（地图学与地理信息系统专业论文）城市基础地理信息系统矢量数据更新研究.pdf

摘要 越来越多的城市为了提高城市建设和管理的水平，逐渐投入了大量的人力、物力、财力 和技术力量在从事城市基础地理信息系统的建设，而基础地理数据库是建设基础地理信息系 统的重要基础。城市基础地理数据库建成后，必须对其进行动态的维护与更新，以保证数据 的现势性。从我国目前的情况看，对基础地理数据的更新还存在许多问题，难以保证数据的 现势性。本文从研究时空数据模型入手，设计了城市基础地理时空数据库，提出了适合基础 地理数据库矢量数据的更新方法，并结合实例对该方法进行了验证。 本文研究的主要内容包括： ( 1 ) 分析了目前主要的几种时空数据模型及其各自特点，采用关系型时空数据模型，设 计出城市基础地理时空数据库，包括时空数据库的逻辑设计与物理设计。 ( 2 ) 根据不同的时态特性，基础地理数据库可划分为三个库，即现状数据库、历史数据 库和临时数据库。本文详细分析了三库之间的关系。 ( 3 ) 在总结己有数据更新方法的基础上，研究了基于图幅的数据更新的实现方法，该方 法适合城市基础地理数据库矢量数据的更新。结合丽水市基础地理信息系统实例，对数据库 中矢量数据进行了更新。 ( 4 ) 研究了如何在数据更新的同时保存历史数据。历史记录信息表记录了历史数据与现 状数据的联系，根据这种联系研究了历史数据回溯的实现方法。 关键词：城市基础地理信息系统时空数据库数据更新历史数据 a b s t r a c t i no r d e rt oe n h a n c et h el e v e lo ft h eu r b a nc o n s t r u c t i o na n dt h em a n a g e m e n t ，m o r ea n dm o r e c i t i e sh a v eg r a d u a l l yi n v e s t e dm a s s i v em a n p o w e r , p h y s i c a lr e s o u r c e ，f i n a n c i a lr e s o u r c ea n d t e c h n i c a lf o r c et oc o n s t r u c tt h eu r b a nf u n d a m e n t a lg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m h o w e v e r t h e f u n d a m e n t a lg e o g r a p h i cd a t a b a s ei st h ef o u n d a t i o nf o rc o n s t r u c t i n gt h ef u n d a m e n t a lg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m a f t e rt h ec o n s t r u c t i o no f t h eu r b a nf u n d a m e n t a lg e o g r a p h i cd a t a b a s e ，w em u s t d od y n a m i cm a i n t e n a n c ea n du p d a t i n gt oi tt og u a r a n t e et h eu p d a t i n go f t h ed a t a a c c o r d i n gt ot h e p r e s e n ts i t u a t i o no fo u rc o u n t r y , i th a sm a n yp r o b l e m si nt h eu p d a t i n go ff u n d a m e n t a lg e o g r a p h i c d a t a , a n dt h eu p d a t i n go ft h ed a t ai sn o te a s yt ob eg u a r a n t e e d t h i sp a p e rc a r r yo u tt h er e s e a r c h b a s e do nt h es p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e l ，a n dm a k et h ed e s i g no fu r b a nf u n d a m e n t a lg e o g r a p h i c s p a t i o t e m p o r a ld a t a b a s e t h i sp a p e ra l s op u t sf o r w a r da nu p d a t i n gm e t h o dt h a ti ss u i t a b l ef o rt h e v e c t o rd a t ai nt h ef u n d a m e n t a lg e o g r a p h i cd a t a b a s e ，a n dt h i sm e t h o di sc o n f i r m e dw i t ha ne x a c t e x a m p l e t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i ta n a l y z e st h em a i ns e v e r a lk i n d so fs p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e la tp r e s e n ta n dt h e i r d i f f e r e n tt r a i t t h eu r b a nf u n d a m e n t a lg e o g r a p h i cs p a t i o t e m p o r a ld a t a b a s ei sd e s i g n e db yu s i n gt h e r e l a t i o n a ls p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e l ，a n dt h ed e s i g ni n c l u d e sl o g i c a ld e s i g na n dp h y s i c a ld e s i g no f t h es p a t i o t e m p o r a ld a t a b a s e ( 2 ) a c c o r d i n gt od i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i co f t e n s e ，t h ef u n d a m e n t a lg e o g r a p h i cd a t a b a s ec a nb e d i v i d e di n t ot h r e ed a t a b a s e sa n dt h c ya r et h e a c t u a ld a t a b a s e ，t h eh i s t o r i c a ld a t a b a s ea n dt h e t e m p o r a r yd a t a b a s e t h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h et h r e ed a t a b a s e si sa n a l y z e di nd e t a i li nt h i sp a p e r ( 3 ) o nt h ef o u n d a t i o no fs u m m a r i z i n gt h ed a t au p d a t i n gm e t h o d st h a ta l r e a d ye x i s t ，t h e i m p l e m e n t a t i o no f d a t au p d a t i n gt h a tb a s e do nm a ps c a l ei ss t u d i e d t h i sm e t h o di ss u i t a b l ef o rt h e u p d a t i n go fv e c t o rd a t ai nt h eu r b a nf u n d a m e n t a lg e o g r a p h i cd a t a b a s e w i t ht h ee x a m p l eo ft h e f u n d a m e n t a lg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mo fl i s h u ic i t y , w eu p d a t et h ev e c t o rd a t ai nt h e d a t a b a s e ( 4 ) i ts t u d i e sh o wt os a v et h eh i s t o r i c a ld a t aw h e nu p d a t i n gt h e d a t a t h eh i s t o r i c a l i n f o r m a t i o nt a b l er e c o r d st h er e l a t i o nb e t w e e nt h eh i s t o r i c a ld a t aa n dt h ea c t u a ld a t a a c c o r d i n gt o t h er e l a t i o n ，t h er e a l i z a t i o nm e t h o do f h i s t o r i c a ld a t ab a c k d a t i n gi ss t u d i e d k e y w o r d s ：u r b a nf u n d a m e n t a lg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s p a t i o t e m p o r a ld a t a b a s e d a t au p d a t i n gh i s t o r i c a ld a t a 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：丛超 日 期：! ! ! ! 圭上l 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名： 日期： 名波 如o ， 、 第一章绪论 1 - 1 选题背景及意义 第一章绪论 美国前副总统戈尔于1 9 9 8 年提出了以信息高速公路为基础，以国家空间数据基础设麓为 依托的“数字地球”的概念。“数字地球”提出后在世界范围内引起了强烈反响，我国政府 对此高度重视，积极推动“数字地球”的建设，将其作为解决人口、资源、环境、灾害问题 和实现可持续发展的重大基础设施加以研究。“数字地球”的应用领域相当广泛，“数字城 市”就是其应用的主要方面之一，也是其最基本的空间层次之一。“数字城市”产生于“数 字地球”的科学背景和技术背景之下，是“数字地球”技术体系的集中体现。 “数字城市”，就是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络 为纽带，运用3 s 技术( 遥感r s 、全球定位系统g p s 、地理信息系统g i s ) 、遥测、仿真、虚拟 技术等对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述。它具有城市地理、资源、 生态环境、人口、经济、社会等复杂系统的数字化、网络化、虚拟仿真及优化决策支持和可 视化表现等强大功能，代表了城市信息化的发展方向。 城市基础地理信息系统是城市地理信息系统的空间数据基础，是“数字城市”最重要的 基础，它是城市各种信息的定位载体和背景n l 。城市基础地理信息系统是一个为城市规划、 土地管理、市政设施管理、企业与政府部门管理与决策服务的，以计算机网络为载体，g i s 软 件为平台的应用型技术系统。城市基础地理信息系统的主要内容是以数字地图及其它数据源 为基础空间数据、以空间信息和属性信息为资源，建立城市空间信息库，利用g i s 的数据管理、 查询、统计、空间分析和数学分析模型等为城市发展提供技术支持，为其它城市信息系统提 供统一的地理空间数据框架，实现城市各信息系统之间的空间数据共享，为最终建立“数字 城市”奠定基础l ”。城市基础地理信息系统的建设影响和制约着各种专题城市地理信息系统 的建设和发展，可为国民经济发展、国防建设、人口、资源、环境和灾害等重大社会持续发 展问题提供全面的多层次的信息，并且共享服务i “。 城市基础地理信息系统是位于城市底层空间信息数据库和城市各部门( 企业) 上层应用 信息系统之间的一种中间件( m i d d l e w a r e ) ，它一方面通过空间数据引擎( s d e ) 对城市基础地 理信息数据进行统一采集、建库和维护更新，以便为所有部门提供统一标准、统一内容的地 理信息参考框架，另一方面又为城市各部门和企业的上层应用系统提供统一的运行和开发环 境，包括统一的访问平台基础地理信息数据的接口。城市基础地理信息系统包括海量地理信 息数据库、数据管理服务功能和应用服务接口等。在构建城市基础地理信息系统过程中，要 解决城市基础地理信息分类标准、数据库建库标准、元数据标准与元数据平台、数据管理、 第一章绪论 数据发布、数据更新、数据服务、安全防护、应用服务接口等一系列问题。 城市基础地理数据库是城市基础地理信息系统的核心和基础，是由海量、多时相、多分 。， 辨率、多类型空间观测数据和常规观测数据构建而成、具有地域分布特性的大型空间分布式 数据库p i 。城市基础地理数据库是客观世界的表达模型，是空间型数据库，它是将表示城市 基本面貌并作为其它专题数据统一的空间定位载体的地形、道路、建筑物、水系、境界、植 被、地名等基础空间信息以结构化文件形式组成的集合【4 j 。基础地理数据库的地位决定了建 立城市基础地理信息系统首先必须建立基础地理数据库。城市基础地理数据库建成后，必须 对其进行动态的维护与更新，以保证数据的现势性，提高数据的质量。这也是数据库建设中的 一个重要任务。特别是当前城市建设发展较快，城市地理信息尤其是社会经济信息的变化处 于一个相对活跃时期，更耍加强对数据的更新工作9 j 。 当前g i s 的核心已从数据生产转为数据更新，数据更新关系着g i s 的可持续发展1 6j 。随着 基础地理数据“原始积累”的逐步完成和共享应用，其现势性问题己成为广大用户关注的热 点问题【7 j 。数据的现势性是数据的生命力所在，为了保证数据的现势性必须研究合理并且有 效的数据更新方法。虽然目前我国许多城市已经建成基础地理信息系统，但数据更新的情况 不容乐观，主要存在更新方式比较零散，缺乏系统性和计划性，更新速度慢，更新质量差等 问题，难以保证数据的现势性。主要原因还是由于缺少规范有效的更新机制与技术方法，因 此对基础地理数据库更新技术方法与更新工程的研究与探讨，已成为迫在眉睫的任务f j 。 本文在分析总结前人研究与实践成果的基础上，重点研究基础地理数据库矢量数据的更 新技术方法，研究了基于图幅的数据更新方法，并结合实例验证了该方法是行之有效的。在 当前对数据更新的研究相对较少的情况下，本文的研究可以为城市基础地理数据库的维护与 更新积累一些经验。 1 2 国内外数据更新研究现状 目前，虽然国内外对基础地理数据库更新的研究与实践方兴未艾，但在总体上仍处于初 期的探索阶段，主要表现为：( i ) 基础地理数据库更新的理论研究相对滞后于生产实践；( 2 ) 基于影像的更新模型、算法研究亟待突破；( 3 ) 用于地图数据库更新的自动综合模型、算 法尚待发展吼 1 2 1 国外数据更新研究现状 世界各国的地理信息系统的数据库都面临着“数据库更新”的问题，许多国家先后开展 了对地理信息数据库更新技术和更新策略的研究与探讨。英国军械测量局( o r d n a n c es u r v e y ) 根据其实际情况，建立了推帚式和散点式相结合的更新机制。日本g s i 采用基于栅格的更新方 法，先更新1 ：2 5 万地形图，再用1 ：2 5 万地形图更新1 ：5 万地形图。美国俄亥俄州立大学测图 - 2 - 第一章绪论 中心研究提出了包括1 7 个步骤的更新模型( r e v i s i o n m o d e l ) 。德国联邦测绘局建立了小比例 尺修测系统，采用开天窗矢量方式进行单要素更新。 澳大利亚v i c t o r i a 和n e ws o u t hw a l e s h 采用一种递增数据流模型( i n c r e m e n t a ld a t a f l o wm o d e l ) ，将土地测量师确定的土地划拨数据送到数字地籍数据库( d c d b ) 中去，以便用户 及时、方便地获得d c d b 更新数据h ：w e s t e r na u s t r a l i a j h 在用新的地籍测量数据替代原有 数据时，保留原来的历史数据，并将新地籍测量信息与周围多边形及测量观测值相匹配。 以色列专家提出了一种g i s 驱动的变化检测方法，其基本思想是将g i s 数据库中前一版本 的数据转换为相应正射影像相对应的栅格数据格式，然后与正射影像叠加，由计算机比较两 个时刻的数据，提取变化信息。 芬兰国家测绘局有4 0 0 多工作人员使用2 4 0 台工作站从事建库、维护和更新工作，其道路 每年利用航空影像和g p s 进行更新：1 ：2 万地图的重要要素根据其他部门的现有数据库逐年 进行更新并且每5 1 0 年基于数字正射影像图进行一次全面更新；他们还正在研究建立以地 籍系统为基础随时、持续、自动更新居民地的机制”。 丹麦n a t i o n a ls u r v e y c a d a s t r e 用5 年生产了覆盖全国的l ：1 万矢量地图，并选取两 个区域进行数据库更新试验。其先利用航片发现变化，然后将变化信息采集成为矢量数据， 再利用其对原数据库进行更新。更新后历史信息被保存起来，并建立地理对象不同版本之间 的链接关系”“。 荷兰地籍与公共注册署在更新大比例尺地形和地籍数据时，考虑到拓扑编辑可能会影响 许多新、老目标，导致长事务( 1 0 n gt r a n s a c t i o n s ) ，采用了时态工作拷贝( t e m p o r a r yw o r k c o p y ) 等方法对所涉及的该矩形工作区进行锁定( 1 0 c k i n g ) ，不允许其他用户在同时间内对 该工作区同一专题层进行编辑，以保持数据库的一致性【l 。 1 - 2 2 国内数据更新研究现状 数据更新的理论研究主要涉及到更新策略、更新模式、数据模型和数据精度。但由于数 据更新的复杂性和特殊性，目前在这方面的研究较多，在实际应用中较少，也没有形成可灵 活操作的技术方法。蒋捷、陈军提出了国家空间基础地理信息数据库更新的实施方案，主要 是确定更新策略、变化信息提取、变化信息采集、现势数据生产和现势数据提供五个步骤， 重点分析了数据更新的若干关键问题。 中国测绘科学研究院1 9 9 9 年开展了“卫星遥感数据快速更新地图数据技术研究”，初步 研究了卫星遥感图像处理与更新数据提取的技术和工艺流程；武汉大学承担了多项国家自然 科学基金项目，在利用遥感影像进行变化检测等方面取得了可喜的研究成果【l “。江苏省采用 了更新周期短、成本低的遥感数据为主要信息源，进行了“江苏省l ：5 0 0 0 0 空间数据集成与 更新”工作。 1 9 9 9 年国家基础地理信息中心与中国测绘科学研究院合作，以t m 卫星遥感影像为基本 第一章绪论 数据源，利用遥感和地理信息系统技术，对1 ：2 5 万数据库进行了初步的更新试验，探索其 技术方法的可行性程度以及相应的技术流程，为以后进一步开展全国1 ：2 5 万数据库的更新 b 工作提供参考。国家基础地理信息中- l , 2 0 0 1 、2 0 0 2 年组织全国2 9 个省市( 自治区) 的数百名 科技人员，对1 9 9 8 年建成的全国1 ：2 5 万地形数据库进行了首次更新l i “。 在我国，较早期的g i s 矢量数据大多是以数字化测量结果或现存纸质地图为基础建立 的。其更新在很大程度上依赖于野外测量和对现势性较好的地图数字化结果【i “。然而，现 有地图数据的更新周期较长，地图编制部门常用的地图更新方法主要是根据该城市某些部 门提供的资料或自己调绘取得的资料进行修改。由于这些资料本身有局限性，或因政府专业 部门的资料没有收集齐全，或因政府部门客观存在条块分割造成更新后各地理要素关系的 处理出现错误，从而使g i s 矢量数据的现势性不能很好地满足各种用户的要求。 在以地图数字化构成数据源基础的前提下，利用航空、航天以及其它遥感手段进行辅助 能较好地解决g i s 数据的现势性问题【l “。卫星影像因其分辨率高、信息丰富、获取影像周期 短、现势性强的特点，己充分展现其应用潜力。尤其是高分辨率卫星遥感数据具有多波段、 多时相的信息源，且能快速、真实地提供丰富的空间信息的特点，是数字城市战略构架中不 可缺少的重要技术手段。 1 3 研究的主要内容 本文分析了国内外关于数据更新的研究工作，结合已有的关于时空数据模型的研究成 果，设计了城市基础地理时空数据库。利用时空数据库的时态特性，设计了“三库”，即现 状数据库、历史数据库和临时数据库。提出了适合城市基础地理数据库矢量数据的更新方法， 并详细阐述了该方法的技术路线与实现过程。同时结合实例，对丽水市基础地理矢量数据库 进行了更新。本文的具体内容有以下几个方面： ( 1 ) 城市基础地理数据库的数据内容与结构，数据存储与管理所采用的技术方案，以及 其中矢量数据的组织方式。 ( 2 ) 分析了目前主要的几种时空数据模型各自的特点，采用关系型时空数据模型，设计 出城市基础地理时空数据库。根据数据的时态性不同，将时空数据库划分为现状数据库、历 史数据库和临时数据库，并详细阐述了三库之间的关系。 ( 3 ) 介绍了数据更新的内容与实现步骤。根据矢量数据的特点，研究了基于图幅的数据 更新方法，并从技术上对此方法进行了详细的论述。结合丽水市基础地理信息系统，用该方 法对其矢量数据库进行了更新。同时，研究了基于任意范围的数据更新方法，作为基于图幅 的数据更新方法的补充。 ( 4 ) 研究了历史数据库中的数据存储与命名方式，以及如何建立现状数据与历史数据的 联系。利用三库存储不同时态数据的特点，实现了历史数据的回溯。 第一章绪论 1 4 研究方法与技术路线 ( 1 ) 从基础地理数据的类型入手，分析主要的几种基础地理数据的特点，研究矢量地形 数据在数据库中的存储与组织方式，为研究矢量地形数据的更新方式奠定基础。 ( 2 ) 结合目前时空数据模型方面的研究成果，对基于关系数据库管理系统的时空数据模 型作一个初步的探索研究，依据时空数据库的设计思想，研究基础地理时空数据库的逻辑设 计与物理设计的实现方法。 ( 3 ) 分析现有的数据更新的方法的不足，然后研究适合基础地理数据库矢量数据的更新 方法，详细分析该方法的技术要点与实现过程，并结合实例进行验证。 ( 4 ) 结合丽水市的实例，在v b 编程环境下，选用a r c g i s 作茭j g i s 平台，基于a r c o b j e c t s 组件进行二次开发，用程序实现本文提出的数据更新的方法。 本文研究的技术路线如图1 1 所示： 图l _ 1 论文的技术路线图 第二章城市基础地理数据库 第二章城市基础地理数据库 基础地理数据作为基础地理信息系统的数据源，具有多源性( 空间数据、属性数据和时 间数据) ，对它进行正确、有效的组织和预处理是成功建设基础地理信息系统的关键所在。 城市基础地理数据的数据量可用“海量”一词来形容，面对如此庞大的数据必须建立科学的 数据存储机制完成数据的存储与管理。为了实现基础地理数据的存储管理和分发服务，基础 地理信息数据库的建设也是至关重要的。 2 1 城市基础地理数据 数据是g i s 系统的“血液”。同时，g i s 系统的数据主要是包含大量的图形的空间数据， 它包括栅格图形数据、矢量数据以及关联的属性数据。城市基础地理信息系统更是涉及到多 种空间数据库的管理和互操作问题，顾及空间数据本身海量数据和复杂结构的特点，基础地 理信息系统中数据组织的好坏直接关系到系统的效率。我们把城市不同部门数字化建设都要 用到的基础数据称为城市基础地理数据。 基础地理数据分类有很多方法，例如按数据结构来分，有矢量数据、栅格数据、矢量栅 格一体化数据；按产品形式分，有数字高程模型数据( d e m ) 、数字正射影像数据( d o m ) 、数字 栅格地图数据( d r g ) ，数字线划地图数据( d l g ) 。狭义上，城市基础地理数据库的核心任务是 4 d 数据库的建立，这里简单地介绍一下4 d 产品的概念。 1 ) 数字高程模型( d e m ) ：d e m 是区域地形的数字表示，它由规则水平间隔处地面点的抽样 高程矩阵组成。d e m 的水平间隔应随地貌类型不同而改变。为控制地表形态，可配套提供离 散高程点数据。由于格网的规则性，其x ，y 或b ，l 的交点坐标被省略，通过对应的z 值在矩 阵中的行列号隐含表示。d e m 数据通过一定的算法，能转换为等高线图、透视图、坡度图、 断面图、晕渲图，以及与其他数字产品复合形成各种专题图产品；还可计算体积、空间距离、 表面积等工程数据。 2 ) 数字正射影像( d o m ) ：d o m 是由航空摄影或其他遥感数据经纠正和消除地形影响后形 成的数字图像，是地表信息的真实反映，信息量极其丰富。数字正射影像图叠加专题信息之 后，摆脱了传统专业线划图过于抽象，非专业人员不易理解的局限，使城市信息更加直观、 内容更加丰富多彩，便于政府对城市的管理。数字正射影像数据库可以作为基础地理信息系 统建设的重要的背景，可供规划、设计和广大用户直接查询、量算使用。 3 ) 数字栅格地图( d r g ) ：d r g 是现有模拟地形图的数字形式。它是由模拟地图经扫描、几 何纠正及色彩归化后，形成在内容、几何精度和色彩等方面与地形图基本保持一致的栅格数 第二章城市基础地理数据库 据文件。可以较为方便的进行放大、漫游、查询等。本产品可作为背景，用于数据参照或修 测其他与地理相关的信息，适用于d l g 的数据采集、评价和更新；也可与d ( t t ，1 ) e ? d 等数据集成 使用，派生新的可视信息，从而提取、更新地图要素；还可以绘制纸质地图，改变地图存储 和印制的传统方式。 4 ) 数字线划地图( d l g ) ：d l g 是地形图或专题图经过扫描后，对一种或多种地图要素进行 跟踪矢量化，再进行矢量纠正形成的一种矢量数据文件。其数据量小、便于分层，能快速生 成专题地图。这种数据满足6 i s 进行各种空间分析要求，被视为带有智能的数据，可随机地 进行数据选取和显示，与其它几种产品叠加，便于分析、决策。各种以矢量为基础的地图均 可视为d l g 。 2 2 城市基础地理数据库的内容 城市基础地理数据库主要应包括以下7 个数据库：控制测量成果库( c s p ) ；数字线划地形 数据库( d l g ) ；数字正射影像数据库( d o m ) ；数字高程模型数据库( d e m ) ；数字栅格图数据库 ( d r g ) ；地名数据库( p n ) ：元数据库( 佃) 。基础地理数据库还可包括管线、规划、地质等相 关数据。基础地理数据库的组成结构图如图2 1 所采4 ”。 基 础 地 理 数 据 库 控制测量成果库( c s p ) 数字正射影像数据库( d o m ) 数字高程模型数据库( d e m ) 数字栅格地图数据库( d r g ) 数字线划地图数据库( d l g ) 地名数据库( p n ) 元数据库( m d ) 航空正射影像数据库 卫星数字影像数据库 图2 1 基础地理数据库的组成 等高线 交通道路 水系 境界 植被 居民地 工业设旄 其他要素 第二章城市基础地理数据库 数字线划地图数据库主要包括道路、境界、水系等基本矢量数据，建立以影像为基底、 矢量数据进行分析的城市影像数据库，可以直观、方便的完成城市空间信息的查询、分析及 各种应用服务。在基本要素中加入各种专业属性信息，使空间信息与属性信息有机的融合， 实现了空间与非空间信息的统一。对于需求基本要素之外要素的用户，可以调用航摄影像库 及控制成果库中的航摄影像及定向参数，快速恢复立体模型，实现其它要素的便捷提取，满 足不同用户对空间信息的需求。 正射影像具有精度高、信息丰富、真实直观、获取快捷等优点，利用正射影像可以便捷 提取城市所需要的各类空间地理信息、自然资源信息及其它派生信息；可以为城市的空间基 础设施建设及社会公众提供空间信息等服务。把正射影像与数字高程模型数据进行叠加，可 以真实再现城市自然景观，并为城市规划、建设等部门提供信息丰富的空间地理数据。 地名作为最直观、高度概括的信息，是自然和经济信息的特殊载体，是人们生活、交往 不可缺少的工具，可为语言学、地理学、历史学、民族学等学科的研究提供宝贵资料。地名 数据库是一个空间定位型的关系数据库，它存储和管理各类地名信息，包括行政区划、居民 地、河流、湖泊、风景名胜、自然保护区的名称、行政归属、沿革和历史、类别和级别、审 定日期和坐标等。它是联系社会、经济信息和空间信息的纽带，是空间数据基础设施建设的 重要组成部分。 元数据是关于数据的数据，即是关于数据的内容、质量、状况和其他特性的信息，是描 述数据和诊释数据的数据，它用来组织和管理空间信息，挖掘空间信息资源，帮助数据使用 者查询所需的空间信息，提供数据转换方面的信息。元数据库是由各种数字产品的元数据构 成的数据库，元数据库的建立有助于定位和理解数据，元数据的发布可以极大的提高数据共 享和交换的效率。 2 3 城市基础地理数据库的存储管理 随着数据库技术的发展，通常采用数据库( 包括关系数据库、对象关系数据库) 管理空间 数据，使空间数据与非空间数据真正实现一体化的无缝集成，这是当今g i s 发展的趋势。采用 数据库管理空间数据能够支持海量空间数据存储、数据查询检索灵活、易于数据动态分析、 采用开放的c l i e n t s e r v e r 技术，真正解决数据共享和多用户操作问题，而且它具有强大灵活 的开发环境。 目前，在空间数据存储和管理方面应用最为广泛的是支持空间数据存储的数据库技术和 能够实现在关系数据库中存储和管理空间数据的中间件技术。能够支持空间几何对象存储和 操作的对象关系型数据库管理系统主要有o r a c l e ，m i c r o s o f ts q ls e r v e r ，i n f o r m i x ，i b md b 2 等，其中o r a c l e 是国际上许多地理信息系统用来管理海量空间对象数据的首选数据库管理系 8 第二章城市基础地理数据库 统。在大型地理信息系统的应用中，通常是通过e s r i 公司( e n v i r o n m e n t a ls y s t e m sr e s e a r c h i n s t i t u t e ，i n c ) 的空间数据引擎a r c s d e 结合大型关系数据库( 例如o r a c l e ，s q ls e r v e r ) 或 ， 者o r a c l e 公司针对o r a c l e 数据库开发的o r a c l es p a t i a l 来存放和处理空间数据。 2 3 1 空间数据引擎 空间数据引擎是一种处于应用程序和数据库管理系统之间的开放且基于标准的中间件 技术。使用不同g i s 厂商数据的客户可以通过空间数据引擎将自身的数据提交给大型关系型 d b m s ，由d b m s 统一管理；同样，客户也可以通过空间数据引擎提供的用户和异种空间数据库 之间的数据接口，从关系型d b m s 中获取其它类型的g i s 数据，并转化成客户可以使用的方式。 于是，空间数据引擎就成为各种格式的空间数据出入大型关系型d b m s 的转换通道。 空间数据引擎a r c s d e 是g i s 软件生产商e s r i 公司生产的中间件，它是利用关系数据库管 理系统( r d b m s ) 的先进特性和真正的客户服务器( c l l e n t s e r v e r ) 计算模式来管理大型企业 海量地理数据的。a r c s d e 将空间数据及其相关的属性数据统一地放到商业化程度较高的标准 关系数据库中进行管理，同时采用开放策略，提供了开放、灵活、健全的a p i ，开发人员可 将空间数据检索和分析功能集成到他们的应用工程中去。这就使得海量空间数据的管理获得 了一种比较理想的模式，并且使得在广域网上以真正的c 1 i e n t s e r v e r 计算模式提供空间数 据访问服务、面向多用户环境成为可能。 a r c s d e 的优点：数据库连接配置选择多样性、空间数据表述、数据库可移植性、应用程 序可移植性、数据完整性、提供应用编程接口、应用软件和开发工具：a r c s d e 是允许通过e s r i 公司的g i s 软件一一a r c i n f o ，a r c e d i t o r ，a r c v i c w ，$ 1 a r c l m s 直接连接空间数据库的标准接 口。这些应用软件和它们的综合开发工具提供了一个创建、管理和使用空间信息的完整框架。 a r c s d e 也支持直接从a u t o c a o 和m i c r o s t a t i o n 到空间数据库的接口。 2 3 2o r a c l e 数据库管理系统 o r a c l e 是世界上最流行的数据库产品之一，其开放性使得它可在不同的平台上运行。 o r a c l e 数据库的主要目标是服务于那些要求海量数据处理能力的大型公司或政府部门。它的 强大功能来自于其允许用户快速而准确地进行数据检索的能力，也来自于其强大的保证数据 的完整性和一致性及维护数据安全性的能力。因此，o r a c l e 是建立大中型数据库管理系统的 数据库选型中主要的选择对象之一。 o r a c l e 9 i 是美国o r a c l e 公司的产品，o r a c l e 9 i 服务器是一个海量数据的储藏所，它给用 户提供了对这些数据的快速访问，允许应用系统之间共享服务器里的数据资源。同时， o r a c l e 9 i 服务器能够保证数据的完整性，当用户更改了o r a c l e 数据库的数据时，如果发生了 某种故障，数据库有撤消或回滚( u n d oo rr o l lb a c k ) 任何可疑事务的能力。o r a c l e 9 i 采用了 第二章城市基础地理数据库 s q l 语法，能够方便、简单地处理数据。可以说，o r a c l e 9 i 服务器是一个完善的信息管理环境。 o r a c l e 的空间模块( o r a c l es p a t i a l ) 采用对象关系型的数据结构，可以对空间数据进行储 ， 存、分析、管理。 2 3 3 城市基础地理数据库的存储方案 城市基础地理数据库是空间型的数据库，数据量大，数据类型复杂，必须采用大型商用 的关系数据库管理系统。根据国内现状和类似工程的实例，推荐使用o r a c l e 关系数据库管理 系统；一方面使用o r a c l e 关系数据库管理空间数据库成功的案例较多：另一方面国内在使用 o r a c l e 关系数据库管理空间数据库方面积累了许多经验，这有助于城市基础地理数据库的建 库和管理。 a r c s d e 能够与r d b m s 协同工作，提供了空间数据的存储、查询和管理的解决方案。其中， r d b m s 负责在关系表中物理地存储数据，a r c s d e 则负责为前端的g i s 解释数据表中的这些数 据。因此，采用a r c s d e 与o r a c l e 相结合的方式，是城市基础地理数据库存储与管理的合适方 案。用a r c s d e 管理空间数据，数据库实体存放于关系型数据库o r a c l e 中，由o r a c l e 实现对数 据库的管理。在此基础上，通过空间数据引擎a r c s d e 访问数据库，并提供相应的客户端应用 ( 基本结构见图2 2 ) 。 图2 2a r c s d e 空间数据管理模型 2 4 矢量空间数据库设计 对于矢量空间数据库，采用的是a r c i n f o 软件提供的数据库结构( g e o d a t a b a s e ) 。在空间 上，把数据组织成一个整体；在内容上，把数据组织成层( l a y e r ) 结构。分幅存放的基础地形 一1 0 - 第二章城市基础地理数据库 图进入数据库后，在逻辑上是无缝的，没有图幅的概念。在内容上，根据国标分类标准划分 为9 个要素层，要素层名称代码表见表2 1 旧。 竹 表2i 要素层名称代码表 序号类别代码 主题词英语 l 测量控制点 c s pc o n t r o ls u r v e yp o i n t p r o d u c t i o n 】 2居民地和垣栅 r e sr e s i d e n t i a la r e a 3工矿建( 构) 筑物及其它设施 i n di n d u s t r v 4交通及附属设施t r a t r a 塌c 5 管线及附属设施 p i pp i p e l i n e 6 水系及附属设施 w a t w a t e rs y s t e m 7 境界 b o u b o u n d a r y 8 地貌和土质 r e fr e l i e f 9 植被 v e gv e g e t a t i o n g e o d a t a b a s e 利用r d b m s 表存贮点、线、面数据，它的每一要素类仅存贮个单一要素 型，但只要有统一坐标系统，就可以轻而易举地将它们组织在要素集中。一些g e o d a t a b a s e 要素类如几何网络也具有拓扑关系，可以模拟对象间邻接关系。a r c l n f o 支持两种类型的 g e o d a t a b a s e 物理实现：p e r s o n a lg e o d a t a b a s e 和a r c s d eg e o d a t a b a s e 。p e r s o n a lg e o d a t a b a s e 为小项目所设计，以m d b 格式m i c r o s o f ta c c e s s 存贮，不必购买任何别的软件来访问和管理 p e r s o n a lg e o d a t a b a s e 。a r c s d eg e o d a t a b a s e 为大型企业级g i s 应用和数据库所设计，它利用 r d b m s 格式存贮( 例如o r a c l e ) 地理数据，需要购买相应r d b m s 软件来存贮数据。 g e o d a t a b a s e 具有良好的层次关系，处于层状结构顶端的是空间数据库，往下是按照不 同分类原则组织的要素集和要素类，以及各种值域规则和行为规则，要素类还可划分子类。 要素集是具有相同坐标系统和密切关联的要素类的集合，通常构成一个专题，如同一研究区 域的河流要素类、湖泊要素类、地下水要素类共同构成水资源专题要素集。要素类是具有相 同属性的空间实体的集合，如可由大小不等的河流共同构成河流要素类，因为不论大小河流 都具有共同的属性，如长度、流量、流域面积等i i “。 根据g e o d a t a b a s e 模型的数据存储方式，对矢量数据的存储可采用以下方案： g e o d a t a b a s e 专f e a t u r e d a t a s e t s 专f e a t u r e c l a s s 对于矢量数据从逻辑的角度来看，数据库的逻辑层次是：数据库子库专图层专空间实 体，库可以包含多个子库，子库用来存放不同比例尺或者是不同用途的空间数据，再根据国 标对每一个子库做大类和图层的划分。而最终反映在s d e 中是g e o d a t a b a s e - f e a t u r e d a t a s e t s f e a t u r e c l a s s - - ) f e a t u r e 。矢量数据的存储机制如图2 3 所示”7 j ： 第二章城市基础地理数据库 图2 3 矢量数据库的存储机制 矢量数据库中相同比例尺的不同图层的数据的集合作为一个要素集( f e a t u r e d a t a s e t ) ， 其中每个要素层中相同类型的要素的集合作为一个要素类( f e a t u r e c l a s s ) ，每个要素层包 含的要素类可能有四种类型，即点、线、面和注记。 第三章城市基础地理时空数据库设计 第三章城市基础地理时空数据库设计 地理信息系统中，时间、空间和属性是信息的三种基本成分，随着地理信息系统应用领 域的不断扩大，对数据的处理提出了更高的要求，要能够保存并有效地管理历史变化数据， 以方便将来重建历史状态、跟踪变化、预测未来”j ，这样的地理信息系统应支持信息的时 态性，对时空数据进行统一的模拟和管理，称为时态地理信息系统( t g i s )