摘要：空間數(shù)據(jù)是GIS的重點所在，對GIS空間數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)與管理的探討更是當(dāng)前對GIS數(shù)據(jù)庫研究的重要方向。本文計算機應(yīng)用論文主要集中就GIS空間數(shù)據(jù)的管理方式進行探討。
　　關(guān)鍵詞：GIS；空間數(shù)據(jù)；管理；探討
　　一、地理信息系統(tǒng)的相關(guān)概念
　　GIS是地理信息系統(tǒng)的簡稱，主要指基于計算機硬件與軟件系統(tǒng)，對地球表層空間的地理分布數(shù)據(jù)信息進行采集、分析、管理、計算以及描述。其管理對象是有關(guān)地理空間的數(shù)據(jù)及其關(guān)系，其中包括圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及定位數(shù)據(jù)等。
　　GIS空間數(shù)據(jù)的特征主要包括五個方面：1，空間特征。主要指空間定位的特征。一般來說，每個空間的對象都會有相應(yīng)的空間坐標(biāo)，這就是說空間對象隱含著自身的空間分布特點。2，非結(jié)構(gòu)化。對于目前通用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來說，其數(shù)據(jù)記錄是結(jié)構(gòu)化的，能夠滿足關(guān)系數(shù)據(jù)模型的第一范式的要求。但是空間數(shù)據(jù)則不適應(yīng)這種要求，因為如果將一條記錄只表達一個空間對象，那么其數(shù)據(jù)項就有可能變長，這就使空間圖形數(shù)據(jù)只能間接的運用當(dāng)前通用的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行管理。3，空間拓撲關(guān)系。在空間數(shù)據(jù)中的拓撲關(guān)系一般表達多種空間關(guān)系，極大的方便了對空間數(shù)據(jù)的查詢，但是同時也增加了保持空間數(shù)據(jù)一致性的困難，尤其是對于一些幾何對象，沒有空間坐標(biāo)信息的相關(guān)記錄，使得在查找與顯示時必須要檢索多個數(shù)據(jù)文件才能實現(xiàn)。4，分類編碼。一般每個空間對象對應(yīng)一個分類編碼，該編碼一般屬于國家標(biāo)準(zhǔn)或者地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，每個地物的類型在地理信息系統(tǒng)中的屬性項個數(shù)是一致的。5，海量數(shù)據(jù)。主要指空間數(shù)據(jù)量的巨大。一個城市的GIS的數(shù)據(jù)量能夠達到幾十GB，考慮到影像數(shù)據(jù)的保存，就能達到幾百GB，這要比一般的通用數(shù)據(jù)庫大很多，因此要通過在二維空間劃分塊，在垂直方向劃分層的方式來組織。
　　二、常見地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)管理
　　（一）文件—關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理。這主要運用于早期的GIS數(shù)據(jù)庫，有代表性的有：ArcInfo。這種混合管理方法通常將地理空間以及拓撲關(guān)系存放在一組文件中，把屬性數(shù)據(jù)存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，并借助惟一的標(biāo)識建立兩者間的聯(lián)系，這時，一般來說，屬性數(shù)據(jù)以及幾何數(shù)據(jù)是互相獨立的管理與組織，而只依靠OID達到關(guān)聯(lián)，此時，常常需要操作兩個系統(tǒng)，使用不便。數(shù)據(jù)庫技術(shù)的不斷發(fā)展使得很多數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也開始提供和高級語言的接口，就可以利用高級語言設(shè)計地理信息系統(tǒng)的圖形界面，但是由于數(shù)據(jù)庫廠商開發(fā)的數(shù)據(jù)庫并不能符合高級語言的需要，地理數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)也就需要針對數(shù)據(jù)庫設(shè)計不同的接口程序。
　　（二）全關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理。一般采取兩種方式變長結(jié)構(gòu)的空間幾何數(shù)據(jù)。1，依據(jù)關(guān)系數(shù)據(jù)庫組織數(shù)據(jù)的原則，進行關(guān)系范式的分解，使之成為定長記錄的數(shù)據(jù)表。一般來說需要進行大量的連接，就需要很多的時間操作，影響效率。2，把變長的圖形數(shù)據(jù)處理為二進制Block塊字段。Oracle公司引進了LongRaw數(shù)據(jù)類型，SQLServer則采用MAGE數(shù)據(jù)類型。由于BLOB在SQL-99中被定義為新的數(shù)據(jù)類型，因此當(dāng)前通用的數(shù)據(jù)庫訪問接口均支持BLOB訪問，能夠?qū)ζ鋽?shù)據(jù)庫進行刪除或者修改等操作。地理信息系統(tǒng)能夠利用關(guān)系數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)來存放與管理圖形的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，但是雖然這種方式能夠省去不少操作，但是與定長的屬性字段相比，二進制塊的讀寫效率相對較慢，尤其是當(dāng)涉及到對象的嵌套，其速度就更慢了。
　　（三）對象—關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理。由于通常直接采取通用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)本身效率不高，但是空間數(shù)據(jù)又非常重要，開發(fā)商就對關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實施擴展，使得空間數(shù)據(jù)能夠得以存放與管理。此外還對一些空間對象，比如操縱點、線、面以及圓等進行定義，成為API函數(shù)，預(yù)先定義了各種中間對象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在使用時要求必須適應(yīng)其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的要求，而不能依據(jù)地理信息系統(tǒng)的要求進行再定義。ERSI公司和一些數(shù)據(jù)庫開發(fā)商，比如Oracle開發(fā)出空間數(shù)據(jù)庫引擎，簡稱SDE，能夠?qū)⒖臻g圖形數(shù)據(jù)存儲到大型的數(shù)據(jù)庫里。數(shù)據(jù)庫廠商依靠自己的核心技術(shù)上的優(yōu)勢，對關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行擴展，用以支持空間數(shù)據(jù)管理，例如Oracle的Spatial，空間數(shù)據(jù)管理模塊，其在原有的數(shù)據(jù)庫模型中對空間數(shù)據(jù)庫進行擴展，達到了對簡單要素的存放，當(dāng)時并不能實現(xiàn)對復(fù)雜的拓撲關(guān)系的存放，也不能建立相應(yīng)的空間幾何網(wǎng)絡(luò)。ERSI與其它數(shù)據(jù)開發(fā)商合作開發(fā)的ArcSDE，較好的解決了以上問題，并且能夠利用空間索引機制提高查詢效率，運用版本機制確保多用戶可以同時使用同一類型的數(shù)據(jù)。該空間對象管理模塊改變了對空間數(shù)據(jù)變長記錄的管理，因為由軟件開發(fā)商進行系統(tǒng)的擴展，在效率方面要比二進制塊的管理高很多。但是開發(fā)SDE有許多方面的限制，沒有又有效解決對象的嵌套問題，用戶也不能任意定義空間數(shù)據(jù)。
　　三、多源數(shù)據(jù)融合
　　在江河的整治、鐵路與公路的設(shè)計等方面，傳統(tǒng)的以圖像文件為對象的GIS難以滿足實際的需要，因此進行多源數(shù)據(jù)融合管理研究是十分重要的課題。目前有很多方法正被引進到GIS應(yīng)用中，以提高數(shù)據(jù)管理的效率與速度。
　　（一）實體對象層次模型。主要用以處理GIS應(yīng)用中存在的海量空間數(shù)據(jù)處理、矢量柵格存儲不一致、忽略時空等問題。因為原有的空間數(shù)據(jù)組織不能進行高效的跨圖幅計算，是一種基于圖層的模型。一般來說，多圖幅空間運算中批量運算受到限制，無法滿足多用戶情況下空間數(shù)據(jù)的同步處理。實體對象層次模型主要是把空間數(shù)據(jù)變成具有分布式結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)對象的結(jié)合，把地理世界分成四個實體模型即元數(shù)據(jù)庫模型、空間參考系模型、空間數(shù)據(jù)庫模型以及地理幾何對象模型。其中元數(shù)據(jù)庫用以表現(xiàn)自身屬性，空間參考系模型是實體世界以及現(xiàn)實世界進行轉(zhuǎn)換的坐標(biāo)系統(tǒng)。空間數(shù)據(jù)庫模型用以表現(xiàn)拓撲關(guān)系與其關(guān)聯(lián)屬性。地理幾何對象模型則是實現(xiàn)現(xiàn)實世界想地理幾何單位的轉(zhuǎn)換。
　　（二）群集多服務(wù)器分布管理。主要指依靠網(wǎng)絡(luò)互連，通過單一系統(tǒng)對計算機組合進行管理，能夠把PC機與其它低檔機組合成為虛擬的高級機，實現(xiàn)性能并行超級計算機化。其優(yōu)點是高度的可用性、高效的并行運算以及良好的可伸縮性能，該技術(shù)為解決大型的關(guān)系數(shù)據(jù)庫的性能問題，尤其是在海量空間分布式數(shù)據(jù)中的應(yīng)用問題提供新的思路，有望在將來實現(xiàn)對多服務(wù)器的海量空間信息進行高效管理。
　　（三）網(wǎng)格計算。一般來說是指把機群、大規(guī)模儲存器、數(shù)據(jù)庫、甚至個人計算機以及其他分散的儀器設(shè)備等等連接起來，實現(xiàn)一體化，達到方便快捷的解決復(fù)雜問題的目的。由于地理空間的自然特征以及經(jīng)濟社會發(fā)展的不穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)網(wǎng)格計算環(huán)境的空間信息多級網(wǎng)格體系應(yīng)運而出。其思想主要是把全國，甚至全球按照不同的經(jīng)緯劃分成不同層次的玩?zhèn)�夠，其中不同層次的網(wǎng)格具有涵蓋關(guān)系。網(wǎng)格通過其中心點的經(jīng)緯度定位，記錄與網(wǎng)格相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，例如各類投影參數(shù)下的坐標(biāo)。把不同的網(wǎng)格層次與省、市、縣建立關(guān)聯(lián)，結(jié)合我國當(dāng)前空間信息基礎(chǔ)設(shè)施以及信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的現(xiàn)狀，構(gòu)筑我國空間信息多級網(wǎng)格結(jié)構(gòu)迫在眉睫。目前空間信息多級網(wǎng)格擁有三大功能：未來動態(tài)時空坐標(biāo)下的空間數(shù)據(jù)的表示方法；網(wǎng)格計算下操作現(xiàn)有各空間的數(shù)據(jù)庫；網(wǎng)格計算下新的空間信息產(chǎn)品。
　　論文參考文獻：
　　[1]龔建雅.空間信息系統(tǒng)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.
　　[2]吳信才.地理信息系統(tǒng)原理與方法[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.
　　[3]方裕，周成虎.第四代GIS軟件系統(tǒng)[J].中國圖像圖形學(xué)報，2001,6（9）：817—823.
　　[4]劉南，劉仁義，謝炯等.基于實體對象層次模型的海量空間數(shù)據(jù)管理[J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2004，38（11）：1391—1397.