面向对象的病虫害数据库研究与建立

1、面向对象的病虫害数据库研究与建立王长委   胡月明*  张俊平（ 华南农业大学信息学院 广州 510642）摘 要:  传统的数据库由于种种局限已经不能满足现代病虫害管理的需要。随着面向对象技术出现，则为数据库在病虫害管理的应用中提供了新的契机。本文介绍了面向对象的空间数据库的理论，并结合GIS对病虫害数据管理的特点，采用Geodatabase建立了广东省农作物病虫害空间数据库，实践应用证明，基于面向对象技术的GIS数据库更有效反映现实世界，能更高效地管理和利用数据的优势。关键词: GIS；Geodatabase；病虫害；数据库；面向对象  中

2、图分类号:TP339          文献标识码:A  The Study and Project of Object-Oriented Pests DatabaseWang Chang-wei   Hu Yue-ming*   Zhang Jun-ping(College of Information South China Agricultural University, Guangzhou 510642）Abstract: The traditio

3、nal database can not meet modern manage of pests because of various limit. With the development of Object Oriented, it provides a new chance for database to apply in pests management. The Paper introduces the theory of Object-Oriented spatial database and builds Guangdong Province pest spatial datab

4、ase based on Geodatabase and characteristic of data management of GIS. The result prove that there is big advantage in applying Object Oriented in GIS databaseKeywords: GIS； Geodatabase； crop pest disaster； database；  Object Oriented1引言数据库已成为当今信息时代必不可少的信息管理工具，已广泛地应用于病虫害综合管理决策（IPM）活动中1，2。如：关贞洁等3

5、建立了稻纵卷叶螟数据库管理系统，郑宏海4建立了象山县农作物病虫害数据库管理系统，朱建国等5年建立的“作物及热带作物病虫害数据库”，陈启亮等6建立的“砂梨病虫害数据库管理系统”等病虫害数据库。但是，这些采用传统方法建立的病虫害数据库在管理和处理空间数据时，其局限性很多，尤其是在描述病虫害之间复杂对象及其彼此之间的关系明显的不足，同时对海量的病虫害监测数据管理也显得力不从心，从而使数据库管理系统在IPM中的应用受到极大的限制。随着面向对象思想在计算机科学及其应用的各个领域，特别是面向对象技术在GIS中的应用，为数据库管理系统在IPM中提供了新的契机，面向对象的GIS数据库技术成为理想的选择。2面向

6、对象的空间数据库模型理论2.1面向对象技术面向对象（Object Oriented，OO）技术是在解决计算机软件危机的过程中产生出来的新技术，是一种按照人们对现实世界习惯的认识论思维方式来研究和模拟客观世界的方法学，其核心就是将客观世界的一切实体均模型化为对象，也就是说，对象是具有唯一标识的并可独立存在的实体7。随着面向对象技术研究的不断深入和发展，其研究范围大大地超出了程序设计语言的范围，已渗透和应用到了诸多复杂的工程领域，给软件工程、信息系统、工业设计与制造等带来了深远的影响。如：面向对象的软件工程、面向对象的信息管理系统、面向对象的操作系统、面向对象的数据库系统、面向对象的专家系统、面向

7、对象的开发工具和面向对象的用户界面等的出现。其中，面向对象的数据库系统已成为当今数据库领域研究和发展的主要方向之一8，9，10。2.2面向对象的空间数据库面向对象空间数据库是面向对象思想和空间数据库管理系统相结合的产物，同时也是面向对象数据库的一个分支。它将空间实体看作对象，利用面向对象的思想和技术，包括抽象、继承、封装、重载、多态等，对空间地理数据进行抽象分析和数据库所需的各种建模。面向对象的空间数据库中，对象与其底层表示完全分离，空间属性与非空间属性的平等地位，以及对象的结构与行为封装大大方便了用户定义操作的实现。而且，数据构造越复杂,越能体现出面向对象数据库技术的优越性。这些特点使得面向

8、对象数据库能够实现传统数据库中不能实现的，而这些功能正是GIS应用分析所必需的，主要有：(1)应用继承机制实现几何数据和属性数据一体化，兼容多种数据类型(矢量、栅格、不规则三角形、声音)，实现表中表(由关系到层次的演化)；(2)应用封装机制支持GIS成为多数据类型混合操作平台，进而支持构模操作，成为决策支持系统的有力工具。 2.3基于Geodatabase的面向对象空间数据库伴随着面向对象的技术思想的发展，逐渐满足了日益增长的GIS的需求。但是，纯粹面向对象的数据库还缺乏坚实的理沦支持，没有一个切实可行的标准，而且不能与关系数据库系统兼容，使得面向对象数据库的应用受到极大限制11。而对象关系型

9、空间数据库管理模式出现克服了这种限制。它的主要思想是：由GIS软件开发商研制出一种面向对象的一种数据结构，它利用面向对象的思想，可以定义各种地理实体的行为、方法和属性等，通过数据引擎这样的中间件，将空间数据存储到关系数据库中。这种方法改变了以往的空间数据的存储方式，它首次实现了任意地为空间地理实体定义了各种的行为、方法，进行GIS的智能化分析有着得天独厚的优势。Geodatabase是就是ESRI公司在ArcGIS 8系列GIS平台软件推出的，它是一种基于RDBMS存储的面向对象关系数据库结构。Geodatabase利用面向对象技术将现实世界抽象为若干对象类，对象类本身没有空间特征，但每个对象

10、类都有其属性、行为和规则；相同属性集、行为和规则的空间对象集合体现为要素类；要素数据集反映了具有相同空间参考特征的要素类集合12；Geodatabase通过定义关系类来描述要素类或对象类之间的关联关系；同时这种数据模型考虑到要素类平面拓扑的一致性、属性有效范围的域的定义及要素类行为取值的约束规则等。Geodatabase的推出使面向对象的技术在地理信息系统的数据建模和应用上得到很大程度的推广，为GIS数据库建设提供广阔的前景13。    3基于Geodatabase的面向病虫害空间数据库的设计与实现近年来，我国植保部门已积累了大量的农作物病虫害监测数据，如何有效管

11、理和利用这些数据，是植保部门迫切需要解决的问题。本文以广东省农作物病虫害的数据为例，采用Geodatabase设计并建立面向病虫害的空间数据库。3.1 空间数据库的设计过程采用Geodatabase设计面向对象的空间数据库和一般的建立空间数据库大致是相同的，都要经过图1所示的几个步骤。图1 数据库设计的一般路线Fig.1 The common route of database designment在建立任何数据库之前都要经过这些步骤，当人们对于现实世界有一个总体的认识之后，就会产生一种用户视图，也就是人们平常所见的一些形式，如地图、文档等，将这种视图组织和表达出来，就形成了概念模型；形成概念

12、模型之后，就要按照一种科学的设计方法，利用一定的数据库描述语言，将这些视图和关系表现出来，如E-R图、UML图等，经过这些步骤后就形成了逻辑模型；接下来，就是根据设计好的逻辑模型，按照空间数据的存储方法，将这些数据存储到空间数据中，制定出一个空间数据的存储方案，这也就是物理模型。经过这些步骤之后，就可以将一个完整的数据库建立起来了。3.2面向病虫害空间数据库的技术路线按照Geodatabase的设计空间数据库的过程，面向病虫害的空间数据库建设过程采用了下面的技术路线，如图2所示：         

13、0;        3.3 面向病虫害空间数据库的设计3.3.1 数据分类和组织建立面向病虫害空间数据库的目的是把农作物病虫害有关的信息组织到以计算机系统为基础的数据库中，借助地理信息系统空间数据库和空间数据分析功能，实现农作物病虫害数据的有效管理、科学分析，并进行辅助决策，实现农作物病虫害监测预警作用。将具有相同特征的空间信息存放在同一图层，采用分层管理实现病虫害信息的管理，对病虫害数据的管理、信息的提取和病虫害数据的空间分析十分必要。农作物病虫害数据库所用数据资料涉及种类较多，将它们划分为空间数据和属性数据，每

14、一类数据信息分若干个图层，构成数据库总体框架。（1）空间数据空间数据是对农作物病虫害等实体空间位置或关系的再现，它包括矢量和栅格两种数据结构。空间数据主要来源于基础图、派生图和决策图，这些空间数据分别以点、线、多边形、插值图等几种形式分类存储。空间数据根据不同的需要以不同的工作空间存储，每个工作空间包括与之相关的多个图层，每个图层均有与之相联系的属性，这些属性除描述特征空间位置的坐标、用户标识码等外，还与特征信息表关联的外源属性表。表1对广东省水稻病虫害主要空间数据进行了分层。表1 广东省水稻病虫害空间数据主要图层（geodatabase好像不是.shp格式的）Tab.1  The

15、main layers of paddy pest spatial data of Guangdong Province图层文件图层名称几何形状稻瘿蚊监测点广东省稻瘿蚊监测点点状图层稻飞虱监测点广东省稻飞虱监测点点状图层稻纵卷叶螟监测点广东省稻纵卷叶螟监测点点状图层螟虫监测点广东省螟虫监测点点状图层白叶枯病监测点广东省白叶枯病监测点点状图层细菌性条斑病监测点广东省细菌性条斑病监测点点状图层稻瘟病监测点广东省稻瘟病监测点点状图层公路广东省公路线状图层高速路广东省高速路线状图层铁路广东省铁路线状图层县界广东省县界线状图层水系广东省水系面状图层广东省行政区划图广东省行政区划面状图层（2）属性数据属性

16、数据是对农作物病虫害等实体的详细描述，其表达方式是字符串、各种代码或统计数值等，在数据库中占很大的比重，也是数据库处理的主要对象，它为病虫害的防治、预警与决策提供充分的参考信息。属性数据主要包括虫情资料、病情资料、气象资料、耕作资料等。表2对广东省水稻主要的属性数据进行了分层。表2 广东省水稻病虫害属性数据主要内容Tab.2  The main attribute data of paddy pest spatial data of Guangdong Province表名称描述paddy_ill水稻病害种类Bacterial_leaf_spot细菌性条斑病实况调查模式报表Bacte

17、ria_lBlight白叶枯病实况调查模式报表rice_leaf_Pestilence稻瘟病实况调查模式报表paddy_pests水稻虫害种类paddy_borer螟虫实况调查模式报表paddy_hopper稻飞虱实况调查模式报表rice_leaf_roller稻纵卷叶螟实况调查模式报表rice_gall_midge稻瘿蚊实况调查模式报表paddys水稻种类stations监测站点信息users用户表loginfo登录日志表农作物病虫害数据分类和组织建立了GIS开发人员与用户之间的交流，通过与用户之间的交流，熟悉植保部门的工作流程，了解农作物病虫害的特点，农作物病虫害的总体组织情况清晰了，接着

18、将现有的农作物病虫害的用户视图转变成农作物病虫害数据的逻辑模型，建立它们之间的关系。3.3.2确立病虫害数据逻辑模型在建立农作物病虫害数据的用户视图之后，实际上就是决定了功能数据的功能范围的分类和它们之间的关系，设计农作物病虫害数据的逻辑模型，定义实体和关系，更近一步地检查数据的分类。标识有相同特性集的可区别实体，如监测站、耕地、道路、河流等各种地理实体，标识和描述实体及其关系可以用E-R图或用简单的UML图表来表示设计的过程。在研究中将数据进行进一步分类、标识实体及其关系。3.3.3用地理数据结构描述各类病虫害在采用Geodatabase建立面向病虫害空间数据库的过程中，面向对象的思想贯穿始

19、终，针对ArcGIS的数据结构，必须确定各种各样的农作物病虫害数据的地理表现方式，并与Geodatabase的数据类型相匹配。利用点、线、面、光栅、表面、图像和对象等地理数据结构，将农作物病虫害中的数据按照其形态特征，将它们用不同的地理数据结构表示出来。这些地理数据结构有：1）点：描述在给定比例尺的地图上要素太小不能定义成面的要素；2）线：描述在给定比例尺的地图上要素太窄不能定义成面的要素的位置；3）面：描述在给定比例尺的地图上处在一个范围内的要素的形状；4）光栅：描述用规则的矩形像元表示的区域；5）表面：描述了在一个区域内的不同高程的地面形状；6）图像：描述各种不具有分析功能的影像、照片等；

20、7）对象：描述非几何数据。2.3.4病虫害数据地理特征与Geodatabase数据模型匹配将农作物病虫害数据的地理特征匹配到ArcGIS中可以识别的数据类型中，对于己经标识的每种空间类型，ArcGIS都会找到与之匹配的表现方法，在此确定恰当的Geodatabase数据表现方式和确保支持复杂的要素类。ArcGIS可以以简单要素类、复杂要素类和对象的形式存储不连续实体，主要有以下的一些原则：1）如果空间类型是点：不连续的点，如监测站点等，进入点要素类；连续的点，如道路的交点，进入到简单结点要素；连续的点，有内部的突破关系，如数据传输网络点要素等，进入到复杂结点要素。2）如果空间类型是线：独立的线，

21、如边界线等，进入到简单线要素；参与系统的线性要素，如等高线，进入到简单的边要素；具有连接的部分的线性要素，如河流水系等，进人到复杂边要素。3）如果空间类型是面：独立的面，如水稻田等，进入到多边形要素；具备网络特征的面，进入到复杂多边形要素，如农田，之后会建立几何网络和平面拓扑关系。4）如果空间类型是图像，如各种遥感影像等，进入光栅要素。5）如果空间类型是表面：描述地形细节层次复杂精细的表面，进入TIN要素；覆盖大范围并利用已存在的数字地面模型的表面，进入到光栅中。经过完成建立用户数据视图模型、定义对象和对象之间的关系、选择地理表示、匹配Geodatabase组件和组织Geodatabase结构

22、等步骤的工作后，面向农作物病虫害的空间数据库的设计过程基本完成。3.4面向病虫害空间数据库的建立根据上述数据库的设计建立广东省病虫害数据库。本文是借助ArcCatalog来完成广东省病虫害数据库的建立，在ArcGIS9.0的ArcCatalog可以采用建立一个全新地理数据库、移植已经存在的数据到地理数据库和用CASE工具创建地理数据库三种方法建立新的地理数据库，考虑到广东省病虫害数据已经存在多种格式：Shapefile，Coverage，INFOTable，dBaseTables等，本文采用第二种方法，通过ArcCatalog来转换并输入到广东省病虫害数据库中，然后用ArcCatalog进一步

23、定义数据库。这样不造成资源浪费，可以大大的提高建库的效率。结论面向对象数据模型和面向对象的空间数据管理一直是地理信息系统领域追求的目标，但是，面向对象空间数据库设计思想要比面向对象数据库管理系统超前的多，纯粹面向对象空间数据库技术还不够成熟。本文采用ESRI公司的Geodatabase模型，设计并建立了广东省病虫害空间数据库。结果表明，利用面向对象思想构建GIS数据库更真实的反映了现实世界，缩短了数据库的设计过程，同时实现了空间数据的集成化存储，使商用关系型数据库技术得以充分利用。 参考文献：1况荣平. IPM计算机决策技术简述J. 动物学研究,1993,14 (4): 375-3812Brown G C, Lutgardo A R, Gage S H. Database management system in IPM pro