基于GIS的產(chǎn)業(yè)集群空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)研究

摘要:論文針對產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展需求，對基于GIS的空間數(shù)據(jù)庫研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，給出了基于GIS的空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計方案，解決了空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建過程中的多源、海量數(shù)據(jù)的集成與組織、多維數(shù)據(jù)查詢與索引問題。以安徽省汽車產(chǎn)業(yè)集群為例，利用Oracle Spatial作為后臺空間數(shù)據(jù)庫支持，以ArcGIS Server作為開發(fā)平臺，集成開發(fā)基于GIS的安徽汽車產(chǎn)業(yè)集群信息空間數(shù)據(jù)庫管理與維護(hù)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞:產(chǎn)業(yè)集群;地理信息系統(tǒng);空間數(shù)據(jù)庫

中圖分類號:TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2010)03-528-03

Study on Spatial Database Construction Technology of Industry Cluster Based on GIS

GUO Qiu-mei1， YANG Li1， DONG Xiao-jing2

(1.Beijing Zhongjikehai Technology Development Co.， Ltd， Beijing 100048， China; 2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining， China University of Mining and Technology， Beijing 100083， China)

Abstract: In this paper， an analysis is made of the present situation of spatial database research and application based on GIS for the industry cluster development needs. It presents a design scheme of GIS-based spatial database， and resolves the problems of multi-source， massive data integration and organization， multi-dimensional data query and indexing issues of database building process. With the case study of Anhui automobile industry cluster， the paper using Oracle Spatial as the back-spatial database support， ArcGIS Server as development platform， development of the management and maintenance system of Anhui auto industry cluster information spatial database based on GIS.

Key words: industry cluster; GIS; spatial database

在產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展過程中，需要對產(chǎn)業(yè)集群的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行及時地分析和評價，并作出合理的決策。然而，目前在產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展分析和評價方面，缺乏強有力的信息系統(tǒng)支持、對海量產(chǎn)業(yè)集群數(shù)據(jù)的有效管理以及以地域特點為核心的區(qū)域經(jīng)濟分析方法和機制。因此迫切需要研究和采用新的數(shù)據(jù)組織和管理機制，合理高效地構(gòu)建面向產(chǎn)業(yè)集群分析與評價的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。

基于GIS的空間數(shù)據(jù)庫是目前信息領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一項技術(shù)，它具有界面風(fēng)格人性化、信息表達(dá)更加形象直觀、操作簡便等特點，實現(xiàn)了文本、圖形圖像信息相結(jié)合的定位、查詢、檢索模式。通過空間數(shù)據(jù)庫可以將抽象的數(shù)據(jù)與空間位置建立聯(lián)系，用戶可以在地圖上直接對數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容及相關(guān)的圖表進(jìn)行形象化、直觀化的查詢，通過建立專題地圖，用餅圖、直方圖等來表示統(tǒng)計數(shù)據(jù)，幫助人們加深對信息的理解，使企業(yè)管理者和政府部門能夠更容易的做出正確決策。

本文從產(chǎn)業(yè)集群的實際需求出發(fā)，考慮到空間數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，采用大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫Oracle與ArcGIS相結(jié)合，結(jié)合空間數(shù)據(jù)庫搜索引擎等相關(guān)技術(shù)，解決產(chǎn)業(yè)集群技術(shù)信息空間數(shù)據(jù)庫中海量數(shù)據(jù)的存儲、索引、管理、查詢、處理及分析挖掘等問題。

1 基于GIS的空間數(shù)據(jù)庫研究現(xiàn)狀與問題

1.1 基于GIS的空間數(shù)據(jù)庫研究現(xiàn)狀

1) GIS技術(shù)現(xiàn)狀:GIS技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的一門信息技術(shù)，許多計算機領(lǐng)域的新技術(shù)，如面向?qū)ο蠹夹g(shù)、三維技術(shù)、圖象處理和人工智能技術(shù)都逐漸應(yīng)用到GIS系統(tǒng)的開發(fā)中，并在水利、氣象、林業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在空間數(shù)據(jù)組織模型、分布式多級服務(wù)器工作協(xié)同工作機制、時態(tài)GIS、TB級空間數(shù)據(jù)倉庫、空間元數(shù)據(jù)庫、跨平臺支持、三維空間建模及可視化等關(guān)鍵技術(shù)研究和基礎(chǔ)軟件開發(fā)等方面取得一定成果。

2) 空間數(shù)據(jù)庫技術(shù):空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是描述、存儲和處理空間數(shù)據(jù)及其屬性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。空間數(shù)據(jù)庫是隨著地理信息系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用而發(fā)展起來的數(shù)據(jù)庫新技術(shù)，這種技術(shù)與應(yīng)用緊密結(jié)合，大多數(shù)作為地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心的形式出現(xiàn)。由于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫在空間數(shù)據(jù)的表示、存儲和檢索上存在許多缺陷，從而形成了空間數(shù)據(jù)庫這一新的數(shù)據(jù)庫研究領(lǐng)域。它涉及計算機科學(xué)、地理學(xué)、地圖制圖學(xué)、攝影測量與遙感、圖像處理等多個學(xué)科。

空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的主要功能是提供對空間數(shù)據(jù)和空間關(guān)系的定義和描述;提供空間數(shù)據(jù)查詢語言，實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的高效查詢和操作;提供對空間數(shù)據(jù)的存儲和組織;提供對空間數(shù)據(jù)的直觀顯示等。空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)的查詢、操作、存儲和顯示等方面要復(fù)雜許多。

Oracle Spatial是Oracle公司推出的一種不需要中間接口而直接使用數(shù)據(jù)庫操作系統(tǒng)來存儲和管理空間數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)庫組件。在空間數(shù)據(jù)的管理中，Oracle Spatial處于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的地位。目前在Oracle Spatial數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中已經(jīng)成功實現(xiàn)了對空間數(shù)據(jù)的管理。

1.2 基于GIS的空間數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用現(xiàn)狀與關(guān)鍵問題

目前，空間數(shù)據(jù)庫的成果大多數(shù)以地理信息系統(tǒng)的形式出現(xiàn)，雖然已經(jīng)在環(huán)境和資源管理、土地利用、城市規(guī)劃、森林保護(hù)、人口調(diào)查、交通、稅收、商業(yè)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但在構(gòu)建過程中，仍存在一些技術(shù)難點和問題，主要表現(xiàn)在:

1) 多數(shù)據(jù)格式與空間數(shù)據(jù)集成:空間數(shù)據(jù)庫所涉及數(shù)據(jù)信息既包括地理信息，也包括技術(shù)信息、經(jīng)濟信息等其他數(shù)據(jù)信息，來源多種多樣，而且格式不統(tǒng)一。數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)需要規(guī)范不同數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)格式。另外，空間數(shù)據(jù)具有多語義性、多時空性和多尺度，較為復(fù)雜。如何將屬性數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)較好的集成是空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的一個難點。

2) 海量數(shù)據(jù)與多格式數(shù)據(jù)的存儲管理:產(chǎn)業(yè)集群技術(shù)信息與地理信息包含的數(shù)據(jù)量非常龐大。在傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)的存儲與管理模式中，數(shù)據(jù)量越多，文件就會越大，數(shù)據(jù)的處理就會越復(fù)雜，其存儲、檢索、管理也就越困難。由此可見，采用以往傳統(tǒng)的存儲機制管理海量數(shù)據(jù)，顯然已經(jīng)不能滿足要求。如何解決海量數(shù)據(jù)存儲管理也是空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的技術(shù)難點之一。

3) 數(shù)據(jù)抽取與導(dǎo)入技術(shù):空間數(shù)據(jù)庫涉及龐大的數(shù)據(jù)量，如何將數(shù)據(jù)源導(dǎo)入到空間數(shù)據(jù)庫，如何根據(jù)空間數(shù)據(jù)的特點建立空間字段，將空間屬性導(dǎo)入相應(yīng)的字段，進(jìn)行元數(shù)據(jù)表的更新和空間索引的建立，同時保證空間數(shù)據(jù)庫的安全性和一致性，也具有較高的技術(shù)難度。

2 基于GIS的產(chǎn)業(yè)集群空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 基于GIS的產(chǎn)業(yè)集群空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計

產(chǎn)業(yè)集群空間數(shù)據(jù)庫的技術(shù)路線如圖1所示。數(shù)據(jù)庫按功能分為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫維護(hù)系統(tǒng)。其中管理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)的編輯錄入、轉(zhuǎn)換更新和數(shù)據(jù)庫接口設(shè)計;數(shù)據(jù)庫維護(hù)系統(tǒng)包括用戶與權(quán)限管理、系統(tǒng)備份與恢復(fù)等子系統(tǒng)。

2.2 基于GIS的產(chǎn)業(yè)集群空間數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)方法

在基于GIS的產(chǎn)業(yè)集群空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用oracle spatial進(jìn)行空間數(shù)據(jù)庫的開發(fā)，通過oracle spatial實現(xiàn)了海量空間數(shù)據(jù)集成管理，并且解決了多源空間數(shù)據(jù)無縫集成以及空間數(shù)據(jù)的多重表達(dá)等問題。Oracle Spatial通過對象-關(guān)系模式來進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的存儲，把所有空間要素對象化，將空間幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)一同存儲在數(shù)據(jù)庫中，并且每一個空間對象對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的一行。主要通過元數(shù)據(jù)表、空間數(shù)據(jù)字段SDO_GEOMETRY和空間索引來共同管理空間數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上提供了一系列空間查詢和空間分析的函數(shù)，讓用戶可以專注于進(jìn)行更深層次的地理信息系統(tǒng)開發(fā)，降低了系統(tǒng)開發(fā)的成本。

2.2.1 基于OpenGIS的空間對象設(shè)計與實現(xiàn)

產(chǎn)業(yè)集群空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)都存儲在空間字段SDO_GEOMETRY中。SDO_GEOMETRY是按照OpenGIS規(guī)范定義的一個對象，其創(chuàng)建方式如下所示。

CREATE TYPE sdo_geometry AS OBJECT(

SDO_GTYPE NUMBER，

SDO_SRID NUMBER，

SDO_POINT SDO_POINT_TYPE，

SDO_ELEM_INFO MDSYS.SDO_ELEM_INFO_ARRAY，

SDO_ORDINATES MDSYS.SDO_ORDINATE_ARRAY);

其中SDO_GTYPE表示幾何圖形類型，如圖2所示。

SDO_SRID用來存放系統(tǒng)ID，進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)使用，Number型結(jié)構(gòu);

SDO_POINT定義為一組變長數(shù)組，存儲點的X、Y和Z坐標(biāo);

SDO_ELEM_INFO定義為一組變長數(shù)組，解釋如何存儲坐標(biāo);

SDO_ORDINATES定義為一組變長數(shù)組，存儲組成空間圖形的坐標(biāo)。

2.2.2 基于GIS的產(chǎn)業(yè)集群空間數(shù)據(jù)庫元數(shù)據(jù)管理

空間數(shù)據(jù)包含多個圖層，且具有不同的比例尺，因此，為了高效地管理和查詢空間數(shù)據(jù)，Oracle Spatial提供了一個全局表SDO_GEOM_METADATA_TABLE來管理系統(tǒng)中的所有空間數(shù)據(jù)表的元數(shù)據(jù)。Oracle Spatial對空間數(shù)據(jù)的管理和組織體系結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

元數(shù)據(jù)視圖的基本定義為:

VIEW SDO_GEOM_METADATA(

TABLE_NAME VARCHAR2(32)，

COLUMN_NAME VARCHAR2(32)，

DIMINFO MDSYS.SDO_DIM_ARRAY，

SRID NUMBER);

其中TABLE_NAME:為含有空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表的表名。

COLUMN_NAME:包含用戶創(chuàng)建的空間數(shù)據(jù)表中類型為SDO_GEOMETRY的列名。

DIMINFO:是一個按照空間維順序排列的SDO_DIM_ELEMENT對象的動態(tài)數(shù)組。

SRID:用于標(biāo)識與幾何對象相關(guān)的空間坐標(biāo)參考系。

安徽汽車產(chǎn)業(yè)集群Oracle Spatial空間數(shù)據(jù)庫的元數(shù)據(jù)表存儲了有關(guān)安徽汽車企業(yè)空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表名稱、空間字段名稱、空間數(shù)據(jù)的坐標(biāo)范圍、坐標(biāo)參考信息以及坐標(biāo)維數(shù)說明等信息。用戶通過元數(shù)據(jù)視圖(SDO_GEOM_METADATA)訪問元數(shù)據(jù)表[2]。

2.2.3 基于空間索引的數(shù)據(jù)查詢

Oracle將空間索引功能引入數(shù)據(jù)庫引擎，是Spatial的一個關(guān)鍵特征。空間索引是根據(jù)空間準(zhǔn)則把搜索限制在指定數(shù)據(jù)空間內(nèi)的一種機制，從而可以大大提高空間數(shù)據(jù)查詢和分析的效率。Oracle Spatial 提供了R-tree索引和 Quad-Tree(四叉樹)索引，安徽汽車產(chǎn)業(yè)集群Oracle Spatial空間數(shù)據(jù)庫采用R-tree建立空間索引。

R-tree 索引是通過定義每一個對象的最小外接矩形(Minimum Bounding Rectangle，MBR)來匹配空間幾何實體的，對于指定的圖層，R-tree索引實際上就是該層上所有幾何實體的分層MBR索引[3]。分層索引結(jié)構(gòu)如圖4所示。

創(chuàng)建R-tree索引是用CREATE INDEX語句:

CREATE INDEX [schema.] ON [schema.] (column)

INDEXTYPE IS MDSYS.SPATIAL_INDEX;

2.2.4 多源空間數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

產(chǎn)業(yè)集群信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源為集群屬性數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)，以及地形圖、政區(qū)圖等地圖信息，主要包括:

1)基礎(chǔ)地理信息，包括地形、行政分區(qū)、交通(鐵路、公路)、居民地、水系、公園景區(qū)、醫(yī)院、銀行等。

2)集群專題信息統(tǒng)計，包括集群中企業(yè)分布統(tǒng)計數(shù)據(jù);

3)集群經(jīng)濟信息統(tǒng)計，包括集群全年工業(yè)總產(chǎn)值、新產(chǎn)品產(chǎn)值、出口交貨值、從業(yè)人員等統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

其中MapInfo格式矢量地圖可以利用MapInfo公司提供的上載工具EasyLoader將數(shù)據(jù)上載到Oracle數(shù)據(jù)庫中[4]。將來地圖數(shù)據(jù)發(fā)生了變更，也只需要通過EasyLoader的刷新表功能，即可將發(fā)生變化的地圖數(shù)據(jù)在Oracle數(shù)據(jù)中更新[5]。該工具提供了命令行上載與窗口上載兩種方法。該工具在底層通過調(diào)用OCI(Oracle Call Interface)把數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。EasyLoader上載示意圖如圖5所示。

3 基于GIS的空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

在研究基礎(chǔ)上，本文以安徽省企業(yè)產(chǎn)業(yè)集群為應(yīng)用對象，構(gòu)建了安徽省汽車產(chǎn)業(yè)集群空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)屬性信息與地圖信息的方便集成和修改，可以直接形成空間數(shù)據(jù)庫，并開發(fā)了相應(yīng)的平臺和工具，供系統(tǒng)查詢、統(tǒng)計和分析所用。

3.1 基于GIS的空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)開發(fā)

空間數(shù)據(jù)庫具有數(shù)據(jù)種類豐富、存儲量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，對數(shù)據(jù)進(jìn)行高效存儲與管理是數(shù)據(jù)庫建設(shè)乃至將來整個系統(tǒng)能夠高效運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為此開發(fā)了專用的空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

基于GIS的空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是基于C/S體系結(jié)構(gòu)的，系統(tǒng)開發(fā)工具為Microsoft Visual C#;空間數(shù)據(jù)庫采用Oracle9i，運用ArcGIS Server進(jìn)行地圖發(fā)布，采用MapInfo Professionalo進(jìn)行地圖的編輯和屬性數(shù)據(jù)的編輯，采用EasyLoader for Oracle將地圖數(shù)據(jù)上載到Oracle中。

該系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫為支撐，實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的存儲、訪問和管理，并為其他應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，其主要功能包括圖形數(shù)據(jù)入庫、圖形數(shù)據(jù)編輯、可視化顯示、屬性數(shù)據(jù)入庫、屬性數(shù)據(jù)管理、空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)建立、數(shù)據(jù)的輸出、查詢統(tǒng)計和打印輸出等。

3.2 安徽省汽車產(chǎn)業(yè)集群空間數(shù)據(jù)庫應(yīng)用

實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的一體化存儲和管理是數(shù)據(jù)庫構(gòu)建及GIS應(yīng)用系統(tǒng)高效運行的關(guān)鍵，在利用空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)解決該關(guān)鍵技術(shù)問題的基礎(chǔ)上，開發(fā)了安徽省汽車產(chǎn)業(yè)集群信息服務(wù)平臺。

該系統(tǒng)采用Oracle Spatial作為空間數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，MapInfo作為地圖信息和空間對象信息服務(wù)器，通過ArcSDE數(shù)據(jù)庫引擎技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)功能應(yīng)用與空間數(shù)據(jù)庫的分離。

系統(tǒng)通過將屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)結(jié)合，實現(xiàn)基于空間數(shù)據(jù)的信息查詢、統(tǒng)計分析、對比監(jiān)測、空間分析、專題應(yīng)用等功能，同時提供開放式的對外服務(wù)接口，實現(xiàn)多格式數(shù)據(jù)的交換功能。系統(tǒng)通過各類信息的可視化顯示以及多樣化的圖形顯示，為決策者提供更全面、直觀的依據(jù)，提高其通覽全局的決策能力。

4 總結(jié)

本文對產(chǎn)業(yè)集群空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究與開發(fā)，提出產(chǎn)業(yè)集群屬性信息與地理信息的集成原則，開發(fā)產(chǎn)業(yè)集群空間數(shù)據(jù)庫中屬性信息與GIS的集成的配套軟件工具，實現(xiàn)屬性信息與地理信息的方便集成和修改。通過汽車產(chǎn)業(yè)集群信息服務(wù)平臺，面向集群內(nèi)部、集群間企業(yè)和社會提供區(qū)域內(nèi)較為全面的支撐技術(shù)信息服務(wù)，以推動制造業(yè)產(chǎn)業(yè)集群快速和可持續(xù)發(fā)展，不斷提高我國制造業(yè)的自主創(chuàng)新能力和信息化水平。

參考文獻(xiàn):

[1] 中國汽車產(chǎn)業(yè)咨詢網(wǎng). http://www.auto-sinomind.cn/index.aspx.2009.8

[2] 史森，夏麗麗.Oracle數(shù)據(jù)庫開發(fā)指南[M].北京:清華大學(xué)出版社，1998.

[3] Oracle Corporation. Oracle Spatial8.1.6 Documentation[A]. User's Guide and[Z]. 2000，9.

[4] 梁鴻，丁仁偉，鄭紅霞.Oracle Spatial空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計及應(yīng)用[J].測繪科學(xué)，2005，6(3):91-93.

[5] 張凡，呂漢興.使用MapX組件實現(xiàn)地理圖形與數(shù)據(jù)庫的結(jié)合[J].計算機應(yīng)用研究，2000，(10):4-6.