GML空间数据在Oracle XML DB 11g中的存储机制研究

迟洋 李春风 （天津开发区测量队 天津300456）

GML空间数据在Oracle XML DB 11g中的存储机制研究

迟洋 李春风 （天津开发区测量队 天津300456）

GML数据的存储研究还属于一个崭新的领域，目前还没有一个比较完好的技术实现方法。在分析比较Oracle XML DB存储模式的基础上，考虑GML空间数据的特点，研究GML空间数据在Oracle中的存储机制，并分析储存模式的优劣。利用Oracle XML DB实现对GML数据的存储是GIS空间数据管理方面研究的一条新的思路和途径。

地理信息 Oracle XML DB 二进制XML存储 GML空间数据

0 引言

长期以来，由于空间数据模型的不同导致空间信息在共享、集成等方面存在着诸多困难，造成了各行各业和各部门的空间信息难以实现互访，形成了一个个“信息孤岛”，造成社会财力和人力的巨大浪费。为了解决这些问题，开放地理信息系统协会（OGC）提出地理标记语言（GML）实施规范，GML作为Intemet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开发、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。

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。原生模式XML数据库（NXD）是一个新生事物，且其自身的许多方面还在不断研究和发展中，还没有形成像关系型数据库那样成熟的标准，采用原生模式对文档型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，采用关系型数据库对GML空间数据进行管理具有与生俱来的优势，但传统的关系数据库技术并不适合海量复杂的GML空间数据的存储与管理。针对以上不足，本文在分析GML空间数据的表达描述的基础上，研究利用Oracle XML DB 11g数据库来存储海量复杂的GML空间数据的方案，为海量复杂的GML空间数据的存储、管理和应用提供新的思路和方法。

1 GML的数据组织过程

1.1 GML对空间信息生成过程

GML作为XML的一种扩充，它主要是由GML模式（GML Schema）、GML 应用模式（GML Application Schema）以及 GML实例数据（GML Instance Data）3个部分组成，其中GML模式是由OGC定义的，而应用模式是根据应用领域的不同来定义，通过扩展或限制GML模式中定义的类型为应用领域定义所需的类型；最后根据具体的数据并依照GML Application Schema的规范形成GMLInstance Data。具体生成过程参见图1。

首先将现实世界的地理实体抽象形成几何体，接着对几何体添加空间和非空间属性使之成为地理要素，再用GML来定义地理要素相互之间的关系和结构，然后根据定义的结构用GML Schema生成Application Schema，最后根据Application Schema中定义的元素再结合具体的数据生成Instance Data，从而使地理要素资料成为GML数据。

对于空间数据来说，每种数据都有自己的空间几何模型。实现空间数据GML格式转换的本质是建立两者之间的映射关系，可通过对GML基本的XML Schema的扩充来实现两者的映射，通过建立各种空间对象的XML Schema可对这些空间对象进行描述。

1.2 GML对地理信息的表达与描述

GML是建立在XML shema基础上，用于描述空间地理数据，并编码和保存为XML数据格式的语法和机制。在这个基础上，还允许用户进一步开发符合需要的工作子集。目前，OGC先后推出了3个版本的GML，本文采用GML3.0进行建模研究。

GML3.0由32个基本的XML Schema构成，通过这些模式定义来表达与描述地理现实世界的信息，其中主要的模式有要素模式（Feature Schema）、几何模式（Geometry Schema）、拓扑模式（TopologySchema）、时间模式（Temporal Schema）等。

地理要素包含一系列的空间和非空间属性，要素模式为创建GML的要素和要素集合提供了一个框架，它定义了抽象和具体的元素及要素类型，并通过＜include＞元素引入了几何模式和时态模式中的定义和声明。几何模式详细地描述了地理要素的几何模型，定义了具体的几何形状信息，它提供的点、线、面、曲线、多边形、点集、线集、多边形集等类型可以直接使用，用这些基本信息可以描述一些地物的地理性质。时态模式扩展了GML的核心元素，使其包括描述地理数据时态特征的元素，它提供一种框架用于描述动态要素的时间变化。拓扑模式定义了反映地理要素之间关系的拓扑对象，用来解决地物之间的拓扑关系。

GML是一个开放的框架结构，32个基本的Schema相当于32个基类，通过对这32个基本Schema的继承和扩展，可以利用自己定义的Schema来对地理数据进行编码，实现以XML的方式对地理信息的表达和描述。

2 GML空间数据在Oracle XML DB中的存储

2.1 Oracle XML DB存储技术

Oracle公司从Oracle9i开始推出了Oracle XML DB，Oracle XMLDB是Oracle数据库所提供的高性能XML存储和检索技术的集合，不仅提供目前最复杂和完整的关系数据库所提供的所有功能，还提供与原生模式XML数据库所相关的所有功能。Oracle 11g又增加了对XML的二进制存储、新的XMLIndex索引和许多其他实现高性能存储以及检索结构化、非结构化XML文档的功能。

Oracle用XMLType数据类型来存储XML数据，它是为了保留XML的范型同时获取关系型结构在性能与扩展上的优势而创建的，是一种本机服务器数据类型。这种数据类型用来定义表格的列或者视图，可以用SQL＞CREATE TABLE TOUR OF XMLType来创建XMLType表，通过创建XMLType数据类型，Oracle XMLDB可以将XML应用数据存储到数据库中。

在Oracle XML DB 11g中，XMLType数据类型有3种不同的存储模式，即结构化存储（对象-关系型）、非结构化存储（CLOB）、二进制XML存储。

GML文档都是符合特定GML应用模式的实例文档，所以在Oracle XMLDB中存储GML数据，首先需要注册这种应用模式，模式可以通过DBMS_XMLSCHEMA包中的registerschema（）函数进行注册。

2.2 结构化存储模式存储GML空间数据

结构化存储是将GML文档分解为一系列的对象存储到本地数据库一个或者多个关系表中。当在Oracle XMLDB中注册了XML模式以后，需要的本地数据库类型的定义就会从XML模式生成。本地数据库类型定义产生于XML模式中定义的complexTyle，由complexTyle定义的每一个元素和属性成为对应的本地数据库类型的属性。产生的本地数据库类型与XML模式一致的XML内容分解并存储到数据库对象中，没有任何信息的丢失，当文档存入时，由XML模式定义的结构被直接映射成相应的本地数据库类型。

用结构化存储创建XMLType表声明如下：

2.3 非结构化模式存储GML空间数据

利用非结构化存储可以用来存储不基于模式的文档，但也可以用来存储GML空间数据，可以将GML文档作为整体存储到一个CLOB字段中，但必须对XMLType表进行声明：

2.4 二进制存储模式存储GML空间数据

在Oracle数据库11g中，利用二进制XML存储可以将GML文档解析成一种中间状态，然后以二进制的方式存储到CLOB中。首先创建二进制XMLType表，然后利用XMLTable（）函数创建可以高效查询二进制XML表的关系视图。

用二进制XML存储创建XMLType表声明如下：

2.5 3种储存模式的对比测试

结构化存储和非结构化存储是Oracle中非常典型的两种存储方式，CLOB型存储格式可以避免将XML数据拆散存储，而对象表的存储方式则更有利于进行节点级的查询。但都有不足之处，非结构化存储占用的空间最大且查询性能最差，结构化存储速度比非结构化储存慢。

二进制XML存储综合了结构化和非结构化存储模式的优点，用以联接结构化和非结构化存储的现有本机存储模型。二进制XML存储可以感知XML模式，可以获得更高的磁盘空间效率和查询性能，提供比非结构化存储更高效的数据库存储、更新、查询、索引和片段提取的性能。与结构化存储类似，数据和元数据也可通过二进制存储在数据库级别分离，以提高效率，而且可以存储混合的可变数据和元数据。但它的查询性能却逊色于结构化存储，二进制XML存储模式易于使用，只要可以接受二进制XML存储在关系访问时的查询性能，二进制XML存储就是一个很好的GML空间数据存储方式，因此在选择结构化存储GML前值得对其进行评价。

3 结束语

由于GML数据的存储研究还属于一个崭新的领域，日前还没有一个比较完好的技术实现方法。本文在分析比较Oracle XMLDB数据存储的基础上，考虑GML空间数据的特点，研究GML空间数据在Oracle 11g数据库中的存储方法。利用Oracle XML DB实现对GML数据的存储是GIS空间数据管理方面研究的一条新的思路和途径，将有利于推动GIS之间的数据共享及Web GIS的发展。目前国内外有不少GIS界的学者在致力于这方面的研究，相信在不久的将来会出现具备更完善功能的GML数据库系统。■

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2011-05-09