吳 楠
(陜西學前師范學院計算機科學與技術(shù)系,陜西 西安 710100)
隨著計算機技術(shù)及網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的測量技術(shù)和手段得到了飛躍式的進步,城市海量數(shù)據(jù)的采集和處理技術(shù)也趨于成熟,使得數(shù)字化、信息化的城市管理成為可能。隨著社會的進步和發(fā)展,城市的信息化水平已成為衡量一個國家現(xiàn)代化程度、綜合國力及經(jīng)濟增長潛力的重要標志。從廣義上講,“數(shù)字城市”指的是建立一個城市信息模型,將城市的每一角落的信息都收集、整理、歸納,按照地理坐標建立完整的信息模型,用網(wǎng)絡聯(lián)結(jié)起來,使城市管理部門可以快速、完整、形象地了解城市宏觀和微觀的各種情況。從具體內(nèi)容看,“數(shù)字城市”是基于3S(GIS,GPS,RS)等關(guān)鍵技術(shù),建設服務于城市規(guī)劃、城市建設和城市管理的可持續(xù)發(fā)展的信息基礎設施和應用體系[1]。
數(shù)字化城市管理是一種城市管理新模式,通常有2種管理方法[2],即“萬米單元網(wǎng)格城市管理法”和“城市部件管理法”。在這種新的城市管理模式中,它把城市管理涉及到的對象分為城市部件和城市事件2大類,通過地理編碼技術(shù),將城市部件按照城市坐標進行準確定位;采用計算機技術(shù),將城市事件[3-9](如:城市秩序、市容市貌、市政公用、環(huán)境衛(wèi)生等)進行實時監(jiān)控。數(shù)字化城市部件信息管理系統(tǒng)充分運用 GIS技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù),將城市的空間信息與屬性信息處理完美地結(jié)合起來,以直觀的方式顯示所有固定目標的位置和狀態(tài),并直接在地圖上對受控目標進行管理。數(shù)字化城市部件信息管理系統(tǒng)的開發(fā)對城市市政的各項管理提供了很大的方便,可為城市創(chuàng)造可觀的社會效益和經(jīng)濟效益,有效提升城市的信息化和現(xiàn)代化水平。數(shù)據(jù)庫技術(shù)是數(shù)字化城市部件信息管理系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一,它對該系統(tǒng)各種功能的實現(xiàn)、實時高效運行起著至關(guān)重要的作用。文中重點研究了數(shù)字化城市部件信息管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫設計技術(shù)。
空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是能夠適合于計算機存儲、管理、處理的空間數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)。也就是空間數(shù)據(jù)在計算機中存儲和處理的形式。它可以分為矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2種。
矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是通過記錄空間對象的坐標及空間關(guān)系來表達空間對象的幾何位置。在計算機中,使用矢量數(shù)據(jù)具有存儲量小、數(shù)據(jù)精度高、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)嚴密、圖形輸出精美、描述空間關(guān)系完整等特點。使用矢量數(shù)據(jù),除了能夠表達實體的屬性外,還能夠方便的記錄每個目標具體屬性信息數(shù)據(jù)項之間拓撲關(guān)系,并可從點坐標鏈中提取某些特征。其主要缺點是數(shù)據(jù)編輯、更新和處理軟件較復雜。
柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是按網(wǎng)格單元的行與列排列、具有不同灰度或顏色的陣列數(shù)據(jù)。它是用大小相等、分布均勻、緊密相連的像元(網(wǎng)格單元)陣列來表示空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織,每個地表與一個像元相對應,因此柵格的大小與地表相應單元的大小之比就是柵格數(shù)據(jù)的比例尺。它所表示的實體位置隱含在柵格行列位置中。在柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中,用一個柵格像元來表示點實體,用一定方向上連接成串的相鄰柵格像元表示線實體,用具有相同屬性的相鄰柵格像元的塊集合來表示面實體(或區(qū)域),它是最簡單、最直觀的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。因此,這種結(jié)構(gòu)算法簡單、易于實現(xiàn)、便于擴充、易于修改、直觀性強。
空間數(shù)據(jù)管理通常分為文件結(jié)構(gòu)型數(shù)據(jù)管理模式、混合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)管理模式和全關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理模式。
1.2.1 文件結(jié)構(gòu)型數(shù)據(jù)管理模式
文件結(jié)構(gòu)型數(shù)據(jù)管理模式如圖1所示,其數(shù)據(jù)是通過一定格式的屬性文件和圖形文件組織的,圖形要素和屬性記錄之間通過標示字段進行關(guān)聯(lián)。這種模式的最大優(yōu)點是技術(shù)實現(xiàn)容易、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單;缺點是對于大型的GIS,它的數(shù)據(jù)管理和更新困難,信息利用效率不高。
1.2.2 混合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)管理模式
混合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)管理模式如圖2所示。圖形數(shù)據(jù)文件通過圖形處理系統(tǒng)給GIS軟件平臺提供數(shù)據(jù),屬性數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)進行管理。與以文本數(shù)值型數(shù)據(jù)為主的OA/MIS實現(xiàn)集成管理方便;但由于這種方式仍是以文件形式進行空間數(shù)據(jù)管理,只是對文件形式進行了一定的改進,幾何圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)是通過關(guān)鍵字ID進行關(guān)聯(lián),因此在進行組織、管理和檢索時還是獨立地進行。
1.2.3 全關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理模式
全關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理模式如圖3所示。這種方式將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一用現(xiàn)有的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來管理,通過數(shù)據(jù)庫引擎(ArcSDE)和數(shù)據(jù)庫接口將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)實現(xiàn)無縫管理。這種模式的最大優(yōu)點是提供了一致的訪問接口(SQL)以操作分布的海量數(shù)據(jù),并支持多用戶并發(fā)訪問、安全性控制和一致性檢查,它是目前大型GIS中的主流數(shù)據(jù)管理模式[10]。其缺點是由于空間數(shù)據(jù)不定長,會造成空間數(shù)據(jù)存儲效率低。
圖1 文件結(jié)構(gòu)型數(shù)據(jù)管理模式Fig.1 Data management mode of file structure
圖2 混合結(jié)構(gòu)型數(shù)據(jù)管理模式Fig.2 Data management mode of hybrid structure
圖3 全關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理模式Fig.3 Management mode of relational database
空間數(shù)據(jù)引擎(ArcSDE)技術(shù)是用來解決如何在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中存儲空間數(shù)據(jù),建立空間數(shù)據(jù)服務器的方法。ArcSDE是ArcGIS與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(RDB)之間的GIS通道,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應用程序都能夠使用這些數(shù)據(jù)。
ArcSDE是一個多層體系結(jié)構(gòu),它的數(shù)據(jù)存儲和提取由底端的存儲層實現(xiàn),數(shù)據(jù)的整合和數(shù)據(jù)處理功能則由高端的應用層(ArcGIS)提供。ArcSDE能夠用于高效索引、存儲和訪問在DBMS中的各種空間數(shù)據(jù)。ArcSDE主要特性:①具有開放的、完備的、通用的數(shù)據(jù)模型;②全面支持Oracle,Microsoft SQL Serve等多種類型的數(shù)據(jù)庫;③能夠支持海量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡化管理;④具有強大的數(shù)據(jù)安全性和多用戶性控制。
1.4.1 Geodatabase 模型
Geodatabase是建立在RDB上的一種現(xiàn)代地理信息數(shù)據(jù)模型,它為ArcGIS管理和使用地理數(shù)據(jù)提供了管理框架和數(shù)據(jù)接口。其中還定義了空間數(shù)據(jù)管理的方式,如數(shù)據(jù)類型、顯示、訪問、存儲、管理和處理的方法等[11]。
Geodatabase是一個多層結(jié)構(gòu)體系(應用程序?qū)雍痛鎯?,使用Geodatabase對地理數(shù)據(jù)集進行管理的過程就是現(xiàn)在GIS軟件和一般關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(RDBMS)軟件之間的數(shù)據(jù)共享。RDBMS用來完成計算機物理層面上的磁盤存儲、邏輯層面上的屬性定義、應用層面上的數(shù)據(jù)查詢及多用戶的事務處理等基本工作。而GIS應用程序的功能則是表現(xiàn)地理數(shù)據(jù),如數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)處理結(jié)果等[9]。
1.4.2 空間數(shù)據(jù)庫
空間數(shù)據(jù)庫是指在RDB內(nèi)部對地理信息進行物理存儲,并允許多個用戶同時訪問的共享數(shù)據(jù)庫??臻g數(shù)據(jù)庫技術(shù)是用來解決存儲在RDB中的空間數(shù)據(jù)與應用程序之間的數(shù)據(jù)接口問題。Arc-GIS通過ArcSDE來管理和應用GeoDatabase數(shù)據(jù)。ArcSDE是一個基于RDB的地理數(shù)據(jù)庫服務器,它允許向數(shù)據(jù)庫中加入空間數(shù)據(jù),提供地理要素的空間位置及形狀等信息。RDBMS服務器與ArcSDE服務器協(xié)同工作來存取空間數(shù)據(jù),RDBMS以關(guān)系表的形式提供物理存儲,ArcSDE解釋這些表的內(nèi)容供GIS使用。由于ArcSDE采用的是C/S體系結(jié)構(gòu),所以眾多用戶可以同時并發(fā)訪問和操作同一數(shù)據(jù)[3]。
1.4.3 空間數(shù)據(jù)庫的主要特征
空間數(shù)據(jù)庫與一般數(shù)據(jù)庫相比,具有以下空間關(guān)系特征、空間分布特征、海量性特征和分類編碼等特征。
文中空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫設計遵循以下原則。
1)數(shù)據(jù)的共享性:數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)應滿足多用戶和多任務的信息共享,因為在信息系統(tǒng)中相當多的數(shù)據(jù)是面向系統(tǒng)的多用戶和多應用的;
2)數(shù)據(jù)的獨立性:在數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時,盡量保持應用程序不變;
3)數(shù)據(jù)的完整性:數(shù)據(jù)庫應具有完整性控制功能,以保證數(shù)據(jù)的有效性、正確性和一致性;
4)數(shù)據(jù)的安全性:為了防止數(shù)據(jù)的非法訪問,數(shù)據(jù)庫應具有安全性控制功能。
文中所涉及的主要是柵格型空間數(shù)據(jù),它包括城市的基礎數(shù)據(jù)、網(wǎng)格數(shù)據(jù)和地理編碼數(shù)據(jù)。下面分別介紹3種數(shù)據(jù)的建立機制。
2.2.1 城市基礎數(shù)據(jù)
城市基礎數(shù)據(jù)指建筑物、道路面、綠地、水系等,它主要包括基礎地圖數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)和航空正射影像數(shù)據(jù)。將所有數(shù)據(jù)進行加工及相應的格式轉(zhuǎn)換后導入地理數(shù)據(jù)庫Geodatabase中[4]。
2.2.2 城市網(wǎng)格數(shù)據(jù)
網(wǎng)格數(shù)據(jù)指單元網(wǎng)格、街道、社區(qū)、行政區(qū)等。本系統(tǒng)從城市管理的實際出發(fā),在搜集有關(guān)社區(qū)、街道、行政區(qū)資料基礎上,構(gòu)建該地區(qū)的“萬米單元網(wǎng)格”。城市網(wǎng)格數(shù)據(jù)建立機制如下[5-6]
1)萬米單元網(wǎng)格編碼。萬米單元網(wǎng)格編碼結(jié)構(gòu)如圖4所示。單元網(wǎng)格編碼由14位數(shù)字組成,依次為:2位單元網(wǎng)格順序碼、3位社區(qū)代碼、3位街道(鎮(zhèn))代碼和6位縣級及以上行政區(qū)劃代碼。根據(jù)編碼可以對單元網(wǎng)格的具體歸屬、所在位置進行唯一確定。
圖4 萬米單元網(wǎng)格編碼結(jié)構(gòu)Fig.4 Code strature of thousand meter unitgrid
2)萬米單元網(wǎng)格劃分。萬米單元網(wǎng)格劃分主要是以現(xiàn)有的街道辦事處所轄范圍、社區(qū)居委會所轄范圍、全區(qū)道路、院落等圖層為背景,按照民政部門核準的社區(qū)邊界線,根據(jù)當?shù)刈钚滦逌y的地形圖(1∶500)進行補充,進行萬米單元網(wǎng)格圖的劃分和繪制。
3)地理編碼數(shù)據(jù)??紤]到不同數(shù)據(jù)涵蓋的空間范圍和地理編碼數(shù)據(jù)的特點,文中以專題的形式分層次進行管理,設計了一套完整的數(shù)據(jù)庫快速索引機制來保證地址編碼和地理坐標的快速匹配。
第一,地址匹配索引機制的建立。地址匹配索引包括主索引和分類索引。其中主索引保證了整個城市地理編碼數(shù)據(jù)的唯一性。地址匹配索引機制的建立,能夠加快數(shù)據(jù)庫的查詢和響應速度。
第二,空間索引機制的建立。地理編碼數(shù)據(jù)庫將城區(qū)按照不同的空間范圍劃分為不同等級,如:萬米單元網(wǎng)格→社區(qū)→街道辦事處→城區(qū)等4個層級管理空間。對地理編碼庫中的任意地物建立起對應的空間網(wǎng)格索引,從而使系統(tǒng)可以快速定位到某一網(wǎng)格下所有地理編碼信息。利用四級管理空間建立起的空間網(wǎng)格索引機制,大大加快了地理編碼搜索引擎的搜索效率。
第三,空間數(shù)據(jù)的采集。針對萬米單元網(wǎng)格中地理對象多、索引數(shù)據(jù)存儲量大這一實際情況,對萬米單元網(wǎng)格再進一步細分,通過對以下2類數(shù)據(jù)進行參照的辦法來解決數(shù)據(jù)冗余和搜索速度的問題。①門址數(shù)據(jù)(門牌地址和樓牌地址)是城市管理中常用的地址信息,廣泛應用于郵政投遞等工作。門址數(shù)據(jù)采集工作主要用調(diào)繪的方式來完成,并以信息點的方式錄入到計算機中;②地址興趣點數(shù)據(jù)是城市管理中人們感興趣和具有標志性意義的地址信息:地址興趣點共分17類,包括單位、賓館、醫(yī)院、加油站等。采集工作同樣是人工現(xiàn)場調(diào)查,將地址興趣點信息采集并標定到1∶500地圖上,并以點的方式錄入到計算機中。
城市部件屬性數(shù)據(jù)庫用來描述實體的屬性和說明數(shù)據(jù),它以SQLsever數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理,以表為基本存儲單位,其中包括部件屬性信息表和地理編碼數(shù)據(jù)表。
屬性數(shù)據(jù)庫建立通常包含以下幾步:對部件屬性數(shù)據(jù)進行分類、部件數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)校核、數(shù)據(jù)錄入。
2.3.1 部件屬性數(shù)據(jù)分類整理
按照中國城鎮(zhèn)建設行業(yè)標準,對城市部件進行分類、編碼和屬性信息賦值。
1)部件的分類。城市部件(部分)按以下內(nèi)容分類:①公用設施類主要包括各種檢查井蓋(水、電、氣、暖)及相關(guān)公用設施等;②道路交通類主要包括公交站、交通標志、停車場等;③園林綠化類:主要包括名木、古樹、雕塑、綠地等;④其它設施類:主要包括市容環(huán)境類、房屋土地類等。
其中,公共設施類部分代碼與符號見表1.
表1 公共設施類部分代碼與符號表Tab.1 Part of the code and the symbol table in public facilities
2)部件的編碼。部件編碼由10位數(shù)字組成,依次為:2位小類代碼、2位大類代碼和6位縣級及以上行政區(qū)劃代碼。部件編碼結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 部件編碼結(jié)構(gòu)Fig.5 Component code structure
其中:小類代碼為2位,表示部件小類,從01~99由小到大順序編碼。大類代碼為2位,表示部件大類,01~07分別表示公用設施類、道路交通類等??h級及以上行政區(qū)劃代碼為6位,按照國標進行編碼。
3)部件屬性的信息賦值。部件基本屬性字段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表2,其結(jié)構(gòu)為:部件代碼+流水號(000001~999999),表示部件定位標圖順序號,依照部件定位標圖由小到大順序編碼。如:陜西省西安市雁塔區(qū)小寨東路與翠華路十字西北角某電力井蓋,按照上述編碼規(guī)則,雁塔區(qū)的行政區(qū)劃代碼為110101,大類代碼為01,小類代碼為05,其普查測繪和標圖定位的順序為1739,流水號為001739,則該電力井蓋的編碼為1101010105001739.
表2 部件基本屬性字段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表Tab.2 Bacic attributes of components field data structure table
2.3.2 部件數(shù)據(jù)加工
部件數(shù)據(jù)加工是將已有的部件數(shù)據(jù)加工描述為帶屬性的地理編碼數(shù)據(jù),它包括管理部門描述、位置描述和網(wǎng)格編碼等數(shù)據(jù)描述。部件數(shù)據(jù)加工流程如圖6(a)(b)(c)所示。
圖6 部件數(shù)據(jù)加工流程Fig.6 Flow of parts data processing
2.3.3 數(shù)據(jù)校驗
城市部件數(shù)據(jù)在入庫之前,必須對數(shù)據(jù)進行校驗和糾正。對采集完成的數(shù)據(jù)進行字段非空檢查、錄入代碼正確性檢查、圖屬一致性檢查、標識碼唯一性檢查等,直到數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求。數(shù)據(jù)校驗步驟如下
1)按照相關(guān)標準確定檢查項:數(shù)據(jù)幾何精度和拓撲檢查、屬性數(shù)據(jù)完整性和正確性檢查、圖形和屬性數(shù)據(jù)一致性檢查等;
2)按照上述檢查項確定檢查內(nèi)容并配置相應的參數(shù);
3)采用系統(tǒng)自動批量檢查與人機交互方式檢查相結(jié)合的方式對上述內(nèi)容進行檢查,并及時修正檢查中發(fā)現(xiàn)的錯誤;
4)編寫檢查報告。
2.3.4 數(shù)據(jù)入庫
在完成數(shù)據(jù)分類及校核后,對檢查合格的數(shù)據(jù)方可入庫。將屬性數(shù)據(jù)采用人工手動鍵盤逐條錄入到創(chuàng)建好的表文件中。
隨著中國城市建設的迅速發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴大,充分利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)對城市部件信息進行管理和分析,可以有效保證城市管理的高效性和科學性,城市部件管理的信息化和科學化具有重要意義。文中著重探討了基于城市部件管理系統(tǒng)下數(shù)據(jù)庫的設計方法,分別就數(shù)據(jù)庫建設過程中空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫2大部分進行了詳細研究,設計給出了一套對應于城市部件的數(shù)據(jù)庫設計方案,完成了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的各級匯總、加工、校驗和入庫,為城市部件管理決策提供了實時、有效的信息,具有較高的工程實用價值。
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