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新一代海量空间数据库引擎———SuperMap SDX+5

李绍俊
北京超图地理信息技术有限公司

论文来源:《地理信息世界》 2005年第02期

摘要:近几年,随着G IS(地理信息系统)技术的发展,GIS逐渐被广泛应用到各行各业。随着应用领域的扩大,其所涉及的空间数据不断积累,由最初的几百MB,增加到几个GB、几百个GB甚至TB以上。这种大幅度的数据量增加,不断挑战着GIS平台对数据的操控与管理能力以及系统的稳定性。
关键词: 空间数据库

  近几年,随着G IS(地理信息系统)技术的发展,GIS逐渐被广泛应用到各行各业。随着应用领域的扩大,其所涉及的空间数据不断积累,由最初的几百MB,增加到几个GB、几百个GB甚至TB以上。这种大幅度的数据量增加,不断挑战着GIS平台对数据的操控与管理能力以及系统的稳定性。

  目前,使用数据库管理包括地图及其相关属性的空间数据已成为GIS平台和应用发展的方向,甚至成为衡量GIS平台是否大型的最主要标志之一。与传统文件方式相比,空间数据库技术在海量数据管理能力、图形和属性数据一体化存储、多用户并发访问、数据访问权限控制和数据安全机制等方面都有绝对优势。空间数据库技术正在逐步取代传统的文件方式,成为大型GIS应用系统空间数据存储的首选解决方案。

  作为业界领先的地理信息技术平台提供商,北京超图地理信息技术有限公司投入了大量的人力和经费研发空间数据引擎。在国家863项目———“面向网络海量空间信息大型GIS”的支持和推动下,历经5年时间和四代技术改进,于2004年9月推出了新一代海量空间数据库引擎———SuperMap SDX+5。SuperMap SDX+5在保持了前几代产品技术优势的基础上,在性能、稳定性和功能的全面性方面都有了长足的进展。

采用先进的三级空间索引技术,大大加快了空间数据检索和访问速度,提高了性能

  四叉树(Quad-Tree)索引和R树(R-Tree)索引是GIS领域里应用最为广泛的2种空间索引,而哪一种索引更优秀则一直是业内存在争议的话题。其实2种索引各有其优势:R树索引结构紧凑,数据冗余度低,查询速度比其他类型的索引要快得多;但R树索引的维护代价非常高,即使只对小范围数据修改,也会导致大范围重新计算索引,所以R树索引适合于管理较少变更的空间数据。与R树索引相反,四叉树索引非常规则,索引项的独立性很高,维护和更新代价比R树小得多;但四叉树索引有一定的数据冗余度,查询速度也不如R树索引,所以四叉树索引在管理需要频繁修改的空间数据时比R树索引更有优势。

  目前主要的GIS软件都是只能使用一种空间索引,而SuperMap SDX+5创造性地将四叉树索引和R树索引有机地结合在一起,建立了一种组合式的自适应空间索引,有效地发挥了2种空间索引各自的优势,从而既能实现对数据的快速访问,又能适应空间数据的频繁更新。

  对于更大量的数据,SuperMap SDX+5还在上述组合式索引的基础上建立分区索引,实现三级组合索引,实现对超大型数据的快速查询与显示。

图1 SuperMap SDX+5的发展历程

支持海量空间数据,轻松管理企业级应用数据

  由于成功研发应用了针对矢量数据的三级空间索引技术和针对栅格数据的金字塔技术,SuperMap SDX+5可以轻松地管理TB级的空间数据。理论上说,SuperMap SDX+5能够管理的空间数据的大小只受硬件存储条件的限制,数据访问性能也只与数据库服务器的硬件条件和网络环境相关;而已经成功实施的多个项目也已证明,采用SuperMap SDX+5来管理空间数据,其数据量可以轻松超过TB,并且可以很好地支持多用户流畅访问。

  矢量数据结构紧凑,数据冗余量低,易于对数据进行编辑、更新和调整,易于与属性数据结合进行查询、分析或专题显示,矢量数据一直以来都是GIS的主要数据来源。SuperMap SDX+5除了使用三级索引技术保障数据的快速检索外,还提供了对矢量数据的无损和有损压缩模式,来减少数据的存储空间,降低了网络的传输负载。

  杭州市房产系统项目采用SuperMap SDX+5来管理杭州市区及郊区300多平方千米1∶500全要素地形图和房产图,可以很好地满足C/S和B/S模式下大量用户的并发访问请求,受到了用户的一致好评。

图2杭州市房产管理信息综合系统

  与矢量数据相比,遥感影像更加直观,易于理解,采集和更新的代价也比较低,所以遥感影像数据在G IS中的应用越来越广泛。随着遥感和航空摄影技术的发展以及高分辨率卫星遥感数据的商业化,通过遥感获得的地理信息数据越来越多,遥感影像的成本也不断降低,这些都使得遥感图像成为G IS一个非常重要的数据来源。但是遥感影像的数据量很大,压缩与解压缩技术是影响其应用的关键因素。SuperMap SDX+5采用改进的DCT压缩算法来存储影像数据,通过对影像数据进行压缩,减少了存储数据需占用的磁盘空间,提高了数据的读取显示速度,降低了数据传输的网络负载。同时,SuperMap SDX+5还使用金字塔技术,存储海量影像数据的多分辨率副本,实现了影像数据的多分辨率快速提取、还原和显示。

  日本JR铁道G IS项目成功使用SuperMap SDX+5结合SuperMap IS.NET 5来管理铁路周边160 GB高分辨率影像数据,取得了很好的效果。该项目第二期已经启动,其数据量将超过1 TB。

图3日本铁道GIS系统

更好地支持多客户端并发访问

  多客户端并发访问能力也是很多用户非常关心的指标,SuperMap SDX+5通过多种技术手段来保障高效的并发访问性能:

  1)采用了多级缓存技术,通过对已读取过的空间数据进行缓存,降低了服务器端数据的读取频率,减轻了网络负载;

  2)采取三层空间索引技术,可以更快地访问到所需的数据,减少了数据检索和定位时间,提高了数据访问效率;

  3)影像金字塔技术,根据显示范围,自动加载不同分辨率的数据,将读取和传输的数据量控制在一定容限内,降低了服务器和网络资源的争用;

  4)针对矢量和影像数据的高比压缩技术,降低了完成指定操作的磁盘读写量和数据传输量;

  5)与SupeMap IS.NET 5完美协作、无缝集成,可以充分利用SuperMap IS.NET 5的服务器缓存技术和服务器集群技术来提高用户的并发访问量。