數(shù)字城市中城市數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)內(nèi)容研究

劉媛

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源,具有多源性(空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和時(shí)間數(shù)據(jù)),對它進(jìn)行正確、有效的組織和預(yù)處理是成功建設(shè)基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量可用“海量”一詞來形容,面對如此龐大的數(shù)據(jù)必須建立科學(xué)的數(shù)據(jù)存儲機(jī)制完成數(shù)據(jù)的存儲與管理。為了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的存儲管理和分發(fā)服務(wù),基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的建設(shè)也是至關(guān)重要的。

1城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)類型

數(shù)據(jù)是GIS系統(tǒng)的“血液”。同時(shí),GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要是包含大量的圖形的空間數(shù)據(jù),它包括柵格圖形數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)以及關(guān)聯(lián)的屬性數(shù)據(jù)。城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)更是涉及到多種空間數(shù)據(jù)庫的管理和互操作問題,顧及空間數(shù)據(jù)本身海量數(shù)據(jù)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)組織的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的效率。我們把城市不同部門數(shù)字化建設(shè)都要用到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)稱為城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)分類有很多方法,例如按數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來分,有矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、矢量柵格一體化數(shù)據(jù);按產(chǎn)品形式分,有數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)、數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)(DOM)、數(shù)字柵格地圖數(shù)據(jù)(DRG),數(shù)字線劃地圖數(shù)據(jù)(DLG)。狹義上,城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的核心任務(wù)是4D數(shù)據(jù)庫的建立,這里簡單地介紹一下4D產(chǎn)品的概念。

1.1 數(shù)字高程模型

DEM是區(qū)域地形的數(shù)字表示,它由規(guī)則水平間隔處地面點(diǎn)的抽樣高程矩陣組成。DEM的水平間隔應(yīng)隨地貌類型不同而改變。為控制地表形態(tài),可配套提供離散高程點(diǎn)數(shù)據(jù)。由于格網(wǎng)的規(guī)則性,其X,Y或B,L的交點(diǎn)坐標(biāo)被省略,通過對應(yīng)的2值在矩陣中的行列號隱含表示。DEM數(shù)據(jù)通過一定的算法,能轉(zhuǎn)換為等高線圖、透視圖、坡度圖、斷面圖、暈渲圖,以及與其他數(shù)字產(chǎn)品復(fù)合形成各種專題圖產(chǎn)品;還可計(jì)算體積、空間距離、表面積等工程數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)字正射影像(DOM)

DOM是由航空攝影或其他遙感數(shù)據(jù)經(jīng)糾正和消除地形影響后形成的數(shù)字圖像,是地表信息的真實(shí)反映,信息量極其豐富。數(shù)字正射影像圖疊加專題信息之后,擺脫了傳統(tǒng)專業(yè)線劃圖過于抽象,非專業(yè)人員不易理解的局限,使城市信息更加直觀、內(nèi)容更加豐富多彩,便于政府對城市的管理。數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)庫可以作為基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)建設(shè)的重要的背景,可供規(guī)劃、設(shè)計(jì)和廣大用戶直接查詢、量算使用。

1.3 數(shù)字柵格地圖(DRG)

DRG是現(xiàn)有模擬地形圖的數(shù)字形式。它是由模擬地圖經(jīng)掃描、幾何糾正及色彩歸化后,形成在內(nèi)容、幾何精度和色彩等方面與地形圖基本保持一致的柵格數(shù)據(jù)文件?？梢暂^為方便的進(jìn)行放大、漫游、查詢等。本產(chǎn)品可作為背景,用于數(shù)據(jù)參照或修測其他與地理相關(guān)的信息,適用于DLG的數(shù)據(jù)采集、評價(jià)和更新;也可與DOM,DEM等數(shù)據(jù)集成使用,派生新的可視信息,從而提取、更新地圖要素;還可以繪制紙質(zhì)地圖,改變地圖存儲和印制的傳統(tǒng)方式。

1.4 數(shù)字線劃地圖(DLG)

DLG是地形圖或?qū)ｎ}圖經(jīng)過掃描后,對一種或多種地圖要素進(jìn)行跟蹤矢量化,再進(jìn)行矢量糾正形成的一種矢量數(shù)據(jù)文件。其數(shù)據(jù)量小、便于分層,能快速生成專題地圖。這種數(shù)據(jù)滿足GIS進(jìn)行各種空間分析要求,被視為帶有智能的數(shù)據(jù),可隨機(jī)地進(jìn)行數(shù)據(jù)選取和顯示,與其它幾種產(chǎn)品疊加,便于分析、決策。各種以矢量為基礎(chǔ)的地圖均可視為DLG。

2城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計(jì)

城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫必須面對不同的用戶或應(yīng)用群體,系統(tǒng)的主要需求表現(xiàn)在各類數(shù)據(jù)的快速檢索查詢、數(shù)據(jù)的更新與維護(hù)以及數(shù)據(jù)的安全等等多個(gè)方面,所以我們必須對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的組織和分類來滿足上述需求。

數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計(jì)主要是根據(jù)數(shù)據(jù)的不同應(yīng)用對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類組織。下面以矢量地形圖為例闡述數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計(jì)。

矢量地形圖數(shù)據(jù)作為數(shù)字線劃圖的主要組成部分,用以表示城市的基本面貌并作為各種專題數(shù)據(jù)統(tǒng)一的空間定位載體,包括測量控制點(diǎn)和城市地形、交通、水系、境界、居民地、植被等核心地理要素。在基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計(jì)中,可以設(shè)計(jì)如下。

(1)矢量地形圖數(shù)據(jù)子庫。

矢量地形圖數(shù)據(jù)子庫的劃分可以依據(jù)城市在建立城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)時(shí)使用的矢量地形圖數(shù)據(jù)的比例尺來進(jìn)行,如有的城市有1∶500、1∶2000和1∶10000的矢量地形數(shù)據(jù),就可劃分為3個(gè)子庫,分別為1∶500地形圖子庫、1∶2000地形圖子庫、1∶10000地形圖子庫;而有的城市可能只有1∶500和1∶10000的矢量地形數(shù)據(jù),那其地形圖子庫就有1∶500地形圖子庫和1∶10000地形圖子庫兩種了。

(2)矢量地形圖數(shù)據(jù)大類。

根據(jù)通常應(yīng)用的需要,將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中的矢量地形數(shù)據(jù)按地形實(shí)體的大類進(jìn)行邏輯分組,每一個(gè)邏輯組就是一個(gè)矢量地形圖數(shù)據(jù)大類。矢量地形數(shù)據(jù)按照國標(biāo)可以分為控制點(diǎn)、居民地、交通、水系等幾個(gè)大類。一個(gè)大類中的空間實(shí)體數(shù)據(jù)在邏輯上被看作屬于同一范圍,其代碼的第一位都相同,往往被同時(shí)應(yīng)用。

(3)矢量地形數(shù)據(jù)圖層。

一個(gè)矢量地形圖數(shù)據(jù)大類通常包含多個(gè)空間實(shí)體類型,可以再根據(jù)實(shí)體的類型(點(diǎn)、線、面)和實(shí)體在數(shù)據(jù)中的意義(輔助信息、主要信息)劃分出具體的邏輯層,一個(gè)邏輯層還可以含有一個(gè)注記層。

(4)矢量地形數(shù)據(jù)實(shí)體。

矢量地形數(shù)據(jù)實(shí)體作為單個(gè)圖層中的獨(dú)立單元,包含圖形數(shù)據(jù)(幾何屬性)和非圖形數(shù)據(jù)(非幾何屬性)。圖形數(shù)據(jù)一般指實(shí)體的地理位置和形狀,非圖形數(shù)據(jù)包括標(biāo)量屬性(如高程、面積、長度的數(shù)據(jù)及實(shí)體的編碼數(shù)據(jù)等)和名稱屬性(如道路名稱、河流名稱等)。地理實(shí)體按幾何形狀分為點(diǎn)、線、面三種基本類型,這種分類法對于地理實(shí)體的特征描述和編碼表示很合適。例如點(diǎn)類有控制點(diǎn)、獨(dú)立地物點(diǎn)等,線類有道路、地類分界線、管線等,而面類有行政區(qū)域、建筑物、綠化帶等。

3城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 控制成果數(shù)據(jù)庫

3.1.1 控制成果庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

建立控制成果庫主要是對測區(qū)基礎(chǔ)控制點(diǎn)、像片控制點(diǎn)、空三加密成果、控制概況資料、空三加密概況資料等進(jìn)行有效組織與管理?？刂瞥晒麕煜到y(tǒng)由控制點(diǎn)成果錄入、查詢兩個(gè)主要模塊組成。

(1)控制點(diǎn)成果錄入。

控制點(diǎn)成果數(shù)據(jù)錄入模塊是對測區(qū)的概況資料、基礎(chǔ)控制點(diǎn)成果、像片控制點(diǎn)成果、空三加密成果組織入庫。

(2)控制點(diǎn)成果檢索查詢。

對于基礎(chǔ)控制成果、像片控制成果,通過點(diǎn)號進(jìn)行查詢;根據(jù)攝區(qū)代號對像片控制概況資料、加密成果等資料進(jìn)行查詢。

3.1.2 控制成果數(shù)據(jù)內(nèi)容

控制成果庫由基礎(chǔ)控制成果(內(nèi)容為城市基礎(chǔ)控制點(diǎn)成果)、像片控制概況(內(nèi)容為像片控制測量的基本情況)、像片控制成果(內(nèi)容為像片控制點(diǎn)成果)、空三加密概況(內(nèi)容為航測內(nèi)業(yè)空三加密的基本情況)、空三加密成果組成。

3.2 正射影像庫

3.2.1 正射影像庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

正射影像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)查詢兩個(gè)主要模塊組成。

(1)數(shù)據(jù)入庫模塊。

正射影像數(shù)據(jù)入庫模塊是要把TIFF格式的正射影像導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫;二是要把正射影像對應(yīng)的元數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫。

(2)正射影像數(shù)據(jù)檢索查詢。

正射影像數(shù)據(jù)檢索查詢模塊主要是根據(jù)圖幅號對正射影像元數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索查詢。

3.2.2 正射影像庫數(shù)據(jù)內(nèi)容

正射影像庫包括正射影像庫成果(內(nèi)容為正射影像成果)和正射影像元數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)字高程模型庫

3.3.1 數(shù)字高程模型庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DEM數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)查詢兩個(gè)模塊組成。

(1)DEM數(shù)據(jù)入庫:數(shù)字高程模型的入庫包括BLI格式的數(shù)據(jù)入庫及元數(shù)據(jù)入庫兩部分。

(2)數(shù)據(jù)查詢:數(shù)據(jù)查詢模塊指對DEM元數(shù)據(jù)信息進(jìn)行查詢。

3.3.2 數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)內(nèi)容

數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)為拼成一體的城市DEM數(shù)據(jù)。

3.4 基本要素?cái)?shù)據(jù)庫

3.4.1 基本要素?cái)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基本要素?cái)?shù)據(jù)庫包括境界、道路、水系、地名及土地利用等五大類基礎(chǔ)的空間數(shù)據(jù)。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)查詢兩個(gè)模塊組成。

(1)基本要素?cái)?shù)據(jù)入庫模塊。

由數(shù)據(jù)庫軟件提供的矢量數(shù)據(jù)入庫工具把Arc/Info的E00數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中,并用開發(fā)的元數(shù)據(jù)錄入模塊完成元數(shù)據(jù)錄入。

(2)基本要素?cái)?shù)據(jù)的檢索查詢。

建立以圖號為索引的數(shù)據(jù)查詢機(jī)制,根據(jù)圖號對元數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

3.4.2 基本要素?cái)?shù)據(jù)內(nèi)容

基本要素?cái)?shù)據(jù)庫主要包括境界、道路、水系、地名及土地利用五大類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及元數(shù)據(jù)信息。根據(jù)具體的入庫需求,在境界、道路、水系、地名及土地利用五類數(shù)據(jù)中,按照不同的內(nèi)容進(jìn)一步細(xì)化,共分為12層數(shù)據(jù),表1。

4城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的存儲管理

目前,在空間數(shù)據(jù)存儲和管理方面應(yīng)用最為廣泛的是支持空間數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)庫技術(shù)和能夠?qū)崿F(xiàn)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中存儲和管理空間數(shù)據(jù)的中間件技術(shù)。能夠支持空間幾何對象存儲和操作的對象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要有oracle,Microsoft SQL Server,Informix,IBMDBZ等,其中oracle是國際上許多地理信息系統(tǒng)用來管理海量空間對象數(shù)據(jù)的首選數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。在大型地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用中,通常是通過ESRI公司(Environmental systems Research Institute,ESRI)的空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE結(jié)合大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫(例如oracle,SQL Server)或者Oracle公司針對oracle數(shù)據(jù)庫開發(fā)的Oracle Spatial來存放和處理空間數(shù)據(jù)。

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