原生模式下GML數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張立朝張合朝侯岳

（1.河南省測(cè)繪地理信息局，河南鄭州 450003；2.河南省測(cè)繪工程院，河南鄭州 450003；3.河南省科源測(cè)繪中心，河南鄭州 450003）

原生模式下GML數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張立朝1，2張合朝3侯岳2

（1.河南省測(cè)繪地理信息局，河南鄭州 450003；2.河南省測(cè)繪工程院，河南鄭州 450003；3.河南省科源測(cè)繪中心，河南鄭州 450003）

針對(duì)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)半結(jié)構(gòu)化GML文檔存在的瓶頸，提出原生模式下基于GML的地理空間信息存儲(chǔ)機(jī)制，設(shè)計(jì)原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)的總體架構(gòu)，詳細(xì)討論原生模式下GML文檔的存儲(chǔ)細(xì)節(jié)、存儲(chǔ)流程，從存儲(chǔ)速度、占用空間等方面對(duì)原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)性能進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)測(cè)。

原生模式；半結(jié)構(gòu)化；總體架構(gòu)；存儲(chǔ)機(jī)制；性能測(cè)試

原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)從底層支持GML文檔的存儲(chǔ)和處理，其采用層次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型，保持文檔的樹(shù)形結(jié)構(gòu)，不需要進(jìn)行文檔和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)還兼有一般關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的特性，如支持事務(wù)、查詢語(yǔ)言、并發(fā)控制、安全機(jī)制和二次開(kāi)發(fā)接口等［1］。本文重點(diǎn)研究原生模式下GML數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)

原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)是指以GML為存儲(chǔ)模型和處理對(duì)象，對(duì)GML文檔進(jìn)行數(shù)據(jù)組織、索引構(gòu)建、查詢處理、存儲(chǔ)分配的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)GML的讀寫(xiě)基于文檔進(jìn)/文檔出模式，支持空間數(shù)據(jù)查詢，并可進(jìn)行GML文檔和GML空間數(shù)據(jù)的一體化查詢與更新處理；同時(shí)，還具備傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)所具有的多用戶、多任務(wù)并發(fā)，事務(wù)管理、訪問(wèn)控制等機(jī)制，支持分布式環(huán)境下的數(shù)據(jù)共享和互操作［2，3］。原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)主要是GML實(shí)例文檔和對(duì)應(yīng)的模式文檔（約束、控制和校驗(yàn)GML實(shí)例文檔的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容）［4-6］。

2 原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)總體架構(gòu)

原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)主要由原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)物理存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、管理器、集成組件和擴(kuò)展組件等六部分組成。

3 原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)機(jī)制

GML文檔的存儲(chǔ)粒度決定了GML文檔實(shí)例分解的最小片段。一般分為3個(gè)級(jí)別：基于元素（細(xì)粒度存儲(chǔ)）、基于子樹(shù)（中粒度存儲(chǔ)）和基于文檔（粗粒度存儲(chǔ)）。原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)管理的數(shù)據(jù)主要有GML模式文件和GML實(shí)例文檔2種。模式文件定義了GML文檔的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，而文檔實(shí)例存儲(chǔ)的則是數(shù)據(jù)內(nèi)容［7］。在應(yīng)用中，將GML模式作為劃分GML文檔、確定GML數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顆粒的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 存儲(chǔ)方法對(duì)比表

原生GML文檔存儲(chǔ)的基本思路是以GML模式為單位，以數(shù)據(jù)集作為基礎(chǔ)組織文檔，將模式相同的GML文檔存儲(chǔ)在相同的數(shù)據(jù)集中。GML文檔通過(guò)解析后以要素類(lèi)型為單位進(jìn)行存儲(chǔ)，同一數(shù)據(jù)集中，相同類(lèi)型的要素存儲(chǔ)在同一個(gè)磁盤(pán)文件中。原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)n（n大于等于1）個(gè)數(shù)據(jù)集，每一個(gè)數(shù)據(jù)集中存放n個(gè)（n大于等于1）GML文檔（包括數(shù)據(jù)文件和索引文件），不同的數(shù)據(jù)集不同的模式文件。同一數(shù)據(jù)集中，所有的GML文檔類(lèi)型定義或文檔模式必須相同。在原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)際物理存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)頁(yè)由數(shù)據(jù)集的Id號(hào)和邏輯頁(yè)的No號(hào)組成的序列唯一標(biāo)識(shí)。GML模式類(lèi)似于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的二維表結(jié)構(gòu)，而要素級(jí)GML片段則相當(dāng)于表記錄［8］。

4 原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)性能測(cè)試

本文對(duì)文本方式存儲(chǔ)、基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的大對(duì)象存儲(chǔ)、鏈接存儲(chǔ)方式、基于對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的通用模式映射方式、文檔模式映射方式以及原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)方式進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

從對(duì)比結(jié)果看，文本存儲(chǔ)方式對(duì)于查詢處理、空間索引的支持程度、文檔還原能力等操作功能的支持較好。但是，文件存儲(chǔ)方式最大瓶頸在于GML文檔較大時(shí)，很難提供較好的空間信息查詢、空間數(shù)據(jù)分析、安全、并發(fā)等功能［9］。

基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的大對(duì)象存儲(chǔ)方式，對(duì)于各項(xiàng)操作功能的支持均較差。但其最大的優(yōu)勢(shì)在于能夠快速、簡(jiǎn)單地將存儲(chǔ)后的數(shù)據(jù)還原為GML文檔，且這種還原僅僅局限于GML文檔的整體還原，而不支持單個(gè)元素的還原。這種方式不適于面向GML的空間或非空間查詢，尤其對(duì)于修改更新操作的代價(jià)較大，其性能與普通的GML文檔處理并無(wú)較大差異。

基于對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的模式映射的GML存儲(chǔ)方式，是將GML文檔中的幾何元素映射為空間數(shù)據(jù)庫(kù)的幾何對(duì)象，從而支持對(duì)GML文檔的空間索引。但是，GML半結(jié)構(gòu)化的樹(shù)形結(jié)構(gòu)向關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中二維表的轉(zhuǎn)換時(shí)，忽略了GML中地理要素可靈活嵌套的特性，進(jìn)而不能完整保留GML文檔的結(jié)構(gòu)信息，會(huì)造成關(guān)系表中大量的冗余字段。對(duì)于嵌套結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的GML文檔來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)查詢會(huì)涉及大量的表連接操作，大大影響查詢處理的效率。

原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)由于直接存儲(chǔ)GML文檔，當(dāng)應(yīng)用程序訪問(wèn)GML時(shí)，無(wú)需進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，減少了GML數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)之間的互轉(zhuǎn)換，節(jié)省了響應(yīng)處理的時(shí)間，減少了因GML文檔結(jié)構(gòu)變化帶來(lái)的更新維護(hù)，同時(shí)很好地保持了GML文檔的語(yǔ)義信息。由于原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)支持原生查詢語(yǔ)言，同時(shí)還可以提供包括GML文檔索引和GML空間數(shù)據(jù)索引在內(nèi)的索引引擎，大大加快了檢索速度，有效地提高了效率。

5 結(jié)論

本文基于原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)為GML文檔的存儲(chǔ)管理提供了一種可行的解決方案，該方案設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理器、原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、原生GML數(shù)據(jù)庫(kù)管理器、數(shù)據(jù)集成組件以及擴(kuò)展組件，詳細(xì)闡述了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程，并對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)性能進(jìn)行測(cè)試，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，可以提高檢索速度和存儲(chǔ)、讀取效率。鑒于該測(cè)試抽取樣本的數(shù)據(jù)總體存在局限性，下一步主要工作是在大數(shù)據(jù)環(huán)境下測(cè)試和完善該方案。

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［8］張弛，吉云松.基于eXist的GML數(shù)據(jù)管理［J］.測(cè)繪科學(xué)，2011（3）：187-189.

［9］蘭小機(jī)，王志紅，張亦漢.Native XML存儲(chǔ)管理技術(shù)的GML應(yīng)用研究［J］.測(cè)繪科學(xué)，2010（6）：244-246.

Design and Implementation of GML Database in Native Mode

Zhang Lichao1,2Zhang Hezhao3Hou Yue2
（1.Henan Provincial Bureau of Surveying and Mapping Geographic Information，Zhengzhou Henan 450003；2.Henan Surveying and Mapping Engineering Institute，Zhengzhou Henan 450003；3.Henan Keyuan Surveying and Mapping Center，Zhengzhou Henan 450003）

Aiming at the bottleneck of the relational database to store semistructured GML documents,the geographic spatial information storage mechanism based on GML in native mode was proposed,the whole structure of native GML database was designed,storage details,storage process of GML document in native mode were discussed in de?tail,the storage performance of native GML database was verified and evaluated from the aspects of storage speed,oc?cupancy space and so on.

native mode；semi structured；overall architecture；storage mechanism；performance test

P208

A

1003-5168（2016）12-0063-02

2016-11-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41201390）；國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（41501507）；礦山空間信息技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（KLM201411）。

張立朝（1981-），男，博士，工程師，研究方向：3S及數(shù)字城市研建。