（地图学与地理信息系统专业论文）灾害信息多元空间数据管理研究.pdf

摘簧 摘要 为了提供灾害和减灾倍息共事与交流的一个平台，使灾密信息准确无误的交 戮相关决策部门，需臻建设功能完善的戳灾害事件为主要逻辑组织的灾害信息空 闼数据库。本文重点磷究了灾害售患多元空闽数据管耀豹关键技拳瓣题。经过黠 灾害信息进行分析，将灾害信息分为灾害事件与多元描述信息，分开处理。具体 的研究内容包括：首先需要依据空间数据管理的特点，向空间数据库中引入多元 灾害售患。然藤，利耀数据对象踺多元数据送器表达。势铮黠多元数据数攒量大， 搽作复杂的特点，为其进行存储设计。最后，磁相关理论指搏下，进行灾害信息 空问数据管理系统研制，并取得了成功。 灾密信患多元空瓣数撵管理系统豹辑究是瓷o r a c l el o g 对象关系数摅疼豹 纂础上完成的。采用向空间数据库中引入新一类实体的方法，将灾密事件按照空 间数据管理的特点管理起来。采用s q l 语句在关系数攒库中建立自定义数据对象 类型鹣方法，建立多元空耀数撵瓣象，实凝对多元空麓羧据豹表这。采蜀分涣存 储，建立影像众字塔和空间索引的方法移储多元空间数据。并使用o d p n e t 和 v b 语言开发了最后的原型系统。 关键词：灾害债息、灾害事件、多元空间数据、o r a c l el o g 摘要 a b s t r a c t r e s e a r c ho nd i s a s t e rs p a t i a la n dm u l t i m e d i ad a t am a n a g e m e n t w e ih u a ( m a s t e rt h e s i s ：c a r t o g r a p h ya n dg i s ) d i r e c t e db y ：w a n gs h i x i n i n s t i t u t eo fr e m o t es e n s i n ga p p l i c a t i o n s ，c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s b e i j i n g ，c h i n a t op r o v i d eap l a t f o r mf o rd i s a s t e rr e d u c t i o ni n f o r m a t i o ns h a r i n g ，a n d t od e l i v e rt h eu n t a i n t e dd i s a s t e ri n f o r m a t i o nt ot h ed e c i s i o n m a k i n g d e p a r t m e n t ，aw e l lf u n c t i o n a ld i s a s t e ri n f o r m a t i o ns p a t i a ld a t a b a s en e e d s t ob ec o n s t r u c t e d w i t had i s a s t e r e v e n t o r g a n i z e ds t r u c t u r e t h es t r e s si nt h i sp a p e ri st h ek e yt e c h n i q u eo fs p a t i a la n dm u l t i m e d i a d i s a s t e ri n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t a na n a l y s i so ft h ed i s a s t e ri n f o r m a t i o n d i v i d e st h i si n f o r m a t i o ni n t ot w op a r t s t h ed i s a s t e re v e n t sa n dt h e d e s c r i p t i v ei n f o r m a t i o n ，w h i c hs h o u l db eh a n d l e ds e p a r a t e l y c o n t e n to f r e s e a r c hi n c l u d e s ：a c c o r d i n gt ot h es p e c i a lf e a t u r eo fs p a t i a ld a t a m a n a g e m e n t ，d i s a s t e ri n f o r m a t i o nw a si n t r o d u c e di n t ot h es p a t i a ld a t a b a s e u s et h ed a t ao b j e c tt or e p r e s e n tt h es p a t i a la n d 叫l t i m e d i ad a t a p a r t i c u l a rp h y s i c a ls t o r a g ed e s i g nf o rm u l t i m e d i aa n ds p a t i a ld a t ai s p e r f o r m e db a s e do nt h e i rc h a r a c t e r i s t i c s ，i n c l u d i n gm a s sd a t av o l u m ea n d c o m p l i c a t e do p e r a t i o n s b a s e do nr e l e v a n tt h e o r i e s ad i s a s t e r i n f o r m a t i o ns p a t i a ld a t a b a s ei ss u c c e s s f u l l yd e s i g n e da n dd e v e l o p e d b a s e do nt h eo b j e c t r e l a t i o n a ld a t a b a s ep r o d u c to r a c l e1 0 9 ，t h e r e s e a r c ho fd i s a s t e ri n f o r m a t i o ns p a t i a ld a t a b a s ew a sd o n e b yu s i n gt h e m e t h o do fi n t r o d u e i n gan e wk i n do fe n t i t i e si n t ot h es p a t i a l t h es y s t e m i m p l e m e n t st h em a n a g e m e n to fd i s a s t e re v e n ti nt h el o g i co fs p a t i a ld a t a m a n a g e m e n t b yu s i n gt h em e t h o do fd e f i n i n gu s e r d e f i n e dd a t ao b j e c tt y p e i nt h er e l a t i o n a ld a t a b a s ei nt h es q ll a n g u a g e ，m u l t i m e d i aa n ds p a t i a l d a t aa r er e p r e s e n t e d b ye m p l o y i n gt h et i l es t r a t e g y ，c o n s t r u c t i n gt h e i m a g ep y r a m i d ，a n dc r e a t i n gt h es p a t i a li n d e x ，t h ep h y s i c a ls t o r a g eo f m u l t i m e d i aa n ds p a t i a ld a t aa r ed e s i g n e d u s eo d p n e t ( o r a c l ed a t a p r o v i d e rf o r n e t ) a n dv i s u a lb a s i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea st h et o o lt o s u c c e s s f u l l yd e v e l o pt h eo r i g i n a ls y s t e m k e y w o r d s ：d i s a s t e ri n f o r m a t i o n ，d i s a s t e re v e n t ，m u l t i m e d i aa n ds p a t i a l d a t a ，o r a c l el o g 中国科学院遥感应用研究所 学位论文原创性声明 本人郑鬟声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文 的研究做出羹要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 声明的法律结果由本人承担。 ( 注：貌声懿请敖在学彼论文第一页。) 论文作者签名： 日期：猡6 年 第一章前言 1 前言 1 1 研究的目的和意义 中国是世界上自然灾害类型多，发生频繁，灾害损失最严重的少数国家之一， 在以往的4 0 年中，每年灾害经济损失约占同年国家财政总收入的六分之一。近 年来灾害直接经济损失每年约1 0 0 0 亿元，其增长速度明显超过全国经济增长， 因灾人口伤亡也相当严重。如1 9 9 1 年江淮特大水灾，1 9 9 4 年全国大范围水、旱 灾，1 9 9 5 年江西、湖南、辽宁及吉林的水灾，灾害不但严重影响受灾省区经济 的持续发展，而且也影响全国。根据民政部救灾救济司、国家减灾中心的数据， 截至2 0 0 5 年1 2 月2 6 日0 7 时统计，2 0 0 5 年全年全国各类自然灾害共造成2 5 4 2 人死亡，紧急转移安置1 5 7 6 9 万人；倒塌房屋2 1 7 9 万间；因灾直接经济损失 2 0 2 9 亿元。 减轻自然灾害一直以来是我国社会经济持续发展的一项必不可少的工作。在 我国现有的减灾工作的基础上，如何进一步提高社会综合减灾能力? 如何增强我 国的承灾能力? 如何把社会发展与减灾工作紧密地结合起来? 联合国际减灾十年委员会提出，估价一个国家减灾工作水平的一项重要指 标，就是减灾纳入社会发展规划的程度。减灾只有在对自然灾害灾情有比较详 细的了解后，才能提出科学的对策和措施。为了拯救更多的生命，减少更多经济 损失，准确的、直观易读的灾情信息必须作为第一手资料成为政府减灾决策的重 要保证。国务委员兼国务院秘书长华建敏在2 0 0 5 年9 月北京召开的亚洲减灾大 会上代表中国政府提出了四点对减灾工作的重要建议。其中，加强减灾信息和经 验的共享与交流，便是针对我国全国灾害管理的信息化建设整体水平还相对偏 低，各部门的信息共享不够充分，部分省份的救灾信息系统装备老化，灾情信息 报送工作迟缓的国情提出的。 减轻自然灾害是一项系统工程，它包括对自然灾害的监测、预报、评估、防 灾、抗灾、救灾、恢复、教育、保险与综合管理，减灾的每一过程和环节都与空 间的地理要素密切相关，如灾害发生的时空分布、强度与频度、灾害发生地社会 经济易损性及抗灾能力、灾害评估、灾害应急救助措施及预案等。因此，在具有 中科院遥感应用研究所硕士论文 灾害信息多元空间数据管理研究 庞大空间分析功能的地理信息系统的基础上，建立灾害信息系统，才能在减灾中 发挥快速、准确与决策的作用。 国内灾害、环境、气象信息共享的数据资源是极为庞大的，有七个主管灾害 的专业部门：气象局、地震局、水利部、地矿部、农业部、林业部和海洋局，它 们各自均建有内部的信息网络系统，有些已经开展了部分的信息交流。但由于条 块分割，使得一般政府官员、社会公众无法了解一个地区、一个城市的灾害总况， 因此，急需开展以地域为划分单位( 而不是以灾种为划分单位) 的综合自然灾害 信息共享。 作为灾害信息系统的数据支持系统，建设功能完善的以灾害事件为主要逻辑 组织的灾害信息空间数据库，为灾害和减灾信息共享与交流建立一个平台，使灾 害信息准确无误的交到相关政府决策部门，是解决上述所有问题的最佳答案，也 是本文中研究的主要内容。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 灾害信息系统研究现状 作为灾害信息空间数据库的上层建筑，灾害信息系统对数据的要求决定了数 据库的结构和功能。因此，有必要了解其当前的发展形势和研究现状。 近年来，以地理信息系统为核心的灾害信息系统，已在国内外减轻自然灾害 的各个环节和领域得到或将得到应用。 国际上，发达国家利用其先进的通讯技术，完善的社会共享体系已经作了大 量的工作，取得了一些进展。 8 0 年代以来，全球逐步建立了若干个以灾害信息服务、灾害紧急事务处理为 目标的灾害信息共享系统，主要有： i 全球危机和紧急管理网络，由加拿大紧急管理署主持，主要内容包括建 立全球紧急准备、响应，提供减灾和恢复方面的信息； 2 全球紧急管理系统，由美国联邦紧急事务管理局主持，主要业务包括同 国际w w w 系统连接，进行灾害管理、减灾、风险管理、救助搜索、灾害科研等； 3 国际灾害信息资源网络，由联合国国际减灾十年办公室主持，主要开发 了一个国际自然和技术灾害的信息网络原型； 2 第一章前言 4 拉丁美洲区域灾害准备网络，由泛美洲健康组织管理，主要负责同六个 拉丁美洲和加勒比国家的灾害管理机构进行联络； 5 紧急响应联系，由美国联邦紧急事务管理局主持； 6 模块化紧急管理系统，由挪威、法国、芬兰、丹麦四国共同开发，主要 开发了个包括环境信息、公众保护、在线培训和遇灾反应的集成平台； 7 日本灾害应变系统( d r s ) 。 上述的灾害信息系统大都已开始工作，在灾害信息共享、协助各国政府制定 减灾决策、对国民进行防灾教育、处理紧急灾情等方面，发挥了十分重要的作用。 除了上述系统之外，还有另一些系统也在积极建设中，如美国s h e b u t e 公司 的多界面灾害管理信息系统、美国威斯康星大学主持的灾害紧急管理训练系统、 英国普力茅斯大学支持的全球灾害讨论支持网络、加拿大森林部主持的全球荒地 火灾信息网络、加拿大s i m o nf r a s e r 大学主持的紧急准备信息交换系统、全球 火山信息系统、澳大利亚地质调查所主持的澳大利亚减灾计划、澳大利亚莫尔本 大学主持的g d - p r i m e ( 可靠信息计算机化一全球减灾) 、美国斯坦福大学主持 的全球自然灾害分险管理网g l o d i s n e t 。 在全球来讲，虽然各国都在积极筹备建立自然灾害信息系统，但就系统的内 容来说，这些系统大致可以分为三种：一是政府部门建立的用于处理紧急灾害事 务的应急、管理系统；二是大学和研究部门建立的用于自然灾害学研究的信息网 络系统；三是为公众提供灾害信息服务、为社会有关部门提供咨询的信息共享系 统。无论那种系统，就其基本内容来说，都需要收集、管理大量的自然灾害灾情 数据。 在我国，各单灾种灾害研究与管理部门，已建立了若干个用于单灾种研究的 灾害信息管理系统，国家“八五”科技攻关项目中已开展了系列的自然灾害应急 监测与评估研究及相应技术的研制，如近年来水利部、科学院建立了实时洪水监 测系统及水灾风险评估系统，中国科学院与国家气象局( 8 5 - - 9 0 6 项目) 初步建 立了实时台风、暴雨一洪涝灾害信息及减灾系统，中国科学院、国家教委所属有 关科研、教学部门研制了应急气象卫星对小区域自然灾害进行应急评估的技术系 统。国家地震局对一些城市进行震害预测的地理信息系统如大庆、鞍山等。 国家科委国家计委国家经贸委全国自然灾害综合研究组近年来通过对自然 中科院遥感应用研究所硕士论文灾害信息多元守间数据管理研究 灾害的综合研究已建成全国自然灾害信息系统，其包括全国范围内各种自然灾害 基础信息的分析及决策支持、各种地理背景信息等，北京师范大学在湖南省建立 的灾害风险评估系统等。另外在我国的一些省如安徽等也建立了一些综合减灾信 息系统。 2 0 0 3 年，民政部已经初步建成了中央、省、地、县四级联网的灾害信息业务 运行系统，并在救灾工作中得到有效应用，为救灾决策搭建了快速、准确的灾害 信息平台。 但正如民政部副部长杨衍银在2 0 0 3 年1 2 月1 2 日北京举行的“中国灾害管 理信息系统建设和应用国际研讨会”上所指出的，尽管中国灾害管理信息系统建 设取得了一定成效，但全国灾害管理的信息化建设整体水平还相对偏低，各部门 的信息共享不够充分。部分省份的救灾信息系统装备老化，灾情信息报送工作迟 缓。 1 2 2 空间数据库技术的研究现状 正如上面指出的，空间数据在减灾的各个环节中都起着非常重要的作用。因 此，针对空间数据管理的空间数据库系统，在灾害信息系统中扮演着重要角色。 空间数据库系统的发展高度，代表了我们开发灾害信息空间数据库的基础水平。 只有了解空间数据库的发展现状，才能在其基础上引入多元灾害信息，完成功能 完善的灾害信息空间数据库，成为上层灾害信息系统和决策支持系统的数据保 障。 近年来，许多计算机应用领域研究通过扩充常规数据库管理系统的功能来支 持与空间相关的数据。空间数据库管理系统( s p a t i a ld a t a b a s em a n a g e m e n t s y s t e m s d b m s ) 研究是找到有效处理空间数据的模型和算法的重要步骤。目前， 随着数据库技术不断发展，大型关系型、对象关系型、纯对象型数据库在完整性、 安全性、标准化、开放性、可扩充性等方面日益完善，一般都提供对l o b 字段的 支持，有些还支持空间数据和自定义数据类型。这样可以按照数据库形式实现对 数据的存储和管理，并在此基础上，实现便利的空间索引、查询和各种空间分析 操作。在常规大型数据库的基础上进行扩展，实现基于空间数据的空间索引、检 索和分析等操作，是空间数据库实现的技术途径。经过3 0 年的发展，空间数 第一章前言 据库已成为一个热点研究领域，其研究成果已经日趋成熟，并应用于许多不同领 域。 国际上，商业数据库和地理信息系统软件的主要厂商在该领域进行过深入研 究并形成软件产品的有：e s r i 开发的空间数据引擎( s p a t i a ld a t ae n g i n e ，s d e ) 产品a r c s d e ”1 ，m a p i n f o 开发的s p a t i a l w a r e 嘲，以及i n t e r g r a p h 、a u t o d e s k 、 o r a c l e 、i b m 埘和i n f o r m i x ”等公司在对象一关系数据库服务器上开发的空间数 据插件。 从以上列举的国际上比较先进的空间数据库管理系统看，空间数据扩展部分 和常规数据库间的有机结合主要分为两种形式：1 ) 直接在数据库管理系统中开发 与g i s 有关的应用模块，如o r a c l e 数据库管理系统所提供的“o r a c l es p a t i a l ”。 它所采用的技术是在源程序中加入针对g i s 功能的模块，并对空间数据、属性值 及元数据给以表达及相互间的传递，然后，g i s 应用软件将直接调用数据库中这 些功能，如m a p i n f o 的s p a t i a lw a r e 等许多g i s 软件都设有对o r a c l es p a t i a l 的特别接口。2 ) 在g i s 软件包中开发出能建立与数据库管理系统相沟通的连接模 块。有广泛应用的e s r ia r c s d e 便属于这类产品。目前许多g i s 软件包( 包括国 产g i s 软件，如中科院地理信息产业发展中心的超图g i s 软件s u p e r m a p ，美国 的i n t e r g r a p h 开发的g i s 软件包m o d u l eg i se n v i r o n m e n t ( m g e ) 和英国的 s m a l l w o r l dg i s ) 都带有或正在开发这种与数据库管理系统相连和沟通的模块和 接口。由于数据库中可能没有空间数据处理功能，这种连接将是比较“庞大”的。 需要解决的技术问题包括g i s 数据库所带的属性值与数据管理库的相互传递以 及系统标准的确定，如字节等。一般来说这种结合方式在空间数据管理的功能方 面受到许多限制。此外，在许多g i s 软件包所“自带”数据库中，它们将数据自 存为内部格式，可不与数据库管理系统相连( 如武大吉奥的g e o s t a r ”1 ) 。这种 形式的数据存储的不便之处是后期的数据移植转换，即数据的通用性。 同时，研究中的空间数据库原型系统有p o s t g r e s 、g e 0 2 和p a r a d i s e 。这些 系统都提供一组空间数据类型( 如点、线和多边形) 和一组空间操作功能( 求交 ( i n t e r s e c t i o n ) 、闭合( e n c l o s u r e ) 和距离( d i s t a n c e ) ) 。开发地理信息 系统协会( o p e ng i s ) “3 制定出一套空间数据类型和空间操作的现行标准，使得 空间类型和操作可以像s q l 3 那样成为对象一关系查询语言的一部分。为了增强 中科院遥感应用研究所硕士论文灾害信息多元空间数据管理研究 性能，这些系统还为空间存取方法、空间范围查询以及空问连接提供了多维空间 索引和算法。 综观这些空间数据库研究成果，虽然对基于对象的数据模型能够提供很好的 支持，但对基于场的模型的支持不多。可见，尽管这些已经商品化的空间数据库 系统具有很强的功能和适应性，但其应用范围仍有一定的局限性，无法满足我们 对多元灾害信息空间数据管理的需求。 1 2 3 地理信息系统与多媒体技术 作为可以被非专业人员掌握、使用的综合信息管理系统，灾害信息系统不仅 需要空间和属性两大类型的数据，也需要多媒体数据的支持，以丰富的信息表达 形式为用户提供更加直观、生动的信息处理和表达手段。 从技术角度上说，灾害信息系统是地理信息系统的应用实例，而灾害信息空 间数据库是纯空间数据库的应用实例。因此，多媒体技术与地理信息系统的融合、 多媒体数据管理技术与空间数据库的融合，给在灾害空间数据库中引入多媒体数 据提供了直接参考。这里，我们着眼于多媒体技术与地理信息系统的融合、多媒 体数据管理技术与空间数据库的契合点，而非多媒体技术本身，进行研究。 传统的g i s 软件采用分离的方式管理数据：非格式的数据( 空间数据和多媒 体数据) 均采用文件形式和目录结构，属性数据由内置的关系型数据库进行管理。 这种分离机制暴露出很多问题。首先，文件形式的非格式数据，游离在数据库的 管理之外，对数据的安全性和访问控制根本无法保证，更不要说整个系统的数据 完整性和一致性了。系统设计的j 下确性根本无从谈起。其次，分离的结构影响了 执行效率并增加了构造、维护和修改一个应用系统的复杂度。由于对每个空间实 体的操作都要同时和两个不同的系统交互，势必影响操作的执行效率。最后，这 种分离模型也限制了g i s 应用的发展。由于文件系统不具备关系数据库系统那样 利用关系运算简洁规整的优点，并提供诸如s q l 这样的高级数据查询语言来进行 查询处理，再加上不同g i s 系统采用不同的内部数据结构和存储模型，结果使不 同系统之间难以实现空间数据共享和互操作，这无疑限制了g i s 应用的范围和发 展。 幸运的是，正如上文中指出的，随着数据库技术不断发展，数据库在完整性、 6 第一章前言 安全性、标准化、开放性、可扩充性等方面日益完善。特别的，针对数据量远远 超过常规格式化数据的空间数据和多媒体数据，数据库提供大型二进制数据对 象一一l o b 字段，有些数据库的扩展功能中还支持自定义数据类型。 利用大型二进制数据对象和自定义的数据类型，可以将非格式数据和属性数 据有机地集成起来，按照数据库形式实现对数据的存储和管理。罗平。1 等将多媒 体数据信息关联到以关系模型为基础的属性库中，以属性库为桥梁，实现与空间 图形库的关联。但这样系统中，多媒体数据库与空间数据库独立存在，不但系统 复杂，开销加大，而且给多元灾害信息统一管理造成不便。艾海滨“”等将多媒体 数据存储在二进制对象( b l o b ) 中，并给出插入删除操作的流程。然而，由于 b l o b 对象没有内部结构，使得存储在其中的多媒体数据很难支持各种相关操作。 可见，尽管有些多媒体空间数据系统具有统一存储( 还不能称之为管理) 的功能， 但并没有在统一的数据库系统中实现真正意义上的多媒体数据与空间数据的协 同管理。 1 3 研究内容 1 3 1 向空间数据库中引入多元灾害信息 首先，多元灾害信息包括两部分，一是灾害自身的基本情况，也称为灾害事 件信息，包括灾害位置，类型，规模，灾区范围等；二是描述这个灾害事件的多 元数据，包括专业化的空间数据( 矢量数据和栅格数据) 、各种与之相联系的多 媒体数据、以及格式化的( 关系模型下的) 属性数据。通常意义下的空间数据库 是针对矢量数据管理建立的，其对矢量数据的处理得心应手。某些空间数据库还 支持栅格数据管理，例如e s r i 的a r c s d e 空间数据引擎产品。但这类空间数据库 既没有针对某种特定目标( 比如灾害事件) 的管理方案，也无法支持多媒体类型 的数据。 因此，我们的研究首先需要从技术上解决：1 ) 如何将灾害事件作为单独的 一类实体引入空间数据库，为其建立概念数据模型，并让其符合空间数据管理的 特点；2 ) 如何将描述灾害事件的多元数据( 主要是多媒体部分) 引入空间数据 库。 中科院遥感应用研究所硕士论文灾害信息多元空间数据管理研究 1 3 2 多元数据表达 将多元数据引入空间数据库的第一步是在空间数据库概念层中表达多元数 据。 对于矢量空间数据，空间数据库已有解决方案。空间数据库为其建立空间数 据对象，并将空间数据操作用面向对象的方法的形式表示出来。空间数据对象则 因所表达数据类型的不同而有所不同，有点对象、线对象、和面对象。 对于其它类型的多元数据，也可以借助上述手段表达它。比如，针对栅格数 据，建立栅格数据对象；针对多媒体数据，建立多媒体数据对象。当然，数据对 象因表达数据的不同有所区别，多媒体对象可以包括图片对象，视频对象，文本 对象等等。 建立对象表达多元数据的优势之一，是可以把作用在多元数据上的操作，通 过面向对象的方法实现。 综上所述，为了成功表达多元数据，我们的研究应该包括多元数据对象的概 念和及其在数据库中的持久化，以及利用面向对象方法实现对多元数据的操作。 1 3 3 多元数据存储 多元数据大数据量的特点决定它们无法通过常规关系表在数据库中存储。为 了有效管理这些数据量巨大的多元数据，常用的策略是分块存储。同时，每种多 元数据都有针对其特点的操作，这些操作往往需要相应多元数据拥有良好的存储 设计才能完成。比如针对矢量空间数据的空间查询需要空间索引的支持，空间索 引是作为矢量空间数据存储的一部分持久化在数据库中的。又l p , 女n 针对栅格空间 数据的缩放查看，需要影像金字塔的支持。类似地，影像金字塔则作为栅格数据 存储的一部分持久化在数据库中。 1 3 4 灾害信息空间数据管理系统研制 在空间数据库中，按照灾害信息管理的逻辑建立概念数据模型来组织所有与 应用相关的可用信息。其中，组织信息的重点是将多元数据对象包括( 相应的对 象属性和对象方法) 持久化在数据库中。 第一章前言 1 4 论文创新点 本文的特色与创新之处在于： i ) 根据空间数据管理的特点，向空间数据库中引入灾害信息，并根据其建 立概念数据模型，实现了基于灾害事件的多元空间数据组织管理。 2 ) 首次在统一数据库中，统一管理框架下，实现多元数据( 空间数据，多 媒体数据，属性数据) 的存储、查询等操作。 中科院遥感庀用研究所硕士论文灾害信息多元空间数据管理研究 2 对象关系数据库 2 1 关系模型与数据库 2 1 1 关系模型 关系模型把世界看作是由实体( e n t i t y ) 和联系( r e l a t i o n s h i p ) 构成的。 所谓实体就是指现实世界中具有区分与其它事物的特征或属性并与其它实 体有联系的对象。在关系模型中实体通常是以表的形式来表现的。表的每一行描 述实体的一个实例，表的每列描述实体的一个特征或属性。 所谓联系就是指实体之间的关系，即实体之间的对应关系。联系可以分为三 种： 1 ) 对一的联系。如：一个人只有一种性别，一个人一性别为一对的联 系： 2 ) 一对多的联系。如：相同性别的人有许多个，性别一人为一对多的联系； 3 ) 多对一的联系。如：很多人有同一个性别，人一性别为多对一的联系。 通过联系就可以用一个实体的信息来查找另一个实体的信息。 关系模型把所有的数据都组织到表中。表是由行和列组成的，行表示数据的 记录，列表示记录中的域。表反映了现实世界中的事实和值。 2 1 2 关系数据库 关系数据库采用关系模型作为数据的组织方式。关系数据库是对应于个关 系模型的所有关系的集合。它是一种以关系模型为基础存储数据以及用数字方法 处理数据库组织的方法，是目前最为流行的一种数据组织形式。有关关系数据库 的理论与技术包括各个方面，比如关系代数和关系演算理论、数据依赖、规范化 理论、泛关系理论、无限超图理论、查询优化技术、符号表跟踪技术、空值以及 视图修改问题等。目前，关系型的数据库管理系统已经很多，为当今主流数据库 系统，各种实现方法，优化方法比较完善。关系数据库的设计也有一整套完善的 规范化理论，并有第一、二、三、四、五范式，以确保设计的数据库尽量减少数 1 0 第二南面向对象理论和对象模型 据冗余及各种操作异常现象。 关系数撰库具有鼹好的企业级数据库镣理及异构数据的访阅能力，以及完整 髓、持久经、并发控毒、可恢复往、一致性帮查询黥力，侵酸乏对海蟹数据、特 别是空间数据类型的支持。 2 2 面向对镦理论和对象模型 嚣淹怼象( o b j e c to r i e n t e d ，0 0 ) 是懿洋代装寒软侔秀发方法懿主瀛。萁穰， “面向对象”是专指在程序设计中采用封漩、继承、抽象等设计方法。现在，面 彝瓣象匏概念窝应鼹溅超越了纛滓浚诗秘软终开发，扩浸至g 缀竞雏范疆。袈数据 库系统、交互式界面、应用结构、应用平台、分布式系统、网络管理结构、c a d 按术、人工铐戆等领域。 2 2 1 面向对象理论的基本概念 对象 对象是人们要进行磷究的任何事物，从最简单的蹩数到复杂的飞机镣均可看 作对象，它不仅能表示具体的事物，还能寝示抽象的规则、计划或事件。 对象的状淼和行为。 对象其有状态，一个对象丽数据值来描述它的状态。 对象还裔操作，用于改变对象的状态，对象及其操作就是对象的行为。 对象实聪了数据帮搽终戆结合，使数据帮操露封装于对象豹统一傣中 类 其毒麴丽线穗织瞧壤豹对象豹接象藏楚类。霆敦，熨象戆懿象是类，类戆其 体化就是对蒙，也可以说类的实例是对象。 类具有属瞧，它是对象约状态的抽象，遐数据终掏来接述类的属性。 类具有操作，它是对象的行为的抽象，用操作名斧玎实现该操作的方法来描述。 2 2 2 西秘瓣象秘耱纭 撼象 抽象是指强调实体的本质、内在的属假。在系统开发中，黼象指的燕在决定 中科院遥感应用研究所硕十论文灾害信息多元空间数据管理研究 如何实现对象之前的对象的意义和行为。使用抽象可以尽可能避免过早考虑一些 细节。 类实现了对象的数据( 即状态) 和行为的抽象。 对象唯一性 每个对象都有自身唯一的标识，通过这种标识，可找到相应的对象。在对象 的整个生命期中，它的标识都不改变，不同的对象不能有相同的标识。 分类性 分类性是指将具有一致的数据结构( 属性) 和行为( 操作) 的对象抽象成类。一 个类就是这样一种抽象，它反映了与应用有关的重要性质，而忽略其他一些无关 内容。任何类的划分都是主观的，但必须与具体的应用有关。 继承性 继承性是子类自动共享父类数据结构和方法的机制，这是类之间的一种关 系。在定义和实现一个类的时候，可以在一个已经存在的类的基础之上来进行， 把这个已经存在的类所定义的内容作为自己的内容，并加入若干新的内容。 在类层次中，子类只继承一个父类的数据结构和方法，则称为单重继承。在 类层次中，子类继承了多个父类的数据结构和方法，则称为多重继承。 在软件开发中，类的继承性使所建立的软件具有开放性、可扩充性，这是信 息组织与分类的行之有效的方法，它简化了对象、类的创建工作量，增加了代码 的可重性。 采用继承性，提供了类的规范的等级结构。通过类的继承关系，使公共的特 性能够共享，提高了软件的重用性。 多态性( 多形性) 多态性是指相同的操作或函数、过程可作用于多种类型的对象上并获得不同 的结果。不同的对象，收到同一消息可以产生不同的结果，这种现象称为多态性。 多态性允许每个对象以适合自身的方式去响应共同的消息。多态性增强了软 件的灵活性和重用性。 封装性( 信息隐藏) 。 封装性是保证软件部件具有优良的模块性的基础。 面向对象的类是封装良好的模块，类定义将其说明( 用户可见的外部接口) 1 2 第二章面向对象理论和对象模型 与实现( 用户不可见的内部实现) 显式地分开，其内部实现按其具体定义的作用 域提供保护。 对象是封装的最基本单位。封装防止了程序相互依赖性而带来的变动影响。 面向对象的封装比传统语言的封装更为清晰、更为有力。 共享性 面向对象技术在不同级别上促进了共享 同一类中的共享。同一类中的对象有着相同数据结构。这些对象之间是结构、 行为特征的共享关系。 在同一应用中共享。在同一应用的类层次结构中，存在继承关系的各相似子 类中，存在数据结构和行为的继承，使各相似子类共享共同的结构和行为。使用 继承来实现代码的共享，这也是面向对象的主要优点之一。 在不同应用中共享。面向对象不仅允许在同一应用中共享信息，而且为未来 目标的可重用设计准备了条件。通过类库这种机制和结构来实现不同应用中的信 息共享。 2 2 3 对象模型 1 对象和类 ( 1 ) 对象 对象建模的目的就是描述对象。 ( 2 ) 类 通过将对象抽象成类，我们可以使问题抽象化，抽象增强了模型的归纳能力。 ( 3 ) 属性 属性指的是类中对象所具有的性质( 数据值) 。 ( 4 ) 操作和方法 操作是类中对象所使用的一种功能或变换。类中的各对象可以共享操作，每 个操作都有一个目标对象作为其隐含参数。 方法是类的操作的实现步骤。 2 关联和链 关联是建立类之间关系的一种手段，而链则是建立对象之间关系的一种手 中科院遥感应用研究所硕士论文灾害信息多元空间数据管理研究 段。 ( 1 ) 关联和链的含义 链表示对象间的物理与概念联结，关联表示类之间的一种关系，链是关联的 实例，关联是链的抽象。 ( 2 ) 角色 角色说明类在关联中的作用，它位于关联的端点。 管 理 图2 一l 关联的角色的表示 ( 3 ) 受限关联 受限关联由两个类及一个限定词组成，限定词是一种特定的属性，用来有效 的减少关联的重数，限定词在关联的终端对象集中说明。 限定提高了语义的精确性，增强了查询能力，在现实世界中，常常出现限定 词。 ( 4 ) 关联的多重性 关联的多重性是指类中有多少个对象与关联的类的一个对象相关。重数常描 述为“1 ”或“多”。 图2 2 表示了各种关联的重数。小实心圆表示“多个”，从零到多。小空心 圆表示零或1 。没有符号表示的是一对一关联。 亘三三二二 _ 1 五- 个一个国家有一个首都 巨互卜西 区二卜匠 匝二卜亘 区二卜雹 3 类的层次结构 0 个，1 个。一个工作站有0 个或1 个窗口 0 个，多个。一个公司有0 个或多个雇员 1 个，多个一个用户有1 个或多个目录 l 2 个，4 个。一辆汽车有1 个、两个或四个车门 图2 2 关联的多重性 1 4 第二章面向对象理论和对象模型 ( 1 ) 聚集关系 聚集是一种“整体一一部分”关系。在这种关系中，有整体类和部分类之分。 聚集最重要的性质是传递性，也具有逆对称性。 图2 - - 3 聚集关系 聚集可以有不同层次，可以把不同分类聚集起来得到一颗简单的聚集树，聚 集树是一种简单表示，比画很多线来将部分类联系起来简单得多，对象模型应该 容易地反映各级层次，图2 3 表示一个多极聚集。 ( 2 ) 一般化关系 一般化关系是在保留对象差异的同时共享对象相似性的一种高度抽象方式。 它是“一般一一具体”的关系。一般化类称为父类，具体类又能称为子类，各子 类继承了父类的性质，而各子类的一些共同性质和操作又归纳到父类中。因此， 一般化关系和继承是同时存在的。一般化关系的符号表示是在类关联的连线上加 一个小三角形，如图2 4 。 ( a ) 中科院遥感应用研究所硕士论文灾害信息多元空间数据管理研究 ( b ) 图2 4 一般化关系 综上所述，采用面向对象的数据模型可以最自然地描述现实世界，将实体抽 象为对象，用对象中的数据成员和成员函数模拟客观世界及其运动。同时，面向 对象的数据模型有很强的扩充性。 2 2 4 面向对象的数据库 在数据库应用中，可以根据面向对象的数据组织方式，用面向对象的方法设 计稳健的，易于扩充和修改的面向对象的数据库模型。 面向对象数据库支持核心的面向对象数据库模型( 对象模型) ，并借助于对 关系数据库语义的扩充和修改，使之与对象模型的语义一致，以支持关系数据库 特征，如持久性、并发控制、可恢复性、一致性和查询能力等。面向对象数据库 的研究非常活跃，许多方面都取得了有意义的成果，如基本对象模型、对复杂对 象的支持、模式演化、面向对象的查询语言及其查询处理机制、索引机制、客户 服务器体系结构等。同时也推出了些数据库产品，如g e m s t o n e ，o b j e c t i v i t y ， o b j e c t s t o r e ，o n t o s ，0 2 ，p e o t ，g e r s a n t 以及c a 公司的j a s m i r l e 等。 从概念层面上说，面向对象数据库和面向对象语言源于同一概念，它强调高 级程序设计语言与数据库的无缝连接。因此，面向对象数据库可以有效解决“阻 抗失配”问题。所谓“阻抗失配”是指一个层次上的模型转化到另一个层次上的 模型时所遇到的困难程度。 在此基础上，面向对象数据库又增加了一些传统的数据库所有的特征。如持 6 第二章面向对象理论和对象模型 久性、并发控制、可恢复性、一致性和查询数据库的能力。也就是说一个面向对 象的数据库系统必须满足二个标准：它首先应该是一个数据库管理系统，并且是 一个面向对象的系统，即在一个可能的范围内，它与当前的一批厦向对象的程序 设计语言一致。其面向对象的特征包括复杂对象、对象标识、封装性、类型或类、 继承性、可扩充性及计算完备性。 2 3 对象关系数据库 2 3 1 对象关系数据库 面向对象技术所引入的对象、方法、类、实例、继承性、封装性等一系列重 要概念和良好机制为人们认识和模拟客观世界分析、设计和实现大型复杂系统奠 定了良好的理论基础。 但是，关系数据库作为成熟的数据库产品，在数据管理领域占有统治地位， 几乎所有的商业数据都存储在关系数据库中。而面向对象数据库与关系数据库的 数据结构并不兼容，这使得将所有商业数据从关系数据库中转移到面向对象数据 库中的代价太高，以至于实现中不可能。同时，大量基于关系数据库开发的软件 系统无法在面向对象的数据库上使用，造成极大浪费。 从性能上看，面向对象数据库产品虽然可以很大程度上消除“阻抗匹配”， 但是缺乏标准，尽管已提出了一个标准草案o d m g 一9 3 ，但没有得到普遍遵循；其 次，面向对象数据库产品在安全性、完整性、坚固性、可伸缩性、视图机制、模 式演化等许多方面还不完善；另外，针对面向对象的开发工具很少、对c s 计算 环境的支持也不够。 关系数据库具有良好的企业级数据库管理及异构数据的访问能力，以及完整 性、持久性、并发控制、可恢复性、一致性和查询能力，但缺乏对海量数据、特 别是空间数据类型的支持。面向对象数据库在描述复杂数据类型方面得心应手， 却不能利用关系数据库的成功之处。因此，面向对象技术和数据库技术相结合的 另一个途径，将面向对象系统架构中的对象建立在关系数据库中，把面向对象技 术的优越性与成熟的关系数据库技术有机的结合起来，是当前开发数据库系统的 最佳选择。这便是对象关系数据库。 就本质上而言，对象关系数据库是关系世界的s q l 与对象世界的模型基元的 1 7 中科院遥感应用研究所硕士论文灾害信息多元空间数据管理研究 结合，既保持了关系数据库的所有功能和优势，同时在数据服务器中添加了灵活 的功能，支持复杂的“用户自定义”应用对象和逻辑，较好地实现了对复杂数据 类型的快速高效查询。 2 3 2 空间数据管理应用 在空间数据管理领域，大的数据库厂家基于对象关系数据库将空间信息、属 性信息一体化存储，提供空间数据库管理模块，如o r a c l es p a t i a l ，i b md b 2 s p a t i a le x t e n d e r ，i n f o m i xs p a t i a l d a t a b l a d e 等，部分g i s 厂家也推出了自 己的对象关系型空间数据库解决方案，如e s r i 的a r c s d e ，m a p l n f o 的s p a t i a l w a r e 等。 对象关系数据库是对关系数据库进行面向对象的扩展，以便集成复杂数据的 智能化访问和管理，基本特性包括基本数据类型的扩充、复杂对象、继承性等。 对象关系数据库系统提供了用户自定义类型的功能，使用抽象数据类型可以封装 任意复杂的内部结构和属性，这样可以表示空间对象。对用户定义的数据类型， 同时也必须加入该类型要求的操作。这就是对象关系数据库系统提供的扩充函数 和操作符的功能，通过动态链接，实现客户端启动