基于Geodatabase的滑坡災害空間數據庫設計＊

朱傳華,胡光道

(中國地質大學(武漢)資源學院,湖北武漢 430074)

滑坡災害作為主要的自然災害之一,每年都會直接或間接地造成巨大的財產損失和人員傷亡。長江三峽庫區是中國滑坡災害發生的重災區之一,移民工程遷建的新城鎮幾乎都在斜坡地帶,水庫蓄水后的庫水位上升及泄洪后的庫水位下降的變化,都將成為觸發滑坡的主要因素,因此,三峽庫區的滑坡災害調查、管理,滑坡災害預測預報一直是近年來國內研究的熱點[1-3]。收集整理滑坡災害相關數據,建立滑坡災害空間數據庫是整個預測預報工作的第一步,也是最耗時部分,可見其重要性[4]。

本文基于三峽庫區地質災害預警指揮系統(GHPACS)數據倉庫及管理系統建設項目,針對地質災害的特點和整個業務系統功能分析的基礎,采用ESR I公司的Geodatabse數據模型進行滑坡災害空間數據庫設計[5]。

1 滑坡災害預測預報及其數據需求

在國際上,JTC-1(Joint Technical Committee on Landslides and Engineered Slopes)從土地利用規劃的角度,對滑坡進行敏感性、危險性和風險性三個階段區劃[6]。國內學者晏同珍、殷坤龍等按照時空關系,將滑坡災害預測預報分為空間預測和時間預測兩類[7]。兩種不同的分類視角所劃分的階段或類別大體相對應,例如只考慮滑坡內在因子影響的敏感性分析對應空間預測預報,考慮時間框架和外部觸發因子的危險性分析對應時間和空間相結合的預測預報等?？傮w上,空間和時間預報對應了滑坡災害評價層次的敏感性分析和危險性評價兩個階段的工作內容。按兩種不同分類所進行的滑坡災害評價工作,所用的數據來源基本相同[7-8]。Cees J.vanWesten對在滑坡敏感性、危險性和易損性評價中所用的空間數據進行了歸類和分析[8],主要數據層可以劃分為四個部分:

(1)滑坡編目數據,包括滑坡編目、滑坡活動和滑坡監測。滑坡編目,指一個地區滑坡的詳細目錄,包括滑坡的地點、分類、失穩機制、引起的因素、發生的頻率、體積、活動、發生日期和造成的損害等。為呈現滑坡活動信息,滑坡編目數據庫需要有大區域的多時態的滑坡信息。

(2)環境因子,是指被認為對滑坡發生有影響的數據層,作為滑坡因子用于對未來滑坡的預測。包括DEM、坡度/坡向、匯流累積量、地層巖性、構造、斷層、斜坡水文、土壤類型、土壤深度、土地利用類型和土地利用變化等數據層。要根據滑坡的類型、失穩機制、分析的尺度和研究區的特點來選擇致滑坡因子。

(3)觸發因子,指具有突發性,能在很短時間跨度內引發滑坡發生的事件。包括暴雨、地震目錄、蒸發損失和地面加速等數據層。

(4)承災體,指區域內受滑坡災害潛在威脅的事物。包括建筑物、交通網點、生命線、基礎設施、人口數據、農業數據、經濟數據和生態數據等數據層。所有數據可分為近似靜態的和需定期更新動態的兩類。和地質、土壤類型、地形地貌相關的數據集都屬于近似靜態數據,更新周期很長?；滦畔⑿枰粩喔?其他動態數據的更新周期范圍可以從幾小時至幾天,例如氣象數據以及其對斜坡水文的影響,也可以是幾個月至幾年,例如土地利用和人口數據。土地利用可依據當地土地利用的動態變化,更新頻率可以是1～10年。土地利用信息不僅作為環境因子決定新滑坡的發生,而且也是受滑坡威脅的承災體,需要慎重評估。

2 空間數據庫設計

滑坡災害空間數據庫的設計采用ESR I公司的Geodatabase數據模型,使用支持面向對象軟件開發的CASE工具Visio 2003進行建模[9]。

2.1 數據概念模型

在數據需求分析的基礎上,滑坡災害空間數據概念模型如圖1所示。

圖1 滑坡災害空間數據概念模型圖

圖1中的“全體”表示所有的概念,包括的子類有滑坡災害概念和元數據?；聻暮Ω拍钪富聻暮︻A測預報知識領域里的所有概念。元數據是數據的數據,包含的概念和數據庫內特定數據項文檔相關。滑坡災害概念和元數據之間有可選的或多對多的聯系,即任何數據對象有關聯的元數據,而且任何元數據對象也可能關聯多個數據對象[10]。

2.2 利用CASE工具設計數據庫結構

滑坡災害空間數據庫共包括4個要素數據集,每個要素數據集內都包含多個要素類。因為滑坡災害研究在不同尺度、不同災害類型和評價的各個階段的數據需求、各要素層的重要性程序各不相同,表1只列出了部分要素信息。要素層的詳細論述參見文獻[8]。

數據集設計時包含一組公用屬性。每個要素類設計了一組6個基本屬性,詳細信息如表2所示。

其中種類、類型和樣式三屬性是要素類的必需字段,可通過Geodatabase數據模型中的域值和子類型來實現。以滑坡災害數據集為例,如圖2、圖3、圖4所示。

表1 要素數據集和要素類摘要表

表2 所有要素類的公用要素屬性

圖2 值域實現要素類分類

圖3 滑坡子類型

圖4 監測點子類型

相比之下,符號和符號值由用戶項目需求而決定,可為特定要素提供繪圖表達和描述細節。一般來說,地質災害數據庫的建設必然會涉及空間數據和非空間數據的整合,如圖5所示,空間數據和非空間數據之間的聯接可通過字段項目 ID實現[11]。

圖5 要素類和屬性表之間的內部聯接

該關系類包括兩個層次,首先空間要素連接到空間數據庫的中心項目表,然后從中心項目表連接到描述性的屬性表。屬性連接的兩層方式為設計屬性描述表和關系調整提供了靈活性?？臻g要素連接到中心項目表的某一行,并通過它連接到一個至多個屬性描述表。例如以滑坡監測GPS監測數據為例,對時間序列數據適當格式化[12],并設計要素類和對象類之間的關系,如圖6所示。

圖6 滑坡監測數據之間的內部關系

2.3 元數據

元數據層次化的組織存儲在空間數據庫,包含3個主要級別:數據庫項目級別,數據集主題級別和要素類要素級別。數據庫級別只有基礎元數據,在要素集和要素類級別逐步實現細化的元數據。相應地,用戶需求也有伴生的層次,對于瀏覽權限的用戶提供項目級別的元數據就足夠了,而需給真正操作數據庫的用戶提供詳細的、要素類級別的元數據。像空間參考信息是項目級別的元數據,在ArcCatalog中可自動生成。表1和表2是數據集和要素類級別的元數據例子。

2.4 創建Geodatabase數據模型

完成UML模型的建立后,通過Visio的導出工具“ESRIXMI Export”和ArcCatalog的“Case Schema Creation”功能完成Geodatabase數據模型的建立,具體步驟可參見文獻[13-14]?；聻暮臻g數據庫的實現圖如圖7所示。

圖7 滑坡災害空間數據庫略圖

3 結語

本文研究了滑坡災害預測預報數據的需求,得出了滑坡災害數據概念模型圖,使用CASE工具創建了滑坡災害空間數據庫模型,并在設計過程中提出了空間數據和非空間數據的整合方式,以及滑坡監測時間序列數據格式化的示例?？傊?基于Geodatabase數據模型創建空間數據庫的方法,不僅方便了數據庫的建立與維護,而且UML靜態模型圖展現了數據庫對象之間的復雜關系,實現數據模型設計的可視化,利于程序設計人員的開發。因此,基于Geodatabse數據模型,使用CASE工具建立滑坡災害空間數據庫是較優的選擇。目前,滑坡災害空間數據已進入初步應用階段中。由于滑坡災害數據的復雜性,空間數據庫結構有待進一步完善。

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