開源空間數據庫的數據表達、管理與分析

侯 偉

(蘭州大學資源與環境學院，甘肅蘭州730000)

一、引 言

空間數據的爆炸性增長對空間數據的管理帶來了難題。使用傳統的文件管理方式在海量空間數據的管理上捉襟見肘。而空間數據的特殊性使得普通的數據庫并不能對空間數據進行有效管理。因此，在普通數據庫的基礎上，通過其對空間數據模型的實現來管理空間數據，從而達到更好地使用數據就顯得非常重要和有意義［1-2］。

現今的SQL 2008、DB2、Oracle 11g等商業數據庫，以及 MySQL、PostgreSQL、SQLite等開源數據庫都在其自身的基礎上添加了空間數據的擴展。然而，不論是開源數據庫還是各商業數據庫在空間數據管理的擴展上在很大程度上都是按照OGC(開放地理空間聯盟)對有關空間數據模型研究上所制定的一系列規范的基礎上進行的。

OGC致力于提高空間數據的共享及互操作。OGC在研究相關空間數據模型的基礎上，對有關空間數據從收集、存儲、處理、分析、表達和展示制定了一系列規范和標準，提高了空間數據的互操作和透明性。在空間數據存儲和分析方面，OGC定義了由矢量的點、線、面以及它們的集合體組成的簡單要素模型，并描述了空間數據庫對簡單要素的存取實現的具體方案。這在一定程度上，既揭示了空間數據庫區別于普通數據庫，既揭示了空間數據庫所應具有的共性。

本文對一種開源的對象——關系型數據庫PostgreSQL，借助空間數據擴展模塊PostGIS，成為空間數據庫的空間數據模型實現方案進行重點分析，從而明顯得到作為空間數據庫的特點及其優勢所在。并對現今空間數據庫表達存在的空間數據模型表達不成熟等問題進行揭示，對空間數據庫的發展方向作出展望。

二、OGC定義的空間數據表達與分析

空間數據是指用來表示空間現象(實體)的位置、形狀、大小及其分布特征諸多方面信息的數據，主要包括屬性數據和幾何特征數據兩個方面。屬性數據通常表現空間現象的非空間特征或與空間特征并無直接聯系的特征，因此這一方面數據的表達與管理可以采用一般信息數據的表達和分析方式;對于空間數據的幾何特征則是對空間現象(實體)在空間上的與位置有關的數據，其模型復雜，不能采用一般信息數據的表達和分析方式，需要采用具有針對幾何特征屬性的表達方式。OGC在對空間數據研究的基礎上，對空間數據的幾何特征制定了相關標準，將空間數據的幾何特征規范為簡單要素模型。

1.簡單要素模型

OGC按照面向對象的方法對空間數據在二維空間里統一建立了一個名為幾何體的抽象類。通過這個抽象類生成了可以實例化的點、曲線、面，以及多邊、多線、多面等集合體子類。這個抽象類幾何體所占用的空間可以是一個空間坐標系，也可以是一個測量參考系統。其相互間的關系如圖1所示。

對于簡單要素的具體表達則采用了WKT(wellknown text)和WKB(well-known binary)方式。兩種方式的主要區別和用途在于：WKT便于人的閱讀與理解，WKB便于機器的高速處理。如一個點狀幾何體用WKT表示為

用WKB表示為

對于其他類型幾何體的表示方法都在OGC的相關規范里，在此不再贅述。

圖1 簡單幾何體的模型

2.簡單要素的基本方法

簡單要素的基本方法定義了空間數據在幾何上的一些特性。這些特性中，一部分是關于空間數據的簡單要素模型本身的一些性質，包括空間數據的維度、幾何體類型、空間參考系，以及是否是簡單要素等方法;另一部分是用來表現空間數據的具體形式的，包括采用WKT和WKB存取空間數據的幾何特征，得到幾何的外殼、邊界等方法。通過簡單要素的基本方法，對空間數據的幾何特征能夠作出較全面的描述。地理學第一定律說明僅僅考慮空間對象自身的特征是不夠的，空間對象間的關系在一定程度上更為重要。

3.簡單要素間的空間關系

多個簡單要素間的空間關系，是空間數據所特有的性質。最簡單的多個簡單要素間的空間關系就是兩個簡單要素間的空間關系。對兩個以上的簡單要素間的空間關系可以通過研究兩個簡單要素間的空間關系而得到。兩個簡單要素在二維平面上的拓撲空間關系，可以通過它們相互間的內部、邊界和外部這9種關系，建立九交錯模型，確定二者的關系。

通過對任意兩個簡單要素間的所有空間關系的確定，可以得到相同、分離、相交、相接、相交、在內、包含、疊置8種具有明確意義的空間關系，以及可供特殊使用的任意關系。從而確定任意兩個幾何對象的拓撲關系，在此基礎上可以對任意多個簡單要素間的空間關系進行表述，以及定義更加復雜的空間關系。

4.簡單要素的空間分析

簡單要素的空間分析更強調地理空間本身的特征。這一方面主要包括長度、面積、凸包、質心、緩沖區等強調簡單要素的自身形態的方法;另一方面包括要素間的交集、并集和差集，根據要素間的空間關系生成新的簡單要素。在此基礎上可以構造出更復雜和更具實際意義的應用。例如，對于查詢離學校不超過2 km的公交車站。可以轉化求學校2 km的緩沖區，然后再求出該公交車站與緩沖區的交集，得到的結果就為離學校不超過2 km的公交車站，如圖2所示。

圖2 通過緩沖區和交集方法求得距學校2 km內的公交車站

三、PostgreSQL的空間擴展PostGIS形成的空間數據庫

1.簡單要素的實現

PostGIS在簡單要素的實現上完全遵守了OGC關于簡單要素的定義，并根據簡單要素的幾何體特征主要形成了 Geometry和 Geography兩個大類。Geometry類型表示平面上的空間數據，即通常使用的各種地圖投影，也可以是任意定義的坐標系;而Geography則定義了一個在橢球體上的曲面，現在它僅支持WGS-84橢球體及其水準面。這兩種本質上有差別的數據類型，由于在平面上便于各種計算，因此，Geometry類型使用方便，然而雖然對于Geography類型的數據更接近空間數據本質，但由于在曲面上的各種計算較為復雜，所以支持有限。

2.空間數據的管理

采用空間數據庫，最主要的目的是對空間數據進行統一管理。空間對象一般可將其屬性分為普通屬性和空間屬性。普通屬性是與空間對象的空間位置和分布不直接相關的屬性，而空間屬性則通常表示空間對象所在位置及與位置直接相關的屬性。PostGIS利用 PostgreSQL的 UDT(user defined type)功能對空間對象的幾何體進行實現，將普通屬性與空間屬性存儲在一張表里對空間對象進行了完整的表達。

在簡單要素的存取上，空間數據庫在遵守OGC關于簡單要素的WKT和WKB表達規范的基礎上，在數據的交互性上進行了擴展，以增強空間數據的互操作。幾何體的構造器用來生成一個PostGIS的標準幾何體，其支持多種形式的構造方法。包括OGC所規定的簡單要素的WKT和WKB表達規范，以及GML和Google Earth所使用的KML表達方式，甚至是包含空間坐標的文本也可以進行構造，對于常于的Esri的SHP文件更是提供了專門的導入工具。幾何體生成器則是對存儲幾何體的規范化輸出，在生成器里，也是對OGC所規定的簡單要素的WKT和WKB表達進行，同時也支持多格式的輸出，包括了以 GML，KML，SVG，GeoJSON格式輸出。多元的構造器和生成器為滿足不同需求的應用和用戶提供了便捷的方法，增加了空間數據的易用性和互操作。

3.空間參考系與空間變換

由于PostGIS將空間數據主要分為Geometry和Geography兩種類型。因為Geography類型直接代表真實的地理坐標系統，坐標系單一，對于這種類型僅對應有一種地理坐標系統，即WGS-84地理坐標系;而對于geometry類型，因其定義在平面上，本質上為笛卡兒坐標系，因為地圖投影方法的不同，導制了Geometry類型所用參考系的不同。

PostGIS采用了EPSG(European Petroleum Survey Group)所定義的各種大地坐標系和地圖投影，共支持3749種不同的空間參考系。對于每種參考信使用EPSG定義的數字代碼，并有相應的用WKT和Proj4兩種具體投影表示形式。空間對象的空間屬性的空間參考系的定義是在定義幾何體字段時預先定義的。同時，用戶還可根據自身需要添加新的坐標參考系，這也體現了空間數據庫的魯棒性。

4.空間數據分析與空間索引

在空間數據分析上，PostGIS選擇了OGC規定的部分幾何體處理方法進行了實現。主要實現的方法有緩沖區生成，凸包分析，要素簡化，幾何體間的交集、并集、差集，以及點、線和面間的轉化。這些方法的提供為實際中空間數據的查詢提供簡單明了的手段。

使用空間數據庫管理空間數據的目的就是提高空間數據的查詢效率。PostgreSQL數據庫自身提供了B樹索引，R樹索引，以及特有的GiST(generalized search trees)。由于空間數據自身的特征，Post-GIS在GiST索引的基礎上使用R樹索引以提高空間數據的查詢效率。這樣做一方面可以確保數據索引安全，另一方面可以確保能夠對超數據量大于8 KB的幾何數據有效索引。

四、開源空間數據庫的優勢

空間數據庫作為一種存儲、管理海量空間數據的手段。隨著對空間數據研究的不斷深入，空間數據庫增加了對空間數據的各種查詢、操作方法，并利用空間索引技術極大地提升了空間查詢效率。

空間數據在數據庫內存放唯一，而在存取空間數據時支持多樣的存取方式。在存取格式上，空間數據庫支持多樣的數據格式;在空間數據的投影上，可供選擇數千種不同的地圖投影供存取。這樣，為不同的用戶提供不同的數據存取接口，最大限度地滿足了不同的需求。

數據安全是數據庫的主要特性之一。空間數據庫是在普通數據庫的基礎上擴展而來。因此，在安全性上空間數據庫具有很好的保證。空間數據庫在空間數據的有效性檢查，坐標系間的變換，訪問控制等方面具有相較于文件管理更優異的安全特性。

通過對SQL語言在空間數據管理上的擴展，以及通過空間數據庫內置的各種空間函數，可以在數據庫內對空間數據進行形式多樣的查詢，甚至于編輯空間數據。通過空間數據庫的空間索引的建立，在查詢空間數據時效率極其高效。

開源空間數據庫在具有以上空間數據庫所有優點的基礎上，還具有廉價性、研究性、借鑒性等優點。開源空間數據庫作為一種供免費使用的空間數據庫，使得管理空間數據的成本降低;同時，公開源代碼使空間數據庫的研究者可以全面的研究空間數據庫，從而發展空間數據庫;另一方向，開源空間數據庫作為一種管理空間數據的形式，為空間數據管理者提供了借鑒方案。

五、討論和結論

開源空間數據庫作為一種對空間數據研究最新進展的實現，在一定程度上體現了對空間數據研究的最新進展。通過開源空間數據庫可以研究相應的空間數據模型，并學習相應數據模型表達手段和方法，有助于空間數據庫的學習和理解。同時，開源空間數據庫作為一種廉價但功能較為齊全的空間數據管理、分析和查詢工具，在地理信息系統的建設中可以擔負起管理、分析和查詢空間數據的任務。本文中主要對OGC中所定義的簡單要素的類型的空間數據在開源空間數據庫的實現進行了論述，對于柵格數據類型由于對其模型研究還未形成一致，正處于研究試驗階段;對于網絡數據模型和線性參考等其他方面的地理信息系統模型，開源空間數據庫均有擴展，因其只在簡單要素類型的基礎上實現某一方面應用，故本文并未進行論述。本文在對OGC中所定義的簡單要素進行詳細論述，對簡單要素模型的結構，構造存取方法，空間關系和空間分析等內容進行介紹。并在此基礎上，對在開源空間數據庫實現這些具體操作上進行了重點分析和介紹，突出地展示了使用空間數據庫管理、分析空間數據的優越性。最后，對現階段開源空間數據庫在柵格類型數據管理上的不足進行了說明，這不僅是開源空間數據庫存在的問題，也是所有空間數據存在的問題，這也是現今空間數據庫研究的方向之一。可以期待隨著對空間數據本質研究的不斷深入，空間數據模型的表達必將統一。

［1］蘇峰，黃正軍.GIS空間數據管理模式探討［J］.計算機仿真，2003，20(8)：140-143.

［2］黃波，徐冠華.基于擴展關系模型的整體空間數據管理［J］.遙感學報，1997，1(1)：69-73.