時空信息數據庫總體設計探究

楊帆 郭小虎 李姝祺

（1.湖北省測繪工程院，湖北 武漢 430074；2.湖北省地圖院，湖北 武漢 430074；3.湖北省測繪地理信息局 測繪應急保障中心，湖北 武漢 430070）

1 引言

時空信息數據庫借助時間屬性管理方法，采用離線編輯的更新模式和沖突檢測矩陣算法，為系統的更新研究和開發設計提供了完整解決方案，實現了相關業務流程的規范化，提升了數據的管理效率，為省級網絡地圖服務平臺的穩定運行奠定了可靠的數據基礎。

通過建設智慧城市時空信息云平臺，對海量測繪地理信息化資源進行整合，不僅能將各類專題數據在統一的時空基準下實現共享，形成智能化服務的核心優勢，還能帶動數據加工、分析以及相關軟硬件研發的發展和新興市場的壯大，從而為經濟社會發展帶來一個新的經濟增長點。

2 技術路線

面向時空信息數據庫的數據庫集成管理、查詢瀏覽和分發提取等需要，基于Geodatabase 數據模型，采用面向對象的方法和UML（Unified Modeling Language）建模語言設計數據庫，對現有數據進行對象化處理、數據入庫、關聯關系建立等系列操作后，以ArcSDE 為空間數據庫引擎，將各種數據集中存儲于Oracle 數據庫，或以FTP（File Transfer Protocol，文件傳輸協議）、共享目錄的方式存儲于文件數據庫系統，實現多種類型的數據一體化無縫建庫存儲。同時對已建成基礎地理信息數據庫、地理空間框架數據庫、地理國情普查數據庫等進行改造升級，統一時空信息，建立時空信息數據庫；在此基礎上設計與開發集成數據庫管理的時空信息數據庫管理系統，實現數據的集成管理、查詢瀏覽和分發提取等功能。

（1）采用統一建模技術，以面向對象的方法設計時空數據庫。面對基礎空間地理信息“一張圖”以及傳感器數據等多源異構數據管理建庫需求，基于Geodatabase 數據模型，采用面向對象的方法和UML建模語言對數據庫進行統一設計，通過領域對象建模、數據存儲建模開展數據庫的概念模型、邏輯模型和物理模型設計；通過功能交互建模，在建庫環境下設計、開發數據建庫、靈活編目、查詢瀏覽、提取配送等功能。 （2）采用混合存儲管理模式，實現資源充分利用。以成熟的商業數據庫Oracle 和空間數據引擎ArcSDE完成空間數據建模、組織和管理，將基礎空間地理信息“一張圖”中DLG（數字線劃圖）數據、高程數據、影像數據以及傳感器數據中矢量數據等集中存儲于關系型數據庫，實現多類型、多尺度、多時態集成化管理。采用Geodatabase 作為基礎空間地理信息“一張圖”數據模型，有利于數據共享，方便數據維護，確保數據的安全和統一管理。

其中，矢量數據采用Geodatabase 的要素數據集（FeatureDataset）、要素類（FeatureClass）模型，DOM（數字正射影像）、DEM（數字高程模型）數據采用鑲嵌數據集（MosaicDataset）模型，屬性及業務數據采用關系型數據庫表形式。

空間數據通過縝密的數據庫規劃，從各類數據的分層結構、相關屬性、數據集組織等歸納邏輯數據組織與表達的模型，進而適應未來數據的擴充而動態擴展。數據操作針對邏輯數據組織模型來進行，而不是直接操作物理對象，使得數據庫系統更具開放、易擴展、易維護等優點。

（3）采用分布式存儲集中管理技術，實現對數據的統一管理。待建設基礎空間地理信息“一張圖”數據庫、傳感器數據庫、行業專題數據庫與已建成基礎地理信息數據庫、地理國情普查數據庫等獨立存于不同設備，不利于數據的統一管理與應用，因此需采用集中管理技術統一各數據庫，具體做法需進一步研究。

分布式存儲集中管理技術就是把存儲設備和系統按照實際需要安裝到指定位置集中管理。該技術采用全數字化管理，是一種先進、較靈活、較穩定、可擴展、操作方便簡捷的系統存儲管理技術，能很好地融合在大型、中型、小型、高端等各種數據存儲管理應用中，能夠實現對不同實例數據庫進行統一管理，避免由于一庫一系統而導致的數據孤島局面。

3 總體技術架構

時空信息數據庫管理系統基于C/S 架構，利用空間數據庫、非關系數據庫、共享文件系統、分布式文件系統進行多源異構數據綜合存儲，構建時空信息數據庫，通過數據庫訪問接口、文件訪問接口以及數據服務方式實現各類數據資源共享訪問，以實現大數據的存儲和管理能力。

時空信息數據庫管理系統總體架構分為四層：基礎設施層、數據資源層、計算框架層和應用層。系統架構如圖1 所示。

圖1 時空信息數據庫管理系統總體架構

（1）基礎設施層是支撐整個數據庫管理系統運轉的基礎設施，主要包含計算資源、存儲資源、網絡資源、安全資源等。

（2）數據資源層是整個數據庫管理系統的數據資源中心，系統采用混合存儲架構，在傳統空間數據庫、共享文件系統基礎上，引入NoSQL 數據庫，提供多源異構數據的統一管理能力。面向矢量、柵格、表格、影像、文檔等各類結構化、半結構化以及非結構化數據，依據其數據結構、數據量、數據特點和應用需求，采用不同的存儲策略，實現多源異構數據的優化存儲。同時通過統一、開放的數據存取訪問接口，實現地理大數據統一存取服務。

（3）計算框架層是各類上層應用構建的基礎框架，在此框架基礎上構建入庫、管理、提取等各類應用。時空信息數據庫管理系統既支持傳統集群/并行計算框架，同時引入了分布式計算框架，實現入庫、管理、提取等各類業務應用的多機、多進程并行化處理或分布式處理，實現處理能力的橫向可擴展，以應對大數據環境下快速存取與高效處理需求，解決高并發、I/O瓶頸、快速響應、高可利用性等問題。

（4）應用層基于計算框架，構建面向各類業務場景、用戶的應用功能，包括基礎地理空間數據管理、擴展數據管理、融合數據管理、共享數據庫管理。

（5）相比傳統的數據庫設計，利用面向對象的方法和UML 建模語言對數據庫進行設計的時空信息數據庫，很好地解決了基礎地理信息數據庫對歷史數據存儲、管理和更新的問題，比如傳統GIS 由于靜態空間數據對象管理而形成的短板以及數據更新發布上的局限,實現了多種類型的數據一體化無縫建庫存儲以及多類型、多尺度、多時態集成化管理。

4 結語

針對時空信息數據庫，本文提出在Geodatabase數據模型基礎上，采用面向對象的方法和UML 建模語言對數據庫進行設計，很好地解決了當前時空信息數據庫管理系統中存在的一些問題，實現了時空信息數據庫管理的信息化、智能化和數據共享，讓數據管理工作更加高效、便捷。