基于Geodatabase的多基態(tài)修正模型時空數(shù)據(jù)庫設計

毛寧　陶象武　呂恭鳴　馬良　張湜岫　趙濬哲

摘要：隨著地理信息系統(tǒng)在社會各個領域的廣泛應用，地理空間數(shù)據(jù)成為許多行業(yè)解決規(guī)劃和管理問題不可或缺的輔助決策數(shù)據(jù)，而且對于空間數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性要求越來越高。3S技術的發(fā)展也為數(shù)據(jù)快速更新提供了有效的技術手段，傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫已無法有效地存儲和管理積累的大量歷史數(shù)據(jù)。本文以面向對象的地理數(shù)據(jù)庫Geodatabase為基礎平臺，以減少歷史數(shù)據(jù)存儲空間為目的，完成了多基態(tài)修正模型時空數(shù)據(jù)庫的設計，極大地減少了空間歷史數(shù)據(jù)存儲的冗余。

關鍵詞：空間數(shù)據(jù);多基態(tài)修正模型;時空數(shù)據(jù)

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）14-0003-03

Abstract： With the wide application of Geographic Information System in various fields of society， geospatial data has become an indispensable auxiliary decision-making data for many industries to solve planning and management problems， and the demand for the current situation of spatial data is becoming higher and higher. The development of 3S technology also provides an effective technical means for rapid data updating. Traditional spatial databases can not effectively store and manage a large number of accumulated historical data. Based on the object-oriented geographic database Geodatabase， in order to reduce the storage space of historical data， this paper completes the design of spatial-temporal database of multi-base state amendment model， ?and greatly reduces the redundancy of spatial historical data storage.

Key words： spatial data; Multi-base state amendment model; spatial-temporal data

1 引言

空間數(shù)據(jù)庫是地理實體有關的空間特征、屬性特征和時間特征數(shù)據(jù)的集合[1]。隨著社會經濟的快速發(fā)展，人們對空間數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性要求越來越高，空間數(shù)據(jù)的快速更新成為迫切的需求，而日益成熟的航空攝影測量技術和衛(wèi)星遙感技術也成為空間數(shù)據(jù)更新有效的技術手段，空間數(shù)據(jù)的更新周期變得越來越短[2]，從而也積累了大量的歷史數(shù)據(jù)。隨著GIS技術在國土監(jiān)測各個領域的廣泛應用，GIS應用人員對空間對象在時間中的發(fā)展變化的研究對求解相關空間問題顯得尤為重要[3][4]，如何將歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)勢性數(shù)據(jù)有效的存儲和管理起來，對于側重考慮地理實體空間特征的傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)模型已無法滿足上述要求。時空數(shù)據(jù)模型研究成為當前GIS研究的一個重要方向[5]。目前Geodatabase被很多學者作為建立時空數(shù)據(jù)庫的基礎平臺[6][7]，本文在研究Geodatabase面向對象的地理數(shù)據(jù)模型基礎上，提出了基于Geodatabase的多基態(tài)修正時空數(shù)據(jù)模型設計方案。

2 模型介紹

2.1Geodatabase數(shù)據(jù)模型

Geodatabase采用的是面向對象的地理數(shù)據(jù)模型，相較于傳統(tǒng)的層次數(shù)據(jù)模型、網狀數(shù)據(jù)模型和關系數(shù)據(jù)模型用于GIS地理數(shù)據(jù)庫的局限性，面向對象數(shù)據(jù)模型更加適用于GIS問題的求解。Geodatabase類型分為三種：文件地理數(shù)據(jù)庫、個人地理數(shù)據(jù)庫和ArcSDE地理數(shù)據(jù)庫，前兩者可作為本地地理數(shù)據(jù)庫使用，個人地理數(shù)據(jù)庫由于采用了Microsoft Access文件存儲和管理空間數(shù)據(jù)，因此存在2 GB的大小限制，三個地理數(shù)據(jù)庫中只有ArcSDE地理數(shù)據(jù)庫能支持多用戶的讀寫，且支持Oracle、Microsoft SQL Server等大型的數(shù)據(jù)庫。本文考慮到時空數(shù)據(jù)庫的簡單性、易用性和平臺獨立性采用了文件地理數(shù)據(jù)庫的存儲方式。Geodatabase對于矢量數(shù)據(jù)的存儲管理大致可以分為三個層次結構：地理數(shù)據(jù)庫、特征數(shù)據(jù)集、特征類，如圖 1：

地理數(shù)據(jù)庫可以包含多個特征數(shù)據(jù)集，每個特征數(shù)據(jù)集可以包含了多個特征類，這些特征類必須采用統(tǒng)一的空間參考，特征類存儲著地理實體的幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。

2.2多基態(tài)修正模型

本文采用多基態(tài)修正模型，主要思想是首先以研究區(qū)某一時刻的數(shù)據(jù)狀態(tài)作為基態(tài)，然后計算并存儲當前基態(tài)時刻以后的其他時刻數(shù)據(jù)相對于基態(tài)的變化量或差文件[8][9];隨著不同時刻數(shù)據(jù)變化量的存儲，當變化量積累超過系統(tǒng)設定的閾值時，將當前最新時刻的數(shù)據(jù)狀態(tài)設定為新基態(tài)，前一基態(tài)數(shù)據(jù)作為歷史基態(tài)數(shù)據(jù)，之后其他時刻數(shù)據(jù)的變化量以新基態(tài)為參考進行計算并存儲，模型如圖 2所示：

3 時空數(shù)據(jù)庫設計

3.1 時空數(shù)據(jù)庫邏輯組成

時空數(shù)據(jù)庫由特征數(shù)據(jù)集和表構成，特征數(shù)據(jù)集包含當前基態(tài)特征類和歷史基態(tài)特征類，以及各個時刻數(shù)據(jù)相較于指定基態(tài)數(shù)據(jù)的變化量特征類。為了能夠快速地進行不同時刻基態(tài)和變化數(shù)據(jù)的檢索，方便變化量的計算和某時刻數(shù)據(jù)的還原，還需要建立基態(tài)記錄表和變化量記錄表。

3.2表設計

當前基態(tài)、歷史基態(tài)特征類表結構雖然相同（見表 1），但是當前基態(tài)數(shù)據(jù)一段時間內會被頻繁調用，而歷史基態(tài)數(shù)據(jù)只有在數(shù)據(jù)還原時需要檢索和提取，因此為了提高檢索、提取以至計算的效率，本文將兩個特征類單獨存儲，否則將兩個特征類合二為一，將會降低當前數(shù)據(jù)庫的使用效率。BaseFcID表示某時刻基態(tài)的編號，在當前基態(tài)特征類中所有對象的基態(tài)編號都是一致的，而在歷史基態(tài)特征類中根據(jù)存儲對象的存在時刻不同而具有不同的編號。

變化特征類表（見表 2）存儲各個時刻的數(shù)據(jù)相對于指定基態(tài)的變化量，SuperObj和SubObj分別表示變化對象的父對象和變化后的子對象，ChangeID表示某時刻變化量數(shù)據(jù)的編號，從而區(qū)分不同時刻的變化量。

當前基態(tài)、歷史基態(tài)記錄表（見表 3）記錄了所有基態(tài)的開始時間和結束時間，當前基態(tài)的開始時間是確定的，但是結束時間未知，為了檢索方便賦予一個相較開始時間一個較大跨度的時間值。變化量記錄表（見表 4）記錄了用于變化量計算的某時刻數(shù)據(jù)的時間以及參照計算的基態(tài)編號。

3.3時空快照數(shù)據(jù)入庫和恢復流程

時空快照數(shù)據(jù)入庫步驟：

1） 根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的時間在基態(tài)、歷史基態(tài)記錄表檢索所屬時間段的基態(tài)編號;

2） 以基態(tài)編號為查詢條件在基態(tài)、歷史基態(tài)特征表中提取指定的基態(tài)數(shù)據(jù);

3） 計算相應基態(tài)數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)的變化量;

4） 將變化量數(shù)據(jù)存儲到變化量特征類中，并賦予相應變化編號及其他屬性信息，并在變化量記錄表中增加一行對應的記錄，完成入庫工作。

時空快照數(shù)據(jù)還原步驟：

1） 根據(jù)指定的時間在變化量記錄表中檢索最近的記錄，獲取對應的變化編號以及對應的基態(tài)編號;

2） 從當前基態(tài)或者歷史基態(tài)類中提取對應編號的基態(tài)數(shù)據(jù);從變化量特征類中提取對應編號的變化量數(shù)據(jù);

3） 依據(jù)變化量數(shù)據(jù)對相應基態(tài)數(shù)據(jù)進行還原，完成指定時間時空數(shù)據(jù)的恢復。

4 結論

在面向對象的地理數(shù)據(jù)模型Geodatabase中可以很簡單、方便、快速地實現(xiàn)多基態(tài)修正模型時空數(shù)據(jù)庫的設計和創(chuàng)建工作，也能較好地處理、存儲基態(tài)和變化數(shù)據(jù)，通過提供的強大檢索功能可以很快速地對歷史數(shù)據(jù)進行查找并復原特定時刻的數(shù)據(jù)，多基態(tài)修正模型能有效地克服傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫存儲歷史數(shù)據(jù)的冗余問題，極大地減少了存儲占用空間。

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【通聯(lián)編輯：王力】