城市三維空間地質數據庫建設

賈玉斌 岳紅星 杜彬 黃曉陽 劉兆鑫

摘要：經濟的發展推動了城市現代化建設，城市內部的數據來源越來越廣，種類越來越多，為了進一步了解城市空間地質資源信息，需要構建城市三維空間地質數據庫，傳統的城市三維空間地質數據庫受數據量的限制，調用數據庫內部信息的耗時較長，無法滿足目前的城市建設需求，因此本文設計了新的城市三維空間地質數據庫建設方法。采集城市三維空間數據，構建城市三維空間數據庫模型，設計城市三維空間地質數據庫架構，從而實現城市三維空間地質數據庫建設。實驗結果表明，設計的城市三維空間地質數據庫調用內部資源信息耗時較短，具有省時性，有一定的應用價值，可以作為后續城市建設的參考。

關鍵詞：三維空間數據;地質數據庫;數據庫模型;數據庫架構

一、引言

隨著經濟的發展，城市建設也越來越完善，為了進一步了解城市內部的資源和空間信息，相關研究人員設計了城市地質信息采集系統，該系統可以將三維技術與城市信息相融合，實現城市內部空間數據分析[1]。但隨著城市現代化發展進程加快，城市三維空間數據的來源也越來越廣，數據的格式、種類不統一，且部分數據還具有較強的關聯性，大量數據堆積下，傳統的城市地質信息數據庫面臨著巨大的調整，因此急需設計一種新的城市三維空間地質數據庫[2]。

近幾年，城市三維空間地質數據庫逐漸向服務建設發展，不僅能接收儲存海量的城市三維空間地質數據，還需要滿足用戶的查詢需求，因此對三維數據庫內的查詢算法和空間模型要求越來越高，在設計時也必須要考慮與之相關的服務建設。城市三維空間數據種類較多，來源較廣，不僅包含城市內部的工程信息，還包含著各種各樣的地質信息[3]。實現城市三維地質資料數字化對高效管理城市三維空間地質數據來說十分有利，因此本文設計了新的城市三維空間地質數據庫建設方法，為后續城市三維建設和數字化管理提供參考。

二、城市三維空間地質數據庫建設方法設計

（一）采集城市三維空間數據

本文在MapGis67平臺中構建城市三維空間地質數據庫，為了保證城市三維空間數據庫的建設有效性，首先需要采集城市三維空間數據[4]。傳統的空間地質數據庫在數據采集時主要使用原始的引擎，采集數據的速度較低，采集的效果也較差，本文選取SDE空間數據采集引擎，該空間采集引擎能同時采集不同的異構數據，實現數據共享，最大程度上提高數據信息交流頻率，該引擎使用了SDE程序接口，在數據采集時可以通過API不斷接收采集命令，并使用標準的Transmission Control Protocol完成數據傳輸。

數據采集引擎采集后的數據會通過Map Object、MapGIS、Arc GIS進行處理，傳輸到數據庫中心完成數據分析和空間查詢，該引擎不僅可以實現高效數據空間檢索，還能同時完成數據處理和數據開發，保證空間數據訪問的高效性。除此之外，該引擎的使用范圍較廣，內部含有完整的函數開發數據庫，能全方位實現城市地質空間數據開發，SDE空間數據采集引擎使用MapGIS完成復雜信息探測，如城市的礦產資源信息，地址信息等，為后續的數據庫建設提供有效的技術支持。

在城市三維空間地質數據庫數據采集的過程中，為了進一步提高數據采集的效果，本文設計了數據采集可視化模塊，該數據采集可視化模塊可以實現數據的無縫連接，實現各個水平面數據的可視化。數據采集可視化模塊由Client和Server兩部分組成，首先由外部應用通過SDE API輸入初始數據，轉交到Map DIS客戶端處理，其次再通過TCP＼IP構建服務指令，通過AQL傳輸到RDBMS中，實現空間數據的采集[5]。在數據采集過程中，還可能隨時受到空間地理信息影響，降低信息采集的效果，本文構建的城市三維空間地質數據庫設計了空間分析函數，服務器可以使用空間分析函數傳遞數據請求，實現城市空間地質數據信息的有效采集。

（二）構建城市三維空間數據庫模型

城市三維空間數據庫的性能主要由數據庫內部的數據處理儲存模型決定，因此本文結合上文中采集的城市三維空間數據信息設計了城市三維空間數據庫模型。首先設計數據庫的邏輯模型，本文使用MapGIS K9技術設計了可視化管理模塊，研究了數據可視化關系，設計了數據模型的邏輯層，結合各個基本的數據信息，設計的城市三維空間數據庫模型如下圖1所示。

由圖1可知，該數據庫模型建立在其他數據庫基礎上，為了提高三維空間數據庫的容納性，本文進一步設計了數據庫的物理結構。有效的物流結構對數據庫的儲存功能擴展有重要意義，除此之外，還能提高數據庫內數據的提取速度，因此本文結合數據庫設計的基本邏輯和數據之間的關系，設計了城市三維數據庫物理結構，為提高數據庫的基礎性能作參考。

在城市三維空間地理數據庫模型綜合設計時，本文結合了城市三維數據的應用層次進行了統一設計，構建了標準的目錄樹結構，通過表設計法確定了數據之間的基礎關系，其中地區信息使用METADB_TABLE表儲存，礦種信息使用*_MINIDB表儲存，省級專題使用METADB_TABLE表儲存，不同的關鍵字之間使用MPDB_FDS進行關聯，再通過MINEXID進行數據識別，假設模型應用程序編號為000，此時在數據庫建設時需要使用55010103100726000規則進行編碼記錄，提高數據庫的管理效率。

（三）設計城市三維空間地質數據庫架構

實現城市三維空間地質數據庫建設的最后一步就是設計城市三維空間地質數據庫架構。城市三維空間地質數據庫屬于現代信息系統，因此其架構在設計過程中需要注重基本的設計原則：

第一，需要滿足設計完備性原則，保證設計的數據庫能滿足數據庫數據管理需求，能實現高效數據存取的同時保證數據庫穩定性，最大程度地滿足用戶需求。

第二是實用性原則，設計時需要考慮數據的存儲更新問題，保證設計的數據庫架構滿足系統的長期發展需求，結合數據庫設計先進技術進行設計。

第三需要滿足專業性原則，城市三維空間地質數據庫與地質專業有一定的聯系，因此在設計時也需要準確地應用地質知識。

第四是可維護性原則，為了盡可能降低數據庫的維護成本，設計的數據庫架構需要盡可能滿足維護功能，最后，需要滿足數據庫的高效易用性原則，即設計的數據庫能快速響應用戶，滿足用戶的訪問需求，基于此設計的數據庫架構如下圖2所示。

由圖2可知，本文使用SQL Server設計數據庫架構，整個數據庫內部包括幾個不同的層次，本文使用B＼S進行數據訪問層劃分，即分為數據庫訪問層、邏輯層、顯示層，數據庫內部使用ASP.NET工具進行開發，且使用VRML完成三維建模，為了保證數據庫的顯示功能，本文設計的數據庫使用BS Contact和 JavaScript為三維場景建設提供支持。

在用戶使用數據庫時首先可以通過指定的瀏覽器進入到數據庫訪問界面，然后可以點擊任務觸發按鈕觸發相應的事件，結合業務層內部的功能函數可以對數據庫中的數據進行連接，為了提高整個數據庫的使用性能，本文以數據庫為核心，設計了數據分類查詢模塊，構建了相關的功能劃分函數，進一步滿足數據庫的實際使用需求。

城市三維空間地質數據庫可以看成屬性元素之間的集合，本文使用了上述設計的數據模型，對設計的數據庫架構進行基礎性表達，設計了數據庫之間的連接關系。此時的字段名和字段類型滿足城市三維地質空間數據庫標識需求，可以結合該數據結構表完成城市三維空間地質數據庫的綜合建設。

三、實驗

為了驗證本文設計的城市三維空間地質數據庫建設方法的建設效果，本文搭建了相關的地質數據庫建設平臺，將其與傳統的城市三維空間地質數據庫建設方法進行對比，實驗如下。

（一）實驗準備

本實驗使用C#+Arcengine搭建城市三維空間地質數據庫測試平臺，為了保證該平臺的測試準確性，本實驗為其添加了GIS測試模塊，設計了標準化Arcgis Engine測試框架，Arcgis Engine測試框架內部使用了ArcObject組件進行開發，該架構內部使用GIS組件庫完成組件拼接，測試平臺內部使用C#語言進行程序設計編程，結合.NET、Microsoft共同設計了系統的功能界面，提高了測試平臺的測試效率，增加了測試容錯率。在測試過程中，該平臺設計了模塊劃分規則，制定了標準測試方案，使其最大程度地滿足測試需求，基于此，繪制測試平臺部分架構示意圖，如下圖3所示。

由圖3可知，該測試平臺可以實現數據共享，有助于三維空間地質數據庫建設測試，在測試前，需要進行綜合配置，將數據庫與檢測目錄相連，不斷解釋業務數據庫中的信息，形成檢測業務數據庫，從而提取檢測數據。

業務數據庫內存放了城市三維空間地質數據名稱、實際類別，以及顯示字段，受數據集中顯示作用的影響，可能會產生數據集中問題，需要篩選處理后再存放在業務數據庫中。使用上述選取的業務數據庫，可以進一步構建實驗擴展性模塊，結合國家對數據庫的基礎要求，本實驗使用數據擴展法對現有的檢測數據庫進行擴展，首先篩選功能模塊加載中所需的業務模塊數據，添加到基礎地質解釋主題中，其次勾選數據存放主題，最后進行反向提取，將篩選結果存放到篩選后的地質主題數據庫中，此時可以通過初試測試界面準確地讀取測試數據，提高測試的準確性。為了進一步滿足數據的測試需求，本文對現有的測試模塊進行了伸縮性擴展，首先需要計算伸縮性擴展參數，如下（1）所示。

（1）

公式（1）中，D代表擴展基礎數值，S代表數據總量，使用該擴展性參數，可以進一步解釋用戶的業務需求，設計相關的測試功能，結合字段的伸縮性，可以對現有的數據進行編碼，配置相關的業務數據，降低數據整理難度。

（二）實驗結果與討論

在上述驗準備的基礎上，分別使用本文設計的城市三維空間地質數據庫建設方法和傳統的城市三維數據庫建設方法建設標準字段的傳承是三維空間地質數據庫，檢測兩種方法調用不同字段數據消耗的時間，實驗結果如下表1所示。

由表1可知，本文設計的城市三維空間地質數據庫建設方法調用不同字段數據消耗的時間較短，證明建設的城市三維空間地質數據庫具有省時性，有一定的應用價值。

四、結束語

綜上所述，經濟的發展和城市化建設的進步促使城市內部的資源數據信息越來越多，種類也越來越豐富，傳統的城市三維空間地質數據庫無法滿足目前的城市信息數字化需求，數據信息調用的耗時過長，因此本文結合城市化發展現狀，設計了新的城市三維空間地質數據庫，進行實驗，結果表明，設計的城市三維空間地質數據庫數據信息調用耗時較短，具有省時性，有一定的應用價值，可以作為后續城市現代化發展的參考。

參? 考? 文? 獻

[1]毛寅，曾玉清，賀安生等.城市三維空間地質數據庫多元地學信息的構建法研究——以長株潭城市群核心區為例[J].礦產與地質，2020，34（02）：391-395.

[2]趙由之，李超，陳圓圓.基于多元知識和編圖模型的智能地質編圖技術及其應用[J].地質通報，2021，40（06）：978-987.

[3]賈飛，胡躍亮，王永鋒，等.基于Vulcan軟件的山東萊州留村金礦區三維建模及資源量估值[J].地質與勘探，2022，58（01）：12-23.

[4]姜竹君.對地礦行業圖書資料館館藏資料修復和數據庫建設的建議——以甘肅省地礦局地質資料館為例[J].甘肅地質，2021，30（04）：90-93.

[5]施寶生，楊帆，余璨，等.基于地質統計學的普朗斑巖礦床銅礦化空間結構及品位分布規律研究[J].昆明理工大學學報（自然科學版），2021，46（06）：44-57.

作者單位：賈玉斌? ? 岳紅星? ? 杜彬? ? 黃曉陽? ? 北京世紀安圖數碼科技發展有限責任公司

劉兆鑫? ? 四川省地質調查院

賈玉斌（1989-），男，漢族，遼寧朝陽，本科，工程師，研究方向：地質礦產勘查工作，現從事自然資源政務管理系統開發、建庫等工作。