省級國土資源數(shù)據(jù)物理存儲策略研究——以陜西省國土資源數(shù)據(jù)為例

黃 嶸，張 新，常 戈 群，董 春 曉，池 天 河

（1.中國科學院遙感應用研究所，北京 100101;2.陜西省國土資源信息中心，陜西 西安 710054;3.北京宇思時代信息技術(shù)有限公司，北京 100086）

省級國土資源數(shù)據(jù)物理存儲策略研究
——以陜西省國土資源數(shù)據(jù)為例

黃 嶸1，2，張 新1＊，常 戈 群3，董 春 曉2，池 天 河1

（1.中國科學院遙感應用研究所，北京 100101;2.陜西省國土資源信息中心，陜西 西安 710054;3.北京宇思時代信息技術(shù)有限公司，北京 100086）

基于對省內(nèi)多級行政單元國土資源數(shù)據(jù)特征及管理需求分析，提出了多級行政單元國土資源數(shù)據(jù)應用模式及數(shù)據(jù)布局策略，并以陜西省為例，對省級土地利用數(shù)據(jù)庫的地類圖斑要素層，按照縣級多實例、全省單實例（不進行布局控制）和全省單實例（按縣進行數(shù)據(jù)庫分區(qū)布局）3種布局策略下的數(shù)據(jù)訪問性能，進行了測試和對比分析，得出對我國國土資源數(shù)據(jù)管理部門具有參考價值的結(jié)論。

國土資源數(shù)據(jù);存儲策略;系統(tǒng)運行效率

0 引言

國土資源數(shù)據(jù)涵蓋地面、地下不同空間位置，涉及土地、礦藏、海洋、地質(zhì)、測繪、環(huán)境等部門，包含街區(qū)（鄉(xiāng)鎮(zhèn)）、縣、市、省、全國范圍等不同尺度水平，面向事務管理、統(tǒng)計、分析、評價、預測等應用目標，具有時空動態(tài)性、多尺度性、目標多樣性等特點。國土資源管理信息化在“統(tǒng)一領導、統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一標準、信息共享、服務管理、面向社會”的方針指引下，近年來取得了明顯的進展和成效［1］。但是，要建立“天上看、地上查、網(wǎng)上管”的國土資源管理運行體系，需要增強國土資源信息的獲取、分析、研發(fā)能力［2］。而國土資源數(shù)據(jù)存儲技術(shù)及策略是國土資源信息化的基礎。針對該問題李德仁等提出國土資源網(wǎng)格化管理應用平臺的體系架構(gòu)，設計了基于空間信息網(wǎng)格的國土資源管理與服務平臺，提出網(wǎng)格化管理中的數(shù)據(jù)更新機制、更新流程和更新方式基本框架［2，3］;Yang等研究分布式地理信息處理技術(shù)［4］;Chen等研究基于網(wǎng)格技術(shù)的地理信息存儲與處理技術(shù)［5］;解吉波等分析多級異構(gòu)空間數(shù)據(jù)庫同步的關鍵問題和難點，提出一種基于XML的多級異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的同步架構(gòu)，并在“全國國土資源數(shù)據(jù)交換中心”試點建設項目中成功應用［6］;趙俊三等提出以政務管理信息化、國土資源基礎數(shù)據(jù)庫管理及信息服務社會化為目標，以消除信息孤島、實現(xiàn)信息共享、系統(tǒng)資源整合和國土資源管理“業(yè)務流程”為出發(fā)點的國土資源信息化建設的技術(shù)路線和方法［7］;史輝等基于國土資源信息化和數(shù)據(jù)資源保護需求，將國土資源數(shù)據(jù)分為資料數(shù)據(jù)、基礎數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)5類，并提出對各類數(shù)據(jù)進行計算機管理的組織方法和相關技術(shù)［8］。上述學者從分布式網(wǎng)格計算、數(shù)據(jù)中心軟件架構(gòu)、數(shù)據(jù)交換等角度開展了積極探索，但對于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部如何實現(xiàn)多級行政單元、多尺度國土資源數(shù)據(jù)高效物理存儲技術(shù)方面尚無針對性的研究成果。本文針對省級國土資源數(shù)據(jù)物理存儲策略及效率進行研究，并結(jié)合陜西省多級國土資源數(shù)據(jù)開展了分析，以期對我國國土資源數(shù)據(jù)的高效管理及應用具有參考意義。

1 省級國土資源數(shù)據(jù)特征及管理需求

（1）數(shù)據(jù)特征。1）多源異構(gòu)性：國土資源數(shù)據(jù)的獲取途徑和獲取方式多樣化，數(shù)據(jù)來源存在著監(jiān)測方法、描述形式、存在方式、比例尺、投影方式和精準度等差異。2）分級性：國土資源數(shù)據(jù)存在著與其它維并存的行政區(qū)級別維度特征，往往按照國家、省、市、縣4級層層下發(fā)和匯交。上級統(tǒng)一控制的數(shù)據(jù)逐級下發(fā)，數(shù)據(jù)格式與形式單一;下級部門形成的數(shù)據(jù)向上逐級匯交，各級數(shù)據(jù)內(nèi)容覆蓋其所轄行政區(qū)范圍，并按照本級的管理和應用需求對數(shù)據(jù)進行處理，形成本級的統(tǒng)計、圖件、文字報告等數(shù)據(jù)產(chǎn)品。與行政區(qū)分級類似，國土資源空間數(shù)據(jù)還存在地理空間不同比例尺特征，由大到小的空間比例尺形成一個完整的系列。3）數(shù)據(jù)規(guī)模龐大：國土資源管理涉及土地、礦產(chǎn)、資源、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟等領域，數(shù)據(jù)規(guī)模龐大，隨著對地觀測技術(shù)的迅速發(fā)展和信息化的加速，國土資源數(shù)據(jù)呈現(xiàn)逐年加速增長的態(tài)勢。

（2）管理需求。數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)的匯集和交換中心，是國土資源數(shù)據(jù)集成管理的核心節(jié)點，其數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)類型等方面的復雜程度均不同，所以其存儲策略研究尤為重要。各地方符合同一標準的業(yè)務數(shù)據(jù)歸集到省級數(shù)據(jù)中心后，可以采取兩種物理存儲布局策略。一是對同一數(shù)據(jù)模型進行多次實例化，占據(jù)相應的連續(xù)存儲空間，分別用于存儲相應地區(qū)、相應時點的數(shù)據(jù)，在應用層面通過復雜的功能開發(fā)，實現(xiàn)跨地區(qū)、全省范圍的數(shù)據(jù)存取邏輯;二是對同一數(shù)據(jù)模型在整個數(shù)據(jù)中心只實例化一次，存儲轄區(qū)內(nèi)符合同一標準的多時點數(shù)據(jù)，在應用層面通過統(tǒng)一、簡單的邏輯，實現(xiàn)跨地區(qū)、全省任意空間范圍的數(shù)據(jù)存取。表面看，后者在維護數(shù)據(jù)模型統(tǒng)一性、部署、應用開發(fā)技術(shù)透明支持等方面具有明顯的優(yōu)勢，也符合數(shù)據(jù)中心建設的“數(shù)據(jù)基礎設施”原則，但由于使用單一實例集中存放數(shù)據(jù)，所容納的數(shù)據(jù)量成百上千倍增長，其實施的直接障礙是數(shù)據(jù)利用性能極不理想。目前，國土行業(yè)內(nèi)由于解決不了性能問題，只能退而求其次。另外，與其他數(shù)據(jù)一樣，國土資源數(shù)據(jù)在其建立、分類、管理、發(fā)布、歸檔、離退這一生命周期的各個階段，數(shù)據(jù)的時效性、價值、利用頻度、保護力度等方面存在差異，有時某種差異性特別明顯。例如，當獲得了某一地區(qū)的最新影像后，該地區(qū)原有影像的應用范圍和頻度則顯著降低，可能不必占用有限、昂貴的在線存儲。本文重點研究省級多行政級別國土資源數(shù)據(jù)管理面臨的數(shù)據(jù)模型單一實例化、大規(guī)模數(shù)據(jù)環(huán)境下的性能問題，以期對國土資源數(shù)據(jù)全生命周期管理提供技術(shù)支持。解決單實例、大規(guī)模數(shù)據(jù)環(huán)境下性能問題的主要思路是，通過分析國土資源數(shù)據(jù)應用模式，確定科學的數(shù)據(jù)物理存儲布局，使單實例與多實例數(shù)據(jù)模型部署具有相似的數(shù)據(jù)獲取性能。

2 省級國土資源數(shù)據(jù)應用模式

2.1 位置關聯(lián)數(shù)據(jù)訪問

實體對象空間位置上的鄰近程度反映了其間聯(lián)系的緊密性。與此類似，實體空間數(shù)據(jù)所體現(xiàn)的空間位置越接近，它們被同時訪問的幾率越高，在國土業(yè)務應用中這種數(shù)據(jù)利用特點尤其明顯，即成區(qū)域連片使用數(shù)據(jù)。如果利用空間數(shù)據(jù)所反映位置的鄰近程度在物理存儲上布局數(shù)據(jù)，使越鄰近的空間數(shù)據(jù)在物理存儲位置上布局越緊密，使數(shù)據(jù)的布局與數(shù)據(jù)基于空間位置的訪問模式相近，存儲輸入輸出（I/O）次數(shù)和效率會有優(yōu)勢。因為如果在物理存儲布局時忽略數(shù)據(jù)訪問模式，極可能使空間數(shù)據(jù)在存儲布局上無章可循，訪問同一連續(xù)區(qū)域的數(shù)據(jù)，極可能需要更多的I/O，每次I/O獲得真正所需數(shù)據(jù)占所獲全部數(shù)據(jù)的百分比也很低?；诙鄬嵗臄?shù)據(jù)模型實施，本質(zhì)上是將鄰近區(qū)域的數(shù)據(jù)在物理存儲上也鄰近布局，與數(shù)據(jù)利用模式相近，具有性能優(yōu)勢。所以，解決單實例部署性能問題的關鍵是能有效保持相鄰區(qū)域數(shù)據(jù)在物理存儲上也盡可能相鄰布局。

2.2 空間和非空間數(shù)據(jù)訪問

國土資源實體對象空間屬性與非空間屬性并存，在利用空間屬性時，往往將其置于更大空間范圍內(nèi)，通過電子地圖瀏覽、分析和業(yè)務應用，空間數(shù)據(jù)往往獨立于非空間數(shù)據(jù)進行物理存取;非空間數(shù)據(jù)往往基于電子表格等形式進行應用表現(xiàn)，往往獨立于空間數(shù)據(jù)進行物理存取;統(tǒng)計分析工作要么基于非空間數(shù)據(jù)，要么基于空間數(shù)據(jù)，同時被使用的機會較少，即面向統(tǒng)計分析，空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)也多是獨立物理存取?；谶@種數(shù)據(jù)應用模式，在物理存儲層面，本文認為應考慮將實體對象的空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)分開布局，各自基于實體空間位置鄰近程度進行緊密布局，提高非空間數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)I/O效率?，F(xiàn)行的使用大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行同一數(shù)據(jù)模型多實例部署的方法中，這一點幾乎被忽略。

2.3 不同時點數(shù)據(jù)訪問

同一數(shù)據(jù)模型可適應不同時點的數(shù)據(jù)，而不同時點的數(shù)據(jù)其被存取利用的頻度并不一樣。國土行業(yè)最新時點的數(shù)據(jù)往往具有最高的存取利用頻率。所以，直觀的做法是將不同時點的數(shù)據(jù)分別布局到相應連續(xù)的物理存儲上，典型的做法是面向同一地區(qū)的相同業(yè)務主題數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)模型實例化部署兩次，一個實例用于存儲最新時點數(shù)據(jù)，另一個實例用于存儲全部歷史時點數(shù)據(jù)。前一個實例容納的數(shù)據(jù)量受到限制，保證滿足必要的存取性能要求。這種做法需要經(jīng)常將成為歷史時點數(shù)據(jù)的內(nèi)容遷移到后一個實例部署中，由應用程序?qū)崿F(xiàn)較復雜的跨時點數(shù)據(jù)的存取邏輯。如果使用單實例部署容納全部時點的數(shù)據(jù)，雖然應用開發(fā)邏輯變簡單，但因為數(shù)據(jù)規(guī)模大，不同時點的數(shù)據(jù)可能在存儲上交織分布，I/O效率難以保證，基于不同時點的數(shù)據(jù)管理工作也變復雜，單實例部署似乎并不可取。如果將單實例部署下的不同時點數(shù)據(jù)分布在相應的連續(xù)物理存儲上，且能對不同時點的數(shù)據(jù)進行有效管理，則可達到與多實例部署一樣的性能和可管理性。

3 省級國土資源數(shù)據(jù)布局策略

在省級國土資源數(shù)據(jù)中心，可依據(jù)地理范圍、時點等因素確定數(shù)據(jù)的物理存儲部署粒度，形成同一數(shù)據(jù)模型的一個或多個實例。基于地理范圍的粒度大小，可形成對應標準地理分幅、縣（市）級行政區(qū)和全省的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型、規(guī)模不同的部署實例，再以空間拼接或分割形成多級行政區(qū)的數(shù)據(jù)邏輯布局。

（1）基于標準地理分幅布局數(shù)據(jù)。將同一數(shù)據(jù)模型對應每個標準分幅進行實例化，將同一分幅內(nèi)的數(shù)據(jù)存放于一個或幾個連續(xù)物理存儲區(qū)內(nèi)，數(shù)據(jù)存取性能有較大優(yōu)勢。對省級數(shù)據(jù)庫而言，這種策略會造成同一數(shù)據(jù)模型的實例數(shù)相當龐大、土地/礦產(chǎn)圖斑及線狀地物被大量人為分割、難以長期維持多實例符合同一數(shù)據(jù)模型等問題。以1∶1萬的分幅標準粗略估計，陜西省約覆蓋1萬個1∶1萬的分幅，在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中部署這么多模型實例難以想象;比例尺大的，地理分幅數(shù)更多，模型實例數(shù)也更多。

（2）基于縣級行政區(qū)布局數(shù)據(jù)。將同一數(shù)據(jù)模型對應每個縣級行政區(qū)進行實例化，屬于同一縣級行政區(qū)的數(shù)據(jù)被存放于一個或幾個連續(xù)物理存儲區(qū)內(nèi)，數(shù)據(jù)存取性能也有較大優(yōu)勢。對省級數(shù)據(jù)庫而言，這種策略會造成同一數(shù)據(jù)模型的實例數(shù)較大、難以長期維持多實例符合同一數(shù)據(jù)模型等問題。以陜西省為例，需要107個部署實例。

（3）基于市級行政區(qū)布局數(shù)據(jù)。將同一數(shù)據(jù)模型對應每個市級行政區(qū)進行實例化，屬于同一市級行政區(qū)的數(shù)據(jù)被存放于一個或幾個連續(xù)物理存儲區(qū)內(nèi)。由于每個單獨部署實例中數(shù)據(jù)規(guī)模有明顯增加，不同區(qū)域的數(shù)據(jù)交織存儲機會大大增加，難以達到相鄰區(qū)域數(shù)據(jù)在存儲上也相鄰布局的期望，數(shù)據(jù)存取性能會明顯下降。對省級數(shù)據(jù)庫而言，這種策略會造成同一數(shù)據(jù)模型的實例數(shù)較大、難以長期維持多實例符合同一數(shù)據(jù)模型等問題。以陜西省為例，需要12個部署實例。

（4）基于省級行政區(qū)布局數(shù)據(jù)。將同一數(shù)據(jù)模型對應每個省級行政區(qū)進行實例化，屬于同一省級行政區(qū)的數(shù)據(jù)被存放于一個或幾個連續(xù)物理存儲區(qū)內(nèi)。由于每個單實例中數(shù)據(jù)規(guī)模進一步增加，不同區(qū)域的數(shù)據(jù)交織存儲機會大大增加，難以達到相鄰區(qū)域數(shù)據(jù)在存儲上也相鄰布局的期望，數(shù)據(jù)存取性能會明顯下降。

（5）基于多級分區(qū)數(shù)據(jù)布局的單實例化。本策略對數(shù)據(jù)模型實例化一次，但在底層物理存儲上又依據(jù)數(shù)據(jù)在空間、時間、利用和管理模式等方面的關聯(lián)性將數(shù)據(jù)聚集，使之連續(xù)分布。僅在物理存儲層面，而不像多實例部署同時在物理層面和邏輯層面聚集和連續(xù)布局數(shù)據(jù)，發(fā)揮多實例部署更好適應數(shù)據(jù)利用模式而又有性能優(yōu)勢的特點;同時發(fā)揮單實例部署在維護數(shù)據(jù)模型統(tǒng)一性、部署、應用開發(fā)技術(shù)透明支持等方面的明顯優(yōu)勢，徹底解決目前省級同一數(shù)據(jù)模型單實例部署所面臨的性能和管理問題。

實現(xiàn)數(shù)據(jù)基于應用模式物理存儲布局的方法是：空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)分開存儲，但支持邏輯上的整體利用;不同行政區(qū)（建議以縣為粒度）的數(shù)據(jù)分開存儲;不同時點的數(shù)據(jù)分開存儲。由于多種布局因素起作用，可以采用存儲多級分區(qū)策略。在具體的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，可以利用其相應支撐機制完成。例如，在Oracle數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，可以基于行政區(qū)和時點標識信息對同一模型數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)進行分區(qū)/組合分區(qū)、對數(shù)據(jù)記錄進行排序后入庫、對數(shù)組數(shù)據(jù)或大對象數(shù)據(jù)使用外表（out－line）形式存儲，使具有高概率連帶利用的數(shù)據(jù)在存儲區(qū)域上相鄰。

4 數(shù)據(jù)布局策略效率實驗

本文以陜西省國土資源信息中心數(shù)據(jù)為例，選擇國土行業(yè)十分重要的土地利用數(shù)據(jù)庫，對各種策略下的數(shù)據(jù)庫性能進行分析?；陉兾魇〉诙瓮恋卣{(diào)查成果，以建設陜西省級土地利用數(shù)據(jù)庫為例，對省級土地利用數(shù)據(jù)庫的地類圖斑要素層，按縣級多實例、全省單實例（不進行布局控制）、全省單實例（按縣進行數(shù)據(jù)庫分區(qū)布局）3種布局策略下的數(shù)據(jù)訪問性能進行了測試對比，并對國家級土地利用數(shù)據(jù)庫訪問性能進行了線性外推。

測試環(huán)境與方法：1）數(shù)據(jù)庫服務器：HP6531S筆記本，2 G內(nèi)存;同時也作為數(shù)據(jù)訪問客戶端。2）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：Oracle 11 G企業(yè)版，含Oracle Spatial和Oracle Partition選項。3）在統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫實例的不同用戶模式下部署3種策略建成的地類圖斑要素層。4）為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)任意范圍的存取，建立數(shù)據(jù)庫聯(lián)合視圖，支持縣級多實例策略查詢一個縣的全部圖斑屬性數(shù)據(jù)。5）基于跨多個縣的建設用地線性工程所涉及的地類圖斑查詢業(yè)務場景，進行空間查詢測試。6）為了消除數(shù)據(jù)庫緩存的影響，每次測試前都清空數(shù)據(jù)庫緩存數(shù)據(jù);為了消除數(shù)據(jù)顯示耗時的影響，將數(shù)據(jù)輸出結(jié)果重定向到輸出文件。

表1記錄了實際測試結(jié)果，各時間值是分別進行5遍測試后計算出的平均值。因為測試條件和工作量所限，表1中部分結(jié)果是線性推算出的值，具體內(nèi)容參見表1下方的注解。

表1 數(shù)據(jù)布局策略性能測試結(jié)果Table 1 Efficiency of test result under different data organization strategy

分析性能測試結(jié)果，得出如下結(jié)論：1）在非跨縣數(shù)據(jù)查詢情況下，“縣級多實例”與“單實例未布局控制”策略性能相當，“單實例按縣分區(qū)布局”策略性能優(yōu)勢明顯。2）在非跨縣數(shù)據(jù)查詢情況下，隨縣數(shù)量增大，“單實例按縣分區(qū)布局”策略性能變化不大，而“單實例未布局控制”策略性能明顯下降。3）在跨縣數(shù)據(jù)查詢情況下，三者性能相當，并且隨數(shù)據(jù)規(guī)模變化不明顯（原因是各種實例化策略對空間索引性能影響不大）。4）對于跨縣的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，“縣級多實例”與“單實例未布局控制”策略性能相當，“單實例按縣分區(qū)布局”策略性能優(yōu)勢明顯。5）對于跨縣的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，隨數(shù)據(jù)規(guī)模增大，“單實例按縣分區(qū)布局”策略性能變化不大。各種策略性能測試分析結(jié)果表明，對于不同的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)范圍和應用目的系統(tǒng)開發(fā)，需要采取不同的數(shù)據(jù)布局策略，而對于全省統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理，按縣進行數(shù)據(jù)庫分區(qū)布局具有綜合的性能優(yōu)勢。

5 結(jié)語

本文基于對省級多級行政單元國土資源數(shù)據(jù)特征及管理需求分析，提出省級多級行政單元國土資源數(shù)據(jù)應用模式及數(shù)據(jù)布局策略，并以陜西省為例，對省級土地利用數(shù)據(jù)庫的地類圖斑要素層，按縣級多實例、全省單實例（不進行布局控制）和全省單實例（按縣進行數(shù)據(jù)庫分區(qū)布局）3種布局策略下的數(shù)據(jù)訪問性能進行了測試對比分析，所得結(jié)論對我國國土資源數(shù)據(jù)管理部門具有重要參考價值。由于國土資源數(shù)據(jù)量大、計算量大等特點，需要網(wǎng)絡管理平臺具備并行文件管理和處理的功能，以提高信息管理能力和處理速度，這是本文進一步研究的重點。

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Study on Physical Storage Strategy of Land and Resources Data of Province：A Case Study of Shaanxi Province

HUANG Rong1，2，ZHANG Xin1，CHANG Ge－qun3，DONG Chun－xiao2，CHI Tian－h(huán)e1
（1.InstituteofRemoteSensingApplications，ChineseAcademyofSciences，Beijing100101;2.LandandResourcesInformation CenterofShaanxiProvince，Xi′an710054;3.BeijingYouthInformationTechnologyCo.Ltd，Beijing100086，China）

The effective physical storage is the base for information system development of the land and resource data.Firstly，the characteristic and requirement of the land and resources data management of a province is analyzed in this paper.Then the application model and physical storage strategy is studied in detail.Taking the land and resources data of Shaanxi Province as an example，the data analysis performance is tested and analyzed under three different physical storage strategies，which includes the multi-instance for a county，single instance for a province（no layout control）and single instance for a province（with layout control）.In the end，the conclusion is achieved which has valuable reference for other provinces of China.

land and resource data;storage strategy;system running efficiency

P208

A

1672－0504（2012）03－0036－04

2012－01- 05;

2012－02－16

國土資源部公益性行業(yè)科研專項項目（201011015）;國家自然科學基金項目（60174123）

黃嶸（1973－），女，博士后，研究方向為國土資源數(shù)據(jù)管理及應用技術(shù)。＊通訊作者E－mail：zhangx＠irsa.ac.cn