数据库新技术:空间数据引擎
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中科院地理所资源与环境信息系统国家实验室 修文群 富融科技有限公司 元哲起
当前,地理信息越来越多地应用于各行各业,并带来了前所未有的效益,各企业对它的
需求也大为增加。但要得到或对这些信息进行访问,传统的方式是通过专业GIS桌面制图
软件,它们在数据完整性、一致性、分散数据的管理和共享等方面有所欠缺,限制了地理
信息的应用。
ESRI(美国环境系统研究所)利用客户机/服务器计算模式和关系数据库管理的先进特
点,创立了一种新型技术,管理大型企业的海量地理数据。它通过灵活高效的空间分析查
询,在网络上向任何地方传送数据,并把查询分析功能嵌入到各种实际应用程序中,这就是
超级空间数据库管理器——SDE。
从空间数据管理的角度来看,SDE可看成是一个连续的空间数据模型,借助这一模型,
可将空间数据加入到关系数据库管理系统(RDBMS)中去。它允许向关系数据库中加入空间
数据、提供地理要素的空间位置及形状等信息。
SDE特点
SDE具有如下几方面的特点:
1. 对地理数据的开放式系统访问,使地理数据更易于获得、更易于管理。
2. 对用户需求的充分回应。
3. 支持大型数据库。SDE利用统一的数据模型,维护关系数据库中的空间和属性数据
,管理近乎无限的空间特征,如:全国范围的道路网络等。
4. 进行高效空间查询分析。SDE提供一组可靠的几何处理与空间分析功能,可以反复
应用于各种应用中,如房地产查询、环境保护区周围的缓冲区等。SDE还具备剪切、分解
、缓冲区产生、距离测量、多边形叠加以及网络处理能力等,可以进行近乎无穷的空间分
析。另外,各种空间查询还可通过SQL的Where 子句进行。空间查询的结果可以用于制图
或其它需要几何分析而不需制图的应用,这意味着可以把空间分析嵌入到一个非GIS的应
用程序中去。
5. 理想的空间对象模型。地理特征如饭店位置、旅游路线、度假区等,被作为空间
对象,SDE在描述这些对象时采用了明晰的特征(属性)和行为(方法),使表达执行具备灵活
性。地理特征通过图层这种空间连续策略进行索引,促进了快速恢复操作,提高数据管理
效率。
6. 快速实现过程。对复杂的空间查询来说,SDE比其它任何空间分析技术完成次要(
subsecond)特征的检索时间要快得多,这种快速访问与检索在使用互操作处理的客户机/
服务器模式在网络上得以实现,客户机与服务器共同完成这一工作。客户机主要是响应空
间分析操作,服务器则进行数据搜索和检索。这种互操作处理方法使得动态空间叠加成为
可能,当大量增加客户机的时候,利用对称多处理结构或调整计算机缓冲区大小,可以把客
户机带来的性能下降到最小。
7. 网络访问。SDE 支持对TCP/IP网络环境的访问。对跨平台的混合配置,SDE也可以
利用外部数据表示 (eXternal Data Representation: XDR) 进行支持。
8. 平台支持。SDE 服务器的最初版本运行于Sun Solaris, 使用Oracle 关系数据库
管理系统。SDE API可以在Solaris、Windows NT下运行,在将来的版本中SDE将对其它平
台给予支持。
9. ARC/INFO 和ArcView。ESRI 的ARC/INFO GIS 和ArcView 软件是SDE 的首选客户
机软件。SDE 与ARC/INFO 软件间的转换,是在数据和系统水平上两个系统转向更加紧密
耦合的第一步。
由于以上特色,数据库管理人员、应用开发人员,以及终端用户都可以用SDE实现地理
数据的管理和应用软件的开发。
SDE工作原理
SDE的体系结构如下图所示,客户端应用是最终用户运行的软件,它可以是ArcView、
MapObjects或ARC/INFO等GIS专业软件,也可以是用户为某一特定工程开发的应用。与客
户端应用结合的是SDE客户库,这是一个程序设计接口,用于处理客户端应用提出的请求。
@@0237900.JPG;图1@@
在服务器端,有SDE服务器处理程序、关系数据库管理系统和实际的数据。服务器在
本地执行所有的空间搜索和数据提取工作,它仅将满足搜索条件的数据在服务器端缓冲存
放并返回到客户端。缓冲处理收集大块的数据,然后将整个缓冲区中的数据发往客户端应
用,而不是一次只发一条记录。在服务器端处理并缓冲的方法大大提高了效率,并使网上
荷载大大降低,这在应用操作数据库中成百上千万的记录时变得至关重要。
SDE采用协作处理方式,即处理既可在SDE客户库一端也可在SDE服务器一端,取决于处
理在哪一端更快。有的功能不需要与服务器通信,像多边形叠加和分割这类主要耗费CPU
资源的任务,最好由客户库来完成,可避免大量的网上操作。
所有的服务器任务都是在SDE服务器所在的平台上完成的;而客户端应用则可运行于
多种不同的平台和环境中,去访问同一个SDE服务器和数据库。
SDE数据模型
SDE软件采用连续的数据模型,整个城市的宗地数据都可放到SDE一个连续的层(Laye
r)中,SDE为数据库中各层的所有要素都建立了索引,并将层从逻辑上分成一个个小块,称
为"cell",层中的要素则分解到各cell中加以描述,最后将此描述信息写到索引表中。落
到多个cell上的要素,将在每个cell对应的索引记录中加以描述,没有数据的cell不包括
在索引表中。
@@0237901.JPG;图1 层和网络叠加生成空间索引@@
下面分别介绍SDE对各空间要素的存储和组织:
1.空间要素的存储方法
SDE存储和组织数据库中的空间要素的方法,是将空间数据类型加到关系数据库中,不
改变和影响现有的数据库或应用。它只是在现有的数据表中加入图形数据项(Shape col
umn),供软件管理和访问与其关联的空间数据。SDE将地理数据和空间索引放在不同的数
据表中,通过关键项将其相联。将图形数据项加到一个商业数据库表后,该表即可以称为
空间可用的(spatially enabled)。SDE通过将信息存入层表(LAYERS table)来管理空间
可用表。层表帮助管理商业表和空间数据之间的连接。对空间可用表,可像通常那样对表
中数据进行查询、合并,也可以进行图到属性或属性到图的查询。
2.地理要素
SDE中的地理要素由属性和几何形状——点、线或面组成。SDE允许"空( Nil) Shap
e","空"没有几何形状,但有属性。
3.坐标
SDE用X、Y坐标存放图形:
点——单一(X,Y)坐标记录;
线——有序的一组(X,Y)坐标记录;
面——一组起始结点和终止结点相同的线段对应的(X,Y)坐标记录。
SDE 还允许在X、Y坐标上加Z值,用来表示X、Y点处对应的高度或深度,因此,SDE的图
形可以是二维或三维的。SDE对每种类型的图形都有一组合法性检查规则,用以在将该图
形存入RDBMS之前,检验其几何正确性。
4.度量
度量表示沿着一地理要素上某些给定点处的距离、时间、地址或其它事件。除空图
形(Nil Shape)外,其它所有的图形类型都可以加上度量值,它与图形坐标系统无关。尽管
许多应用中线上的度量值用以表示逐步增加的线性距离,但事实上度量值可以随机递增或
递减,也可以是常量。
5.注记
对SDE数据模型而言,注记被看成与图上的要素或坐标相关联的文字(串),是要素属性
,被存于数据库中与其相关的一个或多个属性表中。与图上地理要素或坐标无关的文字、
图形,如地图标题、比例尺、指北针等,SDE不将其存入数据库。
SDE应用开发
如前所述,ESRI的ArcView GIS、MapObjects、ARC/INFO以及SDE CAD客户端等产品都
可以作为SDE的客户端,应用接口程序设计可以选用C、C++、Visual Basic或Avenue等。
@@0237902.JPG;图3 ESRI SDE的应用组织框架@@
1.使用C API
C API是为那些要访问SDE软件功能的开发人员提供的,它提供SDE所有的能力,是所有
像ArcView、MapObjects这样的SDE客户端软件访问SDE的基础。SDE对数据的访问,是基于
结构化查询语言SQL中定义的标准指针模式。
2. 使用ArcView
ArcView具有数据库访问扩展功能,可按通常的方法访问数据库,包括SDE。它这种数
据库扩展功能支持数据库数据的显示、查询和分析,可以用数据库访问功能建立数据库专
题(Theme)或表(Table)。
一般而言,要读取SDE数据,需要进行以下步骤:
S 连接SDE数据库;
S 定义SQL查询(QueryDef);
S 执行查询以提取记录(RecordSet);
S 循环访问记录集合中的数据值。
数据库专题类似于其它的ArcView专题,允许显示和操纵空间数据。可以用表文档(T
able document)显示所提取的记录集合。
3.使用MapObjects
MapObjects 是一个开发工具箱,其中包含了一个组件集合。这是一个ActiveX控件,
包含多于35个的OLE对象,开发人员可用任何支持ActiveX的程序设计环境,如Visual Bas
ic、Visual C++、Delphi和PowerBuilder等进行快速开发。MapObjects可以将SDE的Lay
ers、shape文件、coverage、image等数据组合使用,还可通过ODBC使用任意表格数据库
数据。
4. 使用SDE CAD Client
SDE CAD Client是SDE用于存储、提取CAD数据的接口。SDE CAD Client有一个易于
使用的CAD接口,它使得Microstation和Auto CAD可作为SDE的客户端存储、提取并修改C
AD实体或SDE数据库中的几何要素。SDE允许将CAD实体存为一个无逢的层,而不必将其分
块。
一个CAD对象在SDE数据库中既可表示为CAD实体也可表示为几何要素,几何要素由SD
E CAD Client自动生成并管理。当CAD用户访问SDE数据库时,SDE CAD Client提取CAD对
象。实际的CAD实体只能由SDE CAD Client读取。当非CAD Client查询数据库时,返回的
是数据的几何要素,这使得CAD数据可为其它的SDE客户端,如ArcView、MapObjects和ARC
/INFO等。
ESRI最近推出的SDE3.0 提供了更快的数据传输,支持Windows NT 服务器(Intel 和
Alpha)。SDE3.0进一步增强了将空间数据集成到数据库中去的能力,如:将空间数据加到
任意的DBMS表中、空间数据表和其它数据表之间的关系合并、纯属性访问、一对多关系
、创建和删除空间及非空间数据表、同时与多个数据集相联、支持多关系查询等。此外
,SDE3.0不再有独立的安全机制,而是直接使用DBMS的安全机制。
地理是研究人类赖以生存的地球环境的一门科学，我整理了地理科学论文题目，欢迎阅读!
地理科学论文题目
一、地理科学的系统地理研究课题：
1、城市垃圾的无害化处理
2、影响旅游业发展的主要因素
3、矿产资源的保护和合理开发
4、县城在乡村城市中的优势分析
5、拓展地图应用范围的探索
6、农业的产业化和适度规模化发展研究
7、农业的可持续发展研究
8、依托大学城促进当地经济的发展
9、乡镇企业环境污染问题
10、平原地区人口自然结构的演化特征
11、观光农业的发展研究
12、农村产业结构的调整
13、湿地的保护
14、沙尘暴的危害及其防治
15、城市交通问题
16、经济全球化对世界经济和贸易的推动作用
17、跨国公司的特点及其地区分布规律
18、高新技术产业的布局条件研究
二、地理科学的区域地理研究课题
1、建设区域性特色农产品出口基地的可行性研究
2、促进河南乡镇企业快速发展的思考
3、* * 城市水资源的利用评价
4、* * 城市地下水的合理开发和利用
5、豫西山区地质灾害的类型和预防
6、* * 旅游资源的评价
7、建设 * * * * 旅游名城的研究
8、* * 旅游业发展中的问题及其对策
9、发掘文化宝藏，促进旅游业快速发展
10、* * * * 城市旅游形象的塑造
11、郑州古都文化遗产的保护
12、郑州扬沙天气出现的原因及其防治
13、西部大开发的环境保护问题
14、西部开发中的资源合理开发问题
15、郑州出口加工区的建设意义
16、黄河滩区发展绿色产业的可行性研究
17、郑州国家高新技术产业开发区的区位优势与投资环境研究
18、美国的阿巴拉契亚煤炭工业区的复兴对我国东北老工业基地发展的启发
19、日本东京的区域经济再开发对北京市的发展启示
20、长江三角洲经济高速增长的背景分析
21、欧盟兴起的地缘因素
22、珠江三角洲区域经济发展的反思
23、中原城市群的建设意义
24、郑东新区地表水资源的开发与保护
地理科学论文
网络地理信息系统在环境科学中的应用
【摘 要】环境科学是研究人类赖以生存的环境各要素及其相互关系包括人类在认识和改造自然中人和环境之间相互关系的科学。本文论述了DCOM的分布式网络地理信息系统和AGENT技术的分布式地理信息系统在环境科学中的具体应用技术。
【关键词】地理信息系统 环境 GIS 分布式
地理信息系统是融计算机图形和数据库于一体的有关信息的集合。它把地理位置和相关属性信息图文并茂地输出给用户。用户借助其可视化表达可进行各种辅助决策。地理信息系统的产生改变了传统的信息处理方式使人们处理信息由数值领域进入到了空间领域。地理信息系统一直与信息技术息息相关。随着分布式计算技术、网络技术的迅速发展，分布式计算技术作为一个能够承载地理空间信息的平台，已成为目前GIS发展的最重要的方向。 分布式地理信息系统是建立在分布式空间数据库基础上由一组分布式服务器协同为客户端提供地理信息服务的网络地理信息系统。网络信息系统能够有效地管理一个大的地理区域复杂的污染源信息，详细分析区域环境影响诸因素的变化情况，以及主要污染物的地理属性和特征等。
一、网络地理信息系统的特点
(一)随着网络的迅速普及，依赖网络获取信息扩大地理信息系统的应用领域。将网络软件通过普通浏览器，享用地理空间信息服务，从而降低数据散发成本。比如数字地图的出现，使得人们得以抛弃传统的印刷地图，可以在网络上简便地查询地点和路线。对同一区域不同时段，不同的环境影响因素进行特征叠加，分析区域质量演变与其它诸因素之间的相关系。对区域的环境质量进行预测。此外可在一张地块地图上显示重点污染源的位置及其对环境的影响。
(二)实现资源共享。为实现信息的共享，建立面向用户的、资源共享的开放式网络。具有强大的空间分析和数据处理功能充分利用网络的功能模块结合选定的环境监测模型可以对多源环境信息进行处理从中发现环境演变的动态规律，建立科学的监测模型，实现对环境的综合动态监测。
(三)速度快，精度高。利用网络分布技术可以将数据与地图相关联建立拓扑关系进行空间分析，实现对各类专题地图辅助决策和管理。不仅节省大量的人力、物力、财力最主要的是获得成果的速度快精度高。
(四)透明性，位置透明，即用户不需知道文件和数据库的位置，资源的名字资源无须更名就可自由地在系统中流动外界不需要知道系统为使资源均衡而改变对象的位置。系统可以随意地为文件进行附加拷贝而无须用户知道，并且在用户没有感觉的情况下并行发生。隐藏数据表示和调用机制的异同，可以将出错和恢复事件隐藏在对象内部，以达到纠错的目的。
二、网络式地理信息系统的主要表现方法
(一)DCOM的分布式网络地理信息系统
1.具有数据管理功能：(1)由关系型数据库管理属性数据，地理空间数据以义件的形式存储，由空间数据管理软件包进行空间操作。地理空涮数据文件和关系型数据库之唰以指针或关键词建立联系;(2)对关系型数据库进行完善，统一管理属性和空间数据在关系数据库中引入面向对象技术，建立对象关系型数据库或纯对象数据库，对象和底层表示分离，空间属性和非空间属性定位平等，实现了属性数据和空间数据的一体化管珲。随着技术进步，客户端能采用新的协议，利用web技术完善地理信息系统的新技术，能够在浏览器上显示多媒体数据，而WebGIS中的信息通过交互操作，对空间数据进行查询和分析。用户可以浏览站点上的空间数据，进行各种空间数据检索和空间分析。
2.分布式网络系统的表现方法：(1)插件方法。利用布式网络系统，一些简单的操作都需要服务器完成并将结果返回。当网络流量较高，就需要利用插件技术，利用能够同浏览器交换信息的软件，将一部分服务的功能转移到客户端，加快了用户操作的反应速度，减少了网络流量和服务器负载。而且简单操作，使普通用户也能方便的获取所需的信息。利用通用的浏览器进行地理信息的发布，通常使用免费的插件，大程度的降低用户的经济负担;(2)跨平台性：无论客户和服务器采用何种系统，服务器端使用何种软件，用户都可以透明的访问WebGIS数据，实现远程异构数据的共享;(3)可移植性：能够实现有状态的空间数据传输协议，经过同样的数据传输过程，数据传输之间建立联系，减少网络传输负担较重。它作为一种进程内扩充方法，有效减少进程耗费的时间。客户端同样不具备数据管理机制，运行的速度比较快，网络和服务器负担轻。
(二)AGENT技术的分布式地理信息系统
它是以数字化的形式反映人类社会赖以生存的地球空间的现势和变迁的各种空间数据，以及描述这些空间数据特征的属性，以模型化的方法来模拟地球空间对象的行为，在计算机软、硬件的支持下，以特定的格式支持输入/输出、存贮、显示以及进行地理空间信息查询、辅助决策的有效工具。一句话，地理信息系统为人们提供了管理地理信息和开展空间分析的先进工具。随着计算机网络、计算机通信等技术的发展， Agent系统放松了对集中式、顺序控制的限制，提供了分散控制和并行处理，解决了网络分布系统应用领域之间的协同工作问题，不同领域的系统通过相互合作完成相关的应用，分析地理信息和地理应用的互操作问题，相互访问信息和异构地理信息处理环境下的互操作，实现资源的有效管理问题，高质量地进行地理信息和服务的交流，减少了服务器和客户之间的频繁交互，可用于测量和地理建模等本地地理计算和二次处理，对数据进行个性化的展示。数据的具体表现可以描述任意复杂的内容，而且具有明显的优势和特点，包括实现了空间数据与网络分布服务共享、高性能的计算、数据资源的安全性等。
参考文献：
[1]郭达志盛业华杜培军等编著《地理信息系统原理与应用》 中国矿业大学出版社2002
[2]陈述彭鲁学军周成虎编著 《地理信息系统导论》 科学出版社2000
[3]边馥苓等编著《地理信息系统原理和方法》 测绘出版社1996
[4]邬伦等编著 《地理信息系统原理、方法和应用》 科学出版社2001
[5]李满春 .等 编著 GIS设计与实现 科学出版社 2003
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