文献综述-空间数据库

高级数据库（结课）文献综述

题 目： 空间数据库

姓 名： 张广元

学 号： Y151021422

学 院： 计算机与信息工程学院

专 业： 计算机技术（专业硕士）

年 级： 2015级

任课教师： 葛利

2015 年 12 月 15 日

【前言】

空间数据库是近年来数据库技术研究的热点之一。空间数据库指的是地理信息系统在计算机物理存储介质上存储的与应用相关的地理空间数据的总和，一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的。所谓空间数据是指与空间位置和空间关系相联系的数据。归纳起来它具有以下5个基本特征：

1、空间特征

每个空间对象都具有空间坐标,即空间对象隐含了空间分布特征。这意味着在空间数据组织方面,要考虑它的空间分布特征。除了通用性数据库管理系统或文件系统关键字的索引和辅关键字索引以外,一般需要建立空间索引。

2、非结构化特征

在当前通用的关系数据库管理系统中,数据记录一般是结构化的。即它满足关系数据模型的第一范式要求,每一条记录是定长的,数据项表达的只能是原子数据,不允许嵌套记录。而空间数据则不能满足这种结构化要求。若将一条记录表达一个空间对象,它的数据项可能是变长的,例如, 1条弧段的坐标,其长度是不可限定的,它可能是2对坐标,也可能是10万对坐标; 其二, 1个对象可能包含另外的1个或多个对象, 例如, 1个多边形,它可能含有多条弧段。若1条记录表示1条弧段,在这种情况下, 1条多边形的记录就可能嵌套多条弧段的记录,所以它不满足关系数据模型的范式要求,这也就是为什么空间图形数据难以直接采用通用的关系数据管理系统的主要原因。

3、空间关系特征

空间数据除了前面所述的空间坐标隐含了空间分布关系外。空间数据中记录的拓扑信息表达了多种空间关系。这种拓扑数据结构一方面方便了空间数据的查询和空间分析,另一方面也给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂性。特别是有些几何对象,没有直接记录空间坐标的信息,如拓扑的面状目标,仅记录组成它的弧段的标识,因而进行查找、显示和分析操作时都要操纵和检索多个数据文件方能得以实现。

4、分类编码特征

一般而言,每一个空间对象都有一个分类编码,而这种分类编码往往属于国家标准,或行业标准,或地区标准,每一种地物的类型在某个GIS中的属性项个数是相同的。因而在许多情况下,一种地物类型对应于一个属性数据表文件。当然,如果几种地物类型的属性项相同,也可以多种地物类型共用一个属性数据表文件。

5、海量数据特征

空间数据量是巨大的,通常称海量数据。之所以称为海量数据,是指它的数据量比一般的通用数据库要大得多。一个城市地理信息系统的数据量可能达几十GB,如果考虑影像数据的存贮,可能达几百个GB。这样的数据量在城市管理的其他数据库中是很少见的。正因为空间数据量大,所以需要在二维空间上划分块或者图幅,在垂直方向上划分层来进行组织。

【课题研究的国内外发展现状】

1.2015年的有关研究

在2015年内，国内大概有相关空间数据库的3篇论文发表，分别是：山东省 1 ︰ 50 万区域地质志空间数据库建设分析（2015年2月），辽宁省1：20万区域水文地质图空间数据库建库方法及研究成果（2015年5月），和基于 GIS 的 SWAT 模型空间数据库的建立（2015年7月）。下面我将大概的介绍一下这三篇论文的内容。

山东省 1 ︰ 50 万区域地质志空间数据库建设分析和辽宁省1：20万区域水文地质图空间数据库建库方法及研究成果这两篇论文主要是将空间数据库应用在了区域地理信息的地质图建设上了。大概内容是：将我们日常用的地理地图和专用地质图结合起来，再加上更新的地理资料，来把地理的相关数据和属性的要素编制出来。在经过图层的划分，属

性录入，无缝接边处理，质量检测等一系列方法，最后用投影变化将数据录入新的地质图，最后建立一些元数据用于解释。

这样的地址空间数据库或水文地质图的建立不仅可为本地区国民经济各部门作总体区域规划部署、科研教育、勘查设计、资源开发、环境保护等提供科学、可靠的基础地质资料，还可以对今后的国土资源合理的开采利用，推动地矿工作信息化系统建设工作都有深远的意义，具有广泛的应用前景。

而基于 GIS 的 SWAT（Soil and Water Accessment Tool） 模型空间数据库的建立则是利用地理信息系统（GIS）强大的空间地理信息分析和管理能力，把DEM(Digital Terrain Model)、土壤类型、土地利用图等，构建达溪河流域空间数据库。它能够可用来模拟预测具有多种土壤类型、土地利用与管理条件流域中土地管理措施对水、沙、化学物质等的长期影响，并且对流域水资源管理、规划及生态环境保护也具有重要意义。

2.2014年的有关研究

在2014年内，国内大概有相关空间数据库的2篇论文发表，分别是：CO2_ECBM地质空间数据库建设方法研究（2014年9月）和空间数据库电子接图表的设计与实现（2014年3月）。

空间数据库电子接图表的设计与实现的论文中，从底层空间数据存储的逻辑结构设计出

发，实现了空间数据库电子接图表的数据存储、检索及处理的功能，并编程实现了空间数据接图表的可视化。但是，为使空间数据库电子接图表具有更强的通用性、扩展性和

可靠性，具体的参数还应根据具体的硬件和数据库结构进行调整。

CO2_ECBM地质空间数据库建设方法研究一文，它就是为CO2_ECBM技术的实施提供数据支持。首先通过区域调查，测试分析获得数据，在将数据细化，共享，编码，最后按照Geodatabase数据模型储存，从而实现数据的共享，管理和可视化的应用分析。

3.2010-2008年的有关研究

在3年内，国内大概有相关空间数据库的3篇论文发表，分别是：城镇产业布局基础空间信息数据库系统的设计与实现（2010年1月），地质图空间数据库自动检查系统的设计（2010年12月）和基于历史关系数据库的时空数据库实现研究（2008年9月）。这几年的空间数据库的发展比较的发散，有应用到城镇布局的，有应用到简单的人工智能的，还有结合时间所应用的时空数据库的。

城镇产业布局基础空间信息数据库系统的设计与实现，它综合利用地理信息系统技术、数据库技术和空间数据库引擎技术,提出了基于SQL Server和ArcSDE技术构建城镇产业布局基础空间信息数据库的基本方法,并在该方法之上建立了数据库模型系统,可用于城镇产业布局空间信息数据的有效组织、管理和应用。通过建设城镇产业布局基础空间信息数据库系统,可以实现小城镇区域多源、多尺度、海量城镇基础空间数据的有机整合和高效的组织管理,同时可以提高城镇级产业布局基础空间数据存储管理的效率、数据的安全保障和共享能力。

地质图空间数据库自动检查系统的设计这一篇论文主要是在Map GIS的基础上，设计了几个可以实现检测，更改的模块以实现的数据自动检查。

基于历史关系数据库的时空数据库实现研究中主要是应用关系数据库和时态数据库，只是应用到了GIS空间分析处理功能和空间要素在内的数据库系统，所以这里不细说，但是它引用了一个新的技术：在空间数据库的基础上增加时间维（根据对时间信息组织方式不同,时空数据库主要有扩展关系型时空数据库和面向对象型时空数据库两类）。这个发展方向还是有很大的研究价值的。

4.2006年的有关研究

在2006年内，国内大概有相关空间数据库的2篇论文发表，分别是：空间数据库引擎及其解决方案分析，基于SDE的空间数据库的研究与实现和城市基础空间数据库更新方法研究。其中城市基础空间数据库更新方法研究一文中，主要是提出了完整的基于基态修正模型的空间数据库组织和完整的更新流程,最后通过试验数据验证了更新方法的实用性。所以就不多说，这里我主要介绍一下前两篇论文。

因为这两篇论文都是基于空间数据库的引擎来研究的，只是一个是讨论一个是给出了具体的办法。空间数据引擎、大型数据库管理系统、客户端GIS应用程序是实现空间数据库的三个重要组成部分,其核心是空间数据引擎，它其实是一种中间件技术,它在GIS应用程序和基于RDBMS的空间数据库间提供了一个开放的接口。而空间数据库引擎( SDE) 是目前得到成功应用的空间数据库系统, 它采用的空间数据库技术在一定程度上代表了目前的发展方向, 对我们开发自己的空间数据库系统具有很好的借鉴意义。

5.2003-2002年的有关研究

在这两年内，国内大概有相关空间数据库的2篇论文发表，分别是：基于空间数据库技术的地籍管理系统研究（2003年3月）和分布式多空间数据库系统的集成技术（2002

年2月）。前一篇还是基于GIS的应用，就不讨论了，我介绍一下第二篇论文。

分布式多空间数据库系统的集成技术这篇论文，将分布式数据库和空间数据库结合应用，是一个很好的研究方向。因为空间数据的特殊性，传统的关系数据库肯定是实现不了数据共享的，所以它加入了分布式管理系统而生成了分布式空间数据库管理系统，就可以将上传到网络上的各个空间数据共享个各个客户端应用了。

6.近几年国外的有关研究

我浏览的一下14，15年的有关5篇国外论文（因为前几年不是很多），基本都是基于GIS应用居多的，其中有涉及到地图绘制更新，附近地理信息查询等等，可能是和国外的特殊地形有关，例如：分析美国达拉斯加州的附近的地形（因为有很大面积的戈壁滩），所以它可以设计设置加油站，安全点等等，可能在这方面有一定的应用。

【总结】

空间数据是用于描述有关空间实体的位置、形状和相互关系的数据,以坐标和拓扑关系的形式存储。它包含带有空间坐标及空间范围的任何相关数据,如二维、三维或更高维 空间坐标、建筑设计图、地球经纬度、城市规划图等。

现在空间数据库主要应用于地理信息的的处理，基本国内外的相关论文都是在这方面。但是也有在时空数据库中有所应用。但是大部分都是在空间数据库的数据收集，更新储存，检索等等，新的研究方向是将空间数据库向多位空间甚至立体，智能的方向来突破，但是近几年来的研究创新的不是特别明显，相信在未来5-10肯定有一定的突破。

【参考文献】：

[1] 汪明冲， 赵 军，李玉琳．西北师范大学 GIS 开发应用研究中心, 2006.

[2] 严 哲，余 瑞，何 津，邓文胜，李志慧．中国科学院地理科学与资源研究所.2014

[3] 黄勇奇，崔伟宏。基于历史关系数据库的时空数据库实现研究．中国科学院遥感应用研究所,北京2008

[4]潘瑜春,钟耳顺,梁军．基于空间数据库技术的地籍管理系统研究．国家农业信息化工程技术研究中心2003

[5]王佞，罗大庸，张航．基于SDE的空间数据库的研究与实现．中南大学信息科学与工程学院，2006

[6]冯珍珍，马孝义，樊琨，李忠娟，余淼.基于 GIS的 SWAT 模型空间数据库的建立. 2015,7

[7]刘勇,李成名．城市基础空间数据库更新方法研究．中国测绘科学研究院,北京，2006，7．

[8]曹云刚,朱晓华,丁晶晶．城镇产业布局基础空间信息数据库系统的设计与实现．中国科学院地理科学与资源研究所2010

[9] 张振伟.基于GPRS的配变远程数据采集与监控系统研究[D].成都:西南交通大学,2005.

[10]韩坤英,庞健峰,丁孝忠,范本贤,逯永光. 地质图空间数据库自动检查系统的设计.中国地质科学院地质研究所,2010.12

[11]Kyoung-Won Lee · Dong-Wan Choi · Chin-Wan Chung. Direction-aware bichromatic reverse k nearest neighbor query processing in spatial databases.Springer Science+Business Media New York 2014

[12]WeiDong Wang • Jie Wu • LiGang Fang •Ke Zeng • XinSheng Chang Design and implementation of spatial database and geo-processingmodels for a road geo-hazard information management and riskassessment system.Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014

[13]Lucia Simeoni • Paolo Zatelli • Claudio Floretta. Validation and

management with spatial database and webGIS,Springer Science+Business Media Dordrecht 2013

[14]Wei Wu & An-Ding Xu & Hong-Bin Liu. High-resolution spatial databases of monthly climate variables(1961–2010) over a complex terrain region in southwestern China,Springer-Verlag Wien 2014

[15]Gilberto Gutiérrez · José R. Paramá ·Nieves Brisaboa · Antonio Corral. The largest empty rectangle containing only a query object in Spatial

Databases,Springer Science+Business Media New York 2013