水利GIS系統中的數據組織

□ 王學會（開封市水利建筑勘察設計院）

0 引言

GIS（地理信息系統）是具有采集、處理、管理和分析數據能力的系統，主要有計算機的硬件系統、軟件系統、空間數據和系統使用管理及維護人員組成，其中空間數據是其核心，主要功能模塊有空間數據輸入模塊、空間數據管理模塊、空間數據處理分析模塊、應用模塊和空間數據輸出模塊，因此在GIS系統開發中，數據的獲取、組織及存貯對系統的開發起到了關鍵作用。本文主要針對水利GIS中的數據組織的幾個問題進行了探討。

1 水利GIS（地理信息系統）的數據類型

GIS所包含的數據均與地理空間（位置）相聯系，這是其區別于其他數據的要點，水利GIS的數據類型按表達形式可以分為空間（圖形）數據和非空間（屬性）數據兩種基本類型。空間（圖形）數據包括幾何數據和關系數據，從幾何角度將空間目標劃分為點、線、面三種基本類型，關系數據描述各個不同地理實體之間的空間關系，如接近度、鄰接、關聯、包含、聯通等。屬性數據是各個地理單元中的社會、經濟或其他專題。在水利GIS系統中，表示河流、水庫等實體的幾何數據以及表示干流及支流關系的數據即為空間（圖形）數據，而表示一河流的名稱、平均坡降、流域面積等特性的數據即為屬性數據。

水利GIS的數據類型按內容特性及主要功能可以分為地理基礎信息、數字地面模型信息、專題信息。在水利GIS系統中，通過地形圖或遙感手段獲取的交通、居民地、行政區劃等信息即為該系統的地理基礎信息，為專題信息提供定位與控制的基礎；由地面高程點構建而成的DEM及由此導出其他地形因子（坡度、坡向）即為系統的數字地面模型信息，為地表的水文分析提供基礎性數據。在水利GIS系統中，專題信息在水利GIS中是最重要的一部分，組成專題信息的空間數據主要分為矢量數據與柵格數據，部分系統中有三維數據結構、TIN。水利GIS的數據主要體現為如下幾種形式：以地形圖為內容的地理基礎數據庫（矢量數據）；以水利專題地理信息為內容的專題地理數據庫（矢量數據）；以遙感圖像數據為內容的影像數據庫（柵格數據）；以DEM為內容的數字地面模型數據庫（柵格數據）；以地理統計數據、相關屬性數據為內容的專題屬性數據庫（屬性數據）。

以上幾部分不是獨立的，而是緊密相關的，所有空間數據（包括矢量數據、柵格數據）都有相同的地理參考，屬性數據則緊密地與空間數據相關聯。

2 水利GIS的數據組織與管理

獲取上述相關類型數據后，如何將其有效的組織與管理是水利GIS研究的一個重要問題。GIS空間數據管理模式有如下幾種：文件管理系統、文件與關系數據庫混合管理系統、全關系型數據庫管理系統、對象——關系數據庫管理系統、面向對象空間數據庫管理系統。其中文件管理系統早已棄用，文件與關系數據庫混合管理系統也因功能較弱，特別是在數據的安全性、一致性、完整性、并發控制以及數據損壞后的恢復方面缺乏基本的功能也已棄用，現在對象——關系數據庫管理系統和面向對象空間數據庫管理系統已基本發展成熟。如ARCGIS8.0以來采用的面向對象的空間數據模型——地理數據庫，它支持復雜的網絡、關系和其他面向對象的特征，使GIS定義的對象與客觀世界更為接近，為增強GIS空間分析系統功能提供了可能，并且支持“長事務處理”，很好的解決了數據的安全性、一致性、完整性、并發控制等問題。

因此在水利GIS系統建設中，采取何種數據模型及管理系統關系到系統功能的能否全面實現及系統生命力能否持久等關鍵問題。現在也主要采用“對象——關系數據庫管理系統”或“面向對象空間數據庫管理系統”來管理系統的空間數據。

3 水系數據的表示

水系中主要包括河流、湖泊、水庫及相關的附屬建筑物。下面以河流為例進行說明。

河流是水利GIS系統的重要組成部分，在GIS系統中，可以從多個方面來考慮怎樣給河流這一特征建模：一是作為水流網絡中的一組邊（忽略河流的具體形狀）每條邊均有流向、坡降、體積和其他河流的屬性。該網絡模型可以進行水文分析或水運交通分析；二是作為兩個地區的邊界，一條河流可以作為國家、省的邊界線，也可以作為如野生動物居住地的分界線的自然分界線；三是作為一個具體的帶有河堤、航道、水閘等的河流實體，為具體研究某一河流提供詳細的資料；四是作為地表高程模型中形成水流的一條曲線，從該模型中可以計算河流的剖面、坡降等；可以生成集水流域和水流網絡數據。從上可知，具體的河流數據組織要由GIS系統的應用目的而決定，沒有哪一種模型是最優的。下面討論基于河段的數據組織。

在一個集雨區內由相互聯通的河流組成的網絡成為水系，河段是在兩匯合點之間或在一個匯合點和源頭之間，或者通過人工改變（如整治與非整治、百年一遇與五十年一遇）而造成現狀不同的的一段河流。河段是水系的基本元素，可以作為河流信息的載體。從圖論的角度看，基于河段的水系網絡便構成一個圖：G=(V,E)。

式中：V—為河段的集合；E—為河段之間的關系，可以表示為：E={Vi,Vj｜Vi是Vj的直接下游河段｝。

由于河網結構大部分不存在回路，圖G便呈現為樹結構。這樣建立起來的水流網絡模型便可以進行水文分析或水運交通分析。水系數據的表示方法依賴于不同的GIS系統使用目的，因此統一數據類型如何在系統中表示，需要根據系統的基本目標來分析。

4 水利Web-GIS的數據組織

Web-GIS是指基于Internet平臺、客戶端應用軟件采用WWW協議運行在萬維網上的地理信息系統。Web-GIS趨向于采用“分布式服務體系結構”，即在客戶機與服務器之間的進程分布式處理，把數據量集中的任務放在服務器上，其他如查詢集的選定、按比例縮放地圖等任務則放在客戶機上，這種分布式服務體系結構使用的數據即可是本地的也可是分布的數據，使傳統的GIS向分布式GIS轉變。在分布式Web-GIS系統中，服務器端是一個局域網內的工作組，由多個計算機協同提供服務，服務器不再訪問一個集中的數據庫，而訪問分布式的數據庫，但是數據和服務在服務器端的分布狀況對客戶端是透明的，用戶不需了解數據的分布狀況。

基于以上觀點，對于區域性的水利GIS系統而言，其Web-GIS的數據組織方式應趨向于分布式的數據組織，即將主要的數據放在主服務器上，一部分數據可以放在基層的服務器上。當客戶請求的數據在本地時，僅需訪問本地服務器，當客戶請求的數據不在本地時，可以通過訪問上一級服務器找到相應數據存貯的地址，再訪問該數據服務器。分布式的數據組織有以下優點：一是大大提高網絡的響應速度，對服務器來講，不是所有的數據請求集中在一起，而是分散到各個服務器；二是傳統的集中式的數據管理，受時間和空間的限制，數據的現勢性得不到保證，分布式的數據組織數據的獲得與更新可以通過網絡進行，使信息可以進行實時的更新。

5 結語

針對水利GIS系統中的數據組織進行了有關探討，研究了建立應用型水利GIS系統時的關鍵技術。成功的GIS系統必須要有良好的數據組織，在建立系統之前，要充分分析現有的數據及可獲取的數據的類型，結合系統的功能分析應采用的數據模型及數據庫管理系統，考慮具體的數據如何表示，對于水利Web-GIS主要分析其服務器數據庫的采用。

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