GML空間數(shù)據(jù)原生模式存儲研究

王衛(wèi)紅 陳建華

1 成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 四川 610059

2 成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院 四川 610059

0 引言

從國內(nèi)外研究進(jìn)展來看，原生數(shù)據(jù)庫環(huán)境下GML空間數(shù)據(jù)管理機(jī)制的研究還處于非系統(tǒng)化、非全面化、非應(yīng)用化的部分內(nèi)容研究、初始研究階段。對原生模式GML空間數(shù)據(jù)管理機(jī)制系統(tǒng)、全面的研究還需深入、具體的開展。本文借鑒XML數(shù)據(jù)管理機(jī)制思想，提出了一種基于原生XML數(shù)據(jù)庫的原生GML空間數(shù)據(jù)存儲模型；提出了一種原生GML空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構(gòu)體系，為原生GML空間數(shù)據(jù)庫存儲機(jī)制提供了一種方法。

1 GML空間數(shù)據(jù)存儲模型

原生XML數(shù)據(jù)庫的基本(邏輯)存儲單元是XML文檔，正如同關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的基本(邏輯)存儲單元是二維關(guān)系表中的一條記錄一樣(也即，原生XML數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的存儲是文檔進(jìn)、文檔出，而關(guān)系數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的存儲是記錄進(jìn)、記錄出)。一般，原生XML數(shù)據(jù)庫都有集合(Collection)的概念，一個集合是若干XML文檔(甚至包括其它嵌套集合)的群集，其功能和特征與關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的二維表、文件系統(tǒng)中的文件目錄類似。集合的設(shè)計，確保對XML文檔的操作(存儲、索引、查詢、更新、刪除等)可以在一個文檔群集中進(jìn)行。與二維關(guān)系表都有一個模式與其對應(yīng)不同，原生XML數(shù)據(jù)庫中的集合可以沒有與其對應(yīng)的模式，也即，它是模式獨立的(Schema-independent)。集合的模式獨立性使得原生XML數(shù)據(jù)庫擁有了很多靈活性，并且為應(yīng)用開發(fā)提供了很多便利；如，XML文檔的存入、讀取無需對應(yīng)的XML文檔模式的支持即可實現(xiàn)。

原生模式GML空間數(shù)據(jù)存儲時，其理想存儲模型也應(yīng)為GML文檔。并支持文檔集合以及集合的嵌套，如此對GML文檔的存儲、查詢、更新、刪除等都可以在一個文檔群集中進(jìn)行。并且集合支持模式獨立性，以便于GML實例文檔的靈活存入與讀取。

在存儲粒度上，一般XML數(shù)據(jù)庫的存儲粒度分為：(1)粗粒度存儲；即XML數(shù)據(jù)的存儲以整個文檔為存儲粒度，此存儲粒度不利于XML文檔的查詢和粒狀更新。(2)中粒度存儲；即XML數(shù)據(jù)的存儲以XML文檔樹中的子樹(元素集合)為粒度，此存儲粒度可方便實現(xiàn)XML文檔的查詢和粒狀更新，但效果視具體應(yīng)用而定。(3)細(xì)粒度存儲；即XML數(shù)據(jù)的存儲以XML文檔中的元素為粒度，此存儲粒度可最大限度的靈活實現(xiàn)XML文檔的查詢和粒狀更新；不過，由于以元素為粒度，處理時具有一定的開銷。

對于GML文檔的存儲，本文在充分考慮GML索引構(gòu)建、GML空間/非空間數(shù)據(jù)查詢所采用的機(jī)制、算法、策略等情況下，并結(jié)合一些原生XML數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(如eXist)的存儲特性，確定其存儲粒度為細(xì)粒度，以便于原生GML空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計、實現(xiàn)和應(yīng)用。

2 原生GML空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構(gòu)體系

在對XML、GML、經(jīng)典關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、原生XML數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等分析的基礎(chǔ)上，本文提出了一種原生GML空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構(gòu)體系(見圖1)，其涵蓋內(nèi)容如下。

圖1 原生GML空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構(gòu)體系

2.1 原生GML空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)定義

原生GML空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是以GML文檔為存儲模型，對GML文檔進(jìn)行數(shù)據(jù)組織、索引構(gòu)建、存儲分配、查詢處理的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。系統(tǒng)對GML文檔的讀、寫采用文檔進(jìn)、文檔出模式；系統(tǒng)查詢語言采用支持空間數(shù)據(jù)的擴(kuò)展XQuery語言，可進(jìn)行GML空間與非空間數(shù)據(jù)的一體化查詢與更新處理；系統(tǒng)支持多種GML數(shù)據(jù)訪問的API；同時，系統(tǒng)也具備傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所具有的多用戶多任務(wù)并發(fā)、事務(wù)、回滾、訪問控制、備份等機(jī)制，以支持在包括分布式網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的各種環(huán)境下的應(yīng)用。

2.2 GML數(shù)據(jù)管理

原生GML空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中存儲的數(shù)據(jù)主要是GML實例文檔，而GML實例文檔一般都有對應(yīng)的GML應(yīng)用模式文檔，以約束、控制和校驗GML實例文檔的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容。因此，GML數(shù)據(jù)管理模塊涉及GML模式文檔管理和GML實例文檔管理。

GML模式文檔管理負(fù)責(zé)：(1)采用GML解析器對GML模式文檔進(jìn)行解析，提取出與GML實例文檔中元素對應(yīng)的各種元素類型信息，并提交GML實例文檔管理子模塊，由其負(fù)責(zé)依據(jù)元素類型信息采用GML解析器對GML實例文檔進(jìn)行解析。(2)采用GML解析器對GML模式文檔進(jìn)行解析并構(gòu)建節(jié)點樹再提交GML存儲管理模塊進(jìn)行存儲。(3)建立、維護(hù)GML模式文檔存儲檢索表，以備GML查詢處理模塊對GML模式文檔進(jìn)行全文查詢。(4)響應(yīng)GML查詢處理模塊對GML模式文檔的查詢請求，并返回目標(biāo)模式文檔。

GML實例文檔管理負(fù)責(zé)：(1)采用GML解析器對GML實例文檔進(jìn)行解析、構(gòu)建節(jié)點樹，并提交GML索引管理模塊以構(gòu)建GML非空間數(shù)據(jù)索引。(2)接收GML模式文檔管理子模塊發(fā)送的GML實例文檔元素類型信息，據(jù)此采用GML解析器對GML實例文檔進(jìn)行解析，以提取GML要素、幾何、拓?fù)涞葘ο?，并提交GML索引管理模塊實現(xiàn)對GML空間數(shù)據(jù)的索引構(gòu)建。(3)原生GML空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)支持集合(以及集合的嵌套)，因此，在將GML實例文檔相關(guān)信息提交GML索引管理模塊時，也提交關(guān)聯(lián)集合的信息，以便于構(gòu)建索引。(4)當(dāng)不對GML實例文檔構(gòu)建索引時，采用GML解析器對GML實例文檔進(jìn)行解析并構(gòu)建節(jié)點樹再提交GML存儲管理模塊進(jìn)行存儲。(5)建立、維護(hù)GML實例文檔存儲檢索表，以備GML查詢處理模塊對GML實例文檔進(jìn)行全文查詢。(6)響應(yīng)GML查詢處理模塊對GML實例文檔或集合的查詢請求，并返回目標(biāo)實例文檔或集合信息列表。

GML實例文檔入庫時分兩種情況：有GML模式文檔相伴和無GML模式文檔相伴。當(dāng)無GML模式文檔相伴時，將無法有效的建立GML空間數(shù)據(jù)索引。

2.3 GML索引管理

索引管理是一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)重要的功能模塊。

GML文檔向原生GML空間數(shù)據(jù)庫存儲時需對文檔中的GML空間和非空間數(shù)據(jù)建立索引，以便高效進(jìn)行GML空間數(shù)據(jù)的查詢。與GML空間數(shù)據(jù)文檔存儲入庫時不構(gòu)建索引相比，存儲時建立索引將耗費更多的時間；但是從數(shù)據(jù)庫的整體操作、使用而言，一般遵從“操作局部性”(類似于計算機(jī)科學(xué)中的時間局部性原理和空間局部性原理)，表現(xiàn)為通常對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改、查詢等操作，一般情況下局部化為查詢操作。鑒于此，GML空間數(shù)據(jù)存儲入庫時因建立數(shù)據(jù)索引而額外耗費的時間，對于數(shù)據(jù)的后續(xù)操作和使用管理是非常有價值的。

GML索引管理包括：GML非空間數(shù)據(jù)索引管理和GML空間數(shù)據(jù)索引管理兩個子模塊。

GML非空間數(shù)據(jù)索引管理負(fù)責(zé)：(1)接收GML數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)送的GML實例文檔解析、構(gòu)建的節(jié)點樹，并采用XML文檔編碼方案(如論文提出的Ex-Dewey前綴編碼方案)對GML實例文檔構(gòu)建GML非空間數(shù)據(jù)索引。(2)接收GML數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)送的與GML實例文檔關(guān)聯(lián)的集合信息，以共同對GML實例文檔構(gòu)建GML非空間數(shù)據(jù)索引。(3)將構(gòu)建的GML實例文檔非空間數(shù)據(jù)索引信息數(shù)據(jù)提交GML存儲管理模塊進(jìn)行存儲，并同時提交GML實例文檔節(jié)點樹數(shù)據(jù)，對GML實例文檔數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。(4)協(xié)調(diào)GML空間數(shù)據(jù)索引管理子模塊對GML實例文檔構(gòu)建空間索引。(5)響應(yīng)GML查詢處理模塊對GML非空間數(shù)據(jù)的查詢請求，并返回相關(guān)索引信息數(shù)據(jù)。

GML空間數(shù)據(jù)索引管理負(fù)責(zé)：(1)接收GML數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)送的對GML實例文檔解析后提取的GML要素、幾何、拓?fù)涞葘ο髷?shù)據(jù)，并采用R樹、R+樹等經(jīng)典空間數(shù)據(jù)索引算法實現(xiàn)對GML空間數(shù)據(jù)的索引構(gòu)建。(2)接收GML數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)送的與GML實例文檔關(guān)聯(lián)的集合信息，以共同對GML實例文檔構(gòu)建GML空間數(shù)據(jù)索引。(3)將構(gòu)建的GML實例文檔空間數(shù)據(jù)索引信息數(shù)據(jù)提交GML存儲管理模塊進(jìn)行存儲。(4)與GML非空間數(shù)據(jù)索引管理子模塊交互，完成對GML實例文檔空間索引的構(gòu)建。(5)響應(yīng)GML查詢處理模塊對GML空間數(shù)據(jù)的查詢請求，并返回相關(guān)索引信息數(shù)據(jù)。

由于GML實例文檔索引的構(gòu)建比較耗時，可采用后臺服務(wù)進(jìn)程/線程自動構(gòu)建索引的方式，從而保證GML實例文檔可以迅速存入GML空間數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)GML實例文檔索引后臺自動構(gòu)建還未完成時出現(xiàn)查詢請求，可采取的策略是直接對GML實例文檔進(jìn)行檢索。根據(jù)局部性原理，通常GML實例文檔入庫后不會很快出現(xiàn)大量、頻繁的查詢請求，此時直接檢索GML實例文檔是可行的，當(dāng)索引構(gòu)建完成后則可先查詢索引，然后快速定位GML目標(biāo)數(shù)據(jù)。

2.4 GML存儲管理

GML存儲管理負(fù)責(zé)：(1)GML模式文檔、GML實例文檔、GML集合信息、GML實例文檔非空間數(shù)據(jù)索引信息、GML實例文檔空間數(shù)據(jù)索引信息的物理存儲。(2)GML模式文檔、GML實例文檔、GML集合信息、GML實例文檔非空間數(shù)據(jù)索引信息、GML實例文檔空間數(shù)據(jù)索引信息的提取。(3)響應(yīng)GML查詢處理模塊對GML空間、非空間數(shù)據(jù)的查詢請求，并返回實際數(shù)據(jù)。

GML存儲管理采用原生XML數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(如eXist)已有的存儲管理模塊，實現(xiàn)對上述功能的支持。

2.5 GML查詢處理

GML查詢處理既要實現(xiàn)一般XML數(shù)據(jù)的查詢功能，又要實現(xiàn)GML所特有的空間數(shù)據(jù)查詢功能。它包括：GML查詢解析、GML查詢執(zhí)行、GML查詢結(jié)果構(gòu)造等子模塊。

GML查詢解析負(fù)責(zé)對GML查詢語句(由XQuery查詢語言增加空間擴(kuò)展支持實現(xiàn))進(jìn)行解析，對查詢語句結(jié)構(gòu)、合法性等進(jìn)行分析，如果語句不合法則返回錯誤信息，否則對查詢語句進(jìn)行分類(包括：GML模式文檔全文查詢、GML實例文檔全文查詢、GML集合信息查詢、GML非空間數(shù)據(jù)查詢、GML空間數(shù)據(jù)查詢、GML 空間、非空間數(shù)據(jù)混合查詢等)，并將分類信息提交GML查詢執(zhí)行子模塊進(jìn)行查詢執(zhí)行。

GML查詢執(zhí)行負(fù)責(zé)根據(jù)查詢語句分類信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢執(zhí)行，并將查詢結(jié)果提交GML查詢結(jié)果構(gòu)造子模塊。之中：(1)對于GML模式文檔全文查詢、GML實例文檔全文查詢、GML集合信息查詢直接訪問GML數(shù)據(jù)管理模塊，由其執(zhí)行并返回結(jié)果。(2)對于GML非空間數(shù)據(jù)查詢則先訪問GML索引管理模塊，由其返回與查詢相關(guān)的索引信息數(shù)據(jù)，然后采用結(jié)構(gòu)連接算法(如論文提出的ED-XQ-SJ算法)確定符合查詢條件的節(jié)點信息，并進(jìn)而依據(jù)索引信息中節(jié)點編碼值所對應(yīng)的節(jié)點物理存儲地址，通過GML存儲管理模塊讀取節(jié)點實際數(shù)據(jù)。(3)對于GML空間數(shù)據(jù)查詢則先訪問GML索引管理模塊，由其返回與查詢相關(guān)的索引信息數(shù)據(jù)，然后利用空間索引構(gòu)建采用的算法(如R樹算法)確定符合查詢條件的GML要素信息，并進(jìn)而依據(jù)索引信息中GML要素所對應(yīng)的物理存儲地址，通過GML存儲管理模塊讀取GML要素的實際數(shù)據(jù)。(4)對于GML 空間、非空間數(shù)據(jù)混合查詢，則先執(zhí)行GML非空間數(shù)據(jù)查詢，在其結(jié)果集上結(jié)合對應(yīng)的空間索引信息以及非空間索引信息，進(jìn)一步執(zhí)行空間數(shù)據(jù)查詢，并最終通過GML存儲管理模塊獲取實際的GML數(shù)據(jù)。

GML查詢結(jié)果構(gòu)造負(fù)責(zé)將查詢獲取的目標(biāo)原始數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)關(guān)系(如節(jié)點編碼值等)進(jìn)行GML格式的數(shù)據(jù)構(gòu)造，并返回(對于GML模式文檔全文查詢、GML實例文檔全文查詢、GML集合信息查詢則直接返回)。

2.6 GML數(shù)據(jù)訪問API

為方便原生GML空間數(shù)據(jù)庫的使用，需要構(gòu)建各種GML數(shù)據(jù)訪問的API，如：類似XML-RPC、XML:DB API的訪問接口，能夠通過SOAP、HTTP進(jìn)行GML數(shù)據(jù)訪問的接口等。GML數(shù)據(jù)訪問API將可直接訪問GML數(shù)據(jù)管理模塊和GML查詢處理模塊。

2.7 其它支撐

一般數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都具有多用戶多任務(wù)并發(fā)、事務(wù)、回滾、訪問控制、備份等機(jī)制，原生GML空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也需具備上述特征，以便于在包括分布式網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的各種環(huán)境下使用。GML空間數(shù)據(jù)庫將采用原生XML數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(如eXist)已具備的上述機(jī)制實現(xiàn)對上述功能的支持。

將原生GML空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建于原生XML數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之上，不僅可以充分利用XML數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)已有的成熟功能與機(jī)制，而且可以將XML文檔、GML文檔共儲于同一數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，實現(xiàn)GML地理空間數(shù)據(jù)、XML普通事務(wù)數(shù)據(jù)的一體化存儲；正如當(dāng)前基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的地理空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)一樣(如：Oracle Spatial)。

3 結(jié)語

與XML數(shù)據(jù)存儲類似，GML空間數(shù)據(jù)的存儲方式也包括：文件存儲管理方式、關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲管理方式和原生數(shù)據(jù)庫存儲管理方式。原生GML空間數(shù)據(jù)的存儲構(gòu)建于原生XML數(shù)據(jù)庫之上是一種理想的選擇?；陂_源原生XML數(shù)據(jù)庫(如：eXist)并充分考慮GML索引構(gòu)建、GML空間、非空間數(shù)據(jù)查詢所采用的機(jī)制、算法、策略等情況，原生GML空間數(shù)據(jù)的存儲模型以細(xì)粒度(即，存儲以GML文檔中元素為粒度)為宜。本文進(jìn)一步重點研究、設(shè)計了原生GML空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構(gòu)體系，給出了系統(tǒng)定義、系統(tǒng)架構(gòu)與系統(tǒng)模塊的交互原理與技術(shù)方法；系統(tǒng)模塊包括：GML數(shù)據(jù)管理、GML索引管理、GML存儲管理、GML查詢處理、GML數(shù)據(jù)訪問API，以及多用戶并發(fā)、事務(wù)、回滾等其它支撐模塊。

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