基于GIS的通用巖土工程勘察數據庫系統的設計

馬青蓮，高瑞濤，陳學俊

（青海省核工業地質局 青海 西寧 810008）

基于GIS的通用巖土工程勘察數據庫系統的設計

馬青蓮，高瑞濤，陳學俊

（青海省核工業地質局 青海 西寧 810008）

基于想要對巖土工程勘察數據進行更加完備的存儲、更加系統的管理和更加有效的交流的目的，通過對空間數據的特征及數據模型進行研究，分析了該系統的目的和設計原則并對系統的體系結構和功能模塊進行了構建，對數據要素分類進行編碼同時設計出了數據庫的邏輯模型，最后對系統進行了實現并解決了系統的關鍵技術，從而完成的基于GIS的通用巖土工程勘察數據庫系統的設計。

GIS；巖土工程；數據庫；空間數據；Visual C

隨著我國市場經濟的全面放開，我國的經濟呈現出迅猛發展之勢，隨之而來的是大量的工程建設作業。大量的基建項目對工程勘探技術提出了新的高度和要求，同時，這些工程作業也帶來了大量的巖土勘探數據資料。不過，這些資料在傳統的存儲方式中主要是靠相關技術人員通過表格、圖像、文字等書面方式記錄并歸檔于相關工程或當地機構。可是這樣的傳統方式十分不利于相關數據的存儲和利用，且不說大量的書面記錄帶來的人力物力的浪費和低下的效率，這樣存儲在特定固定地點的方式也十分不利于巖土資料的交流利用。巖土的勘探數據反映了巖土參數的分布和相關特性，具有相當強烈的地域特征，是了解當地底層的重要指標。故而我們需要一套更加方便快捷的數據管理系統。充分利用計算機技術實現對勘探數據的信息化存儲和管理。地理信息系統（GIS）為這樣一套數據系統的實現提供了可行性幫助。GIS系統基于計算機對空間信息的分析和處理是對勘探數據管理的的一種有效方式。

1 空間數據管理理論

1.1 空間技術基本理論

空間數據是用來表達實物的位置、大小、形狀及分布特征的相關信息的數據。空間數據是為了能將現實中的實體用一些基本的空間數據結構來描述，比如點、線、面等基本結構，其最小的數據單元是現實中的實體。并且空間信息有著以下這幾點與眾不同的自身特征。空間特征，反映自身獨特性最主要的特征，是用來反映現象控件位置與控件位置之間的關系的數據；非結構化特征，空間數據是非結構化的，非定長的數據，區別于一般數據庫結構化且定長的特征，使得空間數據難以使用其他通用數據庫來進行系統管理；時間特征，用以對空間數據進行描述的空間特征數據和屬性特征數據會隨著時間的變化而變化；分類編碼特征，將空間數據的圖像和屬性等特征經過一種數據裝化，使其可以被計算機識別使用并儲存；海量數據特征，對于空間數據來說，他的存儲量遠不是一般數據庫可以相比的巨大，幾十甚至上百GB的數據量在空間數據的存儲比比皆是。

空間數據庫是為了描述、存儲和處理地理信息系統而相應開發出來的新型數據庫系統。主要有:混合型空間數據庫，大多數的地理信息開發平臺所采用的數據庫，數據庫將空間數據存儲在系統文件中而將其他數據放入關系數據庫；集成型空間數據庫，所有的數據都被放入同一個數據庫中，這種數據庫被分為全關系型、面向對象型和對象——關系型三種數據庫。

1.2 空間數據模型

空間數據模型是用來刻畫現實世界中的現實實體之間相互關系的一種規則，為其數據庫的組織和設計提供了基本的思路和方法。這使得其在設計和發展GIS空間數據系統的過程中起到了非常重要的作用。其中與GIS設計有關并且應用較多的有以下幾種模型：柵格模型，用二維鋪蓋或劃分覆蓋整個空間將連續的空間離散化；矢量模型，它將現象看作是原型實體的集合組成空間實體從而強調離散現象的存在性；數字高程模型，主要用來描述數字高程表面，對面狀空間對象的表面采用規則或不規則多邊擬合的方式；面向對象的數據模型，對現實事物的靜態特征進行模型化并通過面向對象模型提供與對象類型的關聯操作，以對其動態特征進行記錄；混合數據模型，致力于將以上4個模型的優點應用于一個統一的模型上。

2 系統的總體架構

2.1 系統的目標與設計原則

系統的主要目標就是根據巖土工程的勘察數據的管理和使用的現狀設計出一款基于GIS的通用數據庫系統。對勘察的結果數據組建數據庫并進行管理，從而使這些資源可以得到妥當的保管并能進行資源共享，將這些數據信息的價值最大化。數據庫系統的建立將對對國家的各項設施的工程建設及地質學研究提供很大的幫助。

系統設計時要遵循的原則：1）可操作性和實用性；2）科學性和先進性；3）安全穩定性；4）可擴展性；5）通用性。

2.2 系統體系結構及功能模塊設計

系統以ArcGIS9.3為地理平臺支撐平臺以客戶機/服務器模式進行開發。通過空間數據庫引擎ArcSDE，將工程數據通過服務器端存入 SQL Server關系數據庫中，按照Geodatabase模型建立勘察數據庫，并通過ArcSDE實現對數據庫的調用。體系結構如圖1所示。

圖1 系統體系結構圖

從系統設計的目標出發，基于GIS的巖土工程勘察數據系統所需要的功能模塊有：數據庫連接配置模塊、數據輸入與管理模塊、數據瀏覽查詢模塊、數據輸出模塊、統計分析與制圖模塊和系統維護模塊，如圖2所示。

圖2 系統功能模塊

數據庫連接配置模塊連接數據庫是通過在窗口中輸入連續參數來實現的。其中這種連接對涉及兩層：客戶端通過ArcGIS Engine連接服務端的 ArcSDE服務，并通過它和SQLServer數據進行交流來完成對空間數據的操作，最后結果由ArcSDE傳遞回客戶端。

數據輸入與管理模塊主要是對相關區域的各種基礎地理地質和專題數據進行加載，并提供有關地圖的相應基本功能。對數據庫中各個實體的數據錄入可視化界面，可以基于數據設計的關系規則對數據記錄進行增加、修改、刪除等操作。

統計分析與制圖模塊是相當重要的一個部分，在進行宏觀層次上面的分析時要對相應的對象或者相對應的范圍數據的相關參數進行統計分析，這些都要通過系統來實現。而且系統還要依據用戶不同的工程目的提供相應窗口界面選擇統計條件得到表格形式的屬性數據統計結果。

數據查詢瀏覽模塊結合統計分析功能，實現圖形屬性雙向的瀏覽和查詢，對通過屬性查詢的圖形實現可以按照特定的模式或范圍來顯示。

數據輸出模塊主要是按照客戶的相應需求將查詢或統計結果的報表輸出到表格或者文檔。

系統維護模塊主要是要實現系統用戶管理和數據庫的備份和恢復功能。可以對登錄用戶進行添加和刪除，并將用戶數據存儲在“用戶信息表”中。其中備份和恢復功能是通過SQL Server提供的數據庫的備份功能完成的，需要進行數據恢復時，選擇正確的備份文件進行恢復操作。

3 數據庫的設計與實現

3.1 數據要素分類編碼方案

地層數據是巖土勘探工程中最為重要的數據，各個實際工程中都需要對數據庫中的地層數據進行提取。但由于不同的勘察場所的構造差距很大且不同地貌有不同的地層結構再加之人為因素造成層序劃分難以統一。這就要求必須利用沉積學和成因地層學規律詳細研究建立一套地層分類編碼。同時其他地質數據也要建立統一的分類編碼。本系統采用《城市基礎地理信息系統技術規范》規定的相關條文和編碼方案進行分類和編碼。對土層的編碼本系統在上述方案的基礎上進行了擴充，加入了土層成因和形成時代的描述。如圖3為土層分類編碼方案及流程圖。

圖3 土層的分類編碼方案及流程圖

3.2 數據庫系統的邏輯模型

系統采用空間數據模型來對勘察成果進行有效管理。其中擴展存儲模型Geodatabase是新一代模型中的杰出代表，它可以與各種商用數據庫兼容，將面向對象數據庫和關系數據庫體統的優點結合了起來。本研究旨在用Geodatabase模型建立基于GIS的通用巖土工程勘察數據庫系統，根據其模型原理及勘察工程的數據內容建立體統的邏輯模型如圖4所示。

圖4 巖土工程勘察Geodatabase模型

3.3 系統實現及關鍵技術

1）開發環境

系統數據庫采用Microsoft SQL Server進行開發，并且數據存儲接口使用SQL Sever管理平臺，它與Windows系統有很好的兼容性，并且易操作，穩定性好，執行效率好，擁有空間數據結構和標準數據接口。系統采用的開發語言主要是由C/C++演變而成的Microsoft Visual C語言。

2）數據庫的建立

巖土工程勘察數據庫的設計要為將來信息的高效查詢和有效利用服務，要滿足系統數據在空間、屬性和時間上的特征要求，所以本系統應用有著合理、有效數據管理的Microsoft SQL Server進行數據開發。數據庫的建立首先要結合數據庫特性對用戶需求進行分析，從而對數據庫進行初步設計，接下來設置數據庫文件存儲格式和線和方式，最后完成對數據庫的維護和提升

3）系統開發工具的關鍵技術

在本系統的開發過程中，雖然Pascal和C/C++語言也能夠完成工程類系統的開發，但是由于該類系統較少會涉及較低級的直接訪問硬件和操作系統的功能，且工程類系統的開發往往要求更加開發時間盡可能的減少，所以在本系統的設計中，采用Visual C語言進行開發工作。所以關鍵的問題就是如何建立Visual C和數據庫與Office軟件的接口問題。

解決這個問題最有效的方式就是制定標準，可以用ADO.NE標準實現，在用其實現數據庫訪問前，我們使用SQL語言進行數據庫操作與數據庫建立連接，之后通過對數據集進行定義實現數據傳輸，接著就可以用界面的空間對數據執行相應的操作。

4 結論

文中主要研究了基于GIS的通用巖土工程勘察數據庫系統的設計工作，首先研究了空間數據的特征以及空間數據庫的分類，接下來就空間數據的特點對系統進行了總體架構，主要設計了系統的體系結構和功能模塊。接下來就數據分類進行了編碼，建立了數據庫。最后對開發環境進行了分析并系統進行了實現同時解決了系統開發工具的關鍵技術。

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Design of universal geotechnical investigation database system based on GIS

MA Qing-lian，GAO Rui-tao，CHEN Xue-jun
（Geological Bureau of Nuclear Industry of Qinghai，Xining 810008，China）

Based on a more comprehensive data storage and want to geotechnical engineering investigation based on a more comprehensive data storage，management and more systematic purpose of more effective communication through characteristic of spatial data and data models，we analyze the purpose and design principles of the system architecture and function module system was constructed to encode the data elements classification while the design of a logic model of the database，and finally the system has been implemented and solved the key technological systems，thus completing the GIS-based General Geotechnical Engineering design survey database system.

GIS；geotechnical engineering；database；spatial data；Visual C

TM933.4

A

1674－6236（2016）15-0119-03

2015-09-10 稿件編號：201509077

馬青蓮（1981—），女，藏族，青海民和人，工程師。研究方向：工程地質勘察。