向 娟，黃青松

（1.國家測繪地理信息局 重慶測繪院，重慶 400015）

地下管網時空數據庫設計與應用

向 娟1，黃青松1

（1.國家測繪地理信息局 重慶測繪院，重慶 400015）

探討了三維管網信息系統后臺的時空數據庫設計原理，在保留現有時空數據庫設計大部分特性的基礎上，內部采用全關系化的設計模式，協同管理空間數據和非空間的三維模型數據，應用到數字城市的三維管網系統建設項目中，取得了良好的效果。

三維管網；時空數據庫；TGIS

當前，管網信息管理系統已出現偏實用帶有時空特性的二維管網系統[1]和偏向于瀏覽效果不帶時空特性的三維管網系統[2]。為了兼顧時空特性和三維特性的優(yōu)點，需要為三維管網信息系統后臺設計三維數據時空數據庫。與二維管網信息系統后臺的時空數據庫不同的是，二維數據只需要管理空間數據，而三維系統需要管理空間數據和非空間的模型數據，設計數據庫在注重效率的同時，還需要保持兩種數據關聯的正確性。

1 管網時空數據庫設計思路

在數據庫的設計中以實體為單位建立時間索引，且以實體的ID進行空間數據和非空間數據關聯，數據的變更以實體的變化為事件觸發(fā)，面對應用系統開放一個數據更新接口，在內部使用數據庫的函數包及觸發(fā)器維護，保障數據的完整性和規(guī)范性[3]。這樣就可以在數據庫中將實體的變化全部存儲起來，用戶可以用時間軸上的時間段過濾空間數據，做到任意時間點數據快速回放。

對存儲管理地理空間數據，目前有基于關系數據庫和文件系統的管理方法、建立全新的面向對象的數據庫管理系統、空間數據的全關系化存儲管理等解決方案。空間數據的全關系化存儲管理是在標準的RDBMS上增加空間數據管理層，即空間數據引擎，利用該層將地理結構查詢語言轉化為標準的SQL查詢，借助索引數據的輔助關系實施空間索引操作。采用全關系化管理的方式，以充分利用RDBMS數據管理的功能，使空間數據與非空間數據一體化集成。另外，由于歷史關系數據庫[4]也采用了關系模型，為關系代數擴展了時間語義，并且研究和開發(fā)了時間結構查詢語言。因此在全關系化空間數據庫擴充時態(tài)信息建立時空數據庫成為可能。

2 管網時空數據庫關鍵技術點

在帶有時態(tài)信息的空間數據庫中，將多種數據分成若干個表進行組織，表的邏輯設計目標是消除冗余以及保障增刪改的正確進行。時空數據庫的構建在設計之初需要確定好所使用的時空模型[1]，在實施階段，后臺的時空數據庫會根據前端的應用系統進行調整，使二者契合度高。

2.1 時空數據庫中數據的維護

從3個方面來說明數據編輯在歷史數據表上的具體操作，這也是時空數據維護的整個過程，如圖1。

圖1 時空數據庫維護原理圖

1）添加數據。在原先的表中沒有數據，添加一條數據記錄可檢索到表中最大要素FeatureID為3，則添加一條FeatureID=4的數據到表中，并記錄各個操作時間。

2）編輯數據。編輯一個FeatureID=1的已有數據，將它打斷，則將打斷后的2個數據分別按FeatureID=5和FeatureID=6進行保存，將FeatureID=1標記為“刪除”，并記錄各個操作時間。編輯一個FeatureID=2的已有數據，對其進行移位操作后，仍將此要素按FeatureID=7進行存儲，將FeatureID=2標記為“刪除”，并記錄各個操作時間。

3）刪除數據。刪除一個FeatureID=3的已有數據，則將其標記為“刪除”， 并記錄各個操作時間。

2.2 時空數據庫中數據的檢索

在時空數據庫中檢索出有用的數據，需要根據數據表中的相應標記來進行檢索。在提高效率方面數據檢索參照現有相關的研究成果[5,6]，更精準有效地完成數據的讀取。數據檢索分2個方面進行說明：

1）檢索現勢數據。在歷史數據表中，排除“標記=刪除”的所有要素都是現勢數據。

2）檢索歷史數據。要檢索歷史數據，則要根據各個數據的操作時間，檢索出某個時間點之前的數據。

3 管線時空數據庫的應用

3.1 管線實時展現

由于在數據庫中對現勢數據的查詢和調度最為頻繁，而查詢語句相對固定，在數據庫端建立一個現勢數據物化視圖[7]，并在客戶端的三維場景中看視圖區(qū)域實時調度，如圖2。

圖2 現勢數據調度流程圖

在管網系統中使用此方案對現勢數據進行調度，整個三維場景約有20萬個三維管網模型數據，在漫游過程中能夠進行流暢的展現。圖3為三維場景中可視化的管網數據。

圖3 管網系統調度現勢數據

3.2 四維管線數據回溯

管線數據按時間版本回溯展示是在管線數據的編輯過程中記錄所有操作，將改變的數據加入數據的歷史庫，當需要回溯到某個時間點時，根據時間點到現狀庫和歷史庫中同時查詢，將結果數據組合構成要回溯時間點的數據，再將這些數據進行展示。圖4中，通過時間節(jié)點從時空數據庫中讀取該時間點的歷史數據，并在右側三維場景中與左側三維場景中的現勢數據進行對比展示。

圖4 管網系統調度歷史數據

4 結 語

結合現有TGIS在時空數據庫中的研究成果，將時空數據庫擴展后作為數據管理后臺應用到三維管網系統，對建設帶時空特性的三維數字城市項目有一定的意義。但這種時空數據庫并未加入版本控制，在下一步研究過程中將考慮多人協同在線編輯的問題。

[1] 馬吉慶,耿崇亮,許國酩. 時空數據模型在城市地下管線數據庫中的應用[J]. 科技信息, 2010(6): 350-351

[2] 鄭文青,王亞巍. 真三維地下管網信息系統建設的研究[J].測繪通報, 2013(增刊): 230-232

[3] 琚冠輝,萬靜. 時空數據庫規(guī)范化問題的研究[J]. 信息技術, 2009(6): 172-178

[4] 黃勇奇,崔偉宏. 基于歷史關系數據庫的時空數據庫實現研究[J]. 遙感學報, 2008(5): 759-763

[5] 何亞軍. 時空數據庫數據操縱及查詢優(yōu)化的研究與實現[D].武漢: 華中科技大學，2004

[6] 李支成. 時空數據庫復雜查詢方法研究[D]. 武漢: 華中科技大學，2012

[7] 車忠志,初洪龍. ORACLE物化視圖的技術應用[J]. 中國科技信息, 2008(7): 115-118

P208

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1672-4623（2015）04-0035-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.013

向娟，碩士，工程師，主要從事GIS開發(fā)應用研究。

2015-01-06。