（地图学与地理信息系统专业论文）省级基础地理信息数据库系统的研究.pdf

摘要 基础地理信息是信息时代地球空间信息的基础和其他各种信息的空间载体与框架。 基础地理信息不仅是国民经济可持续发展科学化决策的依据和政府信息化、网络化的重 要信息源，也是经济社会发展过程中各行业必不可少的重要基础信息。河北省省委、省 政府高度重视我省基础地理信息产业的发展。当前，全国大部分省级基础地理信息数据 库建设还处于起步阶段，省级基础地理信息数据库是省级空间数据的基础。随着信息产 业的迅猛发展，建立省级基础地理信息数据库，已经成为衡量一个省信息化程度的重要 指标之一。作为国家基础地理信息系统的重要组成部分，省级基础地理信息数据库在满 足政府信息化工程建设和社会经济持续发展中发挥着越来越重要的作用。 随着空间信息技术的发展，基础地理信息数据量及其需求日益增大，要结合新技术 的发展，尽快建设好覆盖全省的多尺度、多类型的基础地理信息数据库，实现多元、多 级、海量数据的高效存储和集成化管理，建立空间数据库的定期更新、共享技术体系， 使基础地理数据的分发和发布服务更好地满足社会需求。 本文首先介绍了河北省基础地理信息数据库系统建立的背景和目的；说明了建立空 间数据库所用的关键技术，其中详细介绍了g e o d a t a b a s e 空间数据模型和空间数据库引 擎a r c s d e 技术；结合“河北省基础地理信息数据库系统的建设，给出了空间数据库 系统的数据库设计和功能实现。 关键字：空间数据库o r a c l eg e o d a t a b a s ea r c s d e 1 1 1 a b s 仃a c t 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 ni st h eb a s i co fe a r t hs p a t i a li n f o r m a t i o ni nt h e i n f o r m a t i o na g e i ti sa l s ot h es p a c ec a r r i e ra n df r a m eo fo t h e rv a r i o u si n f o r m a t i o n 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 ni sn o to n l y t h eb a s i so fn a t i o n a le c o n o m ys u s t a i n e d d e v e l o p m e n ta n ds c i e n t i f i cb a s i sf o rd e c i s i o n - m a k i n g i ti sa l s ot h ei m p o r t a n ti n f o r m a t i o n s o u r c eo fg o v e r n m e n ti n f o r m a t i o na n dn e t w o r k a l s oi nt h ep r o c e s so fe c o n o m i ca n ds o c i a l d e v e l o p m e n t ，i ti st h ei m p o r t a n ta n di n d i s p e n s a b l ei n f o r m a t i o no fv a r i o u sv o c a t i o n h e b e i p r o v i n c i a lc o m m i t t e ea n dp r o v i n c i a lg o v e r n m e n ta t t a c hg r e a ti m p o r t a n c et od e v e l o p m e n to f m yp r o v i n c eb a s i cg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ni n d u s t r y a tp r e s e n t ，t h em o s tp r o v i n c i a lb a s i c g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n d a t a b a s e b u i l d i n g s t i l la tt h e s t a r t i n gs t a g e p r o v i n c i a l b a s i c g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nd a t a b a s ei st h e b a s i so ft h ep r o v i n c i a ls p a t i a ld a t a w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o ni n d u s t r y , t h ee s t a b l i s h m e n to fp r o v i n c i a lb a s i cg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o nd a t a b a s e ，h a sb e c o m eam e a s u r eo ft h ei n f o r m a t i o nd e g r e ea sa ni m p o r t a n t i n d i c a t o r t h ep r o v i n c i a lb a s i cg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nd a t a b a s ei sp l a y i n ga l li n c r e a s i n g l y i m p o r t a n tr o l et om e e tt h ei n f o r m a t i o np r o j e c t sa n ds o c i o e c o n o m i cs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs p a c ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h eb a s i cg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n d a t aa n dt h eg r o w i n gd e m a n d ，w en e e dt oc o m b i n et h ed e v e l o p m e n to fn e w t e c h n o l o g i e s ，a s s o o na st ob u i l dt h ec o v e r a g eo fp r o v i n c em u l t i - s c a l e ，m u l t i d a t as o u r c e s ，av a r i e t yo fb a s i c g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nd a t a b a s e t or e a l i z et h eh i g h l ye f f i c i e n ts t o r a g ea n di n t e g r a t e d m a n a g e m e n to fp l u r a l i s t i c ，m u l t i - l e v e l ，m a s sd a t a w eh o p et h ed i s t r i b u t i o na n dp u b l i s h i n g s e r v i c e so ft h eb a s i cg e o g r a p h i cd a t at ob e t t e rm e e tt h en e e d so fs o c i e t y i nt h i sp a p e r , f i r s t , ii n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n da n dp u r p o s eo ft h eh e b e ib a s i c g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nd a t a b a s es y s t e m n e x t ie x p l a i n e dt h e k e yt e c h n o l o g i e so ft h e e s t a b l i s h m e n to ft h es p a t i a ld a t a b a s e ，w h i c hg a v ed e t a i l e dd e s c r i p t i o n so ft h es p a t i a ld a t a m o d e lg e o d a t a b a s ea n ds p a t i a ld a t a b a s e se n g i n ea r c s d e f i n a l l y , c o n j u n c t i o nw i t ht h e c o n s t r u c t i o no f ”h e b e ib a s i cg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nd a t a b a s es y s t e m ，”is h o w e dt h ed e s i g no f t h es p a t i a ld a t a b a s es y s t e ma n dt h er e a l i z a t i o no ft h ed a t a b a s ef u n c t i o n k e yw o r d s ：s p a t i a ld a t a b a s e o r a c l eg e o d a t a b a s ea r c s d e 学位论文原创性声明 本人所提交的学位论文省级基础地理信息数据库系统的研究，是在导师的指导 下，独立进行研究工作所取得的原创性成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均己在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 论文作者( 签名) ：荔1 戈，嵩争 指导教师确认( 签名) ： 2 n5 1 年月9 日 。 q 僻乡月g 日 学位论文版权使用授权书 毛唬摇 本学位论文作者完全了解河北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河北师范大学可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在年解密后适用本授权书) 论文作者( 签名) ：莉7 戈) 静 ? 问9 年钿9 日 指导教师( 签名) ： 乏唬摇 2 为p 年月g 日 n 1 绪论 1 1引言 人类科学技术的发展和社会经济的进步除了产生巨大的财富外，也产生了人类面临 的社会可持续性发展问题。协调人与自然环境的关系，需要解决许多自然、环境、经济 和社会的综合性问题。社会可持续发展对各种信息的需求越来越迫切，对信息量的需求 也越来越大，尤其对地球信息和涉及资源、环境、社会经济的具有地理参考特征的属性 信息的需求量日益增加。在资源短缺、环境恶化、人口膨胀以及经济的可持续性发展和 经济全球化的背景下，社会发展对于全球信息的需求更加迫切，这为“数字地球 的诞 生起到了催化作用。 1 9 9 8 年提出的“数字地球概念，是人类“将地球装进计算机”的理想目标，是用 数字化手段统一地处理整个地球方面问题的解决途径，具有统一性和一致性，是为了 最大限度地利用信息资源【1 2 】。我国科技界也十分关注，“数字中国 的概念应运而生【3 1 。 我国政府十分重视“数字中国地理空间信息基础设施建设。“数字中国 是以中国的 数字化或中国的信息化研究作为工作的重点，也就是说应该解决中国自己的、与社会经 济发展密切相关的数字地球问题。“数字河北 地理空间基础框架是“数字中国地理 空间信息基础设施的重要组成部分，基础地理信息是构建“数字河北空间数据框架的 基础，也是各种专题信息的载体 4 1 。河北省基础地理信息数据库是“数字河北地理空 间基础框架的核心，其建设正是按照省委、省政府和国家测绘局总体工作部署，围绕为 全省经济建设和社会发展提供测绘服务保障这个中心开展的。 随着河北省省级基础测绘工作的全面展开，大量的基础测绘数据逐步积累，迫切需 要对这些数据进行开发、管理、共享、利用，对于空间信息这样一个复杂的海量信息， 一个高效的、合理的、安全的存储和管理方式是必不可少“5 1 。因此以全省国民经济和 社会发展比较优势及信息化需求为基础，建设我省基础地理信息数据库迫在眉睫。 本文正是在这样的背景下，结合河北省省级基础地理信息数据库的建设下开展研究 的，研究如何建立采集、管理和应用多比例尺( 包括1 ：2 5 万、1 ：5 万、1 ：l 万) 、多类 型数据( 包括d l g 、d r g 、d e m 、d o m 、地名等多种数据类型) 以及多时态的空间信息和技术 平台，为国土资源信息化服务，并为社会各行业提供空间信息服务。通过基础地理信息 数据库的构建，形成良好的数据管理、更新、维护机制，建立空间数据的共享机制和分 发服务体系。 1 2 基础地理数据库建立的意义 按照基础测绘分级管理的原则，国家负责1 ：1 0 0 万、1 ：2 5 万和l ：5 万尺度的基础地 理信息生产、更新与维护，省级政府负责l ：1 万、l ：5 0 0 0 比例尺甚至更大尺度的基础地 理信息生产、服务和更新【酬。 l ：l 万基础地理信息数据库是国家基础地理信息系统的重要组成部分，同时也是省 级基础地理信息系统的核心和基础。1 ：1 万基础地理信息系统的建立将及时满足政府信 息化工程建设对基础地理信息的迫切需求。 河北省基础地理信息数据库以l ：1 万基础地理信息数据库建设为核心，其总体目 标是依托统一的标准体系和质量保障体系，建立数据采集标准和数据库管理体系，形成 完整的多类型、多尺度的空间数据信息库。数据库以g i s 应用为主，兼顾地图产品的制 作，提供产品分发服务。 首先，必须满足数据的管理存储需求。该数据库满足用户对数据入库、数据存储、 数据管理、数据编辑、数据查询等基本需求。通过选择合适的软硬件设备，提供规范科 学的数据入库流程，合理的数据存储管理方式来科学高效的管理存储基础地理数据。 第二，要满足数据的分发服务需求。该数据库除满足对数据的存储管理外，还提供 及时可靠的数据分发服务。因此，要使其按照用户要求的要素、范围、内容、图幅等多 种方式来提供基础地理数据。 河北省基础地理信息数据库是“数字河北地理空间基础框架的核心，是面向全社 会各类用户、应用面极广的地理信息系统，它为“数字河北建设提供最为基础的地理 空间信息服务支撑，为政府和社会提供统一标准的空间定位数据、地理信息数据及应用 服务，为全省各级政府部门和各市、县社会和经济可持续性发展的规划、设计和决策提 供基础数据支持。 1 3 系统需求分析 1 、社会信息化发展的需要 2 0 世纪末，测绘充分利用空间技术和计算机技术，实现了传统测绘技术体系向数字 化测绘技术体系的转变，数字化测绘产品已经得到了比较广泛的应用。当前，走信息技 术发展和信息资源建设为核心的信息化道路已经成为中国经济社会发展的战略选择。测 绘也是如此，以“测绘生产自动化、测绘成果数字化和测绘服务网络化”为特征的信息 2 化测绘体系建设成为测绘可持续发展的必然选择，测绘必须实现从数字化测绘生产向信 息化测绘服务的历史性转变。 2 、“数字河北”建设的需要 基础地理数据是城市信息化建设的一个核心的、基础性的数据，是从事社会信息化 各项工作的基础，是社会其它各种信息赖以定位的空间载体。任何一个城市的信息化建 设都将基础地理信息数据的采集和管理放在首位，而集中体现为建立一个安全可靠的基 础地理信息数据库管理系统。河北省基础地理信息数据库系统是实现“数字河北的核 心工程，是“数字河北信息定位的空间基础。它应广泛服务于城市土地、规划、房产、 市政、消防、公安、环保等部门，是社会和国民经济建设的一个基础的、共享的信息数 据库。 3 、信息共享的需要 信息化建设应当遵循统筹规划、资源共享、保障安全的原则，防止和避免重复建设。 河北省基础地理信息数据库系统是将全市基础性的数据存储在业界标准的o r a c l e 数据 库中，是一个基于公共平台的数据库管理系统，使公共的基础地理信息数据能够服务于 经济社会的各个方面，为实现基础地理信息数据的信息共享打下基础。 4 、空间基础地理数据库建设的需求 河北省信息化建设规划中明确将基础地理信息数据库建设作为五大数据库建设的 内容，并且位列之首。目前许多省市都将空间基础地理信息数据库、国土资源信息数据 库、人口基础数据库、宏观经济数据库等作为政府应当加强的信息化建设内容。开发建 立先进的基础地理信息数据库系统已是当务之急的工作。 5 、测绘管理工作的需要 省级基础地理信息数据量大、图幅数多、数据分层和分类复杂，而数字化的数据显 然要比单纯的纸质地形图管理复杂。如果单纯用图幅文件的方式管理基础地理信息数 据，则势必会增加数据编辑、维护、更新和管理的难度，同样更增加基础地理信息数据 应用的难度。只有建立具有数据输入、数据编辑、数据维护、数据更新和管理的面向对 象的地理信息数据库系统，才会提高基础地理信息的管理能力和效率，才会促进基础地 理信息的广泛应用。 1 4 我国基础地理信息系统的现状 基础地理信息是描述地表形态及其所附的自然和人文地物特征和属性的总称f 7 1 。基 础地理信息系统是在计算机软硬件支持下，把各种基础地理信息按照空间分布，以一定 的格式输入、存储、检索、更新、显示、制图和综合分析的计算机应用系统，该系统的 核心是基础地理信息数据库( 地理空间数据库) 。国家基础地理信息系统是其他各种信 息的空间载体和参考框架，是国民经济可持续发展科学化决策的依据，是政府信息化和 网络化经济的重要信息源。 我国基础地理数据的获取与应用随着国家改革开放政策的实施，在国民经济和社会 高速发展对基础地理数据强劲需求的带动下，取得了飞速的发展。以卫星定位系统、遥 感、地理信息系统和计算机网络为主体的数字化测绘技术已取代了传统的测绘技术，成 为获取基础地理信息的主要手段，国家基础地理信息系统在加速发展完善之中。 在国家基础地理信息系统的建设方面，我国起步于2 0 世纪8 0 年代，至今，我国国 家级的基础地理信息数据生产基地已经建立起来，国家基础地理信息系统中的l ：1 0 0 万、 1 ：2 5 万数据库已经建成，1 - 5 0 0 0 0 数据库正在全面展开。各省都正积极采用全球定位 系统( g p s ) 、遥感( r s ) 、地理信息系统( g i s ) ( 简称“3 s ”) 和现代数据通信技术进行 测绘生产技术改造，大部分形成了规模化的基础地理信息生产体系。以数字高程模型 ( d e m ) 、数字正射影像图( d o m ) 、数字栅格地图( d r g ) 、数字线划图( d l g ) ( 简称“4 d 一 产品) 数据为代表的基础地理信息的生产已作为各省测绘部门近段时期的主要任务。所 有的直辖市已经基本完成了1 ：1 0 0 0 0 数据的采集工作，有的已建立了数据库和地理信 息系统，大部分省( 自治区) 已经开始进行省级1 ：1 0 0 0 0 基础地理信息系统建设的工 作，并作为省级“数字区域 建设的核心内容。 1 5 论文的组织结构 第一章绪论。简单介绍了河北省基础地理信息数据库系统建立的背景和目的，阐 述了基础地理数据库建立的意义，总结了系统需求分析，并对我国基础地理信息系统的 现状进行了分析。 第二章建立空间数据库所用关键技术。首先对空间数据库的相关理论进行了阐 述，主要介绍了建立空间数据库所用的两个关键技术：空间数据模型g e o d a t a b a s e 和空 间数据引擎a r c s d e 。 第三章空间数据库设计。首先对数据源进行了分析，阐述了系统的设计依据和原 则以及系统的体系结构，接着说明了数据库的模型设计，介绍了数据库各库的命名、结 构及其内容，最后说明了数据库设计的优化策略。 4 第四章空间数据库安全。首先从网络、服务器、数据、用户几个方面分析了数据 库的安全，接着对数据的备份、恢复以及数据更新进行了说明。 第五章数据库管理系统设计与实现。介绍了数据库管理系统功能和系统功能界面 的实现。 第六章结论与展望。总结了系统的优势及目前存在的一些问题，并指出了今后的 改进和研究方向。 5 2 建立空间数据库所用关键技术 河北省基础地理信息数据库是一个含d l g 、d o m 、d e m 、d r g 、地名、控制点和元数据 等多比例尺、多类型、多时相、多分辨率、无缝的空间数据库。其总体技术路线是采用 目前最先进的软件平台a r c g i s ，用a r c s d e 来管理空间数据，数据模型采用g e o d a t a b a s e ， 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。按照先进的技 术流程和建库标准，做到d l g 、d o m 、d e m 和d r g 一体化管理；完成覆盖全省的l ：2 5 万、 1 ：5 万、1 ：l 万空间数据库的建设；逐步建立起空间数据的共享机制和分发服务体系。 2 1 空间数据库技术 2 1 1 空间数据 空间数据是描述地理数据中空间特征部分的数据，即描述地理现象或地理实体的空 间位置、形状、大小以及他们之间的关系( 如拓扑关系等) 的数据。空间数据不仅包括 物体本身的空间位置及状态信息，还包括表示物体的空间关系的信息。空间数据与通常 意义上的数据相比，具有自己的特征【8 】：( 1 ) 空间特征( 2 ) 抽象性特征( 3 ) 非结构化特征( 4 ) 空间关系特征( 5 ) 海量数据特征。 正因为空间数据具有上述5 个特点，商用的数据库系统难以对空间数据进行有效的 管理，继而产生了空间数据库。 2 1 2 空间数据库 空间数据库是被统一存储起来的空间数据的集合，是地理信息系统的重要组成部 分，在g i s 中处于核心地位【9 】。其目的是为了使用户能够方便灵活地查询出所需的地理 空间数据，同时能够进行有关地理空间数据的插入、删除、更新等操作【1 0 】。空间数据库 存储、管理的对象是空间数据，因此空间数据库必须能够正确地描述、反映空间数据的 特征，因此空间数据的特征实际上就是空间数据库的特征。 2 1 3 空间数据库存储模式 由于空间数据的复杂性和特殊性，一般的商用数据库管理系统难以满足要求。因而， 围绕空问数据管理方法，出现了几种不同的存储模式【1 1 】【1 2 】【1 3 】： ( 1 ) 文件与关系数据库混合存储模式 由于空问数据具有以上几个特征，市场上通用的关系数据库管理系统难以满足要 6 求。因而，大部分g i s 软件采用混合管理的模式( 如a r g i n f o ) 。即用文件系统管理几何 图形数据，用商用关系数据库管理系统管理属性数据，它们之间的联系通过目标标识或 者内部连接码进行连接。在这种管理模式中，几何图形数据与属性数据除它们的o i d ( 标 识) 作为连接关键字段以外，两者几乎是独立地组织、管理与检索。这种管理模式还不 能说建立了真正意义上的空间数据库管理系统，因为其文件管理系统的功能较弱，特别 是在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制以及数据库损坏后的恢复方面缺少基本 的功能。 ( 2 ) 全关系型空间数据库管理系统 全关系空间数据库管理系统是指图形和属性数据都用现有的关系数据库管理系统 进行管理。关系数据库管理系统的软件厂商不做任何扩展，由g i s 软件商在此基础上进 行开发，使之既能管理结构化的属性数据，又能管理非结构化的图形数据。 ( 3 ) 对象关系数据库管理系统 对象关系数据库管理系统是最近几年发展起来的一种用于管理空间几何对象 数据的专用软件模块。它是在传统关系数据库管理系统之上进行扩展，使之能够同时管 理矢量图形数据和属性数据。扩展的方式有两种：一种是g i s 软件商在传统关系数据库 管理系统之上进行扩展，外加一个空间数据管理引擎，如a r cs d e ，a r c s d e 可实现“点、 线、面”等简单空间要素的存储和检索，除此之外还能管理面向对象的注记、平面拓扑、 线性拓扑、栅格( 影像) 数据、c a d 数据等，同时提供基于版本管理的工作流和长事务 处理机制；另一种是数据库管理系统的软件商自己在关系数据库管理系统中进行扩展， 使之能直接存储和管理矢量空间数据，如o r a c l e 推出的空间数据管理的扩展模块 o r a c l es p a t i a l ，o r a c l es p a t i a l 开放性较好，但目前不能管理d e m 数据。两种扩展方 式的基本原理都是一致的，主要原理是b l o b 字段存储空间对象的坐标数据。 ( 4 ) 面向对象的空间数据库管理系统 面向对象模型最适应于空间数据的表达和管理，它不仅支持变长记录，而且支持对 象的嵌套、信息的继承与聚集。面向对象的空间数据库管理系统允许用户定义对象和对 象的数据结构以及它的操作。这样，可以将空间对象根据用户的需要，定义出合适的数 据结构和一组操作。这种空间数据结构可以是不带拓扑关系的面状数据结构，也可以是 拓扑数据结构。当采用拓扑数据结构时，往往涉及对象的嵌套、对象的连接和对象与信 息聚集。当前已经推出了若干个面向对象的数据库管理系统如0 2 、o b j e c ts t o r eo t o r n 、 g d e 等。但由于面向对象数据库管理系统还不够成熟，价格昂贵，目前在g i s 领域还不 7 大通用。 ( 5 ) 面向对象的矢栅一体化空间数据库存储模式 面向对象矢栅一体化数据模型是面向对象技术与空间数据库技术相结合的产物。面 向对象技术己成为现代计算机技术的主流技术。在众多领域，面向对象技术已成为新一 代软件体系结构的基石。面向对象数据模型和面向对象的空间数据管理一直是地理信息 系统领域所追求的目标。自从二十世纪八十年代末、九十年代初，人们就相当重视面向 对象技术在g i s 领域的应用，软件技术也在不断发生变革，较早推出的面向对象g i s 软 件s y s t e m9 ，使面向对象方法在g i s 中的应用起了较大推动作用，之后的s m a l l w o r l d 和近年来推出的a r c i n f o8 0 以上版本，已使面向对象g i s 到了普及应用阶段。中国 的地球空间数据交换格式也是以面向对象逻辑模型为主要设计思想。 2 2 g e o d a t a b a s e 空间数据模型 2 2 1g e o d a t a b a s e 概念 空间数据的存储与管理一直是地理信息系统( g i s ) 的核心问题，而空间数据模型则 是这个核心中的核心【1 4 1 。g e o d a t a b a s e 模型是一种新的面向对象数据模型，在实现上使 用了标准的对象关系数据库技术，对象存储在特征类( 空间) 和表( 非空间) 中， g e o d a t a b a s e 表示地理数据库和存储地理信息于d b m s 中，即包含地理数据的关系数据库 g e o d a t a b a s e 中，地理坐标作为一种属性存储在关系数据库表中。g e o d a t a b a s e 是建立 在关系数据库管理系统( d b m s ) 基础上，把地理特征和属性表达为对象的统一的、智能 化的空间数据库。所谓“统一 ，在于g e o d a t a b a s e 之前所有的空间数据模型都不能在 一个同一的模型框架下对g i s 通常所处理和表达的地理空间要素，如矢量、栅格、三维 表面、网络、地址等进行统一的描述，而g e o d a t a b a s e 做到了这一点。所谓“智能化， 是指在g e o d a t a b a s e 模型中，地理空间要素的表达较之以往的模型更接近于我们对显示 事物对象的认识和表达方式。g e o d a t a b a s e 中引入了地理空间要素的行为、规则和关系， 当处理g e o d a t a b a s e 中的要素时，对其基本的行为和必须满足的规则，我们无需通过程 序编码；对其特殊的行为和规则，可以通过要素扩展进行客户化定义，这是其他任何空 间数据模型都做不到的。 2 2 2g e o d a t a b a s e 提出的技术背景 l 、全关系数据库技术主导空间数据的管理 从2 0 世纪9 0 年代开始，随着关系数据库技术的完善，变长信息的存储成为可能， 这时人们开始采用关系数据库技术管理空间数据，并成为主导。利用关系数据库集中管 理空间集合信息、属性信息、拓扑信息、三维信息以及多媒体信息，使得g i s 软件能够 充分利用商用数据库中已经成熟的众多特征，如快速索引、数据完整性和一致性保证并 发控制和分布式处理机制。 正是在这种情况下，e s r i 公司推出了g e o d a t a b a s e ，该数据模型采用通用数据库技 术存储空间数据，与各种商用的关系数据库兼容。 2 、面向对象技术在g i s 领域中广泛应用 面向对象既是一种思想，又是一种方法。从空间信息角度，面向对象的思想可以理 解为按事物的本来面目认识地理要素。举例来说，对于一条单线河，在地图上只是一条 渐变线，但按面向对象的思想，它应该是有流量、流向、水质并与其他河流有关系的水 波荡漾的河。面向对象的方法指的是利用封装、继承、多态等技术来实现面向对象的思 相【1 5 】 j l ! 一o g e o d a t a b a s e 充分利用面向对象技术，将空间要素的属性和行为有机结合在一起， 是一个面向对象的空间数据模型。g e o d a t a b a s e 采用一种现代化的、标准的方式实现对 象，每个对象都定义为一个c o m 组件，并允许用户在这些基本模型的基础上扩展自己的 面向对象的数据模型，这样的模型与用户通常认识事物的观点及分类方法很接近，应用 起来既直观又简单。 3 、以往的数据模型具有明显的局限性【1 4 】【1 6 】 ( 1 ) 第一代地理数据模型c a d 第一代地理数据模型于2 0 世纪6 0 7 0 年代源自通用的c a d 软件。就其本质而言， 计算机辅助设计模型是地理信息计算机化的图形表示。c a d 数据模型用二进制文件存储 地理数据，用点、线、面描述空间实体，几何要素与相关的颜色、形状等属性存放在一 起，而图层和注记号则是它对属性的主要表达方式。可见，c a d 存储格式不能完全表达 空间要素的属性信息，空间数据之间当然也不可能建立拓扑关系或实现空间分析。存储 结构的局限使c a d 数据模型随地理信息系统的发展而逐步被淘汰。 ( 2 ) 第二代地理数据模型c o v e r a g e e s r i 公司于1 9 8 1 年推出的c o v e r a g e 数据模型具有两个基本特征：空间数据与属性 数据相互关联和矢量要素之问的拓扑关系可以保存。但是，c o v e r a g e 数据模型具有一个 明显的缺点：将所有的空间要素都抽象为相同的点、线、面，使得它们具有一样的行为， 也就是说，表示河流的线和表示道路的线具有相同的行为，这显然不符合对象的思想， 9 不利于人们对空间要素的理解和处理。 要解决这个问题，需要进行复杂的工作。在这种情况下，e s r i 公司推出了 g e o d a t a b a s e ，从数据底层就使要素与其行为紧密联系在一起。 2 2 3g e o d a t a b a s e 数据模型的优点 g e o d a t a b a s e 支持一套完整的拓扑特征集，提供了大型数据库系统在数据管理方面 的优势，此种基于r d b m s 的数据模型不仅支持以往的数据格式，同时也拓展了c a d 和 c o v e r a g e 数据模型所不能支持的特殊的行为。与传统基于文件的g i s 数据模型相比较， g e o d a t a b a s e 具有无可比拟的优越性【9 】【1 7 】： ( 1 ) 关系型数据库功能强大，性能稳定，具有完备的工业标准。可以将g i s 看成是 数据库技术的扩展，能够存储、管理和更新空间信息。 ( 2 ) 统一的空间数据存储方式。所有空间数据均可集中存储和管理，并独立于关系 数据库的底层。数据库被系统完全封装。 ( 3 ) 用户更为直观地处理数据模型。g e o d a t a b a s e 包含了与用户数据模型相对应的数 据对象。操作g e o d a t a b a s e 的数据，与处理一般的点、线和多边形要素不同，用户可以 针对操作他们感兴趣的现实对象一样，比如变压器、道路和湖泊等。 ( 4 ) 要素具有更加丰富的关联关系。使用拓扑关系、空间表达和一般关联，用户不 仅可以定义要素的特征，还可以定义要素与其他要素的关联情况。当与某要素相关的要 素被移动、修改或删除的时候，用户预先定义好的关联要素也会做出相应的变化。 ( 5 ) 可以制作蕴含丰富信息的地图。可以更好地控制要素的绘制，增加智能化制图 特性，更加专业化的制图方法可通过编写代码实现。 ( 6 ) 地图显示中，要素是动态的。对邻近要素的变化做出响应，也可将定制查询或 分析工具与要素相关联。 ( 7 ) 要素形状可以更形象地定义。g e o d a t a b a s e 数据模型中，可以使用直线、圆弧、 椭圆弧和贝塞尔曲线来定义要素形状。 ( 8 ) 库中的数据可以是连续无缝的。g e o d a t a b a s e 中可以实现无缝、无分块的海量空 间数据的存储。 ( 9 ) 提供版本编辑功能。g e o d a t a b a s e 数据模型允许多用户编辑同一区域的要素，并 可协调出现的冲突。 2 2 4g e o d a t a b a s e 类型 g e o d a t a b a s e 组织地理数据进入数据对象层次中，将数据存储在特征类、表和特征 1 0 数据集中。 g e o d a t a b a s e 包括个人g e o d a t a b a s e 和多用户g e o d a t a b a s e 两种类型【1 8 】。 ( 1 ) 个人g e o d a t a b a s e 存储为m i c r o s o f t 的m d b 文件，这是m i c r o s o f ta c c e s s 使用 的数据格式。存储在个人g e o d a t a b a s e 中的数据类型包括：特征数据集、特征类、表、 规则等。个人g e o d a t a b a s e 能同时被多人阅读，但是一次只能允许一个人编辑。它的最 大数据存储量是2 g b ，且只能存储为矢量数据。适用于小型项目的地理信息系统。 ( 2 ) 多用户g e o d a t a b a s e 适合大型工作组和企业g i s 操作，它能同时被多个用户编 辑和阅读。通过a r c s d e 服务，a r c s d e 允许a r c g i s 在关系数据库管理系统( r d b m s ) 中 管理不同类型数据，为模拟工作流过程，多用户g e o d a t a b a s e 支持长事务和版本管理。 一个版本化的g e o d a t a b a s e 允许用户有效存储同样数据的多种版本，也允许多个编辑人 员同时进行数据编辑，它包含解决编辑冲突的结构框架。矢量数据和栅格数据都能存储 在多用户g e o d a t a b a s e 中，且存储量没有限制。 2 2 5 g e o d a t a b a s e 体系结构 g e o d a t a b a s e 的内部结构见图2 - 1 。 g e o d a t a b a s e 特征数据集 空间参考 对象类子类 特征类子类 l 关系类 几何网络 平面拓扑 域 验证规则 栅格数据集 栅格 图2 1g e o d a t a b a s e 的内部结构图 由图可见，g e o d a t a b a s e 的基本组成要素如下【9 】： 1 、对象类 对象类是表格中具有相同行为和相同属性的对象集合。g e o d a t a b a s e 中，对象类是 特殊类，它没有空间特征，其实例为可关联某种特定行为的表记录( 行) ，如某块地的 主人，在“地块”和“主人”之间，可定义某种关系。 2 、特征类 特征类具有同一集合类型、属性、空间参数和行为，是表格中具有相同行为和同一 属性的空问对象集合。同类空间特征的集合即为特征类，如河流、道路、植被、地块、 电缆等。 1 2 特征类之间可以独立存在，也可以具有某种关系。当不同特征类之间存在关系时， 我们将其组织到特征数据集中。根据几何形状的类型，要素类可以进一步分为点状要素 类、线状要素类和面状要素类。特征类包括简单特征类和拓扑特征类。特征类和对象类 的主要区别在于：特征类中存储了空间信息，而对象类中没有。 3 、特征数据集 特征数据集是存储地理信息的关系数据库，它以表为基础建立和存储关系。特征数 据集是共享同一空间参照系的特征类组成。 在考虑是否将不同的要素类放到一个要素数据集下时，主要应考虑如下三个问题： 专题归类表示。当不同特征类属于同一范畴，如全国范围内某种比例尺的水系数据， 其点、线、面类型的特征类可组织为同一个特征数据集。创建几何网络。在同一几何 网络中充当连接点和边的各种特征类，必须组织到同一特征数据集中。如配电网络中， 有各种开关、变压器、电缆等，它们分别对应点或类型的特征类，在配电网络建模时， 我们要将其全部考虑到配电网络对应的几何网络模型中去。考虑平面拓扑关系。共享 公共几何特征的特征类，如地块、水系、行政区界等。当移动其中的一个特征时，其公 共部分也要求一起移动并保持这种公共边关系不变。 4 、关系 关系定义数据库中两个不同对象之间的关联。如定义房主和房子之间的关系、房子 和地块之间的关系等。关系可以存在于空间对象( 特征类中特征) ，非空间对象( 对象 类中对象) 中，也可存在于空间与非空间对象之间。关系特性描述包括关系名称，源 汇特征类( 表) ，简单关系还是复杂关系，是一对一的、一对多的、多对一的还是多对 多的关系。 关系有两种类型：简单关系。图层和表是相互独立的，假如删除原始图层，目标 表仍然存在。复合关系。一个对象的生命期控制它相关对象的生命期。 5 、几何网络 网络是相互连接的边和交点的集合。每条边的端点称为结点，每个结点有具体相连 的边。几何网络是在若干要素基础上建立的新类。定义几何网络时，我们指定哪些要素 加入其中，同时指定其在几何网络中扮演什么角色。如定义供水网络，可以将“阀门”、 “泵站”、“接头”对应的特征类加入其中，扮演“连接”角色；同时，指定“供水干管 、 “供水支管 和“入户管”等对应的特征类加入供水网络，由其扮演“边”的角色。 6 、域 域定义特征类、表或子类型属性的有效取值范围。( 图2 - 2 ) ，其中子类型是指特征 类中，基于它们的缺省值、域等性质进一步分割为不同子集。域可以是连续的变化区间， 也可以是离散的取值集合。域类型包括：范围域，它指明数字属性有效值范围。编 码值域，它指明文本或数字属性有效值的集合。 域一 图2 2 特征类、子类与域的关系 7 、确认规则 确认规则是对特征行为和取值加以约束的规则。有四种类型的确认规则，包括：属 性规则、连通规则、关系规则和白定义规则。 属性规则是用于子类上的属性字段的规则。连通规则限定网络特征的类型，限定网 络端点的连通特征类型和数目。有两种类型的连通规则，即结点与边、边与边连通规则。 关系规则用于限定目标类和初始类之间的对应关系。确认规则有5 个步骤：确认子类 型。确认属性规则。确认网络连通规则。确认关系规则。形成自定义确认，用 于类的扩充。 8 、栅格数据集 栅格数据集用于存放栅格数据，它支持海量栅格数据，支持影像镶嵌。在使用时， 可通过建立“金字塔 索引指定视域范围，提高检索和显示效率。 9 、t i n 数据集 t i n 是a r c i n f o 的经典数据模型，用于表达地表形状和其他类型的空间连续分布特 征。 上述要素组合，形成了g e o d a t a b a s e 的体系结构。 总的来说，g e o d a t a b a s e 数据模型的主要优点是它搭建了一个框架，这样用户便可 以轻易地创建智能化要素，模拟真实世界中对象之间的作用和行为。 1 4 2 3 空间数据库引擎a r c s d e 技术 空间数据库引擎技术是目前系统集成中广泛使用的中间件技术在空间数据库应用 解决方案中的一种实现，虽然付出了附加中间层的额外代价，但它较好地解决了g i s 应 用与空间数据库集成中数据提供与访问模式方面的制约瓶颈问题【1 9 】。 2 3 1a r c s d e 简介 a r c s d e 是e s r i 公司发布的服务器g i s ，它允许用户在多种数据库中存储和管理地 理信息。a r c s d e 本身并非一个关系数据库或数据存储模型，它是一个能在多种数据库管 理系统( d b m s ) 平台上提供高级的、高性能的g i s 数据管理的接口，可以支持海量的空 间数据库。s d e 采用无缝数据连接方式，使得数据检索效率大大增强。a r c s d e 用于高效 地存储、索引和访问维护在d b m s 中的矢量、栅格、元数据及其它空间数据。a r c s d e 同 时也提供了开放的客户端开发接口( ca p i 和j a v aa p i ) ，通过这些接口用户定制的应 用程序也可以完全访问底层的空间