（农业水土工程专业论文）基于arcgis的河套灌区水土资源数据库的开发与应用.pdf

摘要 内蒙古河套灌区是我国最大的灌区之一，我国重要的优质绿色农业产业基地， 而且也是我国西北干旱半干旱地区最大的一个人工生态绿洲。新中国成立以来，随 着灌区的不断发展，各个生产科研等部门积累了大量的水土资源基础数据和研究资 料，5 0 多年来，灌区已经在这些资料的积累与研究方面取得了大量的成果，但由 于缺乏系统科学的数据管理与共享方法，传统的手工作业方法使有效资料信息无法 共享，导致灌区管理效率低下，给使用以及进一步的分析、研究带来了极大的不便。 因此，如何采用现代化方法管理河套灌区水土资源信息已是当务之急，而g i s 技术 正为这种需求提供了技术方法和手段。 建立以a r c g i s 为基础的可视化灌区水土资源数据库，可使管理者既能够通过 图形要素宏观了解和非图形要素快捷查询来把握灌区的总体情况，又能通过a r c g i s 中的空间分析模块实现对空间数据的地统计分析、网络分析等常用的空间分析功能， 成倍增加灌区管理者信息获取量和提高信息质量与可利用程度，为灌区管理部门提 供一种可视化的、高效的管理方法。 本研究所取得的成果如下： ( 1 ) 针对河套灌区水土资源数据的特点以及实际应用中的需要，设计了“河套灌 区水土资源数据库 。对河套灌区的水土资源数据进行科学、系统的存储、管理及更 新。 ( 2 ) 采用当今较为先进的g e o d a t a b a s e 数据模型，遵循数据库建立的原则和方法， 将涉及到的所有信息标准化，规范化，建立完善的空间数据库。 ( 3 ) 使用a r c g i se n g i n e 基于v i s u a lc 撑平台，对a r c g i s 进行二次开发，设计并 开发了系统运行的基本框架，实现了对空间数据的基本地图操作、属性数据集的点 击查询、由属性数据到空间数据的反向查询、不同主题地图制作、并以电子表格的 形式输出查询结果等功能。 ( 4 ) 通过a r c g i s 中的各种空间分析功能并结合实际对与空间位置有关的数据进 行常用的空间分析，如地质统计分析、距离分析、缓冲区分析、网络分析等，还可 以对一些具有三维属性的数据进行三维分析，并将分析成果成图输出。 ( 5 ) 实现了信息共享，系统中的数据信息是原来由不同部门分散管理的水土资源 信息及有关的气象资料，在经过标准化处理后，形成一个完整的体系，避免了以往 部门之间的资料互相独立、分散管理而造成的不一致、更新工作量大、错误率高的 状况。 关键字：a r c g i s ；河套灌区；水土资源：空间数据库；空间分析 国家自然科学基金项目( n o 5 0 6 6 9 0 0 5 ) 资助 d e s i g na n da p p l i c a t i o no fw a t e ra n ds o i lr e s o u r c eg e o s p a t i a l d a t a b a s ef o rh e t a oi r r i g a t i o nd i s t r i c tba s e do na r c g i s a b s t r a c t h e t a oi 玎i g a t i o nd i s t r i c ti so n eo fl a r g e s ti r r i g a t i o nd i s t r i c ti no u rc o u n t r y ，t h e i m p o r t a n ti n d u s t r i a lb a s ef o rh i g h - q u a l i t yg r e e na g r i c u l t u r eo fc h i n a ，t h el a r g e s ta r t i f i c i a l o a s i si na r i da n ds e m i - a r i dn o r t h w e s tc h i n a s i n c et h ef o u n d i n go fn e w c h i n a w i t ht h e c o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fi r r i g a t i o na r e a , t h ev a r i o u sp r o d u c t i o ns e c t o r sa c c u m u l a t i o na l o to fs o i la n dw a t e rr e s o u r c e sd a t a , m o r et h a n5 0y e a r s i nt h ea c c u m u l a t i o na n dr e s e a r c h o ft h e s ed a t ai r r i g a t i o nd i s t r i c th a sb e e nm a d eal o to fa c h i e v e m e n t h o w e v e r ，d u et ot h e l a c ko fs y s t e m a t i ca n ds c i e n t i f i cm e t h o d so fd a t am a n a g e m e n ta n ds h a r i n gb r o u g h ta g r e a td e a lo fi n c o n v e n i e n c ei nt h eu s ea n df u r t h e ra n a l y s i sf o rt h ed a t a t h e r e f o r e ，h o wt o a d o p tm o d e mm e t h o d so fm a n a g e m e n to fw a t e ra n ds o i lr e s o u r c e si n f o r m a t i o ni nh e t a o i r r i g a t i o nd i s t r i c ti sam a t t e ro fu r g e n c y ，g i st e c h n o l o g yp r o v i d et e c h n i q u e sf o rt h e d e m a n d e s t a b f i s h e dt h eg e o s p a t i a ld a t a b a s eo fw a t e ra n ds o i lr e s o u r c e sd a t ai nt h eh e t a o i r r i g a t i o nd i s t r i c tb a s e do nt h ea r c g i s 9 2p l a t f o r m ，s u p p o r t ss o m ea d v a n c e df u n c t i o n s u c ha sd a t as e a r c h i n ga n da n a l y z i n g i ta l s oc a nb eu s e dt o c a r r yo u ts o m es p a t i a l a n a l y s i ss u c ha sg e o s t a t i s t i c sa n a l y s i s b yt h i sd a t a b a s ec a r lp r o v i d en e c e s s a r yd a t aa b o u t w a t e ra n ds o i lr e s o u r c e sd a t at o a g r i c u l t u r ep r o d u c t i o n , h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o na n ds c i e n c er e s e a r c h s o ，i ti s v e r yu s e f u li n t h ei r r i g a t i o nd i s t r i c t m a n a g e m e n t s o m ep r e l i m i n a r yr e s u l t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) e s t a b l i s h e dt h eg e o s p a t i a ld a t a b a s eo fw a t e ra n ds o i lr e s o u r c e sd a t ai nt h eh e t a o i r r i g a t i o nd i s t r i c tb a s e do nt h ea r c g i s 9 2p l a t f o r m ，t h ed a t a b a s ec a l lp r o v i d et h e s c i e n t i f i cm e t h o df o rd a t am a n a g e m e n t ，s t o r ea n du p d a t e ( 2 ) t h es p a t i a la n da t t r i b u t ed a t ao fw a t e ra n ds o i lr e s o u r c ew e r eo r g a n i z e du s i n g g e o d a t a b a s et e c h n o l o g yt or e a l i z ei td y n a m i cm a n a g e m e n tb a s e do nt h er e q u i r e m e n t so f s t a n d a r d i z a t i o na n dr e g u l a r i z a t i o n ( 3 ) u s i n ga r c g i se n g i n eb a s e do nv i s u a lc 撑p l a t f o r mm a k et h es e c o n d a r y d e v e l o p m e n to fa r c g i s i th a sp r o v i d e das e r i e s o fg e o s p a t i a ld a t am a n a g e m e n t s u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a is c i e n c ef u n dp r o j e c t ( n o 5 0 6 6 9 0 0 5 ) f u n c t i o n s ，f o re x a m p l e ，d a t a b a s eb u i l d i n g ，e x c h a n g i n g ，t o p o l o g ye x a m i n i n g q u e r y i n g s t a t i s t i c ，d a t ad r a w i n g ，c a r t o g r a p h y a n da n a l y z i n g i t sad y n a m i cm a n a g e m e n ta n d s e r v i c ep l a t f o r mo fm a s s i v eg e o s p a t i a ld a t a ( 4 ) t h ed a t 乏l b a s ec a nb eu s e dt oc a r r yo u ts o m es p a t i a la n a l y s i ss u c ha sg e o s t a u s t m s a n a l y s i s b u f f e ra n a l y s i s ，n e ta n a l y s i sa n ds oo n i t a l s oc a r lc a r r yo u t3 da n a l y s i sf o r s o m ed a t at h a th a v e3 da t t r i b u t e s ( 5 ) b vu s i n gt h ed a t a b a s ec a r l a c h i e v et h ei n f o r m a t i o ns h a r i n g ，m a d eav a r i e t yo f w a t e ra n ds o i lr e s o u r c e sd a t ai nt h eh e t a oi r r i g a t i o nd i s t r i c tt of o r mac o m p l e t es y s t e m ， b r i n gc o n v e m e n c et ot h eu s eo f t h i sd a t a k e yw o r d s ：a r c g i s ；h e t a oi r l i g a t i o nd i s t r i c t ：w a t e ra n d s o i lr e s o u r c e ； g e o s p a t i a l d a t a b a s e ；s p a t i a la n a l y s e d ir e e f e db y ：p r o f w a n gy a o qi a n g a p pl ic a n tf o rm a s t e rd e g r e e c a om in g ( a g r i c u l t u r a w a t e r - s o i le n g i n e e r i n g ) ( c o l l e g eo fw a t e rc o n s e r v a n c ya n d c i v i ie n g i n e e r i n g , i n n e rm o n g o l i aa g r i c u l t u r a lu n i v e 面t y , h u h h o t 0 1 0 0 1 8 ，c h i n a ) 内蒙古农业大学研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 括为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：二豸：! ! j 日 期：2 ：1 2 ：! ：竺： 导师指导研究生学位论文的承诺 我指导下独立开展研究工作及取得的研究结果，属于我现任岗位职务 工作的结果，并严格按照国家及学校有关学术道德规范的规定要求而 获得的研究结果。如果违反，我必须接受按国家及学校有关规定的处 罚处理并承担相 指导教师签名： 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，即：研 究生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学。本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印、缩印或其他 论文作者签名：莹! ! 旦 指导教师签名 日期： 内蒙吉农业大学硕士论文 1 引言 1 1 选题的目的及意义 内蒙古河套灌区是我国最大的灌区之一，我国重要的优质绿色农业产业基地， 而且也是我国西北干旱半干旱地区最大的一个人工生态绿洲。河套灌区是一个具有 两千多年悠久历史并在新中国建立以后又有新的发展的大型灌区。与国内其他大型 灌区相比较，河套灌区具有显著的特点和问题，干旱少雨，盐渍化威胁大，工程冻 胀问题突出，水资源矛盾日益突出。灌区节水水平较低，农业耕作、管理技术较落 后。目前仍然有许多科学问题需要去研究和解决。自新中国成立5 0 多年来，灌区虽 然经历了不同阶段的发展和停滞，但灌区的科学研究试验和常规的水文监测一直持 续至今，积累了大量的水土资源基础数据和研究资料，如灌区的地下水资料、黄河 径流与灌区引水、排水资料、气象资料、土壤质地类型资料、农业种植结构、种植 面积、灌溉制度、盐碱地面积、地下水开采资料、人畜饮水水质调查资料、潜水蒸 发、冻土试验、土壤墒情、水盐监测等资料。这些资料是进行科学研究、水资源优 化配置的基础数据。5 0 多年来，灌区已经在这些资料的积累与研究方面取得了大量 的成果，但由于缺乏系统科学的数据管理与共享方法，这些数据被分布到各个单位 部门，采用不同的管理标准、不同的数据存储格式缺乏统一的管理和开发，导致这 些资料查找困难各部门间很难共享，给使用以及进一步的分析、研究带来了极大的 不便。如何采用现代化方法科学的管理河套灌区水土资源信息己成为当务之急，而 g i s 与空间数据库技术正为这种需求提供了技术方法和手段。 河套灌区水土资源数据库就是针对这一问题采用先进的空间数据库技术结合地 理信息系统来解决目前灌区水土资源数据的统一管理和数据共享中存在的问题，实 现跨部门、跨行业的资源共享。并通过使用美国e s k i 公司成熟的a r c g i se n g i n e 组件 包，基于v i s u a lc 群平台对a r c g i s 进行二次开发，设计并实现数据库的操作界面以及 应用模块。通过与a r c g i s 中的空间分析功能相结合还可以对这些具有空间相关性的 水土资源数据进行一些常用的空间分析，如地统计分析、距离分析、网络分析、叠 加分析等功能。将这些分析成果在时间和空间上进行比对就可以更加准确、直观的 反映相关数据的分布情况及变化规律，为河套灌区的水利建设规划，土壤水盐监测 和水资源评价、土壤盐渍化的防治、保护与合理开发利用等方面的规划、决策提供 更加科学准确的依据，并使工作效率得到很大的提高。河套灌区农业水土资源环境 基础数据平台的建立为国内外科研单位和科学家对灌区与农业水土有关的科学问题 的研究和灌区演变的揭示具有重大的战略意义。 基于a r c g i s 而进行的数据库的开发研究，在近年来有了较为迅速的发展，目前 已有的成果多集中于基础地理空间数据的管理，土地规划数据的管理，农业信息管 理，水资源管理等方面 1 , 2 , 3 4 , 5 e l 。而关于水土资源数据库的研究还比较少，且多侧重 2 基于a r c gis 的河套灌区水土资源数据库的开发与实现 于土地资源管理或水资源管理两方面中的一种，然而在实际应用中往往需要将两中 资源信息结合使用才能达到更好的效果，如在研究土壤盐渍化的问题时我们不仅要 考虑地下水矿化度还要考虑到土壤的质地这就需要将两种数据结合使用才能全面科 学的解决问题。本文将两种数据整合到一起就是为了使河套灌区的水土资源数据能 够更方便、更准确的应用于农业生产及科学研究。 1 2 国内外的研究状况 1 2 1 国外研究状况以及发展趋势分析 水资源管理g i s 系统是随着g i s 技术的发展而发展，早在2 0 世纪7 0 年代。 美国田纳西流域管理局就利用g i s 技术处理和分析各种流域数据u 1 ，流域管理和规 划提供决策服务，从此g i s 开始应用于水资源管理。 在进入8 0 年代后，随着计算机图形技术、数据库技术、g i s 技术等的不断发展， g i s 在水文学及水资源管理领域的发展非常迅猛，例如佛罗里达大学开发了a f s i r s 系统，用户可以根据作物类型，灌溉系统，土壤情况，气候条件，生长季节和管理 方式等估计出灌溉需水量。国际粮农组织开发了s i m i s 系统，具有适用性好，多语 言和简单易用的特点。 进入9 0 年代后，数字化信息技术的飞速发展，提出了流域“数字水文”平台， g i s 已经成为构建该平台和进行流域水文模拟的重要工具及手段1 。1 9 9 0 年 a d a m s t m t a l 等利用g i s 技术建立了能够收集、维护并能按需提供地质数据和水文 数据的系统。1 ，可以根据不同部门进行工程设计、地下水保护的研究，该系统还能 够根据井位进行空间查询；1 9 9 3 年o l o u f a 等利用m a p l n f 0 2 0 实现了地下水模拟和 管理系统d o i 他们以美国的夏威夷的o a h u 岛为研究对象，建立了土壤类型、降雨 量、地面径流等基础数据库。 1 2 2 国内研究状况以及发展趋势分析 在国内，随着2 0 0 2 年大型灌区信息化建设试点工作的正式启动，基于g i s 的 水资源管理信息系统也在各个灌区中蓬勃发展起来。华中科技大学数字化工程中心 的孟爽，黄牧涛等在v i s u a lc # n e t 的环境下，基于美国e s r i 公司的a r c g i se n g i n e 组件包开发灌区管理信息系统，以灌区图形为基础，在平面图的基础上管理灌区 内的各种信息，同时把水资源专业模型与g i s 相结合，使操作更加方便，系统功能 更加强大；武汉大学水利水电学院姜海，黄介生等采用v i s u a lb a s i c 6 0 为主开发语 言，用串口通信技术来接收自动采集系统所采集的水雨情信息，调用m a p l n f o 的 a c t i v e x 组件m a p x 完成西山灌区管理信息系统管理灌区基本概况与实时水雨情数 据收集1 1 2 1 武汉大学水资源与水电工程科学实验室的郑祖金、崔远来等以“编程语 内蒙古农业大学硕士论文 3 言+ 控件”的系统指导思想下利用v i s u a lb a s i c6 0 与m a p l n f o 的m a p x 组件设计并开 发了灌区管理信息系统，实现了灌区基本信息的管理，图形分层管理，灌溉供水分 析等管理功能 ；范吴明、杨国范、安禹等在沈阳市浑北灌区采用g e o s t a r 为层、 类、属性等设计平台，以g e o m a p 作为g e o s t a r n t 版的二次开发工具，基于c o m ( c o m p o n e mo b j e c tm o d e l ) 技术，采用“对象+ 控件”的形式用v i s u a lb a s i c6 0 编 程语言进行软件的二次开发，使系统除了具有普通系统的基本视图操作，查询编辑 功能外，还能对每条渠道进行实时配水分析，为最佳配水调度提供科学合理的依据， 有针对性的解决了灌区配水问题。 4 基于a r c gls 的河套灌区水土资源数据库的开发与实现 2 基本概念与关键技术 2 1gis 基础 2 1 1 基本概念 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，g e o i n f o r m a t i o ns y s t e m ，简 称g i s ) ，是指在计算机软硬件支持下，对整个或者部分地球表层空间中的有关地理 分布的数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统钉。 完整的地理信息系统主要由四个部分构成，即硬件系统、软件系统、地理空间 数据和系统管理操作人员。其核心是软硬件系统，空间数据库反映了g i s 的地理内 容，而管理人员和用户则决定了系统的工作方式和信息表示方式。 地理信息系统的核心问题可归纳为五个方面的内容：位置、条件、变化趋势、 模式和模型，依据这些问题，可以把g i s 功能分为以下几个方面： 1 数据采集与输入 数据采集与输入，即将系统外部原始数据传输至o g i s 系统内部之过程，并将这 些数据从外部格式转换到系统便于处理的内部格式的过程。 2 数据编辑与更新 数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。属性编辑主要与数据库管理结合在一 起完成：图形编辑主要包括拓扑关系建立、图形编辑、图形整饰、图幅拼接、投影 变换以及误差校正等。数据更新则要求以新纪录数据来替代数据库中相对应的数据 项或纪录。 3 数据存储与管理 数据存储与管理是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属 性数据的组织。栅格模型、矢量模型、栅格一矢量混合模型、t i n 模型是常用的空 间数据组织方法。 4 空间数据分析与处理 空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其它计算机系统的 根本区别，模型分析是在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界中与空间相关 的问题，它是地理信息系统应用深化的重要标志。 5 数据与图形的交互显示 地理信息系统为用户提供了许多用于地理数据表现的工具，其形式既可以是计 算机屏幕显示，也可以是诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件，可以通过人机交互 方式来选择显示对象的形式，尤其要强调的是地理信息系统的地图输出功能。g i s 不仅可以输出全要素地图，也可根据用户需要，输出各种专题图、统计图等。 6 地理信息系统应用 地理信息系统的大容量、。高效率及其结合的相关学科的推动使其具有运筹帷幄 内蒙古农业大学_ 颐士论文 的优势，成为与空间信息有关各行各业的基本工具“” 2 12a r c g i s 9 概述 本文的研究是基于a r c g i s 9 平台进行的，a r c g i s 是当今最先进的地理信息系统 之一在许多的领域与部门中得到了广泛的应用。下面就对a r e g i s 9 做一个简要的 介绍。 a r e g i s 9 是美国环境系统研究所( e n v i r o n m e n ts y s t c mr e s e a r c hi n s t i t u t e ，e s k i ) 开发的新一代g i s 软件，是世界上应用广泛的g i s 软件之一。 a r e g i s 9 由美i 虱e s p d 在2 0 0 4 年推出，它是一个统一的地理信息系统平台，由数 据服务器a r c s d e 和4 个基本框架组成即：桌面软件d e s k t o pg i s 、服务器g i s 、嵌入 式g i s 和移动g i s 。如图1 所示。 d e s k t o pg 1 5 鼍竺当 e m b e d d e dg i s 盅裟。c 端船墙是 m o b i l eg i s lm c 畦 g e o d a t a b a s e a r c g i s 9 是e s k i 发布的功能比较强大而又完善的版本。a r c g i s 9 的一个主要功能 是与现有的a r c g i s83 平台的功能和数据模型相兼容，使得最终用户和开发商可以 很方便地对系统进行升级，而不影响已经完成的工作，同时在软件稳定性、测试、 空间数据库伸缩性和栅格处理的性能等方面作了很多改进：井提供强大的跨平台支 持能力，包括w i n d o w s , u n i x 和l i n u x 平台，这为用户提供了更加灵活的配置选择“”。 强大的空间分析能力是a r c g i s 系列产品一大特征，a r c g i s 9 推出了一种全新的 空间分析方式，能帮助用户完成高级的空间分析。在a r e g i s 9 中，全部主要的 w o r k s t a t i o n 空间处理功能都将在a r e g i sd e s k t o p 中提供，并将进一步提供更多的空 间处理工具，进行对包括空间数据库要素类在内的数据格式转换处理 1 1 1 。为用户的 6 基于a r c gis 的河套灌区水土资源数据库的开发与实现 使用提供了更多的方便，提高了工作效率。 2 2 基于a r c gls 的开发方法 a r c g i s 的开发途径多种多样，开发人员可以通过以下几种方法进行开发： 1 配置、定制诸如a r c m a p 和心c c a t a l o g 等a r c g i s 应用程序。 2 扩展a r c g i s 的结构和数据模型。 3 用a r c g i se n g i n e 将地图s d g i s 功能嵌入到其他应用程序中。 4 用a r c g i se n g i n e 建立和部署自定义桌面应用程序。 5 用a r c g i ss e r v e r 建立w 曲服务矛d w e b 应用程序。 用a r c o b j e c t s 这个软件组件可以建立和扩展a r c g i s 系统。a r c o b j e c t s 包括各种各 样的可编程组件，从细粒度对象，如几何对象，到粗粒度对象，如可用于与现有 a r c m a p 文档进行交互的地图对象。这些组件集成了开发人员所需的全部g i s 功能。 a r c o b j e c t 是e s r i 公司a r c g i s 系列产品的开发平台，它是基于m i c r o s o f tc o m 技 术所构建的一系列c o m 组件产品。a r c o b j e c t 不是为最终用户而是专门为开发人员提 供的二次开发软件，通过a r c o b j e c t ，用户可以非常方便的开发出功能强大的g i s 应 用系统，到a r c g i s 8 3 为止，a r c o b j e c t 还不是一个独立的应用产品，而是捆绑在用 户购买的a r c g i sd e s k - t o p 产品中的软件开发包。也就是说用户只要购买了任何一个 a r c g i s d e s k t o p 产品不管是a r c v i e w 还是a r c l n f o ，都将拥有强大的a r c o b j e c t s 组件 集。从a r c g i s 9 0 开始e s r i 推出了a r c g i se n g i n e ，该产品使得a r c o b j e c t s 口- 6 以作为独 立的产品进行发布和使用 1 9 1 0 a r c g i se n g i n e 是一套a r c g i s 的可重用的通用的二次开发组件产品，它可以用于 大量的开发框架中，包括流行的像n e t 、v i s u a l c + + 、v i s u a lc # 、v i s u a lb a s i c 、 d e l p h i 等开发环境，因此开发人员可以在自己熟悉的开发环境中灵活的利用a r c g i s e n g i n e 开发需要i 拘g i s 应用1 2 0 l 。 本文就是使用a r c g i se n g i n e 建立和部署自定义桌面及应用程序，开发出针对性 强、使用简单方便、对计算机配置要求较低的数据库应用程序，并且通过该应用程 序可以实现常用的、基本的空间数据库操作，如地图浏览，数据更新、查询，属性 查询并以电子表格输出等功能，开发的具体方法及步骤将在下文中详细叙述。 内蒙古农业大学硕士论文 7 3 河套灌区水土资源数据库的设计 3 1 灌区概况 内蒙古河套灌区位于内蒙古自治区西部的巴彦淖尔市南部，西与乌兰不和沙漠 相接，东至包头市郊区，南临黄河，北抵阴山山脉的狼山、乌拉山洪积扇。在北纬 4 0 。2 07 4 1 。1 8 ，东经1 0 6 。2 07 1 0 9 。1 97 。东西长2 5 0 k i n ，南北宽达5 0 k m ， 总土地面积1 1 8 9 7 3 3 k i n 2 ( 1 7 8 4 6 万亩) 。其中引黄面积1 1 6 2 2 6 7 k m 2 ( 1 7 4 3 4 万亩) 。 海拔1 0 0 7 - - 1 0 5 0 米，、地势由西向东微倾，西北部第四纪沉积层厚达千米以上。山前 为洪积平原，面积占平原总面积的1 4 ，余为黄河冲积平原。土壤以盐渍化浅色草甸 土和盐土为主。年均降水量1 3 9 2 2 2 m m ，年均蒸发量达1 9 9 9 2 3 4 6 m m ，是典型的“无 灌溉则无农业”地区。主要靠引黄河水灌溉，是我国规模最大的三个灌区之一，具 有两千多年的灌溉历史。地处黄河流域中游，灌区热量充足，全年日照3 1 0 0 3 2 0 0 小时，1 0 以上活动积温2 7 0 0 - - - 3 2 0 0 ，无霜期1 2 0 1 5 0 天，年可一熟。作物种类 很多，有小麦、甜菜、玉米、胡麻、葵花、糜子及瓜果、蔬菜等，素有“千里黄河， 唯富一套”的美称。 3 2 系统的总体设计 3 2 1 数据来源 本文的数据主要来源于内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院多年来的实验 数据，河套灌区管理部门的日常观测数据，以及从内蒙古测绘院购买的各种纸质地 形图、专题图等。这些数据包括基础地形数据、气象数据、土壤类型、土壤特征参 数数据、地下水数据、土壤墒情监测数据、土壤水盐监测数据等一系列与空间位置 有关的数据。这些数据由于记录时间的不同，采用方式、方法的差异，导致了这些 数据在格式、精度、采用的坐标系统等方面上多种多样、复杂无序，并且分散于多 个部门，缺乏统一、科学的管理，因此给平时的使用和研究带来了极大的不便。 所以在获取这些数据以后，首先将按照统一的标准、统一的坐标系，对数据进 行预处理，使各种数据符合入库的标准。再将这些数据根据类别分层存储，集成为 一个有机的整体，并对数据进行有效的组织、管理以便于各使用者的查询、分析与 制图，使各种不同类别的资料互相参考配合使用。 3 2 2 技术路线 河套灌区水土资源数据库的建立流程大体上分为四步。 第一步：数据的收集整理，将所需要的数据收集到一起，对数据格式、采用的 坐标系等进行初步的了解。 第二步：对数据进行预处理，统一数据的格式及坐标系统并根据数据的类型、 8 基于a r c gis 的河套灌区水土资源数据库的开发与实现 属性对数据进行分类，使数据符合入库的标准。 第三步：通过a r c g i s 平台根据数据的内容、类别、属性及需要采用的坐标系， 按照实际工作中的需要建立空间数据库。 第四步：数据的入库及应用，将预处理过的数据通过键盘录入，扫描矢量化、 直接导入等方法输入数据库，在数据库的使用过程中还可以通过这些方法对数据进 行修改、更新以及提供一些必要的安全机制。具体路线见图2 。 数据标准与信息 分类体系 基于a r c g i s 的 空间数据库的开 发与建立 数据收集与整理 数据的预处理 数据入库 河套灌区水土资源空间数据库 数据资料与 基础地形图 的更新 数据管理 数据备份 安全机制 图2 技术路线图 数据的应用 查询，常规的 g i s 空间分析 3 2 3 数据结构 河套灌区水土资源数据库中主要由空间数据和属性数据两大部分组成，空间数 据库中包括各种与空间数据有关的数据如河流、渠道、行政区划及各种监测点等； 在属性数据库中主要存储各种用来描述空间数据的属性，如地面点的坐标、高程， 渠道的长度、流量等资料。其中空间数据库与属性数据库之间是相互对应的，通过 关键字相关联。具体数据结构见图3 。 内蒙古农业大学硕士论文 9 图3 河套灌区水土资源数据库数据结构图 高程 量 水质 、含量 3 3 4 系统的功能 ( 1 ) 数据输入 数据输入为整个系统提供最为基础的空间数据和属性数据，主要来源于河套地 区1 ：2 5 0 0 0 0 地形图及河套地区l ：5 0 0 0 0 0 的d e m ( 数字高程图) 还有一些野外调查 的相关地理空间数据。地形图利用a r c g i s 9 2 中的e d i t o r t 具栏结合a d v a n c e de d i t i n g 工具栏进行矢量化，转化为g e o d a t a b a s e 的要素文件进行存储。d e m 贝j j 通过a r c g i s 9 2 中的s p a t i a la n a l y s t i 具栏生成等高线存入灌区基础数据库中，并将d e m 存入栅格文 件数据库。属性数据是与空间数据对应的用来描述空间数据的数据，它包括地面点 的高程、坐标；渠道的名称、长度、流量；地下水的水位、水质；土壤特征参数等 一系列信息。 ( 2 ) 数据管理 系统中的数据可以实现图形的放大、缩小，能够添加、删除、移动图形或对其 进行编辑、修改等，对于属性数据的维护包括数据的增加、删除、修改等操作，并 可以对数据库进行动态更新。 ( 3 ) 数据的查询统计 1 0基于a r c gi s 的河套灌区水土资源数据库的开发与实现 系统提供了4 种方式的查询功能：常用查询、空间查询、属性查询和组合查询。 常用查询把日常常用的查询抽取出来通过一键点击即可查询出来，提高了查询效率。 空间查询通过各空间要素之间的关系进行查询。属性查询通过属性特征进行查询。 组合查询是指把空间数据和属性数据相结合进行查询。查询的结果通过地图中的高 亮要素以及二维表格的方式显示出来。统计功能可根据监测数据绘制监测数据随时 间或空间变化的折线图、柱状图等图表，更加直观的展现数据，并以专题图、电子 表格等形式输出。 ( 4 ) 数据的空间分析 通过本数据库还可以对各种数据进行常用的空间分析，如地质统计分析、距离 分析、缓冲区分析、插值分析等，并可以对一些具有三维属性的数据进行三维分析， 使各种数据更为形象直观。如地质统计分析模块通过结合相关的地质统计学知识确 定相关参数如采用的步长及数学模型等就可以对研究区域进行空间差值、等值线的 绘制、泰森多边形的生成等一系列地质统计分析，为灌区的科学研究及农业生产方 面的决策提供科学的依据。 3 3 数据库的建立 3 3 1 空间数据库的相关概念 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：( 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( 2 1 1 。 正因为空间数据具有上述5 个特点，普通数据库系统难以对空间数据进行有效的 管理，因而产生了空间数据库。空间数据库是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，是g i s 系统的核心。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输入、删除、 更新等操作。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。 通常使用的基础地理空间数据库中主要包括3 种数据模型：矢量数据模型、栅格 数据模型、和t i n 数据模型。 矢量数据模型：矢量模型将地理空间看成一个空间区域，地理要素存在于其间。 在矢量模型中，各类地理要素根据其空间形态特征分为点、线、面( 区域) 三类， 对实体位置显示、属性隐式的描述。这种数据模型与传统的纸质地图最为接近应用 也最为广泛。 内蒙古农业大学硕士论文 11 栅格数据模型：在栅格数据模型中地理空间被划分为规则单元( 像元) ，空间位 置由像元的行列号表示。像元的大小反应数据的分辨率，空间实体由一系列相邻的 像元组合表示。栅格数据模型的特点是：属性明显，定位隐含。即数据直接记录属 性的本身或指针，而位置则根据行列号转换为相应的坐标给出。 t 玳数据模型：t i n ( t r i a n g u l a t e di r r e g u l a rn e t w o r k ) 不规则三角网。它是一个 用格网覆盖整个地区，并试图用格网的每一个单元及其属性( 坡度，坡向，明暗色 调等) 组合起来表达地表形态。在这一方面t i n 的思路与栅格模型的思路相同。另 一方面t i n 表面不是方形而是不规则三角形陇。由于t i n 的特点，用t i n 模型反映三 维的地形特征具有非常好的效果。 3 3 2g e o d a t a b a s e 空间数据模型 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。g e o d a t a b a s e 模型是种新的面向对象数据模型，在实现上 使用了标准的对象一关系数据库技术，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2 钉。 g e o d a t a b a s e 为a r c g i s 更好的管理和使用地理空间数据提供了数据接口和管理 框架，它定义了所有在a r c g i s 中可以使用的数据类型( 例如：要素、栅格、地址和 测量方法) 及其显示、访问、存储、管理和处理方法。而且g e o d a t a b a s e 是一个被所 有a r c g i s 产品及应用程序共享的通用框架1 2 4 1 0 g e o d a t a b a s e 包含的基本元素： 1 表( t a b l e s ) 表是指地理数据集描述地理对象的属性表。许多表和空间对象之间可以通过它 们所共有的字段( 也常称为“关键字”) 相互联系。本文数据库中各种数据的属性数 据都是存储在表中的通过关键字与空间数据相对应。如在地下水数据中通过该数据 属性中的关键字“埋深 就可以查看到地下水埋深的资料。 2 要素类( f e a t u r e s ) 在地图上，要素类是离散对象。“小”对象( s m a l lo b j e c t s ) 表示为点要素。“长” 对象( l o n go b j e c t s ) 表示为线要素。“大”对象( b i go b j e c t s ) 表示为多边形( 面) 要素。本数据库中跟据数据的种类、属性对数据进行分类，将具有相同类别和属性 的数据统一存入一个要素类中，这样就使数据的查找更加方便。如在本数据库中所 有的地下水监测点都