第31卷 第1期2011年1月
长安大学学报(自然科学版)
Journal of Chang an University(Natural Science Edition)
Vol. 31 No. 1Jan. 2011
文章编号:1671 8879(2011) 01 0036 04
公路自然区划地理信息系统优化设计
许金良, 牛玉欣, 杨宏志, 韩跃杰
(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室, 陕西西安710064)
摘 要:为了提高公路自然区划的准确性和高效性, 对公路自然区划地理信息系统进行优化设计研究。系统优化设计通过选用 简单 和 大容量日志记录 相结合的恢复模型加快数据载入速度, 采用API 函数实现数据的批量拷贝, 引入DECODE 函数优化SQ L 语句, 建立临时表优化查询缓存,
减小了系统的响应时间, 提高了I/O 和CPU (中央处理器) 的反应速度。关键词:道路工程; 公路; 自然区划; 地理信息系统; 优化设计中图分类号:U 411 文献标志码:A
O ptimum design of geographic information system for
highway natural regionalization
XU Jin liang, NIU Yu xin, YANG H ong zhi, H AN Yue jie
(K ey L abo rato ry for Special Ar ea Highw ay Engineering of M inistry of Educatio n,
Chang an U niv ersity , X i an 710064, Shaanx i, China)
Abstract:Optimum design of g eo graphic info rmation system for highw ay natural reg ionalization is
developed in order to im prov e the accuracy and efficiency of highw ay natural r eg io nalizing. By choosing the reco ver y mo del of sim ple and bulk log ged , using the API function, the speed of data loading optimized and bulk data copying is sig nificantly improv ed. By intr oducing DECODE function to o ptimize the SQL statement, the temporary table is established to o ptimize the query cache. It is found that these optimization metho ds can reduce the system r esponse time and im prov e I/O and CPU speed. 7fig s, 6r efs.
Key words:road eng ineering ; highw ay; natural regionalizatio n; geog raphic information system; optimum desig n
算和更新又不断增加, 加之各区划指标的交叉影响, 很容易产生数据库的性能瓶颈, 如系统的物理存储空间不足、数据混乱或损坏、I/O 速度降低和系统缓存不合理等, 导致公路自然区划地理信息系统可扩充性降低、维护不便, 甚至出现计算错误。
国内外相关研究多注重于系统的架构和指标计算, 忽视了对提高系统运行速度、增加系统的可扩展
[1]
0 引 言
地理信息系统(GIS ) 是收集、存储、检索、分析和处理空间信息的计算机化的数据库管理系统。
公路自然区划地理信息系统为公路自然区划提供了自动化的计算和查询平台。由于区划过程中所涉及到的数据量多而复杂, 且随着各数据类型的转换、计
收稿日期:2010 02 16
基金项目:国家西部交通建设科技项目([1**********]6)
:) , , , ,
第1期 许金良, 等:公路自然区划地理信息系统优化设计性和可维护性的研究[2 3]。因此, 如何在有限的计算机系统资源基础上, 提高数据处理速度和查询响应速度, 完善系统的可扩展性和可维护性, 是公路自然区划地理信息系统优化设计亟待解决的问题。为此, 本文在分析公路自然区划体系结构的基础上, 对系统数据和系统性能分别进行优化设计, 以提高公路自然区划地理信息系统处理用户响应的准确性和高效性。
37
响应时间的减小, 从而提高整个系统的运行速度, 优化设计如图3所示。
1 公路自然区划地理信息系统的构建
1. 1 公路自然区划结构框架
公路自然区划是通过分析区域地形地貌、气候、水文和地质等条件对公路工程的影响程度, 剖析和解释自然地理环境与公路建设之间的内在规律和相互关系, 重点服务于公路建设的勘测设计和施工等前期工作[4 5]。公路自然区划遵从 综合性、实用性、服务性 的原则, 在充分参考和借鉴其他区划经验和成果的基础上, 结合公路建设实际研究情况, 综合考虑各影响因素, 遵循主导性原则构建的公路自然区划体系结构, 如图1所示[6]。
1. 2 公路自然区划地理信息系统结构分析
公路自然区划地理信息系统的工作原理:通过DEM(digital elevatio n model) 、气象、地貌和岩土等数据或图件的输入和类型转换, 将处理后数据存入空间数据库; 采用粗糙集理论和地统计分析法对区划指标进行空间分析计算; 向用户提供区划指标、分区查询以及区划图件的输出。
根据GIS 结构模式和公路区划的特征, 公路自然区划地理信息系统采用C/S 和B/S 相结合的混合模式网络GIS 体系结构, 系统以Geodatabase 作为空间数据模型, 基于Or acle 数据库管理系统和SQ L 搜索引擎, 实现公路自然区划的信息化和自动化, 系统结构如图2所示(Oracle 为世界领先的信息管理软件开发商, Oracle 数据库是一种大型数据库系统, 能处理大批量的数据) 。
图3 公路自然区划地理信息系统优化设计图2 公路自然区划地理信息系统总体结构
图1 公路自然区划体系结构
2 公路自然区划信息系统优化
2. 1 系统数据的优化
公路自然区划地理信息系统数据库的数据量大、格式多样, 占用的存储空间多, 进行分析时所需时间长。对系统数据进行优化, 就是减少数据存储空间的占用, 缩短处理时间, 减少实时查询的执行时间。对系统数据进行优化的最终目的是, 通过数据
2. 1. 1 数据载入优化
加速数据载入有许多方法, 主要包括:选择合适的数据库恢复模型, 选择合适的批量装载方式, 建立
聚集索引等。
系统载入初始数据时, 选择在 简单 恢复模型下运行; 在载入增量数据时, 选用 大容量日志记录 恢复模型(下页图4) , 以便对大规模的复制操作提供最小的日志使用空间和最佳的性能。
,
38长安大学学报(自然科学版) 2011年
2. 2 系统性能的优化2. 2. 1 SQL 语句优化
在系统数据库应用过程中, 应用程序对数据库的大部分操作都要通过解析SQL 语句(编程语言) 实现, 因此, SQL 语句的优化对系统优化至关重要。
图4 公路自然区划地理信息系统数据库恢复模型
SQL 语句的优化原理是尽可能减少查询中各表参与加工的数据量, 从而达到优化时间和空间的目的。为了区划参数便于查询, 可使用Oracle 的DECODE 函数, 将区划数据以实用化表格形式输出。为方便各气象站原始数据的查询和打印, 采用DECODE 函数对SQL 程序进行优化设计, 并且可利用视图v_xsmx实现查询或打印, 如图6
所示。
据量庞大, 多为近30年与区划参数相关的数据, 因此选择合适的批量装载方式直接影响到数据输入的速度。API 函数具有批量拷贝功能, 可采用此函数实现系统数据的批量拷贝, 考虑到数据载入失败时数据回滚需要, 批量拷贝的数据量设为1000行。
为了解决载入数据时引起的混杂现象, 系统在表上建立聚集索引, 当数据被读入时, 系统按键值的顺序自动排列, 并将顺序写出, 增加了数据输入的准确程度。
2. 1. 2 参数独立性分析
公路自然区划数据多而复杂, 在进行空间分析时易产生交叉现象, 如气候、水文和地质灾害区划均涉及到降雨量, 因此, 可将此类交叉参数的算法存入数据库中, 而不是应用程序之中; 同时, 设计需要管理员口令的界面对算法进行修改, 不仅可提高参数的独立性, 还能对参数进行及时的更新和修正。2. 1. 3 数据库表空间优化
数据库物理文件及逻辑对象(表、索引等) 的合理分布, 将影响系统占用空间的大小、查询速度的快慢。公路自然区划数据库中的表空间可分为Oracle 系统表空间、ArcSDE 系统表空间、回滚表空间、临时表空间、索引表空间、基础数据表空间、区划指标数据表空间、区划制图表空间和分析模型表空间(图5) 。Ora cle 系统表空间、回滚表空间和索引表空间相对比较活跃, 应分别存储于不同的磁盘驱动器, 以减少表空间之间的I/O 冲突, 提高I/O
操作速度。
图6 基础数据表转换
2. 2. 2 缓存优化
缓存的设立可以大幅度提高系统的访问效率, 减少对数据库的频繁访问。Oracle 数据库中, 主要通过LOG_BUFFER 来指定重做日志缓存区的大小, 通过DB_CACHE_SIZE来设置数据缓冲区的大小, 通过SH ARED_POOL _SIZE来设置共享池的大小。
(1) 客户端请求读取数据库中的数据时, 应用服务器首先检查缓存中是否存在该请求数据, 如存在, 直接将数据返回给客户端; 如果不存在, 则向数据库服务器发出数据读取请求。请求的数据返回后, 缓存将这些数据存储起来, 当用户下次再有同样的数据请求, 应用服务器就不用访问后台数据库服务器, 而是将请求数据直接从缓存中取出, 返回给客户端, 数据读取请求如下页图7(a) 所示。
(2) 应用服务器接收到客户端的请求更新数据的指令后, 不会立即向数据库服务器传送更新数据的请求, 而是把这些请求指令缓存起来, 等到用户点击 完成 输入所有数据请求后, 应用服务器将所有指令一次性提交给数据库服务器, 由数据库服务器图5 系统数据库表空间存储位置
第1期 许金良, 等:公路自然区划地理信息系统优化设计39
数据量, 系统采用了临时表, 将查询中需要反复访问的数据作为一个子集, 放在按主键排序的临时文件中, 因临时文件中的行比主表中的少得多, 所以减少了磁盘I/O 操作, 提高了读取速度。
3 结 语
(1) 选用 简单 和 大容量日志记录 相结合的恢复模型加快数据载入速度, 采用API 函数实现数据的批量拷贝, 对数据的独立性、数据的载入速度进行了优化研究, 将数据库表空间进行分区存放, 减少了数据冲突, 提高了数据存储和模型计算的准确性。
(2) 采取DECODE 函数优化SQL 语句, 在客户端与服务器之间设立缓存, 建立系统临时表优化查询缓存, 对公路自然区划地理信息系统性能进行优化, 提高了系统的访问速率, 使公路自然区划信息的采集、更新、管理、分析与共享实现了自动化、科学化与模块化。参考文献:References:
[1] 桂 岚, 李跃军. 组件式交通地理信息系统设计与开
发[J]. 长安大学学报:自然科学版, 2002, 22(2) :
24 27.
GU I L an, L I Yue jun. Desig n and development of a component s G IS fo r transpo rtat ion [J ].Jour nal o f
图7 公路自然区划地理信息系统缓存优化
Chang an U niver sity:N atural Science Editio n, 2002, 22(2) :24 27.
[2]
许金良, 李 超, 杨宏志. 中国公路自然区划空间数据库的设计[J]. 交通运输工程学报, 2008, 8(1) :47 53. XU Jin liang, L I Chao , YA N G H ong zhi. Desig n o f spatial database on natural zoning for highway in China [J].Jo urnal of Traffic and Transportation Eng ineering, 2008, 8(1) :47 53.
[3][4]
李 超. 中国公路自然区划地理信息系统研究[D ].西安:长安大学, 2009.
杨宏志, 李 超, 许金良. 中国公路自然区划GI S 研究[J]. 重庆交通大学学报:自然科学版, 2010, 29(3) :407 412.
Y A NG H ong zhi, L I Chao, XU Jin liang. G IS study on Chinese hig hway natural reg ionalization[J]. Jour na l of Chongqing Jiao tong U niversit y:Natur al Sci ence, 2010, 29(3) :407 412.
[5][6]
JT J 003! 86, 公路自然区划标准[S].
伍光和, 江存远. 甘肃省综合自然区划[M ].兰州:甘肃科学技术出版社, 1998.
(3) 应用服务器将请求读(写) 数据库的指令发送给数据库服务器之后, 数据库服务器不会立刻执行相应操作, 而是将这些读(写) 指令缓存起来, 以时间周期为限, 将时间周期内的指令一次性执行, 如图7(c) 所示。当数据缓冲区缓存数据已满, 并有新的用户请求到达时, 系统根据先进先出的原则, 对缓存中的数据进行更新和替换。在客户端、应用服务器和数据库服务器之间设立缓存, 节约了页面调入时间, 减少了读(写) 数据库的次数, 提高了系统的整体访问效率。
2. 2. 3 查询优化
由于公路自然区划地理信息系统具有数据量较大、数据不断更新的特点, 查询某个属性需要较长时间, 因此为减少查询时间, 需对查询响应进行优化。
系统查询优化的重点是减少数据库服务器每次查询时从磁盘中读取的数据量, 并在读取过程中采用顺序读取。为减少数据库服务器从磁盘中读取的
第31卷 第1期2011年1月
长安大学学报(自然科学版)
Journal of Chang an University(Natural Science Edition)
Vol. 31 No. 1Jan. 2011
文章编号:1671 8879(2011) 01 0036 04
公路自然区划地理信息系统优化设计
许金良, 牛玉欣, 杨宏志, 韩跃杰
(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室, 陕西西安710064)
摘 要:为了提高公路自然区划的准确性和高效性, 对公路自然区划地理信息系统进行优化设计研究。系统优化设计通过选用 简单 和 大容量日志记录 相结合的恢复模型加快数据载入速度, 采用API 函数实现数据的批量拷贝, 引入DECODE 函数优化SQ L 语句, 建立临时表优化查询缓存,
减小了系统的响应时间, 提高了I/O 和CPU (中央处理器) 的反应速度。关键词:道路工程; 公路; 自然区划; 地理信息系统; 优化设计中图分类号:U 411 文献标志码:A
O ptimum design of geographic information system for
highway natural regionalization
XU Jin liang, NIU Yu xin, YANG H ong zhi, H AN Yue jie
(K ey L abo rato ry for Special Ar ea Highw ay Engineering of M inistry of Educatio n,
Chang an U niv ersity , X i an 710064, Shaanx i, China)
Abstract:Optimum design of g eo graphic info rmation system for highw ay natural reg ionalization is
developed in order to im prov e the accuracy and efficiency of highw ay natural r eg io nalizing. By choosing the reco ver y mo del of sim ple and bulk log ged , using the API function, the speed of data loading optimized and bulk data copying is sig nificantly improv ed. By intr oducing DECODE function to o ptimize the SQL statement, the temporary table is established to o ptimize the query cache. It is found that these optimization metho ds can reduce the system r esponse time and im prov e I/O and CPU speed. 7fig s, 6r efs.
Key words:road eng ineering ; highw ay; natural regionalizatio n; geog raphic information system; optimum desig n
算和更新又不断增加, 加之各区划指标的交叉影响, 很容易产生数据库的性能瓶颈, 如系统的物理存储空间不足、数据混乱或损坏、I/O 速度降低和系统缓存不合理等, 导致公路自然区划地理信息系统可扩充性降低、维护不便, 甚至出现计算错误。
国内外相关研究多注重于系统的架构和指标计算, 忽视了对提高系统运行速度、增加系统的可扩展
[1]
0 引 言
地理信息系统(GIS ) 是收集、存储、检索、分析和处理空间信息的计算机化的数据库管理系统。
公路自然区划地理信息系统为公路自然区划提供了自动化的计算和查询平台。由于区划过程中所涉及到的数据量多而复杂, 且随着各数据类型的转换、计
收稿日期:2010 02 16
基金项目:国家西部交通建设科技项目([1**********]6)
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第1期 许金良, 等:公路自然区划地理信息系统优化设计性和可维护性的研究[2 3]。因此, 如何在有限的计算机系统资源基础上, 提高数据处理速度和查询响应速度, 完善系统的可扩展性和可维护性, 是公路自然区划地理信息系统优化设计亟待解决的问题。为此, 本文在分析公路自然区划体系结构的基础上, 对系统数据和系统性能分别进行优化设计, 以提高公路自然区划地理信息系统处理用户响应的准确性和高效性。
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响应时间的减小, 从而提高整个系统的运行速度, 优化设计如图3所示。
1 公路自然区划地理信息系统的构建
1. 1 公路自然区划结构框架
公路自然区划是通过分析区域地形地貌、气候、水文和地质等条件对公路工程的影响程度, 剖析和解释自然地理环境与公路建设之间的内在规律和相互关系, 重点服务于公路建设的勘测设计和施工等前期工作[4 5]。公路自然区划遵从 综合性、实用性、服务性 的原则, 在充分参考和借鉴其他区划经验和成果的基础上, 结合公路建设实际研究情况, 综合考虑各影响因素, 遵循主导性原则构建的公路自然区划体系结构, 如图1所示[6]。
1. 2 公路自然区划地理信息系统结构分析
公路自然区划地理信息系统的工作原理:通过DEM(digital elevatio n model) 、气象、地貌和岩土等数据或图件的输入和类型转换, 将处理后数据存入空间数据库; 采用粗糙集理论和地统计分析法对区划指标进行空间分析计算; 向用户提供区划指标、分区查询以及区划图件的输出。
根据GIS 结构模式和公路区划的特征, 公路自然区划地理信息系统采用C/S 和B/S 相结合的混合模式网络GIS 体系结构, 系统以Geodatabase 作为空间数据模型, 基于Or acle 数据库管理系统和SQ L 搜索引擎, 实现公路自然区划的信息化和自动化, 系统结构如图2所示(Oracle 为世界领先的信息管理软件开发商, Oracle 数据库是一种大型数据库系统, 能处理大批量的数据) 。
图3 公路自然区划地理信息系统优化设计图2 公路自然区划地理信息系统总体结构
图1 公路自然区划体系结构
2 公路自然区划信息系统优化
2. 1 系统数据的优化
公路自然区划地理信息系统数据库的数据量大、格式多样, 占用的存储空间多, 进行分析时所需时间长。对系统数据进行优化, 就是减少数据存储空间的占用, 缩短处理时间, 减少实时查询的执行时间。对系统数据进行优化的最终目的是, 通过数据
2. 1. 1 数据载入优化
加速数据载入有许多方法, 主要包括:选择合适的数据库恢复模型, 选择合适的批量装载方式, 建立
聚集索引等。
系统载入初始数据时, 选择在 简单 恢复模型下运行; 在载入增量数据时, 选用 大容量日志记录 恢复模型(下页图4) , 以便对大规模的复制操作提供最小的日志使用空间和最佳的性能。
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38长安大学学报(自然科学版) 2011年
2. 2 系统性能的优化2. 2. 1 SQL 语句优化
在系统数据库应用过程中, 应用程序对数据库的大部分操作都要通过解析SQL 语句(编程语言) 实现, 因此, SQL 语句的优化对系统优化至关重要。
图4 公路自然区划地理信息系统数据库恢复模型
SQL 语句的优化原理是尽可能减少查询中各表参与加工的数据量, 从而达到优化时间和空间的目的。为了区划参数便于查询, 可使用Oracle 的DECODE 函数, 将区划数据以实用化表格形式输出。为方便各气象站原始数据的查询和打印, 采用DECODE 函数对SQL 程序进行优化设计, 并且可利用视图v_xsmx实现查询或打印, 如图6
所示。
据量庞大, 多为近30年与区划参数相关的数据, 因此选择合适的批量装载方式直接影响到数据输入的速度。API 函数具有批量拷贝功能, 可采用此函数实现系统数据的批量拷贝, 考虑到数据载入失败时数据回滚需要, 批量拷贝的数据量设为1000行。
为了解决载入数据时引起的混杂现象, 系统在表上建立聚集索引, 当数据被读入时, 系统按键值的顺序自动排列, 并将顺序写出, 增加了数据输入的准确程度。
2. 1. 2 参数独立性分析
公路自然区划数据多而复杂, 在进行空间分析时易产生交叉现象, 如气候、水文和地质灾害区划均涉及到降雨量, 因此, 可将此类交叉参数的算法存入数据库中, 而不是应用程序之中; 同时, 设计需要管理员口令的界面对算法进行修改, 不仅可提高参数的独立性, 还能对参数进行及时的更新和修正。2. 1. 3 数据库表空间优化
数据库物理文件及逻辑对象(表、索引等) 的合理分布, 将影响系统占用空间的大小、查询速度的快慢。公路自然区划数据库中的表空间可分为Oracle 系统表空间、ArcSDE 系统表空间、回滚表空间、临时表空间、索引表空间、基础数据表空间、区划指标数据表空间、区划制图表空间和分析模型表空间(图5) 。Ora cle 系统表空间、回滚表空间和索引表空间相对比较活跃, 应分别存储于不同的磁盘驱动器, 以减少表空间之间的I/O 冲突, 提高I/O
操作速度。
图6 基础数据表转换
2. 2. 2 缓存优化
缓存的设立可以大幅度提高系统的访问效率, 减少对数据库的频繁访问。Oracle 数据库中, 主要通过LOG_BUFFER 来指定重做日志缓存区的大小, 通过DB_CACHE_SIZE来设置数据缓冲区的大小, 通过SH ARED_POOL _SIZE来设置共享池的大小。
(1) 客户端请求读取数据库中的数据时, 应用服务器首先检查缓存中是否存在该请求数据, 如存在, 直接将数据返回给客户端; 如果不存在, 则向数据库服务器发出数据读取请求。请求的数据返回后, 缓存将这些数据存储起来, 当用户下次再有同样的数据请求, 应用服务器就不用访问后台数据库服务器, 而是将请求数据直接从缓存中取出, 返回给客户端, 数据读取请求如下页图7(a) 所示。
(2) 应用服务器接收到客户端的请求更新数据的指令后, 不会立即向数据库服务器传送更新数据的请求, 而是把这些请求指令缓存起来, 等到用户点击 完成 输入所有数据请求后, 应用服务器将所有指令一次性提交给数据库服务器, 由数据库服务器图5 系统数据库表空间存储位置
第1期 许金良, 等:公路自然区划地理信息系统优化设计39
数据量, 系统采用了临时表, 将查询中需要反复访问的数据作为一个子集, 放在按主键排序的临时文件中, 因临时文件中的行比主表中的少得多, 所以减少了磁盘I/O 操作, 提高了读取速度。
3 结 语
(1) 选用 简单 和 大容量日志记录 相结合的恢复模型加快数据载入速度, 采用API 函数实现数据的批量拷贝, 对数据的独立性、数据的载入速度进行了优化研究, 将数据库表空间进行分区存放, 减少了数据冲突, 提高了数据存储和模型计算的准确性。
(2) 采取DECODE 函数优化SQL 语句, 在客户端与服务器之间设立缓存, 建立系统临时表优化查询缓存, 对公路自然区划地理信息系统性能进行优化, 提高了系统的访问速率, 使公路自然区划信息的采集、更新、管理、分析与共享实现了自动化、科学化与模块化。参考文献:References:
[1] 桂 岚, 李跃军. 组件式交通地理信息系统设计与开
发[J]. 长安大学学报:自然科学版, 2002, 22(2) :
24 27.
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图7 公路自然区划地理信息系统缓存优化
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许金良, 李 超, 杨宏志. 中国公路自然区划空间数据库的设计[J]. 交通运输工程学报, 2008, 8(1) :47 53. XU Jin liang, L I Chao , YA N G H ong zhi. Desig n o f spatial database on natural zoning for highway in China [J].Jo urnal of Traffic and Transportation Eng ineering, 2008, 8(1) :47 53.
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李 超. 中国公路自然区划地理信息系统研究[D ].西安:长安大学, 2009.
杨宏志, 李 超, 许金良. 中国公路自然区划GI S 研究[J]. 重庆交通大学学报:自然科学版, 2010, 29(3) :407 412.
Y A NG H ong zhi, L I Chao, XU Jin liang. G IS study on Chinese hig hway natural reg ionalization[J]. Jour na l of Chongqing Jiao tong U niversit y:Natur al Sci ence, 2010, 29(3) :407 412.
[5][6]
JT J 003! 86, 公路自然区划标准[S].
伍光和, 江存远. 甘肃省综合自然区划[M ].兰州:甘肃科学技术出版社, 1998.
(3) 应用服务器将请求读(写) 数据库的指令发送给数据库服务器之后, 数据库服务器不会立刻执行相应操作, 而是将这些读(写) 指令缓存起来, 以时间周期为限, 将时间周期内的指令一次性执行, 如图7(c) 所示。当数据缓冲区缓存数据已满, 并有新的用户请求到达时, 系统根据先进先出的原则, 对缓存中的数据进行更新和替换。在客户端、应用服务器和数据库服务器之间设立缓存, 节约了页面调入时间, 减少了读(写) 数据库的次数, 提高了系统的整体访问效率。
2. 2. 3 查询优化
由于公路自然区划地理信息系统具有数据量较大、数据不断更新的特点, 查询某个属性需要较长时间, 因此为减少查询时间, 需对查询响应进行优化。
系统查询优化的重点是减少数据库服务器每次查询时从磁盘中读取的数据量, 并在读取过程中采用顺序读取。为减少数据库服务器从磁盘中读取的