地下管网时空数据库设计与应用

向 娟，黄青松

（1.国家测绘地理信息局 重庆测绘院，重庆 400015）

地下管网时空数据库设计与应用

向 娟1，黄青松1

（1.国家测绘地理信息局 重庆测绘院，重庆 400015）

探讨了三维管网信息系统后台的时空数据库设计原理，在保留现有时空数据库设计大部分特性的基础上，内部采用全关系化的设计模式，协同管理空间数据和非空间的三维模型数据，应用到数字城市的三维管网系统建设项目中，取得了良好的效果。

三维管网；时空数据库；TGIS

当前，管网信息管理系统已出现偏实用带有时空特性的二维管网系统[1]和偏向于浏览效果不带时空特性的三维管网系统[2]。为了兼顾时空特性和三维特性的优点，需要为三维管网信息系统后台设计三维数据时空数据库。与二维管网信息系统后台的时空数据库不同的是，二维数据只需要管理空间数据，而三维系统需要管理空间数据和非空间的模型数据，设计数据库在注重效率的同时，还需要保持两种数据关联的正确性。

1 管网时空数据库设计思路

在数据库的设计中以实体为单位建立时间索引，且以实体的ID进行空间数据和非空间数据关联，数据的变更以实体的变化为事件触发，面对应用系统开放一个数据更新接口，在内部使用数据库的函数包及触发器维护，保障数据的完整性和规范性[3]。这样就可以在数据库中将实体的变化全部存储起来，用户可以用时间轴上的时间段过滤空间数据，做到任意时间点数据快速回放。

对存储管理地理空间数据，目前有基于关系数据库和文件系统的管理方法、建立全新的面向对象的数据库管理系统、空间数据的全关系化存储管理等解决方案。空间数据的全关系化存储管理是在标准的RDBMS上增加空间数据管理层，即空间数据引擎，利用该层将地理结构查询语言转化为标准的SQL查询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。采用全关系化管理的方式，以充分利用RDBMS数据管理的功能，使空间数据与非空间数据一体化集成。另外，由于历史关系数据库[4]也采用了关系模型，为关系代数扩展了时间语义，并且研究和开发了时间结构查询语言。因此在全关系化空间数据库扩充时态信息建立时空数据库成为可能。

2 管网时空数据库关键技术点

在带有时态信息的空间数据库中，将多种数据分成若干个表进行组织，表的逻辑设计目标是消除冗余以及保障增删改的正确进行。时空数据库的构建在设计之初需要确定好所使用的时空模型[1]，在实施阶段，后台的时空数据库会根据前端的应用系统进行调整，使二者契合度高。

2.1 时空数据库中数据的维护

从3个方面来说明数据编辑在历史数据表上的具体操作，这也是时空数据维护的整个过程，如图1。

图1 时空数据库维护原理图

1）添加数据。在原先的表中没有数据，添加一条数据记录可检索到表中最大要素FeatureID为3，则添加一条FeatureID=4的数据到表中，并记录各个操作时间。

2）编辑数据。编辑一个FeatureID=1的已有数据，将它打断，则将打断后的2个数据分别按FeatureID=5和FeatureID=6进行保存，将FeatureID=1标记为“删除”，并记录各个操作时间。编辑一个FeatureID=2的已有数据，对其进行移位操作后，仍将此要素按FeatureID=7进行存储，将FeatureID=2标记为“删除”，并记录各个操作时间。

3）删除数据。删除一个FeatureID=3的已有数据，则将其标记为“删除”， 并记录各个操作时间。

2.2 时空数据库中数据的检索

在时空数据库中检索出有用的数据，需要根据数据表中的相应标记来进行检索。在提高效率方面数据检索参照现有相关的研究成果[5,6]，更精准有效地完成数据的读取。数据检索分2个方面进行说明：

1）检索现势数据。在历史数据表中，排除“标记=删除”的所有要素都是现势数据。

2）检索历史数据。要检索历史数据，则要根据各个数据的操作时间，检索出某个时间点之前的数据。

3 管线时空数据库的应用

3.1 管线实时展现

由于在数据库中对现势数据的查询和调度最为频繁，而查询语句相对固定，在数据库端建立一个现势数据物化视图[7]，并在客户端的三维场景中看视图区域实时调度，如图2。

图2 现势数据调度流程图

在管网系统中使用此方案对现势数据进行调度，整个三维场景约有20万个三维管网模型数据，在漫游过程中能够进行流畅的展现。图3为三维场景中可视化的管网数据。

图3 管网系统调度现势数据

3.2 四维管线数据回溯

管线数据按时间版本回溯展示是在管线数据的编辑过程中记录所有操作，将改变的数据加入数据的历史库，当需要回溯到某个时间点时，根据时间点到现状库和历史库中同时查询，将结果数据组合构成要回溯时间点的数据，再将这些数据进行展示。图4中，通过时间节点从时空数据库中读取该时间点的历史数据，并在右侧三维场景中与左侧三维场景中的现势数据进行对比展示。

图4 管网系统调度历史数据

4 结 语

结合现有TGIS在时空数据库中的研究成果，将时空数据库扩展后作为数据管理后台应用到三维管网系统，对建设带时空特性的三维数字城市项目有一定的意义。但这种时空数据库并未加入版本控制，在下一步研究过程中将考虑多人协同在线编辑的问题。

[1] 马吉庆,耿崇亮,许国酩. 时空数据模型在城市地下管线数据库中的应用[J]. 科技信息, 2010(6): 350-351

[2] 郑文青,王亚巍. 真三维地下管网信息系统建设的研究[J].测绘通报, 2013(增刊): 230-232

[3] 琚冠辉,万静. 时空数据库规范化问题的研究[J]. 信息技术, 2009(6): 172-178

[4] 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[J]. 遥感学报, 2008(5): 759-763

[5] 何亚军. 时空数据库数据操纵及查询优化的研究与实现[D].武汉: 华中科技大学，2004

[6] 李支成. 时空数据库复杂查询方法研究[D]. 武汉: 华中科技大学，2012

[7] 车忠志,初洪龙. ORACLE物化视图的技术应用[J]. 中国科技信息, 2008(7): 115-118

P208

B

1672-4623（2015）04-0035-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.013

向娟，硕士，工程师，主要从事GIS开发应用研究。

2015-01-06。