白龍江流域泥石流災害空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計與實現(xiàn)

信永波　田菲

摘要 以建設(shè)白龍江流域泥石流災害空間數(shù)據(jù)庫為目標，在對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)整理分析的基礎(chǔ)上，通過概念設(shè)計、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)據(jù)庫建設(shè)3個步驟說明了泥石流災害空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計流程，并采用了ArcGIS Diagrammer工具建立UML模型完成泥石流數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。

關(guān)鍵詞 泥石流；GIS；空間數(shù)據(jù)庫

中圖分類號 S431.9 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）20-243-03

Abstract Based on the analysis of existing data，with the goal of construction of the debris flow Geodatabase of Bailong River basin，through the three steps of conceptual design，logic structure design and database construction to illustrate the design process of debris flow Geodatabase，and use ArcGIS Diagrammer tools to build UML model of the Geodatabase.

Key words Debris flow； GIS；Spatial database

泥石流是一種含有大量泥沙石塊等固體物質(zhì)，暴發(fā)突然，歷時短暫，具有強大破壞力的特殊洪流[1]。白龍江流域位于甘肅省南部，是甘肅省泥石流災害最為嚴重的區(qū)域。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)尚在活動的泥石流溝有1 074余處，嚴重威脅著人民群眾的生命財產(chǎn)安全。作為一種典型的地質(zhì)災害現(xiàn)象，泥石流有其固有的屬性、方法及事件特征[2]。收集白龍江泥石流災害數(shù)據(jù)并進行管理和分析，對該地區(qū)防災減災具有重要意義。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理方式存在管理方式單一、信息處理速度慢、難以共享等局限，不利于數(shù)據(jù)的高效利用，因此需要強大的空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的支持。地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）具備強大的空間數(shù)據(jù)管理、空間分析以及與專業(yè)模型集成等功能，為研究泥石流提供了很好的解決方案和獨特的研究方法[3]。ESRI公司的ArcGIS軟件提出的Geodatabase空間數(shù)據(jù)模型是一種以關(guān)系數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，面向?qū)ο蟮男碌臄?shù)據(jù)模型，支持多種數(shù)據(jù)格式。采用該模型可將與泥石流相關(guān)的多種格式數(shù)據(jù)融合到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫支持下的空間數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)一管理，有利于提高數(shù)據(jù)資源的管理和利用效率。

1 現(xiàn)有數(shù)據(jù)情況及數(shù)據(jù)庫建設(shè)需求

1.1 數(shù)據(jù)概況

研究區(qū)范圍是32°36′～34°24′ N，103°00′～105°30′ E。通過收集和整理該地區(qū)地質(zhì)災害調(diào)查與歷史勘測成果，得到關(guān)于研究區(qū)的數(shù)據(jù)如下：地形圖、ASTER GDEM、 Landsat 7影像、地質(zhì)圖、滑坡點位置數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、多年降雨暴雨數(shù)據(jù)（表1）。

通過表1可知，泥石流數(shù)據(jù)來源多樣，可分為環(huán)境數(shù)據(jù)、屬性特征數(shù)據(jù)、影響因子數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)等。環(huán)境數(shù)據(jù)包括泥石流溝的地理空間位置、人口交通等基礎(chǔ)地理信息；基本特征數(shù)據(jù)包括泥石流溝谷的基本形態(tài)屬性數(shù)據(jù)；影響因子數(shù)據(jù)是與空間要素關(guān)聯(lián)的屬性表，反映著影響泥石流的各類因素；多媒體數(shù)據(jù)包括柵格圖像、影片、電子文檔等類型，是空間數(shù)據(jù)庫的重要補充。

從數(shù)據(jù)的格式看，包括矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、文本表格和多媒體數(shù)據(jù)等，為提高多源數(shù)據(jù)的利用效率，需要采用數(shù)據(jù)庫來管理?？紤]到泥石流災害具有空間性，因此采用空間數(shù)據(jù)庫管理較為妥當。

1.2 數(shù)據(jù)庫建立的需求

1.2.1 完整性的需求。

由于數(shù)據(jù)格式眾多，應保證對錄入數(shù)據(jù)設(shè)定類型及取值范圍以保證數(shù)據(jù)的完整性；各種災害數(shù)據(jù)間聯(lián)系的正確性，相同數(shù)據(jù)在不同記錄中具有一致性。

1.2.2 安全性的需求。需要根據(jù)人員設(shè)定不同的權(quán)限，通過使用密碼控制功能對用戶使用權(quán)限加以限制。數(shù)據(jù)庫需要為不同的角色設(shè)置標簽確定是否有權(quán)限訪問。對不同層次的數(shù)據(jù)設(shè)定不同的訪問層次。

2 概念設(shè)計

概念設(shè)計將用戶需求及數(shù)據(jù)需求抽象為開發(fā)人員及用戶能理解的概念模型，通過對信息世界進行建模，得到實體-關(guān)系圖（E-R圖）。筆者以白龍江流域的泥石流溝為基本單元，得到泥石流災害空間數(shù)據(jù)庫的E-R圖（圖1）。可見，泥石流溝的主表與多媒體記錄表之間，主表與防災預案之間存在一對多的關(guān)系[4]。

3 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的任務是將概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段所得到的概念模型轉(zhuǎn)換為具體數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所能支持的數(shù)據(jù)模型（即邏輯結(jié)構(gòu)），并對其進行優(yōu)化。筆者采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫支持下的 Geodatabase模型，設(shè)計完成的結(jié)果是一組關(guān)系模式集合。

3.1 泥石流災害的編碼設(shè)計

Geodatabase中泥石流溝的屬性數(shù)據(jù)從屬于相應的空間位置，即泥石流主表對應于空間的一個泥石流溝。要實現(xiàn)泥石流的基本特征、自然環(huán)境、影響因素、防災預案等屬性表與滑坡主表的關(guān)聯(lián)，必須有唯一標識的編碼實現(xiàn)上述表之間的連接（圖2）。

3.2 屬性庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

將數(shù)據(jù)庫中泥石流表進行分解，形成與泥石流溝“唯一編號”連接的一套關(guān)系表，實現(xiàn)屬性庫的高效存取。在數(shù)據(jù)庫中，泥石流研究對象與主表實現(xiàn)連接，其他的泥石流屬性表通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫的連接操作即可實現(xiàn)泥石流主表與基本特征、環(huán)境條件、影響因素等屬性表的連接[5]。下面得到轉(zhuǎn)換后的泥石流屬性數(shù)據(jù)庫關(guān)系模型，關(guān)聯(lián)的碼用實線標出，外鍵用虛線標出。

泥石流主表（唯一編號，溝谷名稱，泥石流類型，室內(nèi)編號，空間位置，…）；基本特征 （編號，唯一編號，面積，周長，高差，坡度，規(guī)模等級，…）；

環(huán)境條件（編號，唯一編號，居民地數(shù)，人口，水系，道路，…）；

影響因素（編號，唯一編號，地形因素，降水，滑坡密度，植被覆蓋，松散堆積物含量，土地利用，…）；

監(jiān)測與防治（編號，唯一編號，監(jiān)測站點號，防治建議，負責人，電話，…）。

以上各個屬性表中，各子表通過“唯一編號”這個主鍵實現(xiàn)了相互之間的連接。如果將所有的泥石流的各屬性數(shù)據(jù)存儲在一個表中，數(shù)據(jù)冗余度較大不利于統(tǒng)計分析時的效率；通過對屬性表的分解，將原來的一個關(guān)系表分解為若干內(nèi)容不同的關(guān)系表，在進行數(shù)據(jù)庫查詢和更新時效率更高而且符合數(shù)據(jù)庫設(shè)計的要求。

4 空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)

由于災害數(shù)據(jù)具有空間屬性和多種格式的特點，需要采用空間數(shù)據(jù)庫的方式存儲。空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)通常是通過ArcSDE把空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)按一定的策略存儲在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，構(gòu)成數(shù)據(jù)庫的要素類、柵格數(shù)據(jù)集、屬性表以及表

之間的各種關(guān)系[6]，當前比較流行的空間數(shù)據(jù)庫模型為ESRI的Geodatabase。

4.1 空間數(shù)據(jù)的存儲方案

Geodatabase采用標準關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)來表現(xiàn)地理信息，在Geodatabase中，數(shù)據(jù)按要素類（Feature Class）、對象類（Object Class）、關(guān)系類（Relationship Class）和要素數(shù)據(jù)集（Feature Dataset）進行組合[7]。目前GIS軟件開發(fā)過程中建立空間數(shù)據(jù)庫一般采用國內(nèi)外GIS廠商提供的中間件加商業(yè)數(shù)據(jù)庫，如ArcSDE加數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，或者直接采用數(shù)據(jù)庫廠商提供的空間數(shù)據(jù)庫擴展模塊，如Oracle Spatial、Spatial Extender、PostgreSQL提供的PostGIS擴展等[8]。綜合比較后，筆者采用ArcSDE+SQL Server的方案管理空間數(shù)據(jù)。

4.2 利用ArcGIS Diagrammer工具實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

根據(jù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計的方案，利用ArcGIS Diagrammer工具構(gòu)建空間

數(shù)據(jù)庫的UML靜態(tài)模型圖（圖3）。在ArcGIS Diagrammer工具中建立各個地理空間數(shù)據(jù)表，創(chuàng)建字段，設(shè)計字段類型，

設(shè)置主鍵，建立表與表之間的關(guān)系，把建好的模型轉(zhuǎn)化為XML 數(shù)據(jù)，通過ArcCatalog引入XML轉(zhuǎn)化為Geodatabase數(shù)據(jù)模型，完成泥石流災害數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計（圖4），然后可將已有的或按照設(shè)計的結(jié)構(gòu)整理的數(shù)據(jù)導入空間數(shù)據(jù)庫（圖5），完成空間數(shù)據(jù)庫的存儲。

5 結(jié)論與討論

筆者研究了泥石流災害空間數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，得出了泥石流災害數(shù)據(jù)概念模型圖，在設(shè)計過程中提出了空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的整合方式，使用ArcGIS Diagrammer工具創(chuàng)建了泥石流災害空間數(shù)據(jù)庫模型。綜上所述，基于Geodatabase數(shù)據(jù)模型創(chuàng)建空間數(shù)據(jù)庫，可以通過分解屬性表的方法，采用主鍵將各表聯(lián)系在一起，以便于提高效率。同時可采用UML靜態(tài)模型圖展現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫對象之間的復雜關(guān)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型設(shè)計的可視化。目前，泥石流災害空間數(shù)據(jù)已進入初步應用階段中。由于地質(zhì)災害數(shù)據(jù)的復雜性，空間數(shù)據(jù)庫模型有待進一步完善。

參考文獻

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