城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫設(shè)計及存儲管理研究

摘 要：數(shù)據(jù)是數(shù)字城市構(gòu)建的“血液”。本文基于筆者多年從事數(shù)字城市的相關(guān)工作經(jīng)驗，以城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫設(shè)計與構(gòu)建為研究對象，論文首先探討了城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的類型，而后分析了城市地理信息數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容，進(jìn)而探討了城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計思路和數(shù)據(jù)庫的詳細(xì)設(shè)計思路，最后給出了城市地理信息的存儲管理方法，全文是筆者長期工作實踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫 系統(tǒng)組成 存儲管理

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（c）-0017-02

數(shù)據(jù)是數(shù)字城市構(gòu)建的“血液”。同時，數(shù)字城市需要的數(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)。面向數(shù)字城市的城市基礎(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，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)。

1 城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)類型

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數(shù)據(jù)。由于格網(wǎng)的規(guī)則性，其X，Y或B，L的交點坐標(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、評價和更新；也可與D伽，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)庫的內(nèi)容

城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫主要應(yīng)包括以下7個數(shù)據(jù)庫：控制測量成果庫（CSP）；數(shù)字線劃地形數(shù)據(jù)庫（DLG）；數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)庫（DOM）；數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)庫（DEM）；數(shù)字柵格圖數(shù)據(jù)庫（DRG）；地名數(shù)據(jù)庫（PN）；元數(shù)據(jù)庫（MD）?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫還可包括管線、規(guī)劃、地質(zhì)等相關(guān)數(shù)據(jù)?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計

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。

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)計中，可以設(shè)計如下。

（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)按地形實體的大類進(jìn)行邏輯分組，每一個邏輯組就是一個矢量地形圖數(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、居民地、交通、水系等幾個大類。一個大類中的空間實體數(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，往往被同時應(yīng)用。

（3）矢量地形數(shù)據(jù)圖層。

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

（4）矢量地形數(shù)據(jù)實體。

矢量地形數(shù)據(jù)實體作為單個圖層中的獨立單元，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）。地理實體按幾何形狀分為點、線、面三種基本類型，這種分類法對于地理實體的特征描述和編碼表示很合適。例如點類有控制點、獨立地物點等，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。

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

4.1 控制成果數(shù)據(jù)庫

4.1.1 控制成果庫系統(tǒng)設(shè)計

建立控制成果庫主要是對測區(qū)基礎(chǔ)控制點、像片控制點、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)由控制點成果錄入、查詢兩個主要模塊組成。

（1）控制點成果錄入：控制點成果數(shù)據(jù)錄入模塊是對測區(qū)的概況資料、基礎(chǔ)控制點成果、像片控制點成果、空三加密成果組織入庫。（2）控制點成果檢索查詢：對于基礎(chǔ)控制成果、像片控制成果，通過點號進(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。

4.1.2 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。

4.2 正射影像庫

4.2.1 正射影像庫系統(tǒng)設(shè)計

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。

4.2.2 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)。

4.3 數(shù)字高程模型庫

4.3.1 數(shù)字高程模型庫系統(tǒng)設(shè)計

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

（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。

4.3.2 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)為拼成一體的濟(jì)南市DEM數(shù)據(jù)。

4.4 基本要素數(shù)據(jù)庫

4.4.1 基本要素數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計

基本要素數(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)查詢兩個模塊組成。

（1）基本要素數(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Acr/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）基本要素數(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。

4.4.2 基本要素數(shù)據(jù)內(nèi)容

基本要素數(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)（如表1）。

5 城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的存儲管理

隨著數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展，通常采用數(shù)據(jù)庫（包括關(guān)系數(shù)據(jù)庫、對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫）管理空間數(shù)據(jù)，使空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)真正實現(xiàn)一體化的無縫集成，這是當(dāng)今Gls發(fā)展的趨勢。采用數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)能夠支持海量空間數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢檢索靈活、易于數(shù)據(jù)動態(tài)分析、采用開放的Client/Server技術(shù)，真正解決數(shù)據(jù)共享和多用戶操作問題，而且它具有強(qiáng)大靈活的開發(fā)環(huán)境。

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OracleSpatial來存放和處理空間數(shù)據(jù)。

5.1 空間數(shù)據(jù)引擎

空間數(shù)據(jù)引擎是一種處于應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之間的開放且基于標(biāo)準(zhǔn)的中間件技術(shù)。使用不同GIS廠商數(shù)據(jù)的客戶可以通過空間數(shù)據(jù)引擎將自身的數(shù)據(jù)提交給大型關(guān)系型DBMS，由DBMS統(tǒng)一管理；同樣，客戶也可以通過空間數(shù)據(jù)引擎提供的用戶和異種空間數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)接口，從關(guān)系型DBMS中獲取其它類型的GIS數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化成客戶可以使用的方式。

于是，空間數(shù)據(jù)引擎就成為各種格式的空間數(shù)據(jù)出入大型關(guān)系型DBMS的轉(zhuǎn)換通道?？臻g數(shù)據(jù)引擎ArcSDE是GIS軟件生產(chǎn)商ESRI公司生產(chǎn)的中間件，它是利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDB略）的先進(jìn)特性和真正的客戶/服務(wù)器（Client/Server）計算模式來管理大型企業(yè)海量地理數(shù)據(jù)的。ArcSDE將空間數(shù)據(jù)及其相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一地放到商業(yè)化程度較高的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行管理，同時采用開放策略，提供了開放、靈活、健全的API，開發(fā)人員可將空間數(shù)據(jù)檢索和分析功能集成到他們的應(yīng)用工程中去。這就使得海量空間數(shù)據(jù)的管理獲得了一種比較理想的模式，并且使得在廣域網(wǎng)上以真正的Client/Server計算模式提供空間數(shù)據(jù)訪問服務(wù)、面向多用戶環(huán)境成為可能。

ArcSDE的優(yōu)點：數(shù)據(jù)庫連接配置選擇多樣性、空間數(shù)據(jù)表述、數(shù)據(jù)庫可移植性、應(yīng)用程序可移植性、數(shù)據(jù)完整性、提供應(yīng)用編程接口、應(yīng)用軟件和開發(fā)工具；ArcSDE是允許通過ESRI公司的GIS軟件——ArcInfo，ArcEditor，ArcView，和ArcIMS直接連接空間數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)接口。這些應(yīng)用軟件和它們的綜合開發(fā)工具提供了一個創(chuàng)建、管理和使用空間信息的完整框架。ArcSDE也支持直接從AutoCAD和Microstation到空間數(shù)據(jù)庫的接口。

5.2 城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的存儲方案

城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫是空間型的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)類型復(fù)雜，必須采用大型商用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)狀和類似工程的實例，推薦使用Oracle關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)；一方面使用oracle關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)庫成功的案例較多；另一方面國內(nèi)在使用。Oracle關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)庫方面積累了許多經(jīng)驗，這有助于城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的建庫和管理。

ArcSDE能夠與RDBMS協(xié)同工作，提供了空間數(shù)據(jù)的存儲、查詢和管理的解決方案。其中，RDBMS負(fù)責(zé)在關(guān)系表中物理地存儲數(shù)據(jù)，ArcSDE則負(fù)責(zé)為前端的GIS解釋數(shù)據(jù)表中的這些數(shù)據(jù)。因此，采用ArcSDE與oracle相結(jié)合的方式，是城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫存儲與管理的合適方案。用ArcSDE管理空間數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫實體存放于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Oracle中，由Oracle實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的管理。在此基礎(chǔ)上，通過空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE訪問數(shù)據(jù)庫，并提供相應(yīng)的客戶端應(yīng)用。

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