基于GIS的沙漠地理空間數據庫設計

尹文華，王 旭，張易辰，劉志博，李良英

(1. 蘭州交通大學 土木工程學院，蘭州 730070；2. 寧夏公路勘察設計院有限責任公司，銀川 750001)

空間數據庫是系統描述與特定空間位置相關的真實世界對象(具體參考事物)的數據集合.它以現實世界中實體對象的空間特征為參考，記錄與管理目標對象的空間屬性變化[1-2].目前，空間數據庫已被廣泛用于地理、交通、環境保護等不同專業中[3-6].

國外對地理空間數據庫的研究起步較早，應用范圍十分廣闊，國內學者起初主要將其應用于地質環境數據的管理工作，但隨著計算機科學與現代測繪信息技術的提升，空間數據庫逐漸向多學科屬性數據與空間數據共同管理方向發展[7-8].地理環境數據的研究也在不斷深入，2010年蔡磊等[9]人通過數據庫技術與GIS技術結合，初步構建風沙監測數據庫，定量分析了監測站點的風沙活動；岳慶玲等[10]以騰格里沙漠為背景，建設沙漠東部地區的生態信息數據庫，探究了數據庫中生態管理和效益評估方法.此后，張曉楠[11]通過對地形分析模型的研究，設計了地形分析模型數據庫，可以基本滿足地形分析需要，但研究目標只有地形比較單一，缺乏地理數據庫的多元化屬性.2017年孫小旭等[12]人通過收集科爾沁沙地不同時間遙感影像、DEM等數據，基于GIS空間功能管理柵格和矢量格式數據，建立了沙漠地區的動態數據庫.劉錕銘等[13]又將無人機航拍數據帶入到GIS數據庫中，豐富了地理數據庫的多元性.此外學者們還在沙漠地區沙害形成機理與防護措施、地理空間數據庫的構建及其在鐵路工程中的應用方面開展了相關研究[14-15].但是，目前文獻都是從單方面問題建立數據庫，缺少數據庫中要素多元性與關聯性考慮，不同類型數據間的聯系也存在欠缺.

基于此，本文選擇ArcGIS地理空間數據庫(ArcGIS Geodatabase)作為沙漠地區空間數據庫的建模基礎，借助實際項目工程資料，在自然環境的基礎上豐富研究數據多元性，建立空間對象屬性信息與空間位置二者間的聯系，并利用空間數據庫中分析模塊，檢索氣象數據分析不同季節風沙情況與工程影響，制作不同時期工程專題圖，提高空間數據庫的工程實用性，從而實現不同數據來源、類型、資料格式在同一地理框架體系下的有效融合與分析.

1 構建特殊環境地區空間數據庫原因

1.1 多元要素地理框架統一

特殊環境地區地理要素種類繁多，不同類型數據的展現形式、比例尺等信息存在差異，如氣象站點位置與氣象監測數據分別要在數字地圖和氣象平臺上進行查詢；同一地區不同類型規劃圖的比例不同，需要地理配準后才能疊加顯示.因此為使多元數據地理框架的統一，達到“一張圖”為核心的數據管理體系，利用空間數據庫進行分類、整合、建庫，將各個孤立的信息資源統一進行管理，進而推動資源的分析和互操作能力，有效拉近數據模型與現實世界真實狀況之間的距離.

1.2 不同形態數據關聯與分析

傳統關系型數據庫只能以文字或二維表對數據信息進行記錄，缺少對地理對象進行直觀展示，也就難以從整體上對地理環境進行表達.采用空間數據庫不僅能夠描述空間數據模型的屬性信息，還能依托測站空間位置與屬性信息建立數據信息與空間位置的關聯，使得數據信息不僅是文字上的表達，也是空間上的展示.同時，地理空間數據庫具有分析能力，可以輔助設計人員解決在地理空間中遇到的實際問題，做出更科學的決策.例如沙漠地區空間數據庫可以設置檢索條件篩選氣象數據，從風速、風向對穿沙公路進行沙害分析，它也可用于沙漠工程位置選址，依據適宜原則與定量標準制作緩沖區，再結合數據庫中的其他空間分析，多個圖層疊加生成需要的新要素圖層，以避免工程選址位置對已有空間要素的干擾.這便體現出靈活運用空間數據庫能夠極大提高工作效率與科學性.

因此，在分析特殊環境地區的數據模型建立問題上，選擇ArcGIS Geodatebase設計并構建沙漠地區空間數據庫，對不同類型、不同格式的數據進行統一規劃整理，是作為空間數據庫模型實現數據管理的不二選擇.

2 沙漠地區空間數據庫設計

2.1 ArcGIS Geodatebase模型

地理空間數據庫(Geodatabase)模型是面向對象的地理數據模型，采用關系型數據庫的結構形式實現屬性數據的描述和存儲，能夠更好的使地理模型接近現實事物的表達[16-17].Geodatabase空間數據庫相對以往存儲形式變得更加智能，它不僅能夠儲存以往地理模型的矢量格式數據，還可以描述現實世界的復雜現象，如城市日照模擬[18]、水文分析等，實現單系統下的地理數據統一管理和對現實世界參考對象的有效描述.

2.2 研究區域

騰格里沙漠位于寧夏西北部與內蒙古地區交界，自然環境極其惡劣，沙丘鏈分布錯綜復雜，風沙頻繁，年降雨量不到300 mm，蒸發量卻高達1 500 mm，氣候溫差大，年起風沙次數超過300次.東部位于沙坡頭城鎮居民區與沙坡頭自然保護區接壤.空間數據庫的數據來源主要分為實測數據和調查數據，無人機航拍和氣象數據都是通過現場勘測的實測數據；土地規劃、環境分布信息等數據是查閱已出版或經過統一匯編的書籍資料的調查數據.

2.3 概念模型框架設計

概念模型設計是對數據庫需求信息的綜合分析、歸納.根據沙漠區域所處的地理位置、氣候特征和自然氣象環境特點，從使用角度出發，將沙漠地區空間數據庫模型分為基礎地理信息、環境要素信息、規劃建筑信息、人文要素和非空間屬性信息5個要素數據集及若干要素類，具體設計沙漠地區空間數據庫概念模型框架，如圖1所示.

圖1 數據庫概念模型框架圖Fig.1 Overall design of spatial database in desert area

2.4 物理模型分層設計

為了形成更高效的數據組織形式，在空間數據庫中采用分層設計進行數據框架的構建.數據庫中建立的空間數據需要先根據現實世界的地理信息進行判斷，后通過數據類別進行歸納，形成不同類型要素的圖層，如圖2所示.同時，所有的空間數據層都需要配置相同的坐標系統，以便能夠在同一空間進行數據層的疊加與可視化表達.

1) 背景數據層：在任何一個地理位置都可以通過不同時期的空間數據進行對比分析，展現該區域在時空層面的發展變化.在空間數據庫中加載不同時期拍攝的衛星影像圖和數字高程模型進行對比分析后，選取時間最新的影響圖作為空間數據庫的背景數據層，并且該圖層需要在數據庫中進行地理配準、坐標轉換等工作，以使背景層能與其他圖層正確疊加.

2) 環境數據層：沙漠地區環境較為惡劣，地物等空間數據相對正常環境自然較少.因此在空間數據庫中分別采用點(如測站、地名)、線(如交通線路)、面(如光伏基地、自然保護區)三種要素類對沙漠地區的空間要素進行矢量化處理，展現不同環境要素的空間位置和特征形式.

3) 屬性數據層：屬性數據主要分為兩類，第一種是矢量數據帶有的屬性數據，其被包含在表達空間要素的矢量數據中，例如用面要素在數據庫中表示的自然保護區，包括保護區名稱、面積及特征描述等.第二種是獨立的屬性數據，這類數據屬于本身不帶有空間位置信息，但與空間位置相關的非空間數據，例如沙漠地區的氣候觀測數據，這份數據存入數據庫后可通過關鍵字與圖形數據建立聯系.

圖2 空間數據庫分層結構示意圖Fig.2 Hierarchical structure of spatial database

2.5 邏輯模型設計

Geodatabase建設前期要對地理信息對象進行分類和編碼，以關系表結構形式實現屬性數據的描述和存儲，從而建立表與表之間的關系.如圖3所示對文中上述數據進行邏輯設計構建沙漠空間實體聯系圖(E-R圖)，從而能夠更準確地表達地理對象的屬性信息，方便對空間數據管理應用.

2.6 沙漠地理空間數據庫的建立

空間數據庫的建設分為空間數據和非空間數據兩部分，主要工作有非空間數據的資料收集、數據整理和空間數據的遙感影像采集、地理配準、航拍圖幅拼接、圖形編輯、格式轉換、空間數據與屬性數據的關聯.沙漠地理空間數據庫的建立借助于ArcGIS空間數據管理模塊，按照目錄樹的結構使數據相互關聯，空間數據庫的建立步驟如下：

1) 基于空間數據庫的整體設計結構，定義和創建各類專題數據庫.

2) 以各類專題數據庫為基礎，再在數據庫內部創建相應的子類要素數據集，并對其設置空間參考.

3) 按照子類包含內容，在各個圖層創建要素類.

4) 借助Feature Class to Geodatabase工具，將轉換后數據導入空間數據庫.

圖3 沙漠空間數據庫E-R圖Fig.3 E-R diagram of desert spatial database

3 空間數據庫功能與應用

基于上述設計方法對沙漠地區的空間數據庫建設進行設計.該數據庫基于ArcGIS Geodatabase的技術支持下實現一系列的數據管理、空間分析等功能，具體數據庫功能結構如圖4所示.

3.1 數據瀏覽

該模塊主要實現沙漠地理空間數據的可視化管理，包括地圖實時縮放、場景漫游、空間量測的一些基礎地圖服務功能，以及基于SQL的多樣化數據檢索、圖形查詢屬性信息、遙感影像顯示等功能.并且空間數據庫也具備多種形式的人機交互界面，從而瀏覽不同類型的空間數據，如圖5所示.

3.2 風沙情況分析

風是沙塵暴形成的動力條件,它直接影響著風沙活動的強度.沙漠地區的氣象數據在空間數據庫中可儲存為獨立的屬性數據，記錄不同氣象站點和不同時間的氣象數據.為此在分析沙漠地區氣象條件時，可根據實際需求設置單個或多個限制條件，在滿足邏輯要求下通過編輯SQL語句在氣象數據庫中，查詢任意時間段需要獲取的氣象數據.例如在沙漠1號測站數據庫中查詢騰格里沙漠不同季節的起風情況，查詢結果如圖6所示.

數據庫查詢語句(以夏季為例)：

SELECT FROM ID Table(氣候觀測數據庫)

WHERE：

2020/6/1 00:00<時間<2020/8/31 23:59

圖5 空間數據瀏覽Fig.5 Spatial data browsing

沙漠腹地中的建筑設施在風沙較強的春夏季節容易受到影響，需要及時進行防護.尤其是沙漠公路等狹長工程建筑物，在沿途區域可能經過多處風區，致使積沙嚴重，為此在沙漠空間數據庫調用公路沿途經過氣象站點的風速數據，借助空間數據庫插值工具得到騰格里沙漠高速公路的風速分布圖，如圖7所示.

圖6 氣象數據庫Fig.6 Meteorological Database

圖7 沙漠公路風速分布Fig.7 Wind speed distribution of desert highway

沙漠地區大風活動頻繁，地表植被覆蓋度低，當風速大于3.5 m/s時容易帶起沙粒，形成風沙流等沙害.根據上圖沙漠地區風速分布圖，提前對沙漠公路風速大的區域展開防護與后期排沙作業.

3.3 沙漠地區空間分析

空間分析是對不同地理空間數據的定量研究，通過借助GIS的空間分析技術對地理空間數據處理分析，針對具體情況提取其中所蘊含的潛在信息價值，實現沙漠地區空間要素的分析，如土地利用情況、路網分類、坡度變化等.因此，空間分析的應用體現在根據現有地理情況分析，進而為該地區的城市發展、道路規劃提供輔助決策.

3.4 專題圖制作

專題圖是指對指定需求下的單要素或多要素進行可視化表達，從而便于專題分析.沙漠地區空間數據庫中融合了遙感信息、無人機航拍等多種數據形式，因此，可根據實際需求進行動態專題圖的制作.比如沙漠地區工程建設時期，在數據庫中儲存不同工程階段的無人機航拍，從空間和時間的角度，進行工程動態專題地圖展示，如圖8所示，從而進行施工期階段的空間分析與階段評價.

圖8 沙漠公路建設專題圖Fig.8 Thematic map of desert highway construction

4 結論

結合騰格里沙漠腹地實際工程數據，研究基于ArcGIS Geodatabase沙漠地區空間數據庫的設計與應用，實現背景柵格數據、環境矢量數據、屬性文本數據等多類型數據，在統一地理框架體系下的各影響因素的有效融合和管理，克服傳統關系型數據庫在要素空間關系與分析能力上的缺陷，并對沙漠地區空間數據庫的具體功能與優勢進行討論.

1) 該沙漠空間數據庫不僅考慮了數據的多樣化檢索與存儲功能，又兼顧一般數據庫不具備的各類數據圖像與數據結合調用、空間分析功能.文中數據庫對騰格里沙漠進行多元數據瀏覽、空間分析，制作不同時期的工程建設專題圖，從而反應不同階段的工程情況，更好的為該地區的城市規劃提供輔助決策.

2) 在空間數據庫中檢索騰格里沙漠不同季節氣象數據，發現春夏兩季風速最大，并依據風沙流的形成機理，從風速變化角度分析風沙對公路的影像，得出沙漠公路的風速分布圖，從而對公路風沙預防提出合理建議.

綜上所述，沙漠地理空間數據庫的建立不僅滿足了對多類型數據高效統一管理的需求，又加強了沙漠地區空間數據的可視化能力和分析能力，奠定后期沙漠地區綜合分析與評價基礎，為沙漠地區的工程性建設提供了有力的技術支撐.