基于ArcSDE的空间数据库的研究-职称论文发表

基于ArcSDE的空间数据库的研究

郑伟1 吴康2

摘要：关键词：ArcSDE 数据库 Oracle Spatial

研究背景及意义

近年来，随着理论和空间数据库的发展，地理信息系统（GIS）的应用己经渗透到社会的各个领域，如在测绘规划、城市交通管理、管线管理、环境整治、大型工程调度管理等领域，同时，随着遥感、等先进技术的迅猛发展使得系统所面临处理的数据量趋于海量，从而对于以空间数据处理和分析为核心的地理信息系统来说，对系统中空间数据的管理、表达和评估也变得越来越重要，如何有效的组织和管理中的空间数据，充分发挥空间数据的作用是系统优劣的前提和关键，它将直接影响到各种实际应用的性能。空间数据不仅数据量大，而且数据结构十分复杂，随着应用范围的扩大和的迅速发展、普及，应用开始逐渐向分布式的管理系统领域转移，而原有的混合式空间数据管理模式在实现数据共享、网络通信、并发控制及数据的安全性等方面存在着极大的缺陷，因此寻求一种将属性数据和空间数据进行一体化管理的有效模式己经成为未来发展的必然趋势[1]。

空间数据库中数据存储经历的三个阶段是:拓扑关系数据存储模式、Oracle Spatial模式和ArcSDE模式[2，3]。拓扑关系数据存储模式将空间数据存在文件中，而将属性数据存在数据库系统中，二者以一个关键字相连。这样分离存储的方式由于存在数据的管理和维护困难、数据访问速度慢、多用户数据并发共享冲突等问题而不适用本系统。而Oracle Spatial实际上只是在原来的数据库模型上进行了空间数据模型的扩展，实现的是“点、线、面”等简单要素的存储和检索，所以它并不能存储数据之间复杂的拓扑关系，也不能建立一个空间几何网络。ArcSDE解决了这些问题，并利用空间索引机制来提高查询速度，利用长事务和版本机制来实现多用户同时操纵同一类型数据，利用特殊的表结构来实现空间数据和属性数据的无缝集成等等。

二、空间数据库的国内外研究现状

目前，对空间数据管理的研究的一个方向是在商用数据库系统的基础上进行扩展，开发出空间数据引擎作为原有数据库系统和应用系统的中间层，实现对空间数据的管理，如国外ESRI公司的ArcSDE和国内超图公司的SuperMap SDX+等。另一方向是以Oracle公司为代表的，高度集成的空间数据管理体系结构空间Spatial组件，使得其中的矢量空间数据和属性数据能够在Oracle Spatial的对象关系模型中一体化存储和管理。

使用大型关系数据库来一体化管理空间数据和业务数据，已经成为GIS应用发展的主流。Oracle Spatial和ArcSDE是目前较为流行的利用关系型数据库存储和管理空间数据的商用软件，二者都是通过改造传统的关系型数据库，使之能够存储和管理空间数据[4]。但二者所走的技术路线略有不同：Oracle Spatial把纯关系型数据库改造为对象关系型数据库，在数据类型中添加SDO_GEOMETRY类型，把空间信息作为一个字段存储；而ArcSDE则利用多张关联的表来把空间数据存储到纯关系型数据库中，二者在实际应用中都得到了广泛的应用，在实际应用中应当如何选择这两个软件是一个不容回避的问题[5]。

两者的优缺点对比如下：

通过以上的一些对比，可以看出，ArcSDE虽然是采取对关系数据库进行扩展来进行空间数据的储存和管理，但它避开了对已经相对成熟的商业的关系数据库的整体修改，而是立足于从GIS的专业角度来丰富自身的功能，它一直处于市场的主流地位。所以，本论文的主要研究方向将主要针对ArcSDE。

三、基于ArcSDE的空间数据库的研究概况

1.空间数据库引擎负责处理空间数据模型与关系数据模型之间的映射。

从空间数据管理的角度来看，ArcSDE可看成是一个连续的空间数据模型，借助这一模型，我们可将空间数据加入到关系数据库管理系统中去。空间数据引擎只提供存储、读取、检索、管理数据和对数据的基本处理等功能，不负责进行空间分析和复杂处理。但是基于第三方API开发的引擎可以提供更多的功能，即ArcSDE只负责底层的数据管理问题，而上层的应用功能需要在它的基础上开发。

最初的基础地理空间数据管理模式为混合型，即利用文件系统进行空间数据的管理，属性数据则采用关系型数据库管理。这种模式主要通过文件系统和属性数据库中相同字段作为关联，来实现整个数据库的管理操作。在这种模式中，空间信息基于文件系统的图形存储，而属性信息采用关系型表管理。通过用公共字段来从外部实现图、文的协同操作。此模式虽解决了传统数据库和空间数据之间的关联，但在大型数据库建设中由于从外部进行图形和属性的关联，局限性较大。随着GIS技术的发展，全关系型数据库及其SQL访问语言己成为信息领域进行信息存储、操作及访问的标准。自全关系型数据库通过加入空间数据字段等方法，将属性和空间图形数据统一存储于关系型数据库的二维表中以来，全关系型数据库已成为地理空间数据库建设的主要模式，它主要由数据库主体关系型和基于关系型数据库环境的空间数据引擎或构成。此模式从内部管理整个空间及属性数据，稳定性与效率较高。

在空间数据库引擎产品中，ESRI公司推出的ArcSDE是性能较为稳定的产品，能支持Oracle，MSsqlSever，Infomix，IBM DB2等主流数据库管理系统。SuperMap也于2007年发布其新一代空间数据库引擎SDX+2008版，能存取和访问海量空间数据。

2. 基于ArcSDE的空间数据库的研究思路

理论研究主要包括认识SDE模式和一体化模式的异同；如何建立SDE数据模型；如何确定SDE数据存储模型；如何解决SDE数据索引问题 。

相关技术的实现主要结合酒厂应急系统。酒厂的主要生产原料和产品大多是可燃、易燃物质，而且大量的发酵容器和储酒罐都处在高温高压状态下，受到火情影响时，很容易发生爆炸，危害性很大，加之生产生活中各种新设备、新工艺、新材料的应用日益普及，稍有不慎，就可能发生各种安全问题。所以，酒厂应急系统的一大特点是对安全措施的要求严格，尤其当危险发生时，由于潜在的危害性大，特别需要厂外的市政消防、医疗等设施的支持，在通过厂内已有安全措施进行应急控制的同时，需要尽快调度厂房周边应急力量。

酒厂应急系统的主体目标是当酒厂发生突发事件时，为快速、准确的做出决策，提供有力的支持，力图将其损失减少到最小。首先，通过事先的测量和计算，将酒厂的安全设施（如：灭火器、消防管道等）、潜在危险源（如：电力管线等）以及附近的消防安全力量（如：消防站和医院等）和道路交通图等相关的空间数据和属性数据准备好，根据一定的数据模型进行存储建库，此时的数据库系统应该能够支持酒厂安全设施和危险源信息的检索和查询。然后，在模拟危险源发生危险时，空间数据库必须能够快速检索到危险源所在地的各项信息，并及时匹配出酒厂内外的相应应急力量，给出相应的应急措施，对厂外的应急力量，根据道路交通图给出最佳路径和最快应急时间。该系统由三部分组成：第一部分为客户端，拟采用B/S和C/S相结合的方式，对于属性数据和空间数据的存储、编辑、显示、查询、空间分析等操作通过.NET+AO进行定制。此模块可以为ArcIMS数据发布提供数据源，也可以直接作为ArcIMS的客户端与ArcIMS进行交互。利用ArcIMS实现B/S模式，为客户提供决策支持。利用.Net + ArcIMS开发实现。在浏览器端，客户可以直接观察到厂房的管线分布，应急资源分布，事故发生地点，事故影响范围以及应急解决方案等，为其决策提供支持；第二部分，借助ArcSDE模型，将空间数据加入到关系数据库管理系统中去。提供对空间数据的存储、读取、检索、管理和一些基本处理等功能；第三部分，利用SQL关系数据库对空间数据和属性数据进行存储和管理，为系统的查询和检索提供底层支持。

通过对空间数据库的理论研究，首先，可以对基于SDE的扩展模式，以及Spatial一体化模式有着更深刻的认识，能够区别两者在结构和应用上的区别，能够为在不同应用上如何选择相适应的模式提供支持，对未来的空间数据库的相关技术提出展望和预测。其次，可以了解基于ArcSDE的数据组织模式，针对具体的问题所采用的不同的检索算法，以及构建一个良好的空间数据库所要具备的条件。

通过对空间数据库的实现，研究基于ArcSDE的空间数据同属性数据结合的具体实现，可以确定ArcSDE同商用关系数据库的结合和支持情况，确定和优化空间数据库的系统布置，可以对日后的GIS行业的系统开发提供更多的技术支持。

3.空间数据库的理论研究

 

图2 空间数据库的理论研究示意图

应急系统空间数据库的实现：

图3应急系统空间数据库的实现示意图

四、主要工作量

1、掌握现今空间数据库的相关技术，特别是分别基于ArcSDE和Spatial一体化模式的空间数据库平台，深入了解两种平台的结构，列出不同之处和应用范围。

2、针对基于ArcSDE的空间数据库，结合应急系统的需要，确定最佳的数据模型、索引机制。

3、建立应急系统平台及空间数据库平台，测试和分析控制前台对空间数据库的连接情况，确定最佳的配置形式。

4、测试和分析空间数据库的索引数据模型，对索引算法和应用情况做出评价。

五、研究特色

本论文紧密结合当前GIS的研究热点——空间数据库的相关技术，针对目前空间数据库在商业方面用途最广的ArcSDE技术，结合徐州香醅酒业有限公司的应急系统，研究ArcSDE的结构及相关算法，并搭设系统平台进行测试和分析，为空间数据库的发展和ArcSDE技术的推广和使用提供了一些技术和理论支持。

本次研究工作有以下几点新的认识：

1 由于面对着多种空间数据库的组织模式，特别是ArcSDE模式和一体化技术，在具体的工程应用上，对选择哪一种模式进行产品开发成了首要问题，通过本次研究可以大致确定不同模式的适用范围和应用瓶颈，针对不同的工程情况，可以方便的选择适用模式和相关配置。

2 对于空间数据库的数据组织形式、存储模型、索引机制以及安全性问题的研究一直是空间数据库的研究重点，将这些问题的研究同商业上广泛应用的ArcSDE技术相结合，可以使理论技术的研究更加实用，更加市场化。

3 通过结合应急系统来研究和测试空间数据库系统的搭建，对空间数据库的数据组织和索引机制都提出了更高的要求，要求数据库能够更加快速和清晰地反映数据内容，这样就可以形成一个相对的判别机制，更加确切地判断空间数据库的数据组织形式和索引机制的好坏，从而可以有效地反馈到空间数据库的理论研究上去。

4 此外，本论文还研究了B/S和C/S模式的相结合，对空间数据的本地服务和网络服务都进行了测试和分析，为空间数据库的多种服务形式做了一些新的尝试。





参考文献

[1] Shashi Shekhar, Sanjay Chawla. 空间数据库[M]. 谢昆青，马修军，杨冬青等译. 北京：机械工业出版社，2003.

[2] 熊丽华，杨峰. 基于ArcSDE的空间数据库技术的应用研究，计算机应用[J]，2004，Vol24：90-96.

[3]董改香，冯志祥. 基于ArcSDE的空间数据库技术研究，科学咨询导报[J]，2007，No.11：19.

[4] 陈继宁,张晓东. Oracle Spatial和ArcSDE的应用比较研究，GIS技术[J]，2005,60-63.

[5] 潘农菲. GIS的空间数据在关系型数据库的实现理论及应用技术，计算机应用研究[J]，2002，92-94.