基于Geodatabase 的礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫的設(shè)計*

高 佳

(西安科技大學(xué) 期刊中心，陜西 西安710054)

0 引 言

由于礦區(qū)特殊的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、降雨和人類經(jīng)濟活動等因素，導(dǎo)致礦區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害問題較為突出。據(jù)相關(guān)專業(yè)調(diào)查表明，礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害以滑坡、崩塌、泥石流為主，而這些地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生會嚴(yán)重威脅到人民的生命財產(chǎn)安全。隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，各地政府部門及當(dāng)?shù)厝罕娨查_始提高對地質(zhì)災(zāi)害的重視程度。礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的管理有助于減災(zāi)工作的開展，世界一些煤炭資源發(fā)達的國家，也都很關(guān)注對災(zāi)害數(shù)據(jù)的搜集整理以及對災(zāi)害數(shù)據(jù)庫的建設(shè)等相關(guān)問題的研究。

中國煤炭資源豐富，煤炭資源分布面積約60多萬平方公里，占國土面積的6%. 作為煤炭生產(chǎn)大國，礦區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害問題也十分嚴(yán)重，發(fā)生頻率高，災(zāi)害損失也隨之增加，但是對地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫的信息管理研究相對缺乏，如今國內(nèi)大都采用人工檔案管理的方式，信息檢索查詢不便，以至于礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的防治工作不能有序進行［1-2］。有些地區(qū)的國土資源部門也開始建立部分地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫，但是一般的數(shù)據(jù)庫管理不能形象、快速地反饋災(zāi)害信息和相關(guān)情況，如果在GIS 的技術(shù)下建立一個地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)庫，通過發(fā)揮GIS 的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)災(zāi)情的有效監(jiān)控，就可以大大提高防災(zāi)減災(zāi)工作的效率［3］。

目前，對礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)資料的調(diào)查有助于對地質(zhì)災(zāi)害信息進行科學(xué)有效管理，為今后建立礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)庫的建立做好儲備，一個標(biāo)準(zhǔn)、完善的數(shù)據(jù)庫對建立一個災(zāi)害信息系統(tǒng)有重要意義，所以對數(shù)據(jù)庫進行合理設(shè)計和建立也是至關(guān)重要的［4-6］。文中就以礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害作為研究對象，詳細討論幾種常見地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程，從數(shù)據(jù)庫設(shè)計理論和方法的角度介紹了基于Geodatabase 的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方法［7-9］。

1 礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫的適用性分析

1.1 地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)類型

一般外業(yè)人員進行野外現(xiàn)場調(diào)查時，對于地質(zhì)災(zāi)害點及災(zāi)害隱患點大都使用手持GPS 衛(wèi)星定位儀，加上羅盤和皮尺來確定地質(zhì)災(zāi)害點的平面位置，再用測繩、皮尺實地測量災(zāi)害體的規(guī)模，確定地質(zhì)災(zāi)害點的平面位置。內(nèi)業(yè)人員則通過遙感影像，搜集相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)。針對野外調(diào)查表的調(diào)查數(shù)據(jù)，室內(nèi)進行整理后，每個災(zāi)害點要進行統(tǒng)一編號，為的是要與數(shù)據(jù)庫進行關(guān)聯(lián)，以便更方便地入庫儲存。另外還要收集相關(guān)圖面資料，有區(qū)域地質(zhì)概況、遙感影像圖、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃，礦區(qū)的地形地質(zhì)圖，更確切的還包括行政區(qū)劃水系、交通、境界、居民地、地形等高線等地理地形圖層和工程地質(zhì)巖組界線、構(gòu)造、產(chǎn)狀等地質(zhì)圖層，以及各災(zāi)種的拍攝照片，實際位置、范圍、程度等資料，以上這些數(shù)據(jù)經(jīng)過整理，實際上就是分為3 種種類的數(shù)據(jù)［10］。它們是

1)空間數(shù)據(jù)圖，包括有地質(zhì)圖、專業(yè)圖層、地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃圖、災(zāi)害隱患點分布圖、災(zāi)害隱患點預(yù)案圖等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù);

2)屬性數(shù)據(jù)，它是主要反映地質(zhì)災(zāi)害點的主要性質(zhì)和特征，這里包括災(zāi)種的基本情況、穩(wěn)定性、發(fā)生的原因、發(fā)生的規(guī)律、監(jiān)測情況及防災(zāi)預(yù)案信息等;

3)多媒體數(shù)據(jù)，這方面數(shù)據(jù)也起到至關(guān)重要的作用，它包括有柵格圖片，實地拍攝的照片或錄像、電子表格、純文本等文件類型。

1.2 GIS 的優(yōu)勢

GIS(地理信息系統(tǒng))是融計算機圖形和數(shù)據(jù)庫于一體，用來儲存和處理空間數(shù)據(jù)信息的一門技術(shù)，它可以應(yīng)用于很多行業(yè)，它將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行有機結(jié)合，根據(jù)實際需求，將這些圖形信息等快捷、形象地輸出，還能進行各種分析。

針對礦區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害野外調(diào)查的各項數(shù)據(jù)，通過災(zāi)害點地理坐標(biāo)投影到地形圖、遙感影像圖之上，然后結(jié)合野外收集到的調(diào)查報告等數(shù)據(jù)進行繪制，編制出各種地質(zhì)災(zāi)害專題圖件，如地質(zhì)災(zāi)害分布圖等，再添加各自的屬性信息，通過對這些信息的錄入或轉(zhuǎn)化存儲于GIS 數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)各種圖、數(shù)據(jù)的檢索、編輯、輸出、分析等功能，做到圖文互訪，以便進行災(zāi)害分析和管理，以及今后的二次開發(fā)利用。

2 數(shù)據(jù)庫詳細設(shè)計

2.1 相關(guān)技術(shù)

2.1.1 Geodatabase 模型

Geodatabase 是建立在RDB 上的一種現(xiàn)代地理信息數(shù)據(jù)模型，它為ArcGIS 管理和使用地理數(shù)據(jù)提供了管理框架和數(shù)據(jù)接口。其中還定義了空間數(shù)據(jù)管理的方式，如數(shù)據(jù)類型、顯示、訪問、存儲、管理和處理的方法等［11-13］。

Geodatabase 空間數(shù)據(jù)模型是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的擴展來設(shè)計的，與一些常用的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫可以兼容。Geodatabase 按照數(shù)據(jù)對象來組織地理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對象包括有對象類(0bjects)、要素類(Feature Class)和要素數(shù)據(jù)集(Feature Dataset)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 Geodatabase 數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)Fig.1 Geodatabase data structure

2.1.2 空間數(shù)據(jù)引擎

空間數(shù)據(jù)引擎(ArcSDE)技術(shù)是用來解決如何在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中存儲空間數(shù)據(jù)，建立空間數(shù)據(jù)服務(wù)器的方法［14-15］。ArcSDE 是ArcGIS 與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(RDB)之間的GIS 通道，允許用戶在多種數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中管理地理信息，并使所有的ArcGIS 應(yīng)用程序都能夠使用這些數(shù)據(jù)。由于ArcSDE 采用的是C/S體系結(jié)構(gòu)，所以眾多用戶可以同時并發(fā)訪問和操作同一數(shù)據(jù)［16］。

ArcGIS 就是通過ArcSDE 來管理和應(yīng)用Geo-Database 數(shù)據(jù)。

礦山地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫設(shè)計包括了空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計和屬性數(shù)據(jù)庫設(shè)計，其大致的設(shè)計流程如圖2 所示，下文中將分別對空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫進行詳細設(shè)計。

圖2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計流程圖Fig.2 Database design flowchart

2.2 空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計

圖3 數(shù)據(jù)庫整體框架圖Fig.3 Overall framework of the database

2.2.1 矢量數(shù)據(jù)收集

1)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù):這部分?jǐn)?shù)據(jù)作為礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)的一個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，能幫助操作用戶對某個災(zāi)種的情況進行管理，它主要可以分為點、線、面;

2)調(diào)查災(zāi)害點數(shù)據(jù):對于這部分?jǐn)?shù)據(jù)是信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫里最重要的部分，通過外業(yè)的野外調(diào)查和實地勘察，走訪、測量、遙感判釋等，將災(zāi)害點數(shù)據(jù)收集完整，從而完成數(shù)據(jù)入庫的工作。

2.2.2 柵格數(shù)據(jù)收集

柵格數(shù)據(jù)一般收集到的主要是遙感影像圖，例如TM 影像或SPOT 影像。為了更精確地了解礦區(qū)災(zāi)害點的分布特征，還能收集災(zāi)害點平剖面素描圖，不過這部分?jǐn)?shù)據(jù)一般比較少。

以上矢量和柵格數(shù)據(jù)構(gòu)成了礦山地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)底圖數(shù)據(jù)庫(見圖3)。

對于空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系，是我們在設(shè)計數(shù)據(jù)庫過程中必須考慮的重要問題，為以后數(shù)據(jù)庫操作的快捷和方便，設(shè)計表時，給圖形數(shù)據(jù)表和屬性數(shù)據(jù)表里各設(shè)置一個字段，且不能為空值，通過兩者之間的這個唯一的字段來將各個表關(guān)聯(lián)起來?，F(xiàn)舉例說明礦區(qū)內(nèi)的工業(yè)廣場和高程點之間的邏輯關(guān)系，如圖4 所示，給工業(yè)廣場和高程點都要設(shè)置一個唯一的編號，即字段。作為點要素類的高程點信息表，其主鍵高程點唯一編號字段將作為其他三張表的決定性字段，以此建立表之間的聯(lián)動關(guān)系。

圖4 數(shù)據(jù)庫表間關(guān)系Fig.4 Relationship between different tables

2.3 屬性數(shù)據(jù)庫設(shè)計

屬性數(shù)據(jù)也就是非空間數(shù)據(jù)，是對地理實體的一種詳盡描述，它是一種特征數(shù)據(jù)，是不同于我們所說的空間數(shù)據(jù)(圖形數(shù)據(jù))［17］。礦山地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫里的屬性數(shù)據(jù)庫主要包含的是與空間要素相關(guān)聯(lián)的不同的屬性表。這些表就足以反映地質(zhì)災(zāi)害的特征、影響、穩(wěn)定性、歷史情況、預(yù)案等信息，需要通過信息錄入將其存儲到數(shù)據(jù)庫里，以便查詢和檢索。

礦區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害有滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫、地表塌陷等，對各個地質(zhì)災(zāi)害點現(xiàn)場調(diào)查走訪，收集各類圖件、照片、文件資料等，最后錄入到屬性數(shù)據(jù)庫中。

由于礦區(qū)各個災(zāi)種的收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)十分繁雜，限于篇幅，文中僅以概括的方式介紹表及表結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程。根據(jù)我們對滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫、地表塌陷等地質(zhì)災(zāi)害進行的預(yù)測，建立起一些預(yù)測所需的因子，組成屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表，見表1.地質(zhì)災(zāi)害點的屬性數(shù)據(jù)主要包括統(tǒng)一編碼、坐標(biāo)、經(jīng)緯度等。

表1 屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表Tab.1 Attribute data structure

3 礦山地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫的建立

礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫采用的是ArcSDE Geodatabase，實際就是將礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存儲在ArcSDE Geodatabase 數(shù)據(jù)庫中［10］，在這里形成了各種要素類、柵格數(shù)據(jù)集、屬性表以及表之間的各種關(guān)系。

3.1 礦山地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫的連接

礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)的建立要想成功，最關(guān)鍵就是空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫的連接工作，如果屬性表和空間圖層數(shù)據(jù)之間不能建立起連接關(guān)系，信息不能查詢，系統(tǒng)就沒有任何意義了。

要連接空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫，就要通過統(tǒng)一的編碼來完成。但是地質(zhì)災(zāi)害編碼并非沒有標(biāo)準(zhǔn)，針對系統(tǒng)的要求，進行代碼的統(tǒng)計，使其真正發(fā)揮橋梁的作用，能將空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫完美連接。

地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)信息代碼包括行政區(qū)編碼和災(zāi)害體本身信息分類編碼兩部分［18］。前者標(biāo)志了災(zāi)害體所在行政區(qū)的具體位置，便于按行政區(qū)查詢;后者標(biāo)志了災(zāi)害體本身的類型等屬性信息，便于按災(zāi)害體屬性信息條件查詢，如圖5 所示。例如我們給陜西省銅川市王益區(qū)進行信息編碼，其行政區(qū)劃國際代碼是610202，該區(qū)某一個災(zāi)種事滑坡，我們設(shè)置滑坡為01，野外調(diào)查點編號是0028，則此災(zāi)害點的編碼就是610202010028.

圖5 編碼結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Code structure diagram

3.2 空間數(shù)據(jù)庫的建立

3.2.1 數(shù)據(jù)檢查

野外調(diào)查所得資料大都是紙質(zhì)圖紙，內(nèi)業(yè)人員還需通過電子掃描儀等設(shè)備將其掃描到計算機中，再經(jīng)過矢量化或圖形校正等途徑將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，只有數(shù)字信息才能儲存到數(shù)據(jù)庫里。不過有的數(shù)據(jù)就是電子地圖的形式，可以直接通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換錄入，這樣的話節(jié)省了不少時間。

數(shù)據(jù)檢查是數(shù)據(jù)入庫前的必要工作，對不同類型的內(nèi)容要實際情況實際對待。

3.2.2 數(shù)據(jù)編輯與處理

收集到的有數(shù)據(jù)被稱為原始數(shù)據(jù)有的必須要經(jīng)過處理和編輯才能將其輸入到數(shù)據(jù)庫中保存。不同數(shù)據(jù)源處理的方式也不同。

Geodatabase 空間數(shù)據(jù)庫的建立依賴于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。我們可以選擇SQL Server 2000，ArcSDE則選擇ArcSDE for SQL Server.在Geodatabase 模型空間數(shù)據(jù)庫里，用ArcCatalog 建立一個全新的數(shù)據(jù)庫，使用ArcGIS 中的Feature Class to Geodatabase和Raster to Geo-database 功能將基礎(chǔ)地理相關(guān)數(shù)據(jù)通過ArcSDE 統(tǒng)一存儲到SQL Server 2000 中，或是將已經(jīng)擁有的shape 數(shù)據(jù)等，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到Geodatabase 地理數(shù)據(jù)庫中。

礦山地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫依托于礦山地質(zhì)災(zāi)害信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助于ArcGIS 軟件，利用Arc-Catalog 建立本地Geodatabase(Personal Geodatabase)，Personal Geodatabase 容量比較大，使用起來更方便靈活。礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)都不是大型數(shù)據(jù)，所以Geodatabase 完全可以滿足其容量［7］。

3.3 屬性數(shù)據(jù)庫的建立

屬性數(shù)據(jù)收集整理完畢后就是對數(shù)據(jù)的編輯輸入工作，最后再將數(shù)據(jù)放在Access 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)內(nèi)，作為礦山地質(zhì)災(zāi)害查詢、統(tǒng)計的依據(jù)。

屬性數(shù)據(jù)的編輯輸入工作就是將收集到的屬性數(shù)據(jù)存入一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，作為今后對災(zāi)情查詢和分析的依據(jù)，我們選用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Microsoft Access 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來存儲屬性。

4 結(jié) 論

文中結(jié)合ArcGIS 的Geodatabase 數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)庫設(shè)計理論對礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害信息數(shù)據(jù)庫進行了詳細的設(shè)計和建立，所建立的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫，可以從中提取信息，并利用數(shù)據(jù)庫的分析功能，得出評價結(jié)果，做到多種格式的數(shù)據(jù)一體化集成管理，可以對災(zāi)區(qū)進行分類，對不同易發(fā)程度或危險程度的地區(qū)進行規(guī)劃和管理。礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫的建立可以在很大范圍內(nèi)做到數(shù)據(jù)共享，減少數(shù)據(jù)冗余，使相關(guān)部門能夠站在一個更高的角度和技術(shù)層面對與災(zāi)害相關(guān)的工作進行統(tǒng)籌規(guī)劃，提高在防災(zāi)減災(zāi)方面的工作能力。

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