摘　要:空间数据库是目前地理信息系统( GIS) 应用的一个很重要的部分,其中空间数据库引擎
SDE) 作为中间件连接GIS 应用程序和关系数据库系统,较好地解决了空间数据和属性数据统一存
和管理的问题。通过清江水情仿真和水电综合调度系统空间数据库的设计过程阐述了其中的一些
键技术。
关键词:面向对象技术; Geodatabase ;中间件;ArcSDE
中图分类号: TP311. 13 　　文献标识码:A
Appl ication Study of Spatial Database Technology Based on ArcSDE
XION G Li2hua ,YAN G Feng
Institute of Hydroelect ricity and Data Engineering , Huaz hong University of Science & Technology ,Wuhan Hubei 430074 ,China)
Abstract : The spatial database is one of the important parts of the application of GIS ,SDE is the middleware to connect
the GIS application program with relative database system. It stores and manages spatial data and attribute data all together.
The key technologies of spatial database was described by the design of Qingjiang water level emulation and hydroelectricity
integrated attemperment system.
Key words : object2oriented technology ; Geodatabse ;middleware ;ArcSDE
　　地理信息系统( GIS) 的发展要求数据库系统不仅能够存
储属性数据,而且能够存储空间数据,存储和管理空间数据是
GIS 的核心任务之一。对于空间数据来说,既要存储空间实
体的地理位置,还要存储实体之间的拓扑关系。本文以清江
水情仿真和水电综合调度系统的空间数据库设计过程阐述了
其中用到的一些技术,其中最关键的技术是:作为中间件来连
接GIS 应用程序和关系数据库系统的空间数据库引擎———
ArcSDE;将数据分类存储的面向对象的空间数据模型———
Geodatabase ;对清江流域数据进行系统存储的ESRI 的水文模
型———Arc Hydro Data Model。
1 　空间数据库技术
    空间数据库技术用关系数据库管理系统(RDBMS) 来管
理空间数据,主要解决存储在关系数据库中的空间数据与应
用程序之间的数据接口问题, 即空间数据库引擎( Spatial
Database Engine) 。更确切地说,空间数据库技术是解决空间
数据对象中几何属性在关系数据库中的存取问题,其主要任
务是:1) 用关系数据库存储管理空间数据; 2) 从数据库中读
取空间数据,并转换为GIS 应用程序能够接收和使用的格
式; 3) 将GIS 应用程序中的空间数据导入数据库,交给关系
数据库管理。因此空间数据库技术是空间数据进出关系数据
库的通道[ 1 ] 。
1. 1 　空间数据库中数据存储经历的三个阶段
    空间数据库中数据存储经历的三个阶段是:拓扑关系数
据存储模式、Oracle Spatial 模式和ArcSDE 模式。拓扑关系数
据存储模式将空间数据存在文件中,而将属性数据存在数据
库系统中,二者以一个关键字相连。这样分离存储的方式由
于存在数据的管理和维护困难、数据访问速度慢、多用户数据
并发共享冲突等问题而不适用本系统。而Oracle Spatial 实际
上只是在原来的数据库模型上进行了空间数据模型的扩展,
实现的是“点、线、面”等简单要素的存储和检索,所以它并不
能存储数据之间复杂的拓扑关系,也不能建立一个空间几何
网络。ArcSDE 解决了这些问题,并利用空间索引机制来提高
查询速度,利用长事务和版本机制来实现多用户同时操纵同
一类型数据,利用特殊的表结构来实现空间数据和属性数据
的无缝集成等等。
1. 2 　数据存取的中间件———ArcSDE
    所谓中间件是一个软件,它允许应用元素通过网络连接
进行互操作,屏蔽其下的通讯协议、系统结构、操作系统、数据
库和其他应用服务。中间件位于客户机/ 服务器的操作系统
之上,管理计算资源和网络通讯,并营造出一个相对稳定的高
层应用环境,使开发人员可以集中精力于系统的上层开发,而
不用过多考虑系统分布式环境下的移植性和通讯能力。因
此,中间件能无缝地连入应用开发环境中,应用程序可以很容
易地定位和共享中间件提供的应用逻辑和数据,易于系统集
成。在分布式的网络环境下,客户端的应用程序如果要访问
网络上某个服务器的信息,而服务器可能运行在不同于客户
端的操作系统和数据库系统中。此时,客户机的应用程序中
负责寻找数据的部分只需要访问一个数据访问中间件,由该
中间件完成网络中数据或服务的查找,然后将查找的信息返
回给客户端[ 2 ] 。在本系统的设计中, 就是采用了ESRI 的
ArcSDE 这样一个数据访问中间件。
    客户端可以是ArcGIS、ArcView 或者是用户自
己利用VC、VB、MapObject 等开发的应用程序。与客户端结
合的是ArcSDE 的客户库,它是一个程序设计接口,用于处理
客户端的请求。服务器端处理客户端提出的请求,在本地执
行所有的空间搜索和数据提取工作,将满足搜索条件的数据
在服务器端缓冲存储,然后将整个缓冲区中的数据发往客户
端应用程序[ 3 ] 。ArcSDE 充当了客户端和服务器端的中间件,
可以屏蔽不同操作系统和数据库系统的差异,使面向特定领
域(如空间数据管理及应用) 所需的技术得以实现,供不同的
客户端高效地共享和互操作。基于ArcSDE 的这些特点,所
以在本系统的设计中采用ArcSDE 模式,将空间数据和属性
数据集成在一个关系数据库系统中。
2 　一个空间数据库的实例
下面以清江水情仿真和水电综合调度系统为例介绍一个
空间数据库的组成和关键技术。
2. 1 　空间数据的获取和分析
    在本系统的空间数据库中主要包含以下空间数据:1) 基
础空间信息数据:包括清江所在区域的行政区划图、道路图、
水系图、地形图等; 2) 专题空间信息数据:雨量等值线、地形
等高线、河道计算断面、流域计算网格等; 3) 图像数据:包含
数字高程模型DEM、数字正射影像DOM 等。
    数据获取和分析的主要的过程是:1) 通过遥感技术和航
空摄影得到清江流域和周边地区的地图; 2) 利用R2V 软件
对地图进行数据处理,得到可以被ArcGIS 利用的矢量数据、
栅格数据、数字高程模型DEM 等。其中矢量数据主要以
Coverage 文件形式表现; 3) 利用ArcGIS 的ArcMap 对加工好
的数据进行检查,使之符合事先规定的标准,并满足要素之间
的拓扑关系。
2. 2 　地面部分空间数据的分类
    在空间数据库的物理设计中主要考虑的是空间数据以怎
样的表现方式存储到一个数据库系统中。在本系统中作者采
用的是基于面向对象技术的空间数据模型———Geodatabase 来
表现空间实体。Geodatabase 按层次将地理数据组织成数据对
象,并存储在要素类、对象类和要素集中。在Geodatabase 中,要
素对象是存储空间数据的表,要素类是具有相同几何类型与属
性要素的集合。要素集是空间实体(要素) 和非空间实体(对
象) 以及它们之间的相互关系的容器,是共享相同空间引用的
要素类的集合[4 ] 。另外,Geodatabase 中还包含有几何网络、域
和规则等。由于Geodatabase 让用户能更容易、更自然地表示
GIS数据要素,更容易地建立要素之间的各种关系,因而在本
系统的设计中采用Geodatabase 来设计各种实体以及它们的关
系。在数据入库之前应该根据Geodatabase 所定义的类对数据
进行分类,在本系统的设计中主要将矢量数据分成地面和河流
两个部分。地面部分的数据被包含在Land Feature Dataset (要
素集) 里,它包含的要素类是:Capital (行政首府) 、Bridge (桥梁) 、
Showplace(风景点) 、Geologic Boundary(地质分界线) 、Canton (行
政区) 、Stratum(地层) 等。除了这些要素类以外,还包含一个几
何网络:道路网。
2. 3 　清江流域空间数据的存储
    清江流域部分的空间数据采用ESRI 的水文模型(Arc
Hydro Data Model) [ 5 ]来存储。这个水文模型是在Geodatabase
的理论基础上发展起来的,它由五个部分组成:Network (网
络) 、Drainage (流域) 、Channel (河道) 、Hydrography (水文) 和
Time Series(时间序列) 。前面四个部分也可以称为要素集,
每个要素集里面包含了一些要素类。Network 主要描述的是
河流的总体信息,以点和线来组成这个网络;Drainage 将河流
作为多边形来描述; Channel 描述的是河流的3D 特征;
Hydrography 描述水体和水面建筑物的信息; Time Series 主要
用于测量根据时间而变化的一些值,比如水位。之所以引入
这个水文模型主要是因为用户需要用到流域的一些特有属
性,比如河道的断面、历史水位值、水流方向等。如果仅仅采
用像道路网那样的几何网络来建立这个河流网络,也就是说
只建立一个Network ,那么只能得到诸如干流和支流在哪里
相交、流域流向的一些总体信息,这样的信息是不完整的,不
能完全满足用户的需求。因而在本系统的设计中采用这个水
文模型来存储流域部分的空间数据。
2. 4 　空间数据的入库
    用Oracle 数据库管理向导建立一个数据库,为了提高数
据库的运行速度,需把数据库的临时表空间与索引表空间置
于两个不同驱动器中(非操作系统启动驱动器) ,并增大表空
间容量。装载、启动数据库,在安装ArcSDE 过程中,需输入
数据库的全局数据库名(SID) 以及空间数据引擎运行实例名
(缺省为esri- sde) ,以便创建空间数据引擎的运行实例[ 6 ] 。在
服务器端的ArcSDE 连接到Oracle 以后,就可以利用ArcGIS
Desktop 中的功能模块ArcCatalog 提供的向导来导入空间数
据。在本系统中除了存储以上矢量数据外,还存储了影像数
据和DEM(数字高程模型) 数据。影像数据可以用栅格数据
集来存储,而DEM 就以TIN 数据集来存储。
2. 5 　空间数据和属性数据的集成
    在这个空间数据库系统中除了空间数据,还包含一些属
性数据,如水文站、雨量站、河道断面、计算网格、水文历史资
料等。这些属性数据要么是空间数据的相关属性,要么与空
增加。每当执行AQ2 的一个事务,或者用户提交的只读事务
时,都需要生成奇偶校验码。但是对于移动单元只需增加存
储奇偶校验码的存储空间。固定系统通常具有比移动单元强
得多的处理能力,它负责生成奇偶校验码和数据的失效管理。
只用比原来的数据少得多的数据位再配合错误检测和纠正技
术就可以保证很高的一致性。每一个BUNQ 需要的位数应
该少于64 位,在使用64 位的校验码的情况下,错误的检测匹
配的BUNQ 的机率大约为1/ 264 。
4 　结束语
    为了满足用户在MDAS 中对数据随时随地访问的需求,
得到更高的效率和输出,需要提供一种方法对移动异构数据
库系统的事务进行并发控制。为了提高数据的可访问性,需
要某种形式的数据复制。由于MDAS 系统的网络容量、处理
能力和资源的限制以及及时地从众多的数据源定位并且访问
需要的数据需求,特别是本地数据库系统的自治需求使得以
前用于分布式系统的并发控制策略和数据复制方法都不是很
有效,甚至无法应用于MDAS 环境。
    本文提出了应用SSM 对MDAS 环境中执行的事务进行
分层的分布式管理,给出了模型的构建方法和模型上的并发
控制算法。为了解决网络连接的带宽问题和断开连接时用户
请求数据的问题,提出了AQ2 和BUNQ 的概念,采用简单的
预取数据,结合奇偶校验方法和LRU 的缓存数据替换策略,
既可以很好地为用户提供数据的可访问性,也可以在很大程
度上保证数据的一致性。模拟实验表明,v2加锁算法的性能
在输出量、响应时间以及资源利用方面都比其他的算法如潜
在冲突图、站点加锁图、乐观并发控制算法好。在所有的算法
中缓冲策略都可以有效地减少通信量。但是全局和局部系统
之间的通信仍然是影响输出和响应时间的系统瓶颈。实验达
到了预期效果。
    本文只是从整体上提出了MDAS 中事务处理的方法,还
有很多细节问题需要通过更进一步的研究。例如需要研究系
统中活动的全局和局部事务的比率、缓存数据的命中率、环境
参数变化引起系统性能变化的规律等,以便可以调整一些可
配置参数,提高性能。还可以尝试让活动的事务管理器之间
进行通信,尝试将Internet 上的结构化和半结构化的数据集
成到MDAS 系统。