浅析GIS空间数据库

·北京测绘·2011年第2期

［收稿日期］2011－1－31

［作者简介］郭文格（1973—），男，汉族，辽宁庄河人，工程师，现从事工程和地籍测量、地理信息（GIS ）与房地产测绘工作。

浅析GIS 空间数据库

郭文格

汤志华李庆耀

（大连市房地产档案馆

大连市房地产测绘中心，辽宁大连116011）

［摘

要］空间数据库是GIS 的核心。GIS 所涉及的主要是空间数据，所以对于GIS 数据库的大量研究

都跟空间数据结构和管理模式相关。该文分析了GIS 空间数据的特征及其对数据库管理系统的要求，探讨了几种GIS 空间数据的管理模式。

［关键词］地理信息系统；SDE ；空间数据库；面向对象数据库［中图分类号］P208

［文献标识码］B

［文章编号］1007－3000（2011）02－4

1概述

地理信息系统（GIS ，

Geographical Information Sys-tem ）在国民经济各领域有着广泛的应用，特别是

“数字地球”的提出，引起了各国政府的高度重视。这也使得地理信息系统理论面临着前所未有的挑战。关键性的技术问题之一是GIS 空间数据模型的完备性和适应性问题。实践表明，

对现有空间数据模型认识和理解的正确与否在很大程度上决定着GIS 空间管理系统研制或应用空间数据库设计的成败，而对空间数据模型的深入研究又直接影响着新一代GIS 系统的发展。因此，现在的GIS 软件都在朝集成结构的空间数据库技术方向发展，将空间数据和属性数据全部存储在数据库中。在目前的采用集成结构的商用空间数

据库软件中，

应用最广泛的当属Esri spatial database engine （SDE ），它能将各种数据存放在关系数据库或

对象关系型数据库管理系统中。另外，由于面向对象数据库更适合于存储多维的空间数据和多媒体数据，并适合各种数据的复杂表示，许多科研机构都在进行将所有数据集成于面向对象数据库的研究。

2空间数据的特征

空间数据除了具有一般数据的特征（如选择性、可靠性、时间性、完备性、详细性及综合性等）之外，还

具有一些区别于其他数据的特性。构成空间数据的特征主要有以下几点：1.空间性：空间性是空间数据

的主要特征，

空间数据描述的是空间实体的位置、形态，甚至包括需要描述实体的空间拓扑关系等。空间

性是空间数据区别于其他一般数据的重要标志。2.抽象性：空间数据是现实世界中的地物和地貌等特征的抽象描述。由于现实世界的复杂性，在进行数字描述时必须进行抽象，

不同主题的空间数据库，人们关心的内容也有差别。抽象性的过程是人为地取舍数

据的过程，也正是这一过程使得数据产生了多语义的

问题。3.多尺度与多态性：不同的观察尺度使得对被观察的实体的描述具有不同的比例尺和不同的精度，同一实体在不同的情况下也会有形态差异。4.多时空性：空间数据具有很强的时空性，一个空间数据库系统中的数据源中既有同一时间不同空间的数

据系列，

也有同一空间不同时间序列的数据。不仅如此，

空间数据库会根据系统需要而采用不同尺度对地理空间进行表达。空间数据是包括不同时空和不同尺度数据源的集成。5.数据量特别大：地理系统是一个复杂的综合体，要用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位置，其数据量往往很大。

3传统数据库与空间数据库的比较

空间数据由于它本身的特征，用传统的数据库来管理时，

存在着以下的一些弊处：1、传统数据库管理的是不连续的、相关性较小的数字或字符，而空间数据是连续的，并且有很强的空间相关性。2、传统数据库管理的实体类型较少，并且实体类型之间通常只有简单的、固定的空间关系，而空间数据的实体类型繁多，实体之间的空间关系较为复杂。3、传统数据库系统存储的通常为等长记录的数据，而空间数据通常由于描述对象的不同而具有变长记录，并且数据项也可能多而复杂。4、传统数据库系统只操作和查询数字和文字信息，而空间数据的管理中需要大量的空间数据操作和查询。

4GIS 空间数据管理的要求

GIS 的一项重要功能就是具有空间分析功能。建立空间分析功能，不仅软件要有空间分析模型，而且其数据库必须支持空间分析功能，即数据库储存了拓扑关系的数据，

通常空间拓扑数据与图形数据是合二为一的。GIS 要求在数据库内部必须能够很好地

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进行数据通信和协调，否则极易造成数据库混乱。同时，GIS软件要求具有强大的信息检索和分析功能，这是建立在其数据库强大支持的基础上，需要高效访问大量数据，特别是一些图形影像等数据。

5空间数据库的管理模式

5．1传统的GIS数据管理模式

传统的GIS将空间数据或属性数据分开管理，空间数据用文件系统管理，属性数据用关系数据库（RDBMS）管理，通过内置的属性数据库，将图形与数据库进行关联，实现属性到图形或图形到属性的双向查询。对空间数据的管理无法满足客户/服务器的环境下多用户共享、安全性、完整性、一致性、并发控制等要求，不适合管理海量、网络级的GIS信息系统。

●图形存储方式落后。商业大型数据库已经趋于完善，将GIS与商业数据库结合，成为数据库和GIS界研究的热点之一。传统的文件存储方式只适于单机操作，难以在网络上进行传输、共享，已经束缚了GIS的发展。由文件存储方式转到数据库管理方式已经成了GIS发展的大势所趋。

●数据的安全性难以保证。从GIS的发展来看，基于文件的空间信息存储方案只能是GIS发展中的过渡性方式，这种方式的缺点就是其安全性能差。一般来说，数据文件的安全是由操作系统来完成的，这就使以文件存储的空间信息难以有安全保证。

●数据访问效率低。基于文件的GIS图形数据存储方式，在对其图形对象进行操作时存在以下几个方面的问题：①多用户下进行编辑时的数据锁定较为困难；②在进行插入和删除时，首先要判定当前对象涉及数据的存储位置，而后对其后面的存储数据作相应移动，这在一定程度上降低了数据访问和操作的效率；③在进行空间数据检索时，其执行效率远不如对关系数据库进行检索的效率。数据共享和网络化是GIS致力发展的两个重要方面，但基于文件的GIS图形管理在这两方面显得都比较欠缺，而关系数据库在这些方面却有着极为明显的优势：①数据安全性具有必要的保证；②数据传输和数据共享容易实现；③记录锁定、并发控制和安全恢复得以实现等。这些特点能有效地克服以往地理信息管理系统中的若干缺陷，以保证对数据的有效管理。

5．2关系型的数据库管理模式

综上所述，解决系统中图形数据与属性数据的无缝结合，把空间数据与非空间数据结合成一体化的数据结构并建立相应的面向对象数据模型不仅将成为GIS领域的一个技术发展趋势，而且也是当前信息系统在实施中所要求的一项技术。采用数据库管理土地利用空间数据能够真正实现空间数据与非空间数据一体化的无缝集成，解决土地利用空间数据的时态问题和多时态海量土地利用数据管理问题，建立满足土地资源管理需要的GIS应用系统，真正为决策提供科学依据。地籍图、宗地图等图形数据与其属性数据和各种文档资料（各种报表、批件、表单等）在实质上存在着紧密联系。只有在系统设计时从根本上充分考虑其内部关联并实现一体化管理才能符合土地管理的现代化需要，才能保证整个系统的先进、高效和实用。

目前空间数据引擎技术流行的做法是以当前的关系数据库为基础，进行扩充和完善。在数据存储和组织上，将空间数据项作为单独的列加入到关系数据库的表，用户可像通常那样对表中数据进行查询、合并等，还可以进行由空间数据查属性和由属性查目标的空间分布等操作。这些空间查询操作都可以在服务器端进行，满足查询条件的数据在服务器端缓冲存放并返回给客户端，这种缓冲存放的方法降低了网上负荷，提高了效率。在数据查询和访问上，采用标准的SQL 命令来访问和操作数据（包括对数据的增、删、改）。

5．3面向对象的空间数据模型（Geodatabase）

（1）面向对象的基本思想：面向对象的基本思想是对问题领域进行自然的分割，以更接近人类通常思维的方式建立问题领域的模型，以便对客观的信息实体进行结构模拟和行为模拟，从而使设计出的系统尽可能直接地表现问题求解的过程。在面向对象的数据库系统中具备的特性有：①数据抽象。它应能开发和使用灵活的、逻辑上复杂的抽象数据类型。②较强的信息模拟能力。为了适合模拟以及其他的一些用途，现实世界中实体的结构和行为在计算机环境中被描述为类和对象。③对象标识。为了实现数据的共享，系统为对象定义并维护唯一的对立于对象本身的内容和地址的标识符。④封装性、继承性和多态性。作为面向对象的三大主要特征，当然系统中得到了很好体现。⑤主动（智能）数据。过程与数据的封装使系统具有推理能力，并具有一致性和有效性，这也就增加了数据库定义智能操作触发器的能力。⑥消息传递。对象之间的交互是通过消息激活对象中的方法来体现的。这个特性增强了系统的模拟能力。⑦计算完整性。系统在计算上应该是完整的。⑧可扩充性。系统提供的操作、结构和约束不是固定的，用户可以在应用中增量地定义新的操作和类型。

（2）面向对象数据库系统的实现方式：面向对象数据库系统采用面向对象的数据模型，其实现方式主要有以下三种：①扩充面向对象程序设计，在其中增加DBMS的特性②扩充RDBMS，在其中增加面向对象的特性③建立全新的支持面向对象的数据库模型。

目前的数据库还是以关系型数据库为主，数据库产品的下一代着重转向基于面向对象的数据库。这就意味着，数据库的某一字段将不再只存储简单的数

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据类型，而可以是一个包含了对象属性，并定义了其行为的数据。这种数据库模型恰恰适合于描述GIS 数据之间的空间拓扑关系，将原来由GIS定义的空间数据关系转而存入数据库，并由数据库来维护，这样似乎会显得更加自然一些，更加接近于MIS系统。

面向对象技术的数据抽象技术提供了实现纵向空间关系的解算能力，但对横向的空间关系的解算能力较差。所以即使利用面向对象的方法完成了GIS 的空间对象定义，并实现了对象的分类、联合、概括和聚合，类的继承、封装、聚集等，但在空间关系的构造和空间计算的模式确定方面仍然缺乏具有全面指导面向对象GIS空间模型的理论。

虽然面向对象的方法给GIS系统设计和功能实现带来了前所未有的方便与快捷，但是仅有面向对象的模型或方法是不够的。面向对象的空间数据模型应该是GIS空间数据模型的一部分。但需要强调的是

，

图1Geodatabase 面向对象程序设计方法是实现GIS系统和计算的最重要的方法。面向对象的数据模型是一种抽象的数据模型，具有可扩性，可以模拟和操纵复杂对象。如图1所示。

6结束语

在地理信息系统（GIS）的集成环境中，数据库被GIS系统平台完全封装，并且在同一进程中对数据库进行操作，效率较高；不仅具有图形显示、编辑处理功能，而且提供了强大的空间分析能力，通过内置的属性数据库，将图形与数据库进行关联，实现属性到图形或图形到属性的双向查询。但是，内嵌数据库缺乏商业数据库所拥有的开放性、一致性、安全性和标准化等一系列重要特性，不适合管理海量、网络级的GIS信息系统。本文探讨了GIS中空间数据的管理模式，近年来迅速发展的空间数据库技术使得GIS空间数据和属性数据可以统一由大型商业数据库存取和管理，大大促进了GIS及其应用的发展。ESRI公司的SDE是目前应用最为广泛的空间数据库软件，它将空间数据和非空间数据集成在通用的DBMS中，使得空间数据得到有效的管理。SDE中的数据采用无缝数据连接方式，使得数据的检索效率大大增强。SDE采用的先进技术，对我们开发自己的空间数据库系统是很好的借鉴。

参考文献

［1］汤国安、赵牡丹．地理信息系统［M］．北京：科学出版社．

［2］李爱勤，龚健雅，李德仁．大型GIS地理数据库的无缝组织［J］．武汉测绘科技大学报．

［3］刘仁义，刘南，苏国中．图形数据与关系数据库的结合及其应用［J］．测绘报．

Superficial Analysis of Geographical Information System Spatial Database

GUO Wen-ge TANG Zhi-hua LI Qing-yao

（Dalian Archives on Real Estate，Dalian Center of Surveying and Mapping on Real Estate Dalian，Liaoning116011，China）Abstract：The Spatial database is the core of Geographical Information System．The spatial data is the primary part in the Geo-graphical Information System，The base of Geographical Information System is a lot of research on the structure and administration of spatial data．The character and administration system of spatial database is analyzed in this character．Many management modes of spatial database are discussed in the paper．

Key word：Geographis Information System；SDE；spatial database；oberjict oriented database

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