空间数据库论文

1、空间数据库概述武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北武汉，430079摘要：空间数据库是地理信息系统的核心，每一次空间数据库技术的变革都带来地理信息系 统软件的革命。本文是一片综述性文章，首先阐述了空间数据库的概念、内容、特征，然后 介绍了空间数据管理的发展过程，其中对象一关系数据库是目前空间数据的主要管理模式， 最后探讨了空间数据库的前沿发展。关键词：空间数据库；对象-关系数据库；空间数据库模型1空间数据库概念空间数据库是地理信息系统的核 心，它具有通用数据库的基本内涵， 是指以特定的数据结构（如国土、规 划、环境、交通等）和数据模型（如 关系模型、面向对象模型等）表达、 存储和管理从

2、地理空间中获取的某类 空间信息，满足不同用户对空间信息 需求的数据库1。2空间数据库内容由于地理空间数据分为两种类型 一种是具有几何特征和离散特点的地 理要素，即空间对象数据，如点、线、 面、体等对象；另一种是指在一定空 间范围内连续变化的地理对象，即场 对象数据，如某一地理空间的数字高 程模型、不规则三角网、栅格影像数 据等，因此以应用性质划分空间数据 库，空间数据库可分为基础地理空间 数据库和专题数据库。基础地理空间 数据库包括矢量地形要素数据（DLG）、 数字高程模型（DEM）、数字正射影像 （DOM）、数字栅格地图（DRG）以 及元数据库2。（1）矢量地形要素数据库：矢量 核心地形要素

3、数据库是存储在计算机 中的各种数字地形数据及其数据管理 软件的集合。矢量核心地形要素数据 库包含有居民地、水系、测量控制点 等内容。它既包括以矢量结构描述的 带有拓扑关系的空间信息，又包括以 关系结构描述的属性信息。（2）数字高程模型数据库：数字 高程模型是定义在X、Y域离散点（规 则或不规则）的以高程信息表达地面 起伏形态的数据集合。数字高程模型 数据库是计算机存储的数字高程模型 数据及其管理软件的集合。数字高程 模型数据库可以用于和高程信息有关 的地表形态分析、坡度分析、通视分析、洪水淹没分析等方面。（3）数字正射影像数据库：数字 正射影像数据库是具有正射投影的数 字影像的数据集合。数字正

4、射影像提 供丰富和直观的信息，具有良好的可 判读性和可测量性。数字正射影像数 据库可以结合数字地形数据库中的信 息或其他相关信息作为各种形式的数 字或模拟正射影像图。（4）数字栅格地图：数据栅格地 图数据库是数字栅格地图及其管理软 件的集合。数字栅格地图对现有纸质 地图通过计算机处理后的栅格数据文 件。纸质地形图通过扫描并进行几何 纠正、内容更新和数据压缩处理可生 成数字栅格地图。数字栅格地图保存 模拟地形图的全部内容和几何精度， 生产快捷，成本较低。（5）元数据库：元数据库是描述 数据库中各数字文件的元数据构成的 数据库。元数据库包括系统各数据库 及数字文件的基本信息、空间数据信 息、坐标系

5、统信息、数据质量信息、 分层要素信息、发布信息和元数据参 考信息等。（6）专题数据：专题数据包括一 些土地利用专数据、规划管理数据、 农业数据、水利数据等。它们的形式 可以是矢量形式或栅格形式，所以可 采用矢量数据结构或栅格数据结构进 行存储和管理。3空间数据库特征空间数据不仅具有普通对象的属 性特征，还具有与位置相关的空间特 征。所以，地理空间数据库与一般数 据库相比，具有以下特征1：（1）空间特征。空间特征是空间 数据最主要的特征，它描述了空间物 体的位置、形态、空间拓扑关系等。 这就要求GIS除了具备通用数据库管 理系统或文件系统的关键字索引和辅 助关键字索引外，还需建立空间索引 机制。

6、（2）空间关系特征。空间数据除 了空间坐标隐含了空间分布关系外， 空间数据中也记录了拓扑数据结构表 达的多种空间关系。这种拓扑数据结 构一方面方便了空间数据的查询和空 间分析，另一方面也给空间数据的一 致性和完整性维护增加了难度。（3）多尺度与多态性。不同观察 尺度具有不同的比例尺和精度，同一 地物在不同情况下会有形态差异，这 就要求空间数据库具备有效的多尺度 空间数据组织与管理功能，这也是一 般关系型数据库所不具备的。（4）非结构化特征。在一般关系 型数据库管理系统中，数据记录通常 是结构化的。即它满足关系数据模型 的第一范式要求，每条记录是定长的， 数据项表达的只能是原始数据，不允 许嵌套

7、记录。而空间数据则不能满足 这种结构化要求，这也是为什么空间 图形数据难以直接采用通用的关系型 数据管理系统的原因之一。（5）分类编码特征。一般而言， 为了唯一识别地理实体和共享空间数 据，每一个空间对象都有一个分类编 码，而这种分类编码往往属于国家标 准，或行业标准，或地区标准。通过 分类编码将空间数据和属性数据关联 起来。（6）海量数据特征。空间数据量 是巨大的，通常称为海量数据，所以 通常需要在二维空间上划分为块和图 幅、在垂直方向上划分为层来进行管 理。4空间数据管理发展过程4.1人工管理阶段在20世纪50年代中期，计算机主 要用于科技计算，不需要将数据长期 保存，需要时人工输入数据。

8、4.2文件管理阶段在20世纪60年代中期，文件管理 方式是将所有的数据都存放于一个或 多个文件中，包括结构化的属性数据。 采用文件管理数据的优点是灵活，即 每个软件厂商可以任意定义自己的文 件格式，管理各种数据，这一点在存 储需要加密的数据以及非结构化的、 不定长的结合体坐标记录时是有帮助 的。文件管理的缺点也是显而易见的: 每个文件都是为特定的用途设计的， 同样数据在多个文件中重复存储，造 成数据冗余较大；程序和数据间的独 立性较差，应用程序依赖于文件的存 储结构，修改文件存储结构就要修改 程序；对数据的表示和处理能力较差， 文件结构和操作比较单一；数据不一 致，更新时会造成同一数据在不同文

9、 件中的不一致；数据联系弱，文件与 文件之间是独立的，文件之间的联系 必须通过程序来构造4。4.3文件与数据库系统混合管理 阶段文件和关系数据库混合系统中， 图形用数据文件存储，属性用关系数 据库表存储，两者通过标识符相连接。 混合结构管理模式的优点是:GIS可通 过DBMS提供的高级编程语言的接口 直接操纵属性数据，查询属性数据， 并在GIS的用户界面下显示查询结果; 在ODBC推出后，GIS软件商只需要 开发GIS与ODBC的接口软件，就可 将属性数据与任何一个支持ODBC的 RDBMS连接，这样用户可以在一个界 面下处理图形和属性数据。其缺点主 要是：属性数据和图形数据通过ID联 系，使

10、得查询运算、模型操作运算速 度慢；数据分布和共享困难；属性数 据和图形数据分开存储，数据的安全 性、一致性、完整性、并发控制以及 数据损坏后的恢复方面缺少基本的功 能；缺乏表示空间对象及其关系的能 力。4.4纯关系型空间数据库管理系 统在纯关系型数据库管理方式下， 图形数据与属性数据都采用现有的关 系型数据库来存储，使用关系数据库 的标准连接机制来进行空间数据与属 性数据的连接。对于变长结构的空间 几何数据，一般采用两种方式处理：（1） 按照关系型数据库组织数据的基本原 则，对变长的几何数据进行关系范式 的分解，分解成定长记录的数据表进 行存储。（2）将图形数据的变长部分 处理成Binary二

11、进制Block块字段。 这种管理方式的优点是省去了空间数 据和属性数据的繁琐连接，空间数据 的存取速度快，缺点是由于查询过程 涉及空间索引，效率上低于DBMS中 所用的直接操作过程，且查询过程复 杂。4.5对象-关系数据库管理系统对象-关系数据库成为目前最为流 行的空间数据管理方式。它是在传统 关系数据库管理系统基础上，进行扩 展使之能够同时管理矢量图形数据和 属性数据。扩展的方式有两种：一种 是GIS软件商在传统关系数据库管理 系统之上进行扩展，外加一个空间数 据管理引擎；另一种是在关系数据库 系统中进行扩展，使之能直接存储和 管理空间数据1。对象-关系数据库的 管理方式有以下特点：在关系数

12、据库 管理系统基础上扩展；采用对象关系 数据模型；将空间坐标存在变长记录 中；增加空间数据管理的操纵函数； 不支持拓扑关系；建立高效的空间索 引。由于对象-关系数据库提供了对于 非结构化的数据管理的扩展，其效率 比纯关系型数据库管理方式高得多， 同时，它又具有数据的安全性、一致 性、完整性、并发控制以及数据损坏 后的恢复方面等基本功能，支持海量 数据管理，它成为目前大型GIS系统 常用的数据管理方式。4.6面向对象的数据库系统如果应用面向对象数据库管理空 间数据，则可以扩充对象数据库中的 数据类型以支持空间数据，包括点、 线、多边形等几何体，并且允许定义 对于这些几何体的基本操作，包括计 算距

13、离、检测空间关系、缓冲区计算 等，也可以由对象数据库管理系统“无 缝”地支持。这样，通过对象数据库 管理系统提供了对于各种数据的一致 的访问接口以及部分空间模型服务， 不仅实现了数据共享，而且空间模型 服务也可以共享。不过，目前面向对 象的数据库系统远未成熟，许多的技 术问题仍需要进一步的研究。5空间数据库模型GeodatabaseGeodatabase是一种采用标准关系 数据库技术来表现地理信息的空间数 据库模型，它能实现矢量数据和栅格 数据一体化存储，有三种格式： Personal Geodatabase，是基于 Access 数据库的实现；File Geodatabase，是基 于文件的

14、实现；多用户Geodatabase， 通过ArcSDE空间数据库引擎，在 Oracle SQL Server 等 DBMS 中实现。 在Geodatabase数据库模型中，可以将 图形数据和属性数据同时存储在一个 数据表中，每一个图层对应这样一个 数据表。在ArcGIS中，可以通过 ArcCatalog 对 Geodatabase 进行组织和参考文献1张新长，马林兵，张青年.地理信息 管理。6空间数据库发展前沿6.1空间数据仓库空间数据仓库具有面向主题、集 成性、综合性、时间相关性、面向空 间的特征，该技术从理论和实践上都 展示出在空间数据存储上的巨大价值， 它的目标是支持数字地球发展、空间

15、数据集成、空间决策支持发展的需求。 目前空间数据仓库技术远未发展成熟， 仍有巨大的研究发展空间。6.2智能空间数据库随着人工智能技术的发展和应用， 智能空间数据库也得到了新的发展， 主要包括：数据库存储技术方面的智 能化，智能空间数据库与专家系统的 结合，智能化空间决策支持模型库。6.3新型数据库随着用户需求的提高和存储技术 的发展，应运而生了一系列新型数据 库，如分布式数据库、演绎数据库、 多媒体数据库、工程数据库、时态数 据库、实时数据库等，尤其是云存储 与云计算（属于分布式数据库）环境 下的位置信息服务成为当前研究的热 点。系统数据库M.北京：科学出版社，2004.黄杏元,马劲松，汤勤.

16、地理信息系统 概论M.北京:高等教育出版社,2004.龚健雅，杜道生，李清泉等.当代地 理信息技术M.北京：科学出版 社,2004.吴信才.空间数据库M.北京:科学 出版社,2009.崔铁军.地理空间数据库原理M. 北京:科学出版社,2007.吴秀芹，张洪岩，李瑞改等.ArcGIS 9 地理信息系统应用与实践M.北京:清 华大学出版社,2007.王树良.空间数据挖掘视角M.北京: 测绘出版社,2006.Brief Introduction of Spatial DatabaseDong HongpingState Key Laboratory of Information Engineerin

17、g in Surveying, Mapping and Remote Sensing,Wuhan University, Wuhan 430079,ChinaAbstract : Spatial database is the most important module in GIS software. This paper firstly discusses the conception, content, essential characters of spatial database, then introduces developing process of spatial database, and the methods of object-relation is the main model of spatial database. At last, the paper explores its frontier development.Key Words: spatial database; the methods of object-relation; models of spatial databaseF