地理空間信息服務構件技術研究

郭 勇 , 李 敏 , 黃偉杰

（1. 信息工程大學 地理空間信息學院,河南 鄭州 450052；2. 72946部隊，山東 淄博 255000；3. 77200部隊，云南 昆明 650000）

地理空間信息服務構件是在當前復雜的應用模式和計算環(huán)境下提出的概念[1]。傳統(tǒng)的對象技術和構件技術不能滿足面向服務計算環(huán)境下地理空間信息服務產品的應用開發(fā)，而面向服務框架雖然較好地解決了面向服務計算環(huán)境下跨平臺和異構數(shù)據(jù)的互操作等問題[2]，但其主要實現(xiàn)技術Web Service 基于SOAP協(xié)議和HTTP 協(xié)議，傳輸效率不高。地理空間信息服務構件可提供地理信息服務，并可提供本地調用和網(wǎng)絡遠程調用等訪問方式，通過地理空間信息服務構件可以實現(xiàn)跨平臺訪問和地理空間數(shù)據(jù)操作。為了在復雜的應用環(huán)境中滿足多樣化的需求，在基于服務構件的地理空間信息服務產品設計和開發(fā)過程中涉及很多關鍵技術。本文對其中多源異構條件下的空間數(shù)據(jù)庫引擎和面向服務的空間數(shù)據(jù)綜合查詢進行了研究。

1 多源異構條件下的空間數(shù)據(jù)庫引擎

空間數(shù)據(jù)庫引擎（spatial database engine，SDE）是地理空間信息服務構件的底層支撐技術。SDE的工作原理是[3]：客戶端向服務器端發(fā)出請求，服務器端處理請求并將其轉換為關系數(shù)據(jù)庫能夠處理的事務，然后由數(shù)據(jù)庫完成相應的請求，服務器端再將處理結果實時傳遞給客戶端。

1.1 空間數(shù)據(jù)存儲物理模型

空間數(shù)據(jù)一般可分為矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)。對于空間數(shù)據(jù)的存儲，在關系數(shù)據(jù)庫中常用的有2種方式：一種是使用WKB（well-known binary）來存儲空間實體，另一種是使用規(guī)范化SQL92方案進行存儲[4]。

1）矢量數(shù)據(jù)存儲。根據(jù)SQL92標準，BLOB類型是一種標準的二進制大對象類型，可以用來存儲WKB描述的空間實體，如表1。其中的Geometry字段可以是由WKBGeometry表示的BLOB字段，也可以是自定義的二進制字段。

表1 矢量數(shù)據(jù)存儲結構

2）柵格數(shù)據(jù)存儲。針對海量的柵格數(shù)據(jù)，一般采用分層、分塊的金字塔結構進行存儲。金字塔存儲結構是一種多分辨率層次（multi-resolution hierarchy）模型，采用金字塔結構并進行分塊存儲的數(shù)據(jù)相關表結構描述如表2所示。其中各數(shù)據(jù)塊都是整體數(shù)據(jù)的一個子集，是將柵格數(shù)據(jù)進行無損切割所得。分塊時將每塊都分成一個矩形，大小可以根據(jù)實際應用進行調整，常見的大小有64×64、128×128和256×256等若干種。存儲時，將數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)和相應級別、行列號、外接矩形坐標等一并進行存放，以便按索引進行數(shù)據(jù)的快速提取。

表2 柵格數(shù)據(jù)存儲結構

1.2 異構數(shù)據(jù)庫的訪問接口

對于網(wǎng)絡應用來說，數(shù)據(jù)可能以異構的方式分布式地存儲于網(wǎng)絡上的各個節(jié)點，地理空間信息服務構件的空間數(shù)據(jù)庫引擎應該向上層應用屏蔽底層數(shù)據(jù)存儲方式的異構性，提供統(tǒng)一的訪問接口。

SQL語言是一種結構化的查詢語言，其特點是不依賴于特定的操作系統(tǒng)和特定的關系數(shù)據(jù)庫；同時，SQL也是一種規(guī)范，是不同數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)共同遵循的語言規(guī)范。但在實際中，各數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實現(xiàn)仍存在很大差異，成為異構數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一訪問接口的障礙。

在實際應用中，每種數(shù)據(jù)庫都有自己的一組基本數(shù)據(jù)類型，而且各數(shù)據(jù)庫對基本數(shù)據(jù)類型的定義存在著差異。表3為幾種常用數(shù)據(jù)庫的對應參數(shù)類型。

表3 數(shù)據(jù)庫基本類型對比

圖1 統(tǒng)一SQL接口實現(xiàn)流程

同時，各數(shù)據(jù)庫在SQL語法的定義上存在差異，所采用的保留關鍵字也不盡相同。這些差異導致一些SQL語句在一個數(shù)據(jù)庫中能夠執(zhí)行，而在其他數(shù)據(jù)庫中變?yōu)榉欠ㄕZ句。為了解決這一問題，需要對SQL語句進行分解翻譯，然后再進行校驗和執(zhí)行，如圖1所示。

當接收到查詢請求時，系統(tǒng)將其進行分解翻譯，并根據(jù)不同的數(shù)據(jù)庫類型將其翻譯為相應的SQL語句；經(jīng)過校驗后進行執(zhí)行，并返回查詢結果。這一過程需要各數(shù)據(jù)庫參數(shù)的對應關系，如圖2所示。

圖2 各數(shù)據(jù)庫SQL語法參數(shù)UML關系圖

從圖2中可以看出，類ParameterLisBase為參數(shù)列表的抽象基類，往下可以派生出針對各個數(shù)據(jù)庫的參數(shù)列表類，如OdbcParameterList類、OracleParameterList類等；如果需要擴充對一個新數(shù)據(jù)庫的支持，只需在ParameterLisBase基礎上再派生出一個相應的類進行實現(xiàn)即可，對原結構和系統(tǒng)的調用方式不需要改變。

2 面向服務的空間數(shù)據(jù)綜合查詢

用戶查詢涉及多個空間數(shù)據(jù)集是很常見的情況，需要對多樣化的數(shù)據(jù)進行分析和挖掘，從多個數(shù)據(jù)集中提取用戶關心的數(shù)據(jù)，并提供從圖到文、從文到圖和從文到文等多種查詢方式，如圖3所示。

為了實現(xiàn)圖、文、庫的一體化查詢應用，需要在空間數(shù)據(jù)庫基礎上建立專題信息庫和空間數(shù)據(jù)庫之間以及專題信息庫和專題信息庫之間的聯(lián)系。

例如，要查詢某區(qū)域內影響裝甲車輛通行的橋梁隧道情況，就涉及公路、橋梁隧道及武器裝備屬性等3個數(shù)據(jù)集。當這3個數(shù)據(jù)集分別位于3個不同的數(shù)據(jù)庫時，空間數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)需要合并這3個數(shù)據(jù)服務的中間結果集才能得到一個滿足用戶需求的最終查詢結果，我們稱該過程為集成多元空間連接查詢。

空間數(shù)據(jù)庫中處理多元連接查詢一般采用兩階段處理方式，即查詢編譯階段和查詢執(zhí)行階段。在查詢編譯階段，對查詢命令進行分解和優(yōu)化，產生一個執(zhí)行代價最優(yōu)的查詢計劃；在查詢執(zhí)行階段，查詢執(zhí)行引擎嚴格執(zhí)行該查詢計劃。

在局域網(wǎng)或本地應用中，通過服務構件提供的API函數(shù)直接調用接口分別在不同的庫中進行查詢并將結果進行合并即可；而在面向地理數(shù)據(jù)服務的空間數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)中，集成查詢處理器對空間數(shù)據(jù)的訪問是通過調用外部接口實現(xiàn)的，因此，常常需要對動態(tài)生成的GML文檔進行進一步空間連接查詢才能得到用戶需要的查詢結果。

圖4 專題信息和空間信息的關聯(lián)方式

圖5 關鍵字庫的應用

2.1 多元空間數(shù)據(jù)關聯(lián)

地理空間信息查詢通常分為兩類：基于屬性的查詢和基于空間位置的查詢（空間關系查詢）。基于屬性查詢是通過對空間對象的屬性信息設定一定的條件來查詢空間位置，主要包括字符型字段查詢、數(shù)值型字段查詢和復合型查詢3種。基于字符型字段的語句通常使用“=”和“LIKE”進行SQL查詢。基于數(shù)值型字段的語句通常使用比較操作運算符（>，<，=，<=，>一）和運算符（+，-，*，/）完成。復合查詢通常采用“AND”、“OR”或“NOT”等邏輯運算符完成。

要實現(xiàn)不同空間數(shù)據(jù)庫之間的關聯(lián)查詢，特別是屬性數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫之間的關聯(lián)應用，需要建立不同空間數(shù)據(jù)庫之間以及空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫之間的關聯(lián)關系。如果所有的數(shù)據(jù)庫都由我們自己維護，則只需通過唯一的ID值建立空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)即可，但在地理空間信息服務構件的應用中，空間數(shù)據(jù)庫和專題數(shù)據(jù)庫可能來自于遠程，由別人進行維護，我們不能預先建立它們之間的聯(lián)系，只有在應用時才能動態(tài)地建立關聯(lián)。在動態(tài)關聯(lián)的過程中，如果專題信息帶有空間坐標信息，則直接通過坐標進行空間關聯(lián)即可；但有些應用中，專題信息可能沒有空間定位信息，只有文本描述，這就需要我們從中挖掘出隱含的空間信息并進行關聯(lián)應用。

2.2 建立關鍵字庫

對于沒有通過ID值和空間數(shù)據(jù)建立聯(lián)系的專題信息，需要通過全文檢索的方式從中挖掘文檔中隱含的地理空間信息，如地名等，將其和空間地理信息進行關聯(lián)，如圖4所示。具體實現(xiàn)的方法是預先設定一定的關鍵字表，通過專題信息和關鍵字表的比對，找出其中和空間定位相關的信息，如圖5所示。

其算法偽碼描述如下：

表4 關鍵字庫表結構

建立關鍵字庫，是從已有的地理空間數(shù)據(jù)庫中提取出關鍵字信息，并建立相應的索引。其數(shù)據(jù)表結構如表4所示。有了關鍵字表之后，就可以對專題信息中的文本信息進行檢索匹配，并進行地理編碼，從而建立和空間信息的關聯(lián)。

[1]龍明.地理空間信息服務構件研究與實踐[D].鄭州：信息工程大學，2010

[2]吳信才.面向網(wǎng)絡的新一代地理信息系統(tǒng)[M].北京：科學出版社，2009

[3]何雄.空間數(shù)據(jù)庫引擎關鍵技術研究[D].北京：中國科學院，2006

[4]唐桂芬.面向地理數(shù)據(jù)服務的集成空間查詢處理技術[D].長沙：國防科技大學，2007

[5]Gareia-Molina H，Jeffrey U，Widom J.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)[M].北京：機械工業(yè)出版社, 2001

[6]楊芙清，梅宏.構件化軟件設計與實現(xiàn)[M].北京：清華大學出版社，2008

[7]毛新生.SOA原理、方法、實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007

[8]倪光南.SOA標準與構件技術的結合[R].SOA國際標準全球路演中國站，2007