基于Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ的空間數(shù)據(jù)庫在數(shù)字林業(yè)中的應(yīng)用

王霓虹　方　舟

摘要：數(shù)字林業(yè)中的空間數(shù)據(jù)的在數(shù)據(jù)庫中的組織形式，直接關(guān)系到整個空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)的管理和查詢性能。文章首先介紹了地理數(shù)據(jù)模型的相關(guān)知識，描述了地理數(shù)據(jù)的發(fā)展進(jìn)程，指出Geodatabase數(shù)據(jù)模型的特點適合于組織林業(yè)資源的空間數(shù)據(jù)；然后介紹了空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE以及它在提高檢索性能方面高效性；最后闡述了如何綜合運用Geodatabase數(shù)據(jù)模型和ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎設(shè)計伊春林業(yè)局森林管理系統(tǒng)的后臺空間數(shù)據(jù)庫，并論證了采用這種空間數(shù)據(jù)的設(shè)計方法在性能方面的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：Geodatabase；空間數(shù)據(jù)庫；數(shù)字林業(yè)

一、引言

數(shù)字林業(yè)是人類以數(shù)字的形式再現(xiàn)的林業(yè)信息場，是信息化的林業(yè)，也是“數(shù)字地球”的重要組成部分。它主要是綜合運用GIS、遙感、遙測、寬帶網(wǎng)絡(luò)、多媒體及虛擬仿真等技術(shù)，對林業(yè)資源進(jìn)行信息自動采集、動態(tài)監(jiān)測管理和輔助決策服務(wù)的技術(shù)系統(tǒng)。數(shù)字林業(yè)的基礎(chǔ)是首先實現(xiàn)森林資源信息的數(shù)字化、共享和管理。森林資源信息主要包括兩大類信息：森林資源檔案；林相圖。森林資源信息是數(shù)字林業(yè)信息化的基礎(chǔ)，林業(yè)的重大應(yīng)用系統(tǒng)如防火指揮、資源監(jiān)測等都離不開森林資源信息的管理和查詢、分析。基于3S技術(shù)實現(xiàn)森林資源信息的共享、交換、整合、調(diào)度與集成應(yīng)用，是數(shù)字林業(yè)發(fā)展的必由之路。

以森林資源地理信息系統(tǒng)來說，所謂的空間就是地理實體及其相互關(guān)系的存在形式。林業(yè)空間信息資源包括各種類型的數(shù)字空間信息和空間參考信息，如電子地圖、數(shù)字遙感圖像、三維空間圖形和多媒體信息等，另外還有具備空間參考屬性的屬性信息和各種林業(yè)統(tǒng)計信息等。

本文所述的林業(yè)空間數(shù)據(jù)庫是構(gòu)建在數(shù)字林業(yè)基礎(chǔ)之上，以伊春林業(yè)局為例，以伊春林業(yè)局下屬16個林業(yè)局的林相圖及森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)、各林業(yè)局所屬林場和小班林相圖及相應(yīng)森林資源二類數(shù)據(jù)為研究對象，針對林業(yè)局級的數(shù)字化林業(yè)資源信息的管理和應(yīng)用，搭建了基于Geodatabase和ArcSDE的面向?qū)ο罅謽I(yè)空間數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了林業(yè)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)一體化存儲和有效關(guān)聯(lián)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)伊春公安局森林資源地理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)對伊春公安局所管轄的各林業(yè)局的有效管理，為相關(guān)森林資源規(guī)劃決策提供信息化支持。

二、地理數(shù)據(jù)模型

（一）Coverage數(shù)據(jù)模型

Coverage數(shù)據(jù)模型第二代地理數(shù)據(jù)模型，這種模型能夠?qū)⒖臻g數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的二進(jìn)制索引化存儲。同時，Coverage數(shù)據(jù)模型還能夠存儲矢量特征間的拓?fù)潢P(guān)系，形象地表明矢量要素的空間位置聯(lián)系。但由于數(shù)據(jù)模型中的拓?fù)潢P(guān)系，導(dǎo)致空間數(shù)據(jù)檢索速度減慢，影響查詢效率。所以，隨著地理信息系統(tǒng)應(yīng)用變得越來越復(fù)雜，一種可以關(guān)聯(lián)特征和行為的數(shù)據(jù)模型應(yīng)運而生。

（二）Geodatabase數(shù)據(jù)模型

Geodatabase數(shù)據(jù)模型彌補了Coverage數(shù)據(jù)模型的不足之處，使得物理數(shù)據(jù)模型與其邏輯數(shù)據(jù)模型更為接近。Geodatabase中的數(shù)據(jù)對象更接近于邏輯數(shù)據(jù)模型中定義的對象，使得空間數(shù)據(jù)更面向?qū)嶋H的應(yīng)用領(lǐng)域，不再是無意義的點、線和多邊形，而是有了具體的含義：可以用來管理的連續(xù)的空間數(shù)據(jù)，并且可以通過ArcInfo提供的域、驗證規(guī)則和框架函數(shù)實現(xiàn)自定義行為。該模型結(jié)合面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫兩者的優(yōu)點，實現(xiàn)了嚴(yán)格意義上的地理空間數(shù)據(jù)、連續(xù)空間要素的無縫存儲以及對對象屬性的整體約束等，從而克服了GIS軟件中傳統(tǒng)存儲模型存在的查詢操作難以優(yōu)化、數(shù)據(jù)完整性的約束條件可能遭到破壞、數(shù)據(jù)管理的安全性較差、不適合網(wǎng)絡(luò)共享發(fā)展需要等缺點，為GIS提供靈活高效存儲管理機制，便于地理信息系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用。

Geodatabase中存儲的地理要素由其屬性和幾何形狀——點、線、面組成。

點：定義離散的、無面積或長度的地理要素，如地物點。

線：表示線狀要素，例如邊界線、河流、管線、交通線、等高線等。

面：表示一組封閉的圖形，如地貌面、林業(yè)局面、林場面、林班面、小班面等。

三、ArcSDE

ArcSDE是一個空間數(shù)據(jù)引擎，是ArcGIS與關(guān)系數(shù)據(jù)庫之間的GIS通道。它允許用戶在多種數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中管理地理信息，并使所有的ArcGIS應(yīng)用程序都能夠使用這些數(shù)據(jù)，為DBMS提供一個開放的接口。ArcSDE的引入意在解決存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)接口問題。在利用Geodatabase數(shù)據(jù)模型建立的面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)庫中，通過ArcSDE數(shù)據(jù)庫引擎的引入，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的同意存儲和集中管理。本文采用Geodatabase+ArcSDE的空間存儲方案，數(shù)據(jù)庫選取Oracle 9i，以充分適應(yīng)林業(yè)海量空間數(shù)據(jù)的需要。

將以Coverage模型數(shù)據(jù)形式存儲在ArcInfo中的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成Geodatabase空間數(shù)據(jù)模型的方法是通過對ArcSDE的訪問，實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后統(tǒng)一存儲到Oracle 9i中，實現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的擴展，并完成對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的高效數(shù)據(jù)庫管理。

ArcSDE對矢量數(shù)據(jù)的管理包括對圖層的管理和對業(yè)務(wù)表的管理。ArcSDE對圖層的管理是將具有共同屬性項的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)歸為一個圖層，例如可將不同圖幅的交通線、管線或者等高線存放在一個線狀要素層中，每個數(shù)據(jù)庫記錄對應(yīng)一條交通線、管線或者等高線，使基礎(chǔ)地理要素的管理和存儲更加方便快捷。每個圖層又包含空間信息和屬性信息表，包含空間列的表被稱為業(yè)務(wù)表，包含空間數(shù)據(jù)的表叫做要素表，業(yè)務(wù)表與要素表以及空間索引表的集合組成一個ArcSDE圖層。在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫表中加入圖形數(shù)據(jù)項，即增加一個空間列，就構(gòu)成了一張業(yè)務(wù)表。一張業(yè)務(wù)表包括一個空間列和多個屬性列，空間列是聯(lián)系要素和空間索引表的關(guān)鍵值。將圖形數(shù)據(jù)項加入到一個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫表之后，該表可稱為空間可用表。ArcSDE通過將信息存入層表來管理空間可用表。層表用來管理業(yè)務(wù)表和空間數(shù)據(jù)之間的連接?？捎帽砜梢赃M(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、屬性查詢和數(shù)據(jù)合并。

ArcSDE存取和組織空間數(shù)據(jù)庫中空間要素是通過將空間數(shù)據(jù)加入到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，所以，整個的存儲過程不改變和影響現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫或者應(yīng)用，它只是將基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和空間索引存放到不同的數(shù)據(jù)庫表中，通過關(guān)鍵值來進(jìn)行相互連接。其連接關(guān)系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

四、基于Geodatabase和ArcSDE的林業(yè)空間數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)

（一）林業(yè)局級空間數(shù)據(jù)庫模型

基于Geodatabase的林業(yè)局級空間數(shù)據(jù)庫模型包括林業(yè)局級空間數(shù)據(jù)和林業(yè)局級屬性數(shù)據(jù)兩大部分。其中，林業(yè)局級空間數(shù)據(jù)又分矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)兩種數(shù)據(jù)格式。矢量數(shù)據(jù)包括林業(yè)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)集、林業(yè)區(qū)劃數(shù)據(jù)集，其中林業(yè)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)集包括水系要素類、邊界線要素類、道路要素類、鐵路要素類和管線要素類；柵格數(shù)據(jù)集包括數(shù)字高程模型（DEM）、坡度、坡向等。屬性數(shù)據(jù)指的是與林業(yè)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和林業(yè)屬性數(shù)據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)字典、統(tǒng)計資料、專題報表和多媒體數(shù)據(jù)。

（二）林業(yè)局級空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)組織與轉(zhuǎn)換

林業(yè)局級空間數(shù)據(jù)組織主要是指對獲取的林業(yè)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和管理，包括數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換、存儲以及組織調(diào)度等。本文所介紹的林業(yè)空間組織主要是指對林業(yè)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化和格式轉(zhuǎn)換。具體可以分以下方面的內(nèi)容：

1、利用ArcGIS 9.0對上文中提及的業(yè)局級空間數(shù)據(jù)庫模型中的林業(yè)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤數(shù)字化，得到林業(yè)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)要素集和林業(yè)區(qū)劃要素集，并存儲為Coverage格式。

2、根據(jù)國家林業(yè)二類數(shù)據(jù)，根據(jù)需要制成數(shù)據(jù)庫表，為進(jìn)一步輸入數(shù)據(jù)庫中存儲做準(zhǔn)備。

3、利用MapInfo軟件對提供的TAB格式的文件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，使其以Coverage格式文件的形式存儲在ArcInfo中。

4、對所有的Coverage格式數(shù)據(jù)進(jìn)行投影信息處理，使其統(tǒng)一為橫軸墨卡托投影、經(jīng)緯度坐標(biāo)形式。

（三）空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計

1、林業(yè)空間數(shù)據(jù)分層設(shè)計。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)地形圖圖式，本文將林業(yè)空間數(shù)據(jù)分成2大類9個Geodatabase要素類，2個大類分別是矢量數(shù)據(jù)集和柵格數(shù)據(jù)集，9個要素類分別是水系要素集、邊界線要素集、道路要素集、鐵路要素集、管線要素集、林業(yè)局要素集、林場要素集、林班要素集和小班要素集。采用1:100000的地形圖分層方式，其分層設(shè)計如圖2所示：

2、林業(yè)空間數(shù)據(jù)編碼設(shè)計。在林業(yè)空間數(shù)據(jù)中，總共有數(shù)十種地物要素，林業(yè)基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)編碼的設(shè)計是區(qū)別地物的唯一關(guān)鍵字，是查詢和檢索的基礎(chǔ)，也是在GIS中實現(xiàn)基礎(chǔ)空間信息共享的基礎(chǔ)。在進(jìn)行林業(yè)基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)編碼設(shè)計時，必須遵循國家林業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，要充分考慮操作的方便性和可擴充性，以及用戶根據(jù)不同需求制定專題顯示和輸出的原則。本文依據(jù)《中國人民共和國森林法》、《林業(yè)資源分類與代碼》以及《國家森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定》等相關(guān)規(guī)定，根據(jù)實體的邏輯劃分原則，采用如下的編碼方式：點（1）、線（3）、面（5）、注記（9）、地類類標(biāo)識碼（地類數(shù)據(jù)代碼結(jié)構(gòu)第1、2位為“02”）；

3、林業(yè)空間數(shù)據(jù)的屬性設(shè)計。林業(yè)屬性數(shù)據(jù)指的是空間實體的特征數(shù)據(jù)，通過鍵盤輸入的方式存儲到數(shù)據(jù)庫中，與矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)共同表達(dá)完整的專題意義。在林業(yè)空間數(shù)據(jù)庫中，對于林業(yè)屬性數(shù)據(jù)的檢索和更新都是以小班為基本單元，小班通常由土地屬性、管理屬性和樹木屬性等幾部分組成。在本文中，林業(yè)屬性數(shù)據(jù)通過人工輸入的方式存入計算機中，再以屬性表的形式存儲在Geodatabase中。

Geodatabase模型對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)實行一體化管理。在RDBMS中，表的概念對應(yīng)于Geodatabase模型中的一個要素類。在屬性表中，通過一個Shape字段來記錄實體的空間數(shù)據(jù)，Shape字段為GEOMETRY類型，該字段不僅記錄了實體的類型信息，而且存儲了實體的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，因而可以自動計算得到線狀實體的長度和面狀地物的面積。

五、結(jié)論

基于Geodatabase的空間數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了面向?qū)ο蟮腉IS空間數(shù)據(jù)模型的建立，為數(shù)字林業(yè)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的集成化一體化存儲提供了理論基礎(chǔ)，從根本上保證了空間數(shù)據(jù)的完整性和數(shù)據(jù)共享，保證了點、線、面拓?fù)潢P(guān)系的一致性，為建立數(shù)字林業(yè)地理信息系統(tǒng)打下了堅實的基礎(chǔ)，由此，可以證明基于Geodatabase+ArcSDE技術(shù)的空間數(shù)據(jù)庫的搭建方法可廣泛應(yīng)用于GIS信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計之中。

參考文獻(xiàn)：

1、Geodatabase Object Model[M].ESRI Press,2000.

2、黃林進(jìn),甘雪梅.城市地理信息系統(tǒng)空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)探討[J].現(xiàn)代測繪,2003(4).

3、(美)DeMersM N著;武法東等譯.地理信息系統(tǒng)基本原理[M].電子工業(yè)出版社,2001.

4、王萌,張超.基于ArcSDE的信息基礎(chǔ)設(shè)施空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪與空間地理信息,2007(6).

（作者單位：東北林業(yè)大學(xué)）