基于Geodatabase的多基态修正模型时空数据库设计

毛宁　陶象武　吕恭鸣　马良　张湜岫　赵濬哲

摘要：随着地理信息系统在社会各个领域的广泛应用，地理空间数据成为许多行业解决规划和管理问题不可或缺的辅助决策数据，而且对于空间数据的现势性要求越来越高。3S技术的发展也为数据快速更新提供了有效的技术手段，传统的空间数据库已无法有效地存储和管理积累的大量历史数据。本文以面向对象的地理数据库Geodatabase为基础平台，以减少历史数据存储空间为目的，完成了多基态修正模型时空数据库的设计，极大地减少了空间历史数据存储的冗余。

关键词：空间数据;多基态修正模型;时空数据

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）14-0003-03

Abstract： With the wide application of Geographic Information System in various fields of society， geospatial data has become an indispensable auxiliary decision-making data for many industries to solve planning and management problems， and the demand for the current situation of spatial data is becoming higher and higher. The development of 3S technology also provides an effective technical means for rapid data updating. Traditional spatial databases can not effectively store and manage a large number of accumulated historical data. Based on the object-oriented geographic database Geodatabase， in order to reduce the storage space of historical data， this paper completes the design of spatial-temporal database of multi-base state amendment model，  and greatly reduces the redundancy of spatial historical data storage.

Key words： spatial data; Multi-base state amendment model; spatial-temporal data

1 引言

空间数据库是地理实体有关的空间特征、属性特征和时间特征数据的集合[1]。随着社会经济的快速发展，人们对空间数据的现势性要求越来越高，空间数据的快速更新成为迫切的需求，而日益成熟的航空摄影测量技术和卫星遥感技术也成为空间数据更新有效的技术手段，空间数据的更新周期变得越来越短[2]，从而也积累了大量的历史数据。随着GIS技术在国土监测各个领域的广泛应用，GIS应用人员对空间对象在时间中的发展变化的研究对求解相关空间问题显得尤为重要[3][4]，如何将历史数据和现势性数据有效的存储和管理起来，对于侧重考虑地理实体空间特征的传统GIS数据模型已无法满足上述要求。时空数据模型研究成为当前GIS研究的一个重要方向[5]。目前Geodatabase被很多学者作为建立时空数据库的基础平台[6][7]，本文在研究Geodatabase面向对象的地理数据模型基础上，提出了基于Geodatabase的多基态修正时空数据模型设计方案。

2 模型介绍

2.1Geodatabase数据模型

Geodatabase采用的是面向对象的地理数据模型，相较于传统的层次数据模型、网状数据模型和关系数据模型用于GIS地理数据库的局限性，面向对象数据模型更加适用于GIS问题的求解。Geodatabase类型分为三种：文件地理数据库、个人地理数据库和ArcSDE地理数据库，前两者可作为本地地理数据库使用，个人地理数据库由于采用了Microsoft Access文件存储和管理空间数据，因此存在2 GB的大小限制，三个地理数据库中只有ArcSDE地理数据库能支持多用户的读写，且支持Oracle、Microsoft SQL Server等大型的数据库。本文考虑到时空数据库的简单性、易用性和平台独立性采用了文件地理数据库的存储方式。Geodatabase对于矢量数据的存储管理大致可以分为三个层次结构：地理数据库、特征数据集、特征类，如图 1：

地理数据库可以包含多个特征数据集，每个特征数据集可以包含了多个特征类，这些特征类必须采用统一的空间参考，特征类存储着地理实体的几何数据和属性数据。

2.2多基态修正模型

本文采用多基态修正模型，主要思想是首先以研究区某一时刻的数据状态作为基态，然后计算并存储当前基态时刻以后的其他时刻数据相对于基态的变化量或差文件[8][9];随着不同时刻数据变化量的存储，当变化量积累超过系统设定的阈值时，将当前最新时刻的数据状态设定为新基态，前一基态数据作為历史基态数据，之后其他时刻数据的变化量以新基态为参考进行计算并存储，模型如图 2所示：

3 时空数据库设计

3.1 时空数据库逻辑组成

时空数据库由特征数据集和表构成，特征数据集包含当前基态特征类和历史基态特征类，以及各个时刻数据相较于指定基态数据的变化量特征类。为了能够快速地进行不同时刻基态和变化数据的检索，方便变化量的计算和某时刻数据的还原，还需要建立基态记录表和变化量记录表。

3.2表设计

当前基态、历史基态特征类表结构虽然相同（见表 1），但是当前基态数据一段时间内会被频繁调用，而历史基态数据只有在数据还原时需要检索和提取，因此为了提高检索、提取以至计算的效率，本文将两个特征类单独存储，否则将两个特征类合二为一，将会降低当前数据库的使用效率。BaseFcID表示某时刻基态的编号，在当前基态特征类中所有对象的基态编号都是一致的，而在历史基态特征类中根据存储对象的存在时刻不同而具有不同的编号。

变化特征类表（见表 2）存储各个时刻的数据相对于指定基态的变化量，SuperObj和SubObj分别表示变化对象的父对象和变化后的子对象，ChangeID表示某时刻变化量数据的编号，从而区分不同时刻的变化量。

当前基态、历史基态记录表（见表 3）记录了所有基态的开始时间和结束时间，当前基态的开始时间是确定的，但是结束时间未知，为了检索方便赋予一个相较开始时间一个较大跨度的时间值。变化量记录表（见表 4）记录了用于变化量计算的某时刻数据的时间以及参照计算的基态编号。

3.3时空快照数据入库和恢复流程

时空快照数据入库步骤：

1） 根据输入数据的时间在基态、历史基态记录表检索所属时间段的基态编号;

2） 以基态编号为查询条件在基态、历史基态特征表中提取指定的基态数据;

3） 计算相应基态数据和输入数据的变化量;

4） 将变化量数据存储到变化量特征类中，并赋予相应变化编号及其他属性信息，并在变化量记录表中增加一行对应的记录，完成入库工作。

时空快照数据还原步骤：

1） 根据指定的时间在变化量记录表中检索最近的记录，获取对应的变化编号以及对应的基态编号;

2） 从当前基态或者历史基态类中提取对应编号的基态数据;从变化量特征类中提取对应编号的变化量数据;

3） 依据变化量数据对相应基态数据进行还原，完成指定时间时空数据的恢复。

4 结论

在面向对象的地理数据模型Geodatabase中可以很简单、方便、快速地实现多基态修正模型时空数据库的设计和创建工作，也能较好地处理、存储基态和变化数据，通过提供的强大检索功能可以很快速地对历史数据进行查找并复原特定时刻的数据，多基态修正模型能有效地克服传统空间数据库存储历史数据的冗余问题，极大地减少了存储占用空间。

参考文献：

[1] 金鑫， 董少春， 王晓琪，等. 基于ArcGIS Geodatabase的浙江良渚古城遗址空间数据库的设计与实现[J]. 南京大学学报（自然科学版）， 2018（2）.

[2] 王昌翰.重庆城市空间数据更新与建库[J].测绘科学，2012，37（04）：184-186+190.

[3] 胡鹏，等.地理信息系统教程[M].2002.

[4] 朱文德，王辉，李景文.基于Geodatabase的特征-版本时空数据组织方法[J].測绘与空间地理信息，2015，38（06）：66-68.

[5] 龚健雅，李小龙，吴华意.实时GIS时空数据模型[J].测绘学报，2014，43（03）：226-232+275.

[6] 刘玉婷，李景文，傅玮佳，徐涛.基于Geodatabase的版本—对象时空数据组织方法[J].地理空间信息，2012，10（04）：63-65+181.

[7] 姜晓轶，周云轩，蒋雪中.基于Geodatabase的面向对象时空数据模型[J].计算机工程，2005（24）：27-29.

[8] 霍亮，田军，靖常峰.基于基态修正模型的矢量数据增量更新机制研究[J].测绘通报，2015（05）：46-49.

[9] 胡辉，王昌佐，梁万杰，江东，鞠斌.基于Shapefile的基态修正模型设计与实现[J].地球信息科学学报，2012，14（03）：313-319.

【通联编辑：王力】