基于多源數據集成的松嫩平原土地資源空間數據倉的設計

摘要：以數字地球科學和數據倉理論為指導，以3S技術、環境模擬技術和計算機編程技術為手段，根據空間信息與非空間信息在地理單元和空間上的存儲特征，建立了基于域和對象的公共數據模型，繼而構建了不同專屬性的空間數據庫。以此為基礎，通過應用空間數據引擎和空間數據操作對象，首次對面向應用的松嫩平原土地資源空間數據倉進行了分析與設計。

關鍵詞：空間數據倉；多源數據集成；土地資源；松嫩平原

中圖法分類號：TP311文獻標識碼：A

文章編號：1001－3695(2006)09－0155－05

隨著以3S（GIS，RS和GPS）為主的現代信息科學技術的廣泛應用，在土地利用/土地覆蓋、土地資源動態變化與監測、土地退化、土地資源評價以及土地利用規劃等方面積累了大量的非空間和空間信息資源[2~4]。加上近二十年來GIS軟件技術的不斷發展，空間數據異構性的現象越來越普遍[5]，這為空間數據的共享和集成研究帶來了較大困難。如何充分、全面地利用這些土地資源信息，是GIS應用中亟待解決的問題。近幾十年來，由于干暖化的異常氣候和人類對耕地、草地和濕地等土地資源的過度開發利用，松嫩平原的生態環境逐漸退化，土地生態系統受到較大破壞[1]。因此，對松嫩平原的土地資源進行全面、深入和系統的研究已經成為保障該區土地安全生產和區域可持續發展的關鍵。

1研究區概況

松嫩平原位于東經119°45′~129°36′，北緯42°50′~49°18′，它是我國最大的平原之一。該區地處中國濕潤季風區與干旱內陸區之間的過渡帶，為氣候變化敏感區[6]，土壤以黑土、黑鈣土、草甸土、風沙土、鹽堿土等為主。由于干暖化的異常氣候和過墾、過牧等人類劇烈的經濟活動，導致了土地退化，土地生產力的下降，區域生態安全受到嚴重威脅。

為了響應我國振興東北的戰略，使松嫩平原地區走上社會經濟與生態環境協調發展的道路，在保護生態環境的基礎上，科學合理地利用土地資源就顯得異常重要。當前，人們對松嫩平原的景觀生態、土地退化、水土流失等問題進行了一系列的研究，積累了大量的、多層次的土地資源信息。由于這些信息在來源、時相、尺度以及屬性等方面存在較大差異，限制了多源信息的綜合和集成應用。就松嫩平原來說，目前還沒有一個集土地資源信息的采集、存儲、管理、分析和應用于一體的空間信息管理系統。這種狀況使得在進行松嫩平原土地資源的綜合研究時缺少豐富的數據支持，在進行松嫩平原土地資源的宏觀決策時缺乏技術支持和咨詢服務，并在一定程度上延緩了國家空間基礎設施建設的進程。因此，在多源數據集成的基礎上，建立松嫩平原土地資源的空間信息管理系統意義重大，而進行空間數據倉的設計與構建是實現該系統的關鍵。

2空間數據倉

隨著信息處理技術的發展，各類信息數據急劇增長，給數據的傳輸、存儲帶來許多新問題，特別是傳統數據庫在決策支持功能方面存在較大弊端。數據庫能滿足決策支持功能的這一需求使得在20世紀80年代中后期出現了數據倉思想的萌芽[7]。1992年，W.H.Inmon正式提出了數據倉（DataWarehouse）的概念。數據倉是一個作為決策支持系統和聯機分析應用數據源的結構化數據環境，數據倉所要研究和解決的問題就是從數據庫中獲取和應用信息[8]。數據倉的概念一經提出，便在金融、電信、保險等領域得到廣泛的關注和應用。在美國等一些發達國家，數據倉已成為互聯網之后的又一技術熱點[9]。

伴隨近年來GIS技術的飛躍發展，對海量空間數據進行高效存儲、管理和應用也提到了議事日程。目前，空間數據庫與應用系統之間是一種松散的關系，缺乏通用性強、效率高的接口，應用系統無法方便、高效地通過一個統一模式從多個空間數據庫中提取單一或綜合性的地理空間數據，這降低了海量空間信息的組織和決策支持的效率[11]。由于數據倉具有面向主題、集成性和時態性的特征[12]，它不僅適用于處理海量商業數據，還適用于存儲、管理巨量的GIS數據，即空間數據。空間數據倉是GIS與數據倉相結合的產物，它是在傳統空間數據庫的基礎上，利用元數據技術、數據庫技術、GIS技術、網絡技術等對海量的地理信息數據進行集成、管理、查詢、關聯、分析、發布以及應用的綜合系統[13]。研究空間數據倉的目的就是實現對分散、獨立的多種地理空間數據庫進行統一集成和管理，從多維角度進行分析，得到輔助決策分析信息，滿足用戶對空間輔助決策支持的需求。與傳統的空間數據庫相比，空間數據倉在海量數據的集成、計算分析以及對歷史數據庫的決策分析等方面更加擅長，主要表現在：①數據的集成性較好，對不同格式的數據通過一定的技術方法（中間件等）進行統一轉換存儲；②能高效處理歷史數據，動態地反映地理信息所描述對象的特征；③人機協作性強，能實時響應用戶的要求來進行數據的存儲、管理和傳輸[14]。在進行大區域、多元化、多尺度的空間信息管理時，空間數據倉可以解決多源數據集成和空間數據的高效管理兩大問題，從而彌補了傳統空間數據庫管理效率低、兼容性差和決策支持功能弱等的不足。

空間數據倉是一項涉及范圍廣、體系龐雜的系統工程，其體系結構的成功創建依賴相關的關鍵技術的支持，主要包括數據倉技術、元數據技術、數據庫技術、GIS技術、應用服務器技術、網絡技術、空間數據聯機分析與互操作、數據挖掘等等[15]。因此，目前國內外有關空間數據倉的研究基本上是處于組件研究和框架設計的起步階段，在組件研究中多為針對空間數據倉構建過程中的某個關鍵問題進行深入研究，如元數據管理與標準化、空間數據集成、空間數據挖掘等。而能夠真正為數字地球建設提供空間決策支持的空間數據倉系統目前還并未形成。有鑒于此，本文以土地資源這一具有明顯空間特征的信息為切入點，以多源空間數據集成為手段，提出了構建松嫩平原土地資源空間數據倉（SpatialDataWarehouseofLandResourceinSongnenPlain，SDLR）的設計方案，該方案可為最終建立空間數據倉的原型系統提供方法基礎和重要參考。

3研究方法

3．1數據源

松嫩平原土地資源空間數據倉是在多源數據集成的基礎上，對松嫩平原多時相、多目標、多尺度的海量土地資源信息進行存儲、查詢、管理、分析與應用的一個綜合系統，其數據來源包括空間數據、屬性數據兩部分。其中，空間數據包括松嫩平原1989年、1996年和2001年三期的LandsatTM、ETM衛星遙感數據，2002—2004年6月份的MODIS數據以及研究區的土地利用、土壤類型等矢量數據；屬性數據是與上述空間數據相關聯的描述、圖形、數字和文字等信息，這些信息具有分布式層次結構特征，是表現歷史和具有實時性特征的說明數據，它是空間數據在具體層次上的有效補充和說明。

3．2數據預處理

我們分別在ErdasImagine8.7和ENVI4.0軟件平臺上對TM（ETM+）和MODIS衛星數據進行圖像增強、濾波匹配等預處理[16，17]，進而對遙感衛星影像進行解譯和編碼。對于不具備空間屬性的專題地圖，如研究區不同年份的1∶100000地形圖、地貌分區圖等進行矢量化、配準、拓撲、編碼等一系列的處理，最后生成具備空間坐標系統的Coverage文件。對于大量說明性和描述性的屬性信息，我們依據描述對象編碼的不同，對這些信息添加一個識別型SpatialID字段，這個字段與描述對象的空間特征相匹配。隨后，應用ESRIArcMap和Arc/Info軟件平臺進行圖形疊加、信息挖掘和數據統計，建立由基礎地理信息、土地資源專題信息、社會經濟統計信息和實驗分析信息組成的松嫩平原土地資源空間數據庫。其中基礎地理信息主要包括高程、水系湖泊、地理坐標、行政邊界及各土地類型的面積等；土地資源專題信息主要包括土地利用現狀、土地資源動態變化、地質構造、農業氣象、土壤類型、植被指數等；社會經濟統計信息主要包括人口、投入產出比、農牧業產值等；實驗分析信息包括土壤含水量，容重，N，P，K含量及有機組成等。這些多源信息為進行以綜合性空間分析、分析結果可視化為目標的松嫩平原土地資源空間數據倉的構建提供數據支持。

3．3研究方案

在構建SDLR時將采取數據集成—數據接口—數據操作對象相互繼承、循序漸近的方案。該方案由三部分組成：①根據土地資源信息的特點和結構建立多源數據集成模型，對土地資源信息進行統一、集成管理；②確定SDLR的組成結構，并配置空間數據的引擎接口與元數據管理方式；③通過對空間數據操作對象的編程，使空間數據能夠在底層空間數據庫與應用程序間實現傳輸與共享，從而實現數字產品的開發。

4多源數據集成

我們采用多種軟件平臺，從不同格式的衛星數據、不同種類的專題圖件、野外考察數據以及室內測試中獲取了松嫩平原土地資源的巨量信息，這些信息分屬不同的時空和尺度維，雖然建立了各專題空間數據庫，但無法實現最基本的空間數據共享支持。所以，進行多源數據的集成十分必要。多源數據的集成涉及到空間數據的格式、結構等方面，要構建一個統一的適合于任何情況的空間數據集成的框架是十分困難的，目前空間數據的集成主要停留在理論探討的階段。本文擬進行的空間數據集成主要是應用現有GIS數據加工套件對土地資源數據進行分階段、分層次的加工處理，進而對存儲在空間數據庫中的數據進行融合與集成。

4．1多源數據集成的方式

目前在國際上應用較多的多源數據集成方式包括以下三種模式[5]：①數據轉換模式。以某種GIS數據格式，如Arc/Info的E00，AutoCAD的DXF，ArcView的Shape，MapInfo的MIF格式等為標準來進行數據轉換。這種方法簡單易行，但缺乏對空間對象統一的描述。不同數據格式采用的數據模型不

同，轉換以后不能完全準確地表達原數據的信息，容易造成信息丟失，而且對用戶的編程能力及工作量要求都很高，不利于多源數據的集成。②數據互操作模式。將計算機軟件領域的非空間數據處理標準成功地應用到空間數據上，但它的應用前提是使用OpenGIS協議規定的空間數據服務軟件和空間數據標準格式，對于非OpenGIS標準的空間數據的處理辦法還缺乏標準和規范[18]。③直接數據訪問模式。它是指在一個軟件中實現對其他軟件數據格式的直接訪問，用戶可以使用單個GIS軟件存取多種數據格式。目前使用直接數據訪問模式實現多源數據集成的GIS軟件主要有Intergraph的GeoMedia和中國科學院地理信息產業發展中心研制的SuperMap。但是，直接數據訪問模式必須建立在對主體軟件的數據格式有充分了解的基礎之上，因此為了獲得對該數據格式的直接訪問，客戶軟件就不得不投入大量的人力和財力去研究主體軟件的數據格式，限制了軟件的可擴展性，并浪費了大量人力物力。

可以看出，數據轉換模式的通用性差，不宜用于巨量多源數據的集成；數據互操作模式的移植性較好，但兼容性差；直接數據訪問模式兼容性和通用性都很強，但開發難度大、擴展性較差。有鑒于此，本文以直接數據訪問模式的數據處理方法和流程為依據，構建一種新型的公共數據模型來實現對多源數據的高效集成。

4．2公共數據模型的建立

在空間數據庫中，數據模型可以分為基于域的模型和基于對象的模型。基于域的模型是將區域地理單元視為一個從空間網格到空間屬性的數據函數，它適合表達連續的空間特征；而基于對象的模型可將區域地理單元視為可標志的離散型空間參數對象，它適合表達不連續的空間特征[19]。因此，我們可以建立一個基于域和基于對象的復合公共數據模型來進行多源數據的集成研究，以此來解決空間數據與非空間數據、不同分辨率以及不同尺度等信息的集成問題，同時還可以克服各種GIS數據格式轉換和訪問帶來的種種問題。

建立公共數據模型最理想的方案是在一個軟件中實現對多種GIS數據格式的直接訪問。然而由于非空間數據的存在，GIS數據并不能包含全部土地資源信息。因此，在建立公共數據模型時必須從土地資源信息的分類入手（如幾何值、空間分布、參數和環境數據等），重新進行數據編碼和屬性類匹配。這里運用中間件的方式來實現域和對象的匹配。按照IDC（InternetDynamicsCorp）的定義，中間件是一種介于操作系統和應用軟件之間可復用的基礎軟件層，它是一個獨立的系統軟件或服務程序，該類插件由各類軟件開發人員或用戶編程獨立完成[11]。ESRI公司推出的空間數據引擎ArcSDE可為本研究提供基礎軟件層支持。具體的工作流程為：①根據信息的空間屬性和幾何特征的差異對遙感監測、野外考察、室內分析、專題圖矢量化及CAD成果等多源信息進行ID編碼標志；②對多源信息進行空間實體對應關系的分析，將非空間信息劃分為點、線、面三個屬性類，進而建立反映信息基本特征（對象、特征和關系）的模型實體；③將模型實體的參數、數據特征與ID編碼相對應的空間信息進行匹配；④通過ArcSDE空間數據引擎實現域空間信息模型和對象空間信息模型的結構集成以及應用[20]。通過中間件模式來建立公共數據模型的流程如圖1所示。

5空間數據倉設計

松嫩平原土地資源空間數據倉的主要功能就是要實現對多源、分散和獨立的土地資源地理空間數據庫進行統一的集成和管理，并按照相應的空間數據查詢主題獲得土地資源相關的多種空間數字產品；再根據用戶需求，通過環境評價、預測、仿真和優化等模型對這些專題信息進行檢驗、模擬和輸出，進而可從多維的角度對松嫩平原土地資源進行綜合分析，以滿足土地資源空間輔助決策的需求。在多源數據集成的基礎上，為達到上述目標，本文從空間數據倉的結構、元數據管理和數字產品開發三個方面說明空間數據倉的構建過程和主要應用方向。

5．1空間數據倉結構

空間數據倉是儲存和管理空間數據的一種組織形式，其物理實質是計算機存儲數據的系統，由于使用目的不同，其存儲的數據在質和量以及前端分析工具上與傳統GIS應用系統有所不同[21]。SDLR的結構由底層空間數據庫、空間數據存儲管理和應用分析工具三部分所組成，其體系結構如圖2所示。

①SDLR的數據源是上述各土地資源空間數據庫，數據庫的核心結構采用對象關系型，用戶的客戶端通過SDB空間數據庫引擎將數據提交給關系型數據庫統一管理，這些空間數據庫共同構成了SDLR的底層支持系統。②考慮到空間數據倉的多種應用，在應用程序接口中，保留了通用的數據庫接口，如ODBC（OpenDataBaseConnection），Oracle，ADO（ActiveXDataObject）等類型。③在數據倉的最上層，通過空間數據操作對象（動態鏈接DLL文件）及面向對象的編程方法，提供一個統一的空間數據管理和應用界面，實現空間數據倉核心的構建。這樣，多源空間數據就能夠與大型GIS軟件、土地利用模型、地形仿真模型以及GIS組件開發等相匹配，為SDLR進行多源空間數據挖掘、空間數據和元數據管理、數字融合、多維分析以及二次開發等提供數據和技術保障。

5．2元數據管理

元數據（Metadata）是地理數據的相關數據的描述性信息，用于描述地理數據集的內容、質量、表達方式、參照系、管理方式以及其他特征[22]，它是實現地理空間數據集共享的核心之一，是數字地球和空間信息基礎設施建設的重要內容，它可以幫助人們有效地定位、評價、比較、獲取和使用地理數據。地理空間元數據在實現空間數據倉的過程中起著非常重要的作用，一方面它可以指示空間數據倉如何從多個地理空間數據庫中提取出數據種類、數據標準、數據格式等不同的地理空間數據，同時也可指示應用系統如何從空間數據倉中提取出標準的集成地理空間數據，為用戶提供地理空間數字產品服務[23]。以往的地理空間元數據只是針對具體的空間數據庫或數據集設計的，其內容和范圍已遠遠不能滿足空間數據倉的需求。因此，必須依據空間數據倉的結構，對地理空間元數據進行重新定義、組織和管理。

筆者首先對數據倉中土地資源信息的描述進行了分類，包括土地資源空間信息的標志、區域范圍、數字基礎信息、時間、空間表示和鄰域關系等幾種類型。其中標志信息又分為中英文名稱、字符集、比例尺、坐標系統、單位和存儲形式；區域范圍分為經緯度、圖幅號；數字基礎信息分為高程基準、地圖投影和等高距；時間信息分為圖形生成日期、處理更新日期、出版日期；空間表示信息分為點和矢量信息、柵格對象信息；鄰域關系信息分為相鄰圖幅編號、屬性接邊狀況等。以上述分類為基礎，建立各種類型的元數據表，進而組合為SDLR元數據庫，實現對SDLR元數據的定義和管理。由于上述應用SDB建立的各個土地資源空間數據庫元數據的不同，我們使用SQLServer2000的專用接口——DBLibrary實現各空間數據庫中元數據庫的管理，以SQL命令啟動數據庫引擎的方式滿足用戶對元數據的查詢、瀏覽、更新和控制等需要。SDLR將空間數據倉中元數據的注冊以及空間數據庫屬性、對象的組織均放在前期底層軟件中，可極大地方便用戶的使用。

5．3數字產品開發

在空間數據倉中，用戶能得到多種地理空間數據產品，這是空間數據倉的最重要功能。所提供的數字產品包括單一地理空間數據產品，即矢量數據、柵格數據、地面高程數據等；融合地理空間數據產品，即矢量疊加圖、影像地形圖、矢量與高程疊加圖等；派生地理空間數據產品，即地表坡度坡向、地表面積周長等數據。在進行松嫩平原土地資源的相關研究中，人們需要應用大量的、多層次的區域地理空間數據和空間分析模型來進行多維分析、專題圖件與標準化空間數據之間的匹配等工作，而應用傳統方法較難實現。本文以空間數據為基礎，通過應用VisualBasic6.0和GIS組件——MapObjects2.0編程，創建了面向對象的SDLR應用框架，應用目標包括數字產品的融合和二次開發。根據用戶的需求，可對土地資源數據倉進行相應檢索，生成的各種數字信息可通過不同的應用程序接口來實現圖層信息的疊加、數據信息的更新、圖形化顯示以及多尺度地圖生成和對比等。在OpenGL（OpenGraphicsLibrary）的支持下，影像地圖可以進行虛擬飛行、坡度分析以及將平面地圖轉換成三維立體地圖、透視立體地圖等。在數字產品融合的基礎上，將上述提供的二維或三維地理空間數據及其相關空間分析結果進行模型化處理，構建各種圖形的API（ApplicationProgramInterface）函數，為應用程序提供接口，便于進行GIS的二次開發。

6結束語

（1）構造一個功能完善、集成性強的空間數據倉需要進行很多復雜而細致的工作。本文針對土地資源空間數據的多源性、多時相性及多尺度性等特征，提出了一個循序漸近、具有前瞻性的設計方案。其顯著特征是，以建立公共數據模型進行多源數據集成為基礎，以建立具有專屬性的空間數據庫為數據支持，通過空間數據引擎和元數據管理來實現其應用。

（2）本文以數字地球和數據倉理論為指導，以3S技術、環境模擬技術和計算機編程技術為手段，通過研制反映土地資源信息結構的基于域和對象的數據模型，應用GIS中間件建立了一種多源信息共享的統一數據操作模式。在此基礎上，設計了由底層空間數據庫、空間數據庫引擎和應用程序接口所組成的土地資源數據倉，該空間數據倉具有海量空間數據管理、集成、分析，地理空間元數據管理及數字產品融合、開發等功能。SDLR中包含了多種數據庫接口和動態鏈接文件，增強了可更新性和可拓展性。

（3）SDLR是一個完全采用數字化方式來儲存、管理、分析和輸出海量土地資源空間信息的平臺，它的集成性和兼容性很強，能夠為整個松嫩平原基礎地理環境、土地資源開發利用、生態環境演變、農業生態環境模擬及土地資源規劃決策等研究提供豐富的基礎信息和系列化的數字服務。將空間數據倉技術應用于土地資源信息的管理與應用，在國內尚屬首次。SDLR的成功構建將會為松嫩平原土地資源的研究與管理提供全數字化的決策支持。

（4）目前，有關空間數據倉理論和技術的研究才剛剛起步，在很多方面都還處于探索階段。SDLR是以松嫩平原土地資源的空間信息為基礎構建的，受到地域范圍、信息來源和信息處理方法的限制，其在空間數據編碼、空間決策支持等方面還缺乏標準性和開放性的保障，這些問題需要在以后的研究工作中加以修正和改進。

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作者簡介：

李昭陽（1979），女，吉林長春人，博士研究生，主要研究方向為遙感及環境模擬等；

湯潔（1957），女，吉林長春人，教授，主要研究方向為生態環境系統與信息管理等；

孫平安（1979），男，安徽阜陽人，博士研究生，主要研究方向為3S集成、環境模擬、生態環境信息管理；

林年豐（1932），男，湖北武漢人，教授，主要研究方向為生態環境、農業生態系統與信息管理等。