地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫兩種建庫模式比較

劉福魁，左群超，曹世欣，倪振平

（1.山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟南250013；2.中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，北京100037；3.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，山東 濟南250014）

建國以來，經(jīng)過山東省廣大區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作者的努力，形成了一大批采用野外人工定點、手工記錄等“傳統(tǒng)填圖”方法取得的填圖成果，這些以紙介質(zhì)為載體的成果涵蓋了全部1∶20萬和大部分1∶5萬、1∶25萬標準圖幅。數(shù)字國土工程開展以來，山東按照中國地質(zhì)調(diào)查局的統(tǒng)一部署，逐步對以往紙介質(zhì)成果地質(zhì)圖開展了地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫建庫工作。上述3種比例尺的地質(zhì)圖建庫時，都基于矢量表達地質(zhì)和地理內(nèi)容。較早完成建庫的地質(zhì)圖幅中包括了全部1∶20萬和少量1∶5萬地質(zhì)圖，后期為了保持數(shù)據(jù)格式的一致性，剩余1∶5萬地質(zhì)圖幅在建庫時，仍采用了和前期1∶5萬和1∶20萬地質(zhì)圖建庫相同的地理關系數(shù)據(jù)模型；而稍后才開始建庫的1∶25萬地質(zhì)圖幅，則采用了較先進的面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型（又稱地理數(shù)據(jù)庫模型）。

建庫工作中應用的地理信息系統(tǒng)（GIS），是采集、貯存、管理、分析和描述整個或部分地球表面（包括大氣層在內(nèi)）與空間和地理分布有關的數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng)［1］。它主要涉及與空間幾何特征有關的空間數(shù)據(jù)、記錄空間數(shù)據(jù)特征和說明信息的屬性數(shù)據(jù)及相關拓撲關系的組織和管理，具有數(shù)據(jù)量大、應用面廣、數(shù)據(jù)模型復雜的特點?？臻g數(shù)據(jù)庫作為GIS的核心，是GIS技術發(fā)展的基礎，而空間數(shù)據(jù)模型是空間數(shù)據(jù)庫的基礎和核心。空間數(shù)據(jù)模型是尋求一種描述地理實體的有效的數(shù)據(jù)表示方法，根據(jù)應用要求建立實體的數(shù)據(jù)結構和實體之間的關系以便于應用［2］。

1 空間數(shù)據(jù)模型的發(fā)展歷程

空間數(shù)據(jù)模型的發(fā)展至今已歷三代：計算機輔助設計模型的代表，CAD數(shù)據(jù)模型；地理關系數(shù)據(jù)模型的代表，Coverage數(shù)據(jù)模型；面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的代表，Geodatabase數(shù)據(jù)模型。

1.1 CAD數(shù)據(jù)模型

出現(xiàn)于20世紀60～70年代，它用點、線、面描述空間實體，存儲采取二進制文件格式。幾何要素與相關的顏色、形狀等屬性要素存放在一起。其缺點是只能存儲少量的屬性數(shù)據(jù)，不利于空間信息的描述和 GIS分析［3－6］。

1.2 Coverage數(shù)據(jù)模型

源于ESRI公司1981年推出的ArcInfo軟件，采用分層結構對空間數(shù)據(jù)進行組織管理，用建立了索引的二進制文件存儲點、線、面描述的空間實體數(shù)據(jù)。ESRI公司1996年將以二維表為基礎的關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）引入數(shù)據(jù)模型中，屬性數(shù)據(jù)就被存儲在DBMS表中；空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)通過公共的標識編碼關聯(lián)，實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的有機結合。不僅如此，它還存儲了矢量數(shù)據(jù)間的拓撲關系。因此Coverage數(shù)據(jù)模型提高了對地理空間信息的表達能力和數(shù)據(jù)的分析能力。

但Coverage數(shù)據(jù)模型將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存儲的方式，已很難適應于以海量數(shù)據(jù)和并發(fā)處理為特征的企業(yè)級和社會級的GIS應用；另外拓撲結構不夠靈活，局部的變動必須對全局的拓撲關系重新建立［3－6］。

1.3 Geodatabase數(shù)據(jù)模型

是ESRI公司在ArcInfo 8之后引入的一個全新的數(shù)據(jù)模型，融入了面向?qū)ο蠹夹g，是建立在DBMS之上的統(tǒng)一的、智能化的空間數(shù)據(jù)庫。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型與人們認識事物的觀點和分類方法很接近，因此直觀且簡單實用。

在Geodatabase數(shù)據(jù)模型中，為描述由現(xiàn)實地理世界抽象出的數(shù)據(jù)，引入了要素、對象和關系的概念，其中非空間實體被抽象為對象，空間實體被抽象為要素，數(shù)據(jù)對象間的關聯(lián)被抽象為關系。相同類型的對象構成對象類，對象類沒有空間特征，但每個對象類都有其屬性、行為和規(guī)則；相同類型的要素構成要素類，一組具有相同空間參考的要素類組成要素數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)對象之間的關系規(guī)則構成的關聯(lián)集合構成關系類［3－6］。

2 以Coverage數(shù)據(jù)模型為基礎的1∶5萬地質(zhì)圖的建庫模式

2.1 1∶5萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組織

以Coverage數(shù)據(jù)模型為基礎進行的1∶5萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫建設，實行水平分幅、垂直分層的數(shù)據(jù)組織管理方式。

在1∶5萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫中：圖元是圖面上表示空間信息特征的基本單位，分為點、弧段（線）、多邊形（面）三種類型。圖層作為空間數(shù)據(jù)集合，由相同類型的圖元和描述這些圖元特征的屬性數(shù)據(jù)共同構成。描述圖層中所有圖元特征的屬性數(shù)據(jù)的集合構成屬性表。由于每個圖層對應的空間實體對象特征不同，與其對應的屬性表的數(shù)據(jù)結構也不同；數(shù)據(jù)項是屬性表中最小單元，規(guī)定了明確的數(shù)據(jù)類型，用于存放描述圖元某一方面特征信息的屬性數(shù)據(jù)。

由于水平分幅，為保證多幅圖拼接后每個圖形信息及相應屬性信息的獨立性，防止圖層名重復出現(xiàn)，“1∶5萬區(qū)域地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫（分省）建設實施細則”對圖層的劃分和命名都作了詳細的規(guī)定，每個圖層屬性表的名稱與圖層名相同。如圖1所示。

2.2 MapGIS中1∶5萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)組織的實例

1∶5萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫的建庫應用了MapGIS軟件6.7前的版本。圖2為山東省1∶5萬黃墩幅地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫，由圖層文件列表欄可知黃墩幅由30個圖層文件構成。主窗口顯示的局部圖面內(nèi)容以3個面圖層為主，分別是表達 “面狀水體”的地理圖層 “LEHDF02S”、表達地質(zhì)圖層“沉積地層單位和火山沉積地層單位”的“DEHDF01D”和 “變質(zhì)巖系地層單位”的“DEHDF01B”。 在 圖 2 所 示 范 圍 內(nèi)，“LEHDF02S”有1個圖元，“DEHDF01D”有3個圖元，“DEHDF01B”有4個圖元。

主窗口內(nèi)因被選中而呈紅色顯示的圖元屬于“DEHDF01B”圖層，“區(qū)屬性編輯”對話窗口展示了該圖層屬性表的部分數(shù)據(jù)項及其中所填寫的被選中圖元的屬性。黃墩幅中“DEHDF01B”圖層有24個圖元，在以“DEHDF01B”命名的DBF格式的屬性表中相應的有24條屬性數(shù)據(jù)記錄。屬性數(shù)據(jù)在1∶5萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫中起著重要作用，是查詢、更新、檢索和分析等操作的基礎［7］。

圖1 構成1∶5萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫的圖層

圖2 MapGIS中1∶5萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)組織示意圖

表1展示的是“DEHDF01B”和“DEHDF01D”2個地質(zhì)圖層屬性表的結構。從中可以看出，不同圖層屬性表的數(shù)據(jù)項個數(shù)、名稱、數(shù)據(jù)類型都不相同；既使名稱和數(shù)據(jù)類型都相同的數(shù)據(jù)項，其數(shù)據(jù)長度也不一定相同。

3 以Geodatabase數(shù)據(jù)模型為基礎的1∶25萬地質(zhì)圖的建庫模式

3.1 1∶25萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組織

以Geodatabase數(shù)據(jù)模型為基礎進行的1∶25萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫建設，把數(shù)據(jù)組織成關系型的數(shù)據(jù)對象。在“數(shù)字地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫標準”中建立了15個基本要素類，8個綜合要素類，12個對象類，5個獨立要素類?？臻g對象以要素類來存儲，非空間對象以表來存儲；關系以關系類來存儲，關系可以存在于空間對象（要素類中的要素）之間、非空間對象（表中的行）之間、空間對象和非空間對象之間。

地質(zhì)圖中具有空間幾何特征的地質(zhì)和地理實體，以點、線、面的形式由要素類數(shù)據(jù)集和綜合要素類數(shù)據(jù)集表達；其中要素類具拓撲關系，綜合要素類與要素類的關系不具拓撲關系，是覆蓋關系。對象類表達基本要素類和綜合要素類的屬性，用ACCESS表來存儲。獨立要素類表達地質(zhì)圖附屬的圖例、柱狀圖和責任表等圖外內(nèi)容。

表1 兩個圖層屬性表結構對比

由表2可以看出1∶5萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫中參與拓撲的“DX△△△01D”和“DX△△△05M”等8個獨立的圖層，因為應用面向?qū)ο蠹夹g的理念，按“1∶25萬區(qū)域地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫建設技術流程及實施細則”中的規(guī)定，被合并成“＿GeoPolygon”一個圖層。

表2 1∶25萬和1∶5萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫圖層關系對比

3.2 RGMapGIS中1∶25萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)組織的實例

21世紀初，中國地質(zhì)調(diào)查局主導開發(fā)的“數(shù)字地質(zhì)調(diào)查系統(tǒng)（RGMap）”首先在25萬區(qū)調(diào)項目中開展試點，該系統(tǒng)貫穿了從野外地質(zhì)調(diào)查到最終建成1∶25萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫的整個過程，為保持數(shù)據(jù)格式的一致，對前期人工完成的紙介質(zhì)1∶25萬地質(zhì)圖建庫時，也采用了RGMap的室內(nèi)綜合整理與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)（RGMapGIS）［8，9］。

應用RGMapGIS建立了山東省1∶25萬淄博市幅地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫。在基本要素類“＿GeoPolygon”圖層中的地質(zhì)和地理空間面實體有5個需人工錄入的共同屬性數(shù)據(jù)項：①地質(zhì)體面實體標識號（ID號）、②地質(zhì)體面實體類型代碼（地質(zhì)體符號）、③地質(zhì)體面實體名稱（地質(zhì)體中文名稱）、④地質(zhì)體面實體時代、⑤子類型標識。子類型標識用1位整型數(shù)值表示，可據(jù)此使用RGMapGIS的“自動從地質(zhì)體面實體提取相應對象類”功能，從“＿GeoPolygon”圖層中提取相應對象類。如存儲“沉積地層單位和火山沉積地層單位”屬性的對象類數(shù)據(jù)集（＿Strata），其子類型標識是“0”；運行自動提取功能后，上述5個共同屬性數(shù)據(jù)項中與“＿Strata”有關圖元的屬性數(shù)據(jù)會被自動繼承下來。但數(shù)據(jù)項名稱會依據(jù)對象類數(shù)據(jù)集的不同而改變，如“地質(zhì)體面實體類型代碼（地質(zhì)體符號）”更名為“要素分類（地質(zhì)代碼）”。

對象類數(shù)據(jù)集（＿Strata）在繼承下“＿GeoPolygon”圖層5個共同屬性數(shù)據(jù)項基礎上，又擴展出“巖石組合名稱、巖石組合主體顏色、巖層主要沉積構造、生物化石帶或生物組合、地層厚度、含礦性”等數(shù)據(jù)項。其它對象類數(shù)據(jù)集也做了類似的數(shù)據(jù)項擴展。

4 1∶5萬和1∶25萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫2種建庫模式比較

因為地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫建設依據(jù)的數(shù)據(jù)模型不同，所以1∶5萬和1∶25萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)組織管理方式也不同。

4.1 空間數(shù)據(jù)組織管理的不同

1∶5萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫，在建庫過程中實行水平分幅、垂直分層的數(shù)據(jù)組織管理方式。水平分幅與當今成果地質(zhì)圖分幅出版、存貯的現(xiàn)狀相適應。但由圖2、表2可以看出，垂直分層將一幅地質(zhì)圖中參與統(tǒng)一拓撲的地質(zhì)和地理空間面實體分成了“DX△△△01D”和“LX△△△02S”等8個獨立的圖層。

這樣的方式人為地割裂了所要表達的地質(zhì)和地理空間，不能直觀反映人們的感知，也不能表達不同類型和實體之間的空間拓撲關系和語義關系。地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫中參與拓撲的任意一條弧段，一般都有左右2個相鄰的多邊形。這時變動某個圖層中的一條弧段就會帶來問題，如果該弧段左右相鄰的多邊形不在同一個圖層中，考慮到還可能涉及不參與拓撲的圖層，則最少需要在2個圖層做2次修改，才能保持各空間實體之間拓撲關系的一致性。

1∶25萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫在建庫時，仍采用水平分幅，但將“DX△△△01D”等8個獨立的圖層用一個基本要素類圖層“＿GeoPolygon”表達，避免了上述問題的存在。

4.2 屬性數(shù)據(jù)組織管理的不同

圖3所顯示的屬性數(shù)據(jù)的存儲，上部是1∶5萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫采用的DBF表，下部是1∶25萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫采用的ACCESS表。二者除了數(shù)據(jù)存儲格式的不同，1∶25萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫的屬性數(shù)據(jù)之間在“關聯(lián)、依賴”關系之外，還多了“組合、繼承”關系。

圖3 1∶5萬和1∶25萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫中屬性數(shù)據(jù)存儲對比

圖3 上部是山東1∶5萬黃墩幅地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫“DEHDF01D”圖層中各圖元的屬性。從圖3中可以看出“DEHDF01D”圖層中各圖元都有如表1所示、由9個數(shù)據(jù)項所組成的屬性數(shù)據(jù)結構，每個圖元都需要錄入這9個數(shù)據(jù)項中的數(shù)據(jù)。黃墩幅“DEHDF01D”圖層中有很多特征相同的圖元，它們的屬性數(shù)據(jù)也是相同的。僅在圖3有限可視范圍內(nèi)，“DEHDF01D”屬性表中就有3個“沂河組”圖元、2個“萊陽群城山后組”圖元的重復屬性記錄，形成了很大的數(shù)據(jù)冗余。導致修改某個圖元的屬性數(shù)據(jù)時，屬性表中所有同類圖元的相關記錄都要修改，才能保證圖元屬性的一致。

圖3下部是山東1∶25萬淄博市幅地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫中“＿Strata”對象類的屬性。由前述可知，在基本要素類“＿GeoPolygon”圖層中各圖元有5個共同的屬性數(shù)據(jù)項，每個圖元都需要錄入這5個數(shù)據(jù)項中的數(shù)據(jù)，但這些屬性數(shù)據(jù)都可以被地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫中各個對象類自動繼承下來，不需要重新錄入。另外可以看出，“＿Strata”對象類屬性表中沒有重復的屬性記錄。也就是說，在“＿GeoPolygon”圖層中所有特征相同的圖元，在與其對應的對象類屬性表中只用一條記錄進行表達。

所以1∶25萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫采用的這種屬性數(shù)據(jù)組織管理方式，直接降低了數(shù)據(jù)冗余、減少了重復錄入工作量，也給修改屬性數(shù)據(jù)帶來很大便利。

5 結論

與以地理關系數(shù)據(jù)模型為基礎建成的1∶5萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫相比，以面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型為基礎建成的1∶25萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫，不僅可以將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)有效地融合在一起，并且能直觀反映各空間實體之間的拓撲關系，有效降低數(shù)據(jù)冗余、減輕建庫工作量。這種建庫模式適應了以處理海量數(shù)據(jù)和并發(fā)操作為特點的GIS應用發(fā)展趨勢，對于處理復雜的地質(zhì)和地理空間對象具有很大的優(yōu)越性。

如果面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型在根本意義上實現(xiàn)面向?qū)ο?，必然會為GIS提供更加靈活高效的存儲管理機制，也將給予GIS更好的發(fā)展前景。

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