空间数据库技术分析与研究
时间：2021-04-08 07:53:49 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘要：空间数据库是近年来数据库技术研究的热点之一。本文主要论述了空间数据的特征、空间数据库的设计过程、空间数据库的逻辑模型以及空间数据库系统的结构。
关键词：空间数据库；空间数据库逻辑模型；空间数据库系统
中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2013） 02-0000-02
1 引言
空间数据是用于描述有关空间实体的位置、形状和相互关系的数据，以坐标和拓扑关系的形式存储。它包含带有空间坐标及空间范围的任何相关数据，如二维、三维或更高维空间坐标、建筑设计图、地球经纬度、城市规划图等。在传统的关系型数据库模式中，只能处理单维属性的数据，不能存储空间数据的位置特征。所谓单维属性数据是指传统类型（包括数字型、字符型等）的数据，它不包括描述空间位置和形状的坐标信息和描述空间关系的拓扑信息。
空间数据的最常用的数据组织形式是空间数据库。传统数据库中存放单维属性的数据实体以及这些实体之间的联系，同样，空间数据库保存空间实体以及这些实体之间的空间关系。与传统数据库不同，空间数据库通常包含空间拓扑或距离信息，因此需要以复杂的多维空间索引来组织结构。
2 空间数据特征
2.1 属性特征。用以描述空间数据的特性，即用来说明“是什么”，如数据的类别、等级、数量、名称等。它指的是除了时间和空间特征以外的空间现象的其他特征，如地形的坡度、波向、某地的年降雨量、土地酸碱度、土地覆盖类型、交通流量等。
2.2 空间特征。用以描述空间数据的地理方位，如经纬度。空间特征指的是空间元素的位置、形状和大小等几何特征，以及与相邻元素的空间关系。空间位置可以通过坐标来描述。空间元素的形状和大小一般也是通过空间坐标来体现。通常情况下，人们对空间目标的定位不是通过记忆其空间坐标，而是确定某一目标与其他更熟悉的目标间的空间位置关系。但对于计算机系统而言，使用坐标是空间定位最直接最简单的方法。
2.3 时间特征。用以描述事物或现象随时间的变化，例如人口数的逐年变化、地貌的变化等。空间数据总是在某一特定时间或时间段内采集得到或计算得到的。由于有些空间数据随时间的变化相对较慢，因此往往被忽略。但设计良好的空间数据库应包含多个时态的信息，如何有效地利用多时态势数据在空间数据库中进行时空分析和动态模拟是空间数据库研究的热点问题之一。
3 空间数据库的设计过程
空间数据库从应用性质上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：基础地形要素矢量数据、数字高程模型、数字正射影像、数字栅格地图和元数据；专题数据库包括：土地利用数据、地籍数据、规划管理数据、道路数据等。
通过空间数据库的设计要确定空间数据库将采用的数据模型及数据结构，并提出空间数据库相关功能的实现方案。与关系数据库的设计过程相似，空间数据库设计也分为三部分内容：概念结构设计、逻辑结构设计和物理结构设计。
3.1 概念结构设计。进行概念结构设计首先要调查用户的需求，分析要建立的空间数据库中的所有实体；然后，确定各个实体的属性及空间特征，应尽量做到实体表述无歧义，并尽可能减少数据冗余，使数据存取方便、操作简单；第三步，建立实体间的联系，绘制空间E-R图，接着对E-R图进行调整和优化；最后，将空间E-R图转化为相应的数据模型。
3.2 逻辑结构设计。逻辑结构设计要把概念设计得到的E-R图转换为某种逻辑结构模型。传统数据库的逻辑模型包括层次、网状和关系三种。空间数据的逻辑结构模型可以分为：混合数据模型、全关系型空间数据模型、对象-关系型空间数据模型和面向对象空间数据模型四种。
（1）混合数据模型。在混合数据模型中，将空间数据和属性数据分开管理，空间数据与属性数据通过关键字连接。这种模型具有使用方便、实现简单的有点，因此被广泛使用。（2）全关系型空间数据模型。在全关系型空间数据模型中，空间数据和属性数据都采用关系模型进行设计。基于这种模型的空间数据库在关系型数据库管理系统的基础上开发，使得这种模型的空间数据库不仅能管理结构化的属性数据，而且能管理非结构化的图形数据。（3）对象-关系型空间数据模型。对象-关系型空间数据模型是对关系型数据库的扩展。一方面，在关系型数据库添加操作空间对象的方法，以达到直接存储、管理非结构化空间数据的目的。另一方面，在关系型数据库管理系统中加入了面向对象的特性（如封装、继承等），因此对象-关系型空间数据模型兼具了关系数据库和面向对象数据库的特征，能够处理关系数据库中不能处理的复杂的查询和应用。但目前为止，用户还不能在使用这种模型的空间数据库中自定义空间对象，而且在提高空间处理效率的同时可能导致用户的使用受限。（4）面向对象数据模型。面向对象数据模型在面向对象程序设计语言的基础上，增加了数据库功能。这种模型吸收了面向对象的很多优点，如持久对象、数据共享、信息继承等。它与面向对象的程序设计语言紧密结合，容易被熟悉面向对象语言的开发设计人员所接受，具有较高的执行效率，但是其缺乏数据库基本特性，如并发控制、安全性、开发工具、完整性等。
3.3 物理结构设计。数据库最终是要存储在物理设备上的。物理设计就是为一个给定的逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构（存储结构和存取方法）的过程。数据库的物理结构依赖于具体的数据库管理系统和硬件设备，因此设计人员必须充分的了解数据库管理的内部特征、具体的应用环境以及外存储设备的特性。物理设计在确定了数据库的物理结构后，还要对其时间效率、空间效率能方面进行测试和评价。
4 空间数据库系统
广义空间数据库系统的主要内容：空间数据库本身以及计算机硬件系统、操作系统、数据库管理系统、空间数据管理系统和系统操作人员。
空间数据库系统的体系结构主要包括：基于文件系统的体系结构、基于文件系统与数据库的混合体系结构、基于数据库管理系统的体系结构、集中式体系结构。
基于文件系统的体系结构：这种结构按空间数据的内容分为多个文件，每个文件以用相同的或不同的逻辑文件形式组织，然后借助文件系统完成数据存储以及输人和输出处理。这种体系结构简单，代码量少，许多工作由操作系统完成，便于操作，适合小型空间数据库系统。
基于文件系统与数据库的混合体系结构：早期的大多数的桌面地理信息系统系统均采用此种方式，例如，Arc/Info，Maplnfo等。这种系统结构对空间数据的处理效率较高，但它在数据的一致性维护、并发控制以及海量空间数据的存储管理等方面能力较弱。
基于数据库管理系统的体系结构：这种体系结构利用成熟的关系型数据库技术来方便地实现空间数据的一致性维护、并发控制、属性数据的索引等。需要指出的是，数据库本身并不直接支持对空间对象的操作和管理，而是通过空间数据引擎来实现。
集中式体系结构：集中式数据库系统是运行在一台计算机上，不与其他计算机系统交互的数据库系统。既包括运行在个人计算机上的单用户数据库系统，也包括运行在高端服务器系统上的高性能数据库系统。
5 结束语
由于空间数据的复杂性及其应用的专业性，在一般的数据库的构建的基础上，需要研究空间数据库特有的理论、方法和应用。本文从空间数据的复杂性入、空间数据库的设计与实现、空间数据库系统三个方面论述了空间数据库的基本知识及技术要点。
参考文献：
[1]李国斌，汤永利.空间数据库技术[M].北京：电子工业出版社，2010，2.
[2]胡金星，潘懋，王勇，徐绘宏.空间数据库研究[J].计算机工程与应用，2002，3.
[课题]邢台学院校级科研专项课题：XTXY12Q16
[作者简介]李伟（1981-），女，河北邢台人，硕士研究生，研究方向为计算机应用技术。
