（计算机应用技术专业论文）基于GIS的森林资源管理系统的研究与实现.pdf

摘要 本文以山西省森林资源二类调查数据为数据源，根据森林资源多而复杂的特 点，采用面向对象的g e o d a t a b a s e 模型结合a r c s d e 技术建立森林资源空间数据库， 实现属性数据和空间数据的一体化集成存储，并在此基础上运用a r c o b j e c t 组件技 术建立森林资源管理信息系统，实现森林资源逻辑检查、统计分析、规划设计、专 题制图、空问分析等功能，从而实现森林资源的信息化、数字化管理，为森林资源 的可持续发展提供技术支持。 关键词：地理信息系统，g e o d a t a b a s e ，a r c s d e ，组件式g i s ，a r c o b j e c t a b s t r a c t t h i sp a p e ru s e st h ef o r e s t r ys e c o n dk i n ds u r v e yd a t ao fs h a nx ip r o v i n c ea st h ed a t a s o u r c e a c c o r d i n gm a n ya n dc o m l e xf e a t u r e s o ff o r e s tr e s o u r c e s , w eb u i l ds p a t i a l d a t a b a s eb a s e do ng e o d a t a b a s em o d e la n da r c s d e i tr e a l i z e si n t e g r a t e dm e m o r yo f a t t r i b u t ed a t aa n ds p a c ed a t a w et l s ea r c o b j e c tt ob u i l df o r e s tr e s o u r c e 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 i tw i l lr e a l i z et h el o g i cc h e c k i n g ，s t a t i s t i c a la n a l y s i s ，p l a n n i n ga n d d e s i g n ，t h e m a t i cm a p p i n ga n ds p a t i a la n a l y s i s i tm a k e sf o r e s tr e s o u r c em a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n a la n dd i g i t a la n dp r o v i d e st e c h n o l o g yu p h o l df o rs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f f o r e s tr e s o u r s e d uj u a n ( c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f w a n gy i n g k e yw o r d s ：( 3 i s ，g e o d a t a b a s e ，a r c s d e ，c o m g i s ，a r c o b j e c t 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于g i s 的森林资源管理系统的研究 和实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学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了谢意。 学位论文作者签名：趟日期：旦2 ：型! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 里! ：! 皇 攀一 名 期 签师导 日 华j e 电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 地理信息系统g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是六十年代中期开始发 展起来的新技术。最初为解决地理问题而起，应用范围仅限于某些专业“】。随着g i s 技术的发展、社会信息化进程的加速，计算机软硬件水平的提高和大容量磁盘的出 现，g i s 的应用范围已由地质勘探、卫星遥感、军事地形、电力输油、旅游气象、 g p s 卫星定位等，扩大到社会信息服务等相关领域。如通讯、旅游、房地产等行业。 在自然资源管理、区域规划和信息服务等方面也发挥着巨大的作用乜”。 2 0 世纪7 0 年代以来，林业发达国家的林业企业和资源管理部门，逐步将计算 机技术应用到森林资源信息管理中，改变过去用调查簿和穿孔卡片管理森林资源的 局面。我国从2 0 世纪7 0 年代末逐渐引进计算机技术，至今森林资源管理信息系统 主要经历了数据处理系统( d p s ) 、数据库管理信息系统( d b m i s ) ，地理信息系统 ( g i s ) 、专家系统( e s ) 、决策支持系统( d s s ) 等几个发展阶段。森林资源管理系 统的一个主要发展方向是数字化。如何利用g i s 进行森林资源可持续经营管理的计 划、决策、组织、指挥、控制和协调，如何实现林业的数字化信息管理成为该方向 的研究热点h 1 。 社会经济在迅速发展，森林资源的开发、利用和保护需要随时跟上经济发展的 步伐，掌握资源动态变化，及时做出决策就显得异常的重要。常规的森林资源监测， 从资源清查到数据整理成册，最后制定经营方案，需要的时间长，造成经营方案和 现实情况不相符。这种滞后现象势必出现管理方案的不合理，甚至无法接受。在我 国上万个基层林业生产单位中，森林资源清查、各种经营方案的设计( 如造林规划、 抚育间伐、伐区设计等) 常常需要大量的人力、物力、财力。1 。 通常，二类调查也就是森林资源规划设计调查，每1 0 年进行一次，这种方法 是目前我国森林经营单位水平上森林资源动态监测的主要手段，这种方法得到的森 林资源调查结果可落实到地块，也是森林经营单位进行营林生产的重要基础数据 “”。我国地大物博，森林资源丰富，森林资源信息和森林资源管理是林业发展的基 础，是林业建设和各项决策的重要依据。为了更好的管理森林资源，准确监测和预 测森林资源的动态变化，应建立一个可持续发展的森林资源管理模式，以更好地发 挥它的生态效益、社会效益和经济效益。利用g i s 技术可以改变了原来分散、传统 的单机应用和手工操作工作模式，大大推进了林业信息化建设进程“3 。 因此，如何利用g i s 技术，为林业基层单位开发便捷实用且经济的森林资源管理 系统，是一个值得研究和急待解决的问题。这对加快我国的长期定位研究、林业可 华北电力大学硕士学位论文 持续发展、国家生态环境建设和科技创新都有深远的意义。 1 。2g i s 在国内外的研究现状 g i s 涉及软件和硬件、地理空间数据以及建立在遥感、全球定位系统体化基 础上的系统集成、应用服务、企业等诸多方面。作为面向2 1 世纪的支柱产业 信息产业的重要组成部分，g i s 技术已经成为世界各国激烈竞争的高科技热点之一 ( 7 1 o 6 i s 的灵魂是软件，其发展经历了二十世纪6 0 年代摇篮时期，7 0 年代蓬勃发 展时期，8 0 年代系统普及和推广时期，9 0 年代全面发展时期，进入二十世纪，其 应用已经渗透到各行各业，逐步形成了一门新兴产业阻1 。 目前，建立的g i s 平台已达4 0 0 多种，国外著名的公司有a r c l n f o 、m a p i n f o 、 g e o m e d i a 等；国内起步较晚，但起点高，发展十分迅速，目前已推出m a p g i s 、 g e o s t a r 、s u p e r m a p 等优秀软件产品，并已经成功地应用到些传统的领域，取得 了显著的效益“”。然而应用传统的g i s 平台开发应用系统时，往往遇到这种情况： 用户要求开发的系统，往往只需要采用g i s 平台提供的一部分功能，就可以实现一 个应用系统的大部分功能，而剩余的功能很难用g i s 平台开发完成，甚至根本无法 实现。造成这种情况的原因是：g i s 平台从总体上说是一个“黑匣子”，用户很难 甚至不可能知道和控制“黑匣子”内的功能。在实际应用中，要开发的往往不是单 纯的g i s 系统，而是将g i s 技术与管理信息系统( m i s ) 、决策支持系统( d s s ) 和办公 自动化系统( o a ) 等集成的系统。在这种情况下，应用g i s 平台很难实现与这些实用 应用系统的无缝集成。总之，对于o i s 平台来说，它已经实现并提供的功能，g i s 实用系统开发者可以非常容易地使用，而g i s 平台没有提供的功能，则很难甚至根 本无法用g i s 平台去实现。近年来出现的组件式g i s 就是为了克服这些困难而做的 改进，它在系统的无缝集成和灵活性方面具有优势，因此从一定意义上讲，组件式 g i s 代表了g i s 的发展方向。 近几年我国在组件式g i s 方面的研究己取得较大进展，如华北电力大学的程晓 荣等进行了基于组件式g i s 的网络管理研究与应用，浙江工业大学的陈张健等实现 了基于组件对象模型的校园地理信息系统，资源环境与地理信息系统北京市重点实 验室的诸云强等基于组件技术开发了地下水资源空间分析系统，北京航空航天大学 的盖玉收、施法中将组件g i s 技术应用到了航空信息的管理中，武汉大学的王海军 应用组件g i s 技术进行河道信息的管理等。 组件式g i s 以其灵活、小巧、开发便捷的优点脱颖而出，在防洪、抗震、国土 管理、电力系统、交通系统、办公自动化、公路施工、房产管理、水土保持等方面 都有应用，已经成为目前最流行的开发方式。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 3g i s 在国内外林业中的发展与应用状况 c r a i n m 删等描述了g i s 在森林资源经营管理中应用的发展过程，大致可以分为 三个阶段： ( 1 ) 森林调查、数据管理的工具。主要特点是建立地理信息库，利用地理信息 系统绘制森林分布图及产生正规报表。6 1 s 的应用主要限于制图和简单查询。 ( 2 ) 资源分析的工具，已不再局限于制图和简单查询，而是以图形及数据的重 新处理等分析工作为特征，用于各种目标的分析和推导出新的信息。 ( 3 ) 森林经营管理的工具，主要在于建立各种模型，拟定经营方案等，直接用 于决策过程。 这三个阶段反映了林业工作者对g i s 认识有逐步深入。g i s 在林业资源管理中 的应用，国外起步较早。一些发达国家，如美国、加拿大等，g i s 在林业中的应用 已进入第二、第三阶段。g i s 在我国林业中的应用还处在相对初级的水平，大部分 处于第一阶段。利用g i s 对林业进行可持续发展经营、决策、规划、管理是国内外 林业探讨的重要课题。 1 3 1g i s 在国外林业中的发展应用 国外林业g i s 的发展主要活跃在三个地区，北美、西欧和东亚。作为g i s 策源 地的加拿大，同时也是林业g i s 先驱，加拿大林业g i s 在大多省份已完成基本建库 并投入使用；除检索制图规划设计外，加拿大在数据更新、连续森林资源清查方面 也有较深入的实际应用，并且全国森林资源的统计也应用了g i s 。美国的g i s 已迅 速发展成为一个产业，林业部门是g i s 应用比较早的部门之一，g i s 在林业中主要 应用于森林旅游规划、森林动态监测、造林规划设计、木材生产计划等方面，目前 美国在森林资源的调查和监测方面己突破传统的范围，渗透到全球环境变化监测和 森林保健监测的研究；近年来美国联邦林务局正在组织一项综合遥感信息处理集成 资源数据库的项目研究，目的是将遥感及其相关技术用于g i s 数据库的建立“”。 西欧林业g i s 的应用也较活跃，法国利用g i s 进行森林资源监测，开展连续森 林资源清查，1 9 9 7 年瑞典隆德大学德j o n a sa r d o 利用6 1 s 结合r s 和g p s 对被破坏 的森林进行了评估，探讨了森林破坏与海拔高度和坡向的关系，森林破坏与林区相 对于点污染源的距离和方向的关系。 在东亚，有联合国粮农组织的下属机构利用g i s 进行林业方面的应用，如利用 g i s 进行湄公河流域植被保护等，日本的伊藤达夫1 9 9 0 年利用g i s 制定森林经营决 策方案，应用后取得了满意效果。 3 华北电力大学硕士学位论文 在南亚，1 9 9 7 年印度遥感研究所的s k b h a n ，s k s a h a ，l m p a d e 在对印度 东南部热带雨林地区研究的过程中，利用g i s 与r s 和g p s 建立了遥感地理信息模 型，为利用3 s 技术对可持续发展的研究提供了范例。 从g i s 在林业中的应用领域看，已广泛应用于林火管理、病虫害管理、木材收 获计划和森林生态景观分析等森林资源管理上；也应用于林道网优化、林道网评价 和车辆管理等森林工程领域“”。 1 3 2g i s 在国内林业中的发展应用 g i s 技术进入我国较晚，“七五”计划之后，我国投入了较大的人力、物力研究 开发g i s ，一批科研和教学单位己开展了g i s 研究和应用工作，若干部门、城市也 建立了各具特色的综合性或专业性g i s 。1 9 9 2 年“广州市规划信息系统”已服务于 城市管线、用地、小区规划、市政建设等一系列应用领域。在林业系统，也进行了 一些g i s 的应用研究，但相对于林业应用g i s 的巨大潜力与规模来说，林业系统投 入该项技术的人力、资金及完成的内容与范围都相对很少，到1 9 9 0 年底一些主要 结果有；三北防护林“再生资源遥感研究”中大多数应用有关g i s 辅助进行遥感图 像分类或建立局部地区数字地形模型及用于成图的空间数据库。中国林科院森林经 理室和大青山实验局合作完成的“森林资源现代化管理技术”中也应用了g i s 技术。 应用的内容和范围包括森林资源调查、成图查询和营林活动的经营管理，基本实现 g i s 在森林资源经营管理应用中三个阶段的主要功能“8 。 各地、各林业局、各林场的森林面积、森林蓄积、森林类型、林种分布、树种 结构、林龄结构及变动情况等，过去只能从森林资源档案数据库中了解情况。应用 g i s 可以做到图上动态管理和监测，从而可以更真实、更直观地把握森林资源的状 态和变化。我国各地的林业部门相应建立了基f o x b a s ed b m s 或f o x p r od b m s 的森 林资源信息管理系统。刘明强等在v i e w g i s 及f o x p r o 支持下，研制了郑州市生态 防护林空间信息管理系统，该系统实现了郑州城市生态防护林资源的各种专题图的 制作、空间与属性数据的双向查询、统计、数据分析，初步实现了郑州城市生态防 护林的信息化。周洪泽等研制了一个基于g i s 的现有林经营管理信息与决策支持系 统f o r e m a n ，该系统包括地理信息系统、森林地理空间数据库及森林经营管理模型 库三个部分。系统采用了以混合式空间数据库管理结构、矢量拓扑数据结构和栅格 数据变化为核心的空间数据输入、储存和管理方法，研建了空间基本运算和地图分 析函数为内容的程序模块，可以直接被森林经营管理应用程序调用。唐小明等则根 据森林资源管理的特点进行w i n g i s 二次开发，对数据收集、整理、分析模型的定 义、森林资源地理信息管理以及w i n g i s 文件标准化设置等内容进行了探讨。冯秀 兰等以g i s 为技术手段。研制开发了基于g i s 的集体林森林资源信息管理系统，初 4 华北电力大学硕士学位论文 步实现了适合我国南方集体林区以农户为特点的森林资源管理的信息化。马胜利等 在g i s 支持下利用县级森林资源调查成果资料，建立森林资源地理信息系统，可广 泛用于森林资源的档案管理、营林作业设计、病虫害的预报和防治、森林火灾预警 等，为林业主管部门的森林资源动态监测和经营管理提供了一种更有效的工具“”。 g i s 技术在林业资源领域取得进展的同时，不可否认g i s 的应用还存在诸多问 题，主要表现在： ( 1 ) 应用水平低，目前的森林资源管理型地理信息系统，还停留在简单的资源 浏览查询、制图及简单的分析水平，而真正意义上以资源环境合理配置、决策支持 方面的专业应用系统仍十分缺少。 ( 2 ) g i s 的功能没有充分发挥出来，管理者的认识水平、基础数据、模型方法欠 缺等方面的限制，使g i s 的空间分析功能在森林资源管理中没有发挥效益。 ( 3 ) 标准规范不统一、数据共享程度低，由于森林资源管理的专业性比较强， 在相应g i s 建立的过程中技术标准、数据交换标准、元数据标准等方面存在着很大 的差别，使不同的信息系统之间难以共享。 ( 4 ) 集成化程度低，目前的许多资源管理g i s 功能相对单一，系统结构开发性 差，没有实现与全球定位系统、遥感信息的集成应用，难以满足现代资源环境管理 相集成化、综合化方向发展的需要。 1 4 本文研究的主要内容及论文组织 1 4 1本文研究的主要内容 本文以山西省2 0 0 2 年的森林资源二类调查成果为数据源，主要研究以下几方 面内容： ( 1 ) 分析空间数据存储和管理的各种模式，研究存储和管理林业空间数据的有 效方法。 ( 2 ) 探讨相关地理数据模型，寻找能够成功用于林业数据建模的数据模型，建 立林业g i s 空问数据库，实现空间数据和属性数据的无缝集成存储和统一管理。 ( 3 ) 基于a r c o b j e c t s 的森林资源管理系统研究，实现对山西省森林资源二类调 查成果的全面动态管理、分析、统计、专题查询与浏览、专题制图与输出，同时兼 顾对林业设计、生态规划、土地利用规划成果的管理，实现管理工作的自动化、流 程化、网络化，大大方便信息传递、数据交换，提供跨单位、部门的资源整合和共 享，为森林资源的管理提供先进、科学的管理手段，提高工作效率。 5 华北电力大学硕士学位论文 1 4 2 论文组织 论文的组织如下： 第一章引言：概括介绍选题背景与国内外研究现状。 第二章空间数据库技术与组件g i s 技术：主要介绍了空间数据的存储与管理 技术、g e o d a t a b a s e 数据模型、a r c s d e 的空间数据引擎技术和组件式g i s 开发技术 a r c o b j e c t 。 第三章系统总体设计：介绍了系统的需求分析，并详细设计了系统的体系结 构和功能框架。 第四章空间数据库的设计与实现；介绍了基于g e o d a t a b a s e 模型的森林资源 空间数据库的设计方法，并详细论述了利用c a s e 工具进行建库的方法。 第五章系统功能设计与实现：主要功能的具体实现方法。 第六章结论：对本文主要研究及取得成果进行概要的总结。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章空间数据库技术与组件g i s 技术 2 1 空间数据的存储与管理 在地理信息系统的建设中，空间数据库是g i s 应用系统的核心。在空问据库模 型的基础上能否实现对各种数据的存储和管理是g i s 应用成功与否的关键。目前， 针对空间数据库和属性数据库的存储和管理主要有以下两种应用模型： 第一种：文件一关系混合数据库模型 这种管理模式是当今大部分g i s 应用系统所采用的模式，它的主要方法是将空 间数据和属性数据分开存储，利用文件系统存储空间数据，利用关系型数据库 ( r d b m s ) 来存储属性数据，通过唯一特征标识码( f i d ) 进行空间数据和属性数据 的无缝连接。例如经过数字化得到的s h a p e f i l e 或c o v e r a g e ，存储在文件中，而属 性数据存储在关系数据库中“”。如图2 - 1 所示。 一一 文件管理数据关系数据库管理数据 i d l x i ，y l x 2 ，y 2 ； i d i 属性值 i d 2 x i ，y i ；y 2 ，y 2 ； i d 2 属性值 图2 - i 文件关系数据库存储及关联方式 虽然大多数g i s 应用系统采用这种模式，但是这种数据存储模式存在很多缺点 【： ( 1 ) 模型使用两种存储系统，它们有各自的规则，查询操作难以优化。 ( 2 ) 大量数据冗余，数据完整性的约束条件可能遭到破坏，比如r d b m s 中的记 录已经删除，两文件系统中的目标实体仍然存在。 ( 3 ) 两类数据分别存储的方式只适于单机的应用。随着g i s 应用向分布式管理 系统领域的转移，空阈数据的文件管理模式在实现数据共享、网络通信、并发控制 及数据的安全恢复机制等方面出现了难以解决的问题。 第二种：对象一关系数据库模型 随着面向对象技术的发展，为解决日益增长的g i s 的智能化方面的要求，产生 了一种新型的空间数据存储和管理的模型：对象一关系数据库模型“”。它一方面支 持核心的面向对象数据模型，另一方面支持传统数据库系统所有的数据库特征，实 7 华北电力大学硕士学位论文 现了空间数据和属性数据的一体化存储“。这种方式为空间数据的存储提供了强 大的灵活性，并为设计功能强大的空间数据物理模型提供了载体，它实际上是建立 在d b m s 之上的统一的、智能化的空间数据库，它采用面向对象技术将现实空间世 界抽象为由若干对象类组成的数据模型，每个对象类有其属性、行为和规则，对象 类之间又有一定的联系。用户可以在已有的空间数据模型之上，建立符合应用需求 的扩展模型。目前，最为常用的两种对象一关系数据库模型为o r a c l es p a t i a l 和 e s r i 公司的面向对象的g e o d a t a b a s e 模型+ a r c s d e 技术。 g e o d a t a b a s e + a r c s d e 模式是利用空间数据库引擎在关系数据库中存储和管理 空间数据，是三层结构的，分别为数据层，连接层和应用层。 o r a c l es p a t i a l 模式是利用d b m s 的s p a t i a l 模块来存储的空间数据，是两层 结构的，包括数据层和应用层。如图2 - 2 所示。 应用层 连接层 数据层 图2 - 2 对象一关系空间数据库的两种存储方式 应用层 数据层 e s r i 公司的g e o d a t a b a s e + a r c s d e 模型与o r a c l es p a t i a l 模型有以下不同嘲删： ( 1 ) 性能比较 由于存储容量的不断扩大，人们对空间性能的追求已逐渐让位于对时间性能的追 求。就g i s 而言，主要是指对响应时间，即系统对g i s 事务的响应时间的追求。其中，最常 用g i s 事务是对地物集数据请求，因此，对地物集数据请求的响应时间，已成为衡量g i s 软件时间性能的最重要的指标。 由于客户端的不同，测试的结果也不尽相同，所以没有统一的测试结果。但根据国 外专业机构的大量测试，以下两点得到了广泛的认同： 若客户端是e s r i 公司的产品，则a r c s d e 要明显优于o r a c l es p a t i a l ，a r c s d e 的平均 速度要比o r a c l es p a t i a l 快2 0 9 卜- 4 0 。 若客户端不是e s r i 产品的话，o r a c l es p a t i a l 也要比a r c s d e 慢1 0 9 6 左右，特别是对 复杂的g i s 数据( 如有很多坐标对的地物要素) 的查询时更慢。 ( 2 ) 对栅格数据的支持 3 华北电力大学硕士学位论文 o r a c l es p a t i a l 直到9 i 都不能存储栅格数据，虽然到l o g 的时候情况已有所改善， 但亦仅是能够存储栅格数据，并进行简单的查询显示，且速度较慢，对栅格数据的支持 还是很有限。凭借e s r i 多年来在栅格数据的存储和管理上的技术积累，a r c s d e 从第一个 版本发布开始。就实现了对栅格数据的存储和管理。随着技术的不断革新，a r c s d e 对栅 格数据的存储和管理己相当成熟，不仅提供了大量的操作函数，而且速度也很快。 ( 3 ) 对客户端的支持 o r a c l es p a t i a l 支持各种不同的客户端，且提供方便的访问接口，速度也较快； a r c s d e 同样支持各种客户端，也提供了方便的访问接口，但a r c s d e 特别优化了e s r i 公 司生产的各种客户端( 如，a r c c a t a l o g 、a r c l m s 、a r c m a p 等) 的访问速度，而其他的客户 端则相对要慢一点。 ( 4 ) o r a c l es p a t i a l 支持简单的空间数据类型如点、线、面的直接访问，有利于与其他程序的交互和共 享。a r c s d e 不能直接访问点、线、面等简单对象，与其他程序交互性不如o r a c l es p a t i a l 。 但反过来，它却能很好地维护数据的一致性和完整性。 ( 5 ) s d e 提供了很强的长事物处理和版本管理功能 a r c s d e 对长事务处理提供了底层的支持。当a r c s d e 服务器的一个实例( i n s t a n c e ) 第一次启动时，就建立了数据库缺省的状态和版本。用户可在此基础上建立公共的或私 有的数据版本。用户各自在自己的数据版本上工作，无须对多个用户同时访问的数据对 象进行锁定。每个用户都是在直接对数据库进行操作( 编辑和修改) ，但是a r c s d e 为 其建立了记录所有修改“痕迹”的增量记录，即版本。用户在这个数据版本进行编辑修 改时，并不用关心其他用户是不是也在对同一数据进行操作。只有当用户完成了他的事 务处理工作时，系统才将其当时的数据版本合并到原来的数据版本中去，“冲突”也是 在此时再加以处理。系统为用户提供了解决冲突的三种选择；维持原状、否决自己的修 改或否决别人的修改。事务处理和版本管理功能对于解决空间数据的多用户编辑、时态 g i s 数据的存储和管理、多源异构数据的融合等问题提供了很大的支持。在这一点上， s p a t i a l 相对要落后一些。 ( 6 ) s d e 通过附带的g e o d a t a b a s e 提供强有力的数据模型，例如网络分析模型，拓扑 模型等，为空闯数据的管理和分析提供强有力的支持。而o r a c l es p a t i a l 在这一点上基 本是一片空白。 ( 7 ) 二者所建立的空间索引不同 o r a c l es p a t i a l 提供的是一个通用的数据存储平台，所建立的空间索引是基于简单 要素点、线、面的索引。而a r c s d e 是专用地理信息数据库引擎，其所建立的索引是面向 对象的，即其索引是面向用户熟悉的对象，如公路、电缆、河流等，很适合g i s 应用。 9 华北电力大学硕士学位论文 ( 8 ) 二者市场定位不同 o r a c l es p a t i a l 强调或关心的是使o r a c l d b m s 所管理的数据库能够“空间化” ( s p a t i a l l ye n a b l e d ) ，实际上是在原来的数据库模型上进行了空间数据模型的扩展。 而a r c s d e 的定位则是空间数据的管理及应用，而非简单的数据库空间化。正是由于定位 的不同，o r a c l es p a t i a l 实现的仅仅是。点、线、面”等简单空间要素的存储和检索， 币f a r c s d e 则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。 通过以上的分析和比较，依据项目的实际需求，在本研究中笔者采用e s r i 公司的 6 e o d a t a b a s e + h r c s d e + o r a c l e g i 来存储和管理森林资源空间数据。在整个存储方案中， g e o d a t a b a s e 数据模型是保证森林资源空间数据和属性数据实现一体化存储的前提， a r c s d e 接口是实现森林资源空间数据管理和访问的工具。o r a c l e 9 i 是空间数据和属性 数据存储的目的地。 2 2q e o d a l ：a b a s e 空间数据模型 2 2 1地理数据模型的发展 数据模型是数据库的核心和基础，为了能够利用信息系统工具来描述现实世 界，并解决其中的问题，必须对现实世界进行建模。数据模型是对客观事物及其联 系的数据描述，即实体模型的数据化。随着信息技术的不断发展，地理信息系统软 件已经历了三代空间数据模型，即c a d 数据模型、c o v e r a g e 数据模型和g e o d a t a b a s e 数据模型“”。 ( 1 ) 第一代地理数据模型c a d c a d 数据模型起源于1 9 世纪6 0 7 0 年代，它通过点、线、面将地理数据存贮在二 进制文件中，缺乏属性信息。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，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，地图图层和注记是它对屑性的主要表达方式。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面逐步被淘汰 【2 口】 ( 2 ) 第二代地理数据模型c o v e r a g e c o v e r a g e 数据模型( 也称地理关系模型) 源于1 9 8 1 年e s r i 公司推出的第一个商业 g i s 软件a r c i n f d 。此模型比c a d 数据模型有了较大的改进主要有两个主要特 点：其一，空间数据与属性数据相结合；其二，能够存贮矢量要素之间的拓扑关系。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 因此c o v e r a g e 数据模型提高了对地理空间信息的表达能力和数据的分析能力，也 提高了数据录入的准确性。但也有不足：空间数据和属性数据分开存储，并以文 件夹形式存储要素信息，管理松散，不能与其他数据更好的集成；它仅用点、线、 多边形等几何元素描述空间实体，从而缺乏对空间实体或现象的显式定义及其基础 关系的描述，如表示道路的线的行为与表示溪流的线的行为是一致的 3 0 o ( 3 ) 第三代面向对象的空间数据模型g e o d a t a b a s e 现在，a r c i n f o 引入第三代数据模型g e o d a t a b a s e 。它是一种新的面向对 象的数据模型。在这个数据模型中，通过给要素添加更加贴切的自然行为，从而使 g i s 数据库中的要素更加智能化，在g e o d a t a b a s e 中，允许定义要素之间类型的关 系。g e o d a t a b a s e 对空间数据管理以关系数据库为基础，利用商用数据库成熟的数 据处理能力对空间数据和属性数据进行统一管理。g e o d a t a b a s e 使用了面向对象的 方法，使得要素可以有自己的行为和属性，并且要素具有继承性、多态性和封装性。 以更加适合自然的行为和人的思维方式去组织数据，更精确的模拟真实世界。 相比前面两种模型来说，g e o d a t a b a s e 数据模型具有明显的优势0 2 1 ”： ( 1 ) 实现了数据源系统内的无缝集成。g e o d a t a b a s 在逻辑上统一了a r c i n f o 以 往空间数据模型，为上层应用提供了统一的数据接口。所有地理数据，包括c a d 、 影像、矢量数据、栅格数据、t i n 、地址数据等可存储于g e o d a t a b a s e 中统一管理。 实现了在同一数据库系统中无须数据转换而统一存储和处理各种模型的空间数据。 ( 2 ) 实现了严格意义上的地理空间数据库。它是关系型数据库管理系统的空间 数据模型，可将空间数据和属性数据集成在同一关系型数据库中，改变了传统模型 中二者仅通过i d 联系的状态。 ( 3 ) 实现连续空间要素的无缝存储。它的存储结构可以容纳非常巨大而连续的 要素几何特征集，无需分幅、分块存储和空问分离，进而连续地理要素的延伸得以 支持。 ( 4 ) 高效维护网络拓扑关系和网络连通性。它的拓扑是基于重合而非几何共享， 其逻辑网络可以有效保持现行拓扑关系和几何网络的连通性，从而避免了拓扑重建 等操作。 ( 5 ) 对象的属性和行为智能化结合。数据集中的属性可以赋予自然行为，属性 问的任何类型的关系都可以在g e o d a t a b a s e 中定义。由于对象可集成性和可扩充 性，用户完全可以构建或拓展更符合要求的对象。 ( 6 ) 要素相邻关系内容更为丰富。用户不仅可以定义特征要素的性质，而且可 以描述它与其它特征要素的相邻关系，能让用户详细的说明一个要素在相关要素被 移动、改变或删除时所发生的行为，而且能让用户借助行为和关联关系回访到与之 相关的特征要素。 ( 7 ) 空间要素的几何特征得以精确描述。它定义了复杂特征外形：如折线、三 l l 华北电力大学硕士学位论文 维坐标及圆弧、椭圆弧和贝塞尔( b e i z e r ) 曲线等参数性曲线描述空间要素。 ( 8 ) 对象属性的整体约束。通过智能化域定义及空间要素的合法性规则检验， 强制实现了对象属性的整体约束性，使空间数据录入与编辑更加准确。 利用g e o d a t a b a s e 数据模型可以建立面向对象的空闻数据库，或者说实体关系 数据库，当前的商用关系数据库管理系统中，通过特定的数据库引擎如a r c s d e 就 可以实现空间数据和属性数据的统一存储和集成管理，因此本研究中采用 6 e o d a t a b a s e 数据模型。 2 2 2g e o d a t a b a s e 的概念 g e o d a t a b a s e 是随着e s r i 的a r c g i s 8 系列g i s 平台软件推出的，是一个存在 关系型数据库管理中的地理数据库( 即：面向对象的智能数据模型) 。g e o d a t a b a s e 支持在标准的数据库管理系统( d b m s ) 表中存储和管理地理信息瞌0 1 。 g e o d a t a b a s e 支持多种d b m s 结构和多用户访问，且大小可伸缩。g e o d a t a b a s e 支持从基于m i c r o s o f tj e te n g i n e 的小型单用户数据库，到工作组，部门和企业 级的多用户数据库。目前有两种g e o d a t a b a s e 结构：个人6 e o d a t a b a s e ( p e r s o n a l 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 ( m u l t i u s e rg e o d a t a b a s e ) 。其结构如图2 - 3 所示1 。 个人g e o d a t a b a s e 对a r c g i s 用户是免费的，它使用m i c r o s o f tj e te n g i n e 数 据文件结构将g i s 数据存储在小型数据库中，使用微软的a c c e s s 数据库来存储属 性表，数据库存储量最大为2 g b ，它更像是基于文件的工作空间。对于小型的g i s 项目和工作组来说，个人g e o d a t a b a s e 是非常理想的工具。g i s 用户通常采用多用 华北电力大学硕士学位论文 户g e o d a t a b a s e 来存储和并发访问数据，而个人g e o d a t a b a s e 支持单用户编辑， 不支持版本管理。 多用户g e o d a t a b a s e 通过a r c s d e 支持多种数据库平台，包括i b md b 2 ， i n f o r m i x ，o r a c l e ( 有或没有o r a c l es p a t i a l 都可以) 和s q ls e r v e r 。多用户 g e o d a t a b a s e 使用范围很广，主要用于工作组、部门和企业，利用底层d b m s 结构的 优点实现以下功能： ( 1 ) 支持海量的，连续的g i s 数据库 ( 2 ) 多用户的并发访问 ( 3 ) 长事务和版本管理的工作流 表2 - 1 个人g e o d a t a b a s c 和多用户g e o d a m b 船e 比较硼 g e o d a 诅b a s ed b m s ，注释 m i c r o s o f tj e te n g i n e单用户编辑 个人g e o d a t a b a s c( a c c e s s )2 g b 大小限制 不支持版本管理 o r a c l e需要a r c s d e o r a c l ew i t hs p a t i a l 多用户编辑 多用户或者l o c a t o r基于版本管理的工作流 o c o d a t a b a s em m d b 2 数据库大小和用户数限 m mi n f o r m i x制 m i c r o s o f t s q l依赖于数据库 s e r v e r 2 2 3 g e o d a t a b a s e 的特性和元素 g e o d a t a b a s e 是通过面向对象的数据库管理系统来实现的，其中地理数据被组 织成为数据对象( d a t ao b j e c t s ) ，其内部有着自成体系的类库，它的基础类是一 个成为e s r io b j e c tc l a s s 的类，其它绝大多数类都是由它继承而来的。“。 对象类用于存储非空间信息，通常是一些属性表( t a b l e ) ；要素类则存储了空 间信息及其相应的属性信息，在同一个要素类中，空间要素的几何形状必须一致， 比如必须都是点、线或者面。简言之，要素类是同类要素的集合。非独立要素类， 也就是相关联的要素类( 如参与拓扑规则或者几何网络的要素类) ，以要素集的形 式管理到一起o “捌。 要素集用于存放具有同一空间参考( s p a t i a lr e f e r e n c e ) 的要素类。存放了 简单要素的要素类可以存放于要素集中，也可以作为单个要素类直接存放在 华北电力大学硕士学位论文 g e o d a t a b a s e 的目录下。直接存放在g e o d a t a b a s e 目录下的要素类也称为独立要素 类( s t a n d a l o n ef e a t u r e ) 。存储拓扑关系的要素类必须存放到要素集中，使用要 素集的目的是确保这些要素类具有统一的空间参考，以利于维护拓扑。 除了要素类和要素对象类以外，g e o d a t a b a s e 还支持以下常见的数据对象： ( 1 ) 栅格数据集( r a s t e rd a t a s e t ) ：以栅格表的形式管理的单或多波段栅格数 据。 ( 2 ) 关联类( r e l a t i o n s h i p s ) ：关联类是一种机制，从一个表( 要素类) 中选择 记录以后，可以在相关联的表( 要素类) 中可以获取到相应记录。 ( 3 ) 域( d o m a i n s ) ：列有效值的一个列表( 或范围) 。 ( 4 ) 子类( s u b t y p e s ) ：将要素类中的要素进行了逻辑分组，每一个分组便是一 个子类。每一个这样的都有其完整性规则和g i s 行为( 如高速公路，是道路要素的 一个子集) 。 ( 5 ) 空间关系( s p a t i a lr e l a t i o n s h i p s ) ：在拓扑工具( t o p o l o g i e s ) 或几何网 络( g e o m e t r i cn e t w o r k ) 中定义。拓扑规则可以指定要素类中的要素之间有何种 空间关系，如地块之间不能重叠( o v e r l a p ) ，或者多个不同要素类中的要素之间的 空间关系，比如国家首都( 点要素) 必须位于该国家疆土( 面要素) 上。 ( 6 ) 元数据( m e t a d a t a ) ：数据库中的每个元素的x m l 描述文档，作为数据的参 考。 2 2 4g e o d a t a b a s e 空间数据库设计原则 建立g e o d a t a b a s e 空间数据库和建立一般的数据库大致相同，都要经过以下几个步 骤。通常情况下，建、- y g e o d a t a b a s e 空间数据的步骤如图2 4 所示”： 图2 4g e o d a m b a s e 空间数据库设计步骤 ( 1 ) 数据的用户视图建模。和用户交流，了解用户结构，解析用户的业务模型。 ( 2 ) 定义对象和关联。使用对象集和创建逻辑数据模型，并定义它们之问的关联。 ( 3 ) 选择地理描述方式。对有意义的数据采用确切的描述方式，如矢量、栅格、表 面或l o c a t o r 。 ( 4 ) 与g e o d a t a b a s e 元素匹配。将逻辑模型中的对象与g e o d a t a b a s e 中的元素互相匹 配起来。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 ( 5 ) 组织g e o d a t a