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原生模式GML空间数据管理机制研究

陈建华  
【摘要】: 空间数据管理是地理信息科学的重要研究内容,也是空间信息系统相关厂商重点研发的部分。空间数据管理的高效与否,直接关乎空间信息系统的成败、关乎空间数据的有效利用、关乎空间信息技术的发展与应用,意义重要。 GML作为Internet环境下空间信息的全新、简洁、统一的编码标准,为空间数据建模、栅/矢一体化GIS体系研究、WebGIS研发、空间数据共享与互操作研究等提供了新的方法和途径。作为基于XML的地理标记语言,鉴于GML的文本性、自描述性、可扩展性、内容与表现分离性、开放性、互操作等特性,使得GML被广泛关注、研究与实践,大量甚至海量的GML空间数据正不断产生。如何对其进行有效管理,从而实现GML空间数据的高效存储、索引、查询、传输与交换等,是GML相关研究者、GML空间数据使用者所必须面对的重要问题;也是当前和未来以GML为核心的空间信息系统、GML空间信息集成系统、GML空间信息共享与互操作体系等能否有效实现、实施、运行所必须面对的关键问题。针对GML空间数据的管理,存在基于关系型数据库管理和基于原生模式XML数据库管理两大类;由于GML数据的层次嵌套模型特点,采用关系模型对文档型GML空间数据进行存储管理并不理想。由于GML数据XML格式的特点,采用原生XML数据库对GML空间数据进行管理具有与生俱来的优势,但是由于GML数据的空间特性,原生XML数据库无法直接对GML数据进行存储管理,必须对其进行扩展研究。而从国内外研究进展来看,GML空间数据管理机制的研究,尤其是原生XML数据库环境下GML空间数据管理机制的研究还处于非系统化、非全面化、非应用化的部分内容研究、初始研究阶段。 论文着力对原生模式环境下GML空间数据的存储、索引、查询、传输与交换,以及与应用的集成等进行了较为全面的研究。主要表现为:(1)简述XML与地理空间数据,分析GML特征、GML核心模式与GML应用模式,根据GML规范与建模思想,给出一个二维校园平面建模示例。(2)研究原生GML空间数据库系统架构体系,包括:概念、内容、体系结构等;同时研究给出GML空间数据原生模式存储模型,其中涉及GML实例文档与GML应用模式的相关性与独立性。(3)研究GML空间数据原生模式存储索引机制与算法。结合XML索引编码方案、XML查询的结构连接算法与传统空间数据索引算法,提出基于Ex-Dewey前缀编码与R树的GML空间数据索引机制。(4)研究原生GML空间数据查询机制与查询语言,集成原生GML空间数据索引机制,深化研究并拓展基于XQuery的GML空间数据查询语言。(5)研究GML空间数据的高效压缩传输方案、GML空间数据与KML、SVG格式数据的交换方法。(6)研究原生GML空间数据库系统与数字地球原型系统的应用集成。提出一种原生GGEarth空间数据应用服务系统架构体系;设计其原型系统以实现以原生GML空间数据库为标准数据中心,以数字地球平台原型系统客户端为前端的数据显示、查询、更新、分析为一体的空间数据应用服务体系。 论文主要研究成果与创新点表现为:(1)提出了一种原生GML空间数据库系统架构体系。给出了原生GML空间数据库系统定义、系统架构与研究内容。同时研究确立了以元素为粒度的原生GML空间数据存储模型。(2)提出了一种针对XML/GML非空间数据索引构建的Ex-Dewey前缀编码方案。Ex-Dewey前缀编码方案在消除Dewey编码方案中节点的插入、删除影响其后趋同胞节点及其子孙节点编码变更等缺点的同时,提出了节点插入、删除对已有节点编码值串无影响的更新策略,并保留了Dewey前缀编码的优点。同时提出了一种针对Ex-Dewey编码方案的XML/GML非空间数据查询的结构连接算法—ED-XQ-SJ。给出了算法思想、描述与验证。算法能够根据XML/GML非空间数据索引信息直接判断潜在先辈、子孙节点集中节点间的先辈—子孙(或父—子)关系,而无需访问实际存储的节点。算法在降低复杂度的同时,也明显减少了I/O开销。(3)提出了一种基于Ex-Dewey前缀编码与R树的GML空间数据索引机制。GML实例文档中的GML空间数据采用R树构建索引,而非空间数据则基于Ex-Dewey前缀编码方案进行索引构建,二者独立又紧密关联,共同实现GML空间数据的索引。(4)深化研究并拓展了基于XQuery的GML空间数据查询语言,并命名其为:GXQuery。在前人研究的基础上,全面从扩展XQuery的原因、GML空间数据查询语言的特征、XQuery空间扩展的内容、GXQuery查询语言系统结构、GXQuery查询语言实现方法、GXQuery查询语言查询实例等方面进行了深化研究,拓展了GML空间数据查询语言的组成、内容与应用。(5)提出了一种原生GGEarth空间数据应用服务系统架构体系。给出了研究内容和关键实现技术;并开发了GGEarth实验系统,对5·12汶川地震时序分布和数字九寨虚拟游览进行了实验运行。


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