空间数据库特点及发展趋势

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摘要：在数据获取过程中，空间数据库用于存储和管理空间信息及非空间信息；在数据处理系统中，它既是资料的提供者，也可以是处理结果的归宿处；在检索和输出过程中，它是形成绘图文件或各类地理数据的数据源。然而空间数据以其惊人的数据量及其空间上的复杂性，使得空间数据的组织与管理给传统数据库系统带来巨大挑战。目前大型GIS都将数据存储在数据库管理系统（DBMS）中，通过特定软件模块处理多用户访问综合性数据库。在数据分析处理过程中，在具体问题分析解决过程中，数据库既是资料的提供者（数据源），也是分析处理结果的保存处。

一．数据库概述

数据库技术是60年代初开始发展起来的一门数据管理自动化的综合性新技术。数据库的应用领域相当广泛，从一般事务处理，到各种专门化数据的存储与管理，都可以建立不同类型的数据库。建立数据库不仅仅是为了保存数据，扩展人的记忆，而主要是为了帮助人们去管理和控制与这些数据相关联的事物。

1.1数据库的定义  

数据库就是为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存储和应用的相关联的数据集合。计算机对数据的管理经过了三个阶段——最早的程序管理阶段，后来的文件管理阶段，现在的数据库管理阶段。其中，数据库是数据管理的高级阶段，它与传统的数据管理相比有许多明显的差别。其中主要的有两点：一是数据于应用程序而集中管理，实现了数据共享，减少了数据冗余，提高了数据的效益；二是在数据间建立了联系，从而使数据库能反映出现实世界中信息的联系。

1.2数据库系统包含的内容  

（1）以特定结构存储的相关联数据集合。它于应用程序而存在，它是数据库系统的核心和管理对象。  

（2）使用数据库中的数据的用户，可以采用批处理和交互式使用数据。  

（3）数据库管理软件系统称数据库管理系统，用来对数据库中的数据的操作提供一种共用的方法。

1.3. 数据库的主要特征  

数据库方法与文件管理方法相比，具有更强的数据管理能力。数据库具有以下主要特征：  

（1）数据集中控制特征

（2）数据冗余度小的特征

（3）数据性特征

（4）复杂的数据模型

（5）数据保护特征

1.4. 数据间的逻辑联系

（1）一对一的联系（1:1）

（2）一对多的联系（1：N）

（3）多对多的联系（N:M）

二．空间数据库

GIS中的数据大多数都是地理数据，它与通常意义上的数据相比，具有自己的特点：地理数据类型多样，各类型实体之间关系复杂，数据量很大，而且每个线状或面状地物的字节长度都不是等长的等。地理数据的这些特点决定了利用目前流行的数据库系统直接管理地理空间数据，存在着明显的不足，GIS必须发展自己的数据库——空间数据库。

2.1 空间数据库的定义

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。空间数据库是某一区域内关于一定地理要素特征的数据合集，是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关的地理空间数据总和，一般是以一系列特定结构的文件的形式组织存储在介质之上的。换句话说，空间数据库是地理信息系统中用于存储和管理空间数据的场所。空间数据库系统在整个地理信息系统中占有极其重要的地位，是地理信息系统发挥功能和作用的关键，主要表现在：用户在决策过程中，通过访问空间数据库获得空间数据，在决策过程完成后再将决策结果存储到空间数据库中。空间数据库的不举和存储能力对地理信息系统功能的实现和工作的效率影响极大。如果在组织的所有工作地点都能很容易地存取各种数据，则能使地理信息系统快速响应组织内决策人员的要求；反之，就会妨碍地理信息系统的快速反应。如果获取空间数据很困难，就不能进行及时的决策，或者只能根据不完全的空间数据进行决策，其结果都可能导致地理信息系统不能得出正确的决策结果。可见空间数据在地理信息系统中的意义是不言而喻的。[1]

2.2 空间数据库的特点

（1）数据量庞大：空间数据库面向的是地理学及其相关对象，而在客观世界中它们所涉及的往往都是地球表面信息、地质信息、大气信息等及其复杂的现象和信息，所以描述这些信息的数据容量很大，容量通常达到 GB级。

（2）具有高可访问性:空间信息系统要求具有强大的信息检索和分析能力， 这是建立在空间数据库基础上的，需要高效访问大量数据。

（3） 空间数据模型复杂:空间数据库存储的不是单一性质的数据，而是涵盖了几乎所有与地理相关的数据类型，这些数据类型主要可以分为 3 类：1）属性数据2）图形图像数据3）空间关系数据

（4）属性数据和空间数据联合管理。

（5）空间实体的属性数据和空间数据可随时间而发生相应变化。

（6）空间数据的数据项长度可变，包含一个或多个对象，需要嵌套记录。

（7）一种地物类型对应一个属性数据表文件。多种地物类型共用一个属性数据表文件。

（8）具有空间多尺度性和时间多尺度性。

（9）应用范围广泛。[2]

2.3 空间数据库的研究内容

（1）地理空间数据的获取与处理：1）空间数据库的准确性研究；2）空间数据质量研究；

（2）地理空间数据组织：1）空间数据的多种表达方式研究；2）时空关系的研究；3）海量空间数据库的结构体系研究

（3）地理空间数据库系统：1）空间关系语言研究2）分布处理和Client/Server模式

（4）地理空间数据共享的研究

2.4 空间数据库与数据库对比

空间数据库与一般数据库相比，具有以下特点：  

（1）数据量特别大。地理系统是一个复杂的综合体，要用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位置，其数据量往往大得惊人。即使是一个很小区域的数据库也是如此。 

（2）不仅有地理要素的属性数据（与一般数据库中的数据性质相似），还有大量的空间数据，即描述地理要素空间分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可分割的联系。  

（3）数据应用的面相当广泛。如地理研究、环境保护、土地利用与规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路建设等等。  

上述特点，尤其是第二点，决定了在建立空间数据库时，一方面应该遵循和应用通用数据库的原理和方法，另一方面又必须采取一些特殊的技术和方法来解决其它数据库所没有的管理空间数据的问题。由于传统的关系数据库在空间数据的表示、存储、管理、检索上存在许多缺陷，从而形成了空间数据库这一数据库研究领域。而传统数据库系统只针对简单对象，无法有效的支持复杂对象（如图形、图像）。

三．空间数据库技术发展现状

3.1 空间数据库检索技术发展现状

（1）50、60年代是地理信息系统出现和探索的初期。1963年，加拿大测量学家 R.F.Tomlinson 首先提出了地理信息系统这一术语，并建立了世界上第一个实用

的地理信息系统——加拿大地理信息系统（CGIS），用于自然资源的管理和规划。

（2）70年代步入了地理信息系统快速发展的年代。加拿大、联邦德国、瑞典、日本等国也相继发展了自己的专业 GIS。随着 GIS系统渐渐为更多的人所熟知，除了专业人士，更多的普通群众也想享受到 GIS 为人们生活中带来的便捷。

（3）80 年代是 GIS 理论趋于成熟的时期，也是 GIS 应用为人们所了解的时期。在理论上，大量的研究人员都投入到对 GIS 的研究中，在各大会议、期刊上都发表了大量关于 GIS 系统方面的文章，使人们对 GIS 有了更加深入的了解。实践中，商业性的咨询公司、软件制造商大量涌现，加大投入，积极开发关于 GIS 系统的产品，并提供专业化的咨询。各国更加重视 GIS 系统给他们在军事上带来的优势，投入资金，筹划建造自己的 GIS 系统。

（4）在新的世纪里，世界各国对 GIS 科技的开发和研究，主要集中在以空间信息分析的新模式和新方法、空间关系及数据模型、人工智能和专家系统的引入、显示与输出技术、GIS 的效益评价以及保密性等方面。当前，国际上 GIS 已从具备储存、分析评价、查询检索、自动制图等一般功能向信息采样自动化、多样化、多功能的综合分析评价模型，智能化专家系统，与遥感遥测直接对接进行信息更新，以及规范化、标准化和信息充分共享等方面发展。

3.2 空间数据库管理存储技术发展现状

（1）20世纪60、70年代,地理信息系统最初脱胎于计算机制图"由于CAD软件在制图方面的优势。CAD存储格式不能完全表达空间要素的属性信息,空问数据之间当然也不可能建立拓扑关系或实现空间分析"存储结构的局限使CAD数据模型随地理信息系统的发展而逐步被淘汰。文件与关系数据库混合管理系统的出现使GIS空间数据库技术的发展进入了第二阶段。

（2）20世纪80年代的大部分GIS软件采用混合管理的模式。即用文件系统管理几何图形数据,用商用关系数据库管理系统管理属性数据,它们之间的联系通过目标标识或者内部连接码进行连接。1981年,ERSI公司推出了它的第一个商用GIS软件Arc/Info实现了第二代地理数据模型一Coverage,它就是使用了文件与关系数据库混合的数据管理模式,得到了业界的认可,直到目前仍被广泛采用。

（3）20世纪90年代后期,GIS空间数据库技术实现了空间数据和属性数据的统一存储,即两种数据同时使用关系数据库系统来管理,这也成为了现代空间数据库技术的重要标志。在这一阶段出现了四种数据管理模式：l)全关系型空间数据管理系统2)对象——关系数据管理系统3)面向对象GIS数据管理系统4)面向对象的矢栅一体化GIS数据库管理系统

3.3 空间数据库应用现状 

现实生活中,大部分的数据都具有空间属性。利用这些数据信息的空间属性进行数据分析,可以观察发展趋势。而能够进行空间操作的数据库更具有明显的优势,它包含许多能够根据其地理属性进行分析的基本信息。所有在普通数据库中能够进行的空间操作在空间数据库中均可以进行。可以预见,随着信息技术的发展,对于空间数据的管理将显得日趋的重要,因此空间数据库因其数据分析的性,或者说是空间性,在数据库的应用方面将扮演越来越重要的角色。

3.4 空间数据库的发展趋势

随着计算机技术和相应技术的发展以及计算机应用需求的拓广, 20世纪80年代以来,数据库研究领域得到了极大的拓展,其特征表现在: 各种学科技术的内容与数据库的交叉结合,从而使数据库领域中新内容、新应用、新技术层出不穷,形成了当今的数据库系列。与传统数据库的概念和技术相比,当今数据库的整体概念、技术内容、应用领域,甚至基本原理都有了重大的发展和变化,从而使得传统的数据库,即面向商业与事务处理的数据库仅仅成为当今数据库系列中的一个成员。当然,也是在理论和技术上发展得最为成熟、应用效果最好、应用面最广泛的成员. 其核心技术、基本原理、设计方法和应用经验等仍然是整个数据库技术发展和应用开发的指导和基础。

四．总结

地理信息系统中的数据库就是一种专门化的数据库，由于这类数据库具有明显的空间特征，所以有人把它称为空间数据库，空间数据库的理论与方法是地理信息系统的核心问题。

简单的来说，空间数据库是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合，是地理信息系统中用于表达、存储和管理空间数据的场所。地理信息系统的一个重要特点，或者说是与一般管理信息系统的区别，是数据具有空间分布的性质。不仅数据本身具有空间属性，系统的分析和应用也无不与地理环境直接关联。系统的这一基本特征，深刻地影响着数据的结构、数据库的设计、分析算法和软件，以及系统的输入和输出。空间数据库的研究始于20 世纪 70年代的地图制图与遥感图像处理领域，其目的是为了有效地利用卫星遥感资源迅速绘制出各种经济专题地图。

空间数据库是GIS查询、分析与决策的基础，同时建立与维护成本较高，空间数据库已经成为人员外最重要GIS构成部分。随着计算机技术和相应技术的发展，空间数据库技术已经代替传统的文件管理方式，逐步成为空间数据管理的主流技术。空间数据管理为计算机和信息科学做巨大的贡献，成为了计算机科技领域中应用研究技术内容最丰富的分支之一。

参考文献

[1]   地理信息系统教程 汤 刘学军 闾国年 盛业华 王春 张婷 编著 高等教育出版社 2007年4月第1版 115-116

[2]   百度百科.空间数据