面向微观空间的转化数据库管理系统研究.pdf

数据库系统设计Database System Design电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering245随着信息技术的发展，地理信息系统发展到空间信息系统1，常规数据库发展到智能数据库2。2015 年周成虎提出了全空间信息系统3。2016 年华一新深入分析了全空间信息系统的关键技术4，据此提出多粒度时空数据模型5，并对全空间信息系统和设施管理进行了实践研究6。2021 年赵帅基于植物营养角度详细分析了全空间的微观空间部分7，据此提出空间数据转化模型8。微观空间是指物体自身的内部空间。广义上指所有物体的内部空间，比如植物内部空间、区域内部空间、河流内部空间、土地内部空间等。狭义上指生命空间，即植物、动物和人。譬如对一棵玉米的观察视角包括外部和内部，外部看到叶子的颜色、形态等，类似于人坐在一间屋外面来观察屋；而内部可以认为观察视角进入植物体内向外来观察，类似于人坐在屋里面来观察屋。微观空间主要研究内部包含的各种组成要素及其关系变化，由于生命空间内部发生的变化主要是转化，因此，这里的关系变化主要指的也是转化前与转化后的变化。转化模型就是以这个转化为核心，来构建对应的数据模型。转化数据库就是以描述、存储、管理、调控、分析这种转化的数据库。本文继续深入研究微观空间，以空间数据转化模型为基础，提出新一代数据库系统-面向微观空间的转化数据库管理系统，构建其理论体系和应用体系，为后面新型智能数据库研究提供帮助。1 理论体系面向微观空间的转化数据库管理系统的理论体系包括以下六个方面：坐标系统与数据采集、数据模型与生长转化、程序设计与生命运算、查询语言与数据补充、智能可视与调控表达、智能诊断与转化分析，下面分别对其进行阐述。1.1 坐标系统与数据采集坐标系是空间框架的重要基础，是表征空间实体位置参考基准，正确理解坐标系统对空间数据的获取与空间信息的量算很重要9。1.1.1 传统坐标系统与数据采集当下的坐标系是把物体放在欧氏空间中，嵌入笛卡尔坐标系里来研究。比如北京 1954，西安 1980，WGS-84 坐标系，国家 2000 等。这些坐标系都是以地球为基础抽象出椭球体，把地球内部作为中心，赤道面和南北极为横坐标和纵坐标，以地球表面为高程基准，重力方向为高程方向，即坐标系 X,Y,Z。这些坐标系都为国民经济建设、航空、航天、航海及科学研究提供了重要支撑。1.1.2 新型坐标系统与数据采集随着坐标系统的发展，原来的以位置为核心的坐标系统不能满足微观信息系统设计的要求。对于微观空间来说，重点是浓度表达。比如植物、动物和人类的生长过程就是养分浓度的变化过程。因此，需要构建全新的基于浓度数据的新型坐标系统-螺旋坐标系，把浓度的表示定位放在重要位置，以此克服传统坐标系统的缺点，面向微观空间的转化数据库管理系统研究赵帅（信息工程大学地理空间信息学院 河南省郑州市 450000）摘要：本文以微观空间的空间数据转化模型为基础，构建了新型数据库-转化数据库管理系统的理论体系和应用体系。理论体系包括坐标系统与数据采集、数据模型与生长转化、程序设计与生命运算、查询语言与数据补充、智能可视与调控表达、智能诊断与转化分析六个方面。应用体系包括区域管理与发展、土地管理与发展、水分管理与健康和养分管理与健康四个方面。期望能为空间信息系统和智能数据库的发展提供思路和帮助。关键词：微观空间；转化模型；转化数据库管理系统基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFB3900900），西藏自治区教育厅人文社科基金项目（720010016）。数据库系统设计Database System Design电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering246并解决新型数据库系统的数据采集问题。1.2 数据模型与生长转化数据模型是对现实世界数据特征的抽象，它将现实世界中杂乱的信息用一种规范而形象化的方式表达，以此描述数据、组织数据和操作数据，是数据库系统的基础10。选择合适的数据模型对于数据库的存储管理至关重要。1.2.1 传统数据模型与数据存储数据模型开始于 20 世纪 60 年代中后期，从结构化数据模型、半结构化模型、OLAP 分析模型发展到现在的大数据模型。空间数据模型中最常用的是栅格模型、矢量模型、表面模型和时空立方体模型。这些模型是以关系描述为主，把事务的 ACID 特性（原子性、一致性、隔离性和持续性）作为根本依据，或者四个全部符合；或者部分特性符合。这些数据模型为现实世界的抽象表达，数据存储与管理做出了很大贡献。1.2.2 新型数据模型与转化存储随着数据模型的发展，原来的基于对象存储模型、基于事件存储模型已经不能满足微观信息系统设计的要求。对于微观空间来说，重点是转化存储，比如植物、动物和人类的生长过程就是对象转化的过程。因此，需要我们设计全新的基于转化存储的数据模型-空间数据转化模型，把生长过程中的转化放在重要的位置，以此克服传统数据模型的缺点，并解决新型数据库系统的设计存储问题。1.3 程序设计与生命运算程序设计是人们把现实生活中遇到的问题抽象化，并给出解决问题程序的过程，通过计算机语言把问题转换到机器能够理解的层面上去，对信息系统的实现至关重要11。1.3.1 传统程序设计与过程对象程序设计包括程序设计语言、程序设计方法和集成开发环境三个部分。程序设计语言是数据和操作指令的集合，从机器语言、汇编语言发展到高级程序设计语言。迄今已经实现的程序设计语言和集成开发环境有很多种，总体可按照设计方法将其分为面向过程设计和面向对象设计两类。这些程序设计思路为现实世界问题的解决和软件工程的发展做出了很大的贡献。1.3.2 新型程序设计与生命运算随着程序设计语言的发展，原来的面向过程、面向对象已经不能满足微观信息系统设计的要求。对于微观空间来说，重点是生命运算，比如植物、动物和人类的生长过程就是养分运算的过程。因此，需要构建全新的面向运算的程序设计语言，把对象之间的运算放在最核心的位置，以此克服传统面向过程与面向对象设计语言的缺点，并解决新型数据库系统的设计开发问题。1.4 查询语言与数据补充查询语言是数据库开发的一部分，是用户与数据库之间的纽带，对于数据库的操纵来说是至关重要的12。它允许用户在高层数据结构上工作，不要求用户指定对数据的存放方法，也不需要用户了解具体的数据存放方式，灵活性强，应用广泛13。1.4.1 传统查询语言与数据补充结构化查询语言（SQL）是介于关系代数与关系演算之间的数据库操纵语言，包含定义、操纵、查询和控制四部分，应用广泛。随着空间数据库发展，基于 GIS发展了许多扩展型 SQL 查询语言。这些查询主要应用在基于关系模型的数据库中，关系是基本单位。同时，随着非结构化数据和半结构化数据的兴起，也发展了许多相应的查询语言。这些语言为数据库的实施应用做出了很大贡献。1.4.2 新型查询语言与数据补充随着查询语言的发展，原来的 SQL 查询已经不能满足微观信息系统设计的要求。对于微观空间来说，重点是问题诊断和补充查询，比如植物、动物和人类的生长过程就是针对偏离养分正常值的养分补充（包括正与负两种）过程，这个过程是根据外界补充随时变化的。因此，参照作物施肥，需要构建全新的数据补充查询语言。该查询语言是以数据补充为基础，以查找形态和浓数据库系统设计Database System Design电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering247度的动态变化为核心，把生命生长的养分补充放在最关键的位置，以此克服传统 SQL 查询的问题，并解决新型转化数据库管理系统的查询需求。1.5 智能可视与调控表达可视化将数据转换为图形表达，增强人对数据的认知能力14。它对态势感知、关联分析、决策辅助等方面起到了强大的作用15。可视化做为数据的最终外显对于智能数据库的发展是非常重要的16-17。1.5.1 传统智能可视与调控表达可视化技术是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。主要为空间数据提供了两方面的应用领域：（1）为用户提供过去没有的空间认知工具，如电子地图和虚拟环境等；（2）可视化用于优化、更新数据库本身，并强化数据的直接应用，如用于检测数据精度，开发知识和数据挖掘等。随着人工智能技术的发展，两者也在相互促进。1.5.2 新型智能可视与调控表达随着可视化的发展，原来的可视化方式已经不能满足微观信息系统设计的要求。对于微观空间来说，重点是智能可视。比如植物、动物和人类的生长过程就是速度随时变化的过程，有的物种生长快，有的物种生长慢。不同的物种生长周期也差别较大，有的物种周期长，有的物种周期短。因此，需要构建全新的调控表达方式，把可视速度放在重要位置，以此克服传统可视化问题，并解决新型数据库系统的智能可视问题。1.6 智能诊断与转化分析空间分析由来已久，自古就有基于地图做相应分析，以此来解决战争等问题18。至今仍然是人类描述自然、理解自然的基本思路和工具19。科学研究的许多贡献都源自空间分析，空间分析对数据库的应用发展至关重要20-21。1.6.1 传统智能诊断与发展分析空间分析是基于地理对象空间布局的地理数据分析技术，是空间数据库的主要部分之一。空间分析从统计量算、布局分析发展到决策分析，常见的功能有空间查询与量算、缓冲区分析、叠加分析、网络分析、栅格数据分析、空间统计分析、三维空间分析和二次开发能力。总体来看，空间分析以地理空间布局的分布式分析为主，结合其他的分析模型和算法可以应用与各种场景问题领域，为研究对象的机制深入理解提供了很大的帮助。1.6.2 新型智能诊断与发展分析随着空间分析的发展，原来的分布式空间分析思路已经不能满足微观信息系统设计的要求。对于微观空间来说，重点是转化式分析。比如植物、动物和人类的生长本质就是细胞发生转化运算的过程，也是形态变化的过程。因此，需要构建全新的转化式分析思路，把结合时间变化的转化运算和形态变化放在重要方面。以此克服传统分布式空间分析的确定，并解决新型数据库系统的转化式分析问题。2 应用体系数据库管理系统的应用主要体现在数据管理和信息服务。面向微观空间的转化数据库管理系统的应用体系包括发展和健康两个服务目的，其中发展包括区域管理与发展和土地管理与发展；健康包括水分管理与健康和养分管理与健康。下面分别进行阐述。2.1 区域管理与发展区域管理对发展影响很大，区域是一个地理环境，也是一个经济组织22。在长期的发展中，环境管理、经济问题等等较多，如何管理环境?如何管理经济？不可避免地涉及区域的各种要素23。而这些都是在一个区域内部发生的，因此区域管理应运而生，因此做好区域管理的信息化至关重要。区域管理，就是“对区域的管理”，通常是将所有的要素数字化，进行数据管理。伴随着智慧城市的推进，区域管理信息系统的发展越来越好。随着当代中国区域经济一体化的发展，大量区域性公共问题随之产生。传统的区域管理技术手段侧重静态要素管理，在长时间的动态管理就比较繁琐，在要素的数据库系统设计Database System Design电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering248动态转化方面管理较弱。因此，需要构建新型的数据管理思路，来管理区域的要素动态变化。转化数据库管理系统可以在该方面得到应用，最终实现区域的高效管理和长久的协调发展。2.2 土地管理与发展土地是城市和农村生产、生活的基本要素24。城乡发展过程中所有要素的流动都会与土地发生联系，比如人口的不断变化、产业的空间转移和产业的改造升级等都引起土地利用方式和格局的改变25。做好土地资源管理与利用工作，有助于促进城乡统筹发展26。初期土地利用显性形态的转型较多，主要关注土地利用数量方面，后期土地利用隐性形态的转型较多，主要关注土地利用质量方面。随着我国乡村振兴战略的实施，深刻研究土地利用类型及其转型的驱动机制和影响机理越来越重要。传统数据库在土地利用方面管理应用较多，但是伴随着土地利用隐形形态转型的研究增多，需要研究新型的数据库来对其进行管理，结合时间角度深入分析其转型的质量、驱动机制和影响机理。转化数据库管理系统在该方面可以得到应用，有助于提高效率，方便分析内部隐含机制，进而为土地管理做出贡献。2.3 水分管理与健康水为生命之源，是生产生活最为重要的物质与能量源泉27。水资源的合理分配与科学管理是区域可持续发展与流域综合管理的核心环节28，水资源的持续充足供给保证区域社会经济的稳定发展29。水分管理主要分为实体水管理和虚拟水的管理。当前的水分管理侧重区域分布式计算分析，对其转化机理的空间变化研究较少。对虚拟水的研究也是为了更加合理的利用分配水资源，侧重产品或者服务的水资源占用的核算。由于水分是植物、动物和人体必须的，游走在生命体内部不同的空间，发生着各种转化反应，促使生命的持续新陈代谢。因此对其精确管理影响着植物、动物和人体的健康状况，当前缺少相应的管理系统。因此转化数据库管理系统是植物水分管理、动物水分管理和人体水分管理的必须系统，这将对其有着巨大的调控作用，为植物、动物和人体的生命健康做出贡献。2.4 养分管理与健康养分是植物、动物和人类的必须成分30，其数量的多少影响着生命体的生存状况，平时的治疗从本质上也就是对养分的多少快慢进行调控31。养分管理非常重要，对维护生命体的长久健康起到重大的作用32。养分缺乏和过量容易造成危害，常规的养分管理思路就是把养分调控在合适的范围达到高效目标。从空间角度来说，当前的养分管理侧重简单的区域分布式分析和基于生化分析的养分变化机制研究，对其养分转化的内部空间变化研究较少。需要在传统养分研究的基础上深入分析养分的不同形态和不同空间，以及不同微空间变化的详细路径和机理，并寻找合适的数据库对这些进行管理，进而调控。而面向微观空间的转化数据库管理系统非常适合，该数据库将起到巨大的调控作用，最终将成为植物养分管理、动物养分管理和人体养分管理的必须系统，为植物、动物和人体的生命健康做出贡献。3 结语随着科学技术的发展，动态变化及影响机制研究越来越重要，相应的数据管理和信息服务必将从以空间分布式为核心发展到以空间转化式为核心。伴随着全空间信息系统的全面铺开，微观视角思考将会得到越来越多的关注。本文以微观空间的空间数据转化模型为基础，构建了新型的转化数据库管理系统，从坐标系统与数据采集、数据模型与生长转化、程序设计与生命运算、查询语言与数据补充、智能可视与调控表达、智能诊断与转化分析六个方面分析了理论体系。从区域管理与发展、土地管理与发展、水分管理与健康和养分管理与健康四个方面分析了应用体系。期望能为空间信息系统和智能数据库的发展提供思路和帮助。参考文献1 王家耀.空间信息系统原理 M.北京:科学出版社,2001.2 王珊,萨师煊.数据库系统概论 M.北京:高等教育出版社,2014.3 周成虎.全空间地理信息系统展望 J.地理科学数据库系统设计Database System Design电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering249进展,2015,34(v.34):129-131.4 华一新.全空间信息系统的核心问题和关键技术J.测绘科学技术学报,2016,33(v.33):331-335.5 华一新,周成虎.面向全空间信息系统的多粒度时空对象数据模型描述框架J.地球信息科学学报,2017,19(v.19;No.121):1142-1149.6 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