1、空間數據庫概述武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢，430079摘要：空間數據庫是地理信息系統(tǒng)的核心，每一次空間數據庫技術的變革都帶來地理信息系 統(tǒng)軟件的革命。本文是一片綜述性文章，首先闡述了空間數據庫的概念、內容、特征，然后 介紹了空間數據管理的發(fā)展過程，其中對象一關系數據庫是目前空間數據的主要管理模式， 最后探討了空間數據庫的前沿發(fā)展。關鍵詞：空間數據庫；對象-關系數據庫；空間數據庫模型1空間數據庫概念空間數據庫是地理信息系統(tǒng)的核 心，它具有通用數據庫的基本內涵， 是指以特定的數據結構（如國土、規(guī) 劃、環(huán)境、交通等）和數據模型（如 關系模型、面向對象模型等）表達、 存儲和管理從

2、地理空間中獲取的某類 空間信息，滿足不同用戶對空間信息 需求的數據庫1。2空間數據庫內容由于地理空間數據分為兩種類型 一種是具有幾何特征和離散特點的地 理要素，即空間對象數據，如點、線、 面、體等對象；另一種是指在一定空 間范圍內連續(xù)變化的地理對象，即場 對象數據，如某一地理空間的數字高 程模型、不規(guī)則三角網、柵格影像數 據等，因此以應用性質劃分空間數據 庫，空間數據庫可分為基礎地理空間 數據庫和專題數據庫。基礎地理空間 數據庫包括矢量地形要素數據（DLG）、 數字高程模型（DEM）、數字正射影像 （DOM）、數字柵格地圖（DRG）以 及元數據庫2。（1）矢量地形要素數據庫：矢量 核心地形要素

3、數據庫是存儲在計算機 中的各種數字地形數據及其數據管理 軟件的集合。矢量核心地形要素數據 庫包含有居民地、水系、測量控制點 等內容。它既包括以矢量結構描述的 帶有拓撲關系的空間信息，又包括以 關系結構描述的屬性信息。（2）數字高程模型數據庫：數字 高程模型是定義在X、Y域離散點（規(guī) 則或不規(guī)則）的以高程信息表達地面 起伏形態(tài)的數據集合。數字高程模型 數據庫是計算機存儲的數字高程模型 數據及其管理軟件的集合。數字高程 模型數據庫可以用于和高程信息有關 的地表形態(tài)分析、坡度分析、通視分析、洪水淹沒分析等方面。（3）數字正射影像數據庫：數字 正射影像數據庫是具有正射投影的數 字影像的數據集合。數字正

4、射影像提 供豐富和直觀的信息，具有良好的可 判讀性和可測量性。數字正射影像數 據庫可以結合數字地形數據庫中的信 息或其他相關信息作為各種形式的數 字或模擬正射影像圖。（4）數字柵格地圖：數據柵格地 圖數據庫是數字柵格地圖及其管理軟 件的集合。數字柵格地圖對現有紙質 地圖通過計算機處理后的柵格數據文 件。紙質地形圖通過掃描并進行幾何 糾正、內容更新和數據壓縮處理可生 成數字柵格地圖。數字柵格地圖保存 模擬地形圖的全部內容和幾何精度， 生產快捷，成本較低。（5）元數據庫：元數據庫是描述 數據庫中各數字文件的元數據構成的 數據庫。元數據庫包括系統(tǒng)各數據庫 及數字文件的基本信息、空間數據信 息、坐標系

5、統(tǒng)信息、數據質量信息、 分層要素信息、發(fā)布信息和元數據參 考信息等。（6）專題數據：專題數據包括一 些土地利用專數據、規(guī)劃管理數據、 農業(yè)數據、水利數據等。它們的形式 可以是矢量形式或柵格形式，所以可 采用矢量數據結構或柵格數據結構進 行存儲和管理。3空間數據庫特征空間數據不僅具有普通對象的屬 性特征，還具有與位置相關的空間特 征。所以，地理空間數據庫與一般數 據庫相比，具有以下特征1：（1）空間特征。空間特征是空間 數據最主要的特征，它描述了空間物 體的位置、形態(tài)、空間拓撲關系等。 這就要求GIS除了具備通用數據庫管 理系統(tǒng)或文件系統(tǒng)的關鍵字索引和輔 助關鍵字索引外，還需建立空間索引 機制。

6、（2）空間關系特征。空間數據除 了空間坐標隱含了空間分布關系外， 空間數據中也記錄了拓撲數據結構表 達的多種空間關系。這種拓撲數據結 構一方面方便了空間數據的查詢和空 間分析，另一方面也給空間數據的一 致性和完整性維護增加了難度。（3）多尺度與多態(tài)性。不同觀察 尺度具有不同的比例尺和精度，同一 地物在不同情況下會有形態(tài)差異，這 就要求空間數據庫具備有效的多尺度 空間數據組織與管理功能，這也是一 般關系型數據庫所不具備的。（4）非結構化特征。在一般關系 型數據庫管理系統(tǒng)中，數據記錄通常 是結構化的。即它滿足關系數據模型 的第一范式要求，每條記錄是定長的， 數據項表達的只能是原始數據，不允 許嵌套

7、記錄。而空間數據則不能滿足 這種結構化要求，這也是為什么空間 圖形數據難以直接采用通用的關系型 數據管理系統(tǒng)的原因之一。（5）分類編碼特征。一般而言， 為了唯一識別地理實體和共享空間數 據，每一個空間對象都有一個分類編 碼，而這種分類編碼往往屬于國家標 準，或行業(yè)標準，或地區(qū)標準。通過 分類編碼將空間數據和屬性數據關聯 起來。（6）海量數據特征。空間數據量 是巨大的，通常稱為海量數據，所以 通常需要在二維空間上劃分為塊和圖 幅、在垂直方向上劃分為層來進行管 理。4空間數據管理發(fā)展過程4.1人工管理階段在20世紀50年代中期，計算機主 要用于科技計算，不需要將數據長期 保存，需要時人工輸入數據。

8、4.2文件管理階段在20世紀60年代中期，文件管理 方式是將所有的數據都存放于一個或 多個文件中，包括結構化的屬性數據。 采用文件管理數據的優(yōu)點是靈活，即 每個軟件廠商可以任意定義自己的文 件格式，管理各種數據，這一點在存 儲需要加密的數據以及非結構化的、 不定長的結合體坐標記錄時是有幫助 的。文件管理的缺點也是顯而易見的: 每個文件都是為特定的用途設計的， 同樣數據在多個文件中重復存儲，造 成數據冗余較大；程序和數據間的獨 立性較差，應用程序依賴于文件的存 儲結構，修改文件存儲結構就要修改 程序；對數據的表示和處理能力較差， 文件結構和操作比較單一；數據不一 致，更新時會造成同一數據在不同文

9、 件中的不一致；數據聯系弱，文件與 文件之間是獨立的，文件之間的聯系 必須通過程序來構造4。4.3文件與數據庫系統(tǒng)混合管理 階段文件和關系數據庫混合系統(tǒng)中， 圖形用數據文件存儲，屬性用關系數 據庫表存儲，兩者通過標識符相連接。 混合結構管理模式的優(yōu)點是:GIS可通 過DBMS提供的高級編程語言的接口 直接操縱屬性數據，查詢屬性數據， 并在GIS的用戶界面下顯示查詢結果; 在ODBC推出后，GIS軟件商只需要 開發(fā)GIS與ODBC的接口軟件，就可 將屬性數據與任何一個支持ODBC的 RDBMS連接，這樣用戶可以在一個界 面下處理圖形和屬性數據。其缺點主 要是：屬性數據和圖形數據通過ID聯 系，使

10、得查詢運算、模型操作運算速 度慢；數據分布和共享困難；屬性數 據和圖形數據分開存儲，數據的安全 性、一致性、完整性、并發(fā)控制以及 數據損壞后的恢復方面缺少基本的功 能；缺乏表示空間對象及其關系的能 力。4.4純關系型空間數據庫管理系 統(tǒng)在純關系型數據庫管理方式下， 圖形數據與屬性數據都采用現有的關 系型數據庫來存儲，使用關系數據庫 的標準連接機制來進行空間數據與屬 性數據的連接。對于變長結構的空間 幾何數據，一般采用兩種方式處理：（1） 按照關系型數據庫組織數據的基本原 則，對變長的幾何數據進行關系范式 的分解，分解成定長記錄的數據表進 行存儲。（2）將圖形數據的變長部分 處理成Binary二

11、進制Block塊字段。 這種管理方式的優(yōu)點是省去了空間數 據和屬性數據的繁瑣連接，空間數據 的存取速度快，缺點是由于查詢過程 涉及空間索引，效率上低于DBMS中 所用的直接操作過程，且查詢過程復 雜。4.5對象-關系數據庫管理系統(tǒng)對象-關系數據庫成為目前最為流 行的空間數據管理方式。它是在傳統(tǒng) 關系數據庫管理系統(tǒng)基礎上，進行擴 展使之能夠同時管理矢量圖形數據和 屬性數據。擴展的方式有兩種：一種 是GIS軟件商在傳統(tǒng)關系數據庫管理 系統(tǒng)之上進行擴展，外加一個空間數 據管理引擎；另一種是在關系數據庫 系統(tǒng)中進行擴展，使之能直接存儲和 管理空間數據1。對象-關系數據庫的 管理方式有以下特點：在關系數

12、據庫 管理系統(tǒng)基礎上擴展；采用對象關系 數據模型；將空間坐標存在變長記錄 中；增加空間數據管理的操縱函數； 不支持拓撲關系；建立高效的空間索 引。由于對象-關系數據庫提供了對于 非結構化的數據管理的擴展，其效率 比純關系型數據庫管理方式高得多， 同時，它又具有數據的安全性、一致 性、完整性、并發(fā)控制以及數據損壞 后的恢復方面等基本功能，支持海量 數據管理，它成為目前大型GIS系統(tǒng) 常用的數據管理方式。4.6面向對象的數據庫系統(tǒng)如果應用面向對象數據庫管理空 間數據，則可以擴充對象數據庫中的 數據類型以支持空間數據，包括點、 線、多邊形等幾何體，并且允許定義 對于這些幾何體的基本操作，包括計 算距

13、離、檢測空間關系、緩沖區(qū)計算 等，也可以由對象數據庫管理系統(tǒng)“無 縫”地支持。這樣，通過對象數據庫 管理系統(tǒng)提供了對于各種數據的一致 的訪問接口以及部分空間模型服務， 不僅實現了數據共享，而且空間模型 服務也可以共享。不過，目前面向對 象的數據庫系統(tǒng)遠未成熟，許多的技 術問題仍需要進一步的研究。5空間數據庫模型GeodatabaseGeodatabase是一種采用標準關系 數據庫技術來表現地理信息的空間數 據庫模型，它能實現矢量數據和柵格 數據一體化存儲，有三種格式： Personal Geodatabase，是基于 Access 數據庫的實現；File Geodatabase，是基 于文件的

14、實現；多用戶Geodatabase， 通過ArcSDE空間數據庫引擎，在 Oracle SQL Server 等 DBMS 中實現。 在Geodatabase數據庫模型中，可以將 圖形數據和屬性數據同時存儲在一個 數據表中，每一個圖層對應這樣一個 數據表。在ArcGIS中，可以通過 ArcCatalog 對 Geodatabase 進行組織和參考文獻1張新長，馬林兵，張青年.地理信息 管理。6空間數據庫發(fā)展前沿6.1空間數據倉庫空間數據倉庫具有面向主題、集 成性、綜合性、時間相關性、面向空 間的特征，該技術從理論和實踐上都 展示出在空間數據存儲上的巨大價值， 它的目標是支持數字地球發(fā)展、空間

15、數據集成、空間決策支持發(fā)展的需求。 目前空間數據倉庫技術遠未發(fā)展成熟， 仍有巨大的研究發(fā)展空間。6.2智能空間數據庫隨著人工智能技術的發(fā)展和應用， 智能空間數據庫也得到了新的發(fā)展， 主要包括：數據庫存儲技術方面的智 能化，智能空間數據庫與專家系統(tǒng)的 結合，智能化空間決策支持模型庫。6.3新型數據庫隨著用戶需求的提高和存儲技術 的發(fā)展，應運而生了一系列新型數據 庫，如分布式數據庫、演繹數據庫、 多媒體數據庫、工程數據庫、時態(tài)數 據庫、實時數據庫等，尤其是云存儲 與云計算（屬于分布式數據庫）環(huán)境 下的位置信息服務成為當前研究的熱 點。系統(tǒng)數據庫M.北京：科學出版社，2004.黃杏元,馬勁松，湯勤.

16、地理信息系統(tǒng) 概論M.北京:高等教育出版社,2004.龔健雅，杜道生，李清泉等.當代地 理信息技術M.北京：科學出版 社,2004.吳信才.空間數據庫M.北京:科學 出版社,2009.崔鐵軍.地理空間數據庫原理M. 北京:科學出版社,2007.吳秀芹，張洪巖，李瑞改等.ArcGIS 9 地理信息系統(tǒng)應用與實踐M.北京:清 華大學出版社,2007.王樹良.空間數據挖掘視角M.北京: 測繪出版社,2006.Brief Introduction of Spatial DatabaseDong HongpingState Key Laboratory of Information Engineerin

17、g in Surveying, Mapping and Remote Sensing,Wuhan University, Wuhan 430079,ChinaAbstract : Spatial database is the most important module in GIS software. This paper firstly discusses the conception, content, essential characters of spatial database, then introduces developing process of spatial database, and the methods of object-relation is the main model of spatial database. At last, the paper explores its frontier development.Key Words: spatial database; the methods of object-relation; models of spatial databaseF