基于GIS的电信基础信息设施管理平台空间数据库管理系统设计.doc

基于GIS的电信基础信息设施管理平台空间数据库管理系统设计（重庆邮电大学计算机科学与技术学院，重庆，400065）摘要： GIS作为电信基础设施的管理、网络规划设计和运营决策的辅助手段在通信领域中的应用通信行业中。无论是通信管线、主干电缆、人井、毛孔、通信基站、WIFI热点等设备的分布与地理位置有着密切关系。随着通信技术和宽带网络的发展 ，通信基础设施管理和通信运营等各方面需求的提高 ，GIS在通信领域会发挥更大的作用 ，同时会面临一些新问题需要解决。传统的管理信息系统只能提供对被管理对象的属性的管理，即只能指出对象“是什么”，而不能表达对象“在哪里”，因而无法实现空间对象的可视化管理。空间数据库技术正好弥补了这一点。空间数据库技术在电信、通信领域的大规模使用，也将进一步促进电信等相关行业的健康发展。关键词： GIS；空间数据库技术；数据模型；基础设施管理Spatial database management system designbased on the GIS based information telecommunication facilities management platformLIU Zhi-gang（College of Computer Science and Technology, The Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065）Abstract: GIS as a telecom infrastructure management, network planning and design and operation decision-making supplementary means in communications applications in communication industry. Whether the communication line, main cable, well, pore, communication base station, wifi hot spot, or other equipment distribution and geographical position has the close relation. Along with the communication technology and the development of broadband network, communication infrastructure management and communication operation and so on various aspects demand increase. GIS in communication field will play a more important role, and will face some new problems to be solved. The traditional management information system can only provide the management objects properties management, namely only pointed out that object what, and cannot express object where, so it cant realize space objects visual management. Spatial database technology just make up for it. Spatial database technology in telecom, communication field of large-scale use, also will further promote the telecommunications and other related to the healthy development of the industry.Key words: GIS；Spatial database technology；Data model；Infrastructure management 0 前 言本文在GIS数据库设计理论与方法的指导下，主要通过对Geodatabase数据模型的介绍与研究，讨论该数据模型在电信行业信息管理方面所起到的主导作用，实现对各种尺度、不同数据来源的数据有效组织和统一管理。1 电信基础设施空间数据库设计理论与技术基础1.1 电信基础设施空间数据库概念设计电信基础设施空间数据库概念设计是将需求分析阶段得到的用户需求抽象为信息结构的过程。概念设计所得到的模型是现实世界的一个真实模型，便于不熟悉计算机的用户理解。是数据库设计人员与用户之间沟通的一种有效模型。 1.1.1 电信基础设施空间地理实体类型的确定地理信息的分类是对地理实体的一种抽象和概括。应尽量建立统一的地理要素分类体系，确保空间信息多用户、多领域共享。要关注专题地理数据。例如，电信基础设施GIS管理系统中的通信管线、无线电基站、通信局房、wifi热点平台等地理信息。因为专题地理数据往往要参与查询、分析等。1.1.2 实体属性范围一般地，地学实体可包括如下几类属性信息：点、线、面状物体，复杂物体，三维物体等。在电信基础设施空间数据库系统当中，点和线状的实体占很大比重，也是主要表达的对象。像基站、热点、通信局房等是以点对象的形式进行表达，关键记录其空间位置信息；而通信管线的路径则是线对象的范畴，要记录空间位置信息和距离等。至于信号覆盖下的地理区域或做缓冲去分析形成的面积又可以以面对象记录。图1 实体的表现形式1.1.3 实体间的关系地理实体间的关系有三种：定性（分层或分类）关系、定位关系以及拓扑关系。其他更复杂的关系均可以由前面三者导出来。1.2 电信基础设施空间数据库逻辑设计理论电信基础设施空间数据库逻辑结构设计的主要任务是将对现实世界抽象得到的概念模型转换成相应的数据库管理系统的数据模型，用逻辑数据结构来表达模型中所提出的各种信息结构问题，并用数据描述语言表述出来。分空间数据逻辑设计和属性数据逻辑设计。1.2.1 空间数据逻辑设计空间数据逻辑设计是将空间数据进行分类、组织，从用户的观点描述空间数据逻辑结构。在逻辑设计过程中分两步进行，一是图块划分设计，二是图层划分设计。前者主要是考虑到地理数据的存储量巨大，也为了方便存储、索引，将一幅整图按要求分割成小块；图层划分则按照用户一定的要求或标准把某些相关图元素组合在一起成为图层，表示地理特征以及描述这些特征的属性的逻辑意义上的集合。1.2.2 属性数据逻辑设计属性数据是空间实体的特征反应。属性数据的逻辑设计同样会影响到GIS数据库的查询、显示速度，数据库维护、更新、修改等操作。1.3 电信基础设设施空间数据库物理设计物理设计主要是为了使空间数据库的逻辑结构能在实际的物理存储设备上得以实现。普通数据库的物理设计可以通过Case工具直接从逻辑模型向物理模型自动转换。但是由于地理数据库的特殊性，很长一段时间以来，地理数据建模由逻辑结构到物理结构这一阶段一直手工完成，不但效率低，生成的地理数据库模式难以复用，地理数据的建模结果也难以直接被软件开发人员所使用。好在目前ESRI推出的Geodatabase数据模型已经支持基于UML和Case工具的建模方式。1.4 电信基础设施数据库建模的一般过程基于上述电信基础设施空间数据库设计理论，可以把数据库建模过程总结为下面6个操作步骤：1.4.1 规划主要是根据应用系统的结构和功能确定所采用的空间数据模型，以及各个数据库之间的关系。1.4.2 需求建模这个阶段需要GIS系统设计者和最终用户共同参与。首先根据用户的业务需求确定GIS系统所要实现的功能，然后根据系统功能确定需要哪些空间数据源，最后把所需的空间数据源进行逻辑分组。图2 GIS数据库设计步骤1.4.3 定义实体关系把需求建模阶段得到的空间数据源抽象为空间实体，确定实体的属性和实体之间的关系，这个阶段的结果可以用E-R图来表示。1.4.4 选择地理要素的表达方式为每一类实体选择合适的地理要素表达方式。1.4.5 匹配数据库元素根据所采用的空间数据模型确定实体的空间数据类型和属性数据类型。1.4.6 物理设计按照空间数据模型要求创建空间要素和属性表，完成数据库的模式设计。2 Geodatabase数据模型及建模技术2.1 Geodatabase模型结构Geodatabase模型提供一个面向对象的矢量数据模型。在这个模型中，地理实体作为一个完整的对象：具有属性、行为和关系。同时，它也支持将多种不同的地理特征对象组合进系统中，这些地理特征对象包括简单对象、地理特征、网络特征、注记特征以及其他一些特定的特征类。允许用户定义对象之间的相互关系以及对象之间的完整参考关系规则，它为地理空间数据定义了一个一般类，这个类可以用来定义和操作不同用户、不同应用的特定模型。通过定义和执行一个普遍地理模型上的各种行为，就提供了一个强有力的平台来定义各种用户自定义的数控模型。在Geodatabase模型结构中，提供各种对象以及概念来实现数据的组织，比如，对象类（Object class）、要素类（Feather class）、要素数据集（Feather dataset）、关系类（Relationship class）、几何网络（Geometric network）、属性域（Domains）、有效规则（Validation rules）等等。2.2 Geodatabase存储类型Geodatabase是ESRI在其新一代GIS平台软件ArcGIS 8中引入的一种全新的空图3 Geodatabase数据模型组织方式间数据模型。Geodatabase采用一种开放的结构将空间数据（包括：矢量、栅格、影像、三维地形等）及其相关的属性数据统一存放在工业标准的数据库管理系统DBMS中。空间要素类（Feature Class），如：河流、国界、宗地、电杆等，对应了DBMS中的表，而具体的一个要素（Feature）则是表中的一条记录。具有共同空间参考的一组空间要素类又可以组成更大的结构，称为要素数据集合（Feature Data Set）。除了空间要素类以外，Geodatabase中还可以建立关系类、几何网络、定义要素子类型、值域及规则等。所有的要素类均可以借助通用的CASE工具（如：Visio、Rational Rose等）进行模型定义和扩展。目前有两种Geodatabase存储类型:个人Geodatabase(Personal Geodatabase)和多用户(Multiuser Geodatabase)。图4 Geodatabase数据模型的存储类型2.3 基于UML的Geodatabase建模2.3.1 Geodatabase的建模方法目前Geodatabase数据库的设计有以下几种方式:（1）某些情况下可能没有任何可装载的数据，或者已经有的数据只能部分地满足数据设计，这时就用ArcCatalog建立全新的地理数据库；（2）移植已经存在的数据，通过数据格式转换到地理空间数据库；（3）基于UML的Geodatabase建模；2.3.2 使用UML设计Geodatabase由专门的建模工具，按照面向对象的思想，通过集成和扩展ESRI提供的ArcInfo UML Model.vst和ArcInfo UML Model.mdl基本Geodatabase模型，得到需要的Geodatabase模型图UML模型，再将UML模型转换为中间格式XML Metadata Interchange C XMI文件，最后依据中间格式文件生成Geodatabase模式。3 基于Geodatabase的电信基础设施数据模型数据模型设计的核心工作是将现实世界抽象成计算机能够理解的模型。数据模型的设计通常需要经过由现实世界分析道概念模型、逻辑模型，最后到物理模型的多次转换，这四个步骤是相互衔接而又相对独立的。空间数据模型是数据模型的一个分支，设计过程是一致的，但每一步需要完成的工作有较大的差异。3.1 电信基础设施数据分析在对电信行业进行行业级数据建模之前，应对该行业进行充分、深入地调研，明确该行业的数据组成、数据特点，只有这样才能构建完整、实用、灵活的行业数据模型。3.1.1 电信基础设施数据基本组成（1）通信管线通信管线是构成通信网络的重要组成部分，它负担着信号的传输任务，是电信运营非常重要的环节，关系着整个通信系统能否成功上线。目前，大部分通信管线均铺设于地下，仅有少量为架空线。地下通信管线主要由管道、人井、手井、管孔、管道闸等设施组成。管道，用于穿插通信管线，是光缆线的实际铺设路线。一般，管道铺设于道路两旁，仅有铺设于路面下面。管道的铺设方式可以分为开挖和非开挖两种；每个管道里有3-12个管孔，每个管孔里可以穿插通信管线。因此，每个管道里面可以以穿插3-12根通信管线；人井，人井设在管道的两端，可供工作人员下井对管线进行维护作业；手井，与人井功能相同，但比人井小，人员无法下井。图5 管道与人/手井关系示意图（2）无线基站天线基站是移动通信中特别重要的组成部分，主要起到传输、发射通信信号的作用。一般建在高楼上，也有一些基站以及景观化，有比较别致的外观。目前，这些基站中部分被中国移动、中国电信、中国联通等运营商公司单独使用，也有些为几家单位一起使用。基站的数量十分庞大，而且随着人群对通信质量的要求不断提高，基站的数量的增长也非常迅速。因此，对基站的日常维护工作面临着越来越多的难题。若将这些基站在地图上精确定位，不仅方便基站天线的安装、测试、维护等工作，而且利用GIS的分析功能对基站信号覆盖范围的精确评估，可以很好避免基站过密建设或信号无法覆盖等问题。（3）海光缆海光缆是一种比较特殊的通信管线，特殊就特殊在它的环境。海光缆通信系统大体上分为两类：一类是有中继的中、长距离海底光缆系统，适用于沿海大城市之间跨洋国际通信。（4）城市WIFI热点分布站点近几年，wifi热点成为城市现代化建设当中比较重要的角色。随着民众对移动互联网使用越来越多，以及大家对信息的需求变得无处不在，wifi热点建设规模也成为衡量一座城市的便利程度的重要标准。Wifi的分布特点跟基站很相似，但又有很大的区别：wifi传播的距离很有限，即每一个wifi平台的服务范围很有限。城市热点的分布也会非常复杂，将这些信息在地图上以点对象进行表达，不仅可视化显示空间位置信息，而且还可以记录其相关的属性数据。这样组织起来是十分高效、可靠的。（5）功能性机构功能性机构在电信基础设施中主要有：电信营业厅、电信办公点、无线电管理局、互联网服务咨询中心等一些与电信相关的职能部门，这些信息也是不可忽略的，在城市信息基础建设过程中起着重要作为。3.1.2 电信基础设施数据特点（1）数据量大数据量大是地理空间数据的普遍特点。随着社会建设进程的不断深化，不仅是电信运营商对电信基础建设的投入更大了，城市化进程的步伐也不断加快，人们对信息的需求也更加迫切，电信基础设施的建设也变得相当复杂，伴随而来的就是数据量激增。（2）数据来源广、格式复杂根据数据来源分析，主要会来源于测绘院、管线公司、无线电管路局、邮电设计院、规划设计院、信息委基础处等部门。由于数据的来源广，所以原始数据格式比较复杂，有测绘院提供的CAD和SHP格式，有无线电管线局提供的EXCEL数据，管线公司提供的EXCEL和CAD格式，还有纸质地图和各类表格以及来自互联网的数据。针对不同的数据，我们的方法也不近相同，主要的方法有手工数字化、拓扑关系建立、地图配准、地理定位、程序转换、图像纠正等。表1 数据处理方法3.2电信基础设施数据概念模型概念设计的主要工作是确定在电信基础设施数据模型中需要表达的数据专题及其特点总结，最终得到电信基础设施数据概念模型。3.2.1 电信基础设施数据专题根据对电信基础设施数据的组成及其特点的分析，得出需要表达的电信基础设施数据专题，如表2所示。表2 电信基础设施专题数据规划、通信局房规划和通信基站规划。 3.2.2 电信基础设施数据概念模型 根据电信基础设施数据空间参考定义，确定电信基础设施数据模型包含的专题及各个专题的用途、数据来源、表达方式、空间参考、样式和标注、比例尺和精度，并得到概念设计的最终结果电信基础设施数据概念模型。3.2.3 电信基础设施数据逻辑模型这部分要确定每个电信基础设施数据专题中包含的实体及实体的表达方式、属性字段、属性值的有效规则等，并定义实体间的关系。实体间的关系出通常所指的一对一、一对多等关联关系之外，还包括实体间的拓扑关系。表3 电信基础设施实体表达3.2.4 实体的Geodatabase对象一般情况下，在概念设计和逻辑设计中的实体与Geodatabase对象间的对应关系如表4所示：表4 实体与Geodatabase对象的对应关系 逻辑组与要素数据集是一一对应的，但是，逻辑设计时的局限可能使它们有些出入：（1）对象类不能包括在要素数据集中；（2）关系类可以在要素数据集中也可以不包含在要素数据集中；关系支持联合主键，而关系类不支持联合主键。3.2.5 电信基础设施Geodatabase模型（1）电信基础设施模型拓扑关系在电信基础设施逻辑设计中，为通信管线、通信局房、基站、WIFI热点、海光缆设计了拓扑关系，在Geodatabase模式中的拓扑包含该数据集要素类间的全部拓扑规则，如表5所示：表5 电信基础设施数据拓扑规则4 电信基础设施空间数据库设计空间数据库设计采用已经构建的电信基础设施数据模型为基础。图层划分、拓扑关系建立、实体的表现方式即几何属性均按电信基础设施数据模型建立。图层名称、图层属性表名称以及数据库标准规范为命名依据命名。4.1 GXSJ（管线数据）数据集数据集内容：4.1.1 管线公司管道几何属性：线图层名称：GXSJ_GXGS_POLYLINE图层属性表：GXSJ_GXGS_TXSX图层对象类型：0301（管线公司管道）4.1.2 人井几何属性：点图层名称：GXSJ_RJ_POINT图层属性表：GXSJ_RJ_TXSX图层对象类型：0312（人井）4.1.3 手井几何属性：点图层名称：GXSJ_SJ_POINT图层属性表：GXSJ_SJ_TXSX图层对象类型：0310（手井）4.1.4 管线楼宇几何属性：点图层名称：GXSJ_DXDL_POINT图层属性表：GXSJ_DXDL_TXSX图层对象类型：0311（管线楼宇）4.2 ZYDL（专业地理数据）数据集4.2.1 基站几何属性：点图层名称：ZYDL_WXDZ_POINT对应图层属性表：ZYDL_WXDZY_TXSX ZYDL_WXDZD_TXSX ZYDL_WXDZL_TXSX图层对象类型：0401（移动基站） 0402（电信基站） 0403（联通基站）4.2.2 海光缆几何属性：线图层名称：ZYDL_HGL_POLYLINE对应图