基于Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ的空間數據庫在數字林業中的應用

王霓虹　方　舟

摘要：數字林業中的空間數據的在數據庫中的組織形式，直接關系到整個空間數據系統的管理和查詢性能。文章首先介紹了地理數據模型的相關知識，描述了地理數據的發展進程，指出Geodatabase數據模型的特點適合于組織林業資源的空間數據；然后介紹了空間數據引擎ArcSDE以及它在提高檢索性能方面高效性；最后闡述了如何綜合運用Geodatabase數據模型和ArcSDE空間數據引擎設計伊春林業局森林管理系統的后臺空間數據庫，并論證了采用這種空間數據的設計方法在性能方面的優勢。

關鍵詞：Geodatabase；空間數據庫；數字林業

一、引言

數字林業是人類以數字的形式再現的林業信息場，是信息化的林業，也是“數字地球”的重要組成部分。它主要是綜合運用GIS、遙感、遙測、寬帶網絡、多媒體及虛擬仿真等技術，對林業資源進行信息自動采集、動態監測管理和輔助決策服務的技術系統。數字林業的基礎是首先實現森林資源信息的數字化、共享和管理。森林資源信息主要包括兩大類信息：森林資源檔案；林相圖。森林資源信息是數字林業信息化的基礎，林業的重大應用系統如防火指揮、資源監測等都離不開森林資源信息的管理和查詢、分析。基于3S技術實現森林資源信息的共享、交換、整合、調度與集成應用，是數字林業發展的必由之路。

以森林資源地理信息系統來說，所謂的空間就是地理實體及其相互關系的存在形式。林業空間信息資源包括各種類型的數字空間信息和空間參考信息，如電子地圖、數字遙感圖像、三維空間圖形和多媒體信息等，另外還有具備空間參考屬性的屬性信息和各種林業統計信息等。

本文所述的林業空間數據庫是構建在數字林業基礎之上，以伊春林業局為例，以伊春林業局下屬16個林業局的林相圖及森林資源二類調查數據、各林業局所屬林場和小班林相圖及相應森林資源二類數據為研究對象，針對林業局級的數字化林業資源信息的管理和應用，搭建了基于Geodatabase和ArcSDE的面向對象林業空間數據庫，實現了林業空間數據和屬性數據一體化存儲和有效關聯，并在此基礎上開發伊春公安局森林資源地理信息系統，實現對伊春公安局所管轄的各林業局的有效管理，為相關森林資源規劃決策提供信息化支持。

二、地理數據模型

（一）Coverage數據模型

Coverage數據模型第二代地理數據模型，這種模型能夠將空間數據與屬性數據結合在一起，實現空間數據的二進制索引化存儲。同時，Coverage數據模型還能夠存儲矢量特征間的拓撲關系，形象地表明矢量要素的空間位置聯系。但由于數據模型中的拓撲關系，導致空間數據檢索速度減慢，影響查詢效率。所以，隨著地理信息系統應用變得越來越復雜，一種可以關聯特征和行為的數據模型應運而生。

（二）Geodatabase數據模型

Geodatabase數據模型彌補了Coverage數據模型的不足之處，使得物理數據模型與其邏輯數據模型更為接近。Geodatabase中的數據對象更接近于邏輯數據模型中定義的對象，使得空間數據更面向實際的應用領域，不再是無意義的點、線和多邊形，而是有了具體的含義：可以用來管理的連續的空間數據，并且可以通過ArcInfo提供的域、驗證規則和框架函數實現自定義行為。該模型結合面向對象數據庫、關系數據庫兩者的優點，實現了嚴格意義上的地理空間數據、連續空間要素的無縫存儲以及對對象屬性的整體約束等，從而克服了GIS軟件中傳統存儲模型存在的查詢操作難以優化、數據完整性的約束條件可能遭到破壞、數據管理的安全性較差、不適合網絡共享發展需要等缺點，為GIS提供靈活高效存儲管理機制，便于地理信息系統的開發和應用。

Geodatabase中存儲的地理要素由其屬性和幾何形狀——點、線、面組成。

點：定義離散的、無面積或長度的地理要素，如地物點。

線：表示線狀要素，例如邊界線、河流、管線、交通線、等高線等。

面：表示一組封閉的圖形，如地貌面、林業局面、林場面、林班面、小班面等。

三、ArcSDE

ArcSDE是一個空間數據引擎，是ArcGIS與關系數據庫之間的GIS通道。它允許用戶在多種數據管理系統中管理地理信息，并使所有的ArcGIS應用程序都能夠使用這些數據，為DBMS提供一個開放的接口。ArcSDE的引入意在解決存儲在關系數據庫中的空間數據與應用程序之間的數據接口問題。在利用Geodatabase數據模型建立的面向對象空間數據庫中，通過ArcSDE數據庫引擎的引入，實現空間數據和屬性數據的同意存儲和集中管理。本文采用Geodatabase+ArcSDE的空間存儲方案，數據庫選取Oracle 9i，以充分適應林業海量空間數據的需要。

將以Coverage模型數據形式存儲在ArcInfo中的空間數據轉變成Geodatabase空間數據模型的方法是通過對ArcSDE的訪問，實現數據轉換后統一存儲到Oracle 9i中，實現關系數據庫的擴展，并完成對空間數據和屬性數據的高效數據庫管理。

ArcSDE對矢量數據的管理包括對圖層的管理和對業務表的管理。ArcSDE對圖層的管理是將具有共同屬性項的基礎地理數據歸為一個圖層，例如可將不同圖幅的交通線、管線或者等高線存放在一個線狀要素層中，每個數據庫記錄對應一條交通線、管線或者等高線，使基礎地理要素的管理和存儲更加方便快捷。每個圖層又包含空間信息和屬性信息表，包含空間列的表被稱為業務表，包含空間數據的表叫做要素表，業務表與要素表以及空間索引表的集合組成一個ArcSDE圖層。在現有的數據庫表中加入圖形數據項，即增加一個空間列，就構成了一張業務表。一張業務表包括一個空間列和多個屬性列，空間列是聯系要素和空間索引表的關鍵值。將圖形數據項加入到一個業務數據庫表之后，該表可稱為空間可用表。ArcSDE通過將信息存入層表來管理空間可用表。層表用來管理業務表和空間數據之間的連接。可用表可以進行數據查詢、屬性查詢和數據合并。

ArcSDE存取和組織空間數據庫中空間要素是通過將空間數據加入到關系數據庫中，所以，整個的存儲過程不改變和影響現有數據庫或者應用，它只是將基礎地理數據和空間索引存放到不同的數據庫表中，通過關鍵值來進行相互連接。其連接關系結構圖如圖1所示。

四、基于Geodatabase和ArcSDE的林業空間數據庫的實現

（一）林業局級空間數據庫模型

基于Geodatabase的林業局級空間數據庫模型包括林業局級空間數據和林業局級屬性數據兩大部分。其中，林業局級空間數據又分矢量數據和柵格數據兩種數據格式。矢量數據包括林業基礎地理數據集、林業區劃數據集，其中林業基礎地理數據集包括水系要素類、邊界線要素類、道路要素類、鐵路要素類和管線要素類；柵格數據集包括數字高程模型（DEM）、坡度、坡向等。屬性數據指的是與林業基礎地理數據和林業屬性數據相關的數據字典、統計資料、專題報表和多媒體數據。

（二）林業局級空間數據庫的數據組織與轉換

林業局級空間數據組織主要是指對獲取的林業空間數據進行組織和管理，包括數據處理與轉換、存儲以及組織調度等。本文所介紹的林業空間組織主要是指對林業空間數據進行數字化和格式轉換。具體可以分以下方面的內容：

1、利用ArcGIS 9.0對上文中提及的業局級空間數據庫模型中的林業基礎地理數據進行跟蹤數字化，得到林業基礎地理數據要素集和林業區劃要素集，并存儲為Coverage格式。

2、根據國家林業二類數據，根據需要制成數據庫表，為進一步輸入數據庫中存儲做準備。

3、利用MapInfo軟件對提供的TAB格式的文件進行格式轉換，使其以Coverage格式文件的形式存儲在ArcInfo中。

4、對所有的Coverage格式數據進行投影信息處理，使其統一為橫軸墨卡托投影、經緯度坐標形式。

（三）空間數據庫設計

1、林業空間數據分層設計。根據國家標準地形圖圖式，本文將林業空間數據分成2大類9個Geodatabase要素類，2個大類分別是矢量數據集和柵格數據集，9個要素類分別是水系要素集、邊界線要素集、道路要素集、鐵路要素集、管線要素集、林業局要素集、林場要素集、林班要素集和小班要素集。采用1:100000的地形圖分層方式，其分層設計如圖2所示：

2、林業空間數據編碼設計。在林業空間數據中，總共有數十種地物要素，林業基礎地形數據編碼的設計是區別地物的唯一關鍵字，是查詢和檢索的基礎，也是在GIS中實現基礎空間信息共享的基礎。在進行林業基礎地形數據編碼設計時，必須遵循國家林業標準，要充分考慮操作的方便性和可擴充性，以及用戶根據不同需求制定專題顯示和輸出的原則。本文依據《中國人民共和國森林法》、《林業資源分類與代碼》以及《國家森林資源規劃設計調查主要技術規定》等相關規定，根據實體的邏輯劃分原則，采用如下的編碼方式：點（1）、線（3）、面（5）、注記（9）、地類類標識碼（地類數據代碼結構第1、2位為“02”）；

3、林業空間數據的屬性設計。林業屬性數據指的是空間實體的特征數據，通過鍵盤輸入的方式存儲到數據庫中，與矢量數據和柵格數據共同表達完整的專題意義。在林業空間數據庫中，對于林業屬性數據的檢索和更新都是以小班為基本單元，小班通常由土地屬性、管理屬性和樹木屬性等幾部分組成。在本文中，林業屬性數據通過人工輸入的方式存入計算機中，再以屬性表的形式存儲在Geodatabase中。

Geodatabase模型對空間數據和屬性數據實行一體化管理。在RDBMS中，表的概念對應于Geodatabase模型中的一個要素類。在屬性表中，通過一個Shape字段來記錄實體的空間數據，Shape字段為GEOMETRY類型，該字段不僅記錄了實體的類型信息，而且存儲了實體的坐標數據，因而可以自動計算得到線狀實體的長度和面狀地物的面積。

五、結論

基于Geodatabase的空間數據庫實現了面向對象的GIS空間數據模型的建立，為數字林業空間數據和屬性數據的集成化一體化存儲提供了理論基礎，從根本上保證了空間數據的完整性和數據共享，保證了點、線、面拓撲關系的一致性，為建立數字林業地理信息系統打下了堅實的基礎，由此，可以證明基于Geodatabase+ArcSDE技術的空間數據庫的搭建方法可廣泛應用于GIS信息系統數據庫的設計之中。

參考文獻：

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4、王萌,張超.基于ArcSDE的信息基礎設施空間數據庫的設計與實現[J].測繪與空間地理信息,2007(6).

（作者單位：東北林業大學）