第31卷总第77期 西北民族大学学报(自然科学版)Vol.31,No.1 2010年3月 Journal of N orthw est U niversity for N ationalities(Natural Science)Sep,2010GIS空间数据库设计方法讨论薛国梁(西北民族大学人事处,甘肃兰州730030)[摘　要]通过分析地理信息系统建设过程中空间数据库的建设内容1综述空间数据块的划分、图层的分层设计方法、专题图层划分和数据集设计、分析空间数据库的结构,讨论了空间数据库系统建设的方法和需解决的关键技术问题1 [关键词]GIS;空间数据库;专题图层;元数据[中图分类号]TP311.131 [文献标识码]A [文章编号]1009-2102(2010)01-0049-040　引言地理信息系统是集计算机科学、空间科学、信息科学、测绘遥感科学、环境科学等学科于一体的新兴边缘科学1GIS从20世纪60年代出现以来,至今只有短短的40多年时间,但已成为已成为多学科集成并应用于各领域的基础平台,成为地学空间信息分析的基本手段和工具1目前,地理信息系统不仅发展成为一门较为成熟的技术科学,而且已成为一门新兴产业,在测绘、地质、水利、环境检测、土地管理、城市规划、国防建设等领域发挥越来越重要的作用11　空间数据库内容每个GIS数据集都提供了对世界某一方面的空间表达,包括:基于矢量的要素(点、线和多边形)的有序集合;诸如数字高程模型和影像的栅格数据集;网络;地形和其他地表;测量数据集;其他类型数据,诸如地址、地名和制图信息;描述性的属性1除了地理表现形式以外,地理数据集还包括传统的描述地理对象的属性表1许多表和空间对象之间可以通过它们所共有的字段(也常称为“关键字”)相互关联1就像它们在传统数据库应用中一样,这些以表的形式存在的信息集和信息关系在GIS数据模型中扮演着非常关键的角色12　空间数据表现形式211　空间关系:拓扑和网络空间关系,比如拓扑和网络,也是一个GIS数据库的重要部分1使用拓扑是为了管理要素间的共同边界、定义和维护数据的一致性法则,以及支持拓扑查询和漫游(如确定要素的邻接性和连接性)1[收稿日期]2009-12-10[作者简介]薛国梁(1980—),男,陕西韩城市人,党政管理研究实习员,主要从事高教管理工作1212　专题图层与数据集数据库概念化设计是从抽象的角度来设计数据库,它独立于任何DBMS软件和硬件,它独立于数据库逻辑结构,是现实世界与机器世界的中介,一方面能充分反映现实世界实体与实体之间的联系,同时又易于向关系、层次、网状等各种数据模型转换,是现实世界的一个真实模型,是应用性GIS数据库设计的关键所在1一般采取实体—关系模型(E-R模型)进行概念设计[2]13　空间数据的逻辑设计逻辑结构设计的任务是运用数据库管理系统提供的工具和环境,将对现实世界抽象的道德概念模型转化为形影的数据库管理系统的数据模型1目的是规划出整个数据库的框架,回答数据库能做什么的问题. 311　划分方式地理信息系统具有处理数据量大、结构复杂的特点,设计时将整个系统划分为一些子系统,在逻辑设计过程中,分两步进行:首先进行图块结构的设计,即按照数据的空间分布将数据划分为规则或不规则的块,见图21图块划分的原则如下:①按存取频率较高的空间分布单元划分图块,以提高数据库的存取效率;②图块的划分应使基本存储单元具有较为合理的数据量;③分区时应考虑未来地图数据更新的图形属性信息员及空间分布,以利于更新和维护1④一般小比例尺地图按经纬线分幅,大比例尺地图按举行分幅,由于分幅后会出现某一空间实体会出现跨越不同图幅,空间实体被分为若干个空间基本单元的情况,因此需要在图幅、空间实体和空间基本单元之间建立连接关系1312　图层信息的组织按照数据的性质分类,将不同性质或不同级的图元要素进行分层存放,可以按专题、时间、高度等不同形式分层,形成不同的图层,见图1,图3,每一层存放不同的专题或某一类信息1分类可以从性质、用途、形状、尺度、色彩几个因素考虑1按时间分层可以对数据进行动态管理,特别是历史数据1按垂直高度划分是以地面不同高程来分层,从二维转化为三维,便于分析空间数据的垂向变化,从立体角度去认识事物构成1应用中,用户可以根据自己需要,将不同内容的图层进行分离、组合与叠加形成自己需要的专题图1对于公用的要素,可以单独作为一个图层数字化,然后将其添加到要编辑的任何文件中去,——5假设L i(i=1,2…n)为人一数据层,则一幅完整的地图为L=L1∪L2∪…L n,因此图块结构和图层结构是空间数据库从纵、横两个方向的延伸,同时空间数据库是两者的集成1313　空间数据逻辑数据结构一般在地理信息系统中逻辑空间结构主要有两大类,栅格结构和矢量结构1　格结构数据冗余量大,精度低,但便于大多数图形图像处理,它表示的地表是不连续的,是量化和近似的数据1它以规则的阵列表示地理空间现象的分布,地理实体的空间位置隐含其中,容易实现大量的空间分析模型,易于遥感数据相结合、便于信息的共享1矢量结构通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、面(多边形)等地理实体,精度高、冗余小1一般在实际应用时可结合两者的优点,以满足数据处理的精度与处理效率1对栅格数据采取无损压缩编码-游程长度编码的栅格结构1压缩栅格结构的文件占用空间,GIS将空间数据组织成一系列的专题图层和表格1由于GIS中的空间数据集具有地理参考,因此它们具有现实世界的位置信息并互相叠加. 314　注意问题31411　资源环境空间数据库系统设计空间数据仓库实质是支持管理和决策过程的、面向主体的、集成的、随时间变化的、持久的和具有空间坐标的地理数据的集合1建立数据仓库的主要任务是将来源、结构、格式不同的原始数据,首先对其进行标准化、过滤与匹配、精化、标明时间戳和确认数据质量的处理,即求精过程;然后再根据任务的需要,进行数据的集成与分割、概括与聚集、预测与推导、翻译与格式化、转换与再映像处理;最后进行数据仓库的建模、概括、聚集、调整与确认及建立结构化查询等1建立空间仓库的目的,是为了处理积累的海量空间数据,抽取有用信息,并提供决策支持131412　关键技术一般的数据库管理和查询检索技术比较成熟,需要解决的关键技术是如何在网上发布海量空间信息1资源环境空间数据库地图发布系统以mapinfo xtrem为基本平台,分为服务器端、地图引擎、管理器和客户端(提供给用户的页面)1服务器端、地图引擎和管理器由mapinfor提供,客户端开发主要以页面编辑为主1数据发布系统分为空间数据和非空间数据两个方面1非空间数据的发布主要利用Microsoft IIS Web服务器系统,直接获得或通过ORACL E数据库管理系统获得非空间数据1空间数据的发布分为两个步骤:①SuperMap IS驱动MAPINFO MAPX空间数据引擎(Spatial Data Engine)直接或间接(利用ORACL E数据库管理系统)获得各类矢量空间数据集(或地图)1②MAPINFO XTREM把获得的矢量空间数据转换为栅格图,并对栅格数据进行空间索引与数据压缩1同时,MAPINFO XTREM与MicroSoft IIS可以协同工作,以解决空间数据与相关非空间数据(如属性数据)的联合使用问题131413　数据结构经典的地理信息系统采用“点-弧段-多边形”拓扑空间数据结构,内部存储了拓扑关系,处理与拓扑相关的运算具有速度快、准确性高等特点,但是在地图显示和其他非拓扑运算方面速度较慢1面向实体的空间数据结构在显示速度等方面具有优势,但是拓扑关系需要实时计算,性能较低[2][4]1资源环境空间数据库对同一数据源,采用拓扑空间数据结构和面向实体空间数据结构两种方式存储,分别支持外部访问和内部应用服务131414　资源环境空间数据库内容数据库包含1∶50万、1∶25万、1∶5万三个不同的比例尺矢量数据和TM影像数据1其中1∶5万资源环境空间数据库标准分幅地图,范围覆盖1数据库包括:水体、居民点、交通、行政境界、地表高程五类基础地理空间数据及土地资源、水资源、生物资源、旅游资源、矿产资源、气候、水环境、水利设施、地质断裂带、灾害等22个类别资源与环境专题空间数据[1][2]14　空间数据库建立中应注意问题411　数据标准为了保证数据库的一致性、可操作性,数据库采用统一的坐标系、统一的编码体系和统一的属性数据1统一的坐标系是指,无论是地理坐标系还是平面坐标系都要求统一,以保证地物要素的连续1统一编码体系是指,相同的地物要素用相同的编码,否则数据库间、图幅间会出现无法接边的逻辑错误1统一属性数据是指,相同的地物要素在不同比例尺上有不同的表示方法,但应有相同的属性[4]1元数据库的建立[3][4][5]在地理空间数据中,元数据是说明数据内容、质量、表示方式、数据来源、空间参照系及其他有关特性的背景信息,是实现空间数据共享的核心内容之一1其主要作用有:帮助数据生产单位有效地管理、组织和维护数据1提供有关数据内容、质量等方面的基础信息,便于用户比较不同的资料,确定所需用信息1便于用户查询和检索信息,以及进行数据处理和转换1资源环境空间数据库的元数据是由基本信息、质量信息、继承信息、空间表示信息、空间参照系信息、实体和属性信息、发行信息、参考信息组成的1为了保证元数据的统一性和减少数据冗余,在元数据项的定义中增加类别定义,以便内部和外部元数据共享相同的数据内容[6]1412　数据质量是建立空间数据库成败之关键数据质量控制是一项集管理和技术于一体的综合性工作1质量是产品的属性,但质量形成于产品的生产过程中,要生产高质量的数据产品,就必须使影响产品质量的全部因素,在生产全过程中始终处于受控状态1同时,质量的检查和评价是质量控制的重要依据1413　数据安全管理在早期的大型GIS应用中,客户端一般采用文件共享的方式访问服务器上的空间数据文件1从客户端极其容易盗取数据文件,带来重大的安全隐患1安徽省资源环境空间数据库采用关系数据库存储空间数据,系统管理员可以在服务器端定义每一个客户端的访问账号、密码和权限,每个客户端完全在服务器端定义好的权限下操作空间数据库,而不是直接访问服务器上共享的可能被随时拷贝的文件夹.客户端系统则只能按照规定的方式访问空间数据库,从根本上解决了传统GIS数据存取模式上的数据安全问题1另一方面,在网络设计上较多采用网关和防火墙技术,尽力防止外部攻击1当然,数据库系统只是数据的载体和共享方式,资源环境状况是不断变化的,如果要真正做到信息发布的有效性,必须解决数据源和数据更新的问题,这也是一个数据库系统能否长期生存下去的一个关键1建立空间信息更新系统,力求解决这一问题15　结束语本文根据地理信息系统技术的发展,重点讨论了地理信息系统建设过程中,就空间数据库的内容空间数据块的划分、图层的分层设计方法,专题图层划分和数据集设计,分析了空间数据库的结构,讨论了空间数据库系统建设中需解决的问题1了解掌握空间数据库的设计技术对掌握地理信息系统的设计有着重要的意义1参考文献:[1]吴信才等编著.地理信息系统设计与实现[M].北京:电子工业出版社,20021[2]刘南,刘仁义著.Web 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