蒙智敏，熊 偉，陳宏盛，程 果，趙 亮

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410073)

空間數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)空間和屬性數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)模型和查詢(xún)語(yǔ)言能支持空間數(shù)據(jù)類(lèi)型和空間索引，并且提供空間查詢(xún)和其他空間分析的方法。現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，由于GIS隸屬單位地域差異及異構(gòu)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的存在，空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)不僅地域分散，而且數(shù)據(jù)具有異構(gòu)性[1]，因而空間數(shù)據(jù)共享一直是GIS研究領(lǐng)域的一個(gè)很有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

實(shí)現(xiàn)不同空間數(shù)據(jù)庫(kù)的信息共享和集成，必須解決不同的通信協(xié)議、不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、不同的操作系統(tǒng)、不同的數(shù)據(jù)庫(kù)和其他應(yīng)用服務(wù)帶來(lái)的異構(gòu)性[2]。網(wǎng)格是在網(wǎng)絡(luò)之上運(yùn)行的以實(shí)現(xiàn)資源共享和協(xié)作為目標(biāo)的軟件基礎(chǔ)設(shè)施，提供了一種集成的資源和服務(wù)環(huán)境。網(wǎng)格技術(shù)具有高性能計(jì)算、資源共享、互操作性、服務(wù)管理、高可靠性、安全性等特性[3]，它的迅猛發(fā)展為實(shí)現(xiàn)分布式空間信息的訪(fǎng)問(wèn)和操作提供了新的思路。開(kāi)放網(wǎng)格服務(wù)框架OGSA(Open Grid Service Architecture)是以服務(wù)為中心的框架結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)中有廣泛的影響力。開(kāi)放網(wǎng)格服務(wù)框架下的分布式查詢(xún)處理器OGSA-DQP(Open Grid Service Architecture-Distributed Query Processor)符合OGSA框架，解決了一般數(shù)據(jù)的分布式異構(gòu)的問(wèn)題，但是它不能有效地集成空間數(shù)據(jù)，因?yàn)榭臻g數(shù)據(jù)種類(lèi)繁多，數(shù)據(jù)格式各異，獲取時(shí)段各不相同，存在多種比例尺、多種空間參考系和多種投影類(lèi)型[4]。為此，針對(duì)網(wǎng)格環(huán)境下的分布式空間數(shù)據(jù)集成問(wèn)題，以O(shè)GSA-DQP為基礎(chǔ)研究并開(kāi)發(fā)了一個(gè)中間件系統(tǒng)，開(kāi)放網(wǎng)格服務(wù)框架下的分布式空間查詢(xún)處理器OGSA-SDQP(Spatial DQP)，能夠高效地處理分布式空間數(shù)據(jù)查詢(xún)。

1 OGSA-SDQP設(shè)計(jì)思想

空間數(shù)據(jù)具有分布式異構(gòu)的特點(diǎn)，OGSA-SDQP首先屏蔽了其異構(gòu)性，然后在此基礎(chǔ)上集成了不同的空間數(shù)據(jù)源。OGSA-SDQP支持并擴(kuò)展了空間操作函數(shù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)之間具有異構(gòu)性，為了有效集成來(lái)自不同數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，需要有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)類(lèi)型。OGSA-SDQP用Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，需要將SQL數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的Java數(shù)據(jù)類(lèi)型[5]。對(duì)于常規(guī)的數(shù)據(jù)類(lèi)型，不同數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品之間的語(yǔ)義差別不大，例如：SQL數(shù)據(jù)類(lèi)型中的VARCHAR、CHAR、LONGVARCHAR對(duì)應(yīng) Java數(shù)據(jù)類(lèi)型中的java.lang.String和 char[]；SQL數(shù)據(jù)類(lèi)型中的 INTEGER對(duì)應(yīng)Java數(shù)據(jù)類(lèi)型中的int。但是空間數(shù)據(jù)具有存儲(chǔ)格式多樣性的特點(diǎn),各個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的空間數(shù)據(jù)類(lèi)型不相同,Java中也沒(méi)有表示空間數(shù)據(jù)的類(lèi)型。在OGSA-SDQP中，空間數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成一致的數(shù)據(jù)類(lèi)型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)類(lèi)型的統(tǒng)一。

在面向分布式空間數(shù)據(jù)源的SDQP查詢(xún)中，組合查詢(xún)被解析為針對(duì)不同數(shù)據(jù)源的子查詢(xún)，子查詢(xún)通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)獲取查詢(xún)結(jié)果，在SDQP中將不同數(shù)據(jù)源返回的結(jié)果轉(zhuǎn)換成一致的數(shù)據(jù)類(lèi)型后進(jìn)行組裝，并返回給請(qǐng)求用戶(hù)。

OGSA-SDQP支持空間操作函數(shù)。單數(shù)據(jù)源查詢(xún)過(guò)程中，提交到數(shù)據(jù)服務(wù)的查詢(xún)串被完整地推送到后端數(shù)據(jù)庫(kù)執(zhí)行查詢(xún)，后端數(shù)據(jù)庫(kù)支持的查詢(xún)函數(shù)都可以嵌入在查詢(xún)語(yǔ)句中提交給數(shù)據(jù)服務(wù)并獲得查詢(xún)結(jié)果。對(duì)于數(shù)據(jù)表中包含的空間信息，查詢(xún)語(yǔ)句可以根據(jù)嵌入的查詢(xún)函數(shù)經(jīng)后端數(shù)據(jù)庫(kù)處理后返回計(jì)算結(jié)果。而對(duì)于多源數(shù)據(jù)的分布式查詢(xún)，需要在查詢(xún)語(yǔ)句推送前對(duì)應(yīng)不同數(shù)據(jù)源拆分為相應(yīng)的查詢(xún)子句。在查詢(xún)子句返回?cái)?shù)據(jù)結(jié)果之后，根據(jù)嵌入在OGSA-SDQP內(nèi)部的基于標(biāo)量函數(shù)拓展的空間分析函數(shù)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理、合并，返回給服務(wù)請(qǐng)求客戶(hù)端。

2 OGSA-SDQP關(guān)鍵技術(shù)

2.1 空間數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)使用的兩個(gè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)PostGIS和Beyondb都支持空間數(shù)據(jù)。Beyondb是項(xiàng)目組其他成員在開(kāi)源項(xiàng)目Ingres的基礎(chǔ)上進(jìn)行空間擴(kuò)展生成的支持空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。目前，OGSA-SDQP僅支持矢量空間數(shù)據(jù)。

首先，將空間數(shù)據(jù)庫(kù)的基本信息提交給OGSASDQP，這些信息主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)的URI、數(shù)據(jù)庫(kù)的驅(qū)動(dòng)程序JDBC等。由于每個(gè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的空間數(shù)據(jù)類(lèi)型各不相同，PostGIS的空間數(shù)據(jù)類(lèi)型是 PG_Geometry，Beyondb的空間數(shù)據(jù)類(lèi)型是ST_Geometry，OGSA-SDQP根據(jù)每個(gè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的JDBC，將Geometry類(lèi)型解析為通用文本W(wǎng)KT(Well-Known Text)類(lèi)型。WKT格式是對(duì)幾何體編碼的一個(gè)結(jié)構(gòu)化文本格式，可以像操作字符串一樣對(duì)WKT進(jìn)行操作。通過(guò)將不同的空間數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換為WKT的方式，屏蔽了不同空間數(shù)據(jù)類(lèi)型的異構(gòu)性。

空間數(shù)據(jù)的類(lèi)型轉(zhuǎn)換如圖1所示，當(dāng)用戶(hù)提交查詢(xún)操作時(shí)，OGSA-SDQP主要利用兩個(gè)行為Activity將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成結(jié)果集ResultSet的形式，SQLQuery和 TupleToWebRowSetCharArrays。它們處在一個(gè)工作流中，SQLQuery的輸出是TupleToWebRowSetCharArrays的輸入。ResultSet是Java對(duì)象，不適合網(wǎng)絡(luò)傳輸，在傳輸前將其轉(zhuǎn)換成WebRowSet格式[6]，OGSA-SDQP接收到數(shù)據(jù)后將其轉(zhuǎn)換回ResultSet格式。ResultSet中的空間數(shù)據(jù)類(lèi)型是空間數(shù)據(jù)庫(kù)自己定義的類(lèi)型，OGSA-SDQP將空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成WKT格式，空間數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換是空間數(shù)據(jù)集成的前提。

2.2 空間數(shù)據(jù)集成

空間數(shù)據(jù)集成是將分布式數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成一個(gè)大的虛擬的數(shù)據(jù)庫(kù)，屏蔽數(shù)據(jù)庫(kù)之間的異構(gòu)性，為用戶(hù)提供統(tǒng)一、透明的訪(fǎng)問(wèn)接口。通過(guò)下面的語(yǔ)句可以從兩個(gè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)中一次查詢(xún)出鐵路信息和公路信息并返回一個(gè)結(jié)果集:select rail.geom from beyondb_railway_pln rail union all select road.geom from postgis_road_pln road。

為了向用戶(hù)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)視圖，屏蔽底層數(shù)據(jù)庫(kù)的位置信息和平臺(tái)差異，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)的無(wú)縫連接。虛擬表與數(shù)據(jù)源的映射關(guān)系如圖2所示，OGSA-SDQP首先建立了一張?zhí)摂M表，虛擬表中定義了虛擬表名、虛擬字段名等屬性。然后，又建立了一張?zhí)摂M關(guān)系表來(lái)維持虛擬表名與實(shí)際表名、虛擬字段名與實(shí)際屬性之間的映射關(guān)系，虛擬表中的一個(gè)屬性可以對(duì)應(yīng)0個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)源對(duì)象的屬性[7]。OGSA-SDQP循環(huán)每個(gè)數(shù)據(jù)源結(jié)果集的行，再循環(huán)每行的字段，根據(jù)映射關(guān)系查找該字段在虛擬表中的位置，然后根據(jù)位置信息，將數(shù)據(jù)插入虛擬表。

圖2 虛擬表與數(shù)據(jù)源映射關(guān)系

2.3 空間操作函數(shù)擴(kuò)展

在數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)與集成處理過(guò)程中，行為(Activity)是基本工作模塊，每類(lèi)行為負(fù)責(zé)完成一項(xiàng)特定的數(shù)據(jù)查詢(xún)、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)忍幚砣蝿?wù)[8]。OGSA-SDQP提供了行為的擴(kuò)展接口，用戶(hù)通過(guò)該接口可以定義自己的行為。

OGSA-SDQP提供服務(wù)行為拓展機(jī)制，可供拓展的函數(shù)類(lèi)型為標(biāo)量函數(shù)與聚合函數(shù)兩類(lèi)。聚合函數(shù)從選擇列數(shù)據(jù)中提取出代表一種趨勢(shì)的值或者匯總值，并聚合列得到結(jié)果集，返回的數(shù)據(jù)類(lèi)型對(duì)應(yīng)于該列或者傳遞到函數(shù)中的值，如COUNT、MAX、SUM等。標(biāo)量函數(shù)指的是基于輸入值定義類(lèi)型返回單個(gè)數(shù)據(jù)值。聚合函數(shù)針對(duì)通用數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行操作，而空間分析過(guò)程需要針對(duì)空間數(shù)據(jù)表中每條記錄包含的幾何字段進(jìn)行計(jì)算，因此拓展空間分析函數(shù)主要基于標(biāo)量函數(shù)的形式拓展。

JTS Topology Suite是一系列 Java API，它完成了 Java對(duì)幾何對(duì)象、空間拓?fù)涞暮诵牟僮魉惴╗9]。為了豐富用戶(hù)的個(gè)性化操作，利用OGSA-SDQP的擴(kuò)展功能和JTS Topology Suite，添加了一些支持矢量數(shù)據(jù)的空間操作，包括緩沖區(qū)計(jì)算、凸外包框計(jì)算和空間相交計(jì)算等。

2.4 空間數(shù)據(jù)查詢(xún)流程

OGSA-SDQP是一個(gè)基于服務(wù)的分布式查詢(xún)處理器，它可以一次對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行并行查詢(xún)。OGSASDQP分布式查詢(xún)的實(shí)現(xiàn)需要兩個(gè)重要服務(wù)的支持：空間網(wǎng)格分布式查詢(xún)服務(wù)SGDQS(Spatial Grid Distributed Query Service)和空間網(wǎng)格查詢(xún)?cè)u(píng)估服務(wù)SGQES(Spatial Grid Query Evaluator Service)[10]。

SGDQS負(fù)責(zé)創(chuàng)建SDQP服務(wù)，生成數(shù)據(jù)資源實(shí)體的表結(jié)構(gòu)schema，對(duì)查詢(xún)計(jì)劃進(jìn)行編譯、優(yōu)化、分解、制定查詢(xún)計(jì)劃，并將分解后的查詢(xún)發(fā)送給SGQES。另外SGDQS還負(fù)責(zé)與用戶(hù)的交互，接受用戶(hù)提交的請(qǐng)求，返回查詢(xún)結(jié)果給用戶(hù)。

SGQES是查詢(xún)計(jì)劃的分支，是查詢(xún)的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，它在SGDQS制定好查詢(xún)計(jì)劃后動(dòng)態(tài)生成，每個(gè)查詢(xún)計(jì)劃分支對(duì)應(yīng)一個(gè)SGQES服務(wù)，SGQES直接與數(shù)據(jù)資源和其他SGQES交互，并將執(zhí)行結(jié)果返回給SGDQS。SGQES使用經(jīng)SGDQS分解的SQL語(yǔ)句進(jìn)行查詢(xún)?cè)L問(wèn)。圖3說(shuō)明了一次查詢(xún)進(jìn)行的數(shù)據(jù)流程，其中數(shù)據(jù)服務(wù)資源SDSR(Spatial Data Service Resource)標(biāo)識(shí)和承載其數(shù)據(jù)庫(kù)的URI地址，充分屏蔽了異構(gòu)性，實(shí)現(xiàn)了透明訪(fǎng)問(wèn)[11]。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)環(huán)境

部署了PostGIS和Beyondb兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。在WindowsXP操作系統(tǒng)上的Beyondb數(shù)據(jù)庫(kù)中存放了長(zhǎng)沙市的鐵路數(shù)據(jù),在虛擬機(jī)Ubuntu操作系統(tǒng)上的PostGIS中部署了長(zhǎng)沙市的公路數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的服務(wù)器部分OGSA-SDQP部署在Ubuntu下。客戶(hù)端分別部署在WindowsXP和Ubuntu下。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式

該系統(tǒng)分為服務(wù)器和客戶(hù)端兩個(gè)部分。服務(wù)器是空間擴(kuò)展后的OGSA-SDQP,支持空間數(shù)據(jù)類(lèi)型和空間操作；客戶(hù)端包括注冊(cè)、查詢(xún)、空間渲染、導(dǎo)出四個(gè)模塊，這四個(gè)模塊為用戶(hù)提供了接口，用戶(hù)可以根據(jù)需要選擇其中幾個(gè)模塊建立自己的圖形化系統(tǒng)。其中空間渲染模塊和導(dǎo)出模塊的實(shí)現(xiàn)上使用了開(kāi)源項(xiàng)目Geotools。Geotools是Java語(yǔ)言編寫(xiě)的開(kāi)源GIS工具包，提供各種GIS算法、各種數(shù)據(jù)格式的讀寫(xiě)和顯示，可以實(shí)現(xiàn)地圖的可視化。

圖3 OGSA-SDQP查詢(xún)流程

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)OGSA-SDQP訪(fǎng)問(wèn)空間數(shù)據(jù)庫(kù)，既可以像以前一樣訪(fǎng)問(wèn)單個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)獲取空間信息，如圖4(a)、圖4(b)所示，也可以通過(guò)集成查詢(xún)，將鐵路和公路一次讀取并顯示出來(lái)，看起來(lái)就像是對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作一樣，如圖4(c)所示；還可以對(duì)獲取的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，圖4(d)是對(duì)鐵路的外包框操作，圖4(e)是對(duì)公路做緩沖區(qū)操作，圖4(f)求鐵路和公路的交點(diǎn)。

測(cè)試OGSA-SDQP的性能如圖5所示。橫軸表示查詢(xún)的數(shù)據(jù)量，縱軸表示查詢(xún)時(shí)間。先分別對(duì)兩個(gè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢(xún)，將它們的查詢(xún)時(shí)間相加，再與OGSASDQP的查詢(xún)時(shí)間做比較。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于采用并行查詢(xún)，OGSA-SDQP在查詢(xún)記錄較小時(shí)，基本上與單獨(dú)查詢(xún)的時(shí)間一致。隨著數(shù)據(jù)量的增大，耗費(fèi)的資源也隨之增大，因此在查詢(xún)數(shù)據(jù)量大時(shí)集成查詢(xún)所需時(shí)間會(huì)比單獨(dú)查詢(xún)時(shí)間更長(zhǎng)，但總體上還是小于累計(jì)的時(shí)間。OGSASDQP的性能取決于網(wǎng)格服務(wù)器的性能和各個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的性能。

針對(duì)空間數(shù)據(jù)分布式異構(gòu)的特點(diǎn)，使用網(wǎng)格技術(shù)，構(gòu)建了分布式多源異構(gòu)空間信息的集成訪(fǎng)問(wèn)環(huán)境OGSA-SDQP。在該環(huán)境下，用戶(hù)可以采用并發(fā)的方式同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)多個(gè)空間數(shù)據(jù)源；擴(kuò)展了空間操作功能，支持對(duì)查詢(xún)結(jié)果的處理。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)在集成查詢(xún)中的性能優(yōu)勢(shì)。

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