三種關系型空間數(shù)據(jù)庫比較

趙 瑩，胡暢達，王國宇

（1．黑龍江第一測繪工程院，黑龍江 哈爾濱150025；2.黑龍江省國土空間規(guī)劃研究院，黑龍江 哈爾濱150025）

關于GIS的組成，可以研究四個方面：硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)和操作人員。空間數(shù)據(jù)在GIS的構(gòu)成中起著重要作用，因此擁有一個良好的數(shù)據(jù)庫是GIS成功的關鍵。數(shù)據(jù)庫的功能主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的存儲和管理上。在GIS中，用戶獲取的空間數(shù)據(jù)來自空間數(shù)據(jù)庫，因為地理信息系統(tǒng)具有空間分析能力。在對數(shù)據(jù)進行空間分析之后，將結(jié)果存儲在空間數(shù)據(jù)庫中。因此，空間數(shù)據(jù)庫在存儲空間數(shù)據(jù)方面也發(fā)揮著核心作用?？臻g數(shù)據(jù)庫是地理信息系統(tǒng)的核心，是地理信息系統(tǒng)發(fā)展的技術支柱。

空間數(shù)據(jù)的管理已經(jīng)通過某個階段從文檔演變?yōu)閿?shù)據(jù)庫。起初是初級式的管理模式，這種管理模式比較好理解，因為它是一一對應的形式，空間數(shù)據(jù)文件提供空間分析功能，屬性數(shù)據(jù)文件提供屬性處理功能。然后是混合管理模式，其中屬性數(shù)據(jù)由屬性數(shù)據(jù)庫管理。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)不同，某些數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)具有一層空間數(shù)據(jù)庫引擎，即SDE。在空間數(shù)據(jù)的存儲和管理中，出現(xiàn)了優(yōu)于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的擴展管理模式，因此ArcGIS具有許多傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中沒有的功能。

在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎之上，改進了空間數(shù)據(jù)存儲和管理的一些功能，形成了一體化的管理模式?？臻g數(shù)據(jù)的管理經(jīng)歷了從文件到數(shù)據(jù)庫的發(fā)展過程，使得空間數(shù)據(jù)庫不斷完善和創(chuàng)新。

空間數(shù)據(jù)庫可分為關系型和非關系型。關系，其實就是一個表。在組織數(shù)據(jù)的時候，所利用的模型是關系數(shù)據(jù)模型。所謂關系數(shù)據(jù)模型就是二維表格模型，例如“一對一”“一對多”“多對多”。關系數(shù)據(jù)模型是將數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)歸因為滿足某些條件的二維表的元素。這種數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲在磁盤上比較安全，因其建立在關系模型上，比較容易理解。但是，建在關系模型上就要遵循某些原則，因此不節(jié)省存儲空間。非關系型空間數(shù)據(jù)庫因存儲在內(nèi)存上，所以效率高，但是不安全。

關系型空間數(shù)據(jù)庫主要用于存儲空間數(shù)據(jù)，關系型空間數(shù)據(jù)庫加上了一層數(shù)據(jù)引擎，可以大大地提高用戶的查詢檢索速度，并且可以和特定的GIS平臺緊密結(jié)合。但是，擴展SQL很困難，并且很難共享數(shù)據(jù)并與數(shù)據(jù)進行互操作。除了與數(shù)據(jù)庫引擎結(jié)合的關系型數(shù)據(jù)庫之外，還有一個擴展的對象關系數(shù)據(jù)庫。擴展對象關系型數(shù)據(jù)庫支持抽象的數(shù)據(jù)類型和操作，主要的代表有Oracle的Oracle spatial和PostgreSQL的PostGIS等等。該模型將空間數(shù)據(jù)類型和相關功能集成到數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的內(nèi)核之中，允許用戶以擴展的SQL語言執(zhí)行操作。這樣，可以克服一般的空間數(shù)據(jù)庫的不足。

本文主要探討關系型空間數(shù)據(jù)庫，并且以Oracle spatial、PostGIS、MySqL GIS三種常見的空間數(shù)據(jù)庫為例，對這三種常見的空間數(shù)據(jù)庫進行比較。不同的空間數(shù)據(jù)庫雖然出自于不同的軟件公司，并且有各自的優(yōu)缺點，但是都有著相似的目標，就是更好地滿足用戶對于空間數(shù)據(jù)管理和使用的需要。

1 Oracle spatial

為了順應地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的需求發(fā)展起來的Oracle spatial是一個管理模塊，這個模塊是甲骨文公司提供的，用來管理空間數(shù)據(jù)，它是Oracle數(shù)據(jù)庫強大的核心功能，提供了一系列快速查詢和檢索空間數(shù)據(jù)的功能。它由幾何數(shù)據(jù)類型、空間索引機制、操作函數(shù)和管理工具組成。與傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫功能一樣，可以查詢、存儲、管理數(shù)據(jù)?？梢源鎯蜋z索簡單的點、線和面空間元素。Oracle spatial是一個引入了對象-關系數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫，因此它是一個關系型空間數(shù)據(jù)庫。在給定的應用領域中，實體和實體之間的連接集構(gòu)成關系數(shù)據(jù)庫。關系，就是一個表，因此空間數(shù)據(jù)就可以存儲在關系表中，每個表格都包含了行和列，其中，列用來表示數(shù)據(jù)種類，行用來表示數(shù)據(jù)實體。因此，在創(chuàng)建一個關系型空間數(shù)據(jù)庫時，可以進一步約束行和列。Oracle spatial定義了一種字段類型SDO-GEOMETRY（可以自定義），也可以單獨存儲在表中的某一列中。因此，Oracle spatial在管理空間數(shù)據(jù)時可以依賴屬性字段，空間屬性字段可以作為空間表區(qū)別于其他表的標志。同一層的空間對象存儲在同一個關系表中，空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)可以同時存儲，實現(xiàn)了一體化存儲。

在查詢方面，Oracle spatial的查詢性能優(yōu)異，因為Oracle spatial的空間數(shù)據(jù)庫引擎中具有空間索引功能，這極大地提高了用戶對于某個問題的查詢效率?？臻g索引用于提高空間數(shù)據(jù)的查詢效率，可以看成是普通樹查詢的演化。在建立空間數(shù)據(jù)庫的索引時，Oracle spatial提供了兩種選擇，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇索引方案，這些方案基于線性四叉樹和參照樹。如果使用四叉樹索引來查詢空間數(shù)據(jù)，當空間對象分布不均勻時，會因為不均衡而使得查詢的速度變慢，因此，通常選擇基于參照樹的索引方案?？臻g索引的建立，一般在外部建立好了關系表后就可以建立了。Oracle是可擴展的，Oracle spatial是利用Oracle的可擴展性，將查詢處理的接口和空間索引的創(chuàng)建與引擎緊密結(jié)合在一起。

無論是矢量數(shù)據(jù)還是柵格數(shù)據(jù)，Oracle spatial都能存儲。矢量數(shù)據(jù)包括點、線串、多邊形、弧段、弧段多邊形、復合多邊形、圓形等。以控制點數(shù)據(jù)存儲為例，首先建立一個表，用來存儲控制點數(shù)據(jù)，向此表中添加空間數(shù)據(jù)。最后，將控制點數(shù)據(jù)依次就行入庫，入庫時可以使用第三方工具。

Oracle spatial為空間查詢和空間分析提供了一系列功能。因為，雖然添加空間數(shù)據(jù)庫引擎使得數(shù)據(jù)管理的效率大大提高。但是，當數(shù)據(jù)量特別大的時候，就必須依賴空間索引來查詢空間數(shù)據(jù)。而依賴索引的函數(shù)可以快速縮小計算的范圍，然后通過空間分析函數(shù)計算出想要的結(jié)果。

作為Oracle數(shù)據(jù)庫的一個組成部件，Oracle spatial可以執(zhí)行操作，例如索引、存儲和分析Oracle數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)。在管理空間數(shù)據(jù)時，Oracle spatial依賴于元數(shù)據(jù)表，空間屬性字段和空間索引，并在此基礎上提供了一些函數(shù)，這些函數(shù)具有查詢和分析功能。使用Oracle spatial來管理空間數(shù)據(jù)，這些被管理的數(shù)據(jù)更容易實現(xiàn)共享，具有低成本、低風險的優(yōu)點。在使用方面，操作起來特別簡單，與標準SQL操作類似。這樣可以統(tǒng)一管理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，為空間數(shù)據(jù)的管理帶來了極大的便利。

2 P ostGIS

PostGIS是一個強大的對象-關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。它由加利福尼亞大學伯克利分校領導開發(fā)，功能強大，特性豐富并且性能穩(wěn)定。PostgreSQL具備一些空間功能：定義了一些基本的集合實體類型，對于幾何類型的操作和運算定義了一些函數(shù)和操作符，并引入了空間數(shù)據(jù)索引。然而，PostgreSQL缺乏復雜的空間類型，不能提供空間分析功能，也不能提供投影變換等功能，因此提供的空間特性還不能達到要求。這些問題導致產(chǎn)品復雜、性能低下，PostGIS所添加的存儲管理空間數(shù)據(jù)的能力是PostgreSQL所不具備的，可以說PostGIS是PostgreSQL的擴展，可以執(zhí)行空間索引并提供空間操作功能。PostgreSQL缺乏復雜的空間類型，無法提供空間分析和投影變換等功能。

開發(fā)PostGIS的公司最開始研究PostgreSQL的空間數(shù)據(jù)庫。但是，PostgreSQL的功能是有限的，所提供的空間數(shù)據(jù)類型、空間數(shù)據(jù)功能遠遠不能滿足地理信息系統(tǒng)的技術需求。也就是PostgreSQL的這些缺陷與不足，促使了Post－GIS的產(chǎn)生。簡而言之，PostGIS增加了對PostgreSQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)升級到空間數(shù)據(jù)庫的一些功能的支持。PostgreSQL有著自由和開放的源代碼，因為PostGIS是建立在PostgreSQL之上的，所以自動繼承了PostgreSQL的開放性源代碼標準。PostGIS這樣一個插件，讓PostgreSQL不斷地發(fā)展壯大，變成了一個強大的空間數(shù)據(jù)庫，讓PostgreSQL具有了地理信息系統(tǒng)特有的函數(shù)。

無論是什么類型的空間數(shù)據(jù)，PostGIS都支持，幾乎包含了所有類型。例如：點、線、多邊形、多點、多線、多多邊形。也支持所有的數(shù)據(jù)存儲和構(gòu)造方法。PostGIS提供的空間分析函數(shù)有簡單的也有復雜的，例如Distance。還提供了對于元數(shù)據(jù)的支持，也提供了相應的支持函數(shù)。PostGIS提供的空間操作符可以用于空間數(shù)據(jù)的操作，例如Union和Difference。兩個相互重疊的多邊形，通過Union的操作，形成一個新的多邊形。PostGIS提供的二元謂詞，可以用來監(jiān)測空間對象之間的空間關系，對于關系的表示，用布爾數(shù)值來表示。

除了固有的特性之外，PostGIS還有許多額外的功能。例如，可以將數(shù)據(jù)庫中的坐標從一個坐標系變換到另一個坐標系中。提供的坐標變換使得積累類型的程度計算成為可能，可以對球體的長度進行計算。執(zhí)行所有數(shù)據(jù)操作的函數(shù)稱為集聚函數(shù)，PostGIS提供了空間集聚函數(shù)，比如Sum函數(shù)用來求解數(shù)據(jù)總和，Average函數(shù)用來求取某一屬性列的數(shù)據(jù)平均值，空間集聚函數(shù)不同的就是，它的操作對象是空間數(shù)據(jù)。PostGIS具有一種新的數(shù)據(jù)類型片，并且可以控制片的大小，因而可以實現(xiàn)快速的訪問，可以存儲大的柵格數(shù)據(jù)。對于圖片的存儲，也是先將要存儲的相片按照一定的像素數(shù)值進行切分，再存儲到相應的數(shù)據(jù)庫中。

隨著技術的不斷進步，各行業(yè)與地理信息的聯(lián)系不斷加深，在地理信息系統(tǒng)的組成中，地理空間數(shù)據(jù)是重要的組成部分。如果建立的空間數(shù)據(jù)庫在存儲和管理空間數(shù)據(jù)方面是高效率的，那么地理信息系統(tǒng)的技術便實現(xiàn)了。一般大型商業(yè)數(shù)據(jù)庫成本都很高，并且有著許多的限制性問題。PostgreSQL具有豐富的數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)安全并且開源免費，并結(jié)合了PostGIS空間數(shù)據(jù)引擎擴展，特別適合管理地理空間數(shù)據(jù)。

3 MySqL GIS

MySqL由瑞典公司開發(fā)，也是一個關系型空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，是Oracle的產(chǎn)品。它在關系型空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中非常流行，具有體積小、速度快、總體的成本低等優(yōu)點。最重要的是MySQL具有開放源碼的特點，即源代碼公開，意味著不需要用戶支付額外的費用，這大大降低了其總體擁有成本。就是因為具有開放源碼這一特點，任何人都可以在許可下下載并根據(jù)需要達到的目的對其進行修改，因此MySQL特別受開發(fā)人員的歡迎，很多開發(fā)人員都選擇了MySQL作為網(wǎng)站的數(shù)據(jù)庫。MySQL支持多種操作系統(tǒng)，可以用多種編程語言進行系統(tǒng)的編寫，例如C語言、C++語言、Java等，同時使用多種編譯器進行測試，保證了源代碼的可移植性，即所編寫的代碼可以在多個系統(tǒng)中運行。因此，用戶可以選擇已編程的客戶機程序，或根據(jù)自己的需要編寫自己的客戶端程序。

MySQL具有三種應用架構(gòu)，分別為單點（Single）、復制（Replication）和集群（Cluster）。其中，單點架構(gòu)適合小規(guī)模應用，復制架構(gòu)適合中小規(guī)模應用，集群架構(gòu)適合大規(guī)模應用。

對于數(shù)據(jù)的存儲，因關系數(shù)據(jù)是存儲在表中的，而不是同時存儲在一起。這樣的存儲方式，靈活性很強，同時也提高了速度。MySqL還使用了結(jié)構(gòu)化查詢語言SQL，以這種最常用的語言訪問數(shù)據(jù)庫。

如果要將MySQL與其他關系型空間數(shù)據(jù)庫進行比較的話，首先考慮的應該是相對來說比較重要的性能、特性、認證條件和約束條件、價格等等方面。MySQL對于大多數(shù)的個人用戶來說是免費的，簡單易用，性能很高的同時相對簡單，與其他的更大的系統(tǒng)比較起來，MySQL的復雜程度較低。在性能方面，多個用戶可以同時使用同一個數(shù)據(jù)庫，一個服務器可以承載許多個客戶端。MySQL的運行速度更是優(yōu)于其他數(shù)據(jù)庫。

除了體積小、速度快、總體擁有成本低之外，MySQL還有很多其他的優(yōu)點。完全的多線程編程是MySQL的關鍵所在，使用戶操作起來特別靈活。支持大型數(shù)據(jù)庫，可以運行大量記錄。MySQL作為一個開源代碼的數(shù)據(jù)庫，在實際的工作中，可以根據(jù)不同的應用進行相應的更改。具有強大的空間查詢功能，MySQL支持查詢的運算符和函數(shù)，并且可以在同一查詢中混用來自不同數(shù)據(jù)庫的表，從而使查詢變得快捷和方便。與Oracle相比，MySQL屬于中小型數(shù)據(jù)庫，市場占有率沒有Oracle高，但是在價格方面，MySQL的價格要優(yōu)惠于Oracle。

對于以上三種數(shù)據(jù)庫的簡單比較，可以知道，Oracle spatial適用于大型企業(yè)，而MySQL和PostGIS適用于中小型企業(yè)。PostGIS最大的特點就是其源代碼公開，降低了用戶的使用成本。MySQL是完全免費的。所以，在管理數(shù)據(jù)時，用戶應根據(jù)自己的需要進行選擇，可以根據(jù)自己要達到的目的入手，揚長避短。不同的數(shù)據(jù)庫有著各自的特點，沒有絕對的優(yōu)勢和劣勢。要相信，隨著技術的不斷進步和提高，不同的數(shù)據(jù)庫在管理和查詢方面一定會不斷完善，向著更加高級的方向發(fā)展。