空間數(shù)據(jù)組織與建庫研究
——以豐縣某地區(qū)為例

王玉婷

（南通創(chuàng)佳測繪咨詢有限公司，江蘇 南通 226001）

0 引言

自20 世紀(jì)70 年代以來，我國現(xiàn)代測繪科學(xué)技術(shù)由傳統(tǒng)測繪模式逐漸向數(shù)字化測繪模式發(fā)展。數(shù)字化測繪模式在理論水平、精準(zhǔn)程度、應(yīng)用范圍、工作效率方面取得了較大的進(jìn)展，同時促進(jìn)了其他行業(yè)的發(fā)展［1］。由于計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，GIS正在向多樣化和分布式處理的方向邁進(jìn)，并逐步進(jìn)入開發(fā)、分析、評價、預(yù)測、決策及提高智能化功能的發(fā)展階段［2］。GIS、GPS、RS 三系統(tǒng)的集成及滿足實時、準(zhǔn)實時要求的空間信息處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，極大地加快了空間信息獲取、處理和更新的速度，提高測繪生產(chǎn)的質(zhì)量和效率［3］。

空間數(shù)據(jù)是GIS 的核心內(nèi)容，建立空間數(shù)據(jù)庫是GIS 建設(shè)中最重要、最基礎(chǔ)的工作［4］。Geodatabase 是一種以緊密耦合特性和行為為基礎(chǔ)的新型空間地理數(shù)據(jù)模型，能夠在一個公共模型框架下對GIS通常處理和表達(dá)的地理空間要素進(jìn)行統(tǒng)一的描述?？臻g數(shù)據(jù)庫是隨著地理信息系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用而發(fā)展起來的數(shù)據(jù)庫新技術(shù)，是地理信息系統(tǒng)的重要組成部分，是其他應(yīng)用部分的前提和基礎(chǔ)［5］。

本研究以豐縣1：4 500 航空影像為基礎(chǔ)，基于VirtuoZo 軟件，通過對豐縣某地區(qū)的航空影像圖和地形圖進(jìn)行內(nèi)容選取、分類、地圖要素符號化、快速制圖和專題數(shù)據(jù)管理，利用IGS數(shù)字化測圖模塊繪制1：1 000線劃圖，并根據(jù)豐縣基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)特點，確定要素數(shù)據(jù)集、要素類、關(guān)系類、子類型、幾何網(wǎng)絡(luò)、拓?fù)潢P(guān)系等數(shù)據(jù)庫組成要素，并通過對應(yīng)的表示方法表達(dá)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理并進(jìn)行分類轉(zhuǎn)換，完成不同類型數(shù)據(jù)庫構(gòu)成要素的分類導(dǎo)入構(gòu)建，實現(xiàn)了豐縣某地區(qū)不同類型數(shù)據(jù)的有效處理與管理。

1 基于攝影測量的地理數(shù)據(jù)庫研究

攝影測量學(xué)是一門通過記錄、測量及解譯非接觸式傳感器系統(tǒng)得到的影像及其數(shù)字表達(dá)，來獲得自然物體及其環(huán)境的可靠信息的科學(xué)和技術(shù)［6］。主要內(nèi)容有：物體影像信息的獲取，像片影像信息處理方法的研究，如何表達(dá)影像信息及影像信息在各種領(lǐng)域中的應(yīng)用等。攝影測量學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了模擬攝影測量和解析攝影測量階段，已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)字?jǐn)z影測量階段［7］。將數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，促進(jìn)了測繪生產(chǎn)過程的數(shù)字化和自動化，擺脫了冗雜的野外控制測量工作［8］。

2 數(shù)據(jù)采集與建庫準(zhǔn)備

基于VirtuoZo 軟件，利用IGS 數(shù)字化測圖模塊成圖，并轉(zhuǎn)出至CAD 數(shù)據(jù)格式。將CAD 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)出至ArcMap 地理數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)格式，對豐縣某地區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。IGS 即交互式數(shù)字影像測圖系統(tǒng)，是一種用計算機(jī)替代解析測圖儀、用數(shù)字影像替代模擬像片、用數(shù)字光標(biāo)替代光學(xué)光標(biāo)，在計算機(jī)上進(jìn)行數(shù)字化測圖的作業(yè)方法。在正射影像上進(jìn)行地物數(shù)據(jù)采集和編輯，從而生成數(shù)字測圖文件。本研究以豐縣1:4 500 航空影像為基礎(chǔ)，基于VirtuoZo軟件，利用IGS 數(shù)字化測圖模塊繪制1:1 000 線劃圖。該數(shù)據(jù)為豐縣某地區(qū)1:1 000 的CAD（*.dwg），如圖1 所示。參考比例設(shè)置為1:1 000，空間參考坐標(biāo)系為WGS-84。

圖1 豐縣某地區(qū)CAD

3 地理數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計的一般要求和原則

數(shù)據(jù)庫設(shè)計的實質(zhì)是將地理空間實體以一定的組織方式在數(shù)據(jù)庫中加以表達(dá)的過程，也就是GIS地理實體建立數(shù)據(jù)模型的過程。數(shù)據(jù)庫設(shè)計要在需求分析階段分析用戶的需求，進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，主要包括信息需求、處理需求、安全性與完整性等三個方面。

3.2 地理數(shù)據(jù)庫建模

入庫數(shù)據(jù)為矢量數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)包括部分基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)（房屋、植被、水系、道路等）。根據(jù)豐縣某地區(qū)的各類數(shù)據(jù)和Geodatabase 空間數(shù)據(jù)模型原理來進(jìn)行數(shù)據(jù)庫建模。

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

3.3.1 要素集設(shè)計。要素數(shù)據(jù)集是要素的集合，主要用于存儲數(shù)據(jù)，包含要素集定義的約束和關(guān)系。該測區(qū)Geodatabase 數(shù)據(jù)庫模型主要有5 個要素集：房屋要素集、植被要素集、水系要素集、注記要素集、道路要素集。

3.3.2 要素類設(shè)計。要素類主要存儲矢量數(shù)據(jù)，既包含要素的幾何特征，也包含要素的屬性描述信息，是同類空間要素的集合。集合中的每個對象都具有相同的集合類型，如點狀、線狀或面狀，且具有相同的屬性類型。根據(jù)要素類的設(shè)計原則，對測區(qū)要素數(shù)據(jù)集進(jìn)行分類。

3.3.3 子類型設(shè)計。子類型是要素類中具有相同屬性的要素的子集，表述要素類中基于屬性字段分組的記錄，可通過它們對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。子類型通過創(chuàng)建編碼值來實現(xiàn)，每個整數(shù)值代表子類型中的一個要素。通過使用每個要素類的“屬性”對話框?qū)ψ宇愋瓦M(jìn)行管理，可以定義子類型字段，添加新子類型、移除或修改現(xiàn)有子類型。

3.3.4 屬性域設(shè)計。屬性域表述屬性的取值范圍。如果要素類中的要素或表中的非空間對象已被分組為各個子類型，則可將不同的特性域分配給每個子類型。使用域可以針對特定字段限制可供選擇的值，從而有助于確保數(shù)據(jù)的完整性。屬性域設(shè)計見表1。

表1 屬性域設(shè)計

3.3.5 關(guān)系類設(shè)計。ArcGIS 中的地理對象之間存在各種各樣的關(guān)系，在地理數(shù)據(jù)庫中，事物之間的聯(lián)系使用關(guān)系類來表現(xiàn)。使用關(guān)系類有助于增強(qiáng)相關(guān)對象之間的引用完整性。建立關(guān)系類便可在修改對象時自動地更新其相關(guān)對象，可以減少額外的編輯操作。

在創(chuàng)建關(guān)系類時，需要指定是簡單關(guān)系類還是復(fù)合關(guān)系類。簡單關(guān)系可擁有一對一、一對多或多對多基數(shù)。復(fù)合關(guān)系在創(chuàng)建時始終為一對多的關(guān)系，但使用關(guān)系規(guī)則可以將其限制為一對一的關(guān)系。在測區(qū)要素集中可設(shè)計4 組關(guān)系類，均為簡單關(guān)系類的一對一基數(shù)。分別是房屋To 房屋注記、植被To 植被注記、水系To 水系注記、道路To 道路注記，關(guān)系類型設(shè)計如圖2所示。

圖2 關(guān)系類型設(shè)計

4 地理數(shù)據(jù)庫的建立

利用ArcCatalog，設(shè)置空間參考坐標(biāo)系，依據(jù)設(shè)計方案完成對要素數(shù)據(jù)集、要素類、關(guān)系類、子類型、屬性域等數(shù)據(jù)庫組成要素的導(dǎo)入構(gòu)建。創(chuàng)建拓?fù)潢P(guān)系，在地理數(shù)據(jù)庫中驗證和更好地表示要素。為使數(shù)據(jù)庫更形象化，需要對地理要素進(jìn)行符號化，完成對豐縣某地區(qū)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建。

4.1 空間參考坐標(biāo)系的選擇

我國常用坐標(biāo)系為北京54坐標(biāo)系、西安80坐標(biāo)系和WGS-84 地心坐標(biāo)系。該測區(qū)位于我國東部，介于東經(jīng)116°21'15″~116°52'03″、北緯34°24'25″~34°56'27″之間，選擇空間參考坐標(biāo)系為WGS-84。

4.2 地理數(shù)據(jù)庫的建立

①要素集創(chuàng)建。利用ArcCatalog在地理數(shù)據(jù)庫中，選擇新建要素集。②要素類創(chuàng)建。新建要素類（New Feature Class）。選擇對象所對應(yīng)的線要素（Line Features）。照此完成房屋、植被、水系、道路要素集中的要素類的創(chuàng)建。在ArcCatalog中創(chuàng)建要素類時，可指定要素類中所要包含的字段，以及字段屬性，如字段類型和可存儲在字段中的最大數(shù)據(jù)量。創(chuàng)建要素類時會自動創(chuàng)建這些必填字段，且無法刪除。必填字段也可能具有一些必要的屬性，OBJECTID 和Shape 為必填字段。③加載數(shù)據(jù)。右擊各要素集，加載由ArcGIS 根據(jù)不同數(shù)據(jù)類型提取的地理數(shù)據(jù)。④子類型創(chuàng)建。利用ArcCatalog添加子類型并為每個子類型的字段設(shè)置默認(rèn)值和屬性域。⑤屬性域創(chuàng)建。創(chuàng)建新屬性域時，如果屬性域正被某個要素類使用，則無法對其進(jìn)行刪除但可對其修改。⑥關(guān)系類創(chuàng)建。通過ArcCatalog 或“目錄”窗口中的工具可以在地理數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建簡單、復(fù)合和屬性關(guān)系類。ArcGIS 的關(guān)系類都是存儲在Geodatabase 中，該關(guān)系類的名稱為房屋To 房屋注記，源設(shè)置為房屋，目的設(shè)置為房屋注記。關(guān)系基數(shù)設(shè)置完后，便可以進(jìn)行關(guān)系類的創(chuàng)建。

4.3 數(shù)據(jù)庫拓?fù)湟?guī)則的添加

4.3.1 拓?fù)湟?guī)則設(shè)計。拓?fù)涫屈c、線和多邊形要素共享幾何的方式的排列布置。如果有重疊且共享相同坐標(biāo)位置、邊界或節(jié)點的要素，地理數(shù)據(jù)庫拓?fù)淇梢愿玫毓芾淼乩頂?shù)據(jù)。拓?fù)涞氖褂锰峁┝艘环N對數(shù)據(jù)執(zhí)行完整性檢查的機(jī)制，可以在地理數(shù)據(jù)庫中驗證和更好地表示要素，還可以使用拓?fù)錇橐刂g的多種空間關(guān)系建模。

Geodatabase 中拓?fù)涞膬?yōu)點在于有更好的數(shù)據(jù)管理、更高的靈活性、更多的數(shù)據(jù)建模機(jī)會和更多的地圖圖層。根據(jù)豐縣某地區(qū)各要素的數(shù)據(jù)類型及特點，為各數(shù)據(jù)設(shè)置的拓?fù)湟?guī)則見表2。

表2 豐縣某地區(qū)數(shù)據(jù)的拓?fù)湟?guī)則

4.3.2 拓?fù)潢P(guān)系創(chuàng)建。在ArcCatalog 中，新建拓?fù)洌∟ew Topology），得到創(chuàng)建幾何網(wǎng)絡(luò)的向?qū)?。?chuàng)建完拓?fù)浜?，要在?chuàng)建拓?fù)涞囊仡悓υ捒蛑羞x擇參與創(chuàng)建拓?fù)涞囊仡?，根?jù)表2 依次設(shè)置拓?fù)湟?guī)則。房屋面與房屋面的拓?fù)湟?guī)則為不能重疊（Must not overlay）。完成要素集、要素類、子類型、關(guān)系類、幾何網(wǎng)絡(luò)、拓?fù)涞葦?shù)據(jù)庫組成要素的分類導(dǎo)入構(gòu)建后，即可完成建庫。

4.4 地理要素的符號化

符號化是對點、線、面等數(shù)據(jù)，在制圖工具中以不同的符號樣式進(jìn)行表達(dá)，包含對要素的顏色、大小、形狀等屬性的設(shè)置。地圖生產(chǎn)流程中，要素符號化是至關(guān)重要的一環(huán)，直接決定了地圖產(chǎn)品的美觀及整體風(fēng)格等。在對測區(qū)數(shù)據(jù)庫符號化后，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)庫的美觀，使測區(qū)的要素更形象，同時方便后期電子地圖的制作。在ArcMap中加載數(shù)據(jù)層，對測區(qū)各要素進(jìn)行符號化，符號化成果如圖3所示。

圖3 符號化成果

5 結(jié)語

通過研究豐縣某地區(qū)空間數(shù)據(jù)庫的組織與建庫，結(jié)論如下：①CAD軟件具有強(qiáng)大的制圖功能，但描述圖形關(guān)系的能力偏弱，不能很好地對數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析。②Geodatabase 空間數(shù)據(jù)模型在數(shù)據(jù)存儲方面具有優(yōu)勢，節(jié)省了數(shù)據(jù)存儲的空間，通過提取不同類型的數(shù)據(jù)文件，可以以不同的方式展現(xiàn)出來。不僅能夠存儲需要表達(dá)的基本圖形，還能夠存儲了表達(dá)其空間關(guān)系的數(shù)據(jù)，具有很強(qiáng)的空間分析功能。③在攝影測量學(xué)方面，利用航空影像為基礎(chǔ)，在VirtuoZo 軟件上成圖并導(dǎo)出為CAD 圖形文件，結(jié)合ArcGIS 軟件，對豐縣某地區(qū)空間數(shù)據(jù)的組織與建庫，是對Geodatabase 空間數(shù)據(jù)模型的有益探索。

現(xiàn)代測繪已經(jīng)進(jìn)入了信息化測繪時代，測繪與各個行業(yè)有著密切的聯(lián)系。隨著數(shù)據(jù)庫建設(shè)的不斷發(fā)展和完善，Geodatabase 數(shù)據(jù)模型也應(yīng)不斷改善。基于Geodatabase模型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計與建庫，在今后的實踐活動中，還需更加精確、高效。要完善系統(tǒng)體制，充分發(fā)揮ArcGIS 軟件中各模塊的功能，使各系統(tǒng)軟件之間的運(yùn)行更加高效流暢。