城市基础地理信息数据库设计存储管理

摘 要：数据是数字城市构建的“血液”.本文基于笔者多年从事数字城市的相关工作经验,以城市基础地理信息数据库设计与构建为研究对象,论文首先探讨了城市基础地理信息数据的类型,而后分析了城市地理信息数据库的内容,进而探讨了城市基础地理信息数据库的逻辑设计思路和数据库的详细设计思路,最后给出了城市地理信息的存储管理方法,全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华,相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义.

关 键 词：城市基础地理信息数据库系统组成存储管理

中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1672-3791（2013）04（c）-0017-02

数据是数字城市构建的“血液”.同时,数字城市需要的数据主要是包含大量的图形的空间数据,它包括栅格图形数据、矢量数据以及关联的属性数据.面向数字城市的城市基础地理信息系统更是涉及到多种空间数据库的管理和互操作问题,顾及空间数据本身海量数据和复杂结构的特点,基础地理信息系统中数据组织的好坏直接关系到系统的效率.我们把城市不同部门数字化建设都要用到的基础数据称为城市基础地理信息数据.

1城市基础地理信息数据类型

基础地理信息数据分类有很多方法,例如按数据结构来分,有矢量数据、栅格数据、矢量栅格一体化数据；按产品形式分,有数字高程模型数据（DEM）、数字正射影像数据（DOM）、数字栅格地图数据（DRG）,数字线划地图数据（DLG）.狭义上,城市基础地理信息数据库的核心任务是4D数据库的建立,这里简单地介绍一下4D产品的概念.

1.1数字高程模型

DEM是区域地形的数字表示,它由规则水平间隔处地面点的抽样高程矩阵组成.DEM的水平间隔应随地貌类型不同而改变.为控制地表形态,可配套提供离散高程点数据.由于格网的规则性,其X,Y或B,L的交点坐标被省略,通过对应的2值在矩阵中的行列号隐含表示.DEM数据通过一定的算法,能转换为等高线图、图、坡度图、断面图、晕渲图,以及与其他数字产品复合形成各种专题图产品；还可计算体积、空间距离、表面积等工程数据.

1.2数字正射影像（DOM）

DOM是由航空摄影或其他遥感数据经纠正和消除地形影响后形成的数字图像,是地表信息的真实反映,信息量极其丰富.数字正射影像图叠加专题信息之后,摆脱了传统专业线划图过于抽象,非专业人员不易理解的局限,使城市信息更加直观、内容更加丰富多彩,便于政府对城市的管理.数字正射影像数据库可以作为基础地理信息系统建设的重要的背景,可供规划、设计和广大用户直接查询、量算使用.

1.3数字栅格地图（DRG）

DRG是现有模拟地形图的数字形式.它是由模拟地图经扫描、几何纠正及色彩归化后,形成在内容、几何精度和色彩等方面与地形图基本保持一致的栅格数据文件.可以较为方便的进行放大、漫游、查询等.本产品可作为背景,用于数据参照或修测其他与地理相关的信息,适用于DLG的数据采集、评价和更新；也可与D伽,DEM等数据集成使用,派生新的可视信息,从而提取、更新地图要素；还可以绘制纸质地图,改变地图存储和印制的传统方式.

1.4数字线划地图（DLG）

DLG是地形图或专题图经过扫描后,对一种或多种地图要素进行跟踪矢量化,再进行矢量纠正形成的一种矢量数据文件.其数据量小、便于分层,能快速生成专题地图.这种数据满足GIS进行各种空间分析要求,被视为带有智能的数据,可随机地进行数据选取和显示,与其它几种产品叠加,便于分析、决策.各种以矢量为基础的地图均可视为DLG.

2城市基础地理信息数据库的内容

城市基础地理信息数据库主要应包括以下7个数据库：控制测量成果库（CSP）；数字线划地形数据库（DLG）；数字正射影像数据库（DOM）；数字高程模型数据库（DEM）；数字栅格图数据库（DRG）；地名数据库（PN）；元数据库（MD）.基础地理信息数据库还可包括管线、规划、地质等相关数据.基础地理信息数据库的组成结构图如图1所示.

3城市基础地理信息数据库的逻辑设计

城市基础地理信息数据库必须面对不同的用户或应用群体,系统的主要需求表现在各类数据的快速检索查询、数据的更新与维护以及数据的安全等等多个方面,所以我们必须对数据库中的数据进行合理的组织和分类来满足上述需求.

数据库的逻辑设计主要是根据数据的不同应用对数据进行分类组织.下面以矢量地形图为例阐述数据库的逻辑设计.

矢量地形图数据作为数字线划图的主要组成部分,用以表示城市的基本面貌并作为各种专题数据统一的空间定位载体,包括测量控制点和城市地形、交通、水系、境界、居民地、植被等核心地理要素.在基础地理信息数据库的逻辑设计中,可以设计如下.

（1）矢量地形图数据子库.

矢量地形图数据子库的划分可以依据城市在建立城市基础地理信息系统时使用的矢量地形图数据的比例尺来进行,如有的城市有1∶500、1∶2000和1∶10000的矢量地形数据,就可划分为3个子库,分别为1∶500地形图子库、1∶2000地形图子库、1∶10000地形图子库；而有的城市可能只有1∶500和1∶10000的矢量地形数据,那其地形图子库就有1∶500地形图子库和1∶10000地形图子库两种了.

（2）矢量地形图数据大类.

根据通常应用的需要,将基础数据库中的矢量地形数据按地形实体的大类进行逻辑分组,每一个逻辑组就是一个矢量地形图数据大类.矢量地形数据按照国标可以分为控制点、居民地、交通、水系等几个大类.一个大类中的空间实体数据在逻辑上被看作属于同一范围,其代码的第一位都相同,往往被同时应用.

（3）矢量地形数据图层.一个矢量地形图数据大类通常包含多个空间实体类型,可以再根据实体的类型（点、线、面）和实体在数据中的意义（辅助信息、主要信息）划分出具体的逻辑层,一个逻辑层还可以含有一个注记层.

（4）矢量地形数据实体.

矢量地形数据实体作为单个图层中的独立单元,包含图形数据（几何属性）和非图形数据（非几何属性）.图形数据一般指实体的地理位置和形状,非图形数据包括标量属性（如：高程、面积、长度的数据及实体的编码数据等）和名称属性（如：道路名称、河流名称等）.地理实体按几何形状分为点、线、面三种基本类型,这种分类法对于地理实体的特征描述和编码表示很合适.例如点类有控制点、独立地物点等,线类有道路、地类分界线、管线等,而面类有行政区域、建筑物、绿化带等.

4城市基础地理信息数据库的详细设计

4.1控制成果数据库

4.1.1控制成果库系统设计

建立控制成果库主要是对测区基础控制点、像片控制点、空三加密成果、控制概况资料、空三加密概况资料等进行有效组织与管理.控制成果库系统由控制点成果录入、查询两个主要模块组成.

（1）控制点成果录入：控制点成果数据录入模块是对测区的概况资料、基础控制点成果、像片控制点成果、空三加密成果组织入库.（2）控制点成果检索查询：对于基础控制成果、像片控制成果,通过点号进行查询；根据摄区代号对像片控制概况资料、加密成果等资料进行查询.

4.1.2控制成果数据内容

控制成果库由基础控制成果（内容为城市基础控制点成果）、像片控制概况（内容为像片控制测量的基本情况）、像片控制成果（内容为像片控制点成果）、空三加密概况（内容为航测内业空三加密的基本情况）、空三加密成果组成.

4.2正射影像库

4.2.1正射影像库系统设计

正射影像数据库系统由数据入库、数据查询两个主要模块组成.

（1）数据入库模块：正射影像数据入库模块是要把TIFF格式的正射影像导入数据库；二是要把正射影像对应的元数据录入数据库.（2）正射影像数据检索查询：正射影像数据检索查询模块主要是根据图幅号对正射影像元数据进行检索查询.

4.2.2正射影像库数据内容

正射影像库包括正射影像库成果（内容为正射影像成果）和正射影像元数据.

4.3数字高程模型库

4.3.1数字高程模型库系统设计

DEM数据库系统由数据入库、数据查询两个模块组成.

（1）DEM数据入库：数字高程模型的入库包括BLI格式的数据入库及元数据入库两部分.（2）数据查询：数据查询模块指对DEM元数据信息进行查询.

4.3.2数字高程模型数据内容

数字高程模型数据为拼成一体的济南市DEM数据.

4.4基本要素数据库

4.4.1基本要素数据库系统设计

基本要素数据库包括境界、道路、水系、地名及土地利用等五大类基础的空间数据.系统由数据入库、数据查询两个模块组成.

（1）基本要素数据入库模块：由数据库软件提供的矢量数据入库工具把Acr/Info的E00数据导入到数据库中,并用开发的元数据录入模块完成元数据录入.

（2）基本要素数据的检索查询：建立以图号为索引的数据查询机制,根据图号对元数据进行查询.

4.4.2基本要素数据内容

基本要素数据库主要包括境界、道路、水系、地名及土地利用五大类基础数据及元数据信息.

根据具体的入库需求,在境界、道路、水系、地名及土地利用五类数据中,按照不同的内容进一步细化,共分为12层数据（如表1）.

5城市基础地理信息数据库的存储管理

随着数据库技术的发展,通常采用数据库（包括关系数据库、对象关系数据库）管理空间数据,使空间数据与非空间数据真正实现一体化的无缝集成,这是当今Gls发展的趋势.采用数据库管理空间数据能够支持海量空间数据存储、数据查询检索灵活、易于数据动态分析、采用开放的Client/Server技术,真正解决数据共享和多用户操作问题,而且它具有强大灵活的开发环境.

目前,在空间数据存储和管理方面应用最为广泛的是支持空间数据存储的数据库技术和能够实现在关系数据库中存储和管理空间数据的中间件技术.能够支持空间几何对象存储和操作的对象关系型数据库管理系统主要有oracle,MicrosoftSQLServer,Informix,IBMDBZ等,其中oracle是国际上许多地理信息系统用来管理海量空间对象数据的首选数据库管理系统.在大型地理信息系统的应用中,通常是通过ESRI公司（EnvironmentalsystemsResearchInstitute,ESRI）的空间数据引擎ArcSDE结合大型关系数据库（例如oracle,SQLServer）或者Oracle公司针对oracle数据库开发的OracleSpatial来存放和处理空间数据.

5.1空间数据引擎

空间数据引擎是一种处于应用程序和数据库管理系统之间的开放且基于标准的中间件技术.使用不同GIS厂商数据的客户可以通过空间数据引擎将自身的数据提交给大型关系型DBMS,由DBMS统一管理；同样,客户也可以通过空间数据引擎提供的用户和异种空间数据库之间的数据接口,从关系型DBMS中获取其它类型的GIS数据,并转化成客户可以使用的方式.

于是,空间数据引擎就成为各种格式的空间数据出入大型关系型DBMS的转换通道.空间数据引擎ArcSDE是GIS软件生产商ESRI公司生产的中间件,它是利用关系数据库管理系统（RDB略）的先进特性和真正的客户/怎么写作器（Client/Server）计算模式来管理大型企业海量地理数据的.ArcSDE将空间数据及其相关的属性数据统一地放到商业化程度较高的标准关系数据库中进行管理,同时采用开放策略,提供了开放、灵活、健全的API,开发人员可将空间数据检索和分析功能集成到他们的应用工程中去.这就使得海量空间数据的管理获得了一种比较理想的模式,并且使得在广域网上以真正的Client/Server计算模式提供空间数据访问怎么写作、面向多用户环境成为可能.

ArcSDE的优点：数据库连接配置选择多样性、空间数据表述、数据库可移植性、应用程序可移植性、数据完整性、提供应用编程接口、应用软件和开发工具；ArcSDE是允许通过ESRI公司的GIS软件——ArcInfo,ArcEditor,ArcView,和ArcIMS直接连接空间数据库的标准接口.这些应用软件和它们的综合开发工具提供了一个创建、管理和使用空间信息的完整框架.ArcSDE也支持直接从AutoCAD和Microstation到空间数据库的接口.

5.2城市基础地理信息数据库的存储方案

城市基础地理信息数据库是空间型的数据库,数据量大,数据类型复杂,必须采用大型商用的关系数据库管理系统.根据国内现状和类似工程的实例,推荐使用Oracle关系数据库管理系统；一方面使用oracle关系数据库管理空间数据库成功的案例较多；另一方面国内在使用.Oracle关系数据库管理空间数据库方面积累了许多经验,这有助于城市基础地理信息数据库的建库和管理.

ArcSDE能够与RDBMS协同工作,提供了空间数据的存储、查询和管理的解决方案.其中,RDBMS负责在关系表中物理地存储数据,ArcSDE则负责为前端的GIS解释数据表中的这些数据.因此,采用ArcSDE与oracle相结合的方式,是城市基础地理信息数据库存储与管理的合适方案.用ArcSDE管理空间数据,数据库实体存放于关系型数据库Oracle中,由Oracle实现对数据库的管理.在此基础上,通过空间数据引擎ArcSDE访问数据库,并提供相应的客户端应用.