城镇产业布局基础空间信息数据库系统的设计与实现

1、第 29卷 第 1期2010年 1月 地 理 研 究 GEOGRAPH ICAL RESEARCH V o l 29, N o 1Jan , 2010收稿日期 :2009-02-05; 修订日期 :2009-07-26基金项目 : 十一五 国家科技支撑计划重大项目 小城镇产业布局分析系统开发 (2006BAJ05A06作者简介 :曹云刚 (1978- , 男 , 四川成都人 , 博士 , 讲师。主要从事资源环境遥感应用与 GIS 研究。 *:, , E -m z 城镇产业布局基础空间信息数据库系统的设计与实现曹云刚 1, 朱晓华 2*, 丁晶晶 2(1 西南交通大学土木工程学院测量工程系 ,

2、成都 610031; 2 中国科学院地理科学与资源研究所 , 北京 100101 摘要 :建立城 镇产业布局基础空间信息数据库的目的是避免城镇基础空间数 据集的重复 采集 ,减少浪费 , 协调空间数据的使用 , 加强对信息 资源有 效而经 济的管 理。针对城 镇产业 布局分 析中对基础数据的实际要求 , 综合利用地理信 息系统 技术、数 据库技术 和空间 数据库 引擎技 术 , 设计了城镇产业布局基础空间信息数据库 的系统 框架结 构和建 库技术 路线 , 并在 此基础 上建 立了一套分布式城镇产业布局数据库原型 系统。该 系统能 够对城镇 产业布 局分析 相关的 海量空间数据进行有效的组织、

3、管理和应用 , 并预留 了数据 接口 , 可为 相关的 城镇产 业布局 分析软件提供数据支持服务。此外 , 该系统还 可实现 不同部 门和用 户的数 据共享 , 为 城镇建 设决策提供数据支持。关 键 词 :数 据库 ; 地理信息系统 ; 空间数据库引擎文章编号 :1000-0585(2010 01-0173-081 引言随着国家信息化发展战略在新城镇建设中的具体应用 , 利用信息技术支持国家新城镇 -新农村建设已成为当前城镇建设过程中的必不可少的手段之一 14。在城市化发展的背 景下 , 综合运用 GIS 空间分析技术 , 以定性分析与定量分析相结合的方式来研究城镇发 展的历史与现状特征得到

4、了政府和学术界的广泛关注 510。在这个过程当中 , 基础空间 信息数据库是决策科学化的坚实基础。但是 , 由于空间数据特有的多尺度、多类型、多来 源等特点 , 使得空间数据库的建设过程中还存在很多细节问题。另外 , 大量的基础地理空 间信息还分散在各个单位或部门 , 而各个单位或部门的建库标准也不完全统一 , 无法实现 空间信息的交换与共享 , 缺乏有效的整合与统一的管理 11。面对不断增长的基础地理空间信息数据 , 设计一个完善的空间数据库基本框架 , 建立 一套有效的数据存储与交换标准 , 实现海量空间数据和属性数据的有机集成 , 有效存储和 管理 , 并在此基础上实现便利的空间检索、查

5、询和各种空间分析操作 , 是当前空间数据库 建设过程中的重要内容 12。同时 , 建立基础空间数据库还能推动基础地理空间数据集的 不重复采集 , 减少浪费 , 协调地理空间数据的使用 , 加强对地理信息资源有效而经济的管 理 13。本文综合利用地理信息系统技术、数据库技术和空间数据库引擎技术 , 提出了基 于 SQ L Ser ver 和 Ar cSDE 技术构建城镇产业布局基础空间信息数据库的基本方法 , 并在该方法之上建立了数据库模型系统 , 可用于城镇产业布局空间信息数据的有效组织、管理 和应用。2 数据库系统总体设计2 1 数据库系统建设目标通常来说 , 数据库建设是把不同部门与来源的

6、数据 , 按照统一的标准与规范组织到数 据库中的过程。空间数据库建设的基本方法如图 1。城镇产业布局基础空间信息数据库建 设的总体目标是 :以信息化建设需求为基础 , 参考相关行业标准和规范 , 应用地理信息技 术、数据库技术和网络技术等 , 建立空间数据管理总体框架和空间数据库详细设计方案 , 完成空间数据库管理系统的开发和空间数据的建库。本系统可建成一个多尺度 (包括 1 100万、 1 10万等生态环境专题数据 , 1 5万、 1 1万等基础地理信息数据、 DEM 数据 , 多分辨率遥感影像数据等 、多源数据类型 (包括栅格数据、矢量数据、属性数据等 的 城镇产业布局基础空间信息数据库

7、,实现对海量空间数据有效管理和应用。 图 1 空间数据库建设的基本方法Fig 1 T he basic appro ach o f spatial database dev elo pment2 2 数据库系统技术路线城镇产业布局基础空间信息数据库总体技术方案设计在充分考虑实际应用环境及应用 需求的基础上 , 结合国内已有的一些大型资源环境数据库的建库经验来完成。数据库总体 技术方案设计中 , 最终以大型关系数据库 M icrosoft SQ L Serv er 为核心 , 采用空间数据库 引擎 ArcSDE 实现空间数据在数据库中的集成管理。数据库系统主要包括基础空间信息数 据库和数据库管理

8、系统两个部分。基础空间信息数据库采用 Geodatabase 建库模式 , 将栅 格矢量数据进行一体化存储 ; 数据库管理系统采用 C/S 模式 , 基于 VB net 和 Ar c Engine 组件进行开发 , 并通过 ArcSDE 来进行空间数据的有效管理。整个数据库系统的技术路线 如图 2。2 3 数据库系统体系结构数据库系统的体系结构是数据库总体框架结构的核心部分 , 它决定数据库的运行效率 和稳定性。城镇产业布局基础空间信息数据库采用标准的 3层体系结构如图 3所示。其中 , 数据层采用 M icrosoft SQL Server 2005关系型数据库系统和 Ar cSDE 空间数

9、 图 2 数据库系统技术路线图Fig 2 T he techno log y roadmap o f spatial database development 图 3 城 镇产业布局基础空间信息数据库体系结构Fig 3 T he architecture of ur ban fundamental spat ial database据引擎实现对空间信息数据以及属性数据的高效存储和管理 ; 逻辑层使用 ArcSDE 空间数 据引擎实现对空间数据的访问 , 并基于 ArcGIS Engine 技术构建空间信息综合应用开发平 台 , 实现空间数据应用的业务逻辑 , 如空间数据的表现和操作 ; 应用层

10、将通过预留的接口 与其他城镇决策分析系统实现数据链接。采用 3层架构的开发模式 , 可以在数据层 (服务 器端 对数据的访问进行安全限制 , 可以对数据进行集中备份和恢复 , 保证数据的一致性 和完整性。3 数据库系统详细设计3 1 数据库逻辑结构数据库设计时应遵循 数据和应用分离 的基本原则 , 所有数据资源集中管理、集中 维护 , 分布使用。空间数据、非空间数据分开存储 , 空间数据和非空间数据之间通过相关 特征进行关联和体现 , 实现数据间的动态互访 14。基于以上原则 , 在数据库详细设计时 需要综合考虑数据尺度、数据来源、数据类型等诸多因素 , 才能构建出开放的、灵活的数 据库系统。

11、城镇产业布局基础空间信息数据库的逻辑结构如图 4所示。 图 4 数据库逻辑结构图Fig 4 T he log ic structur e diagr am of urban fundamental spatial database3 2 数据库组织结构(1 空间数据与属性数据集成本系统中包含大量的空间数据与非空间数据 , 使用时需要将两者联系起来。在对空间 数据查询需求的基础上创建相关的属性表 , 在这些属性表和 ArcSDE 业务表都有一列相同 域的属性字段 (如行政区代码、行业类型代码等 , 通过这些属性字段可以将空间数据和 属性数据联系起来 , 这样就实现了空间数据和属性数据的集成。(2

12、 矢量栅格数据一体化存储空间数据存储采用 Geodatabase 数据模型统一存储到关系数据库中。 Geo database 是 按照一定的模型和规则组合起来的地理要素集 , 实现在同一模型框架下对所有地理空间要 素的统一描述。它支持要素间的拓扑关系、复杂网络和要素之间的关系和其他面向对象要 素。相对于其他的空间数据模型而言 , Geo database 主要具有以下优势 :实现在同一数据 库中统一管理各种类型的空间数据 ; 可管理连续的空间数据 , 无需分幅分块 ; 支持空间数 ;3 3 数据分类与编码城镇产业布局基础空间信息数据库涉及的数据主要有两大类 :空间数据与非空间数 据。其中 ,

13、空间数据包括基础地理数据类、栅格与遥感影像类、生态环境专题类等 , 空间 数据采用 ArcGIS Geodatabase 数据模型在数据库系统中进行存储。非空间数据 , 也就是 与城镇产业布局分析相关的属性数据 , 包括国家统计数据类 , 通过遥感数据分析、地面调 查等途径获得的多种专题数据类、元数据等。城镇产业布局基础空间信息数据库中的数据来自于不同途径 , 而且没有固定的数据标 准。面对如此大量的数据源 , 在数据库建库时需要确定严格的数据标准以及选择一种有效 的数据组织方式。对于这些数据的分类及编码方法按照如下原则进行 :即一定的应用目标 与分类规则 , 根据信息的本质特征与语义内涵 ,

14、 首先将数据分成若干个大类 , 每个大类再 分为若干个小类 , 小类又续分为一级类 , 依此逐渐细分 , 直到出现满足需要的分类粒度与 数据粒度 15。同时 , 按照信息的类型与从属关系构造一个有层次级别的排列顺序 , 上一 层级别类是下一层级别类的父类。一个上层级别类划分为若干下一层级别类。同级别类之 间形成并列关系 , 不能相互交叉重叠 , 并对应同一上层级别类 16。根据上述原则 , 对于基础地理数据类与生态环境专题数据类 , 结合 Geodatabase 的数 据模型 , 首先按照比例尺进行分类 , 进而按照数据类型进行分类 ; 对于遥感影像数据类 , 则按照数据源类型进行分类。对于国

15、家统计数据类 , 首先根据统计级别进行分类 (分为国 家级、省级、市级、县级、乡镇级等 , 然后再根据数据统计时的大类进行分类 (如产业 数据、生态环境统计数据、人口数据等 , 最后再按照统计时的小项来分类。在对属性数 据类进行入库时 , 建立了各类数据的统一编码形式 (时间 +行政代码 +行业代码 , 作为 数据库中的唯一性标识。城镇产业布局基础空间信息数据库的详细结构如图 5 。 图 5 数据库分类及详细结构图Fig 5 T he detailed desig n of urban fundamental spatial dat abase3 4 数据交换标准空间数据坐标参考基准大地基准

16、:1980西安坐标系高程基准 :1985国家高程基准178 地 理 研 究 29 卷 属性数据: Ex cel 矢量数据: Shape DEM 数据: Geo T IFF 遥感影像数据: GeoT IF F 4 4 1 数据库管理系统设计 数据库管理系统功能结构 城镇产业布局基础空间信息数据库管理系统针对城镇空间数据库的结构特点, 城镇空 间数据的分发及使用特点, 在软件工程技术、计算机网络技术、GIS 技术和数据库技术的 支持下进行开发建设。系统采用一体化的数据管理模式, 实现矢量数据与栅格数据, 空间 数据与属性数据的统一管理。系统功能结构如图 6 所示。 图 6 数据库管理系统功能结构图

17、 Fig 6 T he functional structure of database manag ement system 4 2 数据库管理系统功能模块 数据库管理系统分为 4 个功能模块: 系统管理模块、数据入库模块、数据查询分析模 块和数据管理模块。 ( 1 系统管理模块 包括用户管理、日志管理和数据备份恢复。其中, 用户管理实 现增加、删除用户, 赋予和修改用户的信息或权限等功能; 日志管理实现系统日志显示、 统计、查询和打印等功能; 数据备份提供数据库的备份功能, 以防止突发事故对数据库造 成的破坏; 数据恢复实现根据数据库的备份信息自动对数据库进行恢复的功能。 ( 2 数据入库

18、模块 包括入库数据检查、空间数据入库、属性数据入库。入库检查 根据数据库标准对数据的完整性、拓扑关系的正确性、属性字段的完整性、属性数据的合 理性进行检查监理, 保证最终输入到数据库中的数据的准确性; 空间数据入库实现各种空 间数据的批量入库; 属性数据入库实现相关属性信息的批量入库功能。 ( 3 数据查询分析模块 主要实现不同数据之间 ( 如基础地理信息与专题图、遥感 影像等 的叠加显示, 提供由空间数据到属性数据和由属性数据到空间数据的相互查询定 位以及空间分析、统计分析、统计成图等功能。 ( 4 数据管理模块 包括数据更新和数据提取。其中, 数据更新提供属性数据的修 改功能, 提供矢量空

19、间数据的在线编辑功能等; 数据提取提供从数据库中下载空间数据和 属性数据的功能。 1期 曹云刚 等: 城镇产业布局基础空间信息数 据库系统的设计与实现 179 5 结语 目前, 基于空间数据库引擎、关系型数据库的空间数据库构建技术在各行业中已经得 到了广泛的应用和推广。本文以城镇产业布局基础空间信息数据库建设为例, 详细阐述了 空间数据库的建库模式以及城镇产业布局基础空间信息数据库的总体设计方案。整个数据 库采用空间数据与非空间数据分别建库的方法, 非空间数据采用常用的关系型数据库建库 方案, 而空间数据则采用矢量栅格统一的空间地理数据模型 Geodat abase, 并利用空间数 据库引擎将

20、数据统一于关系数据库中进行管理。此外, 在数据库建库过程中, 通过建立完 善的元数据库系统, 全方位存储相关的元数据信息, 可更好地对数据进行组织和管理。 城镇产业布局基础空间信息数据库系统的实现, 可以有效地对相关数据实现标准化组 织和管理, 同时可实现不同用户之间产业布局信息的交换与共享。通过系统预留的接口, 本系统还可为相关产业布局分析系统提供标准化的数据支持服务, 提高各用户对数据利用 的效率。因此, 该系统可应用于小城镇层次上各规划部门、国土资源部门等, 以实现资源 整合与共享。当然, 在整个数据库建设和使用过程中还存在着数据标准不一致、数据共享 权限界定、数据传输瓶颈等相关问题,

21、这些在一定程度上影响了该数据库系统的性能, 因 此以后的研究工作应集中在上述内容中。 通过建设城镇产业布局基础空间信息数据库系统, 可以实现小城镇区域多源、多尺 度、海量城镇基础空间数据的有机整合和高效的组织管理, 同时可以提高城镇级产业布局 基础空间数据存储管理的效率、数据的安全保障和共享能力。 参考文献: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 仇保兴. 中国城市规划信息化发展进程. 规划师, 2007, 23( 9 : 59 61. 赵春江, 杨信廷. 加强信息技术研究和开发促进小城镇健康发展. 小城镇建设, 2005, ( 1 : 22 23. 张

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26、epartment of Surv ey Engineering , Schoo l of Civ il Eng ineering , Southwest Jiaot ong U niv ersity , Chengdu 610031, China; 2. I nstit ute o f Geog raphic Sciences and N atural Reso urces Resear ch, CAS, Beijing 100101, China Abstract: T he f unct ion of fundament al spat ial database is t o avoid

27、 redundant co llect ion of spat ial dat aset s, t o coordinat e spat ial dat a application, and t o st rengt hen info rmat io n r e sources manag em ent ef f ectively and econo mically . Based on the geog raphic info rmat ion syst em t echno logy , dat abase t echno logy and spat ial database engine

28、 t echnolog y, t his paper put f orw ard t he t echnolog ical f ramew ork t o co nstr uct urban indust rial lay out f undament al spat ial database. In t his dat abase, spat ial dat abase and indust rial layout infor mation data base are logical disjunctio n but st orage in t he sam e r elat ional d

29、at abase syst em. T he dat a st ruct ure used in spat ial dat a o rganizat ion is Geo dat abase mo del developed by ESRI. In t he Geodat abase dat a m odel, f eat ure dat aset t og et her w it h rast er dat aset ar e sto red in t he rela t ional dat abase sy st em t hr oug h spat ial dat abase eng i

30、ne. On t he ot her hand, m et adat a data base is est ablished t o benef it sy st em m anagement. Beyo nd t his w o rk, w e also achieved a set of distributed database pr ot ot ype system f or the ef fect ive o rganizat ion, manag em ent and applicat ions of m assive spat ial dat a. T his sys t em is developed by M icrosof t Visual St udio 2005 and A rc Eng ine 9. 2 based o n client / server st ruct ure wit h fo ur m odules, w hich are sy st em manag em en