基于Oracle Spatial 與Geodatabase的語義映射轉(zhuǎn)換模型在地籍權屬數(shù)據(jù)入庫中的應用

王雪嬌 宋學山 柴志勇 劉金玉

中水北方勘測設計研究有限責任公司，中國·天津 300222

Oracle Spatial；Geodatabase；地籍；入庫

1 引言

空間數(shù)據(jù)的存儲與管理往往是GIS 研究的重點，比較常用的空間數(shù)據(jù)存儲機制是ESRI 公司提供的面向?qū)ο蟮腉eodatabase 的空間存儲方案，這種空間存儲方式將客觀世界的實體對象抽象化實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的存儲，Geodatabase 能夠很好的再現(xiàn)客觀地理實體對象的特點，[4]但是Geodatabase 空間數(shù)據(jù)模型實際處于邏輯概念模型階段，實際應用中對空間數(shù)據(jù)的存儲依然是將屬性與規(guī)則分解進行存儲的。本文以Oracle Spatial 為空間數(shù)據(jù)庫，分析其數(shù)據(jù)模型特點并結合Geodatabase 數(shù)據(jù)模型搭建語義映射轉(zhuǎn)換模型，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的入庫預加載。

2 Oracle Spatial 空間數(shù)據(jù)模型

2.1 Oracle Spatial 的相關概念

甲骨文（Oracle）為實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的存儲于管理的方式是他們推出了Oracle Spatial 數(shù)據(jù)庫組件。Oracle Spatial 由以下幾個部分組成：（1）規(guī)定了支持的各種空間數(shù)據(jù)（包括矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)）幾何類型規(guī)范、元數(shù)據(jù)語義和存儲方法函數(shù)的模塊（MDSYS）；（2）空間索引機制；（3）用于執(zhí)行興趣區(qū)域查詢、空間連接查詢和其他空間分析操作的操作符、函數(shù)和過程；（4）用于表示在網(wǎng)絡中建模為節(jié)點和鏈接的功能或?qū)ο蟮木W(wǎng)絡數(shù)據(jù)模型；（5）用于處理拓撲中節(jié)點、邊和面的數(shù)據(jù)的拓撲數(shù)據(jù)模型[1]。

Oracle Spatial 是由一組對象數(shù)據(jù)類型、方法以及使用這些類型的運算符，函數(shù)和過程組成的數(shù)據(jù)庫組件，最新版本的Oracle Spatial 的矢量空間數(shù)據(jù)模型只有對象數(shù)據(jù)模型（SDO_Geometry）?？臻g索引創(chuàng)建和維護使用基本的DDL（CREATE，ALTER，DROP） 和DML（INSERT，UPDATE，DELETE）語句完成。

Oracle Spatial 旨在使位置啟用的應用程序和地理信息系統(tǒng)（GIS）應用程序的用戶更輕松，更自然地進行空間數(shù)據(jù)管理。一旦將空間數(shù)據(jù)存儲在Oracle 數(shù)據(jù)庫中，便可輕松操作，檢索數(shù)據(jù)，并將其與存儲在數(shù)據(jù)庫中的所有其他數(shù)據(jù)相關聯(lián)。

2.2 Oracle Spatial 矢量數(shù)據(jù)類型SDO_GEOMETRY

Oracle Spatial 擺脫了以序列化的二進制實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)存儲的方式，采用一個MDSYS 模塊，定義了一些結構化類型來實現(xiàn)幾何空間數(shù)據(jù)的存儲于管理。MDSYS 定義了很多空間存儲類型，比如，用于存儲Shapefile 等矢量數(shù)據(jù)格式的SDO_GEOMETRY 類型和用于存儲影像等柵格數(shù)據(jù)類型的SDO_RASTER 類型。

客觀世界的地理實體對象的幾何描述（空間參考、幾何坐標、幾何類型等信息）會作為對象存儲在Oracle Spatial中MDSYS 模塊的矢量數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)類型（比如SDO_GEOMETRY）當中。任何具有SDO_GEOMETRY 類型列的表都必須具有另一列或一組列，這些列或表定義了該表的唯一主鍵。這種表格有時被稱為空間表格或空間幾何表格。SDO_GEOMETRY 類型是空間數(shù)據(jù)在Oracle Spatial 存儲的關鍵所在，其中SDO_GEOMETRY 類型定義如下：

CREATE TYPE sdo_geometry AS OBJECT（

SDO_GTYPE NUMBER，//幾何數(shù)據(jù)類型標識

SDO_SRID NUMBER，//空間坐標系統(tǒng)標識

SDO_POINT SDO_POINT_TYPE，//單點幾何數(shù)據(jù)類型

SDO_ELEM_INFO SDO_ELEM_INFO_ARRAY// 坐標點的排列方式

SDO_ORDINATES SDO_ORDINATE_ARRAY）// 坐標點集合；

3 Geodatabase 的空間數(shù)據(jù)管理機制

Geodatabase（地理數(shù)據(jù)庫）數(shù)據(jù)模型是在汲取以往數(shù)據(jù)模型工作成果的基礎上，采用面向?qū)ο笏枷胩岢龅倪m合關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)模型[3]。在Geodatabase 中，每一個對象都定義了一個組件，允許用戶在這些基本數(shù)據(jù)模型的基礎上擴展自己的面向?qū)ο竽Ｐ?。Geodatabase 利用面對對象理論，將現(xiàn)實客觀世界共同特征抽象成Object Class（對象類）、Feature Class（要素類）、Relationship Class（關系類）和Feature Dataset（要素數(shù)據(jù)集）實現(xiàn)對地理實體對象的存儲和管理。地理實體對象一般包括空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，在Geodatabase中，對象類通過表（Table）實現(xiàn)非空間數(shù)據(jù)的存儲和管理；如圖1所示，Geodatabase 將幾何對象的數(shù)據(jù)和屬性通過要素進行存儲，而具有同一類要素的集合被稱為要素類；當不同的要素類之間存在某種聯(lián)系時，可以通過要素數(shù)據(jù)集來組織和管理這些要素類，而不同要素之間的關聯(lián)關系則用關系類描述[2]。

圖1 Geodatabase 的數(shù)據(jù)組織結構

Geodatabase 提供了Workspace（工作空間）充當空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的臨時容器，并提供了實例化現(xiàn)有數(shù)據(jù)集和創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)集的方法。如圖2所示，Geodatabase 可以利用Workspace 接口操作不同數(shù)據(jù)類型的Workspace Factory（工作空間工廠）實現(xiàn)對不同數(shù)據(jù)格式的空間數(shù)據(jù)的存儲和管理。比較常見的工作空間工廠有操作CAD 格式數(shù)據(jù)的CAD Workspace Factory、操作Shape file 格式數(shù)據(jù)的Shape file Workspace Factory、操作SDE 數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)的SDE Workspace Factory和操作coverage 矢量數(shù)據(jù)的ARC Info Workspace Factory。

圖2 利用Workspace 實現(xiàn)對不同ArcGIS 數(shù)據(jù)的操作

Geodatabase 不只是存儲地理實體對象的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，還將客觀世界的地理實體對象的行為、關系和拓撲規(guī)則引入到地理要素中，盡最大可能的模仿現(xiàn)實客觀地理要素對象。使得地理實體對象在空間數(shù)據(jù)庫的存儲不再是簡單的點、線、面幾何對象， 而更加接近人類對現(xiàn)實客觀世界的表達。而且Geodatabase 具備面向?qū)ο蟮目衫^承性和多態(tài)性，用戶可以基于已有的數(shù)據(jù)模型對象進行拓展構建出符合自身需求的數(shù)據(jù)對象。但是Geodatabase 空間數(shù)據(jù)模型實際處于邏輯概念模型階段，實際應用中對空間數(shù)據(jù)的存儲依然是將屬性與規(guī)則分解進行存儲的。

4 Oracle Spatial 與Geodatabase 的語義映射

客觀地理實體中，每一種地理要素被稱為要素類，要素類中通過屬性表的方式存儲地理實體的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的，而地理實體中的單個要素對象就是要素類屬性表中的一條記錄轉(zhuǎn)換到Oracle Spatial 中也是關系表中的一行數(shù)據(jù)。所以，Oracle Spatial 與Geodatabase 的語義映射過程實質(zhì)上就是要素類屬性表結構向Oracle Spatial 空間數(shù)據(jù)表結構的轉(zhuǎn)換。在建立Oracle Spatial 與Geodatabase 的語義建模過程一般包括：幾何類型的語義映射、空間坐標系的語義映射和字段類型的語義映射，如圖3所示。

圖3 Oracle Spatial 與Geodatabase 的語義轉(zhuǎn)換模型

4.1 幾何類型的語義映射

Geodatabase 的要素具有：幾何形狀、屬性、行為和關系等特性。要素具有表示幾何形狀和空間位置的特殊字段，名稱為“SHAPE”，字段類型為“Geometry”。ArcGIS 地理實體的幾何類型是通過esri Geometry Type 描述的。而Geodatabase 的幾何要素一般為點、線、面、多點（屬性相同的一組點的無序集合）和多面體。Oracle Spatial 通過SDO_Geometry 對象數(shù)據(jù)類型存儲空間對象的幾何描述（空間坐標參考、坐標點信息和幾何類型形狀），如表1所示，Oracle Spatial支持的點狀幾何類型（2001）映射到Geodatabase 的點要素對象（esri Geometry Point）；Oracle Spatial 中的由直線或曲線組成的多義線（2002）映射到Geodatabase的線狀要素對象（esri Geometry Polyline）；Oracle Spatial 中的由直線或曲線組成的封閉多邊形（2002）映射到Geodatabase 的線狀要素對象（esri Geometry Polygon）。

表1 SDO_GType 與esri Geometry Type 對照表

4.2 空間坐標系的語義映射

要素的幾何形狀是由一組結構化的x，y，z 坐標存儲的，這些坐標通過空間坐標系統(tǒng)與地球?qū)嶋H形狀相關聯(lián)。其中，地理坐標系是描述地理空間實體對象在理想化的地球橢球面上的位置的坐標系統(tǒng)（用B，L，H 表示）；而投影坐標系就是按照一定的投影方式（如高斯-克呂格投影）將地球橢球面轉(zhuǎn)換成二維平面并加上高程所形成的三維坐標系統(tǒng)（用x，y，z 表示）。Geodatabase 和Oracle Spatial 一般采用文本標志語言WKT（well-known text）記錄坐標系的中的元素信息（地球橢球，投影參數(shù)等信息），Geodatabase 都為每一個坐標系的確定一個唯一的WKID（Well-Know ID）值，而Oracle Spatial 通過定義一個唯一標識SDO_SRID 存儲坐標信息。

Oracle Spatial 將現(xiàn)有的比較常見的地理坐標系和投影坐標系的相關信息都定義到SDO_COORD_REF_SYSTEM 表，且表中存儲SDO_SRID 屬性數(shù)值的SRID 具有唯一性。通過查詢此表可以獲得Oracle Spatial 坐標系的SDO_SRID 的值，Geodatabase 也可以通過數(shù)據(jù)框?qū)傩灾械淖鴺讼但@得WKID 的值，將查詢結果進行對比得到表2和表3。

4.2.1 地理坐標系的語義轉(zhuǎn)換

以中國常用的地理坐標系為例查詢和對比WKID 和SDO_SRID 的值得到表2，通過表2可知，這些地理坐標系的WKID 值和Oracle Spatial 的SDO_SRID 有一定的關系但不是完全相等對應關系，而和Oracle Spatial 存儲空間參考信息的表中SOURCE_GEOG_SRID（下面簡稱S_SRID）列的值是對應相等的。所以地理坐標系的語義轉(zhuǎn)換，可以根據(jù)Geodatabase 的WKID 和Oracle Spatial 空間參考表中的S_SRID 列實現(xiàn)。

表2 常用地理坐標系的WKID 和SDO_SRID 的值

中國常用的投影坐標系一般是在地理坐標系的基礎上經(jīng)過高斯-克呂格投影按照不同的分帶方式投影得到的。不同地區(qū)不同經(jīng)緯度下的投影坐標系不盡相同，所以同一地理坐標系下的投影坐標系種類相對較多。本文對中國常用的地理坐標系下對應的投影坐標系隨機抽取幾個相對應的WKID 值并與Oracle Spatial的SDO_Srid的值進行對比得到如表3所示，通過表3發(fā)現(xiàn)，投影坐標系的WKID 的值與Oracle Spatial 的SDO_SRID 的值是對應相等的關系，所以投影坐標系可以通過WKID 和SDO_SRID 的值實現(xiàn)Oracle Spatial 向Geodatabased 的空間坐標系映射轉(zhuǎn)換。

表3 常用投影坐標系的WKID 和SDO_SRID 的值

4.2.3 自定義坐標系的語義轉(zhuǎn)換

Oracle Spatial 和Geodatabase 的空間坐標系大多都是基于EPSG 維護和發(fā)布的空間坐標參數(shù)數(shù)據(jù)集?；贓PSG 標準的空間坐標系雖然可以滿足基本用戶的使用，但對于一些特殊的情況往往需要創(chuàng)建自定義坐標系。關于自定義坐標系Oracle Spatial 和Geodatabase 對于空間參考的描述不僅相同，但它們的坐標系的都是基于WKT 的，所以可以以WKT 為橋梁，實現(xiàn)Oracle Spatial 和Geodatabase 自定義坐標系的語義轉(zhuǎn)換。

4.3 字段類型的語義映射

Oracle Spatial 于非空間數(shù)據(jù)類型和Oracle 數(shù)據(jù)庫的類型一樣。Oracle 支持的基本數(shù)據(jù)類型一般有字符串類型（CHAR，VarChar2），數(shù)值類型（NUMBER）、日期類型（Date，TimeStamp）和LOB 類型（用于存儲大數(shù)據(jù)）。Geodatabase是通過字段存儲屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的，字段的數(shù)據(jù)類型使用枚舉類型esriFieldType 表示。將Oracle 的基本數(shù)據(jù)類型與Geodatabase 的枚舉類型esriFieldType 進行對比得到如表4所示，通過此表可以知道Geodatabase 的字段數(shù)據(jù)類型與Oracle基本數(shù)據(jù)類型的對應關系，并實現(xiàn)Geodatabase 與Oracle 的字段類型語義轉(zhuǎn)換。

表4 Geodatabase 字段類型與Oracle 基本數(shù)據(jù)類型對照表

5 實驗和結論

以某地區(qū)的地籍權屬數(shù)據(jù)為例，結合ArcGIS Engine 的二次開發(fā)技術，開發(fā)地籍增量更新模型系統(tǒng)，并利用Oracle Spatial 和Geodatabase 的語義映射轉(zhuǎn)換模型實現(xiàn)地籍增量過程中的地籍權屬數(shù)據(jù)的入庫和加載。模型系統(tǒng)的主界面如圖4所示。

圖4 程序主界面

地籍權屬數(shù)據(jù)一般是一種屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)分離的CAD 數(shù)據(jù)，本次實驗中所用到的地籍權屬數(shù)據(jù)時DGN 格式的矢量權屬數(shù)據(jù)，可以通過FME 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術將DGN 格式的權屬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為屬性空間一體化的Shape file 格式的數(shù)據(jù)，并通過Oracle Spatial 與Geodatabase 語義映射轉(zhuǎn)換模型將地籍權屬數(shù)據(jù)導入到Oracle Spatial 空間數(shù)據(jù)庫中。地籍增量過程一般分宗地新增、宗地合并、宗地滅失、宗地分割和宗地公共邊界調(diào)整五種變更方式。每一種的變更過程中都會涉及到地籍權屬數(shù)據(jù)的入庫和加載，通過Oracle Spatial 和Geodatabase 語義映射轉(zhuǎn)換模型能夠直接操作Oracle Spatial 中不同時間段的地籍權屬數(shù)據(jù)實現(xiàn)地籍增量更新過程。通過本次實驗可以表明該模型能夠?qū)崿F(xiàn)點、線、面Shape file 格式的地籍權屬數(shù)據(jù)向Oracle Spatial 空間數(shù)據(jù)庫的入庫與加載。