第五章GIS數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)安聰榮地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)5.1數(shù)據(jù)庫(kù)概述

5.1.1數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方式的變革在數(shù)據(jù)庫(kù)階段程序和數(shù)據(jù)間的聯(lián)系

文件系統(tǒng)階段信息處理的傳統(tǒng)方式數(shù)據(jù)庫(kù)階段信息處理方式的演變

5.1.2數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的基本步驟需求收集和分析設(shè)計(jì)概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)邏輯結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)，性能預(yù)測(cè)物理實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)性運(yùn)行使用、維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)需求分析階段概念設(shè)計(jì)階段邏輯設(shè)計(jì)階段物理設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)施階段數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行維護(hù)階段應(yīng)用需求(數(shù)據(jù)、處理)轉(zhuǎn)換規(guī)則、DBMS功能、優(yōu)化方法應(yīng)用要求DBMS詳細(xì)特征不滿意不滿意業(yè)務(wù)流程圖確定系統(tǒng)范圍數(shù)據(jù)流圖數(shù)據(jù)字典等用E-R圖（局部、全部）描述的概念模型某種數(shù)據(jù)模型并優(yōu)化存儲(chǔ)安排方法選擇存取路徑建立編寫(xiě)模式數(shù)據(jù)裝入數(shù)據(jù)庫(kù)試運(yùn)行性能檢測(cè)、轉(zhuǎn)儲(chǔ)/恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)重組和重構(gòu)過(guò)程迭代、逐步求精的設(shè)計(jì)思想下一節(jié)規(guī)劃階段規(guī)劃階段系統(tǒng)調(diào)查5.2地理數(shù)據(jù)模型發(fā)展隨信息技術(shù)的不斷發(fā)展,地理信息系統(tǒng)軟件已經(jīng)歷了三代地理數(shù)據(jù)模型,即CAD數(shù)據(jù)模型、Coverage/shapefile數(shù)據(jù)模型和GeoDatabase數(shù)據(jù)模型。5.2.1CAD數(shù)據(jù)模型CAD數(shù)據(jù)模型起源于60～70年代,它是通過(guò)點(diǎn)、線、面將地理數(shù)據(jù)存貯在二進(jìn)制文件中,存儲(chǔ)少量屬性信息。地圖圖層和注記標(biāo)注是基本的屬性描述。由于它缺乏對(duì)屬性數(shù)據(jù)的支持,且空間數(shù)據(jù)不是存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中,所以給GIS軟件開(kāi)發(fā)和GIS數(shù)據(jù)共享都帶來(lái)了困難。5.2.2Coverage數(shù)據(jù)模型Coverage數(shù)據(jù)模型(也稱(chēng):地理關(guān)系模型)源于1981年ESRI公司推出的第一個(gè)商業(yè)GIS軟件——ArcInfo。此模型比CAD數(shù)據(jù)模型有了較大的改進(jìn)。Coverage數(shù)據(jù)模型的優(yōu)勢(shì)ARC/INFO的Coverage數(shù)據(jù)模型，則通過(guò)以下兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，確立了它在此后近二十年的時(shí)間里的空間數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)的地位空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)?？臻g數(shù)據(jù)放在建立了索引的二進(jìn)制文件中，屬性數(shù)據(jù)則放在DBMS表（TABLES）里面，二者以公共的標(biāo)識(shí)編碼關(guān)連。矢量數(shù)據(jù)間的拓?fù)潢P(guān)系得以保存。由此拓?fù)潢P(guān)系信息，我們可以得知多邊形是哪些弧段（線）組成、弧段（線）由哪些點(diǎn)組成、兩條弧段（線）是否相連以及一條弧段（線）的左或右多邊形是誰(shuí)？Coverage數(shù)據(jù)模型的不足1、它將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ);2、要素是以統(tǒng)一的行為聚集的點(diǎn)、線和面的集合，空間數(shù)據(jù)不能很好地與其行為相對(duì)應(yīng)。以文件方式保存空間數(shù)據(jù)，而將屬性數(shù)據(jù)放在另外的DBMS系統(tǒng)中。這種方式對(duì)于日益趨向企業(yè)級(jí)和社會(huì)級(jí)的GIS應(yīng)用而言，已很難適應(yīng)。海量數(shù)據(jù)的管理、并發(fā)操作、安全控制和訪問(wèn)效率等，都為GeoDatabase的出現(xiàn)創(chuàng)造了好的環(huán)境。5.2.3ShapefileShapefile:一種基于文件方式存儲(chǔ)GIS數(shù)據(jù)的文件格式。至少由.shp,.dbf,.shx三個(gè)文件作成，分別存儲(chǔ)空間，屬性和前兩者的關(guān)系。是GIS中比較通用的一種數(shù)據(jù)格式。Shapefile多邊形對(duì)于共享邊界實(shí)際上有重復(fù)弧段且可彼此重疊，不同于Coverage所用的多個(gè)文件，它用幾何學(xué)性質(zhì)存儲(chǔ)兩個(gè)基本文件：以.shp為擴(kuò)展名的文件存儲(chǔ)要素幾何學(xué)特征；以.shx為擴(kuò)展名的文件保留要素幾何特征的空間索引。5.2.4Geodatabase數(shù)據(jù)模型概述ArcInfo發(fā)展到ArcGIS時(shí)候推出的一種數(shù)據(jù)格式，一種基于RDBMS存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)格式，其有兩大類(lèi)：1.PersonalGeodatabse用來(lái)存儲(chǔ)小數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在Access的mdb格式中。2.ArcSDEGeodatabse存儲(chǔ)大型數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在大型數(shù)據(jù)庫(kù)中Oracle,SqlServer,DB2等?？梢詫?shí)現(xiàn)并發(fā)操作，不過(guò)需要單獨(dú)的用戶許可。5.3ArcCatalog與GeodatabaseArcCatalog是Geodatabase的管理工具，用ArcCatalog能夠很方便的看到和管理Geodatabase的內(nèi)容ArcCatalog是ArcGIS軟件家族中桌面版軟件的一個(gè)應(yīng)用程序5.4Geodatabase數(shù)據(jù)模型的幾個(gè)概念1對(duì)象類(lèi)(ObjectClass)。在Geodatabase中,對(duì)象類(lèi)是一種特殊的類(lèi),它沒(méi)有空間特征,其實(shí)例為可關(guān)聯(lián)某種特定行為的表記錄。2要素類(lèi)(FeatureClass)。地理要素類(lèi)是具有相同屬性集、相同行為和規(guī)則的空間對(duì)象的集合,如:河流、道路、植被、用地、電纜等。對(duì)象類(lèi)3要素?cái)?shù)據(jù)集(FeatureDataset)。要素?cái)?shù)據(jù)集是具有相同空間參考系(SpatialReference)的要素類(lèi)集合。將不同的要素類(lèi)放到一個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)集下的理由可能很多,但一般而言,有以下三種情況下:·專(zhuān)題歸類(lèi)表示——當(dāng)不同的要素類(lèi)屬于同一范疇?！?chuàng)建幾何網(wǎng)絡(luò)(GeometricNetwork)——在同一幾何網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)連接點(diǎn)和邊的各種要素類(lèi),須組織到同一要素?cái)?shù)據(jù)集中。·考慮平面拓?fù)?Planartopologies)——共享公共幾何特征的要素類(lèi),如:用地、水系、行政區(qū)界等。4關(guān)聯(lián)類(lèi)(RelationshipClass)。定義兩個(gè)不同的要素類(lèi)或?qū)ο箢?lèi)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。例如:我們可以定義房主和房子之間的關(guān)系,房子和地塊之間的關(guān)系等。5.5建庫(kù)技術(shù)流程——以黃土地區(qū)公路高邊坡信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)為例這一部分將通過(guò)建立黃土地區(qū)公路高邊坡信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)詳細(xì)描述整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立過(guò)程。整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立過(guò)程可以用下圖概括：黃土地區(qū)公路高邊坡防護(hù)決策支持系統(tǒng)，是按照決策支持系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)，以ArcGIS為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)出來(lái)的專(zhuān)業(yè)型應(yīng)用空間決策支持系統(tǒng)。它提供了在黃土地區(qū)進(jìn)行公路高邊坡防護(hù)決策時(shí)的空間信息化解決方案。整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)管理、庫(kù)管理、數(shù)據(jù)顯示管理、查詢與檢索、科學(xué)計(jì)算、結(jié)果輸出等幾大部分組成。5.5.1需求分析5.5.1.1系統(tǒng)功能結(jié)合黃土地區(qū)地質(zhì)、環(huán)境特點(diǎn)以及高速公路邊坡工程實(shí)際情況，依托GIS系統(tǒng)強(qiáng)大的空間分析能力和圖像功能，以研究區(qū)域的地形、地貌、水文、地質(zhì)等的空間圖形數(shù)據(jù)和工程屬性數(shù)據(jù)為計(jì)算分析基礎(chǔ)，依據(jù)邊坡類(lèi)型及設(shè)計(jì)原理，建立正確可靠的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行科學(xué)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及防護(hù)設(shè)計(jì)決策。本系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能：（1）空間數(shù)據(jù)的管理（2）模型計(jì)算與分析（3）邊坡防護(hù)決策（4）分析結(jié)果輸出系統(tǒng)功能組織結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)管理與維護(hù)模型庫(kù)公路高邊坡防護(hù)決策支持系統(tǒng)數(shù)據(jù)編輯、更新數(shù)據(jù)查詢數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理權(quán)限地下水位預(yù)測(cè)模型土層變形量預(yù)測(cè)模型場(chǎng)地烈度模型穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型災(zāi)害預(yù)測(cè)模型屬性信息庫(kù)空間圖形信息庫(kù)數(shù)據(jù)采集實(shí)地調(diào)查工程地質(zhì)信息公路路線及文檔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料氣象水文資料地形地貌資料植被覆蓋資料黃土類(lèi)型資料社會(huì)交通資料基礎(chǔ)地質(zhì)資料邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與防護(hù)設(shè)計(jì)決策統(tǒng)計(jì)分析方法子庫(kù)灰色系統(tǒng)方法子庫(kù)優(yōu)化分析方法子庫(kù)方法庫(kù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主界面5.5.2數(shù)據(jù)源分析公路邊坡防護(hù)涉及的內(nèi)容多，信息量大，且來(lái)源廣泛，可稱(chēng)為多源數(shù)據(jù)。研究地段的地形圖航攝像片遙感像片地質(zhì)填圖等圖片或圖形資料邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的參數(shù)以文字形式存在的各種調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料（如區(qū)域性地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造、氣候特征、降水量、地下水狀況、植被、交通狀況等）公路的平面、縱斷面、橫斷面設(shè)計(jì)及施工竣工資料（包括線路線型、里程、坐標(biāo)、邊坡及支擋結(jié)構(gòu)物等）總的來(lái)說(shuō)，這些信息的基本形式包括3種，即圖形（如地形圖）、圖像（如遙感像片）和文字?jǐn)?shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)分組5.5.3平臺(tái)及數(shù)據(jù)模型選擇ArcCatalogGeodatabaseDotnet5.5.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.5.4.1概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）實(shí)體關(guān)系圖邊坡點(diǎn)公路樁點(diǎn)工程防護(hù)邊坡剖面面邊坡剖面線邊坡注記一條公路具有多個(gè)邊坡點(diǎn)一條公路具有多個(gè)樁點(diǎn)一個(gè)邊坡點(diǎn)剖面圖具有一個(gè)或多個(gè)地層注記一個(gè)邊坡點(diǎn)對(duì)應(yīng)剖面圖具有一條邊坡剖面線或多條地層分界線一個(gè)邊坡點(diǎn)對(duì)應(yīng)剖面圖具有一種或多種類(lèi)型地層剖面一個(gè)邊坡點(diǎn)對(duì)應(yīng)一種或多種工程防護(hù)存在存在包括（2）屬性數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中的各數(shù)據(jù)集根據(jù)其用途和專(zhuān)業(yè)性質(zhì)邏輯上分為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)專(zhuān)題數(shù)據(jù)、公路專(zhuān)題數(shù)據(jù)和邊坡專(zhuān)題數(shù)據(jù)四大類(lèi)。每類(lèi)又包括若干個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)集，每個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)集又包含若干要素類(lèi)。（3）類(lèi)概括第一為基礎(chǔ)地理要素類(lèi)：該類(lèi)中包括了主要的基礎(chǔ)地理信息要素，如水系、居民點(diǎn)、鐵路、行政區(qū)劃等。該類(lèi)別的作用有兩個(gè)，一是為其它要素類(lèi)提供地理參考背景，為對(duì)其它地理要素的空間查詢提供依據(jù)；二是制圖與打印輸出的需要。第二為基礎(chǔ)專(zhuān)題要素類(lèi)：該類(lèi)中包括了主要的與邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、邊坡防護(hù)決策相關(guān)的各專(zhuān)業(yè)要素如植被、氣象、地貌、基礎(chǔ)地質(zhì)等。因?yàn)檫@些要素與邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、邊坡防護(hù)決策密切相關(guān)，故對(duì)其屬性數(shù)據(jù)要求較高。第三為公路專(zhuān)題要素類(lèi)：包括公路網(wǎng)、樁點(diǎn)、邊坡點(diǎn)三個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)集，通過(guò)公路將樁點(diǎn)、邊坡點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，樁點(diǎn)、邊坡點(diǎn)可在較大的比例尺（如1：10萬(wàn)）下顯示。邊坡點(diǎn)的一些全局屬性可與此直接聯(lián)結(jié)。第四為邊坡專(zhuān)題要素類(lèi)：包括邊坡區(qū)地形、邊坡剖面等，目的在于表現(xiàn)邊坡區(qū)的空間要素。5.5.4.2邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.5.4.3物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)在物理設(shè)備上的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與存取方法稱(chēng)為數(shù)據(jù)庫(kù)的物理結(jié)構(gòu)，它依賴(lài)于給定的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，為一個(gè)給定的邏輯數(shù)據(jù)模型選取一個(gè)最合適應(yīng)用要求的物理結(jié)構(gòu)的過(guò)程，就是數(shù)據(jù)庫(kù)的物理設(shè)計(jì)。5.5.5建立Geodatabase5.5.1建立Geodatabase的方法主要使用兩種建立GEODATABASE的方法1、直接創(chuàng)建新的Geodatabase2、使用CASE工具創(chuàng)建Geodatabase2.3.1直接創(chuàng)建新的Geodatabase這種情況是在沒(méi)有所需要的數(shù)據(jù)，或所需要的數(shù)據(jù)只有很少一部分。在這種情況下可以用ARCCATALOG中的工具創(chuàng)建要素?cái)?shù)據(jù)集，幾何網(wǎng)絡(luò)，要素類(lèi)和數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)部其他的條目，ARCCATALOG中提供了一整套創(chuàng)建和管理GeoDatabase條目的工具。(1)首先要建立一個(gè)新的個(gè)人Geodatabase（2）建立新的要素?cái)?shù)據(jù)集建立一個(gè)新的要素?cái)?shù)據(jù)集（FEATUREDATASETS），必須定義其空間參考，包括確定其坐標(biāo)系統(tǒng)（地理坐標(biāo)-ProjectedCoordinateSystem和投影坐標(biāo)-GeographicCoordinateSystem），坐標(biāo)域（x,y,z,m值和精度）,關(guān)于空間參考的定義在定義坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)可以選擇預(yù)先定義的坐標(biāo)系，使用已有要數(shù)據(jù)集的坐標(biāo)系統(tǒng)或獨(dú)立要素類(lèi)的坐標(biāo)系統(tǒng)作為模板，或自己定義：用預(yù)定義的坐標(biāo)系統(tǒng)建立要素?cái)?shù)據(jù)集：地理坐標(biāo)系統(tǒng)用一個(gè)三維的球面來(lái)確定地物在地球上的位置，地面點(diǎn)的地理坐標(biāo)有經(jīng)度、緯度、高程構(gòu)成。地理坐標(biāo)系統(tǒng)與選擇的地球橢球體和大地基準(zhǔn)面有關(guān)。橢球體定義了地球的形狀，而大地基準(zhǔn)面確定了橢球體的中心。其中AngularUnit：Degree（0.017453292519943299）這行信息描述了該坐標(biāo)系統(tǒng)的單位，此處為度。Datum:D_Beijing_1954這行信息描述了坐標(biāo)系統(tǒng)的大地基準(zhǔn)面，此處為北京1954大地基準(zhǔn)面，其坐標(biāo)原點(diǎn)在原蘇聯(lián)西部的普爾科夫。后面幾行信息描述了橢球體的參數(shù)，包括長(zhǎng)、短半軸長(zhǎng)度以及偏心率。投影坐標(biāo)系統(tǒng)投影坐標(biāo)系統(tǒng)是根據(jù)某種映射關(guān)系，將地理坐標(biāo)系統(tǒng)中由經(jīng)緯度確定的三維球面坐標(biāo)投影到二維的平面上所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)。其中Projection:Gauss_Kruger這行描述了投影的類(lèi)型，表示當(dāng)前投影為高斯-克呂格投影。False_Easting:500000.000000表示坐標(biāo)縱軸向西移動(dòng)了500km，這樣做是為了保證在該投影分帶中所有x值都為正。False_Northing:0.000000表示橫軸沒(méi)有發(fā)生位移。Central_Meridian:99.000000表示中央經(jīng)線位于經(jīng)度為99度的位置。LinearUnit:Meter(1.000000)表示在該投影下坐標(biāo)單位為m。GeographicCoordinateSystem:以下描述了投影源的地理坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)?？梢?jiàn)每一個(gè)投影坐標(biāo)系統(tǒng)都必會(huì)由一個(gè)地理坐標(biāo)系統(tǒng)投影轉(zhuǎn)化而成的。圖元編碼執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13923-2006。代碼采用6位十進(jìn)制數(shù)字碼，分別為按數(shù)據(jù)順序排列的大類(lèi)、中類(lèi)、小類(lèi)和子類(lèi)碼，具體代碼結(jié)構(gòu)如下：（1）左起第一位為大類(lèi)碼；（2）左起第二位為中類(lèi)碼，在大類(lèi)基礎(chǔ)上細(xì)分形成的要素類(lèi)；（3）左起第三、四位為小類(lèi)碼，在中類(lèi)基礎(chǔ)上細(xì)分形成的要素類(lèi)；（4）左起第五、六位為子類(lèi)碼，在小類(lèi)基礎(chǔ)上細(xì)分形成的要素類(lèi)。要素類(lèi)和要素?cái)?shù)據(jù)集編碼約定

要素類(lèi)和要素?cái)?shù)據(jù)集編碼約定：為規(guī)范數(shù)據(jù)管理和方便數(shù)據(jù)存取，對(duì)數(shù)據(jù)集的標(biāo)識(shí)進(jìn)行統(tǒng)一編碼，編碼為7位字符串等長(zhǎng)編碼，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。各位的代表意義及編碼方法如下：類(lèi)別碼數(shù)據(jù)集碼數(shù)據(jù)類(lèi)型碼擴(kuò)展碼類(lèi)別：1位大寫(xiě)字母，用以標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)集的類(lèi)別，現(xiàn)有四個(gè)類(lèi)別及代表字母為：基礎(chǔ)地理要素類(lèi)—A基礎(chǔ)專(zhuān)業(yè)要素類(lèi)—B公路專(zhuān)題要素類(lèi)—C邊坡專(zhuān)題要素類(lèi)—D 以后如有必要添加要素類(lèi)別，可依次按字母順序繼續(xù)編碼，最多可以有26個(gè)類(lèi)別。要素?cái)?shù)據(jù)集碼：3位數(shù)字組合，用以表示數(shù)據(jù)集。從001開(kāi)始，最大為999，000為保留值。各數(shù)據(jù)集的編碼見(jiàn)編碼表。數(shù)據(jù)類(lèi)型：2位大些字母組合，用以表示數(shù)據(jù)集的類(lèi)型。數(shù)據(jù)集的類(lèi)型以及表示字母見(jiàn)下表：數(shù)據(jù)集類(lèi)型多面要素面狀要素線狀要素點(diǎn)狀要素多點(diǎn)要素注記要素柵格數(shù)據(jù)光柵數(shù)據(jù)TIN數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符RGPLLNPTMPANGDIMTDTB擴(kuò)展碼：