基于版本樹的空間矢量數(shù)據(jù)更新方法研究

吳熙，黃雁

(武漢勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430022)

基于版本樹的空間矢量數(shù)據(jù)更新方法研究

吳熙?，黃雁

(武漢勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430022)

隨著地理信息系統(tǒng)從原有的“功能驅(qū)動(dòng)型”逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤皵?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型”，各應(yīng)用領(lǐng)域的地理空間矢量數(shù)據(jù)的合理存儲(chǔ)與更新已經(jīng)成為人們所關(guān)注的新重點(diǎn)。本文即在當(dāng)前空間矢量數(shù)據(jù)更新方法的基礎(chǔ)上，合理結(jié)合軟件工程中的版本管理，提出了基于版本樹的空間矢量數(shù)據(jù)更新方法，特別研究了更新中版本樹的機(jī)制及其控制問題等，該方法很好地解決了當(dāng)前空間矢量數(shù)據(jù)的多用戶、多事務(wù)、離線更新中的諸多問題。

空間矢量數(shù)據(jù)；版本；版本樹；矢量數(shù)據(jù)更新

1 引 言

隨著GIS(地理信息系統(tǒng))技術(shù)快速發(fā)展及各領(lǐng)域更深入的應(yīng)用，人們對(duì)空間信息內(nèi)容的需求越來越高，空間矢量數(shù)據(jù)的更新的問題變得日益尖銳。特別是在城市測(cè)繪單位或管理部門，空間矢量數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)，更新速度快，如何高效安全地更新這些海量的矢量數(shù)據(jù)就是一個(gè)全新的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的空間局部矢量數(shù)據(jù)更新方法通常采用“鎖定－修改－釋放”的策略，實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶對(duì)矢量數(shù)據(jù)的編輯更新操作，即某個(gè)時(shí)刻被一個(gè)用戶鎖定的對(duì)象就不能在該時(shí)刻被其他用戶更新。由于矢量數(shù)據(jù)是海量的，其更新工作一般情況下是由許多人分區(qū)域、分范圍更新，最后將分區(qū)域數(shù)據(jù)合并而進(jìn)行的；同時(shí)，矢量數(shù)據(jù)的更新操作通常是“長(zhǎng)事務(wù)處理”，若采用傳統(tǒng)的單記錄鎖定機(jī)制，極大地降低了更新效率，顯然是不合理的。

版本管理原本是用于軟件工程中集中管理并保護(hù)開發(fā)者的軟件資源的管理內(nèi)容，具有集中分配、動(dòng)態(tài)更新、并發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，本文結(jié)合空間矢量數(shù)據(jù)更新的特點(diǎn)，引入版本管理機(jī)制，即在空間矢量數(shù)據(jù)庫(kù)中，由于多個(gè)用戶分區(qū)域進(jìn)行更新，這樣就產(chǎn)生了不同區(qū)域的橫向數(shù)據(jù)版本；同時(shí)多個(gè)時(shí)期數(shù)據(jù)內(nèi)容詳細(xì)程度不同而產(chǎn)生縱向的數(shù)據(jù)版本，這樣不斷繁衍就形成了一棵“版本樹”。矢量數(shù)據(jù)更新用戶在“版本樹”的更新機(jī)制下，可以很好地解決當(dāng)前矢量數(shù)據(jù)更新中出現(xiàn)的多用戶并行更新、長(zhǎng)事務(wù)更新和離線更新等諸多問題。

2 版本樹

2.1 版本

版本源于書稿編輯，后被引入到計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，因其信息與狀態(tài)合二為一的思想而被廣泛應(yīng)用。在空間信息技術(shù)中，特別是空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)中，版本管理不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)“拷貝”，同時(shí)保存了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的場(chǎng)景，并且不產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余，很好地管理了空間數(shù)據(jù)，基本原理如圖1所示。

圖1 空間數(shù)據(jù)庫(kù)版本原理

同時(shí)，版本被很好地用在空間數(shù)據(jù)更新管理中。當(dāng)多個(gè)部門需要多同一個(gè)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行更新時(shí)，則可以建立各部門自己的數(shù)據(jù)更新版本，一方面各部門可以同時(shí)工作，另一方面，更新工作彼此獨(dú)立，互不影響，大大提高更新效率。

2.2 版本樹

在空間矢量數(shù)據(jù)的更新中，多部門的多個(gè)用戶對(duì)同一個(gè)空間矢量數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行更新，數(shù)據(jù)的更新是在該數(shù)據(jù)內(nèi)容的原始狀態(tài)引用上進(jìn)行的，因此會(huì)產(chǎn)生多個(gè)數(shù)據(jù)版本，而且還可以在該已有版本基礎(chǔ)上生成新版本，合理控制后逐級(jí)繁衍的版本就形成了樹狀結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱版本樹，下面為版本樹的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

(1)概念模型

如圖2所示，由開始的原始版本派生V1子版本，再由V1派生V1－1和V1－2子版本。用戶A和B在自己的版本里工作，首先完成工作的先提交成果版本更新V1，隨后完成工作的提交成果版本時(shí)需要進(jìn)行沖突協(xié)調(diào)，協(xié)調(diào)后就完成了數(shù)據(jù)的合并編輯，從而實(shí)現(xiàn)了多用戶編輯下的版本的并發(fā)控制。

圖2 版本的概念設(shè)計(jì)模型

(2)邏輯模型

空間數(shù)據(jù)版本實(shí)質(zhì)上是數(shù)據(jù)某時(shí)刻的數(shù)據(jù)內(nèi)容與狀態(tài)引用，每個(gè)版本必然表達(dá)一種狀態(tài)。從邏輯模型上看，數(shù)據(jù)更新就是通過引用的不斷延續(xù)來完成的。

圖3 版本的邏輯模型

如圖3所示，原始版本為0，設(shè)V1的引用為①，V1－1更新完成后引用為⑤，V1－2更新完成后引用為⑦。

當(dāng)V1－1更新完成首先提交后進(jìn)行沖突協(xié)調(diào)時(shí)，因引用沒有沖突，直接更新后V1的引用變?yōu)棰?；?dāng)V1－2更新完成選擇目標(biāo)版本V1進(jìn)行沖突協(xié)調(diào)時(shí)，因?yàn)橐脿顟B(tài)⑤和⑦不同，可能存在沖突，現(xiàn)假設(shè)沖突協(xié)調(diào)完成后的狀態(tài)為⑨，再提交到目標(biāo)版本V1，則此時(shí)目標(biāo)版本V1引用狀態(tài)更新為⑨，這樣就通過引用的更新實(shí)現(xiàn)了多用戶編輯下的并發(fā)控制。

(3)版本樹的組織模式

對(duì)于版本樹的組織管理，其模式大致可以分為三種:單獨(dú)式、串聯(lián)式和并聯(lián)式，如圖4所示。

圖4 版本的管理模式

單獨(dú)式為最簡(jiǎn)單的模式，即只存在一個(gè)版本，一個(gè)或幾個(gè)用戶直接在該版本上訪問和編輯數(shù)據(jù)。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是多用戶編輯效率比較低。

串聯(lián)式是一種簡(jiǎn)單的繼承關(guān)系，可以較好地管理不同歷史時(shí)期的地理空間數(shù)據(jù)，但不適宜于多用戶編輯管理。

并聯(lián)式是在父版本上創(chuàng)建多個(gè)并列的子版本。非常有利于分區(qū)多用戶空間數(shù)據(jù)更新，實(shí)現(xiàn)分工合作，提高工作效率。

上述三種方式是版本管理中基本的實(shí)現(xiàn)方式，實(shí)際中版本模式不是單一的，而是以上三種模式相互結(jié)合、延伸而來的混合模式，有利于發(fā)揮各模式的優(yōu)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)版本管理的高效運(yùn)作。

3 基于版本樹的空間矢量數(shù)據(jù)更新

空間矢量數(shù)據(jù)庫(kù)是地理信息系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)，是由海量、多尺度、多類型的空間矢量數(shù)據(jù)構(gòu)建而成的，是表示一定區(qū)域內(nèi)作為空間定位載體的地形、道路、建筑物、水系、境界、植被、地名等空間信息以結(jié)構(gòu)化文件形式組成的集合?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)一旦建成，必須定期對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)的維護(hù)與更新，以保證數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量，這也是空間局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)中的一個(gè)重要任務(wù)。

3.1 更新管理方案

與一般的應(yīng)用領(lǐng)域相比，城市基礎(chǔ)測(cè)繪部門的數(shù)據(jù)版本情況較為復(fù)雜:每個(gè)歷史時(shí)期需要制定并儲(chǔ)存不同專題、不同區(qū)域、不同工程項(xiàng)目的多種版本數(shù)據(jù)，且對(duì)于每種類型的數(shù)據(jù)中又保存了多個(gè)時(shí)期的數(shù)據(jù)內(nèi)容，即空間數(shù)據(jù)庫(kù)里不僅存在不同歷史時(shí)期的縱向版本，還存在各個(gè)歷史時(shí)期不同種類的橫向版本。因此，需要設(shè)計(jì)一種科學(xué)合理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案和版本控制策略以適用于空間矢量數(shù)據(jù)多版本的特點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)空間矢量數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)需求。

對(duì)于空間矢量數(shù)據(jù)的更新，本文結(jié)合具體的生產(chǎn)部門的需求，提出如圖5所示的更新管理方案。

圖5 空間矢量數(shù)據(jù)更新方案

當(dāng)數(shù)據(jù)更新編輯人員要求提取離線版本進(jìn)行矢量編輯時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)將生成更新衍生版本，該版本保存在數(shù)據(jù)更新人員的客戶端以便數(shù)據(jù)帶出進(jìn)行離線編輯，等更新編輯結(jié)合后，再根據(jù)版本管理的相關(guān)要求將更新版本融合到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上的相應(yīng)父版本上，從而完成了矢量數(shù)據(jù)的更新。

3.2 更新版本機(jī)制設(shè)計(jì)

(1)版本控制

版本樹結(jié)構(gòu)的維護(hù)模式是基于版本樹更新機(jī)制的核心內(nèi)容，主要表現(xiàn)在父子版本的約束關(guān)系和基本訪問權(quán)限的控制上。

①父子版本的約束關(guān)系

為了保持版本樹的基本形態(tài)和提交操作的有序性，版本樹為父子版本的操作流程之間限定了一系列約束關(guān)系:當(dāng)刪除父版本時(shí)，其子版本必須已經(jīng)全部刪除，否則將不能進(jìn)行父版本的刪除工作。子版本提交時(shí)，應(yīng)提交到其父版本上，不能提交到其他樹節(jié)點(diǎn)，即版本之間的提交工作應(yīng)逐級(jí)進(jìn)行，不能跨級(jí)操作。

②基本訪問權(quán)限的控制

多用戶是版本樹管理的另一個(gè)特色，它通過對(duì)不同版本用戶權(quán)限的規(guī)定，可以靈活方便定制針對(duì)該用戶和版本下矢量數(shù)據(jù)的訪問或者編輯權(quán)限。這種機(jī)制不僅有利于統(tǒng)一不同級(jí)別版本之間的聯(lián)絡(luò)和協(xié)作，實(shí)現(xiàn)上級(jí)對(duì)下級(jí)的統(tǒng)籌管理和分工合作，而且可以大大提高版本樹管理中的安全性，整體提升了版本控制的高效與安全性能。

版本樹管理中提供三種用戶級(jí)別的版本權(quán)限，具體如下:

a.Private型:只允許版本的所有者(創(chuàng)建者)連接、查看和編輯；

b.Protect型:允許任何用戶查看數(shù)據(jù)，但只有版本的所有者才可以編輯；

c.Public型:允許任何更新用戶進(jìn)行連接和編輯數(shù)據(jù)。

另外，數(shù)據(jù)更新管理者可根據(jù)具體需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)更新用戶的角色和權(quán)限，并具體指定他們對(duì)具體樹版本節(jié)點(diǎn)的操作權(quán)限，譬如可指定A用戶組只能編輯數(shù)據(jù)、提交數(shù)據(jù)、只有管理員才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的合并操作等等，這樣的擴(kuò)展機(jī)制更有利于版本樹形態(tài)的版本管理機(jī)制的維護(hù)和有效運(yùn)行。

(2)版本沖突

用戶在現(xiàn)有版本的基礎(chǔ)上創(chuàng)建新版本后，在新版本上進(jìn)行編輯修改工作，當(dāng)操作完成后，需要將編輯后的版本提交到它的父版本中去?；谝陨系姆治?，如果多個(gè)用戶對(duì)同一空間要素進(jìn)行不同的更新，在提交更新父版本時(shí)將有可能發(fā)生沖突。

圖6 版本沖突過程時(shí)序分析

如圖6所示，假設(shè)從T0時(shí)刻創(chuàng)建版本起，經(jīng)過編輯工作到達(dá)T1時(shí)刻，再經(jīng)過一定時(shí)間到達(dá)T2時(shí)刻。通過三個(gè)時(shí)刻的時(shí)序分析，可以看出:

①T0時(shí)刻:原始版本下創(chuàng)建了一個(gè)新的版本A，用戶甲和用戶乙分別對(duì)版本A進(jìn)行編輯。顯然，原始版本、A版本與用戶甲、用戶乙的版本視圖是一致的。

②T1時(shí)刻:用戶甲對(duì)版本進(jìn)行編輯，更新了要素X、Y后提交到版本A，而此時(shí)用戶乙繼續(xù)在其版本A上進(jìn)行編輯工作。

③T2時(shí)刻:用戶乙完成對(duì)版本A的編輯工作后，更新了要素X并刪除了要素Y，試圖提交到版本A中。但是此時(shí)版本A已經(jīng)被用戶甲更新過了，且用戶乙在版本C中對(duì)用戶甲更新過的內(nèi)容也進(jìn)行了更新，則兩個(gè)人對(duì)同一要素進(jìn)行了不同的修改，結(jié)果必然發(fā)生沖突。

此時(shí)，T2時(shí)刻的版本A被定義為協(xié)調(diào)版本，用戶乙提交的版本則為用戶的編輯版本。從沖突過程的時(shí)序看，存在三種沖突的解決方案:

①采用兩者共同的父版本方案:此時(shí)需要將版本A中記錄恢復(fù)為最初狀態(tài)，放棄用戶甲、用戶乙所作修改，即與原始版本保持一致。

②采用編輯版本更新；此時(shí)需要修改版本A中的沖突要素與編輯版本中一致，即采用用戶乙所作更改。

③采用協(xié)調(diào)版本更新:保持此時(shí)版本A中現(xiàn)狀，即采用用戶乙在T2時(shí)刻對(duì)版本A的更新。

4 結(jié) 語

本文首先分析了目前空間矢量數(shù)據(jù)更新中存在的相關(guān)問題，繼而引入軟件工程中版本管理機(jī)制，在版本的基礎(chǔ)上提出了版本樹的設(shè)計(jì)與組織模式，指出當(dāng)前空間矢量數(shù)據(jù)更新中版本樹的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)多專題、多時(shí)態(tài)、多用戶的有效解決方案，隨后本文探討了在矢量數(shù)據(jù)更新中的更新方案及版本在更新過程中的處理機(jī)制等，以本文提出的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)更新可以盡量減少數(shù)據(jù)的冗余，提高數(shù)據(jù)更新效率。

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Based Version－tree Spatial Data Update

Wu Xi，HuangYan
(Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Institute，Wuhan 430022，China)

With geographic information system changes from the original“function－driven model”to the“data－driven model”，the reasonable storage and update of geospatial vector data in each application field has become the new focus attention.Based on the current spatial vector data updating methods，this article reasonably combines with version management in software engineering and proposes the method of spatial vector data updating which based on versioned trees，specially study of the mechanism of versioned trees and control problem during the updating.This method provides a good solution for the current many problems existing in the multi－user，multi－affair and off－line update of spatial vector data.

Spatial Vector Data；version；versioned trees；Vector Data update

1672－8262(2010)03－26－04

P208

B

2010—11—25

吳熙(1970—)，女，工程師，現(xiàn)主要從事GIS數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用工作。