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东北大学硕士学位论文 摘要 省级土地利用数据管理信息系统的研究与开发 摘要 土地是人类赖以生存的物资基础，是国家发展的根本。如何更好的利用现有 的地资源，提高土地管理水平一直是各级政府比较关心的问题。随着计算机技 术的发展，土地管理信息化成为社会发展的趋势，各种土地管理软件也纷纷应运 而生。在发达国家土地管理的信息化水平已相当高，而在国内这一行业还处于起 步阶段。本文旨在探讨省级的土地利用数据管理系统的建立，侧重于系统的分析、 数据库的建设和数据更新机制的研究。 本目标系统将面向全省的农村土地利用数据的管理，数据主要涉及农村l ：1 y j 土地利用现状图。针对土地利用数据量大，情况复杂的特点提出增量式的数据 更新和上传机制，其好处是：数据更新量小，便于网上数据传输：有利于历史数 据的管理；能很好的解决省、市、县三级数据同步的问题。系统针对当前土地利 乍h 数据的现状，结合土地管理部门的业务流程，建立以县为单位的无缝系统数据 库存储机制。系统包括3 个子系统，分别是数据管理与应用、数据更新、w e b 数据发布。 本系统采用面向对象的软件开发方式，在软件的开发过程中，全面使用u m l 建模语言。本文从需求定义、系统分析、系统设计等方面出发对系统进行面向对 象的分析与建模。 关键词：地理信息系统、a r c g i s 、面向对象、土地利用 东北大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h ed a t ao f l a n d - u s ei np r o v i n c ec l a s sm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m a b s t r a c t t h ei a n di saf o u n d a t i o nt h a tt h em a n k i n dr e l yo nf o re x i s t e n c ea n dl ti sa l s oa f o u n d a t i o no fac o u n t r y sd e v e l o p m e n t h o wt oe x p l o i tc u r r e n tl a n dr e s o u r c e si nb e t t e r a n dh o wt oi n c r e a s et h em a n a g e m e n tl e v e lo fl a n da r et h ep r o b l e m st h a tg o v e r n m e n ti s r a t h e rc o n c e r n e da b o u t a l o n gw i t ht h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n t si nc o m p u t e r ，t h e i n f o r m a t i o ni nm a n a g e m e n to fl a n db e c o m e st h et r e n do ft h es o c i a ld e v e l o p m e n ta l l k i n d so fm a n a g e m e n ts o f t w a r eo fl a n da l s oe m e r g e dw i t ht h et i d ei nd e v e l o p e d c o u n t r i e st h el e v e lo fi n f o r m a t i o ni nm a n a g e m e n to fl a n da r ea l r e a d yv e r yh i g h ，b u ti n o u rc o u n t r yt h i sp r o j e c ts t i l lj u s ts t a r t t h i st h e s i sa i m e da tt h ed e v e l o p m e n to ft h e m a n a g e m e n ts y s t e mo fl a n di np r o v i n c ec l a s sd a t a t h et h e s i sl a i de m p h a s i so nt h e r e s e a r c ho ft h em e c h a n i s mo fu p d a t e ，t h ea n a l y s i so ft h es y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n t o fd a t a b a s e s t h i ss y s t e mw i l lm a n a g et h ed a t ao fr u r a ll a n d - u s ei nw h o l ep r o v i n c e 、t h em a i n d a t ai s1 ：10 0 0 0l a n d u s em a p s a i m i n ga tt h ed a t ah a sag r e a tc a p a c i t ya n dt h ep r o c e s s i sc o m p l i c a t e d ，t h et h e s i sp u tf o r w a r dt h en e wm e c h a n i s mo fu p d a t e i t sa d v a n t a g ea r e t h a tt h ed a t au p d a t e si sl e s s ；i ti sc o n v e n i e n tt oe x c h a n g ed a t ao nt h en e t ；i ti sb e n e f i tt o t h em a n a g e m e n to ft h eh i s t o r i c a ld a t a t h em e c h a n i s mo fu p d a t ec a l ls o l v e s y n c h r o n o u sp r o b l e m sa b o u tt h ed a t aa m o n gt h ep r o v i n c e ，c i t i e sa n dc o u n t i e s a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n td a t ao fl a n d u s ea n db u s i n e s sp r o c e s st h et h e s i se s t a b l i s h e d t h es a v i n gm e c h a n i s mb a s e do nc o t i n t yu n i ti nt h ed a t a b a s e t h es y s t e mi n c l u d e s3 s u b s y s t e m s t h ef i r s to n ei st h ed a t au p d a t e ，t h es e c o n do n ei st h em a n a g e m e n ta n d a p p l i c a t i o no f d a t a ，t h el a s to n ei sw e bp u b l i c a t i o n t h i ss y s t e m a p p l i e do b j e c t - o r i e n t e dd e v e l o p m e n tm e t h o d i np r o c e s so ft h e s o f t w a r e d e v e l o p m e n t ，t h es y s t e mc o m p l e t e l yu s e d t h eu m l t h et h e s i su s e d i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e c h n o l o g yo fo b j e c t o r i e m e di nr e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，s y s t e ma n a l y s i s a n ds y s t e m d e s i g n k e yw o r d s ：g i s 、a r c g i s 、l a n d u s e 、o b j e c t o r i e n t e d 一1 1 1 - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研 究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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。 学位论文作者签名 照还 同期：柳2 搿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即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磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权东北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、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：导师签名 签字同期签字日期 东北大学硕士学位论文第一章前言 1 1 论文课题的提出 第一章前言 土地是人类立足的场所、生存的条件，是人类劳动过程实现的基础与基本条 件。由于土地的有限数量和宝贵，对土地的所有权、使用权管理就显得尤其重要。 准确的土地利用数据是制订国民经济发展规划、计划及宏观决策的重要依据。及 时准确地掌握土地利用变化情况是加强国土资源动态管理、切实保护耕地的必要 前提条件。土地管理工作是一项技术性、政策性、时效性、法律性很强的工作。 随着社会经济的发展和科学技术的进步，土地管理的方法、手段和管理模式也在 发生着深刻的变化。一方面，人们对土地价值的认识逐步深入，土地的深度开发 利用、各种形式的变更、出让等越来越频繁；另一方面，政府和各级土地管理部 门本身也希望掌握快速变化的土地及相关信息，为政府宏观决策提供及时、准确、 可靠的依据。 以往，土地利用数据多以图纸、图表和卡片等形式保存，采用人工管理的管 理方式。随着时代和科学技术的发展，传统的管理模式已经不能适应时代的发展， 这种传统管理方式的弊端表现在： 难以高效地管理大量的土地利用数据资料： 不能从海量土地利用数据中提取出有效的信息； 不能及时实现土地利用数据的变更，导致土地主管部门掌握的土地信息 与实际土地的利用情况不一致，严重影响了主管部门的决策。 面对土地管理方式的落后与经济快速发展之间的矛盾日益尖锐的局面，如何 实现国土资源管理现代化和服务社会化，充分发挥国土资源的经济、社会和环境 效益，促进我国经济可持续发展和社会全面进步，已成为我国国土资源管理工作 的重要战略目标。是否高效、合理地开发利用我们并不充裕的土地资源，将关系 到国民经济和社会可持续发展战略的顺利实现。 信息化已经是当今世界经济和社会发展的大趋势。要改变土地管理方式的落 后的现状就必须实现管理的信息化。所谓土地管理的信息化就是采用现代信息管 理技术，尤其是地理信息系统( g i s ) 技术，建立科学完备的国土资源数据管理 中心，各级数据中心间能够实现数据共享、功能协作，以做到上情下达，适时反 东北大学硕士学位论文第一章前言 馈，最大限度地发挥国土资源的经济社会效益。国家的叫一五”目标和2 0 1 0 年远景 规划都把国土资源管理的信息化建设作为一项重要工作提到议事f ：1 程上来。 综上所述，急需开发一套土地利用数据管理软件，用于满足土地主管部门信 息化管理的需求，提高土地资源管理的现代化和信息化管理水平；为各级土地管 理部门提供基础应用平台：为“数字国土”的建设奠定峰实的基础。 本文讨论的内容就是省级的土地利用数据管理信息系统的设计与实现，预期 该软件管理全省农村1 ：l 万土地利用现状数据。本人有幸作为项目组成员，参与 了系统的设计和开发工作，并结合实际工作完成了该论文。 1 2 土地资源管理系统的国内外发展现状 土地管理信息系统在国外已有3 0 多年的发展历史。6 0 年代中期，加拿大国 土资源管理局历经8 年时间建立了世界上第一个土地管理信息系统。其后美国纽 约州和明尼苏达州相继建立了自己的土地管理系统。欧美是土地利用信息化程度 最高的地区，2 0 0 1 年美国国家土地管理局建立了全国综合土地系统，标志着土地 利用的综合化应用。由于各个国家管理体制、社会制度和社会经济发展水平的不 同国土资源管理的手段、内容、要求和法律制度都有很大的不同。因此，在国 土资源管理信息化建设方面采用的技术手段和软件系统也有较大的差别。在采用 的底层技术上，国内外具有许多共同点，如都采用3 s ( g p s 、g i s 、r s ) 技术、 计算机网络技术、数据库技术、软件开发技术等建立土地资源管理信息系统，但 在功能设计、业务要求、界面设计上有很大的差别。由于这些国家起步较早，技 术条件较好，到目前为止已取得了丰富的成果，其信息化水平已比较高。但在网 络化服务，海量空问数据与属性数据处理和存贮管理、实用化方面还有许多工作 要做。 国内土地管理信息化建设工作，基本上起步于2 0 世纪8 0 年代中后期，由于 各个国家的土地管理方式不同，适合于中国国情的管理软件的建设还处于发展阶 段。【l 】 2 1 从总体上说，国土资源管理信息系统建设工作在国内还刚刚处于启 动阶段。随着信息技术的进步和社会经济的发展，各级国土资源管理部门都迫切 需要建立现代化的国土资源管理信息网络系统。国土资源部通过大量的调查研究 和技术分析制定了一系列的与土地信息系统建立相关的数据标准、技术规范、要 求和技术方案。同时，近几年来3 s 技术、计算机网络技术和空间数据库技术不 断发展和完善，在国土资源管理信息系统建设中的应用逐步趋于规范和成熟。 ，2 东北大学硕士学位论文 第一章前言 当前我国土地管理采取分级管理的方式，从上至下分为国家、省、市、县四 级，相应的土地管理软件也分为国家级系统、省级系统、市级系统、县级系统。 各级管理系统的管理内容各有不同，分别针对于满足本级部门相应的业务需求。 一般来说国家和省级偏重于宏观管理，县市级偏重于数据的核准，变更。 当前的现状是，对于县级的土地数据管理系统的研究在国内做的比较多，技 术比较成熟，有很多系统已经在土地管理部门实际运行，取得了很好的效果。但 省级的土地利用管理系统的开发还处于起步阶段。原因是省级系统除了要有常规 的土地数据管理功能外还存在下述的难点：上下级间数据的共享传递；省、市、 县三级数据的同步问题；如何解决海量历史数据的存储等。 因此，解决上述的问题，实现在更大的范围内数据共享，将是土地管理软件 的一个发展方向。本文也将在这一方向上进行初步的探索。 1 3 论文研究的内容 本文将针对省级土地利用数据管理信息系统的分析、设计中出现的问题 进行探讨，主要论述系统的结构分析及系统整体数据管理机制。 本文所要论述的内容主要有以下几点： 根据需求确定系统平台： 应用面向对象的方法进行系统分析； 进行系统的功能设计； 进行面向对象的系统数据库设计： 设计统一交换数据格式，确定省、市、县三级间数据传输的机制； 确定数据更新的机制； 1 4 论文结构 本文共分为七个章节，主要内容如下： 第一章为前言部分。首先讲述了本文论题确定的背景，国内外的应用现状， 其次介绍了本文所做工作和论文的组织情况。 第二章为系统的需求分析部分。首先，应用统一建模语言( u m l ) 的用例图 描述系统用户的需求，然后分析了目标系统所要服务的土地管理领域的相关实体、 数据等情况。 一3 一 查! ! 查兰塑主堂堡堕查 第三章为系统的总体设计 分和各子系统功能。 第一章前言 讨论了系统整体体系结构，技术路线，子系统划 第四章讨论了系统的数据更新及系统历史数据回复机制。 第五章是数据库设计部分，讨论了系统数据库的数据组织形式，数据统一标 准和数据库的逻辑设计过程。 第六章列举了系统建设的部分成果。 第七章为结论，总结了本文的工作。 d 东北大学硕士学位论文 第二章系统需求分析 第二章系统需求分析 进行系统需求分析是系统建设成功的基础。软件需求分析的基本任务是准确 地定义未来系统的目标，确定为了满足用户的需求，系统必须做什么。需求分析 从用户现行的和今后可能的工作业务出发，根据信息系统应用领域和服务对象， 将用户的需求信息加以分析提炼，最后从功能、性能上加以描述，其结果是获得 系统的分析模型。软件需求分析通常包括这样一些活动1 3 ： 了解用户的相关业务 分析用户的业务流程 了解用户对软件的期望值 整理用户要求 2 1 系统描述 本系统旨在建立一个，以矢量化的土地利用现状数据为主要管理内容、以完 善的数据管理和数据服务为主要目的的信息共享系统。建立高效的共享数据库， 实现土地利用数据信息的管理、维护更新、共享与发布、综合查询、统计分析、 报表生成、数据表现等方面的应用，满足省级土地利用数据管理工作需要，支持 只常办公、提供辅助决策支持：建立省、市、县三级的有效的数据共享体系，为 辽宁省国土资源管理提供完善、优质和高效的服务。 省级土地利用部门管理的土地利用的数据主要包括：l ：1 万的土地利用现状 图和相应的影像数据图、各种统计的报表等。 省、市、县三级土地管理部门采取层层上报的方式获取各级数据。具体方式 是市级的数据来源于县级，省级的数据来源于市级，县级的数据也可直接上报到 省级。当前，辽宁省的部分县已经建立起自己的数据管理系统，但各县的系统相 对独立，不同地方的数据结构不同很难实现数据的共享。所以，现有的数据必须 经过相应的转化才能进入到省级的数据管理系统中。 省级系统数据的更新也来源于县级，每年县级管理部门将土地利用变更调查 的结果以g i s 数据的形式上报道上级管理部门。土地利用数据变更的空间实体有 图斑、线状地物、零星地类。更新前的数据做为历史数据保留下来，在需要时对 5 东北大学硕士学位论文 第二章系统需求分析 历史的土地使用情况进行回复。 2 2 系统需求的用例分析 应用u m l 的用例图进行系统的需求描述是获取用户功能需求的一一种很有效 的方法。用例图是一种描述用例的可视化工具，它用简单的图形元素表示出系统 的活动者、用例，以及他们之间的联系，准确地表达了活动者与系统的交互情况 和系统所能提供的服务。用例图简洁明了，对系统的描述规范，较好地避免了表 达的歧义性，便于用户和系统开发人员理解系统地需求，取得共识。 4 1 2 2 1 系统用户分类 用户是对系统边界之外的对象的描述，用户直接参与系统的交互作用。用户 通过与系统的交互，操作系统，完成所需要的工作。本系统的用户如下表2 1 所 示 表2 1 系统用户分类 t a b l e2 1 t h ec a t e g o r yo ft h eu s e r s 明户种类 主要职责所在位置 在询显示、统计分析、制图 普通州户国士资源厅内 输出等数据应用工作。 用户管理、数据备份等维护 系统管理员国土资源厅信息中心 t 作。 数据入库人员接收f 级上报的变更数据。国土资源厅信息中心 网络管理员维护数据发布网站的运行。 国土资源厅信息中心 国土资源厅内部其它科室 各科室人员的人员，能够通过局域网，进 国土资源厅内 行网上内容的查询。 2 2 2 系统的顶层用例视图 根据对系统业务的了解，可以认定整个系统的高层视图中存在三个用例( u s e c a s e ) ，分别是数据管理与应用、数据更新、w e b 发布。系统顶层的用例视图见图 一6 一 东北大学硕士学位论文第二章系统需求分析 2 1 ，相应的用例说明见表2 2 。 表2 2 系统顶层用例说明 t a b l e2 2t h es p e c i f i c a t i o i 3o fs y s t e mu s ec a s e 用例名称 用例描述用户 对全省土地利用数据进行管理，提供 系统管理员、 数据管理b 席川士地利用信息数据维护、信息查询检索、 普通_ l h 户 统计等基本功能。 检查f 级上报数据，符合条件的数据 数据更新接收到省数据库中，从而实现省级数据数据八库人员 库的数据更新。 将空问数据( 士地利用图、影像数据、 网上h j 户、 w e b 数据发布专题图管) 通过i n t r a n e t 在局域网内发 网络管理员 布。 系统管理员 犬二) 数据入库人员 数据更新 天一一一争 用户管理：用户管理模块为系统管理员提供对系统用户的权限进行设置功 能，不同级别的用户拥有不同的操作权限。 历史数据管理：系统可以对图斑的历史状态进行回复，再现用户指定时问 当时的图斑存在状态。 联机帮助：联机帮助模块为系统的每一项功能提供了详细的功能说明和使 用操作说明。 2 ) 数据更新子系统： 省级土地利用数据的来源是县市级上报的数据，省级系统本身不进行数据的 变更，而是接收下级上报的变更数据。本子系统负责接收下级的上报数据，同时 进行数据的检查，对于不符合标准的数据不予接收，返回上报单位重新编辑数据， 然后再上报如此反复直道通过检查。各模块功能描述如下： 数据检查：县市上报的土地利用数据进入s d e 数据库之前，先进行预入 库处理，不满足要求或者错误的数据给出错误目志。并返回数据上传部门进行修 改，保证正确的数据进入s d e 数据库。 数据八库与更新：将县市的更新上报数据进行数据入库，更新省数据库中 该县市数据，同时保存历史数据。 3 ) w e b 发布子系统： 地理信息数据的发布是系统对外的窗口。将空间数据( 土地利用图、影像图 等) 通过i n t r a n e t 发布，为局域网内的其他用户提供地理信息服务。各模块功能 2 3 查! ! 查! 翌主兰堡笙兰 描述如f ： 第三章系统总体设计 专题地图：根据土地类型的不同制作地类分布专题地图。 统计分析：根据土地的类型、所属行政区等不同的组合条件，统计土地面 积。 地图检索：按用户输入的查询条件方便地以多种方式对地形图进行奄询， 包括图形定位、根据属性查询图形等。 网站维护：对网络发布的静态信息进行定时删除、增加、修改。定期进行 会员数据库的备份、 业务备案的备份、网上发布的静态资料的备份等。 数据加载：向应用系统中加载指定区域的图形、属性数据和影像数据。 地图浏览：类似于数据管理子系统中对应功能。 3 5 历史状态回复模块类设计 3 5 1 类的设计方法 根据上述系统分析的步骤在系统分析模型的基础上，可以进行系统类及其关 系的设计。在u m l 中的静态视图是显示系统内部特性及相互关系的视图，在整 个设计阶段都是以静态视图为基础，对类进行设计。系统的类从总体上说可分为 三种：接口类、控制类、实体类。 2 0 l 接口类用于建立系统与参与者间的交互； 实体类用于长期持久的信息建模；控制类代表协调、排序、事务处理及对其他对 象的控制，还可以表示业务逻辑。 3 5 2 历史状态回复模块的类图 为实现历史数据的回复功能，我们共设计了控制类、历史状态回复界面、数 据访问服务类、数据库类、现势库、历史库、临时库7 各类。其中历史状态恢复 界面负责用户界面，将与用户的交互信息传递给控制类。控制类负责控制历史回 复的流程。数据访问服务类负责与数据库的连接。数据库类是超类，由现势库、 历史库、临时库三个子类继承，子类负责数据在数据库表中的操作。本功能模块 的类图如图3 4 所示。 2 4 查! ! 垄主堡主兰堡堡查 堑三壹墨丝- 曼堡堡茎 临时库l l 二二一 图3 4 历史数据回溯模块类图 f i g 3 4t h ef e a t u r er e l a t i o nc l a s sd i a g r a m 3 6 历史状态回复模块交互视图 ：蓝通耻伍鼗铲ll 控趔差 艘鏊p j - 查询结果 投入临时 ： 读取啬询结果 1 嗑示历史状态l 崖 脑盟麈 时间1 兰 图3 5 圈斑历史状态回复顺序图 压史厘 指定时问”曲纪录 f i g 3 5 t h es e q u e n c ed i a g r a mo fr e p r o d u c t i o no fh is t o r i c a l d a t a 一2 5 舄墨翟嚣塑 一 幽 抵 入 定 号( 酬 q 吲叫i俐一 b 一缈醛酬0 “ 东北大学硕士学位论文 第三章系统总体设计 如图3 5 是历史数据回溯模块的顺序图，本模块的操作人员是系统的普通用 户。历史数据回复的操作流程如图所示，首先用户启动历史回复界面，然后将回 复的区域和时间等条件通知控制类。控制类根据条件，从现势库的地类图斑、零 星地类、线状地物图层中，选出满足条件的地物，连同其他图层一起送入到临时 库中的对应图层中。接着，控制类从历史库的地类图斑、零星地类、线状地物的 层中选出满足条件的地物，也放入临时库中。此时，临时库中的数据就是用户指 定的时刻的土地利用现状。最后，将临时库中的数据返回给显示界面，从而完成 历史数据的回复。 一2 6 东北大学硕士学位论文 第四章系统数据更新和历史回溯机制 第四章系统数据更新和历史回溯机制 4 1 土地变更调查 土地变更调查就是对土地变更的内容进行调查，记录土地变更调查成果并及 时更新原有土地利用数据。土地变更调查的内容，是指在土地利用调查成果资料 上建立初始登记和初始统计后，土地登汜和土地统计的内容发生的变化，即地类、 七地权属单位和地权属性质、权属界线、面积每年发生的变化。重点是掌握耕 地以及建设用地变化情况。土地变更调查的结果是基层土地管理部门进行土地利 用数据更新主要来源。 4 2 历史数据保存方式 土地变更调查中，土地利用的数据每年都发生变化，新的数据要及时更新， 同时历史数据也要保留，以便于存档和历史的查询。历史数据的保存可以有两种 方式。 2 1 】第一种是以“备份”方式进行保存，也就是说将更新| j 1 的数据进行仝 部保存。这种保存方式操作简单，读取方便。但要保存大量没有变更的数据。例如 在土地利用的数据中，每年变化的数据量仅占5 一1 0 ，所以这种保存方式会 造成数据的大量冗余。尤其是做为省级的数据管理部门，管理的数据是海量级的， 这种冗余将是致命的。同时这种方法不记录数据的变更过程，也不能实现历史数 据的回复。 第二种是增量式数据保存，数据库仅保留现势数据、变更的历史数据和变更 过程纪录，而不保留没有变化的数据。在满足业务需要的情况下，所记录的数据冗 余最小。由于在历史管理中只记录变化量历史是通过回复而不是备份，是处理整体 而不是只处理部分形成的，所以它可以支持连续时间、整图范围的历史及不同历史 状态的同时显示、对比、查询。 本系统采用第二种方式即增量方式实现历史数据管理，历史数据与系统现有 数据相对独立；只贮存变更数据和数据的变化过程，系统通过历史数据和现势数据 的叠加重现历史状态。 增量式的数据更新机制中，土地利用数据更新采用分层更新的方式进行。 2 7 东北大学硕士学位论文第四章系统数据更新和历史回溯机制 4 3 增量式的数据更新机制 省级变更数据的来源是下级的数据中心，数据的生产任务由县级完成。省 级数据中心接收各市、县上报的变更结果及变更过程记录表。经过必要的数据 检查( 尤其是拓扑关系和图层结构等的检查) 后，符合条件的变更数据才能进 入省级数据库。不满足验收条件的数据由下级数据中心修改，然后再重新上报， 直到上报数据满足条件。数据可能要经过“检查”专“预入库”专“修改”_ “再入库”等几个反复的过程才能满足系统中g i s 数据的质量和要求。 上报的数据仅是发生变化的那部分数据和变更的过程记录表，变更过程记 录表的结构见图4 3 。由变更过程记录表中的父i d 可以找到省级数据库中相同 i d 号的记录，也就是省级需要变更的数据记录，然后用变更数据替换省级现势 库中的数掘，最后将上报的变更过程记录表中的记录添加到省级历史库原有的 变更过程汜录表中，同时将替换下的数据放入历史库中，从而完成系统数据的 更新，我们称这种更新方式为增量式的数据更新过程。 图4 1 数据更新过程 f i g 4 1 t h ep r o c e s so f t h ed a t au p d a t e 在省级系统中，数据的更新过程中涉及到三个数据库：现势库、历史库和临 时库。每种数据库的作用如下： 临时库 为了保证系统用户在数据入库质量检查和临时性应用时不造成对现状数 2 8 东北大学硕士学位论文第四章系统数据更新和历史回溯机制 据的破坏。 现势库 存储当前最新的数据，对现状数据的操作前要有数据的备份，它是一个 完整的a r c s d e 格式的g i s 工程库 历史库 存储历次发生变化时被更新的历史数据，该数据库的管理要保证数据在 时间上可追溯，历史数据库中的数据只能添加不能修改。历史库存储的内容 主要包括下面两个部分：一部分是历史的空间数据及其属性数据另一部分是 更新过程纪录。 4 4 数据历史回溯机制 本系统具备的功能之一是完整描述每一时刻的土地利用现状，记录图斑等的 地物的变更过程，对地物的变更历史进行跟踪，并能利用跟踪记录回复数据的历 史状态。下面以图斑为例说明的两类历史回溯问题的实现机制。 4 4 1 图斑历史状况的回复 图斑的变更，包括空间信息与属性信息的变更( 在第二章的系统分析中已说 明) 。图斑的存在具有时间的特性，所以图斑变更还要记录地物的时间属性。为 了记录图斑变更的历史时间，在图斑的属性表中添加“创建时间”和“变更时i 自j ” 两个字段用以确定该图斑的生命周期。当该图斑产生时，系统自动在创建时间字 段内纪录下该图斑的创建时间，当该变更时系统在变更时间字段内纪录下该图斑 消亡的时间。在两个时间段内的时间就是该图斑的生命周期。图斑属性表的结构 如图4 2 所示。 图4 2 图斑属性表的结构图 f i g 4 2 t h ed i a g r a mo ft h es t r u c t u r eo f t h ep a r c e la t t r i b u t e 4 4 1 1 变更过程记录表 在具体的设计中，将图斑按时间属性分为现状图斑和历史图斑分别存贮在现 2 9 东北大学硕士学位论文第四章系统数据更新和历史回溯机制 状库与历史库中，现状与历史图斑间存在父子关系( 把历史数据当成父，现状数 据看作子) ，其关系为多对多关系，可以通过记录父图斑与子图斑的关系，来回 溯图斑的变更历史。系统采用变更过程记录表记录土地利用现状和历史变更的完 整关系 2 2 1 一【2 6 】。 变更过程记录表结构如图43 所示，其中父i d 代表变更前的地物唯编码， 子i d 代表变更后的地物唯一编码，变更时间代表变更操作发生的时间，变更类 型代表 厣酒下蘸瑟鬻阐藜溺蘸 图4 3 变更过程记录表结构图 f i g 4 3 t h es t r u c t u r eo f t h ep r o c e s so fc h a n g et a b l e 变更过程记录表的工作原理如下： 假设进行了如下的几种变更操作l 、2 、3 、4 分别是分割地物、合并地物、修 改地物、删除地物，过程如图所示 1 分割地物：相当于删除地物1 创建地物2 、3 2 合并地物6 、7 ：相当于删除她物6 、7 创建地物5 3 修改地物1 0 3 0 东北大学硕士学位论文第四章系统数据更新和历史回溯机制 图斑1 0 ： 4 删除地物1 2 属l 牛修改 图斑1 i _ _ 1 对于上述的变更过程，已经在变更过程记录表中记录下来，由表4 1 中可见每 个过程都有详尽的记录。 表4 1 变更过程记录 t a b l e4 1t h er e c o r d si nt h ec h a n g et a b l e p a r e n t i dc h i l d i d u p d a t e d a t e t i m eu p d a t e z y p e ( 原地物编码)( 变更后地物编码)( 变更时间)( 变更类型) l 2 2 0 0 4 4 4 拆分 13 2 0 0 4 4 4 拆分 65 2 0 0 4 4 4合并 75 2 0 0 4 - 4 4 合并 1 0 1 1 2 0 0 4 4 4 修改 1 22 0 0 4 4 4 删除 4 4 1 2 图斑历史状态回复机制 历史数据与现势数据分别存储在历史数据库和现势数据库中，通过对历史库 与现势库的叠加就可以回复出某一历史时刻土地利用的图形和相应的属性，即回 复区域历史年度土地利用现状。本节将阐述数据叠加回复的原理。 现状库图斑表中总是保存着最新的现状图斑，而历史图斑表中保存着已成为 历史的所有图斑。根据这些图斑创建的时间和注销时间关系，可以回复历史某一 时间的图斑历史状况。而图斑历史的追溯，则需要从现状与历史图斑关系表中查 找。 3 1 东北大学硕士学位论文 第四章系统数据更新和历史回溯机制 要回复指定时间的图斑数据，可以采用s q l 语句从现状图斑和历史图斑两个 表中提取当时的图斑数据： _s e l e c t + f r o m 现状图斑表w h e r e 创建时间 指定时间 -s e l e c t4f r o m 历史图斑表w h e r e 创建时间 = 指定日期 两个表叠加可生成截止到指定时削的完整的土地利用图。 下图4 4 显示了现状与历史库随时间的变化的结果。现势库中原有图斑1 、2 、 3 。时刻1 现势库中图斑3 分割为两块4 、5 ，1 、2 号图斑保持没变。将变更的图 斑3 放入历史库。在时刻2 ，图斑2 、4 合并为6 ，l 、5 号图斑保持没变。将变更 图斑2 、4 放入历史库。在时刻3 ，图斑5 、6 合并为7 ，图斑1 没变化。将变更图 斑5 、6 放入历史库。最后，现势库中有图斑l 、7 ，历史库中有图斑2 、3 、4 、5 、 6 。 如果想回复时刻2 之前的历史数据，也就是要得到图斑1 、2 、4 、5 ，可以分 三步来实现： 第一步：根据前面提到的第一个s q l 语句“s e l e c t + f r o m 现状图斑表w h e r e 创 建时问 时刻2 ”可得到图斑l 。 第二步：从第二个语句“s e l e c t + f r o m 历史图斑表w h e r e 创建时i j j = 时刻2 ”可以得到图斑2 、4 、5 。 第三步：叠加前两步的结果，就得到历史的数据l 、2 、4 、5 。 3 2 东北大学硕士学位论文 第四章系统数据更新和历史回溯机制 图4 4 现状与历史库变化示意图 f i g 4 4 t h ec h a n g eo fp r e s e n td a t a b a s ea n dh i s t o r i c a lo n e 4 4 2 图斑变更回溯查询 关于图斑的历史查询的问题还有一种应用就是图斑的历史回溯，也就是追踪 某一图斑的演变过程。由上节的情况可知，在图斑的变更过程中，变更过程汜录 表记录了新旧图斑变更关系，因此可以按照相反的过程回溯图斑指定图斑号，可 从变更过程记录表中查出其父图斑号，使用下述的语法： _ s e l e c t 父图斑i df r o m 变更过程记录表w h e r e 子图斑i d = 指定图 斑i d 由此查到旧图斑即父图斑的唯一编码，由该码就可从历史库中查到浚父图斑 的图形和属性信息，使用下述语法： 一s e l e c t + f r o m 历史图斑表w h e r e 图斑i d = 父图斑i d 由此类推，逐级回溯，就可以实现指定级别的回溯，并查询出有关的全部图 形与属性数据，并可以建立土地利用的家族树。 由于历史库中只存储了变化的情况，所以这一操作可能需要同时从现势库和 3 3 查! ! 查堂翌主芏堡笙圭 历史库中提取数据进行处理 数据存放到临时库中。 第四章系统数据更新和历史回溯机制 4 5 空间要素的主键 为了保证现势库和历史库的完整性，系统将回复的 在关系型数据库设计中比较关键的内容之一是如何确定对象的作为唯一标识 的属性或者属性的组合，也就是所谓的主键。在本系统设计中要解决现状、历史地 物唯一性问题，即主键的问题。只有确定了地物的唯一标识，才能从历史库和现 势库中确定父子关系，实现历史的回复。本系统采用区域代码加系统自动生成的 流水号作为地物的主键。这个编号将代表该地物，即使该地物消亡该号也不能重 新分配给其它地物。这样不管是历史库还是现势库中的地物都将有一个唯一的编 码来代表该地物。地类图斑、线状地物、零星地类的主键编码原则如下： 地类图斑的唯一编码原则是：“县( 市) 级行政区划代码十乡级行政区划 代码十权属单位代码”+ 7 位系统自动增长号共1 9 位。 零星地类的唯一编码原则是：“县( 市) 级行政区划代码+ 乡级行政区划 代码+ 权属单位代码”+ 6 位系统自动增长号共1 8 位 线状地物的唯一编码原则是：前6 位为县( 市) 级行政区划代码，后8 位为系统自动增长号共1 4 位。 3 4 东北大学硕士学位论文 第五章系统数据库设计 第五章系统数据库设计 5 1g e o d a t a b a s e 数据库 o 5 1 1g e o d a t a b a s e 概念 g e o d a t a b a s e 是a r c g i s 定义的存储地理信息数据的数据库，是包含空间数据 和属性数据的关系型数据库。从字面意义上讲，我们可以将“g e o d a t a b a s e ”拆分为 “g e o ”和“d a t a b a s e ”两部分。其中，“g e o ”，即“g e o g r a p h y ”“地理”，与 “d a t a b a s e ”- 数据库”连在一起，就是“g e o d a t a b a s e ”“地理数据库”。 g e o d a t a b a s e 本质上是一种空间信息和属性信息的存储机制，由于g e o d a t a b a s e 具有内嚣的属性有效性规则、高级的数据存储选项、以及赋予g i s 数据以自然行 为的能力，使用者可以利用这些功能和优点设计和开发更为完美的空间数据库应 用。 5 1 2g e o d a t a b a s e 数据模型 在地理信息系统中，地理空间实体有两个最基本的特征，那就是空间要素和 属性要素。空间要素指的是地理空间实体的几何形态及其与其它地理空阳j 实体的 空间关系，属性要素则指的是地理空间实体的描述性信息。 空间要素记录的是空间实体的位置、拓扑关系和几何特征，这是将地理信息 系统同其它数据库管理系统区分开的标志。属性要素指的是实体所具有的各种性 质。空间特征数据可依据它们的收集方式、存储方法、说明内容、使用目标等， 用不同的数据模型进行组织。地理信息系统中最常用的数据组织方式为矢量模型 和栅格模型。在矢量模型中，用点、线、面表达空间目标，在栅格模型中用空问 单元( c e l l ) 或( p i x e l ) 来表达。 1 空间要素 栅格模型：在栅格模型中点是一个像元，线由一串相连的像元构成。栅格 数据处理对某些任务来说非常有效，栅格模型的一个优点就是不同类型的空间数 据层不需要经过复杂的几何计算就可以进行叠加操作，例如，两幅或更多幅的遥 感图像的叠加操作等。栅格数据表达形式非常适合于模拟空间的连续变化，特别 3 5 东北大学硕士学位论叉第五章系统数据库设计 是属性特征的空间变化程度很高的区域，例如在卫星图像上所表现的海带分布。 矢量模型：矢量模型中点用空间坐标对表示，线由一串坐标对组成，面 是由线形成的闭合多边形。矢量模型能方便地进行比例尺变换、投影变换以及输 出到绘图仪上或视频显示器上。 2 属性要素 与g i s 数据库关联的非图形数据是由存储在关系数据库表中的属性组成的， 这些属性直接存储在与g i s 软件相关联的关系数据库之内，或者也可以存储在来 自于g i s 、但对于g i s 在任何必要时刻都是可存取的单独维护的数据库中。通过 唯一的图元标识符，来自于外部数据库的属性被链接到图形图元上。只要属性和 图形图元由相同的唯一标识符进行索引，则非图形数据就可以链接到g i s 中的相 应图元上。 5 ，1 3g e o d a t a b a s e 的体系结构 g e o d a t a b a s e 由要素集( f e a t u r ed a t a s e t ) 、要索类( f e a t u r ec l a s s ) 、表( t a b l e ) 关系类( r e l a t i o n s h i pc l a s s ) 等对象构成，结构如图5 1 所示。其中要素类存储简 单的或有拓扑关系的空间实体；关系类存储两个类之间的联系。一个要素集中可 以包含若干上述的各种要素类，其中所有要素类都有相同的空间参考。 图5 1g e o d a t a b a s e 的体系结构 f i g 5 1 s t r u c t u r eo fg e o d a t a b a s e 要素集是指具有相同空间索引的要素类的集合。它可以是由同种几何类型的 对象构成的集合，也可以是由不同类型对象组成的集合。一个a r c s d e 数据库中 包含若干要素集，各要数集在数据库中是相互独立存储的。这样每个要素集相对 一3 6 东北大学硕士学位论文第五章系统数据库设计 独立的管理一部分数据，便于数据的管理和维护。 表：可以存储包括地理对象与非地理对象的描述信息。表中可以存储各式各 样的信息，比如人口调查数据。 要素类：要素类中存储同一几何要素类型的要素：点、线、面。在每个要素 集中可以包含若干要素类。 关系类：在g e o d a t a b a s e 中，对象间的关系存储在关系类中。通过表与表间 的普通属性字段关联，便可以在关联类中定义创建关联。通过