基于ArcSDE的數字流域模型系統數據庫構建方式研究

董玲燕，馬 瑞，楊春花

（1.長江科學院水資源綜合利用研究所，武漢 430010；2.武漢市規劃編制研究與展示中心，武漢 430014）

基于ArcSDE的數字流域模型系統數據庫構建方式研究

董玲燕1，馬 瑞2，楊春花1

（1.長江科學院水資源綜合利用研究所，武漢 430010；2.武漢市規劃編制研究與展示中心，武漢 430014）

針對數字流域模型系統中海量數據的存儲和管理問題，采用ArcSDE空間數據引擎，將空間數據與屬性數據有機地結合，由關系數據庫進行統一管理，并遵循相應的規則將數據進行入庫，通過關系類為數據建立關聯關系，然后采用面向對象的方法設計相關類來管理各類型數據，以保證對象的一致性和便于維護及擴展。

ArcSDE；空間數據引擎；數據庫；面向對象；關系類

1 概 述

水利信息化是應用現代通信、計算機網絡、3S等先進的信息技術，充分利用與水有關的信息資源，直接為防洪抗旱減災，以及水資源的開發、利用、配置、節約、保護等綜合管理業務提供全面的信息服務，提高水資源及水工程的科學管理效率和水平［1］。作為水利信息化發展關鍵技術之一的數字流域整體模型系統，是將各類水利專業數學模型集成于水利信息平臺上，以實現對整個流域水循環及其伴生過程的仿真模擬，為防汛抗旱減災、水資源優化配置、水生態環境保護和科學發展規劃等流域綜合管理提供更深層面的決策智能支撐和論證數學分析。

高效安全有序的數據管理是水利信息化建設的重要基礎。在數字流域整體數學模型系統構建中，涉及到多種類型的基礎數據，包括水文數據、實時水雨情數據、工程信息數據、社會經濟信息數據、基礎地形圖、動態影像、歷史數據、數學模型方法數據、超文本數據等，如何對這些海量的數據進行有效的組織和管理，是數字流域整體模型系統構建需要解決的關鍵問題之一。

本文在研究適合于長江流域的數字流域整體模型系統時，通過合理地設計數據庫，采用ArcSDE空間數據引擎，對空間數據與屬性數據運用統一的數據模型，由關系數據庫進行統一管理，并建立相應的數據庫入庫規范，確保了數據信息的完整性和準確性，為長江流域整體數學模型系統構建提供有效的數據支撐。

2 空間數據引擎ArcSDE介紹

數字流域整體數學模型系統需要入庫的數據種類繁多，在格式上也存在著較大差異，不僅涉及地圖空間數據，還包括水利專業各項屬性數據，僅地圖空間數據格式就包括shp，mif，grid，tif等多種格式。如果采用傳統存儲方式將空間數據與屬性數據分別存儲，數據的管理和維護困難，同時存在訪問速度較慢、數據一致性等問題。為此，本文運用一種高效的數據管理模式，即空間數據引擎和關系數據庫集成管理的模式，有機地將空間數據與屬性數據關聯起來，使兩者有效地融合在一起。

空間數據引擎，簡稱SDE，是目前在系統集成中廣泛應用的中間件技術，也是一種空間數據庫管理系統的實現方法，即在常規數據庫管理系統之上添加一層空間數據庫引擎，以獲得常規數據庫管理系統功能之外的空間數據存儲和管理的能力［2，3］。ArcSDE是空間數據引擎的代表，它支持高性能的空間數據管理，將數據存儲在商業的DBMS［4］中，并借助于連續的空間數據模型，統一管理空間數據與屬性數據，保證了數據的一致性，其靈活、高效的數據檢索，也為海量數據的快速訪問提供了便捷，因此ArcSDE能夠滿足水利行業的海量數據的存儲，同時也為數據訪問提供了便捷。

3 數據組織與存儲

3.1 數據分類組織

長江流域涉及的數據范圍大，數據結構復雜，不僅包括了空間地圖數據，如水系分布圖、水利工程分布圖、水文站分布圖等空間數據，也包括了各種反映流域水文狀態特征［5］的時間序列數據，如水文站監測的水文流量數據、各種實時水雨情等專業屬性數據；不僅涵蓋了文字數據，也涵蓋了各種影像數據，如長江流域的正射影像數據、遙感影像數據等；既有動態的實時更新數據，也有靜態的歷史觀測數據。根據數據來源和數據內容，可將數據分為3大類：基礎空間數據、水利專題屬性數據和專業模型數據。為了便于數據管理，在這3大類中又劃分為幾個子類。將這些海量數據進行分類組織，并對同一類別的數據按照統一的標準設計相應的存儲格式，表1給出了數據的分類以及相應的說明。

表1 數據分類及說明Table 1 Data classification and descrip tions

3.2 基礎空間數據庫

基礎地理數據指的是有空間地理信息的數據，包括各種地圖數據庫、遙感影像數據庫、DEM數據庫等。這些數據都可以在地圖上以圖形化的方式表現出來，用戶可以直觀地了解這些地理信息所處的位置及其空間分布情況。由于基礎空間數據庫數據量十分龐大，涉及到空間數據的各種類別，故本文在空間數據庫的基礎上，將數據劃分為幾個子類，分別為氣象／水文數據庫、土壤／作物數據庫、湖泊／水系數據庫、水利工程數據庫等。這些數據一般以圖形化要素集存在，每一要素都是一個獨立的圖層，并且具有相同的參考坐標系，按照其歸屬的類別，存儲在相應的數據庫中。

3.3 水利專題屬性數據庫

水利專題數據是各種監測站的觀測數據，是所有水利應用最基礎的數據資料，包括降雨、水位、流量、蒸發、含沙量等水文要素數據，其原始存儲格式往往是csv文件、txt文件或者excel文件。這種傳統文件方式存儲數據，存儲散亂，不利于數據的管理和維護，更不利于數據的檢索查詢。為此，應將這些數據按照規范的數據模型存儲在關系數據庫中，其實質就是一張張二維表，表中的列字段表示屬性，每一行則為每一個對象數據，而表本身就代表著關系結構。

3.4 專業模型數據庫

數學模型在水利信息系統中是不可或缺的部分。以數據為支撐，針對具體問題建立相應的數學模型，為科學的決策支持服務。而建立數學模型需要運用到各種參數以及模型方法，將常用的參數和模型方法進行抽象和數字化，存儲到相應的數據庫中，信息系統通過調用模型庫中的基礎模型和組合模型來搭建并進行計算和運用。

3.5 空間數據與專業水文數據的連接

任何在實際地理世界中存在的實體，大約90%都與空間位置相關。同樣，水文要素大部分實體也與空間位置相關，而水文要素有其特有的屬性，如水文站觀測的與時間序列相關的流量、水位等數據。如何將兩者有效地關聯起來，依賴于ArcSDE建立的關系類（Relationship classes）。通過建立數據的關聯關系和設置有效性規則，并定義每個圖形要素和屬性表格記錄之間的對應關系，具體有一對一、一對多和多對多的關系［6，7］。首先明確空間數據庫中的每一個圖層中的每一個實體的主鍵（唯一標志碼），按照相關的標準對實體進行編碼，將其編碼作為主鍵，而專業水文屬性數據也通過相應編碼作為該表的外鍵，這里主鍵和外鍵必須具有相同的數據類型，包含相同類型的信息；然后建立兩者之間的關系類（Relationship classes），將地圖上的空間實體和與之相關的屬性信息（如水文站與其觀測的水文要素值）關聯，關系類能主動地維護相關類之間的參考完整性。當更新空間實體對象時，與其相關聯的屬性表也會相應更新，通過這種方式，來保證數據的完整性，部分關系類的建立如圖1所示。

圖1 空間數據與屬性數據的關聯Fig.1 The association between spatial data and attribute data

圖2 數據庫系統框架圖Fig.2 Framework of database system

4 數據庫設計

4.1 數據庫總體設計

圖2所示，采用ArcSDE空間數據引擎，將用戶與數據庫，數據管理員（建庫員、數據維護員）與數據庫緊密聯系起來。數據管理員將收集的各類數據信息通過ArcSDE錄入數據庫，各類用戶通過長江流域整體數學模型系統以ArcSDE為橋梁獲取想要的信息。

4.2 數據入庫規范

（1）權限管理，保障數據安全：對于不同的用戶，授予不同的數據使用權限，保證數據的安全性。主要有管理員、普通用戶2種類別。管理員具有修改、刪除、更新、增加等數據編輯權限，并享有授予普通用戶某些特殊權限的權利；普通用戶則根據管理員授予的權利，享有相應的操作，例如瀏覽數據，上傳數據到數據庫中等權利。

（2）檢查關聯，保證數據一致：由于空間數據表與專業水文數據有時存在某種關聯，例如水文站點空間分布圖屬于空間數據庫，而其相應某一站點所觀測的數據又是屬于專業水文數據，兩者之間存在著一定的相關性，在數據表入庫之前，必須保證地圖數據中的水文站點的編碼與專業水文數據觀測中的站點編碼一致，便于數據的檢索查詢。

（3）統一標準，規范數據入庫：為了保證數據的完整性和一致性，實現數據資源的共享，提高數據的服務質量，達成信息網絡的互連互通，水利信息化必須統一標準［8］。對入庫的數據表按照現有的標準［9－11］進行統一編碼，對數據表應按照規定的格式檢查相應數據信息，對不符的數據表按照相應的數據格式進行修改，其數據表名稱應與表2中的相應信息對應，數據入庫時需要錄入表2所示的信息，通過記錄這些信息，可以規范數據庫中的數據表，方便地查看數據庫中數據表信息，保證了數據管理員對數據庫的總體把握。

4.3 面向對象的數據庫類設計

長江流域涉及的對象繁多，數據結構復雜，且對象之間存在著復雜邏輯關系。為更好地描述對象模型，便于數據的操作及后期信息系統的調用和管理，這里對對象及對象之間的關系進行分析，并利用面向對象的思想，對數據庫中的各種對象采用類的設計理念對實體對象及其方法進行封裝。這些對象包括水電站、水庫、水利工程、水文站、氣象站、雨量站、植被、土壤等，對象包含有各自的屬性特征及相應的方法，當要增加一個具體對象時，只需通過相應的添加記錄方法，系統會自動在地圖空間數據相應的圖層中增加該記錄，并在其屬性數據表中添加該記錄的屬性數據，這樣保證了數據的一致性，而且數據庫結構明確，外部接口簡單方便，便于數據庫的維護和擴展。

通過2種對象類實現對數據的存儲、處理和操作：①數據訪問類，直接面對數據庫，通過各種事務操作數據庫，它只負責對數據文件的操作，即數據查找、增加、刪除、更新等，而不針對具體的對象；②具體對象類，只負責對數據訪問類的操作，不面對數據庫，即針對具體對象對數據訪問類的各種操作方式進行組合，以實現具體對象的數據處理。部分對象類的建立如圖3所示。

表2 數據入庫說明表Table 2 Descriptions of data loading

圖3 部分面向對象類設計圖Fig.3 Part of the design of object-oriented classes

5 結 語

為實現數字流域模型系統中海量數據的高效管理，提出了數據分類存儲策略，制定了數據入庫規范，并利用空間數據引擎ArcSDE將空間數據與屬性數據統一管理；同時，分析了長江流域的實體對象及其相互之間的關系，并采用面向對象方法合理地設計了實體對象數據模型，進而建立了長江流域數學模型系統數據庫，為長江流域整體數學模型系統的構建提供了數據支撐。

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［3］ 黃杏元，馬勁松，湯 勤.地理信息系統概論［M］.北京：高等教育出版社，2008.（HUANG Xing-yuan，MA Jin-song，TANG Qin.Introduction to GIS［M］.Beijing：Higher Education Press，2008.（in Chinese））

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［9］ SL324－2005，基礎水文數據庫表結構及標識符標準［S］.北京：中國水利水電出版社，2005.（SL324－ 2005，Structure of Basic Hydrologic Database Table and Standard for Identifier［S］.Beijing：China Water Power Press，2005.（in Chinese））

［10］SL385－2007，水文數據GIS分類編碼標準［S］.北京：中國水利水電出版社，2007.（SL385－2007，Standard of Hydrologic Data Classification and Coding for GIS［S］.Beijing：China Water Power Press，2005.（in Chinese））

［11］ZBBZH／SJ，水利標準體系表［S］.北京：中國水利水電出版社，2001.（ZBBZH／SJ，The System Table of Water Technical Standard［S］.Beijing：China Water Power Press，2005.（in Chinese） ）

（編輯：劉運飛）

ArcSDE-Based Approach of Database Construction for Digital Basin M odel System

DONG Ling-yan1，MA Rui2，YANG Chun-hua1
（1.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Wuhan Planning＆Research and Exhibition Center，Wuhan 430014，China）

To cope with the storage and management ofmass data in the digital basin model system，the authors proposed an approach of database construction based on ArcSDE spatial data engine.The spatial data dynamically integrated with the attribute data aremanaged by the relational database.Having been loaded in line with corresponding rules，the spatial data and attribute data were associated by relationship classes.And the object-oriented method was employed tomanage various classes of data in order to ensure the object consistency and the database maintenance and expansion.

ArcSDE；spatial data engine（SDE）；database；object-oriented；relationship classes

P208

A

1001－5485（2011）12－0103－04

2011-10-20

水利部公益性行業專項（201101004）

董玲燕（1984-），女，浙江臺州人，助理工程師，碩士，主要從事數字流域、GIS技術在水利中的應用與研究，（電話）027-82828051（電子信箱）dly918＠gmail.com。