水利GIS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)組織

□ 王學(xué)會（開封市水利建筑勘察設(shè)計院）

0 引言

GIS（地理信息系統(tǒng)）是具有采集、處理、管理和分析數(shù)據(jù)能力的系統(tǒng)，主要有計算機(jī)的硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)和系統(tǒng)使用管理及維護(hù)人員組成，其中空間數(shù)據(jù)是其核心，主要功能模塊有空間數(shù)據(jù)輸入模塊、空間數(shù)據(jù)管理模塊、空間數(shù)據(jù)處理分析模塊、應(yīng)用模塊和空間數(shù)據(jù)輸出模塊，因此在GIS系統(tǒng)開發(fā)中，數(shù)據(jù)的獲取、組織及存貯對系統(tǒng)的開發(fā)起到了關(guān)鍵作用。本文主要針對水利GIS中的數(shù)據(jù)組織的幾個問題進(jìn)行了探討。

1 水利GIS（地理信息系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)類型

GIS所包含的數(shù)據(jù)均與地理空間（位置）相聯(lián)系，這是其區(qū)別于其他數(shù)據(jù)的要點，水利GIS的數(shù)據(jù)類型按表達(dá)形式可以分為空間（圖形）數(shù)據(jù)和非空間（屬性）數(shù)據(jù)兩種基本類型?？臻g（圖形）數(shù)據(jù)包括幾何數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)，從幾何角度將空間目標(biāo)劃分為點、線、面三種基本類型，關(guān)系數(shù)據(jù)描述各個不同地理實體之間的空間關(guān)系，如接近度、鄰接、關(guān)聯(lián)、包含、聯(lián)通等。屬性數(shù)據(jù)是各個地理單元中的社會、經(jīng)濟(jì)或其他專題。在水利GIS系統(tǒng)中，表示河流、水庫等實體的幾何數(shù)據(jù)以及表示干流及支流關(guān)系的數(shù)據(jù)即為空間（圖形）數(shù)據(jù)，而表示一河流的名稱、平均坡降、流域面積等特性的數(shù)據(jù)即為屬性數(shù)據(jù)。

水利GIS的數(shù)據(jù)類型按內(nèi)容特性及主要功能可以分為地理基礎(chǔ)信息、數(shù)字地面模型信息、專題信息。在水利GIS系統(tǒng)中，通過地形圖或遙感手段獲取的交通、居民地、行政區(qū)劃等信息即為該系統(tǒng)的地理基礎(chǔ)信息，為專題信息提供定位與控制的基礎(chǔ)；由地面高程點構(gòu)建而成的DEM及由此導(dǎo)出其他地形因子（坡度、坡向）即為系統(tǒng)的數(shù)字地面模型信息，為地表的水文分析提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。在水利GIS系統(tǒng)中，專題信息在水利GIS中是最重要的一部分，組成專題信息的空間數(shù)據(jù)主要分為矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)，部分系統(tǒng)中有三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、TIN。水利GIS的數(shù)據(jù)主要體現(xiàn)為如下幾種形式：以地形圖為內(nèi)容的地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫（矢量數(shù)據(jù)）；以水利專題地理信息為內(nèi)容的專題地理數(shù)據(jù)庫（矢量數(shù)據(jù)）；以遙感圖像數(shù)據(jù)為內(nèi)容的影像數(shù)據(jù)庫（柵格數(shù)據(jù)）；以DEM為內(nèi)容的數(shù)字地面模型數(shù)據(jù)庫（柵格數(shù)據(jù)）；以地理統(tǒng)計數(shù)據(jù)、相關(guān)屬性數(shù)據(jù)為內(nèi)容的專題屬性數(shù)據(jù)庫（屬性數(shù)據(jù)）。

以上幾部分不是獨立的，而是緊密相關(guān)的，所有空間數(shù)據(jù)（包括矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)）都有相同的地理參考，屬性數(shù)據(jù)則緊密地與空間數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。

2 水利GIS的數(shù)據(jù)組織與管理

獲取上述相關(guān)類型數(shù)據(jù)后，如何將其有效的組織與管理是水利GIS研究的一個重要問題。GIS空間數(shù)據(jù)管理模式有如下幾種：文件管理系統(tǒng)、文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理系統(tǒng)、全關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、對象——關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。其中文件管理系統(tǒng)早已棄用，文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理系統(tǒng)也因功能較弱，特別是在數(shù)據(jù)的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制以及數(shù)據(jù)損壞后的恢復(fù)方面缺乏基本的功能也已棄用，現(xiàn)在對象——關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)已基本發(fā)展成熟。如ARCGIS8.0以來采用的面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)模型——地理數(shù)據(jù)庫，它支持復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)、關(guān)系和其他面向?qū)ο蟮奶卣?，使GIS定義的對象與客觀世界更為接近，為增強(qiáng)GIS空間分析系統(tǒng)功能提供了可能，并且支持“長事務(wù)處理”，很好的解決了數(shù)據(jù)的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制等問題。

因此在水利GIS系統(tǒng)建設(shè)中，采取何種數(shù)據(jù)模型及管理系統(tǒng)關(guān)系到系統(tǒng)功能的能否全面實現(xiàn)及系統(tǒng)生命力能否持久等關(guān)鍵問題?，F(xiàn)在也主要采用“對象——關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)”或“面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)”來管理系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)。

3 水系數(shù)據(jù)的表示

水系中主要包括河流、湖泊、水庫及相關(guān)的附屬建筑物。下面以河流為例進(jìn)行說明。

河流是水利GIS系統(tǒng)的重要組成部分，在GIS系統(tǒng)中，可以從多個方面來考慮怎樣給河流這一特征建模：一是作為水流網(wǎng)絡(luò)中的一組邊（忽略河流的具體形狀）每條邊均有流向、坡降、體積和其他河流的屬性。該網(wǎng)絡(luò)模型可以進(jìn)行水文分析或水運交通分析；二是作為兩個地區(qū)的邊界，一條河流可以作為國家、省的邊界線，也可以作為如野生動物居住地的分界線的自然分界線；三是作為一個具體的帶有河堤、航道、水閘等的河流實體，為具體研究某一河流提供詳細(xì)的資料；四是作為地表高程模型中形成水流的一條曲線，從該模型中可以計算河流的剖面、坡降等；可以生成集水流域和水流網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。從上可知，具體的河流數(shù)據(jù)組織要由GIS系統(tǒng)的應(yīng)用目的而決定，沒有哪一種模型是最優(yōu)的。下面討論基于河段的數(shù)據(jù)組織。

在一個集雨區(qū)內(nèi)由相互聯(lián)通的河流組成的網(wǎng)絡(luò)成為水系，河段是在兩匯合點之間或在一個匯合點和源頭之間，或者通過人工改變（如整治與非整治、百年一遇與五十年一遇）而造成現(xiàn)狀不同的的一段河流。河段是水系的基本元素，可以作為河流信息的載體。從圖論的角度看，基于河段的水系網(wǎng)絡(luò)便構(gòu)成一個圖：G=(V,E)。

式中：V—為河段的集合；E—為河段之間的關(guān)系，可以表示為：E={Vi,Vj｜Vi是Vj的直接下游河段｝。

由于河網(wǎng)結(jié)構(gòu)大部分不存在回路，圖G便呈現(xiàn)為樹結(jié)構(gòu)。這樣建立起來的水流網(wǎng)絡(luò)模型便可以進(jìn)行水文分析或水運交通分析。水系數(shù)據(jù)的表示方法依賴于不同的GIS系統(tǒng)使用目的，因此統(tǒng)一數(shù)據(jù)類型如何在系統(tǒng)中表示，需要根據(jù)系統(tǒng)的基本目標(biāo)來分析。

4 水利Web-GIS的數(shù)據(jù)組織

Web-GIS是指基于Internet平臺、客戶端應(yīng)用軟件采用WWW協(xié)議運行在萬維網(wǎng)上的地理信息系統(tǒng)。Web-GIS趨向于采用“分布式服務(wù)體系結(jié)構(gòu)”，即在客戶機(jī)與服務(wù)器之間的進(jìn)程分布式處理，把數(shù)據(jù)量集中的任務(wù)放在服務(wù)器上，其他如查詢集的選定、按比例縮放地圖等任務(wù)則放在客戶機(jī)上，這種分布式服務(wù)體系結(jié)構(gòu)使用的數(shù)據(jù)即可是本地的也可是分布的數(shù)據(jù)，使傳統(tǒng)的GIS向分布式GIS轉(zhuǎn)變。在分布式Web-GIS系統(tǒng)中，服務(wù)器端是一個局域網(wǎng)內(nèi)的工作組，由多個計算機(jī)協(xié)同提供服務(wù)，服務(wù)器不再訪問一個集中的數(shù)據(jù)庫，而訪問分布式的數(shù)據(jù)庫，但是數(shù)據(jù)和服務(wù)在服務(wù)器端的分布狀況對客戶端是透明的，用戶不需了解數(shù)據(jù)的分布狀況。

基于以上觀點，對于區(qū)域性的水利GIS系統(tǒng)而言，其Web-GIS的數(shù)據(jù)組織方式應(yīng)趨向于分布式的數(shù)據(jù)組織，即將主要的數(shù)據(jù)放在主服務(wù)器上，一部分?jǐn)?shù)據(jù)可以放在基層的服務(wù)器上。當(dāng)客戶請求的數(shù)據(jù)在本地時，僅需訪問本地服務(wù)器，當(dāng)客戶請求的數(shù)據(jù)不在本地時，可以通過訪問上一級服務(wù)器找到相應(yīng)數(shù)據(jù)存貯的地址，再訪問該數(shù)據(jù)服務(wù)器。分布式的數(shù)據(jù)組織有以下優(yōu)點：一是大大提高網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)速度，對服務(wù)器來講，不是所有的數(shù)據(jù)請求集中在一起，而是分散到各個服務(wù)器；二是傳統(tǒng)的集中式的數(shù)據(jù)管理，受時間和空間的限制，數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性得不到保證，分布式的數(shù)據(jù)組織數(shù)據(jù)的獲得與更新可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，使信息可以進(jìn)行實時的更新。

5 結(jié)語

針對水利GIS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)組織進(jìn)行了有關(guān)探討，研究了建立應(yīng)用型水利GIS系統(tǒng)時的關(guān)鍵技術(shù)。成功的GIS系統(tǒng)必須要有良好的數(shù)據(jù)組織，在建立系統(tǒng)之前，要充分分析現(xiàn)有的數(shù)據(jù)及可獲取的數(shù)據(jù)的類型，結(jié)合系統(tǒng)的功能分析應(yīng)采用的數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，考慮具體的數(shù)據(jù)如何表示，對于水利Web-GIS主要分析其服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的采用。

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