遲洋 李春風(fēng) （天津開發(fā)區(qū)測(cè)量隊(duì) 天津300456）

GML空間數(shù)據(jù)在Oracle XML DB 11g中的存儲(chǔ)機(jī)制研究

遲洋 李春風(fēng) （天津開發(fā)區(qū)測(cè)量隊(duì) 天津300456）

GML數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)研究還屬于一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，目前還沒有一個(gè)比較完好的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法。在分析比較Oracle XML DB存儲(chǔ)模式的基礎(chǔ)上，考慮GML空間數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，研究GML空間數(shù)據(jù)在Oracle中的存儲(chǔ)機(jī)制，并分析儲(chǔ)存模式的優(yōu)劣。利用Oracle XML DB實(shí)現(xiàn)對(duì)GML數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是GIS空間數(shù)據(jù)管理方面研究的一條新的思路和途徑。

地理信息 Oracle XML DB 二進(jìn)制XML存儲(chǔ) GML空間數(shù)據(jù)

0 引言

長期以來，由于空間數(shù)據(jù)模型的不同導(dǎo)致空間信息在共享、集成等方面存在著諸多困難，造成了各行各業(yè)和各部門的空間信息難以實(shí)現(xiàn)互訪，形成了一個(gè)個(gè)“信息孤島”，造成社會(huì)財(cái)力和人力的巨大浪費(fèi)。為了解決這些問題，開放地理信息系統(tǒng)協(xié)會(huì)（OGC）提出地理標(biāo)記語言（GML）實(shí)施規(guī)范，GML作為Intemet環(huán)境下空間信息的全新、簡潔、統(tǒng)一的編碼標(biāo)準(zhǔn)，為空間數(shù)據(jù)建模、柵/矢一體化GIS體系研究、Webgis開發(fā)、空間數(shù)據(jù)共享與互操作研究等提供了新的方法和途徑。作為基于XML的地理標(biāo)記語言，鑒于GML的文本性、自描述性、可擴(kuò)展性、內(nèi)容與表現(xiàn)分離性、開放性、互操作等特性，使得GML被廣泛關(guān)注、研究與實(shí)踐，大量甚至海量的GML空間數(shù)據(jù)正不斷產(chǎn)生。如何對(duì)其進(jìn)行有效管理，從而實(shí)現(xiàn)GML空間數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)、索引等，是GML相關(guān)研究者、GML空間數(shù)據(jù)使用者所必須面對(duì)的重要問題。

針對(duì)GML空間數(shù)據(jù)的管理，存在基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理和基于原生模式XML數(shù)據(jù)庫管理兩大類。原生模式XML數(shù)據(jù)庫（NXD）是一個(gè)新生事物，且其自身的許多方面還在不斷研究和發(fā)展中，還沒有形成像關(guān)系型數(shù)據(jù)庫那樣成熟的標(biāo)準(zhǔn)，采用原生模式對(duì)文檔型GML空間數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理并不理想。由于GML數(shù)據(jù)XML格式的特點(diǎn)，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫對(duì)GML空間數(shù)據(jù)進(jìn)行管理具有與生俱來的優(yōu)勢(shì)，但傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)并不適合海量復(fù)雜的GML空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理。針對(duì)以上不足，本文在分析GML空間數(shù)據(jù)的表達(dá)描述的基礎(chǔ)上，研究利用Oracle XML DB 11g數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)海量復(fù)雜的GML空間數(shù)據(jù)的方案，為海量復(fù)雜的GML空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和應(yīng)用提供新的思路和方法。

1 GML的數(shù)據(jù)組織過程

1.1 GML對(duì)空間信息生成過程

GML作為XML的一種擴(kuò)充，它主要是由GML模式（GML Schema）、GML 應(yīng)用模式（GML Application Schema）以及 GML實(shí)例數(shù)據(jù)（GML Instance Data）3個(gè)部分組成，其中GML模式是由OGC定義的，而應(yīng)用模式是根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同來定義，通過擴(kuò)展或限制GML模式中定義的類型為應(yīng)用領(lǐng)域定義所需的類型；最后根據(jù)具體的數(shù)據(jù)并依照GML Application Schema的規(guī)范形成GMLInstance Data。具體生成過程參見圖1。

首先將現(xiàn)實(shí)世界的地理實(shí)體抽象形成幾何體，接著對(duì)幾何體添加空間和非空間屬性使之成為地理要素，再用GML來定義地理要素相互之間的關(guān)系和結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)定義的結(jié)構(gòu)用GML Schema生成Application Schema，最后根據(jù)Application Schema中定義的元素再結(jié)合具體的數(shù)據(jù)生成Instance Data，從而使地理要素資料成為GML數(shù)據(jù)。

對(duì)于空間數(shù)據(jù)來說，每種數(shù)據(jù)都有自己的空間幾何模型。實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)GML格式轉(zhuǎn)換的本質(zhì)是建立兩者之間的映射關(guān)系，可通過對(duì)GML基本的XML Schema的擴(kuò)充來實(shí)現(xiàn)兩者的映射，通過建立各種空間對(duì)象的XML Schema可對(duì)這些空間對(duì)象進(jìn)行描述。

1.2 GML對(duì)地理信息的表達(dá)與描述

GML是建立在XML shema基礎(chǔ)上，用于描述空間地理數(shù)據(jù)，并編碼和保存為XML數(shù)據(jù)格式的語法和機(jī)制。在這個(gè)基礎(chǔ)上，還允許用戶進(jìn)一步開發(fā)符合需要的工作子集。目前，OGC先后推出了3個(gè)版本的GML，本文采用GML3.0進(jìn)行建模研究。

GML3.0由32個(gè)基本的XML Schema構(gòu)成，通過這些模式定義來表達(dá)與描述地理現(xiàn)實(shí)世界的信息，其中主要的模式有要素模式（Feature Schema）、幾何模式（Geometry Schema）、拓?fù)淠Ｊ剑═opologySchema）、時(shí)間模式（Temporal Schema）等。

地理要素包含一系列的空間和非空間屬性，要素模式為創(chuàng)建GML的要素和要素集合提供了一個(gè)框架，它定義了抽象和具體的元素及要素類型，并通過＜include＞元素引入了幾何模式和時(shí)態(tài)模式中的定義和聲明。幾何模式詳細(xì)地描述了地理要素的幾何模型，定義了具體的幾何形狀信息，它提供的點(diǎn)、線、面、曲線、多邊形、點(diǎn)集、線集、多邊形集等類型可以直接使用，用這些基本信息可以描述一些地物的地理性質(zhì)。時(shí)態(tài)模式擴(kuò)展了GML的核心元素，使其包括描述地理數(shù)據(jù)時(shí)態(tài)特征的元素，它提供一種框架用于描述動(dòng)態(tài)要素的時(shí)間變化。拓?fù)淠Ｊ蕉x了反映地理要素之間關(guān)系的拓?fù)鋵?duì)象，用來解決地物之間的拓?fù)潢P(guān)系。

GML是一個(gè)開放的框架結(jié)構(gòu)，32個(gè)基本的Schema相當(dāng)于32個(gè)基類，通過對(duì)這32個(gè)基本Schema的繼承和擴(kuò)展，可以利用自己定義的Schema來對(duì)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)以XML的方式對(duì)地理信息的表達(dá)和描述。

2 GML空間數(shù)據(jù)在Oracle XML DB中的存儲(chǔ)

2.1 Oracle XML DB存儲(chǔ)技術(shù)

Oracle公司從Oracle9i開始推出了Oracle XML DB，Oracle XMLDB是Oracle數(shù)據(jù)庫所提供的高性能XML存儲(chǔ)和檢索技術(shù)的集合，不僅提供目前最復(fù)雜和完整的關(guān)系數(shù)據(jù)庫所提供的所有功能，還提供與原生模式XML數(shù)據(jù)庫所相關(guān)的所有功能。Oracle 11g又增加了對(duì)XML的二進(jìn)制存儲(chǔ)、新的XMLIndex索引和許多其他實(shí)現(xiàn)高性能存儲(chǔ)以及檢索結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化XML文檔的功能。

Oracle用XMLType數(shù)據(jù)類型來存儲(chǔ)XML數(shù)據(jù)，它是為了保留XML的范型同時(shí)獲取關(guān)系型結(jié)構(gòu)在性能與擴(kuò)展上的優(yōu)勢(shì)而創(chuàng)建的，是一種本機(jī)服務(wù)器數(shù)據(jù)類型。這種數(shù)據(jù)類型用來定義表格的列或者視圖，可以用SQL＞CREATE TABLE TOUR OF XMLType來創(chuàng)建XMLType表，通過創(chuàng)建XMLType數(shù)據(jù)類型，Oracle XMLDB可以將XML應(yīng)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

在Oracle XML DB 11g中，XMLType數(shù)據(jù)類型有3種不同的存儲(chǔ)模式，即結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)（對(duì)象-關(guān)系型）、非結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)（CLOB）、二進(jìn)制XML存儲(chǔ)。

GML文檔都是符合特定GML應(yīng)用模式的實(shí)例文檔，所以在Oracle XMLDB中存儲(chǔ)GML數(shù)據(jù)，首先需要注冊(cè)這種應(yīng)用模式，模式可以通過DBMS_XMLSCHEMA包中的registerschema（）函數(shù)進(jìn)行注冊(cè)。

2.2 結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)模式存儲(chǔ)GML空間數(shù)據(jù)

結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)是將GML文檔分解為一系列的對(duì)象存儲(chǔ)到本地?cái)?shù)據(jù)庫一個(gè)或者多個(gè)關(guān)系表中。當(dāng)在Oracle XMLDB中注冊(cè)了XML模式以后，需要的本地?cái)?shù)據(jù)庫類型的定義就會(huì)從XML模式生成。本地?cái)?shù)據(jù)庫類型定義產(chǎn)生于XML模式中定義的complexTyle，由complexTyle定義的每一個(gè)元素和屬性成為對(duì)應(yīng)的本地?cái)?shù)據(jù)庫類型的屬性。產(chǎn)生的本地?cái)?shù)據(jù)庫類型與XML模式一致的XML內(nèi)容分解并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫對(duì)象中，沒有任何信息的丟失，當(dāng)文檔存入時(shí)，由XML模式定義的結(jié)構(gòu)被直接映射成相應(yīng)的本地?cái)?shù)據(jù)庫類型。

用結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)創(chuàng)建XMLType表聲明如下：

2.3 非結(jié)構(gòu)化模式存儲(chǔ)GML空間數(shù)據(jù)

利用非結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)可以用來存儲(chǔ)不基于模式的文檔，但也可以用來存儲(chǔ)GML空間數(shù)據(jù)，可以將GML文檔作為整體存儲(chǔ)到一個(gè)CLOB字段中，但必須對(duì)XMLType表進(jìn)行聲明：

2.4 二進(jìn)制存儲(chǔ)模式存儲(chǔ)GML空間數(shù)據(jù)

在Oracle數(shù)據(jù)庫11g中，利用二進(jìn)制XML存儲(chǔ)可以將GML文檔解析成一種中間狀態(tài)，然后以二進(jìn)制的方式存儲(chǔ)到CLOB中。首先創(chuàng)建二進(jìn)制XMLType表，然后利用XMLTable（）函數(shù)創(chuàng)建可以高效查詢二進(jìn)制XML表的關(guān)系視圖。

用二進(jìn)制XML存儲(chǔ)創(chuàng)建XMLType表聲明如下：

2.5 3種儲(chǔ)存模式的對(duì)比測(cè)試

結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)和非結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)是Oracle中非常典型的兩種存儲(chǔ)方式，CLOB型存儲(chǔ)格式可以避免將XML數(shù)據(jù)拆散存儲(chǔ)，而對(duì)象表的存儲(chǔ)方式則更有利于進(jìn)行節(jié)點(diǎn)級(jí)的查詢。但都有不足之處，非結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)占用的空間最大且查詢性能最差，結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)速度比非結(jié)構(gòu)化儲(chǔ)存慢。

二進(jìn)制XML存儲(chǔ)綜合了結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)模式的優(yōu)點(diǎn)，用以聯(lián)接結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)的現(xiàn)有本機(jī)存儲(chǔ)模型。二進(jìn)制XML存儲(chǔ)可以感知XML模式，可以獲得更高的磁盤空間效率和查詢性能，提供比非結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)更高效的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)、更新、查詢、索引和片段提取的性能。與結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)類似，數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)也可通過二進(jìn)制存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫級(jí)別分離，以提高效率，而且可以存儲(chǔ)混合的可變數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)。但它的查詢性能卻遜色于結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，二進(jìn)制XML存儲(chǔ)模式易于使用，只要可以接受二進(jìn)制XML存儲(chǔ)在關(guān)系訪問時(shí)的查詢性能，二進(jìn)制XML存儲(chǔ)就是一個(gè)很好的GML空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，因此在選擇結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)GML前值得對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 結(jié)束語

由于GML數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)研究還屬于一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，日前還沒有一個(gè)比較完好的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法。本文在分析比較Oracle XMLDB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上，考慮GML空間數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，研究GML空間數(shù)據(jù)在Oracle 11g數(shù)據(jù)庫中的存儲(chǔ)方法。利用Oracle XML DB實(shí)現(xiàn)對(duì)GML數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是GIS空間數(shù)據(jù)管理方面研究的一條新的思路和途徑，將有利于推動(dòng)GIS之間的數(shù)據(jù)共享及Web GIS的發(fā)展。目前國內(nèi)外有不少GIS界的學(xué)者在致力于這方面的研究，相信在不久的將來會(huì)出現(xiàn)具備更完善功能的GML數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)?！?/p>

[l]Oracle.Oracle Database lOgRlXMLDB Technical Whitepaper[EB/O L].http://dow nload.oracle.com/technology/tech/xml/xmldb/current/twp.pdf，2005.

[2]朱前飛，高芒，廖俊國.一種基于G M L的空間數(shù)據(jù)共享方案的研究[J].工程勘察，2004，（1）:57-63.

[3]史婷婷,李巖，王鵬.基于GML空間數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方法研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2006，26（10）:2409-2410.

[4]陳建華.原生模式GML空間數(shù)據(jù)管理機(jī)制研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2008：14-17.

[5]潘雨青，陳天滋.基于GML的地理空間數(shù)據(jù)模型[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，23（6）：82-85.

2011-05-09