GML空間數(shù)據(jù)原生模式存儲(chǔ)研究

王衛(wèi)紅 陳建華

1 成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 四川 610059

2 成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院 四川 610059

0 引言

從國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展來(lái)看，原生數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境下GML空間數(shù)據(jù)管理機(jī)制的研究還處于非系統(tǒng)化、非全面化、非應(yīng)用化的部分內(nèi)容研究、初始研究階段。對(duì)原生模式GML空間數(shù)據(jù)管理機(jī)制系統(tǒng)、全面的研究還需深入、具體的開(kāi)展。本文借鑒XML數(shù)據(jù)管理機(jī)制思想，提出了一種基于原生XML數(shù)據(jù)庫(kù)的原生GML空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型；提出了一種原生GML空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)架構(gòu)體系，為原生GML空間數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)機(jī)制提供了一種方法。

1 GML空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型

原生XML數(shù)據(jù)庫(kù)的基本(邏輯)存儲(chǔ)單元是XML文檔，正如同關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的基本(邏輯)存儲(chǔ)單元是二維關(guān)系表中的一條記錄一樣(也即，原生XML數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是文檔進(jìn)、文檔出，而關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是記錄進(jìn)、記錄出)。一般，原生XML數(shù)據(jù)庫(kù)都有集合(Collection)的概念，一個(gè)集合是若干XML文檔(甚至包括其它嵌套集合)的群集，其功能和特征與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的二維表、文件系統(tǒng)中的文件目錄類(lèi)似。集合的設(shè)計(jì)，確保對(duì)XML文檔的操作(存儲(chǔ)、索引、查詢(xún)、更新、刪除等)可以在一個(gè)文檔群集中進(jìn)行。與二維關(guān)系表都有一個(gè)模式與其對(duì)應(yīng)不同，原生XML數(shù)據(jù)庫(kù)中的集合可以沒(méi)有與其對(duì)應(yīng)的模式，也即，它是模式獨(dú)立的(Schema-independent)。集合的模式獨(dú)立性使得原生XML數(shù)據(jù)庫(kù)擁有了很多靈活性，并且為應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供了很多便利；如，XML文檔的存入、讀取無(wú)需對(duì)應(yīng)的XML文檔模式的支持即可實(shí)現(xiàn)。

原生模式GML空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，其理想存儲(chǔ)模型也應(yīng)為GML文檔。并支持文檔集合以及集合的嵌套，如此對(duì)GML文檔的存儲(chǔ)、查詢(xún)、更新、刪除等都可以在一個(gè)文檔群集中進(jìn)行。并且集合支持模式獨(dú)立性，以便于GML實(shí)例文檔的靈活存入與讀取。

在存儲(chǔ)粒度上，一般XML數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)粒度分為：(1)粗粒度存儲(chǔ)；即XML數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以整個(gè)文檔為存儲(chǔ)粒度，此存儲(chǔ)粒度不利于XML文檔的查詢(xún)和粒狀更新。(2)中粒度存儲(chǔ)；即XML數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以XML文檔樹(shù)中的子樹(shù)(元素集合)為粒度，此存儲(chǔ)粒度可方便實(shí)現(xiàn)XML文檔的查詢(xún)和粒狀更新，但效果視具體應(yīng)用而定。(3)細(xì)粒度存儲(chǔ)；即XML數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以XML文檔中的元素為粒度，此存儲(chǔ)粒度可最大限度的靈活實(shí)現(xiàn)XML文檔的查詢(xún)和粒狀更新；不過(guò)，由于以元素為粒度，處理時(shí)具有一定的開(kāi)銷(xiāo)。

對(duì)于GML文檔的存儲(chǔ)，本文在充分考慮GML索引構(gòu)建、GML空間/非空間數(shù)據(jù)查詢(xún)所采用的機(jī)制、算法、策略等情況下，并結(jié)合一些原生XML數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)(如eXist)的存儲(chǔ)特性，確定其存儲(chǔ)粒度為細(xì)粒度，以便于原生GML空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。

2 原生GML空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)架構(gòu)體系

在對(duì)XML、GML、經(jīng)典關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、原生XML數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等分析的基礎(chǔ)上，本文提出了一種原生GML空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)架構(gòu)體系(見(jiàn)圖1)，其涵蓋內(nèi)容如下。

圖1 原生GML空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)架構(gòu)體系

2.1 原生GML空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)定義

原生GML空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是以GML文檔為存儲(chǔ)模型，對(duì)GML文檔進(jìn)行數(shù)據(jù)組織、索引構(gòu)建、存儲(chǔ)分配、查詢(xún)處理的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)GML文檔的讀、寫(xiě)采用文檔進(jìn)、文檔出模式；系統(tǒng)查詢(xún)語(yǔ)言采用支持空間數(shù)據(jù)的擴(kuò)展XQuery語(yǔ)言，可進(jìn)行GML空間與非空間數(shù)據(jù)的一體化查詢(xún)與更新處理；系統(tǒng)支持多種GML數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)的API；同時(shí)，系統(tǒng)也具備傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)所具有的多用戶(hù)多任務(wù)并發(fā)、事務(wù)、回滾、訪(fǎng)問(wèn)控制、備份等機(jī)制，以支持在包括分布式網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的各種環(huán)境下的應(yīng)用。

2.2 GML數(shù)據(jù)管理

原生GML空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)主要是GML實(shí)例文檔，而GML實(shí)例文檔一般都有對(duì)應(yīng)的GML應(yīng)用模式文檔，以約束、控制和校驗(yàn)GML實(shí)例文檔的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容。因此，GML數(shù)據(jù)管理模塊涉及GML模式文檔管理和GML實(shí)例文檔管理。

GML模式文檔管理負(fù)責(zé)：(1)采用GML解析器對(duì)GML模式文檔進(jìn)行解析，提取出與GML實(shí)例文檔中元素對(duì)應(yīng)的各種元素類(lèi)型信息，并提交GML實(shí)例文檔管理子模塊，由其負(fù)責(zé)依據(jù)元素類(lèi)型信息采用GML解析器對(duì)GML實(shí)例文檔進(jìn)行解析。(2)采用GML解析器對(duì)GML模式文檔進(jìn)行解析并構(gòu)建節(jié)點(diǎn)樹(shù)再提交GML存儲(chǔ)管理模塊進(jìn)行存儲(chǔ)。(3)建立、維護(hù)GML模式文檔存儲(chǔ)檢索表，以備GML查詢(xún)處理模塊對(duì)GML模式文檔進(jìn)行全文查詢(xún)。(4)響應(yīng)GML查詢(xún)處理模塊對(duì)GML模式文檔的查詢(xún)請(qǐng)求，并返回目標(biāo)模式文檔。

GML實(shí)例文檔管理負(fù)責(zé)：(1)采用GML解析器對(duì)GML實(shí)例文檔進(jìn)行解析、構(gòu)建節(jié)點(diǎn)樹(shù)，并提交GML索引管理模塊以構(gòu)建GML非空間數(shù)據(jù)索引。(2)接收GML模式文檔管理子模塊發(fā)送的GML實(shí)例文檔元素類(lèi)型信息，據(jù)此采用GML解析器對(duì)GML實(shí)例文檔進(jìn)行解析，以提取GML要素、幾何、拓?fù)涞葘?duì)象，并提交GML索引管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)GML空間數(shù)據(jù)的索引構(gòu)建。(3)原生GML空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)支持集合(以及集合的嵌套)，因此，在將GML實(shí)例文檔相關(guān)信息提交GML索引管理模塊時(shí)，也提交關(guān)聯(lián)集合的信息，以便于構(gòu)建索引。(4)當(dāng)不對(duì)GML實(shí)例文檔構(gòu)建索引時(shí)，采用GML解析器對(duì)GML實(shí)例文檔進(jìn)行解析并構(gòu)建節(jié)點(diǎn)樹(shù)再提交GML存儲(chǔ)管理模塊進(jìn)行存儲(chǔ)。(5)建立、維護(hù)GML實(shí)例文檔存儲(chǔ)檢索表，以備GML查詢(xún)處理模塊對(duì)GML實(shí)例文檔進(jìn)行全文查詢(xún)。(6)響應(yīng)GML查詢(xún)處理模塊對(duì)GML實(shí)例文檔或集合的查詢(xún)請(qǐng)求，并返回目標(biāo)實(shí)例文檔或集合信息列表。

GML實(shí)例文檔入庫(kù)時(shí)分兩種情況：有GML模式文檔相伴和無(wú)GML模式文檔相伴。當(dāng)無(wú)GML模式文檔相伴時(shí)，將無(wú)法有效的建立GML空間數(shù)據(jù)索引。

2.3 GML索引管理

索引管理是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)重要的功能模塊。

GML文檔向原生GML空間數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)時(shí)需對(duì)文檔中的GML空間和非空間數(shù)據(jù)建立索引，以便高效進(jìn)行GML空間數(shù)據(jù)的查詢(xún)。與GML空間數(shù)據(jù)文檔存儲(chǔ)入庫(kù)時(shí)不構(gòu)建索引相比，存儲(chǔ)時(shí)建立索引將耗費(fèi)更多的時(shí)間；但是從數(shù)據(jù)庫(kù)的整體操作、使用而言，一般遵從“操作局部性”(類(lèi)似于計(jì)算機(jī)科學(xué)中的時(shí)間局部性原理和空間局部性原理)，表現(xiàn)為通常對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改、查詢(xún)等操作，一般情況下局部化為查詢(xún)操作。鑒于此，GML空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)入庫(kù)時(shí)因建立數(shù)據(jù)索引而額外耗費(fèi)的時(shí)間，對(duì)于數(shù)據(jù)的后續(xù)操作和使用管理是非常有價(jià)值的。

GML索引管理包括：GML非空間數(shù)據(jù)索引管理和GML空間數(shù)據(jù)索引管理兩個(gè)子模塊。

GML非空間數(shù)據(jù)索引管理負(fù)責(zé)：(1)接收GML數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)送的GML實(shí)例文檔解析、構(gòu)建的節(jié)點(diǎn)樹(shù)，并采用XML文檔編碼方案(如論文提出的Ex-Dewey前綴編碼方案)對(duì)GML實(shí)例文檔構(gòu)建GML非空間數(shù)據(jù)索引。(2)接收GML數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)送的與GML實(shí)例文檔關(guān)聯(lián)的集合信息，以共同對(duì)GML實(shí)例文檔構(gòu)建GML非空間數(shù)據(jù)索引。(3)將構(gòu)建的GML實(shí)例文檔非空間數(shù)據(jù)索引信息數(shù)據(jù)提交GML存儲(chǔ)管理模塊進(jìn)行存儲(chǔ)，并同時(shí)提交GML實(shí)例文檔節(jié)點(diǎn)樹(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)GML實(shí)例文檔數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。(4)協(xié)調(diào)GML空間數(shù)據(jù)索引管理子模塊對(duì)GML實(shí)例文檔構(gòu)建空間索引。(5)響應(yīng)GML查詢(xún)處理模塊對(duì)GML非空間數(shù)據(jù)的查詢(xún)請(qǐng)求，并返回相關(guān)索引信息數(shù)據(jù)。

GML空間數(shù)據(jù)索引管理負(fù)責(zé)：(1)接收GML數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)送的對(duì)GML實(shí)例文檔解析后提取的GML要素、幾何、拓?fù)涞葘?duì)象數(shù)據(jù)，并采用R樹(shù)、R+樹(shù)等經(jīng)典空間數(shù)據(jù)索引算法實(shí)現(xiàn)對(duì)GML空間數(shù)據(jù)的索引構(gòu)建。(2)接收GML數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)送的與GML實(shí)例文檔關(guān)聯(lián)的集合信息，以共同對(duì)GML實(shí)例文檔構(gòu)建GML空間數(shù)據(jù)索引。(3)將構(gòu)建的GML實(shí)例文檔空間數(shù)據(jù)索引信息數(shù)據(jù)提交GML存儲(chǔ)管理模塊進(jìn)行存儲(chǔ)。(4)與GML非空間數(shù)據(jù)索引管理子模塊交互，完成對(duì)GML實(shí)例文檔空間索引的構(gòu)建。(5)響應(yīng)GML查詢(xún)處理模塊對(duì)GML空間數(shù)據(jù)的查詢(xún)請(qǐng)求，并返回相關(guān)索引信息數(shù)據(jù)。

由于GML實(shí)例文檔索引的構(gòu)建比較耗時(shí)，可采用后臺(tái)服務(wù)進(jìn)程/線(xiàn)程自動(dòng)構(gòu)建索引的方式，從而保證GML實(shí)例文檔可以迅速存入GML空間數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)GML實(shí)例文檔索引后臺(tái)自動(dòng)構(gòu)建還未完成時(shí)出現(xiàn)查詢(xún)請(qǐng)求，可采取的策略是直接對(duì)GML實(shí)例文檔進(jìn)行檢索。根據(jù)局部性原理，通常GML實(shí)例文檔入庫(kù)后不會(huì)很快出現(xiàn)大量、頻繁的查詢(xún)請(qǐng)求，此時(shí)直接檢索GML實(shí)例文檔是可行的，當(dāng)索引構(gòu)建完成后則可先查詢(xún)索引，然后快速定位GML目標(biāo)數(shù)據(jù)。

2.4 GML存儲(chǔ)管理

GML存儲(chǔ)管理負(fù)責(zé)：(1)GML模式文檔、GML實(shí)例文檔、GML集合信息、GML實(shí)例文檔非空間數(shù)據(jù)索引信息、GML實(shí)例文檔空間數(shù)據(jù)索引信息的物理存儲(chǔ)。(2)GML模式文檔、GML實(shí)例文檔、GML集合信息、GML實(shí)例文檔非空間數(shù)據(jù)索引信息、GML實(shí)例文檔空間數(shù)據(jù)索引信息的提取。(3)響應(yīng)GML查詢(xún)處理模塊對(duì)GML空間、非空間數(shù)據(jù)的查詢(xún)請(qǐng)求，并返回實(shí)際數(shù)據(jù)。

GML存儲(chǔ)管理采用原生XML數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)(如eXist)已有的存儲(chǔ)管理模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)上述功能的支持。

2.5 GML查詢(xún)處理

GML查詢(xún)處理既要實(shí)現(xiàn)一般XML數(shù)據(jù)的查詢(xún)功能，又要實(shí)現(xiàn)GML所特有的空間數(shù)據(jù)查詢(xún)功能。它包括：GML查詢(xún)解析、GML查詢(xún)執(zhí)行、GML查詢(xún)結(jié)果構(gòu)造等子模塊。

GML查詢(xún)解析負(fù)責(zé)對(duì)GML查詢(xún)語(yǔ)句(由XQuery查詢(xún)語(yǔ)言增加空間擴(kuò)展支持實(shí)現(xiàn))進(jìn)行解析，對(duì)查詢(xún)語(yǔ)句結(jié)構(gòu)、合法性等進(jìn)行分析，如果語(yǔ)句不合法則返回錯(cuò)誤信息，否則對(duì)查詢(xún)語(yǔ)句進(jìn)行分類(lèi)(包括：GML模式文檔全文查詢(xún)、GML實(shí)例文檔全文查詢(xún)、GML集合信息查詢(xún)、GML非空間數(shù)據(jù)查詢(xún)、GML空間數(shù)據(jù)查詢(xún)、GML 空間、非空間數(shù)據(jù)混合查詢(xún)等)，并將分類(lèi)信息提交GML查詢(xún)執(zhí)行子模塊進(jìn)行查詢(xún)執(zhí)行。

GML查詢(xún)執(zhí)行負(fù)責(zé)根據(jù)查詢(xún)語(yǔ)句分類(lèi)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢(xún)執(zhí)行，并將查詢(xún)結(jié)果提交GML查詢(xún)結(jié)果構(gòu)造子模塊。之中：(1)對(duì)于GML模式文檔全文查詢(xún)、GML實(shí)例文檔全文查詢(xún)、GML集合信息查詢(xún)直接訪(fǎng)問(wèn)GML數(shù)據(jù)管理模塊，由其執(zhí)行并返回結(jié)果。(2)對(duì)于GML非空間數(shù)據(jù)查詢(xún)則先訪(fǎng)問(wèn)GML索引管理模塊，由其返回與查詢(xún)相關(guān)的索引信息數(shù)據(jù)，然后采用結(jié)構(gòu)連接算法(如論文提出的ED-XQ-SJ算法)確定符合查詢(xún)條件的節(jié)點(diǎn)信息，并進(jìn)而依據(jù)索引信息中節(jié)點(diǎn)編碼值所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)物理存儲(chǔ)地址，通過(guò)GML存儲(chǔ)管理模塊讀取節(jié)點(diǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)。(3)對(duì)于GML空間數(shù)據(jù)查詢(xún)則先訪(fǎng)問(wèn)GML索引管理模塊，由其返回與查詢(xún)相關(guān)的索引信息數(shù)據(jù)，然后利用空間索引構(gòu)建采用的算法(如R樹(shù)算法)確定符合查詢(xún)條件的GML要素信息，并進(jìn)而依據(jù)索引信息中GML要素所對(duì)應(yīng)的物理存儲(chǔ)地址，通過(guò)GML存儲(chǔ)管理模塊讀取GML要素的實(shí)際數(shù)據(jù)。(4)對(duì)于GML 空間、非空間數(shù)據(jù)混合查詢(xún)，則先執(zhí)行GML非空間數(shù)據(jù)查詢(xún)，在其結(jié)果集上結(jié)合對(duì)應(yīng)的空間索引信息以及非空間索引信息，進(jìn)一步執(zhí)行空間數(shù)據(jù)查詢(xún)，并最終通過(guò)GML存儲(chǔ)管理模塊獲取實(shí)際的GML數(shù)據(jù)。

GML查詢(xún)結(jié)果構(gòu)造負(fù)責(zé)將查詢(xún)獲取的目標(biāo)原始數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)關(guān)系(如節(jié)點(diǎn)編碼值等)進(jìn)行GML格式的數(shù)據(jù)構(gòu)造，并返回(對(duì)于GML模式文檔全文查詢(xún)、GML實(shí)例文檔全文查詢(xún)、GML集合信息查詢(xún)則直接返回)。

2.6 GML數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)API

為方便原生GML空間數(shù)據(jù)庫(kù)的使用，需要構(gòu)建各種GML數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)的API，如：類(lèi)似XML-RPC、XML:DB API的訪(fǎng)問(wèn)接口，能夠通過(guò)SOAP、HTTP進(jìn)行GML數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)的接口等。GML數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)API將可直接訪(fǎng)問(wèn)GML數(shù)據(jù)管理模塊和GML查詢(xún)處理模塊。

2.7 其它支撐

一般數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)都具有多用戶(hù)多任務(wù)并發(fā)、事務(wù)、回滾、訪(fǎng)問(wèn)控制、備份等機(jī)制，原生GML空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)也需具備上述特征，以便于在包括分布式網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的各種環(huán)境下使用。GML空間數(shù)據(jù)庫(kù)將采用原生XML數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)(如eXist)已具備的上述機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)上述功能的支持。

將原生GML空間數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建于原生XML數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)之上，不僅可以充分利用XML數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)已有的成熟功能與機(jī)制，而且可以將XML文檔、GML文檔共儲(chǔ)于同一數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)GML地理空間數(shù)據(jù)、XML普通事務(wù)數(shù)據(jù)的一體化存儲(chǔ)；正如當(dāng)前基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)一樣(如：Oracle Spatial)。

3 結(jié)語(yǔ)

與XML數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類(lèi)似，GML空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式也包括：文件存儲(chǔ)管理方式、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)管理方式和原生數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)管理方式。原生GML空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)構(gòu)建于原生XML數(shù)據(jù)庫(kù)之上是一種理想的選擇?；陂_(kāi)源原生XML數(shù)據(jù)庫(kù)(如：eXist)并充分考慮GML索引構(gòu)建、GML空間、非空間數(shù)據(jù)查詢(xún)所采用的機(jī)制、算法、策略等情況，原生GML空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模型以細(xì)粒度(即，存儲(chǔ)以GML文檔中元素為粒度)為宜。本文進(jìn)一步重點(diǎn)研究、設(shè)計(jì)了原生GML空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)架構(gòu)體系，給出了系統(tǒng)定義、系統(tǒng)架構(gòu)與系統(tǒng)模塊的交互原理與技術(shù)方法；系統(tǒng)模塊包括：GML數(shù)據(jù)管理、GML索引管理、GML存儲(chǔ)管理、GML查詢(xún)處理、GML數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)API，以及多用戶(hù)并發(fā)、事務(wù)、回滾等其它支撐模塊。

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