基于ArcSDE的數(shù)字流域模型系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方式研究

董玲燕，馬 瑞，楊春花

（1.長江科學院水資源綜合利用研究所，武漢 430010；2.武漢市規(guī)劃編制研究與展示中心，武漢 430014）

基于ArcSDE的數(shù)字流域模型系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方式研究

董玲燕1，馬 瑞2，楊春花1

（1.長江科學院水資源綜合利用研究所，武漢 430010；2.武漢市規(guī)劃編制研究與展示中心，武漢 430014）

針對數(shù)字流域模型系統(tǒng)中海量數(shù)據(jù)的存儲和管理問題，采用ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎，將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)有機地結(jié)合，由關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一管理，并遵循相應的規(guī)則將數(shù)據(jù)進行入庫，通過關(guān)系類為數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，然后采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO計相關(guān)類來管理各類型數(shù)據(jù)，以保證對象的一致性和便于維護及擴展。

ArcSDE；空間數(shù)據(jù)引擎；數(shù)據(jù)庫；面向?qū)ο?；關(guān)系類

1 概 述

水利信息化是應用現(xiàn)代通信、計算機網(wǎng)絡、3S等先進的信息技術(shù)，充分利用與水有關(guān)的信息資源，直接為防洪抗旱減災，以及水資源的開發(fā)、利用、配置、節(jié)約、保護等綜合管理業(yè)務提供全面的信息服務，提高水資源及水工程的科學管理效率和水平［1］。作為水利信息化發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)之一的數(shù)字流域整體模型系統(tǒng)，是將各類水利專業(yè)數(shù)學模型集成于水利信息平臺上，以實現(xiàn)對整個流域水循環(huán)及其伴生過程的仿真模擬，為防汛抗旱減災、水資源優(yōu)化配置、水生態(tài)環(huán)境保護和科學發(fā)展規(guī)劃等流域綜合管理提供更深層面的決策智能支撐和論證數(shù)學分析。

高效安全有序的數(shù)據(jù)管理是水利信息化建設的重要基礎。在數(shù)字流域整體數(shù)學模型系統(tǒng)構(gòu)建中，涉及到多種類型的基礎數(shù)據(jù)，包括水文數(shù)據(jù)、實時水雨情數(shù)據(jù)、工程信息數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟信息數(shù)據(jù)、基礎地形圖、動態(tài)影像、歷史數(shù)據(jù)、數(shù)學模型方法數(shù)據(jù)、超文本數(shù)據(jù)等，如何對這些海量的數(shù)據(jù)進行有效的組織和管理，是數(shù)字流域整體模型系統(tǒng)構(gòu)建需要解決的關(guān)鍵問題之一。

本文在研究適合于長江流域的數(shù)字流域整體模型系統(tǒng)時，通過合理地設計數(shù)據(jù)庫，采用ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎，對空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)運用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，由關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一管理，并建立相應的數(shù)據(jù)庫入庫規(guī)范，確保了數(shù)據(jù)信息的完整性和準確性，為長江流域整體數(shù)學模型系統(tǒng)構(gòu)建提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

2 空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE介紹

數(shù)字流域整體數(shù)學模型系統(tǒng)需要入庫的數(shù)據(jù)種類繁多，在格式上也存在著較大差異，不僅涉及地圖空間數(shù)據(jù)，還包括水利專業(yè)各項屬性數(shù)據(jù)，僅地圖空間數(shù)據(jù)格式就包括shp，mif，grid，tif等多種格式。如果采用傳統(tǒng)存儲方式將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)分別存儲，數(shù)據(jù)的管理和維護困難，同時存在訪問速度較慢、數(shù)據(jù)一致性等問題。為此，本文運用一種高效的數(shù)據(jù)管理模式，即空間數(shù)據(jù)引擎和關(guān)系數(shù)據(jù)庫集成管理的模式，有機地將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，使兩者有效地融合在一起。

空間數(shù)據(jù)引擎，簡稱SDE，是目前在系統(tǒng)集成中廣泛應用的中間件技術(shù)，也是一種空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，即在常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之上添加一層空間數(shù)據(jù)庫引擎，以獲得常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)功能之外的空間數(shù)據(jù)存儲和管理的能力［2，3］。ArcSDE是空間數(shù)據(jù)引擎的代表，它支持高性能的空間數(shù)據(jù)管理，將數(shù)據(jù)存儲在商業(yè)的DBMS［4］中，并借助于連續(xù)的空間數(shù)據(jù)模型，統(tǒng)一管理空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的一致性，其靈活、高效的數(shù)據(jù)檢索，也為海量數(shù)據(jù)的快速訪問提供了便捷，因此ArcSDE能夠滿足水利行業(yè)的海量數(shù)據(jù)的存儲，同時也為數(shù)據(jù)訪問提供了便捷。

3 數(shù)據(jù)組織與存儲

3.1 數(shù)據(jù)分類組織

長江流域涉及的數(shù)據(jù)范圍大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復雜，不僅包括了空間地圖數(shù)據(jù)，如水系分布圖、水利工程分布圖、水文站分布圖等空間數(shù)據(jù)，也包括了各種反映流域水文狀態(tài)特征［5］的時間序列數(shù)據(jù)，如水文站監(jiān)測的水文流量數(shù)據(jù)、各種實時水雨情等專業(yè)屬性數(shù)據(jù)；不僅涵蓋了文字數(shù)據(jù)，也涵蓋了各種影像數(shù)據(jù)，如長江流域的正射影像數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)等；既有動態(tài)的實時更新數(shù)據(jù)，也有靜態(tài)的歷史觀測數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)內(nèi)容，可將數(shù)據(jù)分為3大類：基礎空間數(shù)據(jù)、水利專題屬性數(shù)據(jù)和專業(yè)模型數(shù)據(jù)。為了便于數(shù)據(jù)管理，在這3大類中又劃分為幾個子類。將這些海量數(shù)據(jù)進行分類組織，并對同一類別的數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的標準設計相應的存儲格式，表1給出了數(shù)據(jù)的分類以及相應的說明。

表1 數(shù)據(jù)分類及說明Table 1 Data classification and descrip tions

3.2 基礎空間數(shù)據(jù)庫

基礎地理數(shù)據(jù)指的是有空間地理信息的數(shù)據(jù)，包括各種地圖數(shù)據(jù)庫、遙感影像數(shù)據(jù)庫、DEM數(shù)據(jù)庫等。這些數(shù)據(jù)都可以在地圖上以圖形化的方式表現(xiàn)出來，用戶可以直觀地了解這些地理信息所處的位置及其空間分布情況。由于基礎空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)量十分龐大，涉及到空間數(shù)據(jù)的各種類別，故本文在空間數(shù)據(jù)庫的基礎上，將數(shù)據(jù)劃分為幾個子類，分別為氣象／水文數(shù)據(jù)庫、土壤／作物數(shù)據(jù)庫、湖泊／水系數(shù)據(jù)庫、水利工程數(shù)據(jù)庫等。這些數(shù)據(jù)一般以圖形化要素集存在，每一要素都是一個獨立的圖層，并且具有相同的參考坐標系，按照其歸屬的類別，存儲在相應的數(shù)據(jù)庫中。

3.3 水利專題屬性數(shù)據(jù)庫

水利專題數(shù)據(jù)是各種監(jiān)測站的觀測數(shù)據(jù)，是所有水利應用最基礎的數(shù)據(jù)資料，包括降雨、水位、流量、蒸發(fā)、含沙量等水文要素數(shù)據(jù)，其原始存儲格式往往是csv文件、txt文件或者excel文件。這種傳統(tǒng)文件方式存儲數(shù)據(jù)，存儲散亂，不利于數(shù)據(jù)的管理和維護，更不利于數(shù)據(jù)的檢索查詢。為此，應將這些數(shù)據(jù)按照規(guī)范的數(shù)據(jù)模型存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，其實質(zhì)就是一張張二維表，表中的列字段表示屬性，每一行則為每一個對象數(shù)據(jù)，而表本身就代表著關(guān)系結(jié)構(gòu)。

3.4 專業(yè)模型數(shù)據(jù)庫

數(shù)學模型在水利信息系統(tǒng)中是不可或缺的部分。以數(shù)據(jù)為支撐，針對具體問題建立相應的數(shù)學模型，為科學的決策支持服務。而建立數(shù)學模型需要運用到各種參數(shù)以及模型方法，將常用的參數(shù)和模型方法進行抽象和數(shù)字化，存儲到相應的數(shù)據(jù)庫中，信息系統(tǒng)通過調(diào)用模型庫中的基礎模型和組合模型來搭建并進行計算和運用。

3.5 空間數(shù)據(jù)與專業(yè)水文數(shù)據(jù)的連接

任何在實際地理世界中存在的實體，大約90%都與空間位置相關(guān)。同樣，水文要素大部分實體也與空間位置相關(guān)，而水文要素有其特有的屬性，如水文站觀測的與時間序列相關(guān)的流量、水位等數(shù)據(jù)。如何將兩者有效地關(guān)聯(lián)起來，依賴于ArcSDE建立的關(guān)系類（Relationship classes）。通過建立數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系和設置有效性規(guī)則，并定義每個圖形要素和屬性表格記錄之間的對應關(guān)系，具體有一對一、一對多和多對多的關(guān)系［6，7］。首先明確空間數(shù)據(jù)庫中的每一個圖層中的每一個實體的主鍵（唯一標志碼），按照相關(guān)的標準對實體進行編碼，將其編碼作為主鍵，而專業(yè)水文屬性數(shù)據(jù)也通過相應編碼作為該表的外鍵，這里主鍵和外鍵必須具有相同的數(shù)據(jù)類型，包含相同類型的信息；然后建立兩者之間的關(guān)系類（Relationship classes），將地圖上的空間實體和與之相關(guān)的屬性信息（如水文站與其觀測的水文要素值）關(guān)聯(lián)，關(guān)系類能主動地維護相關(guān)類之間的參考完整性。當更新空間實體對象時，與其相關(guān)聯(lián)的屬性表也會相應更新，通過這種方式，來保證數(shù)據(jù)的完整性，部分關(guān)系類的建立如圖1所示。

圖1 空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)Fig.1 The association between spatial data and attribute data

圖2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)框架圖Fig.2 Framework of database system

4 數(shù)據(jù)庫設計

4.1 數(shù)據(jù)庫總體設計

圖2所示，采用ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎，將用戶與數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)管理員（建庫員、數(shù)據(jù)維護員）與數(shù)據(jù)庫緊密聯(lián)系起來。數(shù)據(jù)管理員將收集的各類數(shù)據(jù)信息通過ArcSDE錄入數(shù)據(jù)庫，各類用戶通過長江流域整體數(shù)學模型系統(tǒng)以ArcSDE為橋梁獲取想要的信息。

4.2 數(shù)據(jù)入庫規(guī)范

（1）權(quán)限管理，保障數(shù)據(jù)安全：對于不同的用戶，授予不同的數(shù)據(jù)使用權(quán)限，保證數(shù)據(jù)的安全性。主要有管理員、普通用戶2種類別。管理員具有修改、刪除、更新、增加等數(shù)據(jù)編輯權(quán)限，并享有授予普通用戶某些特殊權(quán)限的權(quán)利；普通用戶則根據(jù)管理員授予的權(quán)利，享有相應的操作，例如瀏覽數(shù)據(jù)，上傳數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫中等權(quán)利。

（2）檢查關(guān)聯(lián)，保證數(shù)據(jù)一致：由于空間數(shù)據(jù)表與專業(yè)水文數(shù)據(jù)有時存在某種關(guān)聯(lián)，例如水文站點空間分布圖屬于空間數(shù)據(jù)庫，而其相應某一站點所觀測的數(shù)據(jù)又是屬于專業(yè)水文數(shù)據(jù)，兩者之間存在著一定的相關(guān)性，在數(shù)據(jù)表入庫之前，必須保證地圖數(shù)據(jù)中的水文站點的編碼與專業(yè)水文數(shù)據(jù)觀測中的站點編碼一致，便于數(shù)據(jù)的檢索查詢。

（3）統(tǒng)一標準，規(guī)范數(shù)據(jù)入庫：為了保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的共享，提高數(shù)據(jù)的服務質(zhì)量，達成信息網(wǎng)絡的互連互通，水利信息化必須統(tǒng)一標準［8］。對入庫的數(shù)據(jù)表按照現(xiàn)有的標準［9－11］進行統(tǒng)一編碼，對數(shù)據(jù)表應按照規(guī)定的格式檢查相應數(shù)據(jù)信息，對不符的數(shù)據(jù)表按照相應的數(shù)據(jù)格式進行修改，其數(shù)據(jù)表名稱應與表2中的相應信息對應，數(shù)據(jù)入庫時需要錄入表2所示的信息，通過記錄這些信息，可以規(guī)范數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表，方便地查看數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)表信息，保證了數(shù)據(jù)管理員對數(shù)據(jù)庫的總體把握。

4.3 面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫類設計

長江流域涉及的對象繁多，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復雜，且對象之間存在著復雜邏輯關(guān)系。為更好地描述對象模型，便于數(shù)據(jù)的操作及后期信息系統(tǒng)的調(diào)用和管理，這里對對象及對象之間的關(guān)系進行分析，并利用面向?qū)ο蟮乃枷?，對?shù)據(jù)庫中的各種對象采用類的設計理念對實體對象及其方法進行封裝。這些對象包括水電站、水庫、水利工程、水文站、氣象站、雨量站、植被、土壤等，對象包含有各自的屬性特征及相應的方法，當要增加一個具體對象時，只需通過相應的添加記錄方法，系統(tǒng)會自動在地圖空間數(shù)據(jù)相應的圖層中增加該記錄，并在其屬性數(shù)據(jù)表中添加該記錄的屬性數(shù)據(jù)，這樣保證了數(shù)據(jù)的一致性，而且數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)明確，外部接口簡單方便，便于數(shù)據(jù)庫的維護和擴展。

通過2種對象類實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、處理和操作：①數(shù)據(jù)訪問類，直接面對數(shù)據(jù)庫，通過各種事務操作數(shù)據(jù)庫，它只負責對數(shù)據(jù)文件的操作，即數(shù)據(jù)查找、增加、刪除、更新等，而不針對具體的對象；②具體對象類，只負責對數(shù)據(jù)訪問類的操作，不面對數(shù)據(jù)庫，即針對具體對象對數(shù)據(jù)訪問類的各種操作方式進行組合，以實現(xiàn)具體對象的數(shù)據(jù)處理。部分對象類的建立如圖3所示。

表2 數(shù)據(jù)入庫說明表Table 2 Descriptions of data loading

圖3 部分面向?qū)ο箢愒O計圖Fig.3 Part of the design of object-oriented classes

5 結(jié) 語

為實現(xiàn)數(shù)字流域模型系統(tǒng)中海量數(shù)據(jù)的高效管理，提出了數(shù)據(jù)分類存儲策略，制定了數(shù)據(jù)入庫規(guī)范，并利用空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理；同時，分析了長江流域的實體對象及其相互之間的關(guān)系，并采用面向?qū)ο蠓椒ê侠淼卦O計了實體對象數(shù)據(jù)模型，進而建立了長江流域數(shù)學模型系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，為長江流域整體數(shù)學模型系統(tǒng)的構(gòu)建提供了數(shù)據(jù)支撐。

［1］ 李紀人，潘世兵，張建立，等.中國數(shù)字流域［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.（LI Ji-ren，PAN Shi-bing，ZHANG Jian-li，et al.Digital Basin in China［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2009.（in Chinese））

［2］ 李小秋，尹志永.基于ArcSDE的數(shù)字正射影像（DOM）數(shù)據(jù)庫的建立［J］.測繪工程，2005，14（4）：36－38.（LI Xiao-qiu，YIN Zhi-yong.DOM Database Based on ArcSDE［J］.Engineering of Surveying and Mapping，2005，14（4）：36－38.（in Chinese））

［3］ 黃杏元，馬勁松，湯 勤.地理信息系統(tǒng)概論［M］.北京：高等教育出版社，2008.（HUANG Xing-yuan，MA Jin-song，TANG Qin.Introduction to GIS［M］.Beijing：Higher Education Press，2008.（in Chinese））

［4］ 王廣杰，何政偉，許輝熙，等.基于ArcSDE與ArcIMS的海量空間數(shù)據(jù)存儲管理與網(wǎng)絡發(fā)布-以三峽庫區(qū)為例［J］.測繪科學，2007，32（5）：173－175.（WANG Guang-jie，HE Zheng-wei，XU Hui-xi，et al.Storage Managements and Web Publication for Massive Data Based on ArcSDE and ArcIMS：A Case in Three-Gorges Reservoir Area［J］.Science of Surveying and Mapping，2007，32（5）：173－175.（in Chinese））

［5］ 李金蓮，劉曉玫，賀巧寧.基于Geodatabase模型的流域水文系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織與實現(xiàn)［J］.測繪科學，2005，30（6）：115－117.（LI Jin-lian，LIU Xiao-mei，HE Qiao-ning.The Organization and Realization ofWatershed Data Based on Geodatabase Data Module［J］.Science of Surveying and Mapping，2005，30（6）：115－117.（in Chinese））

［6］ ESRI.ArcGIS9 Understanding ArcSDE［M］.Redlands，California：ESRIPress，2004.

［7］ 陳志遠，項彥生，趙思健.ArcSDE在水利多用戶顯示系統(tǒng)中的應用［J］.浙江水利科技，2003，（1）：12－13.（CHEN Zhi-yuan，XIANG Yan-sheng，ZHAO Sijian.Application of ArcSDE to Water Multiple User Explicit System［J］.Zhejiang Hydrotechnics，2003，（1）：12－13.（in Chinese））

［8］ 陳永華，郭同德，王澤強，等.水利工程地理信息數(shù)據(jù)庫建設［J］.人民黃河，2005，27（7）：59－60.（CHEN Yong-hua，GUO Tong-de，WANG Ze-qiang，et al.Establishing Geographic Information Data Bank of Hydraulic Projects［J］.Yellow River，2005，27（7）：59－60.（in Chinese））

［9］ SL324－2005，基礎水文數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標識符標準［S］.北京：中國水利水電出版社，2005.（SL324－ 2005，Structure of Basic Hydrologic Database Table and Standard for Identifier［S］.Beijing：China Water Power Press，2005.（in Chinese））

［10］SL385－2007，水文數(shù)據(jù)GIS分類編碼標準［S］.北京：中國水利水電出版社，2007.（SL385－2007，Standard of Hydrologic Data Classification and Coding for GIS［S］.Beijing：China Water Power Press，2005.（in Chinese））

［11］ZBBZH／SJ，水利標準體系表［S］.北京：中國水利水電出版社，2001.（ZBBZH／SJ，The System Table of Water Technical Standard［S］.Beijing：China Water Power Press，2005.（in Chinese） ）

（編輯：劉運飛）

ArcSDE-Based Approach of Database Construction for Digital Basin M odel System

DONG Ling-yan1，MA Rui2，YANG Chun-hua1
（1.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Wuhan Planning＆Research and Exhibition Center，Wuhan 430014，China）

To cope with the storage and management ofmass data in the digital basin model system，the authors proposed an approach of database construction based on ArcSDE spatial data engine.The spatial data dynamically integrated with the attribute data aremanaged by the relational database.Having been loaded in line with corresponding rules，the spatial data and attribute data were associated by relationship classes.And the object-oriented method was employed tomanage various classes of data in order to ensure the object consistency and the database maintenance and expansion.

ArcSDE；spatial data engine（SDE）；database；object-oriented；relationship classes

P208

A

1001－5485（2011）12－0103－04

2011-10-20

水利部公益性行業(yè)專項（201101004）

董玲燕（1984-），女，浙江臺州人，助理工程師，碩士，主要從事數(shù)字流域、GIS技術(shù)在水利中的應用與研究，（電話）027-82828051（電子信箱）dly918＠gmail.com。