基于GIS山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫設計與實現(xiàn)

賀磊,劉亞靜,劉童

(華北理工大學 礦業(yè)工程學院，河北 唐山，063210)

生態(tài)資源是當今社會一個重要的領域，其重要性不言而喻，所以要對生態(tài)資源實現(xiàn)實時的監(jiān)測、有效的管理是十分有必要的。有很多科研人員對生態(tài)資源信息化進行了研究，何利在濕地生態(tài)資源中對生態(tài)資源價值構成進行分析，從生態(tài)資源資產與生態(tài)資源產品這兩個方面對自然生態(tài)資源進行價值評估[1]。賀志新通過構建基于RDBMS數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了對海洋生態(tài)資源損害的管理[2]。武愛彬通過建立生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對研究區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價的研究[3]。武漢大學的劉武瓊搭建了河北省生態(tài)資源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，從而能夠對河北省生態(tài)環(huán)境資源信息化，提高了對河北省生態(tài)資源信息的高效利用[4]。張以寧對河北省內城市園林樹木信息建立空間內數(shù)據(jù)庫，從而構建了河北省城市園林樹木網(wǎng)絡專家系統(tǒng)，實現(xiàn)了對園林樹木資源的高效性查詢[5]。前人的研究大多數(shù)是在省級尺度下的生態(tài)資源信息或山區(qū)生態(tài)資源中具體的一類資源信息的建立，沒有真正具體到山區(qū)領域及相應尺度，使得山區(qū)生態(tài)資源信息不夠全面。而山區(qū)作為一個情況比較復雜的區(qū)域，對其生態(tài)資源的信息化管理是十分有必要的。山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)是對山區(qū)生態(tài)資源中空間實體的地理信息的描述，例如空間實體的位置以及形狀等數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)的來源通常是外業(yè)測量、遙感數(shù)據(jù)以及GPS等，其中包括矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)[6]。在空間數(shù)據(jù)管理方面，由于空間數(shù)據(jù)的特殊性與復雜性，對于空間數(shù)據(jù)的管理出現(xiàn)了很多不同的管理方式，經(jīng)前人研究發(fā)現(xiàn)，面向對象的空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是最適合空間數(shù)據(jù)的表達和管理。管理者可以根據(jù)需求來定義出合適的數(shù)據(jù)結構和操作[7]。通過以ArcSDE為核心的山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫的構建，可以將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)集成并且將數(shù)據(jù)存儲到SQL Server等關系型數(shù)據(jù)庫中，這樣可以進行空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的高效操作的數(shù)據(jù)庫服務[8]。從而實現(xiàn)了高度集成化的空間數(shù)據(jù)庫，為后期對山區(qū)生態(tài)資源信息化管理系統(tǒng)的開發(fā)提供數(shù)據(jù)庫技術上的支持。

1 山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫建設分析與內容

1.1 需求分析

現(xiàn)如今的GIS技術發(fā)展迅速，在實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理這一方面有巨大優(yōu)勢，并且能夠對空間數(shù)據(jù)進行存儲、檢索、分析等操作。然而對山區(qū)各類生態(tài)資源的地理空間數(shù)據(jù)進行管理時，需要使用的是小尺度地理空間數(shù)據(jù)庫，缺乏高效率的空間數(shù)據(jù)管理方法與途徑。特別是近年來，隨著社會對生態(tài)資源的日益重視，傳統(tǒng)的生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫與山區(qū)的生態(tài)資源信息化建設需求間的矛盾日漸顯現(xiàn)。由于山區(qū)生態(tài)資源相對復雜，山區(qū)生態(tài)資源管理者要求對山區(qū)生態(tài)資源的分類更加詳細，并建立起山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對山區(qū)生態(tài)資源的空間分析以及可視化管理功能。通過各種空間分析方法確定出空間實體之間的相互關系，進而可以得出在一定區(qū)域內的空間信息的分布和變化過程，甚至可以挖掘出其潛在的信息[9]，以實現(xiàn)山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的融合與展示。因此需要設計符合山區(qū)實際生態(tài)資源需求的地理空間數(shù)據(jù)庫。

1.2 山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫建設內容

隨著全國各地的工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程的加快，生態(tài)系統(tǒng)所承擔的壓力迅速增大[10]。建立山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫可以對山區(qū)生態(tài)資源實現(xiàn)科學管理，充分發(fā)揮出山區(qū)的生態(tài)優(yōu)勢。其中我國山區(qū)生態(tài)資源最大優(yōu)勢是礦產、森林、水資源相對豐富，對社會的發(fā)展有著重要的作用[11]。為了能有效地管理山區(qū)生態(tài)資源數(shù)據(jù)，更好地實現(xiàn)對山區(qū)各類生態(tài)資源的統(tǒng)一管理和相應評價，使用數(shù)據(jù)庫及空間信息技術是一種高效可行的技術方法。建立山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫首先掌握山區(qū)生態(tài)資源的組成及分類，在統(tǒng)一的規(guī)范和標準下，合理設計符合規(guī)范的存儲結構，建立山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫結構。其次完成戶外調研以及基本數(shù)據(jù)的采集，將采集到的數(shù)據(jù)矢量化，生成需要的空間數(shù)據(jù)，并最終將其存儲到空間數(shù)據(jù)庫中。最終為實現(xiàn)更加高效管理的山區(qū)生態(tài)資源數(shù)據(jù)服務平臺提供基本數(shù)據(jù)服務。因此，山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫建設內容重點可以劃分如下內容：

(1)根據(jù)國家標準規(guī)范以及行業(yè)標準規(guī)范，結合山區(qū)生態(tài)資源的特殊性，將山區(qū)生態(tài)資源數(shù)據(jù)進行分類并制定空間數(shù)據(jù)結構體系，將調研采集到的數(shù)據(jù)編輯總結到數(shù)據(jù)庫中對應的數(shù)據(jù)表中[12]。

(2)通過ArcSDE將空間數(shù)據(jù)鏈接到SQL Server數(shù)據(jù)庫中，并建立起土地資源、水資源、礦產資源等專題屬性數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一標準和規(guī)范的要求下，進行數(shù)據(jù)的綜合與整理。

2 山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫建立

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于河北省唐山市遷西縣，地理位置為北緯39°57′—40°27′，東經(jīng)118°06′—118°37′，總面積為1 439 km2。遷西縣位于燕山沉降帶東段南緣，其地貌特征為低山丘陵景觀。氣候類型屬暖溫帶大陸性半濕潤的季風氣候，四季分明，干濕季節(jié)明顯，年平均氣溫10.1 ℃，多年年平均降水量為804.2 mm。境內的林地面積約為9.53萬km2，森林覆蓋率達63%。礦產資源有36種，主要包括鐵、金、錳等。經(jīng)濟農作物以板栗、大棗、梨為主。研究區(qū)域生態(tài)資源種類豐富，在研究中具有代表性。

2.2 山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫特點

空間數(shù)據(jù)庫與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理方式不同，它具有更強的數(shù)據(jù)管理能力，具體表現(xiàn)在其能夠對數(shù)據(jù)進行集中控制，并且有數(shù)據(jù)冗余度小等特點。GIS中數(shù)據(jù)通常為地理空間數(shù)據(jù)，具有多樣性,各類地理實體之間的關系比較復雜，并且數(shù)據(jù)量大，因此必須通過空間數(shù)據(jù)庫的方式來實現(xiàn)對地理數(shù)據(jù)的管理。山區(qū)生態(tài)資源是GIS中一個比較復雜的地理要素，因而通過對其建立空間數(shù)據(jù)庫能夠實現(xiàn)對其數(shù)據(jù)的高效性管理。山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫的特點有：

(1)具有數(shù)據(jù)量大的特點。山區(qū)生態(tài)資源分類眾多，每一類中又擁有多個具體的子類。每一個子類擁有多個屬性信息對其進行描述。因而山區(qū)生態(tài)資源具有數(shù)據(jù)量大的特點。

(2)具備高效率的檢索和分析能力。山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)庫中的一類，同樣具備數(shù)據(jù)庫的特點，而高效率的檢索和分析能力是能夠實現(xiàn)對山區(qū)生態(tài)資源的管理和分析。

(3)復雜的空間數(shù)據(jù)模型。 山區(qū)生態(tài)資源數(shù)據(jù)包括屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，相較于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，需要空間數(shù)據(jù)來實現(xiàn)地理要素的可視化描述。

2.3 空間數(shù)據(jù)分類

山區(qū)由于其復雜多樣，不同于其他地區(qū)的生態(tài)資源分類，通過將山區(qū)生態(tài)資源分類能夠更加清晰便捷地對山區(qū)生態(tài)資源進行管理和分析。通過對山區(qū)生態(tài)資源的分類后得到的結果如表1所示。

表1 山區(qū)生態(tài)資源分類

表1中的空間數(shù)據(jù)分類是在系統(tǒng)功能需求及國家規(guī)范和標準的前提下，是將其具有不同屬性或特征的要素區(qū)分出來的過程，該過程為數(shù)據(jù)采集、存儲以及管理提供依據(jù)。通過對山區(qū)生態(tài)資源種類的分析，將山區(qū)生態(tài)資源整合成土地資源、礦產資源、水資源、植被資源、經(jīng)濟農作物資源、公共建設資源等6大類。對這6個大類進行空間數(shù)據(jù)建庫。

2.4 數(shù)據(jù)組織

空間數(shù)據(jù)組織是在數(shù)據(jù)分類的基礎上，根據(jù)所設計的空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結構進行邏輯劃分。山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫是以ArcGIS的Geodatabase為數(shù)據(jù)庫，其由要素集組成，要素集可以分為不同的要素類，要素類是由若干個要素組成，即：數(shù)據(jù)庫-要素數(shù)據(jù)集-要素類。通過將山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫包含的各個要素數(shù)據(jù)，按照空間信息描述的實體類型劃分為不同的要素類。要素類的劃分便于圖形的操作以及管理和計算。如山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫-土地資源數(shù)據(jù)集-耕地。

屬性數(shù)據(jù)結構是用來對要素的各個特征進行描述，例如性質、狀態(tài)、地理信息等。因而需要建立要素的內部屬性表，并對其內部屬性進行管理。為了使管理效率提高，山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)的屬性數(shù)據(jù)采用內部屬性表進行組織管理。設計要素的屬性表時，主要考慮屬性數(shù)據(jù)結構設計，通常包括數(shù)據(jù)名稱、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)類型、存儲長度等內容。屬性數(shù)據(jù)結構設計必須能夠充分表達出要素的固有特征。以山區(qū)生態(tài)資源中植被資源要素集中的喬木林數(shù)據(jù)表為例，其屬性數(shù)據(jù)結構設計如表2所示。

表2 喬木林屬性數(shù)據(jù)結構設計表

在表2中，要素類名稱和要素類編碼用于描述具體的屬性；數(shù)據(jù)類型是用于存儲空間數(shù)據(jù)時使用的數(shù)據(jù)類型；長度為數(shù)據(jù)類型對應的字節(jié)數(shù)，每一項屬性都有具體的數(shù)據(jù)取值范圍。通過要素編號、要素名稱來表示喬木林屬性的基本信息，要素坐標、要素坐落和要素面積表示該要素的地理信息，畝株數(shù)、平均胸徑和平均樹高來表示喬木林的植被屬性信息。

為了能夠對各個要素實體之間的聯(lián)系有更加清晰的了解，可以通過實體—聯(lián)系(Entity-Relationship，即E-R)模型來表示。通過查詢山區(qū)生態(tài)資源的相關文獻及資料后，經(jīng)過整理和分析，設計出山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫的E-R圖，如圖1所示。

圖1 山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫E-R圖

Figure 1 Spatial database of mountain ecological resources E-R chart

首先對研究區(qū)域的地理屬性與要素數(shù)據(jù)集進行關聯(lián)，將研究區(qū)域中的生態(tài)資源要素數(shù)據(jù)集分為6個大類，每個要素數(shù)據(jù)集根據(jù)各自生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)特點分為多個要素類，這些要素類是在后期建立山區(qū)生態(tài)資源種類的依據(jù)。

E-R圖能夠實現(xiàn)實體、屬性和聯(lián)系的方法，可以用來描述山區(qū)生態(tài)資源的概念模型。圖1中的矩形是用來表示實體，也就是數(shù)據(jù)對象的名稱，橢圓形是用來表示實體對象所對應的屬性信息，菱形中的信息是用來表示兩個數(shù)據(jù)之間的關系，并將兩者連接起來。以森林資源為例，將森林資源要素數(shù)據(jù)集中的各個要素中的屬性與實體設計出E-R圖，如圖2所示。

圖2 森林資源空間數(shù)據(jù)庫E-R圖

Figure 2 Spatial database of forest resources E-R chart

圖2中為森林資源空間數(shù)據(jù)庫的E-R圖，圖中森林資源分為3個大類，即為灌木林、喬木林和疏林、未成林(疏林、未成林為一個類)。其中灌木林數(shù)據(jù)表中包括ID、森林類別、事權等級、坐落、地類、面積、優(yōu)勢樹種、起源、平均胸徑、坐標、公益保護、耕地保護、柏被蓋度等字段。喬木林數(shù)據(jù)表中在灌木林的基礎上增加平均樹高字段。疏林、未成林數(shù)據(jù)表中的字段包括ID、面積、坐落、坐標、地類、公益保護、耕地保護、植被蓋度等。這些字段對應的森林資源數(shù)據(jù)能夠反映出森林資源中的各個資源類型的空間分布及屬性信息。

在空間數(shù)據(jù)庫中，屬性數(shù)據(jù)是將空間數(shù)據(jù)實體之間進行關系連接。屬性就是關系模型的屬性字段，碼就是關系模型中的關鍵字，不同的要素數(shù)據(jù)之間有一個標識其唯一性的關鍵字，就是主鍵(PK)。當空間數(shù)據(jù)要素之間的關系是關聯(lián)關系時，用外鍵(FK)來連接。如圖3所示，喬木林與行政區(qū)是關聯(lián)關系，先將它們轉換為喬木林表和行政區(qū)表，其中喬木林表中的“坐落”屬性字段作為外鍵與行政區(qū)表中的“ID_XZQ”相對應。同樣的，灌木林表、疏林、未成林表與行政區(qū)表也是關聯(lián)關系，通過2個表的“坐落”屬性字段相對應。

圖3 森林資源結構圖

Figure 3 Structure chart of forest resources

2.5 空間數(shù)據(jù)庫建立

空間數(shù)據(jù)庫建設過程主要包括相關地區(qū)的生態(tài)資料收集、數(shù)據(jù)整理、戶外調研屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)采集、獲取遙感影像、獲取DEM數(shù)據(jù)、圖形編輯、空間分析、空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的關聯(lián)等內容。

全面采集山區(qū)生態(tài)資源信息，包括土地資源、礦產資源、水資源、森林資源、經(jīng)濟農作物資源以及公共建設資源等基本數(shù)據(jù)。收集山區(qū)生態(tài)資源政策法規(guī)文獻、國家技術標準、相關部門統(tǒng)計等相關文獻數(shù)據(jù)。

山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫的建立是采用ArcSDE Geodatabase、ArcSDE作為中間的橋梁，將山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存儲到ArcSDE Geodatabase，這樣可以實現(xiàn)各種要素、柵格數(shù)據(jù)集、屬性表之間的各種關系。通過類似于倉庫儲存的方式將地理空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一儲存到一個地方，可以集中管理提高管理效率，并且通過檢查數(shù)據(jù)輸入和編輯中出現(xiàn)的錯誤使數(shù)據(jù)的準確性得以提升。ArcSDE能夠實現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)在不同的數(shù)據(jù)庫類型上統(tǒng)一管理。這樣就能夠對大批量的數(shù)據(jù)進行處理分析，提高工作效率[13]。同時ArcSDE能夠為外界的程序提供多元化的應用接口，為后續(xù)相關應用系統(tǒng)開發(fā)人員提供了豐富、便捷的功能。其空間數(shù)據(jù)庫建立步驟如下：

(1)按照系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計結構，定義和建立各個要素類數(shù)據(jù)庫。

(2)通過調研和收集到的數(shù)據(jù)錄入到數(shù)據(jù)庫中。

(3)ArcSDE選擇ArcSDE for SQL Server，在Geodatabase模型空間數(shù)據(jù)庫里，用ArcCatalog建立1個個人地理空間數(shù)據(jù)庫。

使用ArcGIS中的Feature Class to Geodatabase和Raster to Geodatabase功能將基礎地理相關數(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)轉換到Geodatabase地理數(shù)據(jù)庫中[14]。如圖4所示，通過ArcSDE工具將遷西縣喬木林空間數(shù)據(jù)存儲到空間數(shù)據(jù)庫中，在SQL Server軟件中存儲其空間數(shù)據(jù)。

圖4 山區(qū)生態(tài)資源建庫結果

Figure 4 The result of building ecological resources database in mountainous area

2.6 相關功能設計

本次試驗是對唐山市遷西縣山區(qū)進行空間數(shù)據(jù)庫設計并最終實現(xiàn)系統(tǒng)可視化。數(shù)據(jù)包括遷西縣GF-1遙感影像數(shù)據(jù)以及從實地調研及《統(tǒng)計年鑒》中涉及的基礎數(shù)據(jù)資料。經(jīng)過將數(shù)據(jù)進行存儲，并通過GIS中的網(wǎng)絡分析等空間分析方法進行分析計算，然后進行空間數(shù)據(jù)庫結構設計，通過在ArcCatalog中連接到SQL Server，將數(shù)據(jù)導出并對數(shù)據(jù)進行存儲后，完成山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫設計。以森林資源要素數(shù)據(jù)集中的喬木林要素類為例，先進行數(shù)據(jù)存儲、空間分析，最終通過ArcSDE連接到SQL Server中，完成該要素的空間數(shù)據(jù)庫，如圖5所示。為了對山區(qū)生態(tài)資源數(shù)據(jù)的更加有效的查詢與分析，并且充分發(fā)揮空間數(shù)據(jù)庫的高效性，基于Net和ArcEngine建立了山區(qū)生態(tài)資源空間信息管理與可是化系統(tǒng)，實現(xiàn)對遷西縣山區(qū)生態(tài)資源數(shù)據(jù)的管理與分析，如圖6所示。

圖5 喬木林要素

Figure 5 The feature of arbor forest

圖6 山區(qū)生態(tài)資源空間信息管理與可視化系統(tǒng)

圖5為建立的山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫界面，圖6中為山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫信息管理系統(tǒng)界面，在管理系統(tǒng)對空間數(shù)據(jù)庫連接后能夠對不同類數(shù)據(jù)的空間信息能夠實現(xiàn)對空間信息的查詢和管理。通過對遷西縣的山區(qū)生態(tài)資源進行分類，建立遷西縣的山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫，在管理系統(tǒng)中實現(xiàn)對其數(shù)據(jù)的管理與空間分析。

3 結語

在GIS和數(shù)據(jù)庫技術支持下，從數(shù)據(jù)的分類、數(shù)據(jù)組織和空間數(shù)據(jù)庫的構建等方面闡述和探討了山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫的設計思想及關鍵技術；并以遷西縣為例，利用空間數(shù)據(jù)庫技術建立山區(qū)生態(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫可以對地理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行一體化管理，從而實現(xiàn)對遷西縣山區(qū)生態(tài)資源的高效管理、分析及預測。山區(qū)生態(tài)資源不同于其他地區(qū)的生態(tài)資源，具有復雜多樣性，不同的生態(tài)資源對應的數(shù)據(jù)結構、屬性信息是完全不同的。為了提高計算效率，先是在ArcGIS中對數(shù)據(jù)庫進行編碼并大批量成圖，然后將數(shù)據(jù)儲存到SQL Server中，通過ArcSDE高效的空間分析查詢，從SQL Server數(shù)據(jù)庫中獲取相應的數(shù)據(jù)，滿足用戶對數(shù)據(jù)的需求?；谛〕叨鹊纳鷳B(tài)資源空間數(shù)據(jù)庫的設計方案，對實現(xiàn)山區(qū)生態(tài)資源管理的規(guī)范化、科學化和自動化有重要指導作用和現(xiàn)實意義。