时空信息数据库总体设计探究

杨帆 郭小虎 李姝祺

（1.湖北省测绘工程院，湖北 武汉 430074；2.湖北省地图院，湖北 武汉 430074；3.湖北省测绘地理信息局 测绘应急保障中心，湖北 武汉 430070）

1 引言

时空信息数据库借助时间属性管理方法，采用离线编辑的更新模式和冲突检测矩阵算法，为系统的更新研究和开发设计提供了完整解决方案，实现了相关业务流程的规范化，提升了数据的管理效率，为省级网络地图服务平台的稳定运行奠定了可靠的数据基础。

通过建设智慧城市时空信息云平台，对海量测绘地理信息化资源进行整合，不仅能将各类专题数据在统一的时空基准下实现共享，形成智能化服务的核心优势，还能带动数据加工、分析以及相关软硬件研发的发展和新兴市场的壮大，从而为经济社会发展带来一个新的经济增长点。

2 技术路线

面向时空信息数据库的数据库集成管理、查询浏览和分发提取等需要，基于Geodatabase 数据模型，采用面向对象的方法和UML（Unified Modeling Language）建模语言设计数据库，对现有数据进行对象化处理、数据入库、关联关系建立等系列操作后，以ArcSDE 为空间数据库引擎，将各种数据集中存储于Oracle 数据库，或以FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）、共享目录的方式存储于文件数据库系统，实现多种类型的数据一体化无缝建库存储。同时对已建成基础地理信息数据库、地理空间框架数据库、地理国情普查数据库等进行改造升级，统一时空信息，建立时空信息数据库；在此基础上设计与开发集成数据库管理的时空信息数据库管理系统，实现数据的集成管理、查询浏览和分发提取等功能。

（1）采用统一建模技术，以面向对象的方法设计时空数据库。面对基础空间地理信息“一张图”以及传感器数据等多源异构数据管理建库需求，基于Geodatabase 数据模型，采用面向对象的方法和UML建模语言对数据库进行统一设计，通过领域对象建模、数据存储建模开展数据库的概念模型、逻辑模型和物理模型设计；通过功能交互建模，在建库环境下设计、开发数据建库、灵活编目、查询浏览、提取配送等功能。 （2）采用混合存储管理模式，实现资源充分利用。以成熟的商业数据库Oracle 和空间数据引擎ArcSDE完成空间数据建模、组织和管理，将基础空间地理信息“一张图”中DLG（数字线划图）数据、高程数据、影像数据以及传感器数据中矢量数据等集中存储于关系型数据库，实现多类型、多尺度、多时态集成化管理。采用Geodatabase 作为基础空间地理信息“一张图”数据模型，有利于数据共享，方便数据维护，确保数据的安全和统一管理。

其中，矢量数据采用Geodatabase 的要素数据集（FeatureDataset）、要素类（FeatureClass）模型，DOM（数字正射影像）、DEM（数字高程模型）数据采用镶嵌数据集（MosaicDataset）模型，属性及业务数据采用关系型数据库表形式。

空间数据通过缜密的数据库规划，从各类数据的分层结构、相关属性、数据集组织等归纳逻辑数据组织与表达的模型，进而适应未来数据的扩充而动态扩展。数据操作针对逻辑数据组织模型来进行，而不是直接操作物理对象，使得数据库系统更具开放、易扩展、易维护等优点。

（3）采用分布式存储集中管理技术，实现对数据的统一管理。待建设基础空间地理信息“一张图”数据库、传感器数据库、行业专题数据库与已建成基础地理信息数据库、地理国情普查数据库等独立存于不同设备，不利于数据的统一管理与应用，因此需采用集中管理技术统一各数据库，具体做法需进一步研究。

分布式存储集中管理技术就是把存储设备和系统按照实际需要安装到指定位置集中管理。该技术采用全数字化管理，是一种先进、较灵活、较稳定、可扩展、操作方便简捷的系统存储管理技术，能很好地融合在大型、中型、小型、高端等各种数据存储管理应用中，能够实现对不同实例数据库进行统一管理，避免由于一库一系统而导致的数据孤岛局面。

3 总体技术架构

时空信息数据库管理系统基于C/S 架构，利用空间数据库、非关系数据库、共享文件系统、分布式文件系统进行多源异构数据综合存储，构建时空信息数据库，通过数据库访问接口、文件访问接口以及数据服务方式实现各类数据资源共享访问，以实现大数据的存储和管理能力。

时空信息数据库管理系统总体架构分为四层：基础设施层、数据资源层、计算框架层和应用层。系统架构如图1 所示。

图1 时空信息数据库管理系统总体架构

（1）基础设施层是支撑整个数据库管理系统运转的基础设施，主要包含计算资源、存储资源、网络资源、安全资源等。

（2）数据资源层是整个数据库管理系统的数据资源中心，系统采用混合存储架构，在传统空间数据库、共享文件系统基础上，引入NoSQL 数据库，提供多源异构数据的统一管理能力。面向矢量、栅格、表格、影像、文档等各类结构化、半结构化以及非结构化数据，依据其数据结构、数据量、数据特点和应用需求，采用不同的存储策略，实现多源异构数据的优化存储。同时通过统一、开放的数据存取访问接口，实现地理大数据统一存取服务。

（3）计算框架层是各类上层应用构建的基础框架，在此框架基础上构建入库、管理、提取等各类应用。时空信息数据库管理系统既支持传统集群/并行计算框架，同时引入了分布式计算框架，实现入库、管理、提取等各类业务应用的多机、多进程并行化处理或分布式处理，实现处理能力的横向可扩展，以应对大数据环境下快速存取与高效处理需求，解决高并发、I/O瓶颈、快速响应、高可利用性等问题。

（4）应用层基于计算框架，构建面向各类业务场景、用户的应用功能，包括基础地理空间数据管理、扩展数据管理、融合数据管理、共享数据库管理。

（5）相比传统的数据库设计，利用面向对象的方法和UML 建模语言对数据库进行设计的时空信息数据库，很好地解决了基础地理信息数据库对历史数据存储、管理和更新的问题，比如传统GIS 由于静态空间数据对象管理而形成的短板以及数据更新发布上的局限,实现了多种类型的数据一体化无缝建库存储以及多类型、多尺度、多时态集成化管理。

4 结语

针对时空信息数据库，本文提出在Geodatabase数据模型基础上，采用面向对象的方法和UML 建模语言对数据库进行设计，很好地解决了当前时空信息数据库管理系统中存在的一些问题，实现了时空信息数据库管理的信息化、智能化和数据共享，让数据管理工作更加高效、便捷。