城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設

賈玉斌 岳紅星 杜彬 黃曉陽 劉兆鑫

摘要：經(jīng)濟的發(fā)展推動了城市現(xiàn)代化建設，城市內(nèi)部的數(shù)據(jù)來源越來越廣，種類越來越多，為了進一步了解城市空間地質(zhì)資源信息，需要構(gòu)建城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，傳統(tǒng)的城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫受數(shù)據(jù)量的限制，調(diào)用數(shù)據(jù)庫內(nèi)部信息的耗時較長，無法滿足目前的城市建設需求，因此本文設計了新的城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設方法。采集城市三維空間數(shù)據(jù)，構(gòu)建城市三維空間數(shù)據(jù)庫模型，設計城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)，從而實現(xiàn)城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設。實驗結(jié)果表明，設計的城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫調(diào)用內(nèi)部資源信息耗時較短，具有省時性，有一定的應用價值，可以作為后續(xù)城市建設的參考。

關(guān)鍵詞：三維空間數(shù)據(jù);地質(zhì)數(shù)據(jù)庫;數(shù)據(jù)庫模型;數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

一、引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市建設也越來越完善，為了進一步了解城市內(nèi)部的資源和空間信息，相關(guān)研究人員設計了城市地質(zhì)信息采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將三維技術(shù)與城市信息相融合，實現(xiàn)城市內(nèi)部空間數(shù)據(jù)分析[1]。但隨著城市現(xiàn)代化發(fā)展進程加快，城市三維空間數(shù)據(jù)的來源也越來越廣，數(shù)據(jù)的格式、種類不統(tǒng)一，且部分數(shù)據(jù)還具有較強的關(guān)聯(lián)性，大量數(shù)據(jù)堆積下，傳統(tǒng)的城市地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫面臨著巨大的調(diào)整，因此急需設計一種新的城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫[2]。

近幾年，城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫逐漸向服務建設發(fā)展，不僅能接收儲存海量的城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)，還需要滿足用戶的查詢需求，因此對三維數(shù)據(jù)庫內(nèi)的查詢算法和空間模型要求越來越高，在設計時也必須要考慮與之相關(guān)的服務建設。城市三維空間數(shù)據(jù)種類較多，來源較廣，不僅包含城市內(nèi)部的工程信息，還包含著各種各樣的地質(zhì)信息[3]。實現(xiàn)城市三維地質(zhì)資料數(shù)字化對高效管理城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)來說十分有利，因此本文設計了新的城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設方法，為后續(xù)城市三維建設和數(shù)字化管理提供參考。

二、城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設方法設計

（一）采集城市三維空間數(shù)據(jù)

本文在MapGis67平臺中構(gòu)建城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，為了保證城市三維空間數(shù)據(jù)庫的建設有效性，首先需要采集城市三維空間數(shù)據(jù)[4]。傳統(tǒng)的空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)采集時主要使用原始的引擎，采集數(shù)據(jù)的速度較低，采集的效果也較差，本文選取SDE空間數(shù)據(jù)采集引擎，該空間采集引擎能同時采集不同的異構(gòu)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，最大程度上提高數(shù)據(jù)信息交流頻率，該引擎使用了SDE程序接口，在數(shù)據(jù)采集時可以通過API不斷接收采集命令，并使用標準的Transmission Control Protocol完成數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)采集引擎采集后的數(shù)據(jù)會通過Map Object、MapGIS、Arc GIS進行處理，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中心完成數(shù)據(jù)分析和空間查詢，該引擎不僅可以實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)空間檢索，還能同時完成數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)開發(fā)，保證空間數(shù)據(jù)訪問的高效性。除此之外，該引擎的使用范圍較廣，內(nèi)部含有完整的函數(shù)開發(fā)數(shù)據(jù)庫，能全方位實現(xiàn)城市地質(zhì)空間數(shù)據(jù)開發(fā)，SDE空間數(shù)據(jù)采集引擎使用MapGIS完成復雜信息探測，如城市的礦產(chǎn)資源信息，地址信息等，為后續(xù)的數(shù)據(jù)庫建設提供有效的技術(shù)支持。

在城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)采集的過程中，為了進一步提高數(shù)據(jù)采集的效果，本文設計了數(shù)據(jù)采集可視化模塊，該數(shù)據(jù)采集可視化模塊可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫連接，實現(xiàn)各個水平面數(shù)據(jù)的可視化。數(shù)據(jù)采集可視化模塊由Client和Server兩部分組成，首先由外部應用通過SDE API輸入初始數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)交到Map DIS客戶端處理，其次再通過TCP＼IP構(gòu)建服務指令，通過AQL傳輸?shù)絉DBMS中，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的采集[5]。在數(shù)據(jù)采集過程中，還可能隨時受到空間地理信息影響，降低信息采集的效果，本文構(gòu)建的城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫設計了空間分析函數(shù)，服務器可以使用空間分析函數(shù)傳遞數(shù)據(jù)請求，實現(xiàn)城市空間地質(zhì)數(shù)據(jù)信息的有效采集。

（二）構(gòu)建城市三維空間數(shù)據(jù)庫模型

城市三維空間數(shù)據(jù)庫的性能主要由數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理儲存模型決定，因此本文結(jié)合上文中采集的城市三維空間數(shù)據(jù)信息設計了城市三維空間數(shù)據(jù)庫模型。首先設計數(shù)據(jù)庫的邏輯模型，本文使用MapGIS K9技術(shù)設計了可視化管理模塊，研究了數(shù)據(jù)可視化關(guān)系，設計了數(shù)據(jù)模型的邏輯層，結(jié)合各個基本的數(shù)據(jù)信息，設計的城市三維空間數(shù)據(jù)庫模型如下圖1所示。

由圖1可知，該數(shù)據(jù)庫模型建立在其他數(shù)據(jù)庫基礎上，為了提高三維空間數(shù)據(jù)庫的容納性，本文進一步設計了數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)。有效的物流結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)庫的儲存功能擴展有重要意義，除此之外，還能提高數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)的提取速度，因此本文結(jié)合數(shù)據(jù)庫設計的基本邏輯和數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，設計了城市三維數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)，為提高數(shù)據(jù)庫的基礎性能作參考。

在城市三維空間地理數(shù)據(jù)庫模型綜合設計時，本文結(jié)合了城市三維數(shù)據(jù)的應用層次進行了統(tǒng)一設計，構(gòu)建了標準的目錄樹結(jié)構(gòu)，通過表設計法確定了數(shù)據(jù)之間的基礎關(guān)系，其中地區(qū)信息使用METADB_TABLE表儲存，礦種信息使用*_MINIDB表儲存，省級專題使用METADB_TABLE表儲存，不同的關(guān)鍵字之間使用MPDB_FDS進行關(guān)聯(lián)，再通過MINEXID進行數(shù)據(jù)識別，假設模型應用程序編號為000，此時在數(shù)據(jù)庫建設時需要使用55010103100726000規(guī)則進行編碼記錄，提高數(shù)據(jù)庫的管理效率。

（三）設計城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

實現(xiàn)城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設的最后一步就是設計城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)。城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫屬于現(xiàn)代信息系統(tǒng)，因此其架構(gòu)在設計過程中需要注重基本的設計原則：

第一，需要滿足設計完備性原則，保證設計的數(shù)據(jù)庫能滿足數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)管理需求，能實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)存取的同時保證數(shù)據(jù)庫穩(wěn)定性，最大程度地滿足用戶需求。

第二是實用性原則，設計時需要考慮數(shù)據(jù)的存儲更新問題，保證設計的數(shù)據(jù)庫架構(gòu)滿足系統(tǒng)的長期發(fā)展需求，結(jié)合數(shù)據(jù)庫設計先進技術(shù)進行設計。

第三需要滿足專業(yè)性原則，城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫與地質(zhì)專業(yè)有一定的聯(lián)系，因此在設計時也需要準確地應用地質(zhì)知識。

第四是可維護性原則，為了盡可能降低數(shù)據(jù)庫的維護成本，設計的數(shù)據(jù)庫架構(gòu)需要盡可能滿足維護功能，最后，需要滿足數(shù)據(jù)庫的高效易用性原則，即設計的數(shù)據(jù)庫能快速響應用戶，滿足用戶的訪問需求，基于此設計的數(shù)據(jù)庫架構(gòu)如下圖2所示。

由圖2可知，本文使用SQL Server設計數(shù)據(jù)庫架構(gòu)，整個數(shù)據(jù)庫內(nèi)部包括幾個不同的層次，本文使用B＼S進行數(shù)據(jù)訪問層劃分，即分為數(shù)據(jù)庫訪問層、邏輯層、顯示層，數(shù)據(jù)庫內(nèi)部使用ASP.NET工具進行開發(fā)，且使用VRML完成三維建模，為了保證數(shù)據(jù)庫的顯示功能，本文設計的數(shù)據(jù)庫使用BS Contact和 JavaScript為三維場景建設提供支持。

在用戶使用數(shù)據(jù)庫時首先可以通過指定的瀏覽器進入到數(shù)據(jù)庫訪問界面，然后可以點擊任務觸發(fā)按鈕觸發(fā)相應的事件，結(jié)合業(yè)務層內(nèi)部的功能函數(shù)可以對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行連接，為了提高整個數(shù)據(jù)庫的使用性能，本文以數(shù)據(jù)庫為核心，設計了數(shù)據(jù)分類查詢模塊，構(gòu)建了相關(guān)的功能劃分函數(shù)，進一步滿足數(shù)據(jù)庫的實際使用需求。

城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫可以看成屬性元素之間的集合，本文使用了上述設計的數(shù)據(jù)模型，對設計的數(shù)據(jù)庫架構(gòu)進行基礎性表達，設計了數(shù)據(jù)庫之間的連接關(guān)系。此時的字段名和字段類型滿足城市三維地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫標識需求，可以結(jié)合該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表完成城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的綜合建設。

三、實驗

為了驗證本文設計的城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設方法的建設效果，本文搭建了相關(guān)的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設平臺，將其與傳統(tǒng)的城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設方法進行對比，實驗如下。

（一）實驗準備

本實驗使用C#+Arcengine搭建城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫測試平臺，為了保證該平臺的測試準確性，本實驗為其添加了GIS測試模塊，設計了標準化Arcgis Engine測試框架，Arcgis Engine測試框架內(nèi)部使用了ArcObject組件進行開發(fā)，該架構(gòu)內(nèi)部使用GIS組件庫完成組件拼接，測試平臺內(nèi)部使用C#語言進行程序設計編程，結(jié)合.NET、Microsoft共同設計了系統(tǒng)的功能界面，提高了測試平臺的測試效率，增加了測試容錯率。在測試過程中，該平臺設計了模塊劃分規(guī)則，制定了標準測試方案，使其最大程度地滿足測試需求，基于此，繪制測試平臺部分架構(gòu)示意圖，如下圖3所示。

由圖3可知，該測試平臺可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，有助于三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設測試，在測試前，需要進行綜合配置，將數(shù)據(jù)庫與檢測目錄相連，不斷解釋業(yè)務數(shù)據(jù)庫中的信息，形成檢測業(yè)務數(shù)據(jù)庫，從而提取檢測數(shù)據(jù)。

業(yè)務數(shù)據(jù)庫內(nèi)存放了城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)名稱、實際類別，以及顯示字段，受數(shù)據(jù)集中顯示作用的影響，可能會產(chǎn)生數(shù)據(jù)集中問題，需要篩選處理后再存放在業(yè)務數(shù)據(jù)庫中。使用上述選取的業(yè)務數(shù)據(jù)庫，可以進一步構(gòu)建實驗擴展性模塊，結(jié)合國家對數(shù)據(jù)庫的基礎要求，本實驗使用數(shù)據(jù)擴展法對現(xiàn)有的檢測數(shù)據(jù)庫進行擴展，首先篩選功能模塊加載中所需的業(yè)務模塊數(shù)據(jù)，添加到基礎地質(zhì)解釋主題中，其次勾選數(shù)據(jù)存放主題，最后進行反向提取，將篩選結(jié)果存放到篩選后的地質(zhì)主題數(shù)據(jù)庫中，此時可以通過初試測試界面準確地讀取測試數(shù)據(jù)，提高測試的準確性。為了進一步滿足數(shù)據(jù)的測試需求，本文對現(xiàn)有的測試模塊進行了伸縮性擴展，首先需要計算伸縮性擴展參數(shù)，如下（1）所示。

（1）

公式（1）中，D代表擴展基礎數(shù)值，S代表數(shù)據(jù)總量，使用該擴展性參數(shù)，可以進一步解釋用戶的業(yè)務需求，設計相關(guān)的測試功能，結(jié)合字段的伸縮性，可以對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進行編碼，配置相關(guān)的業(yè)務數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)整理難度。

（二）實驗結(jié)果與討論

在上述驗準備的基礎上，分別使用本文設計的城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設方法和傳統(tǒng)的城市三維數(shù)據(jù)庫建設方法建設標準字段的傳承是三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，檢測兩種方法調(diào)用不同字段數(shù)據(jù)消耗的時間，實驗結(jié)果如下表1所示。

由表1可知，本文設計的城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設方法調(diào)用不同字段數(shù)據(jù)消耗的時間較短，證明建設的城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫具有省時性，有一定的應用價值。

四、結(jié)束語

綜上所述，經(jīng)濟的發(fā)展和城市化建設的進步促使城市內(nèi)部的資源數(shù)據(jù)信息越來越多，種類也越來越豐富，傳統(tǒng)的城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫無法滿足目前的城市信息數(shù)字化需求，數(shù)據(jù)信息調(diào)用的耗時過長，因此本文結(jié)合城市化發(fā)展現(xiàn)狀，設計了新的城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，進行實驗，結(jié)果表明，設計的城市三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)信息調(diào)用耗時較短，具有省時性，有一定的應用價值，可以作為后續(xù)城市現(xiàn)代化發(fā)展的參考。

參? 考? 文? 獻

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作者單位：賈玉斌? ? 岳紅星? ? 杜彬? ? 黃曉陽? ? 北京世紀安圖數(shù)碼科技發(fā)展有限責任公司

劉兆鑫? ? 四川省地質(zhì)調(diào)查院

賈玉斌（1989-），男，漢族，遼寧朝陽，本科，工程師，研究方向：地質(zhì)礦產(chǎn)勘查工作，現(xiàn)從事自然資源政務管理系統(tǒng)開發(fā)、建庫等工作。