張偉偉，高 峰，樂 恒

（1.寧波市規(guī)劃與地理信息中心，浙江 寧波 315042）

地理空間數(shù)據(jù)庫性能優(yōu)化原則研究

張偉偉1，高 峰1，樂 恒1

（1.寧波市規(guī)劃與地理信息中心，浙江 寧波 315042）

以提高企業(yè)級地理空間數(shù)據(jù)庫效率為出發(fā)點，總結(jié)了Oracle數(shù)據(jù)庫與ArcSDE軟件性能優(yōu)化的原則，結(jié)合實際給出了數(shù)據(jù)庫性能優(yōu)化的一些建議，并將上述原則應用于海量地理空間數(shù)據(jù)庫的優(yōu)化，有效提升了數(shù)據(jù)庫性能。

地理空間數(shù)據(jù)庫；Oracle性能優(yōu)化；ArcSDE性能優(yōu)化

地理信息系統(tǒng)是當前智慧城市建設(shè)的核心技術(shù)，其應用已延伸到城市建設(shè)與管理的各個角落，范圍覆蓋了規(guī)劃、國土、交通、電力、水利等領(lǐng)域。隨著智慧城市建設(shè)的逐步推進，積累的空間數(shù)據(jù)種類日益豐富，數(shù)據(jù)規(guī)模也直線上升，如何高效管理和使用海量空間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫的高性能部署與安全運維管理是項目設(shè)計與運維人員關(guān)注的熱點。由于空間數(shù)據(jù)的復雜性與非結(jié)構(gòu)化特征，使得地理空間數(shù)據(jù)庫的存儲與管理也相對復雜。圍繞著空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)的研究主要從空間數(shù)據(jù)庫的理論、設(shè)計、應用及性能優(yōu)化4個方面開展。文獻[1,2]從空間數(shù)據(jù)庫的理論角度描述了空間數(shù)據(jù)庫的基本特征、結(jié)構(gòu)及內(nèi)容；文獻[1,3,4]從空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計方面論述了空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的技術(shù)革新歷程及空間數(shù)據(jù)庫的常用模型；文獻[3,5-8]描述了使用空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)解決特定領(lǐng)域問題的典型案例；文獻[9,10]從空間數(shù)據(jù)庫的存儲、運維角度總結(jié)了數(shù)據(jù)庫性能提升的方法。

地理空間數(shù)據(jù)的管理經(jīng)歷了由傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)方式到對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫方式的過程，在數(shù)據(jù)管理能力上，從小數(shù)據(jù)量管理向海量數(shù)據(jù)管理發(fā)展[3]。在當前大數(shù)據(jù)背景下，針對空間圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲與管理的應用需求，常用的兩種解決方案是：①空間數(shù)據(jù)庫擴展技術(shù)，如Oracle數(shù)據(jù)庫的Oracle Spatial和Informix數(shù)據(jù)庫的Spatial DataBlade技術(shù)；②中間件技術(shù)，如ESRI公司的ArcSDE和MapInfo公司的SpatialWare等產(chǎn)品。數(shù)據(jù)庫+中間件（空間數(shù)據(jù)引擎）的空間數(shù)據(jù)存儲與管理解決方案占據(jù)主流，其中以O(shè)racle數(shù)據(jù)庫+ArcSDE中間件模式最為常用，本文也以此為例，總結(jié)了地理空間數(shù)據(jù)庫性能優(yōu)化的主要技術(shù)原則。

1 Oracle+ArcSDE體系結(jié)構(gòu)

商業(yè)數(shù)據(jù)庫與GIS中間件技術(shù)相結(jié)合改變了傳統(tǒng)GIS的應用模式，為空間數(shù)據(jù)一體化管理提供了高效、穩(wěn)定的解決方案，較好地解決了多用戶在線編輯、數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)安全等核心問題。在Oracle+ArcSDE的存儲模式下，Oracle數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)存儲的容器，ArcSDE中間件則是空間數(shù)據(jù)的存取通道。圖1是Oracle數(shù)據(jù)庫+ArcSDE中間件的體系結(jié)構(gòu)[11]。

圖1 ArcSDE軟件體系結(jié)構(gòu)

2 Oracle數(shù)據(jù)庫配置優(yōu)化

Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由實例和數(shù)據(jù)庫兩大部分組成[12]，如圖2所示。數(shù)據(jù)庫實例優(yōu)化的出發(fā)點是減少磁盤讀寫次數(shù)，數(shù)據(jù)庫文件優(yōu)化的出發(fā)點是平衡磁盤讀寫壓力。

圖2 Oracle數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)庫實例優(yōu)化

數(shù)據(jù)庫實例由共享池、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、日志緩沖區(qū)等組成[12]，其優(yōu)化方法重點有以下幾個方面。

1）共享池優(yōu)化。共享池由兩個緩沖區(qū)組成，分別是庫緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)字典緩沖區(qū)，其作用是存放頻繁使用的SQL語句和數(shù)據(jù)字典對象。要提高共享池命中率需遵循以下原則：①SQL語句類型較多，適當增加共享池容量，以減少SQL語句硬解析。②將重用率高的SQL語句保留在庫緩存中，以提高庫緩存命中率。③ 為大規(guī)模PL/SQL程序?qū)ο箢A留空間，增大共享池保留區(qū)大小，將這些較大對象放入其中。④將一些常用的數(shù)據(jù)字典保留在數(shù)據(jù)字典緩沖區(qū)。

2）數(shù)據(jù)緩沖區(qū)優(yōu)化。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是用于存儲用戶請求的數(shù)據(jù)，如果請求的數(shù)據(jù)已經(jīng)在緩沖區(qū)中，Oracle數(shù)據(jù)庫會直接從緩沖區(qū)讀取該數(shù)據(jù)返回給用戶，而不需要重新從磁盤文件讀取，因此，在這種機制下，數(shù)據(jù)查詢所需時間將以幾個數(shù)量級減少。其優(yōu)化主要遵循以下幾個原則：①對讀寫較為頻繁的數(shù)據(jù)庫適當增加其緩沖區(qū)容量。②使用多個緩沖池，并將不同訪問模式的數(shù)據(jù)對象放到不同緩沖池中，例如將規(guī)模較大的表存放在recycle pool，以免將部分熱塊從default pool中移除。③將一些常用且規(guī)模較小的表保留在內(nèi)存中。

3）日志緩沖區(qū)優(yōu)化。日志緩沖區(qū)用于記錄數(shù)據(jù)塊的修改信息。數(shù)據(jù)編輯操作會產(chǎn)生重做記錄，Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)默認先將這些重做記錄寫入日志緩沖區(qū)，在日志緩沖區(qū)達到一定大小或發(fā)生檢查點時，再將其內(nèi)容寫入磁盤上的日志文件。其優(yōu)化主要遵循以下兩個原則：①增加讀寫較為頻繁的數(shù)據(jù)庫日志緩沖區(qū)大小。②降低檢查點發(fā)生的頻率，減少寫日志文件的次數(shù)。

4）Java池。當應用程序需要在數(shù)據(jù)庫中運行Java存儲過程時需要使用Java池，此池用作實例化Java對象所需的堆空間。因此，對于用到Java語言編寫存儲過程的數(shù)據(jù)庫則需要適當調(diào)整其容量。

5）大型池。如果使用的數(shù)據(jù)庫服務器是共享模式或并行模式，或者將數(shù)據(jù)備份到磁帶設(shè)備時，需要對大型池進行適當調(diào)整。

2.2 數(shù)據(jù)庫文件優(yōu)化

Oracle數(shù)據(jù)庫文件由數(shù)據(jù)文件、控制文件、日志文件3大文件系統(tǒng)組成，具體優(yōu)化原則如下：

1）數(shù)據(jù)文件存儲優(yōu)化。數(shù)據(jù)文件存儲優(yōu)化的出發(fā)點是通過重新組織數(shù)據(jù)文件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫壓力分流，提升數(shù)據(jù)庫并發(fā)訪問效率。數(shù)據(jù)文件存儲優(yōu)化可以將大數(shù)據(jù)文件拆分，并將熱點數(shù)據(jù)文件存放在不同磁盤來實現(xiàn)。有效的數(shù)據(jù)文件拆分與分開存儲需要從整體上考慮兩個因素：數(shù)據(jù)量和訪問頻率，訪問頻率高且規(guī)模大的數(shù)據(jù)存儲在一個或多個數(shù)據(jù)文件中，并存放在不同的物理硬盤。

2）重做日志文件存儲優(yōu)化。重做日志文件存儲優(yōu)化的出發(fā)點是提高寫日志的效率，并保障數(shù)據(jù)庫的安全穩(wěn)定。寫日志效率可以通過創(chuàng)建多組重做日志并保證日志文件容量足夠大來提高，這樣可避免頻繁的日志切換；提高數(shù)據(jù)庫安全性可以通過在日志文件組中增加組成員，并將這些成員存放在不同物理磁盤來實現(xiàn)，組成員的數(shù)據(jù)內(nèi)容完全相同，當一塊物理磁盤的日志文件損壞后，數(shù)據(jù)庫實例仍能夠訪問其他物理磁盤的日志文件，從而保證數(shù)據(jù)庫正常運行。

重做日志文件組數(shù)和組成員數(shù)過多會造成寫日志耗費較多系統(tǒng)資源，一般情況下，重做日志文件組數(shù)為3組且每組成員個數(shù)為3個較為合適。

3）控制文件存儲優(yōu)化?？刂莆募鎯φ{(diào)整的出發(fā)點是保障其安全，可以通過復制多個控制文件到不同物理磁盤來實現(xiàn)，當一個物理磁盤的控制文件損壞時，數(shù)據(jù)庫實例仍能夠訪問其他磁盤的控制文件，從而保證數(shù)據(jù)庫正常運行。

理論上控制文件個數(shù)最多為8個，但并不是越多越好，因為當 Oracle 更新控制文件時，會將所有控制文件全部進行更新，影響數(shù)據(jù)庫性能，建議控制文件復制3份并存放在不同的物理磁盤。

3 ArcSDE中間件配置優(yōu)化

基于Oracle+ArcSDE模式存儲的空間數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中由一系列數(shù)據(jù)表共同組成，在默認情況下，所有系統(tǒng)表和數(shù)據(jù)表都統(tǒng)一存儲在一個表空間?？臻g索引、數(shù)據(jù)庫版本編輯等因素也會影響數(shù)據(jù)庫并發(fā)訪問性能。

1）表存儲優(yōu)化。通過ArcSDE存儲的空間數(shù)據(jù)由 B表（Business Table）、F表（Feature Table）、S表（Spatial Index Table）和Oracle索引表共同組成[12]，默認情況下這些表存儲在同一個數(shù)據(jù)文件，這樣會導致數(shù)據(jù)讀寫過程中會出現(xiàn)較多等待事件，降低讀寫效率。ArcSDE數(shù)據(jù)存儲遵循減少I/O沖突原則，具體解決方法是將空間數(shù)據(jù)的B表、F表、S表和Oracle索引分配到不同的數(shù)據(jù)文件，并按照讀寫頻率分不同物理磁盤組合存放。

2）空間索引優(yōu)化。ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫體系使用空間索引機制，這樣能夠有效提高數(shù)據(jù)訪問效率，對于更新較為頻繁的數(shù)據(jù)，需要定期更新空間索引，對一些數(shù)據(jù)量較大的要素類建立二級索引。

3）版本管理優(yōu)化。版本數(shù)據(jù)庫在不斷編輯過程中會產(chǎn)生較多的冗余信息，影響數(shù)據(jù)庫查詢、編輯效率，需要使用版本壓縮技術(shù)清除冗余信息。

4 結(jié) 語

地理空間數(shù)據(jù)庫性能直接影響著各應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀寫效率，默認的軟件配置在性能表現(xiàn)方面并不理想，必須對其進行優(yōu)化才能發(fā)揮其最大作用。筆者以O(shè)racle數(shù)據(jù)庫和ArcSDE中間件的體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以減少磁盤讀寫次數(shù)和平衡磁盤讀寫壓力為原則，分析了各組成部分對地理空間數(shù)據(jù)庫性能的影響，并結(jié)合實踐經(jīng)驗提出了整體的性能優(yōu)化原則。

地理空間數(shù)據(jù)庫規(guī)模不斷擴大，其應用需求也在不斷變化，這就決定了地理空間數(shù)據(jù)庫的性能優(yōu)化將是一項系統(tǒng)的、長期的工程。本文給出的這些方法只是一些指導性的原則，并沒有給出各參數(shù)的具體數(shù)值，應用時需要根據(jù)各階段的數(shù)據(jù)資源特點及其訪問情況進行調(diào)整。

[1] 龔健雅．空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的概念與發(fā)展趨勢[J]．測繪科學, 2001,26(3):4-9

[2] 東凱,方裕．空間數(shù)據(jù)庫模型概念與結(jié)構(gòu)研究[J]．地理信息世界, 2004,2(2): 8-16

[3] 李德仁,彭明軍,邵振峰．基于空間數(shù)據(jù)庫的城市網(wǎng)格化管理與服務系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．武漢大學學報（信息科學版）,2006,31(6):471-475

[4] 龔建雅,朱欣焰．面向?qū)ο蠹煽臻g數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．武漢測繪科技大學學報,2000,25(4):289-293

[5] 譚德寶,程學軍．基于ArcSDE+ Oracle 9i 的防洪減災綜合數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建及應用[J]． 武漢大學學報（信息科學版）, 2006, 31(1): 90-93

[6] 張旭晴,于小平,楊國東,等．基于 ArcSDE的空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫設(shè)計與實現(xiàn)[J]．測繪與空間地理信息,2008,30(6):79-81

[7] 熊麗華,楊峰．基于ArcSDE的空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應用研究[J]．計算機應用,2004, 24(3):90-91

[8] 楊金玲,曹先革,劉璐璐．基于ArcSDE的數(shù)字城市規(guī)劃空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計與實現(xiàn)[J]．測繪與空間地理信息,2010,33(4):16-18

[9] 鄧中亮,馬英俊．基于Oracle 數(shù)據(jù)庫與ArcSDE的空間數(shù)據(jù)存取優(yōu)化[J]．軟件,2011, 32(2):78-80

[10] 馬妮,李維功．ArcSDE for Oracle優(yōu)化實踐[J]．測繪通報,2007(10):50-53

[11] WEST R．Understanding ArcSDE: GIS by ESRI[M]．Esri Press,2001

[12] 蓋國強,馮春培,葉梁,等．Oracle 數(shù)據(jù)庫性能優(yōu)化[M]．北京:人民郵電出版社, 2005

本 刊 聲 明

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（本刊編輯部）

P208

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1672-4623（2016）12-0021-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.008

張偉偉，工程師，研究方向為地理空間數(shù)據(jù)管理、空間數(shù)據(jù)挖掘與應用。

2015-01-21。

項目來源：寧波市規(guī)劃局2012年基礎(chǔ)測繪指令性項目。