利用Geodatabase建立土地利用數據庫方法研究

摘 要:分析和研究了 Geodatabase模型結構及數據模型的優點，闡述了土地利用數據庫的設計方法，提出了利用Geodatabase模型建立土地利用數據庫的步驟和方法，最后指出了建模時需要注意的幾個問題。

關鍵詞:Geodatabase土地利用CASE工具模型

中圖分類號:TP317.4文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(a)-0092-03

我國土地資源絕對數量大，人均數量少。隨著我國人口的增長和經濟的快速發展，人口和土地的關系越來越緊張。耕地面積逐年減少，非農建設用地的面積增長迅猛，使得土地供需出現了嚴重的問題。要解決好我國的土地問題，首先就是做好土地利用總體規劃，嚴格依照規劃來調控和管理土地。而建立土地利用數據庫對提高土地管理工作的信息化、科學化、規范化以及實現國土資源共享具有重要的意義。土地利用數據庫系統是土地信息系統的重要分支和組成部分，它采用地理數據庫技術對土地利用數據進行管理，并提供數據采集、存儲、分析、土地利用數據統計匯總等多項生產和管理功能，為土地利用總體規劃、政府部門科學管理用地提供基礎數據來源。

Geodatabase是ESRI公司在ArcGIS中推出的一種新型的面向對象的空間數據模型，通過ArcSDE在關系數據庫中實現。Geodatabase模型在原有可存儲矢量數據的基礎上，擴充了存儲連續表面Grid、不規則三角網TIN、位址Addresses及多波段影像等數據類型功能[1]，并在結構體系和功能上作了進一步的改進和完善，為其第三代空間數據模型的地位奠定了基礎。在該模型中，地理空間實體被抽象成具有屬性、行為及空間關系的對象，用戶在不需要編寫任何代碼的情況下不但可以為各種要素定義更加貼切的“自然”行為，還可以定義不同要素之間的各種關系[2]，使得GIS數據庫中的要素更加智能化。

1 Geodatabase模型結構[3]

1.1 對象類(Object Class)和表格(Table)

在Geodatabase中，對象類是一種特殊的類。對象沒有位置特征，例如，土地所有者。雖然對象類沒有位置信息，但可以通過關系類與要素類(含有位置信息)聯系起來。例如，某塊地的主人，在“地塊”和“主人”之間，可以定義某種關系。表是記錄的集合。

1.2 要素類(Feature Class)

要素類是具有相同的屬性和相同的幾何表示類型的要素的集合，例如河流、道路、植被、用地等。要素類分為簡單要素類和復合要素類。要素類之間既可以獨立存在，也可以具有某種關系。當不同的要素類之間存在關系時，要把它們組織到一個要素數據集中。

1.3 關系類(Relationship Class)

關系類是用來定義兩個不同的要素類或對象之間的關聯關系。關系類建立在對象(或要素類)之間，由一個對象(或要素)類指向另一個對象(或要素)類，使用關系可以使兩個表(或要素類)關聯起來，操作一個表中的數據可以改變另一個表中的數據。例如:我們定義房子和地塊之間的關系，一個地塊上可以有很多房子，而房子必須位于某個地塊之上。

1.4 子類(Subtype)

在要素類內部可以劃分為若干次一級的組，每個組是一個子類，每個子類都有自己的完整性規則和GIS行為。

1.5 要素數據集(Feature Dataset)

要素數據集是一組具有相同空間參考(Spatial Reference)的要素類的集合，簡單要素類可以存放在某個要素數據集之中，也可以獨立于所有要素數據集之外，構成復合要素類的各個要素必須存放在空間參照相同的同一個要素數據集中。

1.6 拓撲關系(Topology Relationship)

拓撲關系將參與拓撲的各個要素類集成在一個拓撲圖中作為一個拓撲單元來管理，規定同一個要素類中的各個要素如何與其他要素共享幾何要素(例如，土地利用圖斑之間不重疊)，或者不同要素類之間如何共享幾何要素(例如，土地利用圖斑層界線必須完全覆蓋行政區劃層界線)。

1.7 幾何網絡(Geometric Network)

幾何網絡是在若干要素類的基礎上建立的一種新的類。Geodatabase通過拓撲關聯保證參與到幾何網絡中的各個要素類的空間幾何要素的連通性。幾何網絡將導致保證網絡連通性的行為。

1.8 柵格數據集(Raster Dataset)

影像作為柵格表來管理。

1.9 元數據(Metadata)

對數據庫中各個數據元素的描述。

2 Geodatabase 數據模型的優點[3]

2.1 Geodatabase具有可伸縮的存儲解決方案，支持個人化和企業級的存儲方式[4]

個人化Geodatabase將數據存儲在Microsoft Access中，可存儲不超過2GB的矢量、柵格和文件數據，它更像基于文件的工作空間，比較適合小型工作組的需求。企業級Geodatabase通過空間數據引擎ArcSDE中間件可與大型數據庫管理系統(如Oracle、SQL Server、IBMDB2等)實現遠程或本地連接，充分利用了關系數據庫管理系統對空間數據的擴展功能和強大的存儲、管理數據的優點。

2.2 Geodatabase支持全部有效的GIS數據類型

其支持包括Coverage、Shapefile、CAD文件、XML流、測量數據、元數據、定位器數據等。通過在數據表中引入二進制大對象(BLOB)字段來容納巨大而連續的要素集或特征組，對諸如遙感影像、表示連續表面的Grid、TIN等大目標無需分幅、分塊或空間分離，便可無縫的海量存貯，從而實現了對連續地理要素的統一管理。這為實現數據的集中化管理、維護和配準提供了便利。

2.3 Geodatabase適應要素編碼規則

Geodatabase數據模型引入了屬性域和子類要素的概念，可以為要素的多個屬性字段設定別名、缺省值、屬性域(代碼域或范圍域)等特性，也可在要素大類碼相同的情況下，按某個整型屬性字段將要素分成多個子類。這既適應了國家基礎地理信息標準的要素編碼規則，還能自動實現各要素的特征符號化。

2.4 Geodatabase數據模型以整數形式存儲地理要素的空間數據

在存儲數值型數據時，Geodatabase會根據字段的精度將浮點數轉換為整數存儲，輸出數據時，又會將整數轉換成浮點數。這種基于整數的空間運算速度會遠遠高于浮點數的空間運算，同時基于整數的空間運算還可避免浮點數運算中存在四舍五入而造成的精度損失。企業級的Geodatabase，還會通過相對偏移量對整數進行壓縮存儲，從而節省大量存儲空間。這對精度要求較高的數字地圖和控制點數據無疑是一種無精度損失的存儲方式。

2.5 Goedatabase模型支持版本化的管理機制和離線編輯功能

版本機制可以讓多個用戶同時訪問數據庫的一個版本，同時對同一地區的要素進行編輯操作，而不必對需要編輯的要素進行鎖定、分解成多個碎片或復制成多個副本，從而實現對數據庫的并發訪問。版本技術還可實現對Geodatabase的離線編輯，允許用戶從數據庫中把數據提取到本地或移動設備上，與網絡徹底斷開，實現對數據的野外編輯更新，網絡恢復連接后，再將更新后的數據輸入到數據庫中。采用版本化管理機制和離線編輯功能可以大大提高地形圖數據庫的更新和維護效率。

3 土地利用數據庫設計

3.1 基礎地理空間數據分層設計

根據中華人民共和國國土資源部發布的《縣(市)級土地利用規劃數據庫標準》[5]，將基礎地理空間數據設計為行政區域、行政界限、農業用地、居民點用地、獨立工礦用地、公路、鐵路等17個圖層。

3.2 數據字典設計

數據字典主要是為了數據結構的可擴展性與靈活性，對于一些類別、規格信息在數據庫表中設計單獨的數據表存儲，如:控制點類型、界線類型、等高線類型、權屬性質代碼、界址點類型代碼等[6]。

3.3 數據關系設計

(1)拓撲規則設計:對于土地利用要素關鍵層，如地類圖斑、行政轄區、宗地等，設計圖層內和圖層間的拓撲規則。如多邊形內部不允許有重疊，不允許有空洞;權屬界線與權屬多邊形之間界線嚴密吻合等。主要考慮以下拓撲規則:①Boundary Must Be Covered By;②Must Be Covered By Feature Class Of;③Must Be Covered By Line;④Must Be Properly Inside Polygons;⑤Must Not Overlap;⑥Must Not Have Gaps;⑦Must Not Self Intersect;⑧Must Not Self Overlap。

(2)數據關聯規則設計:對于不同地類要素之間的關聯、要素與表之間的關聯，需要建立它們之間的關聯規則。如:界址點與界址線連接型的關聯規則、地類圖斑與地類圖斑之間的要素顯示關聯規則、宗地與宗地擴展屬性表之間的復合關系關聯規則。

3.4 元數據庫設計

土地空間元數據是關于土地空間數據特征和相關信息資源的描述信息。它通過對土地空間數據的內容、質量、狀況、位置和其他特征進行描述和說明，使得用戶對數據的總體情況有初步的了解，也極大的方便了土地空間數據的共享和轉化。根據土地利用數據庫的特點，參考《縣(市)級土地利用數據庫標準》，選擇以下元數據的內容:(1)標識信息;(2)空間參考信息;(3)數據質量信息;(4)數據內容信息;(5)數據庫發布信息;(6)聯系信息。

4 土地利用空間數據建庫的步驟和方法

4.1 土地利用數據庫建庫路線

土地利用空間數據庫的建立采用對象關系型的地理數據模型Geodatabase空間數據模型。在數據庫建立過程中，使用UML和CASE工具設計土地利用數據庫模型，利用UML to XMI轉換工具把UML模型導出并生成Geodatabase數據庫結構。接著把數據庫和土地利用現狀分幅圖共同添加到ArcMap編輯環境中，通過影像配準、分層矢量化等步驟完成土地利用數據采集，建立數據庫。

4.2 使用CASE工具設計數據庫模型

借助Microsoft Visio、Rational Rose或OracleDesigner 2000等Case工具設計UML類圖[7][8]。Geodatabase中要素數據集、要素類、表格、幾何網絡和關系等元素可用UMLCD中的包、類和關聯來表示。最后將設計好的UMLCD輸出到XMI文件或Microsoft Repository中。在Case工具中對生成的XMI文件或Repository進行語意上的差錯處理，在確保沒有錯誤報告的情況下可利用ArcCatalog提供的Case子系統從XMI文件或Repository生成Geodatabase方案。

4.3 數據庫拓撲規則的添加

土地利用數據庫是建立在Geodatabase數據模型之上，利用Geodatabase數據模型的優點，在Geodatabase中引入功能強大的拓撲規則，以保土地利用數據庫的質量。空間數據的拓撲關系及其處理方法在高級的空間分析處理和空間數據庫數據質量保證方面具有相當重要的作用。在Geodatabase中，拓撲規則可以定義在要素類的不同要素之間，也可以定義在兩個或多個要素類之間。

4.4 土地利用數據的采集與編輯

土地利用數據主要包括影像數據和矢量數據。空間數據采集的工作量很大，而且數據采集的質量直接影響到數據庫建設的質量。原圖的數字化目前主要有兩種方式:手扶跟蹤數字化和原圖掃描矢量化。由于手扶跟蹤數字化方式勞動強度大，效率不高等原因，數字化方式主要采用原圖掃描矢量化。目前，可用來進行掃描矢量化的軟件很多，如MapInfo，AutoCad，MAPGIS以及Arc/Info下的ArcScan模塊等。由于土地利用數據庫的建立是基于ArcGIS平臺，因此建議在ArcScan環境下采集數據，后面的數據處理工作量小，數據轉換較為方便。

4.5 Geodatabase數據的導入

ArcGIS提供了幾個數據導入向導工具。對于矢量數據，使用ArcToolBox中的數據導入工具將土地數據導入到土地利用數據庫中。對于柵格數據，可以在ArcCatalog中通過Raster to Geodatabase工具導入。

5 模型建庫需要注意的問題

由于土地利用數據庫所包含的要素類型眾多，結構和關系復雜，在設計模型時需特別注意以下幾點。

(1)定義數據庫的空間參考時應選定一個合適的空間域，既要確保研究區數據全部落在定義的空間范圍之內，又能保證存儲的整型空間數據得到最大化的壓縮。確定空間域的方法有三種:①采用輸入土地利用數據的缺省空間域;②通過設定土地利用數據的空間范圍和最大精度定義空間域;③通過數值型字段的精度和范圍計算空間域。

(2)將生成拓撲和組建幾何網絡的要素類放在同一個要素數據集中，以確保它們有相同的空間參考。

(3)為提高創建拓撲和驗證拓撲規則的執行效率，在Geodatabase模型中不應創建過多的要素類，而應結合Valid Value Table的功能，恰當應用子類表示同類要素。因為在Geodatabase中要素類越多，生成拓撲和驗證拓撲所需要的時間就越長。

(4)生成Geodatabase模板之前，不要過早的為參與拓撲和網絡的要素類定義所有驗證規則，Geodatabase目前有多種可用的拓撲規則，其中一些未必適合測繪數據庫中的拓撲要求。對土地利用數據庫中的一些特殊規則可以在數據模型框架建成后，根據需要基于ArcObjects組件編寫代碼實現。

6 結語

作為新一代地理數據模的Geodatabase，是建立在DBMS之上的統一的、智能化的空間數據庫。它較之以前的數據模型更加人性化、智能化，基于Geodatabase創建土地利用數據庫，使其具有了一般空間數據庫所不具有的特點和功能。不遠的將來，隨著面向對象的地理建模工具的推出和真正面向對象數據庫技術的廣泛應用，必將賦予Geodatabase模型更加旺盛的活力。

參考文獻

[1]Andrew Perencsik，Simon Woo.ArcGIS9 Building a Geodatabase [M].USA: ESRI Press，2004.

[2]Michael Zeiler.Modeling Our World [M].USA:ESRI Press，1999.

[3]吳秀芹，張洪巖，李瑞改等.ArcGIS9地理信息系統應用與實踐(下冊).北京:清華大學出版社，2007:1～11.

[4]陳靜，張樹文.面向對象空間數據模型 —Geodatabase及其實現[J]. 國土與自然研究，2003，3(2):44～46.

[5]國土資源部，縣(市)級土地利用規劃數據庫標準(試行)[S].2007.

[6]胡月明.土壤資源信息系統的建立與應用[M].北京:中國科學技術出版社，2002.

[7]李含璞，馬金輝，史玉龍.基于Geodatabase模型建立測繪數據庫的方法研究[J].地理空間信息，2006，4(2):52～54.

[8]於家，吳健平.利用UML模型構建Geodatabase的方法與實踐[J].測繪與空間地理信息，2008，31(1):6～12.