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地理数据库读书报告
地理数据库技术的发展趋势
摘要
在信息化与数字化的时代下,人们对地理空间信息的需求越来越大,地理信息系统需要向更广泛和更大的区域发展。
传统的数据库已经不能满足对不断增加的海量数据的高效组织与管理,数据的共享和更新问题也使地理数据库的发展成为一个亟需解决的问题。
本文概述了数据库与地理数据库的发展,根据现阶段情况提出了几点现阶段地理数据库的不足之处,根据这些不足,参考网络化和信息化的大背景,探讨了数据库技术向着分布式平台、开放式GIS(OpenGIS)、移动GIS以及专家数据库发展的趋势。
关键字:
地理数据库,分布式数据库,专家数据库,OpenGIS,移动GIS
Abstract
Undertheageofinformatizationanddigitization,thereisanincreasingdemandforgeospatialinformation,geographicinformationsystemsneedtobemorewidelyandmorelargeareadevelopment.Thetraditionaldatabasecannothavesatisfiedfortheincreaseintheeffectiveorganizationandmanagementofmassdata,datasharingandupdateproblemsalsomakesthedevelopmentofgeographicaldatabaseaneedtosolvetheproblem.Inthispaper,thedevelopmentofthedatabaseandgeographicdatabase,accordingtothepresentsituationputsforwardseveralkindsofpresentgeographicaldatabase,accordingtothesedeficiencies,refertothebackgroundofnetworkandinformationtechnology,databasetechnologyisdiscussedtodistributedplatforms,OpenGIS(OpenGIS),mobileGIS,andthetrendofthedevelopmentoftheexpertdatabase.
Keywords:
Geographicaldatabase,distributeddatabase,expertdatabase,
theOpenGIS,mobileGIS
目录
第一章引言1
第二章数据库的发展历程2
第三章地理数据库的发展概述4
3.1地理数据库空间数据模型4
3.2地理数据库管理模式4
3.3地理数据库计算平台5
第四章现阶段地理数据库存在的问题6
第五章地理数据库发展趋势探索7
5.1分布式数据库7
5.2专家数据库8
5.3OpenGIS8
5.4移动GIS8
第六章结束语10
参考文献11
第一章引言
地理数据库(GDB:
geographicaldatabase)是应用计算机数据库技术对地理空间数据进行科学的组织和管理的硬件与软件系统,是地理信息系统(GIS:
GeographicInformationSystem)的核心部分。
地理数据库是数据库技术中一项重要的应用型技术,它凭借强大的管理与分析功能,为用户对空间数据的查询和操作提供便捷。
随着信息技术的进步,GIS的应用领域不断推广,海量数据的共享成为一个亟需解决的课题。
为了将GIS的应用推向大区域化,实现数字城市、数字中国、数字地球的建设目标,如何实现海量数据的共享是地理数据库技术的一大发展趋势[1]。
第二章数据库的发展历程
数据库(DB:
database)是统一存储和集中管理数据的基地[2]。
数据库技术从20世纪60年代开始有了突飞猛进的发展。
按照数据库技术的数据模型(指的是空间数据在目标域的组织结构)来划分,数据库依次经历了网状和层次数据库模型、关系数据模型、面向对象数据模型三个阶段。
IMS是1969年美国IBM公司开发的第一个数据库系统,它是一个层次模型的数据库系统;20世纪70年代,美国开发了许多网状模型数据库系统,如IDMS、IDS、DMSIIOO等;在这个时代,关系模型的数据库系统从理论到时间也都取得了辉煌的成果,例如SYSTEM、INGERS、ORACLE等都是关系模型数据库;从20世纪80年代后期到目前为止,出现了面向对象数据库系统,如Iris、ORION、GemStone等。
下图例举了某空间实体的面、线、点要素运用层次模型、网状模型、关系模型以及面向对象模型来组织的结构图。
图1地图M及其空间实体ⅠⅡ
图2层次模型
图3网状模型
图4关系模型
图5面向对象模型
第三章地理数据库的发展概述
与传统数据库和商用数据库不同,地理数据库所组织和管理的空间数据具有特殊性和复杂性,以及多维性和时态性,因此地理数据库具有以下突出的特点:
对海量数据的管理能力;强大的空间分析功能;灵活的设计方式,可以满足客户的需求;支持网络功能[4]。
3.1地理数据库空间数据模型
地理数据库的空间数据模型(指的是空间数据从源域到目标域的映射)经历了四个阶段,依次是栅格模型、矢量模型、对象模型和约束模型。
3.2地理数据库管理模式
地理数据库的管理模式又不同于商用数据库管理系统。
围绕空间数据的复杂性与特殊性,地理数据库的管理方法经历了五种模式。
①文件与关系数据库混合管理系统:
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,他们之间的联系通过目标标识或者内部连接码进行连接。
②全关系型GIS数据库管理系统:
属性数据与空间数据同时采用关系型数据库进行管理,空间数据和属性数据之间不必进行烦琐的连接,数据存取较快。
③对象-关系数据库管理系统:
对现有的关系数据库进行扩展,增加了空间数据类型,解决了空间数据变长记录的存储问题,但是没有解决数据的嵌套记录问题。
④面向对象GIS数据库管理系统:
面向对象的数据模型从概念上将人们对GIS的理解提高到了一个新的高度。
一方面,它巧妙地容纳了GIS中拓扑数据结构的思想,能有效地表达空间数据的拓扑关系;另一方面,面向对象数据模型在表达和处理属性数据时,又具有许多独特的优越性。
⑤面向对象的矢栅一体化GIS数据库管理系统:
是面向对象技术与GIS数据库技术相结合的产物,是为了解决除矢量数据之外的大量栅格数据的管理而提出的方案。
3.3地理数据库计算平台
地理数据库的计算平台经历了三个阶段。
①集中式系统阶段:
集中于大型主机的管理模式,具有各自独特的数据结构、文件格式,只能以重复备份或脱机拷贝的方式在不同的系统之间交换数据。
②经典的客户/服务器系统阶段:
以统一、完整的GIS数据库系统存储和管理海量地理空间数据为主体,将功能模块和图形显示等功能放在客户端,大大提高了GIS数据库在通信子网范围内的统一。
③分布式计算机系统阶段:
现阶段是这种系统的理论与技术储备阶段,现存的地理数据库是集中式的,而现实中人们希望获得的信息很多情况下分布在不同的地区[1],分布式的地理数据库对解决多嵌套、结构复杂、空间无限延展的地理空间数据的组织与管理是一大突破。
图6传统数据共享方式
图7集中式数据共享方式
图8分布式数据共享方式
第四章现阶段地理数据库存在的问题
空间数据性质复杂,且不只局限于小范围内的数据分析与共享,而现阶段的空间数据库只是对小区域的数据的管理,随着人们对信息需求的增大,现存数据库技术的一些问题也显现出来。
①数据的共享问题。
研究区域的扩大,使得海量数据的共享变得艰难;GIS软件开发的种类增加,数据文件格式也多种多样,标准化格式的数据共享是需要解决的问题;数据共享的商业性与服务性的矛盾也是制约数据共享的一个问题。
②数据瓶颈问题。
随着WebGIS的发展,人们更趋向于通过网络来共享数据,因此,网络的带宽、速度等问题成为人们关注的问题;其次是GIS的两种数据模型的限制,矢量数据能保存空间地物的拓扑关系,便于空间查询,但是数字化很麻烦,栅格数据可以方便快捷的获取,但是存储量大,且不能保存地理实体之间的空间关系属性。
③数据安全问题。
这个问题主要是在网络GIS发展的前提下存在的。
在网络上共享的数据很容易被盗取和修改,存在着重大的安全隐患。
④数据的更新与维护。
数据的维护需要投入大量的人力和财力,尤其是GIS研究区域更加广泛,数据的维护消耗是巨大的。
其次,为了保持GIS数据库中数据的现势性,提高数据分析精度,数据需要经常更新,数据库的更新不是简单的删除替换,而是保持原有数据不变进行局部更新、更新数据与原有数据正确连接、数据采集途径等多方面的问题。
第五章地理数据库发展趋势探索
信息技术发展,处理的对象更为广泛复杂,现阶段的地理数据库已经不能满足对象的处理。
更高层次的社会需求推动数据库技术向着更广泛、更深入、更现实的方向发展。
因此我认为地理数据库有以下几个发展趋势。
5.1分布式数据库
分布式数据库更加适合分散的空间数据的组织与管理,同时它可以避免了集中式数据库的弱点。
因此,分布式数据库是数据库技术处理信息的一个重要发展方向。
①分布式数据库发展的原因和必要性。
分布式数据库可以灵活地根据经济状况逐步进行资本投入,且成本低;分布式数据库可以综合统一已有的分散的、独立的集中式数据库,建立全局的信息系统;分布式数据库可以对整体模型实现平稳的增加新的功能和结构扩展,而对系统影响最小;分布式数据库效率高,是具有全局设计和优化的数据库,可以减少通讯开销。
②分布式数据库的特色。
地方自治性:
分布式数据库不强调对全局的集中控制,强调各结点的地方独立自治;相互协作性:
当某一结点的事务需要存取其他结点的数据时,各结点间相互协作;位置透明性:
用户使用数据时无须了解所存取的数据所在位置,简化了应用程序,方便了用户;副本透明性:
副本可以提高数据库的性能和效率,减少冗余。
图9分布式数据库管理系统
5.2专家数据库
专家数据库是人工智能与数据库技术想结合的产物。
它结合了两种技术的优点:
数据库技术的信息检索效率高,人工智能具有逻辑推理和判断的优势。
它包含的技术除了人工智能和数据库外,还有逻辑、信息检索等多种技术和知识。
专家数据库应包含除事实外的大量规则;不仅可以检索,而且可以推理,具有较高的效率,满足实时要求,同时可以满足模糊检索;应可以管理复更加复杂和广泛的对象。
5.3OpenGIS
网络的发展以及GML(地理标记语言:
GeographyMarkupLanguage)的开发,将地理信息系统的发展推向更加开放的领域,秉持互操作、可升级、可扩展的性质,达到空间数据编码的统一、数据互操作和共享,真正实现开放访问空间信息。
OpenGIS联盟(OGC)多年来致力于OpenGIS并制定了一套支持OpenGIS开放的地理数据互操作规范OGIS(OpenGeographicInteroperableSpecification).这些规范可以让用户在开放信息技术的基础上,通过一般的计算界面访问和处理不同来源的地理数据[5]。
按照OGIS的规范标准,OpenGIS有以下基本要求:
:
用户通过互操作的应用环境、利用特定的工具解决应用问题;支持多种数据分析与应用模型的数据共享;建立通用的技术基础,以开放式的技术进行地理信息处理,使用户从网络获取的信息和分析资源的方法具有可扩展、可移植的特性。
5.4移动GIS
当今移动互联网不断进步,人们要求可以随时随地获取地理空间信息服务,传统的桌面GIS已然不能满足为人们提供智能化服务的需求。
空间定位信息服务(LBS:
Location-basedService)是在移动网络环境下,利用空间定位技术、GIS技术、嵌入式技术和无线网络通信技术为移动终端用户提供基于空间地理位置的信息服务[6]。
基于LBS的移动GIS是一个集成系统,由移动终端和服务中心两部分构成,它们之间通过无线通信网络和互联网连接。
它运行的最主要的通信网络是第三种蜂窝系统。
移动终端是便携、低耗的移动电子设备,如掌上电脑、平板电脑等;服务中心由WEB服务器、GIS应用服务器和空间数据服务器组成[6]。
基于LBS的移动GIS的移动终端在运行时,对一些基本的简单的操作和请求,可以不请求服务中心而独立完成;对比较复杂的功能则需提交给服务中心,服务中心处理后将结果返回给移动终端。
基于LBS的移动GIS具有精练的内核以及高效的数据压缩比,有效解决了移动设备存储空间有限与海量地理空间数据之间的矛盾;利用空间数据索引技术解决了空间数据检索的速率问题;利用无线网络解决了海量空间数据随时随地传输的需求。
图10移动GIS的系统结构
第六章结束语
地理信息系统未来的发展是通过网络实现全球数据信息共享的,因此地理空间数据库的发展与更新也向着这一趋势迈进。
在网络时代与信息化的背景下,依靠地理数据库技术的发展,满足人们可以随时随地的获取地理信息的需求,并最终实现“数字地球”这一伟大目标。
目前GIS正处在迈向WebGIS发展的重大技术变革前夕,开放的空间数据交换标准的出现将真正的实现空间数据的互操作和数据共享;分布式技术的成熟将分布式空间数据的访问、计算、存储变成现实;三维技术的发展将会通过互联网把人们带到一个虚拟的地理环境中;无线通信技术将GIS应用从室内带到室外,极大地扩展了其应用,并使其成为主流的IT技术领域之一。
可以说,万维网地理信息系统技术与应用方兴未艾,她给一切敢于迎接挑战的人们巨大的机会。
参考文献
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