面向數(shù)字城市多源數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)立方體數(shù)據(jù)組織研究

摘要：定義了面向數(shù)字城市多源數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)立方體地理空間維、專題維和時(shí)間維分別包含的數(shù)據(jù)種類和內(nèi)容;設(shè)計(jì)了它們的維和維層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；表述了地理空間維、專題維和時(shí)間維在概念層次上和物理層次上構(gòu)成空間數(shù)據(jù)立方體的方法；確定了地理空間維、專題維和時(shí)間維數(shù)據(jù)的多維數(shù)組組織方法，以及多維數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)文件和虛擬內(nèi)存存儲(chǔ)策略;表達(dá)了多維數(shù)組中記錄間的關(guān)聯(lián)運(yùn)算和多維數(shù)組的壓縮方法。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；空間數(shù)據(jù)立方體；多維數(shù)組；多源數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695(2008)05-1461-04

數(shù)字城市的內(nèi)涵非常廣泛，基礎(chǔ)信息化是其中最重要的建設(shè)工作之一，而多維信息的整合與分析又是基礎(chǔ)信息化中最為基礎(chǔ)的工作內(nèi)容。它指的是將城市的各種數(shù)字信息或各種信息資源加以整合，并充分進(jìn)行分析利用，所有其他的工作必須建立在此之上。目前，空間數(shù)據(jù)立方體是解決數(shù)字城市基礎(chǔ)信息化工作中這些問題最有效的技術(shù)手段。

目前的空間數(shù)據(jù)立方體研究領(lǐng)域除地理空間維和時(shí)間維外，專題維數(shù)量非常有限，一般就是四五個(gè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市，組成空間數(shù)據(jù)立方體的專題維數(shù)較多，一般來說有一百多個(gè)，甚至更多。另外，維又由不同的層次結(jié)構(gòu)即維層次構(gòu)成，因此數(shù)字城市包含的數(shù)據(jù)量通常非常龐大。要想最佳、快速靈活地實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)立方體分析，尤其是空間度量聚集，空間數(shù)據(jù)立方體的地理空間維、專題維和時(shí)間維多維數(shù)據(jù)組織及存儲(chǔ)起著至關(guān)重要的作用。因此，空間數(shù)據(jù)立方體維數(shù)據(jù)必須以獨(dú)特的多維化方式組織及存儲(chǔ)起來，并且操作效率需要達(dá)到較高的層次。這具有較大的技術(shù)難度，目前文獻(xiàn)[1~11]還沒有涉及這方面的詳細(xì)研究。

1維和維層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

要將空間數(shù)據(jù)立方體的地理空間維、專題維和時(shí)間維數(shù)據(jù)以獨(dú)特的多維化方式組織及存儲(chǔ)起來，首先就必須了解清楚地理空間維、專題維和時(shí)間維分別包含的數(shù)據(jù)種類和內(nèi)容，以及它們的維和維層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

1．1地理空間維及維層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

地理空間維包含的數(shù)據(jù)種類和內(nèi)容：水系、交通、居民地、地貌、植被、境界、土質(zhì)、管線、獨(dú)立地物、測量控制點(diǎn)等地理要素。專題維包含的數(shù)據(jù)種類和內(nèi)容：政治、行政、軍事、經(jīng)濟(jì)、財(cái)政、貿(mào)易、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、漁業(yè)、海洋、港口、自然資源、能源、生態(tài)、環(huán)境、災(zāi)害、氣象、固定資產(chǎn)、電力、燃?xì)狻⑺?、建筑、交通、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)、物流、郵政、通信傳輸、計(jì)算機(jī)、軟件服務(wù)、批發(fā)、零售、住宿、餐飲、家政、銀行、金融、保險(xiǎn)、房產(chǎn)樓市、房產(chǎn)裝修、租賃、商務(wù)服務(wù)、居民服務(wù)、公共設(shè)施、科學(xué)研究、技術(shù)服務(wù)、教育、衛(wèi)生、文化、體育、健身、休閑、娛樂、賓館飯店、人口、旅游、購物天地、社會(huì)保障、社會(huì)福利、殯喪、保衛(wèi)安全、公共管理、社會(huì)組織、國際組織等專題要素。時(shí)間維包含的數(shù)據(jù)種類和內(nèi)容：年、月、日等時(shí)間要素。

地理空間維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由地理分類、地理分級(jí)、要素識(shí)別、定性描述、定量描述、名稱描述、坐標(biāo)描述、時(shí)間描述組成[12]。其中地理分類、地理分級(jí)、要素識(shí)別共同構(gòu)成地理要素的惟一標(biāo)志，時(shí)間描述設(shè)置在地理分類上，即不同的地理要素才有時(shí)間的不同。地理空間維的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示。

地理空間維、專題維和時(shí)間維可以存在細(xì)節(jié)程度不同的多個(gè)描述方面，形成一樹狀結(jié)構(gòu)，稱為維的概念分層，它是對(duì)維的細(xì)節(jié)描述，即維層次結(jié)構(gòu)[9，10]。維層次結(jié)構(gòu)是對(duì)維的細(xì)節(jié)描述，是按維的實(shí)際意義進(jìn)行樹的概念分層。

1．2專題維及維層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

專題維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由專題分類、專題分級(jí)、專題識(shí)別、定性描述、定量描述、名稱描述、時(shí)間描述組成，專題分類、專題分級(jí)、專題識(shí)別共同構(gòu)成專題要素的惟一標(biāo)志，時(shí)間設(shè)置在專題要素分類上，即不同的專題要素才有時(shí)間的不同。專題維的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示。

由樹的根節(jié)點(diǎn)到葉節(jié)點(diǎn)任一路徑成員取值就是專題維的維層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其中專題分類、專題分級(jí)、專題識(shí)別分別惟一取值，每一專題識(shí)別邏輯“與”或邏輯“或”取值定性描述、定量描述、名稱描述。專題維層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：專題分類.專題分級(jí).專題識(shí)別.定性描述“與”定量描述“與”名稱描述（定性描述“或”定量描述“或”名稱描述）.時(shí)間描述。例如教育專題維層次結(jié)構(gòu)：教育.文化教育.綜合大學(xué)“與”2萬學(xué)生“與”寧波大學(xué)。專題維的維層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1．3時(shí)間維及維層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

時(shí)間維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由年、月、日組成，年構(gòu)成時(shí)間的惟一標(biāo)志。由樹的根節(jié)點(diǎn)到葉節(jié)點(diǎn)就是時(shí)間維的維層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。時(shí)間維層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：年.月.日，如2005年.12月.8日。

2維構(gòu)成空間數(shù)據(jù)立方體方法

要實(shí)現(xiàn)地理空間維、專題維與時(shí)間維之間的信息互動(dòng)，即由地理空間信息能查到相應(yīng)的專題信息和時(shí)間信息，或由專題信息能查到相應(yīng)的地理空間信息和時(shí)間信息，或由時(shí)間信息能查到相應(yīng)的地理空間信息和專題信息，就必須設(shè)置維相互之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制?；驹硎欠謩e尋找維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的公用關(guān)鍵字對(duì)其進(jìn)行匹配，建立維之間的聯(lián)系。地理空間維與專題維的公用關(guān)鍵字是“名稱”；地理空間維與時(shí)間維的公用關(guān)鍵字是“時(shí)間”；專題維與時(shí)間維的公用關(guān)鍵字是“時(shí)間”。因此，維之間關(guān)聯(lián)的原理如圖3所示。

從數(shù)學(xué)原理得知，構(gòu)成一個(gè)數(shù)學(xué)立方體的前提條件是：組成立方體的維相對(duì)獨(dú)立；維之間相互關(guān)聯(lián)；維的交叉點(diǎn)能確定某一值。由上述關(guān)聯(lián)原理圖得知：地理空間維、專題維和時(shí)間維具有各自的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，維相互間獨(dú)立；地理空間維、專題維和時(shí)間維通過公用關(guān)鍵字“名稱”或“時(shí)間”能將各自的維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與其他維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起，維相互間關(guān)聯(lián)；地理空間維、專題維和時(shí)間維共同描述同一數(shù)字對(duì)象或地理空間對(duì)象，維的交叉點(diǎn)能確定某一數(shù)字度量或空間度量。因此，{地理空間維，專題維1，…，專題維n，時(shí)間維}就可構(gòu)成概念層次上的空間數(shù)據(jù)立方體。

3維數(shù)據(jù)組織及存儲(chǔ)策略

由于關(guān)系數(shù)據(jù)庫不適合組織及存儲(chǔ)多維數(shù)據(jù)模型表達(dá)的多維數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)立方體的地理空間維、專題維和時(shí)間維多維數(shù)據(jù)組織及存儲(chǔ)按如下方法進(jìn)行：a)以文件方式存儲(chǔ)多維數(shù)據(jù)；b)以多維數(shù)組的形式組織多維數(shù)據(jù)；c)分析計(jì)算時(shí)，將文件方式存儲(chǔ)的多維數(shù)據(jù)調(diào)入多維數(shù)組；d)多維數(shù)組使用計(jì)算機(jī)物理內(nèi)存，當(dāng)物理內(nèi)存不夠時(shí)使用虛擬內(nèi)存。實(shí)際上，隨著計(jì)算機(jī)文件系統(tǒng)的完善、CPU運(yùn)算速度的加快、物理內(nèi)存的急速增大，以及虛擬內(nèi)存管理技術(shù)的成熟，采用上述方法是一種最好的選擇。

3．1維數(shù)據(jù)的組織

3．1．1多維數(shù)組的組織

依據(jù)《基礎(chǔ)地理信息要素分類與編碼》國家標(biāo)準(zhǔn)，可將地理要素分為10類，但空間數(shù)據(jù)立方體中存在一個(gè)地理空間維，具有一個(gè)地理要素類[9]。每一類由小于50的分級(jí)要素組成；每一分級(jí)由小于100的地理實(shí)體組成；每一地理實(shí)體由小于5 000的目標(biāo)組成。因此，地理空間維多維數(shù)組下標(biāo)的確定如表3所示。通過這些多維數(shù)組的設(shè)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)地理空間維數(shù)據(jù)的組織。組織地理空間維多維數(shù)組集合類GeoDimension[]如表3所示。

依據(jù)《國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類代碼表》國家標(biāo)準(zhǔn)，可把專題要素最多分為50類，但空間數(shù)據(jù)立方體中存在多個(gè)專題維，具有多個(gè)專題要素類。每一類由小于50的分級(jí)要素組成；每一分級(jí)由小于100的專題實(shí)體組成。因此，專題維多維數(shù)組下標(biāo)的確定如表4所示。通過這些多維數(shù)組的設(shè)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)所有專題維的數(shù)據(jù)組織。組織專題維多維數(shù)組集合類ThematicDimension[]如表4所示。

時(shí)間設(shè)置在地理要素分類和專題要素分類上，即不同的地理要素和專題要素才有時(shí)間的區(qū)別，因此，時(shí)間維多維數(shù)組下標(biāo)的確定如表5所示。通過這些多維數(shù)組的設(shè)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)時(shí)間維的數(shù)據(jù)組織。組織時(shí)間維多維數(shù)組集合類TimeDimension[]如表5所示。

值得注意的是，當(dāng)人們進(jìn)行空間數(shù)據(jù)立方體分析時(shí)，首先將時(shí)間數(shù)據(jù)調(diào)入時(shí)間維多維數(shù)組；其次將該時(shí)間的地理空間數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)分別調(diào)入地理空間維和專題維多維數(shù)組。當(dāng)進(jìn)行另一時(shí)間分析時(shí)重復(fù)上述過程，數(shù)據(jù)覆蓋相同的地理空間維和專題維多維數(shù)組。這樣就可避免為不同時(shí)間設(shè)置存儲(chǔ)地理空間維、專題維時(shí)間數(shù)據(jù)的多維數(shù)組存儲(chǔ)空間，極大地節(jié)約了數(shù)組存儲(chǔ)空間。

3．1．2多維數(shù)組記錄間的關(guān)聯(lián)運(yùn)算

進(jìn)行具體分析操作時(shí)，還必須構(gòu)成物理層次上的空間數(shù)據(jù)立方體。由上述多維數(shù)組的組織及存儲(chǔ)策略得知，空間數(shù)據(jù)立方體實(shí)際上就是由多維數(shù)組組成。類GeoDimension[]代表地理空間維多維數(shù)組集合，類ThematicDimension[]代表專題維多維數(shù)組集合，類TimeDimension[]代表時(shí)間維多維數(shù)組集合，{GeoDimension[m]，ThematicDimension[0]，ThematicDimension[1]，…，ThematicDimension[49]，TimeDimension[n] }就可構(gòu)成物理層次上的空間數(shù)據(jù)立方體，類之間通過數(shù)組中的名稱或時(shí)間指針進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)。其中：m代表某一種地理要素，m＝1，2，…，10；n代表某一年份，n＝1，2，…，20。

將時(shí)間維多維數(shù)組類ThematicDimension[]和專題維多維數(shù)組類TimeDimension[]分別通過數(shù)組中的指針與地理空間維多維數(shù)組類GeoDimension[]建立關(guān)聯(lián)聯(lián)系，則可認(rèn)為類ThematicDimension[]和類TimeDimension[]是類GeoDimension[]所代表地理空間要素的屬性擴(kuò)展。也就是說，每種專題維以及時(shí)間維中的數(shù)據(jù)項(xiàng)都成為地理空間維中地理空間要素的屬性數(shù)據(jù)項(xiàng)。

內(nèi)存中，類GeoDimension[]和TimeDimension[]各形成了一個(gè)屬性表。類ThematicDimension[]形成了若干屬性表，每個(gè)屬性表由成千上萬條記錄組成?；陉P(guān)系運(yùn)算原理，可方便地進(jìn)行多維數(shù)組記錄間的關(guān)聯(lián)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)用戶所給擴(kuò)展屬性數(shù)據(jù)項(xiàng)條件的查詢與分析。

3．1．3多維數(shù)組的壓縮方法

當(dāng)?shù)乩砜臻g維、專題維、時(shí)間維的多維數(shù)組稀疏時(shí)，如果直接存儲(chǔ)稀疏數(shù)組，無論是順序存儲(chǔ)還是分塊存儲(chǔ)均會(huì)造成存儲(chǔ)空間的較大浪費(fèi)，有時(shí)甚至超出計(jì)算機(jī)硬件的承受范圍。采用目前成熟的壓縮多維數(shù)組方法有兩種[13]：

a)思路及方法一。在多維數(shù)組空間稀疏度高的情況下，很多單元的空間均得不到利用而被浪費(fèi)掉。因此，要想壓縮多維數(shù)組就要想辦法去除空單元。思路是首先將多維數(shù)組轉(zhuǎn)換為可順序計(jì)數(shù)的一維數(shù)組，然后進(jìn)行壓縮，去掉所有的空單元，并保存非空單元的位置信息。在壓縮的多維數(shù)組中查找時(shí)可采用各種查找算法，如折半查找、順序查找、分組查找等，根據(jù)它們的時(shí)空復(fù)雜度進(jìn)行選擇。為了優(yōu)化查找，可以建立索引，采取多級(jí)索引順序表。

b）思路及方法二。頭壓縮是一種映射完全的數(shù)據(jù)壓縮方法，它將一個(gè)線性化多維數(shù)組文件壓縮成一個(gè)物理文件和一個(gè)頭索引head。

向量L表示的是數(shù)據(jù)中沒有被壓縮的形式，0是將被壓縮掉的位，而Vi是不能被壓縮的。在向量L的下面是一系列數(shù)字組成的壓縮頭H；H的奇數(shù)位是此位前面不能壓縮數(shù)值的累加值；H的偶數(shù)位是此位前面0個(gè)數(shù)的累加值。P是數(shù)據(jù)壓縮后的形式，即壓縮后的物理文件。

3．2維數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

空間數(shù)據(jù)立方體維數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)分兩級(jí)實(shí)施，即數(shù)據(jù)文件和計(jì)算機(jī)內(nèi)存。平時(shí)，組成空間數(shù)據(jù)立方體地理空間維、專題維和時(shí)間維的多維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)文件中。數(shù)據(jù)文件可分為順序、索引、隨機(jī)和倒排等文件。理論上可采取任何一種數(shù)據(jù)文件，但實(shí)際上最好使用隨機(jī)文件存儲(chǔ)多維數(shù)據(jù)。分析計(jì)算時(shí)，基于設(shè)計(jì)和組織好的多維數(shù)據(jù)多維數(shù)組將隨機(jī)文件存儲(chǔ)的多維數(shù)據(jù)調(diào)入多維數(shù)組，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。由地理空間維、專題維和時(shí)間維的多維數(shù)組組織得知，多維數(shù)組占用海量的內(nèi)存存儲(chǔ)空間，此時(shí)計(jì)算機(jī)物理內(nèi)存已無法滿足此需求，必須采取虛擬內(nèi)存管理技術(shù)[14，15]。

隨著時(shí)代的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量發(fā)生了巨大的變化。盡管如此，計(jì)算機(jī)要處理的數(shù)據(jù)越來越多，申請(qǐng)的數(shù)組空間越來越大，對(duì)內(nèi)存的需求也越來越大，有限內(nèi)存與無限需求之間的矛盾十分突出。虛擬內(nèi)存管理技術(shù)有效彌補(bǔ)了真實(shí)內(nèi)存與所需內(nèi)存之間的矛盾，它將計(jì)算機(jī)外存作為內(nèi)存空間使用，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的基于I/O方式的數(shù)據(jù)計(jì)算。虛擬內(nèi)存管理技術(shù)是通過內(nèi)存映射文件來實(shí)現(xiàn)的，而內(nèi)存映射文件技術(shù)主要基于Windows的虛擬內(nèi)存管理機(jī)制。

內(nèi)存映射文件[16]是Windows環(huán)境下最基本，同時(shí)也是使用最廣泛的數(shù)據(jù)共享技術(shù)，尤其適用于用來管理大型數(shù)據(jù)(通常來自文件)。Windows環(huán)境下，每個(gè)進(jìn)程擁有4 GB的私有虛擬地址空間。但這并不代表進(jìn)程真正擁有4 GB的實(shí)際物理內(nèi)存，而只是操作系統(tǒng)利用CPU的內(nèi)存分配功能提供的虛擬地址空間。一般情況下，絕大部分虛擬地址空間并沒有物理內(nèi)存與之對(duì)應(yīng)，在真正可以使用該地址空間前，需要由操作系統(tǒng)提供實(shí)際的物理內(nèi)存。在不同的情況下，系統(tǒng)提交的物理內(nèi)存是不同的，可能來自RAM，也可能是由物理磁盤模擬虛擬內(nèi)存。

由于Windows是一個(gè)頁式虛擬內(nèi)存操作系統(tǒng)，內(nèi)存映射文件技術(shù)成為內(nèi)存管理系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。在較老的操作系統(tǒng)中，物理存儲(chǔ)器被視為計(jì)算機(jī)擁有的RAM容量，但現(xiàn)代操作系統(tǒng)與CPU技術(shù)的發(fā)展使得整個(gè)磁盤空間就像內(nèi)存RAM一樣。如果使用內(nèi)存映射文件，必須執(zhí)行下列操作步驟[16]:

a)創(chuàng)建或打開一個(gè)文件內(nèi)核對(duì)象，該對(duì)象用于標(biāo)志磁盤上想用做內(nèi)存映射文件的文件。

b)創(chuàng) 建 一個(gè)文件映射內(nèi)核對(duì)象，通知系統(tǒng)該文件的大小和打算如何訪問該文件。該步驟需要調(diào)用函數(shù)HANDLE CreateFileMapping(HANDLE hFile，\"\" )。如果創(chuàng)建磁盤文件支持的內(nèi)存映射文件，須將上一步驟返回的文件內(nèi)核對(duì)象句柄傳遞給hFile;如果創(chuàng)建系統(tǒng)的頁文件支持的內(nèi)存映射文件(進(jìn)程間共享內(nèi)存)，可以不必調(diào)用CreateFile，而直接將INVALIDLHANDLE_VALUE傳遞給hFile即可。其他相應(yīng)參數(shù)分別設(shè)定文件映射內(nèi)核對(duì)象的安全屬性、頁面保護(hù)屬性、頁面的大小、文件映射內(nèi)核對(duì)象的名字。通過上述調(diào)用，獲得文件映射內(nèi)核對(duì)象句柄。

c)讓系統(tǒng)將文件映射對(duì)象的全部或一部分映射到進(jìn)程地址空間中。該步驟需要調(diào)用函數(shù)PVOID Map－ViewOfFile(HANDLE hFileMappingObject，－\"\")。將上一步驟返回的文件映射內(nèi)核對(duì)象傳遞給hFileMappingObject。通過該函數(shù)的調(diào)用，系統(tǒng)為文件的數(shù)據(jù)保留一個(gè)地址空間區(qū)域，并將文件的數(shù)據(jù)作為映射到該區(qū)域的物理存儲(chǔ)器進(jìn)行提交;函數(shù)調(diào)用成功返回該地址空間區(qū)域的基地址，利用該函數(shù)返回的指針即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該空間的訪問。

由于多維數(shù)組數(shù)據(jù)被存放在計(jì)算機(jī)內(nèi)存或虛擬內(nèi)存中，空間數(shù)據(jù)立方體數(shù)字度量和空間度量的聚集計(jì)算具有很高的計(jì)算速度，能滿足用戶實(shí)時(shí)多維信息空間分析的需求。

4結(jié)束語

數(shù)字城市中各種信息資源的整合非常重要，可由空間數(shù)據(jù)立方體實(shí)施解決，但包含的數(shù)據(jù)量通常非常龐大，因此空間數(shù)據(jù)立方體的多維數(shù)據(jù)必須以獨(dú)特的多維化方式組織及存儲(chǔ)。描述空間數(shù)據(jù)立方體地理空間維、專題維和時(shí)間維的維和維層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出獨(dú)特的多維數(shù)組組織及文件存儲(chǔ)方法，將此海量多維數(shù)組數(shù)據(jù)調(diào)入計(jì)算機(jī)物理或虛擬內(nèi)存進(jìn)行運(yùn)算，提高了空間度量聚集計(jì)算速度，是本文的一大特色之處。

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