya r i t h m e t i ca n dp a r a l l e lq u e r ya r i t h m e t i c t h et e s ts h o w st h a tt h ep a r a l l e lq u e r y a r i t h m e t i c ，w h i c ha d o p t e dt h ep o s i xm u l t i t h r e a d i n gp r o g r a m m et e c h n o l o g yu n d e r l i n u x ，h a sh i g h e rq u e r ye f f i c i e n c ya n db e u e rt r a n s p l a n t i l i t yt h a nt h eo t h e r s p u t sf o r w a r d as u i to ff e a s i b l e ，h i g h l ye f f i c i e n c ye x e c u t ea t t e m p e rs t r a t e g yf o rs t a r s d bi n t e r g r a t i o n q u e r ys y s t e m 3 d e s i g n sa n di m p l e m e n t sa ne g s q lq u e r ya n a l y z e r v i at h ea n a l y s i so f s y n t a xp a r s e ，q u e r yd e c o m p o s ea n de x e c u t ea t t e m p e r ，i m p l e m e n t st h ev e r a c i o u s ，h i g h l y e f f i c i e n c ya n a l y s i sa n de x e c u t eo fe g s q ll a n g u a g e i tc a ni m p l e m e n tt h ec o m p l e x s p a t i a lq u e r yr e q u e s ti n p u t t e db yu s e r s f i n a l l y ，t h i sp a p e rg i v e sa na p p l i c a t i o ne x a m p l eo fs t a r s d bi n t e r g r a t i o nq u e r y s y s t e m q g i s m i n u s b a s e do nt h i se x a m p l e ，w et e s t e dt h ep e r f o r m a n c eo fs t a r s d b i n t e r g r a t i o nq u e r ys y s t e m t h et e s tr e s u l ts h o w st h a ts t a r s d bi n t e r g r a t i o nq u e r ys y s t e m 垒箜巳竺垡! ! ! 旦旦! 竖鱼! ! i 2 望：! 呈! ! 里兰璺旦翌! 巳垒! 竺垒旦巳竺巳生垒! ! 竺璺：旦竺! 竺笙! ! 旦竺! ! 兰! ! ! 旦竺翌! 皇 第i i 页 国防科技大学研究生院学位论文 s p e e d i tc a l ls a t i s f yt h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e dg i s ，w h i c hh a sr i g o r o u sr e q u e s to f m e m o r yr e s o u r c ea n dc o m p u t er e s o u r c e ，a n dh a sw e l lp r a c t i c a b i l i t ya n de x t e n d i b i l i t y k e yw o r d s ：e m b e d d e ds p a t i a l d a t a b a s es y s t e m ，s t a r s d b ，e g q l l a n g u a g e ，i t e r g r a t i o nq u e r ya r i t h m e t i c ，q u e r ya n a l y z e r ，e m b e d d e dg i s 第i i i 页 国防科技大学研究生院学位论文 表目录 表3 1 各种查询算法平均查询响应时间表3 0 表4 1 内存利用率测试结果4 7 表5 1p o s t g i s 空间查询s q l 语句5 8 第1 v 页 国防科技大学研究生院学位论文 图 图 图 图 图目录 s t a r s d b 运行模式。3 s t a r s d b 的系统结构图4 o p e n g i s 几何对象模型1 4 c o m p o s i t e 模式结构图1 9 图2 3e g s q l 语言实现类图2 0 图3 1先空间串行查询算法流程图一2 5 图3 2 先属性串行查询算法流程图2 6 图3 3 并行查询算法流程图。2 8 图3 4 各种查询算法性能比较柱形图3 0 图4 1e g s q l 查询分析器总体结构图3 3 图4 2 分析执行器执行流程图。3 4 图4 3分析器结构设计图。3 5 图4 4 语法树转换成查询树的过程一4 3 图4 5分析执行器类图。4 4 图4 6 结果集的实现类图4 6 图4 7 各类型对象的查询响应时间变化曲线图4 7 图5 1 q g i s 用户界面4 9 图5 2q g i s m i n u s 在嵌入式l i n u x 下的显示界面5 0 图5 3q g i s m i n u s 系统结构图51 图5 4s t a r s d b 数据源源代码组织结构5 2 图5 5电子地图显示界面图5 3 图5 6 数据库连接图5 3 图5 7e g s q l 查询窗口5 5 图5 8查询显示效果图5 6 图5 9 交互查询可视化模块类图5 6 图5 1 0 包含c o n t a i n s 谓词的e g s q l 语句单一空间查询性能5 9 图5 1 1 包含c o n t a i n s 谓词的e g s q l 语句综合查询性能5 9 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：壁厶式窒阊麴握廛绽金查迩蕉苤班窒 学位论文作者签名： 日期幽夕年，2 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：易b 心7 年7 2 月。日 日期：2 。哆年，2 月加日 国防科技大学研究生院学位论文 第一章绪论弟一早珀。下匕 1 1 课题背景 随着定位手段的多样性( 美国g p s 、俄罗斯的g l o n a s s 、欧盟的g a l i l e o 、 中国的“北斗”、基站) 、通信网路的广泛性( g p r s 、c d m a 、c d p d 等无线公网) 、 用户终端的广泛性( 手机、p d a ) 以及巨大市场潜力的无限性( 以我国两亿手机 用户一个月5 元的地理信息服务，一年将是1 2 0 亿的市场) ，嵌入式g i s 开发在 测绘、智能交通、海事、国防、军事、野外测绘、医疗、汽车导航等领域得到了 迅速的发展【l 】。对空间数据的需求量的日益增大，使得利用嵌入式空间数据库对海 量数据进行统一管理的解决方案逐渐成为嵌入式g i s 应用发展的潮流。 q g i s m i n u s 是项目组自主研发的一款嵌入式g i s 软件。它以多种形式的数据 源作为电子地图的显示来源。随着人们请求的查询条件复杂度的不断升高，原有 的数据源的组织形式已经越来越满足不了应用的需求。开源界知名的一款空间数 据库p o s t g r e s q l p o s t g i s 功能强大，能够满足用户的复杂查询需求。但其体积庞 大、功能冗余度高、过多的占用处理器资源，不适用于嵌入式系统开发。而另一 款源代码开放关系数据库s q l i t e 轻巧，具有零服务器配置功能，同时支持b l o b 二进制大对象形式的数据内部存储格式，很适用于嵌入式的研究。于是，我们基 于s q l i t e ，以插件的形式实现了嵌入式空间数据库系统s t a r s d b ，并将该系统作 为q g i s m i n u s 数据源的解决方案。 s t a r s d b 主要包括空间数据映射、空间索引、空间查询、查询对象解析和空间 数据对象化五个部分的研究。其中空间数据的映射和空间索引部分的研究已经完 成。而对于空间查询、查询对象解析和空间数据对象化则是本文所要讨论的内容。 综合所要讨论的问题，本文所要解决的主要问题就是如何根据用户的复杂空间查 询请求，完成对空间数据和属性数据的综合查询。 目前，对空间数据和属性数据的综合查询技术是g i s 研发中所讨论的核心技 术之一。随着理论的不断创新和发展，许多的解决方案和应用实例也随之出现。 其中，以空间查询语言为代表的基于s q l 扩展的查询方式是目前业界普遍认同和 采用的一种解决方案。结构化查询语言s q l 发展得很成熟，具有面向问题和面向 自然的特性。在处理属性数据上，可以做到游刃有余。同时，采用基于s q l 扩展 的查询方式还可以最大限度的利用底层数据库资源，具有良好的应用前景。 本文采用基于s q l 扩展的查询方案，结合嵌入式g i s 软件的功能特点，嵌入 式手持设备处理器和存储器资源有限的硬件特点，以组件的方式，实现了一个嵌 入式空间数据库综合查询系统s t a r s d b 综合查询系统。同时将该查询系统集成 第1 页 国防科技大学研究生院学位论文 于原s t a r s d b 中，目的是为上层嵌入式g i s 软件提供一个稳定、快速、通用、可 扩展且功能完善的嵌入式空间数据库系统。 1 2 1 嵌入式空间数据库 1 2 相关研究 嵌入式空问数据库是指，在嵌入式系统中，能够存储由空间地理信息和属性 数据组成的空间数据，并至少提供高效的空间索引和空间操作的数据库管理系统。 即一个运行在嵌入式设备上的空间数据库系统【2 l 。 目前实现空间数据库的方法有两种1 3 j 。一种是对现有数据库的核心进行彻底的 改造和扩充，利用面向对象的方式组织空间数据【2 4 1 。每个空间元素抽象为一个对 象，属性数据作为该对象的属性存储。对空间数据的操作作为该对象的操作函数， 增加对空间数据的查询、插入、删除等空间操作的支持。o r a c l es p a t i a ld b 2 即是 此种空间数据库。这种方式自然地将现实世界中的空间元素和对象对应起来，容 易理解。但是实现难度大，代价高，不容易普及。 另一种是利用现有的成熟的关系数据库存储空间数据的属性数据和空间地理 信息，并利用空间数据库中间件对空间数据进行管理和操作【2 1 1 。空间地理信息和 属性数据通过一个共同的标识符作为外键一一对应。空间数据库中间件对空i 日j 数 据进行组织和管理，并建立空间索引。用户通过空间数据库中间件实现对空j 白j 数 据的查询等空间操作。这种方式有良好的数据库基础，而且便于普及，实现起来 相对容易。开源世界的p o s t g r e s q l p o s t g i s 空间数据库插件即采用此种方式。 p o s t g i s 【) 3 j 以插件形式为p o s t g r e s q l 2 l 】提供空问数据库的功能。但是p o s t g r e s q l 本身过于庞大，所建立的空间数据库体积过大，不适用于嵌入式应用的需要。 由于嵌入式空间数据库强调体积精简，性能优异，不要求功能十分全面，只 要满足功能需求即可。为适应嵌入式设备的性能需求，嵌入式空间数据库s t a r s d b 系统采用上述第二种方案，即在一个现有的嵌入式关系数据库s q l i t e 的基础上， 实现了嵌入式空间数据库中间件s t a r s d b 。 s q l i t e 是一款轻量级丌源嵌入式关系数据库f 2 8 1 。s q l i t e 支持多数s q l 9 2 标 准，支持b l o b 存储类型。可以在所有主要的操作系统上运行，而且体积小、可 移植性好。很适合于在嵌入式设备上运行【4 5 1 。 1 2 2s t a r s d b 系统 1 2 2 1s t a r s d b 系统简介 s t a r s d b 4 】是国防科学技术大学计算机学院6 2 1 教研室，基于源代码开放的嵌 第2 页 国防科技大学研究生院学位论文 入式关系数据库s q l i t e ，研究并开发的一款能够运行在嵌入式设备上的嵌入式空 间数据库系统。s t a r s d b 不求“大而全，只要“小而精”。除具有结构简单、体 积小的特点外，还有很强的可移植性和可扩展性。s t a r s d b 为战场态势标绘、电子 导航、g p s 卫星定位等嵌入式g i s 软件提供空间数据存储、索引、简单查询等功 能。很适合于嵌入式系统软件应用。 1 2 2 2s t a r s d b 运行模式 s t a r s d b 采用有线下载、无线服务的运行模式( 图1 1 ) 。空间数据库的建立 在服务器端。用户在执行任务之前，首先通过预下载的方式从服务器端将已经建 立好的空间数据库导入嵌入式设备，在使用过程中如果现有空间数据库不能满足 需要，可以通过无线网络的方式从服务器处获取少量急需的空间数据。对于数据 采集等嵌入式g i s 应用，可以暂时在s q l i t e 中保存修改后的空间数据，使用结束 后，再将修改后的空间数据导入空间数据库服务器，在空间数据库服务器上对现 有的空间数据库进行补充和重新整理。 嵌入式 设备 使用 空问数据库 预下载 空间数据库 无线传输少量 数据 建立 空间数据库 图1 1s t a r s d b 运行模式 1 2 2 3s t a r s d b 系统结构 为了保证空间数据的安全性，正确性和可靠性等问题，s t a r s d b 在嵌入式关系 数据库的基础上，采用了插件的实现方式。 图1 2 是s t a r s d b 的系统结构图。从图中可以看到，s t a r s d b 由空间数据对象 化、查询条件解析、空间查询、空间索引和空间数据映射五部分组成。s q l i t e 是 s t a r s d b 的数据载体。用来存放空间数据和属性数据。空间数据保存在s q l i t e 中 之前是以文件形式保存在文件系统中的。空间映射模块将空间数据文件进行转换 和映射，最终保存在s q l i t e 中。在此基础上，空间索引模块建立高效的空间索引。 空间查询模块在空间索引模块的基础上实现一些空间查询功能。最后通过空间数 据对象化模块和查询条件解析模块同用户界面进行数据交互。面向具体的应用， 可以有不同的用户界面。 其中，对空间数据映射和空间索引两方面的研究已经完成，对于空间查询部 分则只提供了对空间数据或属性数据单一的查询方式。而对于提供对空间数据和 第3 页 国防科技人学研究生院学位论文 属性数据进行统一存储的嵌入式空| 日j 数据库来说，如果小支持空i 日j 数据和属性查 询的综合查询，势必会对用户造成操作上的不便，同时也会影响软件的应用前景， 因此本文在嵌入式空间数据库s t a r s d b 原有开发的基础上，实现了与原s t a r s d b 集成的s t a r s d b 综合查询系统，使其能够支持对空间数据和数据数据的综合查询。 长絮夕 标绘界面用，、界面其他应用界面 输出1 j l 输入 黼秽 空间企洵 空问索引 i 蜘射r 铲吖7 1 2 3 空间查询语言 图1 2s t a r s d b 的系统结构图 1 2 3 1 空间查询语言发展现状 海量空间数据库为大型分布式地理信息系统中的空间数据提供了存储、组织 和检索的软件基础，但是，由于关系数据库本身的限制，对空间数据的操纵手段 还比较原始。而且，传统的地理信息系统由于无法解决空间数据问题，一般都采 用文件进行数据管理，将属性数据和空间数据统- - 禾j j 用文件进行管理。就目前的 地理信息系统而言，比较系统地完成基于空问关系的查询和基于空间和属性的综 合查询还较为困难【5 1 。为此，众多g i s 专家提出了空i 司查询语言【3 1 】以作为解决问 题的方案，但仍处于理论研究和技术探索阶段f 4 0 1 。文献【6 1 认为，一种查询语言需要 达到以下两方面目标： 1 查询语言是最高层次的、强类型的、便于陈述的，以使得编程更为便捷和 第4 页 国防科技大学研究生院学位论文 不容易出错； 2 查询语言基于一个特定构造的小的集合，很容易优化，并可使编程者不需 要考虑执行的效率问题。 对于一种空间查询语言最关键的部分是对空间概念的描述。理想的情况是其 语言完全能表示人所能理解的空间含义。就目前而言，现有的查询语言还不能达 到这样的完备性。即查询语言所能表达的空间概念和用户的需求或多或少有一些 距离。我们研究的目标也是要尽量通过查询语言将用户的查询准确地传递到系统 中执行从而产生用户所期望的结果，同时也要兼顾系统的可扩展性和效率问题。 目前，基于空间查询语言的查询解决方案，大致可以分为两大类【7 】：文本化语 言( t e x t u a ll a n g u a g e ) 和表现式语一言i ( r e p r e s e n t a t i o n a ll a n g u a g e ) 【7 1 。文本化语言是以抽 象的文字为基础的语言，而表现化语言则建立在形象化表达方式( 如表单、图表、 图例和图象等) 基础上。其中，文本化语言包括自然语言( n a t u r a ll a n g u a g e ) 和人工 智能语言( a r t i f i c i a ll a n g u a g e ) ；表现化语言包括表格式语言( t a b u l a rl a n g u a g e ) 、图形 语言( g r a p h i c a ll a n g u a g e ) 和可视化语言( v i s u a ll a n g u a g e ) 。 基于自然语言查询的最大的优点是用户不需要学习新的语言。系统将用户通 过自然语言表达的查询请求翻译分解成一系列的任务，并诉诸于底层数据源。但 其查询中的概念与语义背景有关，在查询中也往往需要用户的多次交互，仅限于 专业数据库查询，难以广泛应用瞵j 。 基于表格式语言查询，采用一系列表单来表达用户的空间查询请求。而基于 图形语言的查询，则是运用大量的基本图形来表达查询语义。虽然这两种形象的 方法相比抽象的文字更接近用户的思维习惯，但和真实的世界中所要表达的空间 概念仍然存在距离。 基于可视化语言的查询，是近年来查询发展的热点方向。系统根据用户使用 特定符号绘制的草图中物体的空间位置关系检索出查询结果。这种方式的最大优 点是用户可以不受限制地表达空间查询请求并且不需要掌握新的语言。国内可视 化查询系统有南大的c q l 9 j 等。但该语言的查询能力极其有限，难以形式化表达， 而且又需要过多的交互翻译过程，执行效率也相对比较低。 基于人工智能的查询语言主要集中在对s q l 的扩展研究上，很多新的功能和 运行机制被集成进s q l 语言中。结构化查询语言s q l 已经发展得非常成熟，具有 面向问题和接近自然语言的良好特性，在处理属性数据方面可以做到游刃有余1 3 0 1 。 对于空间对象而言，既包含了空间数据也包含了属性数据，在s q l 上扩展空间查 询语言能够最大限度地利用原有的数据库资源。文献【lo 】中指出实现空间数据查询 语言的较好途径是通过扩展s q l ( s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g e ，结构化查询语言) 来建 立空间查询语言。 第5 页 国防科技大学研究生院学位论文 1 2 3 2 基于s q l 扩展的查询语言 作为与数据库交互的主要手段，查询语言是数据库管理系统的一个核心要素。 标准查询语言s q l 是用于关系数据库管理系统( r d b m s ) 的一种常见的商业查询 语言。它在一定程度上基于形式化查询语言关系代数( r a ) ，并且易于使用， 既直观又通用。由于s t a r s d b 系统是一种扩展的d b m s ，它既可以存储空间数据， 也可以存储非空间数据，所以，很自然地希望能扩展s q l 来支持对空间数据的查 询【13 1 。 虽然r a 和s q l 都是功能强大的查询处理语言，但它们还是有不足之处，其 中最重要的一点是，他们通常只提供简单的数据类型：整型、日期型、字符串型 等。空间数据库( s d b ) 的应用必须能处理像点、线、多边形这样的复杂的数据 类型，为此，数据库厂商采取了两个对策：一种是采用b l o b 来存储空间信息；另 一种方法是建立一种混合系统，即通过g i s 软件把空间属性存储在操作系统的文 件中。s q l 不能处理以b l o b 形式存储的数据，而把处理b l o b 形式数据的任务交给 了应用程序，这种解决方法既低效又缺乏美感，因为数据必须依赖于宿主语言的 应用程序代码。在混合系统中，空间属性存在一个单独的操作系统文件中，就无 法利用传统数据库服务，如查询语言、并发控制以及索引支持。 面向对象系统扩展d b m s 的功能来支持空间( 复杂) 对象有重大的影响。这 个程序扩展了关系数据库的面向对象的特性，最终产生对象关系数据库管理系统 ( o r d b m s ) 的通用框架。o r d b m s 的关键特性是它支持s q l 的最新版本： s q l 3 s q l 9 9 ”j ，这一版本支持用户白定义类型( 就象i a v a 或者c + + ) 。我们的研 究目标是研究s q l 3 s q l 9 9 ，以便用它来操纵和获取空间数据。 空间s q l 的基本要求是，采用更贴近人们对空间理解的概念，为空间数据提 供更高层次的抽象。它可以通过引入面向对象中用户自定义类型a d t 的思想来实 现。a d t 由用户自定义类型和相关的函数组成。例如。若要把地块以多边形方式 存储在数据库中，则相应的a d t 可以由p o l y g o n 类型和某个关联函数( 方法) ， 比如a d j a c e n t 组成。a d j a c e n t 函数用于多个地块，判断它们之间是否有共同的边界。 而用抽象一词是因为最终用户无需知道实现这些关联函数的细节，他们只关心接 口，即了解哪些函数可用以及这些函数的输入参数和输出结果的数据类型。 1 2 3 3o g i s 标准的s q l 扩展 o g i s 是一些主要软件供应商组成的联盟，它负责定制与g i s 互操作相关的行 业标准。o g i s 的空间数据类型模型可以嵌入到各种编程语言中，例如c 、j a v a 、 s q l 等等【13 1 。 q g i s 是基于空间数据的几何数据模型之上。该数据模型包括一个基类 g e o m e t r y ，这个基类是非实例化的( 即不能把对象定义为g e o m e t r y 的一个 第6 页 国防科技大学研究生院学位论文 实例) ，但它规定了一个适用于其子类的空间参照系统。有四个主要的子类是从 g e o m e t r y 这个超类派生来的，这四个子类是p o i n t 、c u r v e 、s u r f a c e 和 g e o m e t r y c l l e c t i o n ，每个类还关联了一组操作，这组操作作用于类的实例，附录b 中列出了一些重要操作和定义。 在o g i s 标准中，所指定的操作可分成三类： 1 用于所有几何类型的基本操作。例如，s p a t i a l r e f e r e n c e 返回所定义对象几 何体采用的基础坐标系统。常见的参考系统的例子包括：人们熟悉的经纬度系统 和用得最多的统一横轴墨卡托。 2 用于空间对象间拓扑关系的操作测试。例如，o v e r l a p 判断两个对象内部是 否有一个非空的交集。 3 用于空间分析的一般操作。例如，d i s t a n c e 返回两个空间对象之间的最短 距离。 1 2 3 4o g i s 标准的局限性 o g i s 标准虽然能满足我们很多应用的需求，但是它仍有其自身的局限性【l3 1 。 其主要体现在以下几个方面： 1 o g i s 规范仅仅局限于空间的对象模型，对于场模型的空间信息却显得无 能为力。但o g i s 正在开发针对场数据类型和操作的统一模型。 2 即使在对象模型中，对于简单的选择投影连接查询来说，o g i s 的操作也有局限性。例如，用g r o u pb y 和h a v i n g 子句来支持空间聚集查询 就会出现问题。 3 o g i s 标准过于关注基本拓扑的和空间度量的关系，而忽略了对整个度量 操作的类的支持，也就是说，它不支持那些基于方位( 例如，北、南、前等) 的 操作。 4 o g i s 标准不支持某些基于动态的、性状的以及可见性的操作。 从上述分析可以知道，这些局限性不足以成为我们扩展s q l 以处理空间数据 的障碍，对于一般的应用来说，该标准提供的功能已经足够。只是随着应用范围 的不断扩大以及人们的查询需求的不断复杂化，我们需要意识到这些问题。 1 2 4 空间信息的交互可视化 1 2 4 1 空间信息交互可视化技术简介 可视化技术是指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生 的数据及计算结果转化为图形或者图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理 论、方法和技术【l 7 1 。可视化技术是一种计算方法。它将符号描述转变成几何描述， 使研究者能够观察到所期望的仿真和计算结果。 第7 页 国防科技大学研究生院学位论文 近年末，可视化应用范围不断拓宽。空i 日j 信息町视化目自订成为可视化技术的 热点研究内容。 空间信息的可视化【l6 j 是现有计算机可视化技术的具体应用，是以地理环境作 为依托，强调的是地理认知与分析，透过视觉效果，探讨空间信息所反映的规律 知识是空间信息可视化的真正目的【1 8 】。空间信息可视化结合了科学可视化、人机 交互、数据挖掘、图像技术、图形学、认知科学等诸多学科的理论和方法，逐步 发展起来。空间信息可视化实际上是人与信息之间的一种可视化界面，因此交互 技术在这里显得尤为重要，传统的人机交互技术几乎都可以得到应用。 人机交互技术( h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nt e c h n i q u e s ) 是指通过计算机输入、 输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术【i7 1 。它包括机器通过输出或 显示设备给人提供大量有关信息及提示请示等，人通过输入设备给机器输入有关 信息及提示请示等，人通过输入设备给机器输入有关信息，回答问题等。人机交 互技术是研究人、计算机以及它们相互影响的技术。 可以说，空间信息交互可视化是研究人、计算机表示的信息以及它们相互影 响的技术。 1 2 4 2 空间信息交互可视化方式及其相关应用 空间信息的可视化是非常复杂的，需要投入大量的时间与精力进行专门深入 的研究。不同领域行业应用的需求有所不同，空间信息的可视化形式也特别丰富， 主要的表现形式及其相关应用可以归纳为如下几方面【1 9 】： 1 二维图形图像学方法 通常意义上的g i s ，其可视化采用的方法即是二维图形图像学方法。g i s 中空 间信息的可视化方法主要是对传统地图学以及制图学可视化方法的数字化实现。 但在数字化基础之上，由于计算机可以非常灵活与便捷地处理空间信息，因此可 以极大地丰富传统地图学的可视化方法。如为了满足军事、旅游以及导航等等需 求，可以制作动态地图；为了满足专门行业需求，可以制作突出行业信息的专题 地图等等。 二维图形图像学可视化方法目前是空间信息可视化的主流方法。由于二维可 视化含有较少的数据量，同时沿用了成熟的可视化理论方法，因此在空间信息远 程可视化( 如网络地图) 、移动用户位置服务以及交通导航等领域有着广阔的发 展前景。 2 三维图形图像学方法 从常识性的认知角度而言，现实世界是一个三维空间，使用计算机将现实世 界表达成三维模型则更加直观逼真，因为三维的表达不再以符号化为主，而是以 对现实世界的仿真手段为主。 第8 页 国防科技大学研究生院学位论文 三维空间的表现方式与手段随应用需求的不同而有很大的差异。常用的三维 电子地图，大多直接利用已有二维空间数据库的空间数据，通过添加少量的空间 信息，将现实环境中的主要实体表达成简单的几何形体，形成具有一定直观性的 三维地图。如果再给这些几何形体粘贴纹理图像，则形成具有一定逼真度的三维 地图。 近年来，三维地理信息系统( 3 d g i s ) 的研究在城市领域的发展非常迅速，代 表性的研究方向即是人们比较熟悉的数字城市模型，国内外在这一方面已经有一 系列代表性的成果，在城市小区建筑景观模拟、城市发展规划设计等方面有着广 泛的应用。 3 三维表达及虚拟现实技术 空间信息理想的可视化是对现实世界真实的写景，随着虚拟现实技术的发展， 这一理想越来越成为现实。为了进一步提高人机交互性，将先进的计算机可视化 技术与虚拟现实技术引入地理信息系统领域，人们早就开始了虚拟现实技术( v r ) 与g i s 结合的研究。 目前，人们已经初步实现了对地理环境的真实仿真，这种仿真能较好地重现 现实景观。比较典型的应用是在考古领域，利用考古学者发掘的原始数据，可以 复原古代地理环境以及主要建构筑物。更重要的应用领域是在军事领域，进行虚 拟战场环境构建，供军事演习与i ) i i 练，目前美国在该领域的研究已经可以为海陆 空三军提供联合演习的虚拟仿真平台。在商业领域，广为人们熟悉的是动画与电 影的制作，自然景观模拟的可视化达到了极好的水平。另外，在城市规划、环境、 数据可视化等等方面有着广泛的运