（交通信息工程及控制专业论文）海洋空间数据管理软件构件研究.pdf

摘要 针对目前航运业信息化建设中存在的海洋空间数据无法实现大规模共亨的问 题，本文提出建立海洋空间数据管理软件构件提供数据共享的解决思路。海洋空 间数据管理软件构件以商业关系型数据库系统为支撑，在 2 e e 体系结构的框架内， 通过w e b 服务的形式提供数据共享服务。本文研究以软件构件的方式进行海洋空 间数据管理的过程，包括数据建模、数据导入、数据访问等。 全文共分五章，第一章为文章的绪论部分，介绍课题的提出、海洋空间数据 管理软件构件的概念及意义、国内外研究现状以及实现海洋窄问信息管理软件构 件的几种可选方案及其比较等。 第二章从理论上探讨了建立海洋空问数据库的可行性，研究并确市了海洋空 间数据的关系数据模型。文章以国际海道测量组织( h o ) $ 5 7 标准为基础，提出并 论证了$ 5 7 海洋空间数据的关系模型，为创建海洋空问数据库，并籍此实王1 5 1 i 海洋 空间数据管理软件构件奠定j ，基础。 第三章介绍了海洋守间数据管理软件构件的设计。设计内容包括海洋空问数 据管理软件构件的总体设计，以及各构成组件如海洋窄间数据导入组件、数据读 取组件、空间数据引擎和数据访问接口等的设计。 第四章介绍的内容是海洋空间数据管理软件构件的具体实现。并楸据本软件 构件的实际运行效果，证明了采用海洋空间数据管理软件构件提供海洋空问数据 共享服务的设计思路是切实可行的。文章的最后对采用海洋空间数据管理软件构 件实现海洋空间数据大规模共享的设计和实现方式进行了总结。 关键字：l i 1 0 $ 5 7 标准；空间数据库；软件构件；空间数据引擎 t h er e s e a r c ho i lt h eb u i l d i n go fo c e a ns p a t i a ld a t a m a n a g i n g s o f t w a r ec o m p o n e n t a b s t r a c t a i m i n ga t t h e u r g e n tp r o b l e me x i s t e d i n t o d a y sc o n s t r u c t i o n so fs h i p p i n g i n f o r m a t i o ns y s t e mt h a tt h eo c e a ns p a t i a ld a t ac a nn o tb es w e e p i n g l ys h a r e d ，t h i sp a p e r t a k e so u tt h er e s o l v eo f b u i l d i n go c e a ns p a t i a ld a t am a n a g i n gs o f t w a r ec o m p o n e n tt o f i n i s ht h es h a r ew o r k ，t h eo c e a ns p a t i a l d a t am a n a g i n gs o r w a r ec o m p o n e n ti s s u p p o r t e db yb u s i n e s sr e l a t i o nd a t a b a s es y s t e m ，a n di sr u n n i n gi nt h ef f a m e w o r ko f j 2 e e t h ec o m p o n e n tp r o v i d e st h ed a t as h a r i n gs e r v i c ei nt h ef o r mo fw e bs e r v i c e t h e g o a lo f t h i sp a p e ri sr e s e a r c h i n gt h ep r o c e s s i o no f m a n a g i n go c e a ns p a t i a ld a t ab yh i c a n s o fs o f t w a r ec o m p o n e n t ，i n c l u d i n gd a t am o d e l i n g ，d a t ai m p o r t i n g ，d a t aa c c e s s i n g ，a n ds o o n 。 t h ep a p e ri sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r s ；t h ef i r s tc h a p t e ri st h ep r o l e g o m e n o n i n p r o l e g o m e n o n ，t h e r ea r cf o u rt o p i c sa r ei n t r o d u c e d ，t h e ya l et h ep r o b l e ms e l e c t i o n ，t h e c o n c e p ta n dt h em e a n i n go ft h eo c e a ns p a t i a ld a t am a n a g i n gs o f t w a r ec o m p o n e n t ， p r o b l e mr e s e a r c h i n gs t a t u sa n ds o m ep r a c t i c a b l ep 喇e c t s c o m p a r i s o nw h i c ha r eu s a b l e i ni m p l e m e n t i n gt h eo c e a ns p a t i a ld a t am a n a g i n gs o f t w a r ec o m p o n e n t t h es e c o n dc h a p t e ra n a l y s e st h ef e a s i b i l i t yo fb u i l d i n go c e a ns p a t i a ld a t a b a s ei n t h e o r y , d i s c u s s i n ga n de s t a b l i s h i n gt h eo c e a ns p a t i a ld a t a sr e l a t i o nd a t am o d e l + t h e p a p e rb a s i n go nt h ed a t at h a tc o n f o r m st ot h e $ 5 7s t a n d a r di n t r o d u c e st h el o g i s t i ca n d p h y s i c a ls t r u c t u r eo fi t ，t a k i n go u ta n dp r o v i n gt h er e l a t i o nm o d e lf o r $ 5 7o c e a ns p a t i a l d a t a t h e s ew o r km a k et h eg r o u n df o rc r e a t i n go c e a n s p a t i a ld a t a b a s ea n dh n p l e m e n t i n g o c e a ns p a t i a ld a t am a n a g i n gs o f t w a r ec o m p o n e n tb a s e do nt h ed a t a b a s c t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fo c e a ns p a t i a ld a t am a n a g i n gs o f t w a r e c o m p o n e n t t h ew h o l ec o m p o n e n ti sd i v i d e di n t of o u rd e p a r t s ：d a t ai m p o r t i n gm o d u l e ， d a t ar e a d i n gm o d u l e ，s p a t i a ld a t ae n g i n ea n dd a t aa c c e s si n t e r f a c e 。 t h ef o r t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h ei m p l e m e n t a t i o no fo c e a ns p a t i a ld a t am a n a g i n g s o , w a r ec o m p o n e n t i ti sp r o v e dt h a tt h ed e i g nm a di m p l e m e n t a t i o n a r er e l i a b l eb yt h e t r u l yo u t c o r n do fr u n n i n go c e a ns p m i a ld a t am a n a g i n gs o f t w a r ec o m p o n e 口a t a tt h ee n d o ft h ep a p e r , t h ec o n c l u s i o no fd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f u s i n go c e a ns p a t i a ld a t a m a n a g i n gc o m p o n e n tp r o v i d i n go c e a ns p a t i a ld a t as e r v i c ei sm a d e k e yw o r d s ：i h o $ 5 7s t a n d a r d ；s p a t i a ld a t a b a s e ；s o f t w a r ec o m p o n e n t ；s p a t i a l d a t ae n g i n e 第一章绪论 1 1 课题的提出 随着计算机科学技术的不断进步，地理信息技术也得到了长足的发展和广泛 的应用，涌现出了一系列诸如a r c g i s 、s u p e r m a p 等优秀产品，它们帮助客户更好 地实现企业价值，同时也极大地促进了地理信息技术的提升。然而，无论是当前 地理信息技术的主要研究方向还足该技术的实现产品，都是以提供地图数据和地 图服务为主的，少有面向海洋空间信息的技术和产品；同时因为海洋空间数据的 某些特性，使之不能被简单地移植到以处理地图数据为辛的地理信息产品上。凶 而，要正确处理及有效应用海洋空间数据，就必须采用专门的技术并构造专门的 软件产品来实现。 目前海洋空间数据处理技术宅要应用在电子海图导航方面，这种应用以辅助 船舶导航为主要日的，多采用单机的实现形式，处理的数据也多为文件形式。这 种实现形式应用于船舶卜- 可以很好地完成辅助导航仟务，但是去| j 无法适应当前对 海洋空间数据处理技术提出的新要求。目前的新情况要求以电了海图为基础构造 一个海洋空间信息服务平台，弗允许在该信息平台上添加其他业务应用，诸如船 舶动态信息的显示与查询、遇难船舶及人员的搜寻与救助、海洋环境的监测与污 染防治等。而且要求支持在网络环境下的应用，即将空间数据集中存储在数据库 中，通过网络以w e b 服务的力式提供给客户端使用。客户端 i 用顸先安装任何程 序，只要能够接入i n t e r n e t 或者企业局域网，就可以使用海洋空间信息服务平台。 本文研究的内容就在丁如何通过软件构件的方式进行海洋空问数据的管理，为该 信息平台提供海洋空删数据的管珲方法和管理过程。 要构造这样能够支持分布式应用的软件构件，可供选择的框架结构有 m i c r o s o f t 公司的n e t 环境和s u n 公司的j 2 e e 环境等。在实际的构造过程中，选 择s u n 公司的j 2 e e 平台进行来开发。因为j 2 e e 平台的开发语言j a v a 具有广泛的 可移植性，可以在任何安装有j a v a 虚拟机( j ) 的平台上执行。并且j 2 e e 的韧 标准都是公，r 的，许多厂商都提供兼容的产品和开发。：具，这也为以后与业务功 能的结合提供了更多的选择。 1 2 海洋空间数据管理软件构件的概念及意义 海洋空问数据管理软件构件，是能够支持海洋空间信息共享和管理，并为各 种业务应用提供海图数据服务的软件构件。它构造新的数据模型并采用商用关系 数据库系统保存海洋窄问数据，提供完善的数据库访问接口，同时提供针对数据 库的数据维护功能。它作为海洋空间信息平台的数据管理者，为平台的运行提供 数据保障。 从海洋空间数据管理软件构件所完成的功能的角度而言，它属_ j ：j 2 e e 三层体 系结构巾的应用层，完成应用服务器的服务功能。海洋空间数据管理软件构件的 主要作用是处理、l k 务逻辑，实现数据接口，完成牢间数据服务的功能。空间数据 服务是指根据客户端的要求，完成海洋宁间数据的抽取、空间要素属性查询、光 栅图像的生成、空问分析以及执行各种航海计算等“1 。海洋空间数据管理软件构件 体系结构如图1 1 所示： 海洋空 问数据 管理软 件构件 图1 1 海洋空间数据管理软件构件体系结构示意图 f i g t1 1a r c h i t e c t u r ed i a g r a mo f o c e a ns p a t i a ld a t am a n a g i n gs o f 撕盯ec o m p o n e n t 海洋空间数据管理软件构件的意义在丁，研究并定义国际海道测量组织 ( i n t e r n a t i o n a lh y d r o g r a p h i co r g a n i z a c o ni h o ) $ 5 7 标准的海道测量数据的关 系数据库模型，实现以成熟的商用关系型数据库系统来存储和管理海道测量数据； 通过数据的整合和拓扑麓构，构建无地理单元限制的海道测蹬空间数据库；构造 适合予海道测量数据特点钓空间索引，实墩对海道测量空阀数缀的快速有效存取， 磅籍掰功缝完萋豹海遴溅基数据管理较俘褥俘蠢实臻工具，为吝类墓于海遘溅繁 空潮数据的应用系统研发提供基础、严台。本课题的研究，能够解决大规模海道测 最数据的组织、存储斧l j 管理问题，满足幽内外对海道测量数据共享的迫切需求“3 。 1 ，3 海洋空闻数据篱遴软件构件的研究现状 警静，我国大墅企渗谴萃位的信塞系统建设己初垂纛攘，姆黉是与海洋运输、 海漆安全、海洋环保、海洋经济等有关的些单位，由_ 于：其业务涉及囝际贸易和 国际合作，其信息系统建设要与国际接轨，因此客观上要求它们应用信息技术， 以便与幽内乡卜相关部f 1 交换信息， 司时提麓自已的经营和管理水平。一般丽言， 丈漤- 垒事鲎单位戆信爨笨绞帮吴有努毒式秘终点，嚣要袄嚣i n t r a n e t 、t n t e r n e t 、 甚举无线通信网络来支撑。因此使用的g i s 技术应当支持网络环境，并目目前的 g i s 宅间数据管理已缀走出了文件管理的模式，转向利用商用关系数据库管理帘间 数据。目前主要的g i s 软什都支持采用商用关系数据库管理系统同时管理图彤和 矮一楚数据。蘩鋈并黥a r c l m s ，m a p x t r e m e ，懑滤静s u p e r m a p i s 等。但是遗撼豹是， 这缝w e b o l s 产晶大多怒基于专孀的体系翁梅雨设计的，不支持j 2 e e ，个剐声称支 持j 2 e e 的产品价格过于昂贵，并且这些产黼并不适合用丁：海洋空间信息服务。 在以软件构件形式提供空间数据管理的软件产品中，以o r a c l es p a t i a l 和 m a p i n f os p a t i a l w a r e 较为典型。o r a c l es p a t i a l 是以对象数援痒的方式提供窄 阂数禚管理，它是属于数攥瘁缀囊上魏管瀵方式。o r a c l es p a t i a l 杰效攒瘁中遴 过定义并维护空间对魏，完成数据管理功能。应用程序可以间访问普通关系数锻 一样通过o r a c l es p a t i a l 访问空间数据。m a p i n f os p a t i a l w a r e 采用空问数据引 擎的方式管理空问数据。空间数据引擎足“个独立的软件构件，它的主要作用是 戆够怒复杂瓣m a p i n f o 逐图对象存入数攥黪孛，蔓f 萁建蠢并缳轳空蠢数据素辱 ， 从瓣在数据库服务器主二实现对属性数据和窄闻图形对象数据的统一管理。使用空 间数据引擎时，应片j 樱序只需将读取数粥的工作交付给空间数据引擎，然后等待 窄间数据引擎的读取结果目p 可。 第二章海洋空间数据的关系模型 2 1i h o8 8 7 海洋空间数据简介 i h o $ 5 7 海洋空间数据，是所有符合国际海道测量组织数字海道测量数据传输 标准5 5 7 的数据的统称。这些数据由各个国家的海道测量部门负责测量、编辑和 发行，它们遵从共同的标准即i h 0 $ 5 7 标准。s 5 7 标准罡面向传输的数据标准，因 而$ 5 7 数据具有内容紧凑、数据体积小等特点。但血上e 因为$ 5 7 数据具有这样的 特点，它们不具备赢接利用关系数据库系统保存的关系特征，因而需要对$ 5 7 海 洋空间数据做关系模型化处理。本章将首先介纠i h o $ 5 7 标准的理沦数据模型和 数据结构两部分内容，然后讨论$ 5 7 数据的关系建模过稃。 211i h o8 5 7 海洋空间数据模型简介 i h o $ 5 7 标准是专门用于描述真实世界数据传输的标准，该标准特别关注那些 与水文学椰关的真实世界实伴。水文领域被视为地理空间，闻此s b 7 标准的数据 模型将真实世界实体定义为描述特征和空间特征的组合，在模型巾这些特征的属 性集合被定义为“特征物标”利“空间物标”。 物标被定义为可标识的信息组，物标可以具有属性并且可能t j 其他物标棚天。 特征物标包含有描述属性但没有任何几何属件：窄问物标可能自捕述属性但必须 有几何属性。特征物标由一个或多个与之具有关系的空间物标定位，或者也可以 不参照空间物标而存在；但是每个空问物标必须参照一个特征物标“。 为，更好地描述真实世界实体的非位置信息，$ 5 7 数据模型将特征物标定义为 四个种类，即元物标、制图物标、地理物标和集合物标。茛中元物标是用于描述 其他物标共有信息的特征物标：制图物标足含有真实世界制图表示的特征物标； 地理物标保存有真实世界实体的描述特征；集合物标是用来描述物标间关系的特 征物标。$ 5 7 标准支持的空间物标类型是矢量类型，矢量类趔的模型建模采用的是 二维平而观察法，因而矢量类卒间物标可能是零维、一维或者二维，分刖对应节 点、边和而。根据节点、边和面之间的芙系，可以分为四个拓扑级别即：尤拓扑、 链节点、甲面图和完全拓扑。s 5 7 数据模型采用链节点级别的拓扑结构，链节点结 构将矢量编码为一组点和边，其中每条边必须以一个连接节点作为始点和终点， 构将矢量编码为一组点和边，其中每条边必须以一个连接节点作为始点和终点， 第二章海洋空间数据的关系模型 2 1ii - - 1 0 $ 5 7 海洋空间数据简介 i h o $ 5 7 海洋空间数据，是所有符合周际海道测量组织数字海道测量数据传输 标准$ 5 7 的数据的统称。这些数据由各个国家的海道测量部门负责测量、编辑和 发行，它们遵从共同的标准即l - i o $ 5 7 标准。$ 5 7 标准足面向传输的数据标准，因 而$ 5 7 数据具有内容紧凑、数据体积小等特点。但也止因为s 5 7 数据具有这样的 特点，它们不具备直接利用关系数据库系统保存的关系特征，因而需要对$ 5 7 海 洋空间数据做关系模型化处理。本章将首先介绍i h o $ 5 7 标准的理论数据模型和 数据结构两部分内容，然后讨论$ 5 7 数据的关系建模过程。 2 1 1 i h o $ 5 7 海洋空间数据模型简介 i h o $ 5 7 标准是专fj 用于描述真实世界数据传输的标准，该标准特别关注那些 与水文学相关的真实世界实体。水文领域被视为地理空间，因此$ 5 7 标准的数据 模型将真实世界文体定义为描述特征和空间特征的组合，在模型中这些特征的属 性集合被定义为“特征物标”和“空间物标”l 。 物标被定义为叮标识的信息组，物标可以具有属性并且可能与其他物标相关。 特征物标包含有描述属性但没有仟何几何属性；空问物标可能有描述属性但必须 有几何属性。特征物标由一个或多个与之具有关系的空问物标定位，或者也刖以 不参照空问物标而存存；但是每个空间物标必须参照一个特征物标”1 。 为了更好地描述真实世界实体的非位置信息，s 5 7 数据模型将特征物标定义为 四个种类，即元物标、制图物标、地理物标和集合物标。其中元物标是用于描述 其他物标共有信息的特征物标；制图物标是含有真实世界制图表示的特征物标； 地理物标保存有真实世界实体的描述特征；集合物标是用来描述物标问关系的特 征物标。$ 5 7 标准支持的空间物标类型是矢量类型，矢量类型的模型建模采用的是 二维甲而观察法，因而矢量类空间物标可能是零维、一维或者二维，分别对应节 点、边和面。根据节点、边和面之n u 的关系，可以分为四个拓扑级别即：无拓扑、 链节点、平面图和完全拓扑。$ 5 7 数据模型采用链节点级别的拓扑结构，链节点结 构将矢量编码为一组点和边，其中每条边必须以一个连接节点作为始点和终点， 这样的点被称为被参照点。被参照点的几何性不算作边的属性，矢量物标可以被 萸事使弼。点表示被编码为节点，节点又分为孤立节点和连接节点；线表示被缡 强鸯边耪连蔹节点澎碉；嚣表示毂编码为麸潜一连接繁i 点起戆零1 终 皂鹃边蕊溺会 环 编码中禁止线悔几何重叠”3 。链节点摸型如图2 1 所示： 图2 1 链节点模型示意图 f i g 2 1d i a g r a mo f c h a i n - n o d em o d e l 2 2l h os 5 7 海洋蜜阙数携结梅筒奔 i h o $ 5 7 海洋空间数据结构的定义及实现遵从$ 5 7 数据标准，该标准分别定义 了$ 5 7 数据的理论数搬模型和数据存储结构，并且规定r 把耀论数据模型转换为 $ 5 7 数据存姥结构的转换方式。这种转换包禽了从数据模穗的逻辑结构与数据存储 粒黪壤结梅之蠢秘关系”。 2 1 ，2 。1i t l 08 5 7 海洋窳问数据逻辑结构简介 为了传递真实世界的信息，$ 5 7 数据从模型到结构的转换使用了层次方法。首 先，囊实世界由于建立了显示模型从而使其爨于理解，建立好的模翠被转换成已 愈名戆缝成部分，实瑷这静转换弱部分怒撂针对缝成部分粳其国套兹茎辩程剜窝 约束的定义，转换的缔柴便产生了数据结构”1 。 $ 5 7 数据结构将s 5 7 数据模型中的物标对应为记录，即特征物标对应特征让录， 矢擞物标对应矢量记录等；物标的属性对成为属性字段；物标间的关系对应为指 针字段。通常一个交换中不止一个物标，而每个物标结构化成一条记录，因而 个交换就会包含不止一条记录。为简化这种交换，可以把记录分组到不同的文件 中，而最终进行交换的那组信息被称为交换集。把记录分组到不同的文件中，并 且把文件分组做交换集的力法按照这样的规则进行：一个交换集由个或多个文 件组成；个文件由一个或多个记录组成；一个记录由一个或多个字段组成；一 个字段由一个或多个子字段组成。结构的底层是子字段，予字段必须只包括一个 基木数据项，例如一个属性值等；格式化的子字段如日期子宁段等，必须由应用 程序进一步分析。在$ 5 7 标准中，子字段是不可再分的。 $ 5 7 数据结构将记录分为数据描述记录和数据记录两种，数据描述记录用于描 述数据的格式、类型以及包含的字段、子字段等信息；数据记录用于保存数据， 数据记录中没有明显的格式信息。根据记录的数据种类不同，数据记录可以分为 数据集描述记录、目次记录、数据字典记录、特征记录以及矢量记录。数据集描 述记录包含用来识别交换信息的一般片j 途和特性的信息；臼次记录包含文件在整 个交换集中的索引信息，上述两种记录可以看作是表格。数据字典u 录包含对在 一个交换集中所使用的物标、属性以及属性值的描述，如果在一个数据集中只使 用i h o 标准的物标目录，则不必使用数据字典记录：反之则必须使用数据字典记 录。i h o $ 5 7 标准交换集中的物标都是i h o 的标准物标。特征记录包括真实世界中 的非定位数据，用以描述真实世界的物标信息，包括物标之间关系和更新方法。 矢量汜录包含定位数据，即与特征记录相关的几何坐标，包括矢量属性、拓扑关 系以及更新指令。 物标间的关系是通过指针体现的，$ 5 7 中的指针分为“特征记录指向特征记录” 的指针和“特征记录指向矢量记录”的指针以及“矢量记录指向矢量记录”的指 针。特征记录指向特征址录的指针是用来建立特征物标间的关系的，指针包含参 照特征物标的关键宁以及描述参照的主从关系；特征记录指向矢量记录的指针是 用来把特征记录链接到其几何结构，为了正确解释所参照的矢量记录，需要使用 “方位”、“用法指示符”和“掩码”等内容。欠量记录指向矢量记录的指针保存 矢量数据的拓扑关系，在链节点结构巾允许使用的矢量记录指针有用于边的指针 和用于面的指针两种。其中用于边的指针参照节点作为起始点和终止点；用于面 的指针参照边作为面的内部边界或外部边界。1 。 $ 5 7 数据结构以树彤结构图描述，它包括物理结构的名称、连接和重复项。记 录的结构是一个有序树，树的根就是记录的入口，字段以子树的形式出现，子7 段是叶了节点。树形结构必须按照前序遍历的顺序进行解译，同时树形结构定义 了哪些字段允许重复。但是在一条记录内字段的重复次数将取决与文际编码的数 据，在某些情况下，如果不需要某个字段，该字段也可以被省略： 2 2 2 2i h os 5 7 海洋空间数据存储结构简介 数据结构本身并不能从一个计算机系统直接转换到另一个计算机系统，要做 到实现转换，就必须把数据结构封装在物理传输标准中，$ 5 7 使用i s o i e c8 2 11 数据交换规范作为数据封装依据。1 。 值得注意的是，虽然i h os 5 7 数据结构巾定义了完整的记录格式以及宁段格 式，但是并不是在每个文件中都要使用所有的记录种类，也并不是在每条记录中 都要使用全部的字段及子字段，具体的信息会在文件的数据描述记录以及数据记 录的头标医中出现。在解译文件时要首先根据头标区的内容获取记录的实际格式， 然后按照实际格式解析数据记录中的数据内容。同样，$ 5 7 数据允许采用的编码形 式有a s c i i 编码和二进制编码两种，并且两种编码叮以同时选用，因而在解析文 件内容时，也同样需要根据记录头标区中有关编码形式的指示信息选择正确的方 式进行解码。$ 5 7 数据在存储时为每条记录设定一个名称和一个编号，通过名称和 编号的组合可以惟地确定一条记录，$ 5 7 数据将指针编码为记录名称和记录编号 的混合编码形式，确保指针能够惟地引j l | j 到一条记录。根据指针的分类不同， 指针具体格式也略有，1 i 同。1 。 从上述两节的捕述中不难看出，i h o $ 5 7 数据结构是一种具有内在联系的树状 结构，这种内存联系通过指针体现；同时$ 5 7 数据也足+ 种自描述的数据，描述 信息保存在记录的头标区中。本文要解决的核心问题之，就是应该如佃利用关 系数据库保存s 5 7 格式的海洋空间数据问题。 2 2 空间数据引擎在空间数据管理中的作用 从牢间数据管理的角度来看，空间数据引擎( s p a t i a l 以褥成是，个连续的空间数据模型，借助这个模型可以使用羌系型数据库柬管麒 空焖数据。空潮数据弓；擎是在数据库管怒系统中存储和管理空闽数据的通路，它 不纹其有警瑾空润数撵静功麓，还具宾建立及维护空闰囊雩| 、虢行窒蠢运雾等功 能。使用空间数据引蘩的好处有：可以为任何支持的客j 、塘用键供空问数据服务； 提供从基于文件系统到关系数据库系统的平滑升迁；以一种连续的，无缝的数掘 摩管理人型海洋空间要素；某些s d e 还熊够通过标准的a p i 搬供套询，检索函数 鹃开羧存取。在空潮数爨瘦蘑中，空霹数撼萼| 擎终为数摇疼瓣癍雳层弱中闽层， 负资按照应餍屡的需求缀织窄阉数据。1 。在本文的研究过程中，空闯数据引擎耱 功能魁负责生成矢量对象并执行空问运算。空间数据引擎在宅问数据应用中的层 次结构如图2 2 所示； 黼2 2 空闻数据s | 繁体系结秘示意图 f i g 2 2a r c h i t e c t u r ed i a g r a mo f s p a f i a ld a t ae n g i n e 窀问数据引擎可以慕用多种数学模裂来管理空问数捌，不阀的实现会选择不 露魏方式。爨翔，a r c g i s 瓣空闻数据弓| 擎a r c s d e 载是羧层鹣形式来均透空颡数据 的，a r c s d e 将具有_ 茭阕属性项的一类簧豢放戮同一个层中，每个记采对应一个实 际癸素。a r c s d e 为每个层建立了窄间索引，空间索引是将层从逻辑上划分成一个 个小块，每个小块称为个单元，层中的臻豢则分解到各单元中加以描述，并将 此撼述镑惠写到索引凌巾。落到多个单元卜翡要素，将在每个擎元对应的索弓l 记 录中描述，没有数据的啦元不包括在内”3 。 空间数据弓 擎需要檄据建立好的空阕索弓；执行空闽运算。空闻运算包括对空 澜辩蒙送行裁葵、嚣鞭多令空闻对象之闽空潮位置等。o r a c l es p a t a l 盎藏行空 间运锋时采用的是类似s q l 语句的方式，o r a c l cs p a t f a l 为执行空间运算预定义 了一系列方法，这些方浊内嵌存s q l 查询中。比如用来判断两个物标的距离的力 法s d o g e ( ) m s d ( ) - d l s t a n c e ，该方法需要将两个，h i j 对琢作为“参数”写剑s q l 谖 訇巾，经o r a c l es p a t i a l 撬短j 焉，返 嘎l 弋表辨离懿麓。方法s p 眨g e o m s 0 0u n i o n 用束将两个空间对象在地理区域上相交的部分构成一个薪的空闽对象8 “。 2 3ih o8 5 7 海洋爨问数据的数据库魏二横 2 3 。1 数据库建模掇遴 $ 5 7 海洋空闻鼗獬的鼗耩库建穰，是搿檄爨渡数摇蕊将点镁建合适蠡奄鼗舞瘴筷 璀。由于$ 5 7 数据是一种树形的数据结q j ，并且这种缔构允许蕊复、使用指针来 建立联系；而数据库结构是一种关系刑的二维表结构，要求关系不能重复，各元 素檑互独立“。这些结构上的差别在客观上黉求构造一个新的数据模把来保存$ 5 7 数懿。瑟熬鼗攒模毽爱求麓够穆$ 5 7 数掇完整逶僳存蘩数摄疼中，并且麓够支持 $ 5 7 数据的更新，能够 唧角、快捷地读取数姑，生成可供使掰的数据对象，可以商 数据模型读出对象的坐标和属件等。根据前面的叙述，$ 5 7 数据以记录的形式鲴织 数据，融录中包含宁段，字段中定义毅捌的基本格式。在建立数据库模型时，如 考惑聚溺类馥夔方式：游$ 5 7 中邦分。 段瓣定义拥以抽象秘缀疆，对应为数据痒 巾数据表的定义；字黢中包含的予字段份为对应数据表中剜。聋孥$ 5 7 文 掌卞稳1 泛 录遴行关系模型转换厢对应为数据库中的记录。采用这种方式定义的数据表，对 于来自不同数据文件的数据，利用文件名称作为区别的标志；米自相i 司数据文件 的数据，利用$ 5 7 中记泶的记录号加以区剐。记录的重复字段采用特殊方式进行 楚骥，采麓箕它方式代替臻簧字段表黉对黎瓣懿关联关系。这榉橡造鹣鼗撼瘁横 型，在构成形式卜比较接近$ 5 7 数据的原有格式，但是仍然有部分内容的设计需 臻加以调整，具体内棒包括：$ 5 7 数据中指针字段的处理、$ 5 7 数据中重复字段的 消除以及$ 5 7 数据备份殿照新的处理。 2 3 2 指针字段的处理 $ 5 7 数据中韵指锋蠲寒指示物标闻豹关系，关系静静类包撼参照关系、定位关 系菝及弓| 焉关系，特蔹戆标到蓊鬣耱括豹挎锋主要穰来表示参照关系；褥程 己录 到矢量记录的指针用寐袭永定位关系；矢髓记录到矢量记录的指针则多用来表示 矢擞的引用关系，如边引用节点等。在考虑指针的处理时，针对不同的类型及用 途的指针采用不同的处蠼方式“。 i 、黪薤凌搽翼特筮；魏标懿疆赞 特征物标至4 特征秘标的指针用来建立将征物标之闻的关系，驿表示个集合 物桥。集合记录主要体现一种物标间的参照哭系，这种参照关系必须并且只能有 一个被称为乇关系的关系，即发起参照的物标所具有的关系；其余关系都是从属 关系，鄯被参照购物标所具有的笑系。参照关系要求麓够摄捺圭关系查找到被参 照黥物标，丽荠不要求穰据扶属关系髓够羧蠲主关系酶甥标”。奁整理这静特征秘 标到特征物标的指针时，只要能够币确地指明这种参照关系，并能够根据卞关系 迅速硷找到被参照物标即可，因此对它的处理也比较简单。可以定义一个专门的 数据表，用该表来保存所有的特征物标| 、r j 爵句参照关系，并嗣只辫要保存主关系即 可，为了提高实琨时熬效率，可隘采箱弱余懿实瑗方式，帮鲡聚| 爪主关系煮多 个从属关系，则在数据表中保存多条该物标的汜录，每个记泶对应一个从属物标 的配泶编码。在使用时，只需要根据记录编码就可以快速查找剐被参照物标。 2 、矢量记录到矢量记录的指针 矢量迎录到矢量记求撵舒豹处理采瘸鹣是童接替换豹方式，姆被引曩豹矢爨 坐称澎接替换到9 1 嚼的矢量l ，作为漾矢鬣坐标静+ 部分。这样傲的好处在予在 每次使用欠量对象时，可以直接凌取并解析矢量的坐标，节省了根据指针套找其 他矢餐的时间，提高r 效率。由丁链节点模型中只有孤立点、连接节点和边i 种 矢登对象，掰以欠量记激剜矢量记录的摄钟只存在于边对连接节点的引用中，冈 露袋箱撵舞豹蛊接蛰捺身式选不会带来久豢懿咒余鼗蕤。在避舒撵镑替欹螽，劳 不怒完全抛弃矢量汜录到矢量记录的指针，而楚仍然将其保存到数据库中，这样 做的原因是当$ 5 7 数擀安进行更新时，可能需要存原有的指针基础上进行调整， 如聚进行完指针的替换以看就丢弃原有指针，可能造成更新戈法进行的情况。 3 、特征记录到矢量记录的指针 在处理特征记录剽矢量记录匏指针对，采臻的是基本僳翻服有指针捂式及炎 餐，毽堙热赣内骞懿方式，新增热蕊瑟内容主要是为使矮露瓣貘方餐。攫撂连接 的矢量记录的种类不同，特征记录到矢量记泶的指针也分为用于点状物标的链接、 用于线状物标的链接和用于面状物标的链接三种”1 。对于点状链接和线状链接，存 新定义的指针格式中增加个掩码信息，即用掩码来表不该指针所0 l 用的欠量记 录瓣类型，其余静分内容识熬窳蘑$ 5 7 数援中魏缓玛肉容，包摇豢赘线豹超点、 终点、方向、以及被避蔽等内容，由于点状链接和线状链搂在编码时不会出现重 复，阕而不需考虑针对它们的重复消除问题。 对于面状链接，除r 耍增加表不类型的掩码以外，还附加个内环的索引信 患。渴坯即面状区域的肉酃边赛，它表示在几何上坐落予露状区域内部但关系上 不藏予嚣获区蠛黎薏 帮分区域，一个瑟泼区域霹能有零个、一个或多令内部边舞。 在海洋空问数据应用时浠要用到窄间物标的内环信息，为了擒简应用效率，在定 义新的特征记录到矢撼记录的指针时增加这部分的内容，使得根据新定义的指针 解橱数据时可以首先获淑内外环的索引信息，并根据该信息构造数据对象。索引 戆内容主要是据饔垂竣区蠛包含多少令肉蓼，叹及禁令内环褒撩锌中懿起始位要。 需藤特别说明的是，弼状链接的指针定义仍然保留了$ 5 7 数据中沟引用边的形式， 而不魁直接定义的针对瑚状区域的引用。 对于特征记录到矢蠛记录的指钊的处溅，有一种方式是将该指针去掉，直接 爨存矢量对象的坐标，郄妇司矢量记录剜矢麓记录摇针的处璎方式，这样可以节 省攒针静替换露天联避稚，有髑手罐毒效率。但是这释娃瑾方式育凡处重大缺陷： 第一，这种直接保存坐标的方式是一种冗余的方式，因为一个特征物标t l j 能对应 多个矢量记录，比如嘶状区域的情况；也可能多个特征记录对应一个矢量记录， 比如共亨某条边的情况。无论出现上述哪秘情况，都会造成数搬的大最冗余，会 绘数罐瘴翁维护带寒籀当大翡密难。第二，由予霜台数据露粟鞠瓣是关系鍪数摄 库，也就是说无法支持对象存取功能而只能以其他形式僳存空间数据，比如二谶 制形式。要从二进制格式的数据巾解析出空间对象，空间数攒弓l 擎仍然需要按照 固定格式来解析数据，这种固定格式也就足对空间对象_ 进制存储逻辑的说明， 按照存储逻辑信息解析空间数据对象的上作同指针的解析又卜分相似。因而，即 使采用直接保存空间数据对象的形式，也仍然没有降低在解析数据时的操作开销。 第三，考虑到数据更新的要求，仍然需要保留指针字段用以更止数据，如果采用 冗余的方式来处理特征记录到矢量记录的指针，不但不会降低系统应用的复杂度， 反而会因为高冗余的问题降低运行效率。所以最终方案是保留原有指针，在原有 格式卜增加指针内容，增加的部分数据以提高系统的运行效率为主要目标。经实 践证明，这种处理方式可以有效完成数据读取以及数据更新的操作要求。 2 3 3 重复字段的消除方法 $ 5 7 数据的树形结构允许字段重复，即相同的字段根据实际情况可以多次出 现。在树形结构中，这是一种良好的数据编码力式，它既保证了数据能够完整地 传输，又保证了数据量总是最小。但是在关系数据库中一条最基本的要求就是数 据必须是不可再分的，而重复字段本身就是种n j 再分的结构，因此要将重复字 段导入数据库中，必须针埘可能重复的宁段做重复消除处理。 $ 5 7 数据中出现重复的字段主要有特征记录及矢量记录的属性字段、指针宁段 和矢量记录的坐标字段。针对不同宁段的特点，重复消除的手段可以归结为两种， 一种是构造新整体消除的消除方式，既根据原有内容逻辑上的联系构造新的对象， 并用新构造的对象代管原有分散的多个对象。另一种是拼接消除的方式，既将原 有对象比如字符串等内容，简单地进行字符串拼接等。对于属性字段，采用的方 式是拼接消除。属性字段包含两个子字段，即属性名称和属性取值，南于一个物 标可能有多种属性，因而该字段允许重复。每个属性名称和属性取值的搭配对构 成一个属性，各个属性之间的关系是相互独市的，即缺少任何一个属性都不会从 逻辑i 影响其它属性。对于这种情况，可以将每个属性的名称和取值构造为一个 基本单元，称为属性单元。然后将所有的属性单拼接存一起，构成一个变长的 数据库记录单元。属性名称和属性取值的编码方式都是采用文本编码，在数据库 中也可以采用同样的编码，只需在属性单元内部采用特殊字符作为属性名称和属 性取值的分隔符，并且采用其他特殊字符作为属性单元的分隔符，存使用数据属 性时，简单地进行文本匹配即可。为了防止出现异常，在进行构造及分隔时，要 保证属性取值巾没有用于分隔的字符出现，这个过程只需要个简单的文本替换 即可实现。 指针字段和坐标字段的重复消除，不能够采属性字段的那种拼接的方式， 一方面是编码上的原因，由于指针字段和坐标字段采用的是二进制的编码方式， 无法像文本编码那样做简单的拼接；另一方面，指针字段和坐标字段的每一个重 复项在逻辑上同其它项仍然具有关系，它们并不是逻辑上独立的关系。比如， 组用于表示面的特征记录到矢量记录的指针，如果缺少一个指针项就会缺少一条 边，直接的后果就是导致面状区域不闭合：或者一个线状要素的坐标中如果缺少 一组坐标，就会造成线的不连续。这种允许重复的结构实际是一种指针或坐标列 表的形式，重复出现的指针字段或坐标宁段作为列表中的项，每项的内容都作为 整体的一部分，都是1 i 可分割的。正是因为指针字段和坐标字段的重复有这种整 体性，所以对这两个宁段的消除要采用构造新的整体的方式来进行。 对丁：指针字段的处理，特征记录到矢量记录的指针比较有代表性。处理的方 式也基本保留了原有指针的结构，但是增加了部分内容，新构造的指针对外部应 用而言是一个整体，由s d e 在装载数据时解析。坐标字段的处理是通过将坐标一 次保存到个窄问数据对象中完成的，新构造的空问数据对象保存完整的坐标数 据，由s d e 在装载数据时生成。 2 3 4 数据更新与数据备份 $ 5 7 数据的个重要特点就是要求数据能够更新，为此s 5 7 标准中还专门规定 了数据更新的部分标准。在构造$ 5 7 数据的关系模型时，也必须考虑并支持$ 5 7 数据的更新。在介绍关系模型的数据更新方法之前，先简要介绍s 5 7 数据标准中 针对数据更正的部分。s 5 7 数据的更新流程如f 图2 3 所示，这个模刑图解释了更 新数据从生产者到使用者的流程：数据生产者以收到“改变”信息为基础，对基 础数据进行更新编辑，并发布包含一个或多个更新记录的更新信息。使用者把更 新信息应用到目标数据中，这个过程叫做更新处理。更新处理中的每一个更新记 录的实施叫做一个更新操作。 阁2 3 $ 5 7 数据避新过程示意图 f i g ，2 3d i a g r a mo fd a t au p d a t e 为了便j j 更新，$ 5 7 数据标准在特征记录和矢量记录巾蕊入了特殊字段，遗些 字段莰翻予数豢更赣。簧避行数据更耨，记录、字段和予字段必缀戆够惟一括谈； 并且为了让使用者能够完成更新操作，赫础数据巾的数据结构构成的原始一+ 戳性 必须在封标数据中保存。1 。为了实现数据璺新的目的，在设训数据胯模趔时采用数 舔餐份瓣方式完或鼗撵爱耨。具体豹方法蹩，对于第一次爱耨懿数攥，将数掇缳 谨份副备份数据艨中，然后根据更新数据的内容来更新聪有数镒。对于第一。次 受新以偌酶任何凳耨祥不搿进行数据器份，蕊楚直接在瑷有数掭上修改，并将修 改结果笛回数据库。 囊予更藩翻毽会蓥教烈疆赞字段，并土量针对攒嚣粒掺敬咎德并不是磐致全潞 豁指针，而是通过变址的方式修改一缀指针中的菜一项或萦b 项。所以特馥记聚 测笑豢 基蒙静撞铮魄赣麓；熊够薮替换瓷遵