基于開源軟件的空間數據庫系統開發平臺的研究

遠俊紅，王小麗

（1.云南林業職業技術學院，云南 昆明 650224；2.云南開放大學，云南 昆明 650224）

0 引 言

空間數據庫是指在地球表面某一范圍內與空間地理相關、反映某一主題信息的數據集合，是一類以空間目標作為存儲對象的專業數據庫，是地理信息系統的核心和基礎。以地球表面空間位置為參照的自然、社會和人文經濟景觀數據，被稱為空間數據[1]。

2013年8月，國家林業局出臺了《中國智慧林業發展指導意見》，標志著我國林業信息化由“數字林業”步入“智慧林業”的發展新階段。支撐智慧林業大廈的五大技術——云計算、物聯網、移動互聯網、大數據、智慧城市[2]也在不斷發展，而數據庫技術正是這五大技術的基礎。空間數據庫作為數據庫學科的一個分支，經歷了從文件系統、文件+關系數據庫、空間數據庫引擎+關系數據庫到空間數據庫管理的演變過程[1]。

國內針對地理信息系統方面的研究，基本上集中在空間數據庫的商業產品應用。信永波等采用ArcGIS Diagrammer工具建立UML模型，完成了泥石流數據庫的設計[3]。周英基于ArcEngine組件技術、Access數據庫引擎、.net技術和C#面向對象的程序語言，開發了雅安地震災區環境信息空間數據庫管理系統[4]。郭雪采用C/S體系結構，以C#為開發語言，Oracle數據庫、ArcGIS Engine為嵌入式組件，開發了農村土地確權管理系統[5]。胡莉燁設計了基于ArcGIS的海洋生態環境監測系統，實現了用ArcGIS Engine對海洋生態環境的監測要求[6]。謝軒等以Internet為系統平臺，運用WebGIS技術、ASP網絡編程技術、網絡數據庫技術以及人工智能技術等現代化信息系統開發手段，設計了基于WebGIS的水稻病蟲害預警信息系統[7]。目前，基于空間數據庫開發的應用大多采用商用空間數據庫或空間數據庫引擎，對于開源空間數據庫的研究較少。例如，王洪斌等將PostgreSQL空間數據庫和SharpMap控件應用于遙感影像管理[8]；趙仁輝等以PostgreSQL/PostGIS為空間數據庫、MapServer為GIS引擎、OpenLayers為客戶端搭建系統平臺，對多級地圖緩存和基于WebService的模型庫等關鍵技術進行了分析與描述[9]。當前，基于全開源軟件的空間數據庫系統開發平臺更少。國外關于開源空間數據庫方面的研究主要集中在查詢優化[10]、數據庫拓撲關系驗證[11]等方面，對于開源空間數據庫在行業里的應用也比較少。

隨著開源組織的成立、開源成熟產品的推出，目前開源已經成為一種主流趨勢，從操作系統（Linux對Windows）、數據庫系統（PostgreSQL、SQLite等對ORACLE、SQL Server等）、編程語言Python、Java對.Net到.Net開源內核代碼，都說明開源勢在必行。

1 研究的必要性和主要內容

基于空間數據庫的研究背景和發展趨勢，針對開源空間數據庫管理系統開發，筆者總結出以下特點：

（1）開源軟件優勢在于成本低、完整的源代碼開放、高度支持OGC等標準和高度可擴展；

（2）通過現有空間數據庫產品在數據類型、遵循的規范、存儲模式、空間索引、空間操作以及地圖投影等方面的對比[1]，作為開源空間數據庫的代表，PostgreSQL在支持數據類型、空間索引和空間操作方面具有相當突出的優勢；

（3）Linux相對于Windows而言，作為服務器部署更安全、更簡單，所需要的配置個人電腦很容易達到；

（4）在開源操作系統Linux上，PostgreSQL和SQLite的性能比在Windows上要好；

（5）Python語言作為開源的典型代表，支持空間數據處理的庫比較多；

（6）“智慧林業”建設和林業信息化的需要。

筆者在開源操作系統Linux或Unix上，搭建了一個基于PostgreSQL或SQLite的開源空間數據庫以及對應的空間數據模型擴展PostGIS或SpatiaLite，通過桌面應用平臺Quantun GIS與OpenJUMP，利用開源編程語言Python或Java進行數據分析與數據挖掘，為中小型空間數據分析項目提供了一種基于全開源架構的解決方案，為智慧林業建設提供了技術支持。

1.1 主要內容

課題以空間數據庫理論為基礎，充分利用開源軟件成本較低、自由、可擴展性的特性，以開源軟件為主要視角，分析從操作系統到桌面應用和編程語言的空間數據庫方面的應用，探尋一種基于開源軟件的空間數據庫系統開發平臺，如圖1所示。

圖1 基于開源軟件的空間數據庫系統開發平臺

重點解決的問題：開源軟件支持標準的種類和支持的數據類型；開源軟件對于空間數據的采集、存儲檢索、查詢分析、輸出與表示以及空間分析函數轉化；程序設計語言操縱、分析空間數據的模塊調用。

應用、特色和作用：（1）為智慧林業建設提供技術平臺支持；（2）開源軟件，自由不涉及版權紛爭，更好地遵從標準，技術更新快、功能強；（3）為學校在開展空間數據庫教學科研提供了一種開源平臺。

2 平臺搭建及空間數據庫系統開發

2.1 平臺搭建

平臺的搭建需要操作系統的安裝和配置、數據庫管理系統的安裝和配置以及桌面應用軟件的安裝[12-13]。

2.1.1 第一步：安裝開源操作系統

考慮到學習的方便性和平臺的實用性，采用在Win10操作系統中以虛擬機的方式安裝類Linux操作系統（Xubuntu）。Xubuntu是一個優雅且易于使用的操作系統，附帶Xfce，是一個穩定、輕便且可配置的桌面環境。因為Xubuntu安裝完成后需要進行更新，默認更新網站都是國外網站，因此需要設置更新數據源為國內鏡像，如清華大學、中國科技大學或者阿里云。

2.1.2 第二步：安裝PostgreSQL數據庫管理系統及其空間擴展PostGis

底層操作系統安裝完成后，需安裝PostgreSQL數據庫管理系統。由于在Xubuntu下PostgreSQL沒有圖形界面的安裝程序，所以需要打開Xubuntu的終端，利用命令行完成安裝過程。需要注意，安裝需要連接網絡。注意事項包括：修改快一點的數據源，如阿里云；使用sudo apt-get install postgresql-version，如postgresql-9或postgresql-10；利用sudo apt-get install postgis安裝PostGis；必須在創建的每個數據庫中啟用PostGis，該數據庫才具備管理空間數據的能力。

2.1.3 第三步：安裝桌面應用QGIS

選擇QGIS 3.4 LTR版本，利用圖2的命令進行安裝。安裝完成后，雙擊QGIS圖標即可打開應用程序。

圖2 安裝桌面應用QGIS的命令

2.2 基于平臺的系統開發應用

至此，基于開源軟件的空間數據庫系統開發平臺已經搭建完成。基于此平臺做了兩個方面的嘗試：一是對于矢量數據（shp）的處理，二是將OSM地圖數據存入PostGis數據庫，并進行渲染和處理。

3 結 論

研究結果顯示，本平臺的特色或創新如下：

（1）本課題所研究和搭建的平臺從操作系統、數據庫、桌面應用和程序語言全部采用開源軟件，使得該平臺為全開源架構，不同于應用商業產品的開發平臺；

（2）開源軟件意味著不需要付費，在成本控制方面具有低成本特性。因為開源軟件都是社區人士在維護，造就了開源軟件的高擴展性，為本開發平臺的高擴展性奠定了基礎。