開源空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表達、管理與分析

侯 偉

(蘭州大學資源與環(huán)境學院，甘肅蘭州730000)

一、引 言

空間數(shù)據(jù)的爆炸性增長對空間數(shù)據(jù)的管理帶來了難題。使用傳統(tǒng)的文件管理方式在海量空間數(shù)據(jù)的管理上捉襟見肘。而空間數(shù)據(jù)的特殊性使得普通的數(shù)據(jù)庫并不能對空間數(shù)據(jù)進行有效管理。因此，在普通數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，通過其對空間數(shù)據(jù)模型的實現(xiàn)來管理空間數(shù)據(jù)，從而達到更好地使用數(shù)據(jù)就顯得非常重要和有意義［1-2］。

現(xiàn)今的SQL 2008、DB2、Oracle 11g等商業(yè)數(shù)據(jù)庫，以及 MySQL、PostgreSQL、SQLite等開源數(shù)據(jù)庫都在其自身的基礎(chǔ)上添加了空間數(shù)據(jù)的擴展。然而，不論是開源數(shù)據(jù)庫還是各商業(yè)數(shù)據(jù)庫在空間數(shù)據(jù)管理的擴展上在很大程度上都是按照OGC(開放地理空間聯(lián)盟)對有關(guān)空間數(shù)據(jù)模型研究上所制定的一系列規(guī)范的基礎(chǔ)上進行的。

OGC致力于提高空間數(shù)據(jù)的共享及互操作。OGC在研究相關(guān)空間數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，對有關(guān)空間數(shù)據(jù)從收集、存儲、處理、分析、表達和展示制定了一系列規(guī)范和標準，提高了空間數(shù)據(jù)的互操作和透明性。在空間數(shù)據(jù)存儲和分析方面，OGC定義了由矢量的點、線、面以及它們的集合體組成的簡單要素模型，并描述了空間數(shù)據(jù)庫對簡單要素的存取實現(xiàn)的具體方案。這在一定程度上，既揭示了空間數(shù)據(jù)庫區(qū)別于普通數(shù)據(jù)庫，既揭示了空間數(shù)據(jù)庫所應(yīng)具有的共性。

本文對一種開源的對象——關(guān)系型數(shù)據(jù)庫PostgreSQL，借助空間數(shù)據(jù)擴展模塊PostGIS，成為空間數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)方案進行重點分析，從而明顯得到作為空間數(shù)據(jù)庫的特點及其優(yōu)勢所在。并對現(xiàn)今空間數(shù)據(jù)庫表達存在的空間數(shù)據(jù)模型表達不成熟等問題進行揭示，對空間數(shù)據(jù)庫的發(fā)展方向作出展望。

二、OGC定義的空間數(shù)據(jù)表達與分析

空間數(shù)據(jù)是指用來表示空間現(xiàn)象(實體)的位置、形狀、大小及其分布特征諸多方面信息的數(shù)據(jù)，主要包括屬性數(shù)據(jù)和幾何特征數(shù)據(jù)兩個方面。屬性數(shù)據(jù)通常表現(xiàn)空間現(xiàn)象的非空間特征或與空間特征并無直接聯(lián)系的特征，因此這一方面數(shù)據(jù)的表達與管理可以采用一般信息數(shù)據(jù)的表達和分析方式;對于空間數(shù)據(jù)的幾何特征則是對空間現(xiàn)象(實體)在空間上的與位置有關(guān)的數(shù)據(jù)，其模型復(fù)雜，不能采用一般信息數(shù)據(jù)的表達和分析方式，需要采用具有針對幾何特征屬性的表達方式。OGC在對空間數(shù)據(jù)研究的基礎(chǔ)上，對空間數(shù)據(jù)的幾何特征制定了相關(guān)標準，將空間數(shù)據(jù)的幾何特征規(guī)范為簡單要素模型。

1.簡單要素模型

OGC按照面向?qū)ο蟮姆椒▽臻g數(shù)據(jù)在二維空間里統(tǒng)一建立了一個名為幾何體的抽象類。通過這個抽象類生成了可以實例化的點、曲線、面，以及多邊、多線、多面等集合體子類。這個抽象類幾何體所占用的空間可以是一個空間坐標系，也可以是一個測量參考系統(tǒng)。其相互間的關(guān)系如圖1所示。

對于簡單要素的具體表達則采用了WKT(wellknown text)和WKB(well-known binary)方式。兩種方式的主要區(qū)別和用途在于：WKT便于人的閱讀與理解，WKB便于機器的高速處理。如一個點狀幾何體用WKT表示為

用WKB表示為

對于其他類型幾何體的表示方法都在OGC的相關(guān)規(guī)范里，在此不再贅述。

圖1 簡單幾何體的模型

2.簡單要素的基本方法

簡單要素的基本方法定義了空間數(shù)據(jù)在幾何上的一些特性。這些特性中，一部分是關(guān)于空間數(shù)據(jù)的簡單要素模型本身的一些性質(zhì)，包括空間數(shù)據(jù)的維度、幾何體類型、空間參考系，以及是否是簡單要素等方法;另一部分是用來表現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的具體形式的，包括采用WKT和WKB存取空間數(shù)據(jù)的幾何特征，得到幾何的外殼、邊界等方法。通過簡單要素的基本方法，對空間數(shù)據(jù)的幾何特征能夠作出較全面的描述。地理學第一定律說明僅僅考慮空間對象自身的特征是不夠的，空間對象間的關(guān)系在一定程度上更為重要。

3.簡單要素間的空間關(guān)系

多個簡單要素間的空間關(guān)系，是空間數(shù)據(jù)所特有的性質(zhì)。最簡單的多個簡單要素間的空間關(guān)系就是兩個簡單要素間的空間關(guān)系。對兩個以上的簡單要素間的空間關(guān)系可以通過研究兩個簡單要素間的空間關(guān)系而得到。兩個簡單要素在二維平面上的拓撲空間關(guān)系，可以通過它們相互間的內(nèi)部、邊界和外部這9種關(guān)系，建立九交錯模型，確定二者的關(guān)系。

通過對任意兩個簡單要素間的所有空間關(guān)系的確定，可以得到相同、分離、相交、相接、相交、在內(nèi)、包含、疊置8種具有明確意義的空間關(guān)系，以及可供特殊使用的任意關(guān)系。從而確定任意兩個幾何對象的拓撲關(guān)系，在此基礎(chǔ)上可以對任意多個簡單要素間的空間關(guān)系進行表述，以及定義更加復(fù)雜的空間關(guān)系。

4.簡單要素的空間分析

簡單要素的空間分析更強調(diào)地理空間本身的特征。這一方面主要包括長度、面積、凸包、質(zhì)心、緩沖區(qū)等強調(diào)簡單要素的自身形態(tài)的方法;另一方面包括要素間的交集、并集和差集，根據(jù)要素間的空間關(guān)系生成新的簡單要素。在此基礎(chǔ)上可以構(gòu)造出更復(fù)雜和更具實際意義的應(yīng)用。例如，對于查詢離學校不超過2 km的公交車站?？梢赞D(zhuǎn)化求學校2 km的緩沖區(qū)，然后再求出該公交車站與緩沖區(qū)的交集，得到的結(jié)果就為離學校不超過2 km的公交車站，如圖2所示。

圖2 通過緩沖區(qū)和交集方法求得距學校2 km內(nèi)的公交車站

三、PostgreSQL的空間擴展PostGIS形成的空間數(shù)據(jù)庫

1.簡單要素的實現(xiàn)

PostGIS在簡單要素的實現(xiàn)上完全遵守了OGC關(guān)于簡單要素的定義，并根據(jù)簡單要素的幾何體特征主要形成了 Geometry和 Geography兩個大類。Geometry類型表示平面上的空間數(shù)據(jù)，即通常使用的各種地圖投影，也可以是任意定義的坐標系;而Geography則定義了一個在橢球體上的曲面，現(xiàn)在它僅支持WGS-84橢球體及其水準面。這兩種本質(zhì)上有差別的數(shù)據(jù)類型，由于在平面上便于各種計算，因此，Geometry類型使用方便，然而雖然對于Geography類型的數(shù)據(jù)更接近空間數(shù)據(jù)本質(zhì)，但由于在曲面上的各種計算較為復(fù)雜，所以支持有限。

2.空間數(shù)據(jù)的管理

采用空間數(shù)據(jù)庫，最主要的目的是對空間數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理?？臻g對象一般可將其屬性分為普通屬性和空間屬性。普通屬性是與空間對象的空間位置和分布不直接相關(guān)的屬性，而空間屬性則通常表示空間對象所在位置及與位置直接相關(guān)的屬性。PostGIS利用 PostgreSQL的 UDT(user defined type)功能對空間對象的幾何體進行實現(xiàn)，將普通屬性與空間屬性存儲在一張表里對空間對象進行了完整的表達。

在簡單要素的存取上，空間數(shù)據(jù)庫在遵守OGC關(guān)于簡單要素的WKT和WKB表達規(guī)范的基礎(chǔ)上，在數(shù)據(jù)的交互性上進行了擴展，以增強空間數(shù)據(jù)的互操作。幾何體的構(gòu)造器用來生成一個PostGIS的標準幾何體，其支持多種形式的構(gòu)造方法。包括OGC所規(guī)定的簡單要素的WKT和WKB表達規(guī)范，以及GML和Google Earth所使用的KML表達方式，甚至是包含空間坐標的文本也可以進行構(gòu)造，對于常于的Esri的SHP文件更是提供了專門的導入工具。幾何體生成器則是對存儲幾何體的規(guī)范化輸出，在生成器里，也是對OGC所規(guī)定的簡單要素的WKT和WKB表達進行，同時也支持多格式的輸出，包括了以 GML，KML，SVG，GeoJSON格式輸出。多元的構(gòu)造器和生成器為滿足不同需求的應(yīng)用和用戶提供了便捷的方法，增加了空間數(shù)據(jù)的易用性和互操作。

3.空間參考系與空間變換

由于PostGIS將空間數(shù)據(jù)主要分為Geometry和Geography兩種類型。因為Geography類型直接代表真實的地理坐標系統(tǒng)，坐標系單一，對于這種類型僅對應(yīng)有一種地理坐標系統(tǒng)，即WGS-84地理坐標系;而對于geometry類型，因其定義在平面上，本質(zhì)上為笛卡兒坐標系，因為地圖投影方法的不同，導制了Geometry類型所用參考系的不同。

PostGIS采用了EPSG(European Petroleum Survey Group)所定義的各種大地坐標系和地圖投影，共支持3749種不同的空間參考系。對于每種參考信使用EPSG定義的數(shù)字代碼，并有相應(yīng)的用WKT和Proj4兩種具體投影表示形式?？臻g對象的空間屬性的空間參考系的定義是在定義幾何體字段時預(yù)先定義的。同時，用戶還可根據(jù)自身需要添加新的坐標參考系，這也體現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)庫的魯棒性。

4.空間數(shù)據(jù)分析與空間索引

在空間數(shù)據(jù)分析上，PostGIS選擇了OGC規(guī)定的部分幾何體處理方法進行了實現(xiàn)。主要實現(xiàn)的方法有緩沖區(qū)生成，凸包分析，要素簡化，幾何體間的交集、并集、差集，以及點、線和面間的轉(zhuǎn)化。這些方法的提供為實際中空間數(shù)據(jù)的查詢提供簡單明了的手段。

使用空間數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)的目的就是提高空間數(shù)據(jù)的查詢效率。PostgreSQL數(shù)據(jù)庫自身提供了B樹索引，R樹索引，以及特有的GiST(generalized search trees)。由于空間數(shù)據(jù)自身的特征，Post-GIS在GiST索引的基礎(chǔ)上使用R樹索引以提高空間數(shù)據(jù)的查詢效率。這樣做一方面可以確保數(shù)據(jù)索引安全，另一方面可以確保能夠?qū)Τ瑪?shù)據(jù)量大于8 KB的幾何數(shù)據(jù)有效索引。

四、開源空間數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢

空間數(shù)據(jù)庫作為一種存儲、管理海量空間數(shù)據(jù)的手段。隨著對空間數(shù)據(jù)研究的不斷深入，空間數(shù)據(jù)庫增加了對空間數(shù)據(jù)的各種查詢、操作方法，并利用空間索引技術(shù)極大地提升了空間查詢效率。

空間數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)存放唯一，而在存取空間數(shù)據(jù)時支持多樣的存取方式。在存取格式上，空間數(shù)據(jù)庫支持多樣的數(shù)據(jù)格式;在空間數(shù)據(jù)的投影上，可供選擇數(shù)千種不同的地圖投影供存取。這樣，為不同的用戶提供不同的數(shù)據(jù)存取接口，最大限度地滿足了不同的需求。

數(shù)據(jù)安全是數(shù)據(jù)庫的主要特性之一?？臻g數(shù)據(jù)庫是在普通數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上擴展而來。因此，在安全性上空間數(shù)據(jù)庫具有很好的保證?？臻g數(shù)據(jù)庫在空間數(shù)據(jù)的有效性檢查，坐標系間的變換，訪問控制等方面具有相較于文件管理更優(yōu)異的安全特性。

通過對SQL語言在空間數(shù)據(jù)管理上的擴展，以及通過空間數(shù)據(jù)庫內(nèi)置的各種空間函數(shù)，可以在數(shù)據(jù)庫內(nèi)對空間數(shù)據(jù)進行形式多樣的查詢，甚至于編輯空間數(shù)據(jù)。通過空間數(shù)據(jù)庫的空間索引的建立，在查詢空間數(shù)據(jù)時效率極其高效。

開源空間數(shù)據(jù)庫在具有以上空間數(shù)據(jù)庫所有優(yōu)點的基礎(chǔ)上，還具有廉價性、研究性、借鑒性等優(yōu)點。開源空間數(shù)據(jù)庫作為一種供免費使用的空間數(shù)據(jù)庫，使得管理空間數(shù)據(jù)的成本降低;同時，公開源代碼使空間數(shù)據(jù)庫的研究者可以全面的研究空間數(shù)據(jù)庫，從而發(fā)展空間數(shù)據(jù)庫;另一方向，開源空間數(shù)據(jù)庫作為一種管理空間數(shù)據(jù)的形式，為空間數(shù)據(jù)管理者提供了借鑒方案。

五、討論和結(jié)論

開源空間數(shù)據(jù)庫作為一種對空間數(shù)據(jù)研究最新進展的實現(xiàn)，在一定程度上體現(xiàn)了對空間數(shù)據(jù)研究的最新進展。通過開源空間數(shù)據(jù)庫可以研究相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)模型，并學習相應(yīng)數(shù)據(jù)模型表達手段和方法，有助于空間數(shù)據(jù)庫的學習和理解。同時，開源空間數(shù)據(jù)庫作為一種廉價但功能較為齊全的空間數(shù)據(jù)管理、分析和查詢工具，在地理信息系統(tǒng)的建設(shè)中可以擔負起管理、分析和查詢空間數(shù)據(jù)的任務(wù)。本文中主要對OGC中所定義的簡單要素的類型的空間數(shù)據(jù)在開源空間數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)進行了論述，對于柵格數(shù)據(jù)類型由于對其模型研究還未形成一致，正處于研究試驗階段;對于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型和線性參考等其他方面的地理信息系統(tǒng)模型，開源空間數(shù)據(jù)庫均有擴展，因其只在簡單要素類型的基礎(chǔ)上實現(xiàn)某一方面應(yīng)用，故本文并未進行論述。本文在對OGC中所定義的簡單要素進行詳細論述，對簡單要素模型的結(jié)構(gòu)，構(gòu)造存取方法，空間關(guān)系和空間分析等內(nèi)容進行介紹。并在此基礎(chǔ)上，對在開源空間數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)這些具體操作上進行了重點分析和介紹，突出地展示了使用空間數(shù)據(jù)庫管理、分析空間數(shù)據(jù)的優(yōu)越性。最后，對現(xiàn)階段開源空間數(shù)據(jù)庫在柵格類型數(shù)據(jù)管理上的不足進行了說明，這不僅是開源空間數(shù)據(jù)庫存在的問題，也是所有空間數(shù)據(jù)存在的問題，這也是現(xiàn)今空間數(shù)據(jù)庫研究的方向之一?？梢云诖S著對空間數(shù)據(jù)本質(zhì)研究的不斷深入，空間數(shù)據(jù)模型的表達必將統(tǒng)一。

［1］蘇峰，黃正軍.GIS空間數(shù)據(jù)管理模式探討［J］.計算機仿真，2003，20(8)：140-143.

［2］黃波，徐冠華.基于擴展關(guān)系模型的整體空間數(shù)據(jù)管理［J］.遙感學報，1997，1(1)：69-73.