基于GIS的通用巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬青蓮，高瑞濤，陳學(xué)俊

（青海省核工業(yè)地質(zhì)局 青海 西寧 810008）

基于GIS的通用巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬青蓮，高瑞濤，陳學(xué)俊

（青海省核工業(yè)地質(zhì)局 青海 西寧 810008）

基于想要對(duì)巖土工程勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行更加完備的存儲(chǔ)、更加系統(tǒng)的管理和更加有效的交流的目的，通過(guò)對(duì)空間數(shù)據(jù)的特征及數(shù)據(jù)模型進(jìn)行研究，分析了該系統(tǒng)的目的和設(shè)計(jì)原則并對(duì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和功能模塊進(jìn)行了構(gòu)建，對(duì)數(shù)據(jù)要素分類進(jìn)行編碼同時(shí)設(shè)計(jì)出了數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯模型，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)并解決了系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，從而完成的基于GIS的通用巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

GIS；巖土工程；數(shù)據(jù)庫(kù)；空間數(shù)據(jù)；Visual C

隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的全面放開(kāi)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展之勢(shì)，隨之而來(lái)的是大量的工程建設(shè)作業(yè)。大量的基建項(xiàng)目對(duì)工程勘探技術(shù)提出了新的高度和要求，同時(shí)，這些工程作業(yè)也帶來(lái)了大量的巖土勘探數(shù)據(jù)資料。不過(guò)，這些資料在傳統(tǒng)的存儲(chǔ)方式中主要是靠相關(guān)技術(shù)人員通過(guò)表格、圖像、文字等書(shū)面方式記錄并歸檔于相關(guān)工程或當(dāng)?shù)貦C(jī)構(gòu)。可是這樣的傳統(tǒng)方式十分不利于相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和利用，且不說(shuō)大量的書(shū)面記錄帶來(lái)的人力物力的浪費(fèi)和低下的效率，這樣存儲(chǔ)在特定固定地點(diǎn)的方式也十分不利于巖土資料的交流利用。巖土的勘探數(shù)據(jù)反映了巖土參數(shù)的分布和相關(guān)特性，具有相當(dāng)強(qiáng)烈的地域特征，是了解當(dāng)?shù)氐讓拥闹匾笜?biāo)。故而我們需要一套更加方便快捷的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)勘探數(shù)據(jù)的信息化存儲(chǔ)和管理。地理信息系統(tǒng)（GIS）為這樣一套數(shù)據(jù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了可行性幫助。GIS系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)對(duì)空間信息的分析和處理是對(duì)勘探數(shù)據(jù)管理的的一種有效方式。

1 空間數(shù)據(jù)管理理論

1.1 空間技術(shù)基本理論

空間數(shù)據(jù)是用來(lái)表達(dá)實(shí)物的位置、大小、形狀及分布特征的相關(guān)信息的數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)是為了能將現(xiàn)實(shí)中的實(shí)體用一些基本的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)描述，比如點(diǎn)、線、面等基本結(jié)構(gòu)，其最小的數(shù)據(jù)單元是現(xiàn)實(shí)中的實(shí)體。并且空間信息有著以下這幾點(diǎn)與眾不同的自身特征。空間特征，反映自身獨(dú)特性最主要的特征，是用來(lái)反映現(xiàn)象控件位置與控件位置之間的關(guān)系的數(shù)據(jù)；非結(jié)構(gòu)化特征，空間數(shù)據(jù)是非結(jié)構(gòu)化的，非定長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，區(qū)別于一般數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)化且定長(zhǎng)的特征，使得空間數(shù)據(jù)難以使用其他通用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)管理；時(shí)間特征，用以對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行描述的空間特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化；分類編碼特征，將空間數(shù)據(jù)的圖像和屬性等特征經(jīng)過(guò)一種數(shù)據(jù)裝化，使其可以被計(jì)算機(jī)識(shí)別使用并儲(chǔ)存；海量數(shù)據(jù)特征，對(duì)于空間數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，他的存儲(chǔ)量遠(yuǎn)不是一般數(shù)據(jù)庫(kù)可以相比的巨大，幾十甚至上百GB的數(shù)據(jù)量在空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)比比皆是。

空間數(shù)據(jù)庫(kù)是為了描述、存儲(chǔ)和處理地理信息系統(tǒng)而相應(yīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)的新型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。主要有:混合型空間數(shù)據(jù)庫(kù)，大多數(shù)的地理信息開(kāi)發(fā)平臺(tái)所采用的數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)將空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在系統(tǒng)文件中而將其他數(shù)據(jù)放入關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)；集成型空間數(shù)據(jù)庫(kù)，所有的數(shù)據(jù)都被放入同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，這種數(shù)據(jù)庫(kù)被分為全關(guān)系型、面向?qū)ο笮秃蛯?duì)象——關(guān)系型三種數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2 空間數(shù)據(jù)模型

空間數(shù)據(jù)模型是用來(lái)刻畫(huà)現(xiàn)實(shí)世界中的現(xiàn)實(shí)實(shí)體之間相互關(guān)系的一種規(guī)則，為其數(shù)據(jù)庫(kù)的組織和設(shè)計(jì)提供了基本的思路和方法。這使得其在設(shè)計(jì)和發(fā)展GIS空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)的過(guò)程中起到了非常重要的作用。其中與GIS設(shè)計(jì)有關(guān)并且應(yīng)用較多的有以下幾種模型：柵格模型，用二維鋪蓋或劃分覆蓋整個(gè)空間將連續(xù)的空間離散化；矢量模型，它將現(xiàn)象看作是原型實(shí)體的集合組成空間實(shí)體從而強(qiáng)調(diào)離散現(xiàn)象的存在性；數(shù)字高程模型，主要用來(lái)描述數(shù)字高程表面，對(duì)面狀空間對(duì)象的表面采用規(guī)則或不規(guī)則多邊擬合的方式；面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型，對(duì)現(xiàn)實(shí)事物的靜態(tài)特征進(jìn)行模型化并通過(guò)面向?qū)ο竽Ｐ吞峁┡c對(duì)象類型的關(guān)聯(lián)操作，以對(duì)其動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行記錄；混合數(shù)據(jù)模型，致力于將以上4個(gè)模型的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于一個(gè)統(tǒng)一的模型上。

2 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)的目標(biāo)與設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)的主要目標(biāo)就是根據(jù)巖土工程的勘察數(shù)據(jù)的管理和使用的現(xiàn)狀設(shè)計(jì)出一款基于GIS的通用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。對(duì)勘察的結(jié)果數(shù)據(jù)組建數(shù)據(jù)庫(kù)并進(jìn)行管理，從而使這些資源可以得到妥當(dāng)?shù)谋９懿⒛苓M(jìn)行資源共享，將這些數(shù)據(jù)信息的價(jià)值最大化。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的建立將對(duì)對(duì)國(guó)家的各項(xiàng)設(shè)施的工程建設(shè)及地質(zhì)學(xué)研究提供很大的幫助。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要遵循的原則：1）可操作性和實(shí)用性；2）科學(xué)性和先進(jìn)性；3）安全穩(wěn)定性；4）可擴(kuò)展性；5）通用性。

2.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以ArcGIS9.3為地理平臺(tái)支撐平臺(tái)以客戶機(jī)/服務(wù)器模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。通過(guò)空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎ArcSDE，將工程數(shù)據(jù)通過(guò)服務(wù)器端存入 SQL Server關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，按照Geodatabase模型建立勘察數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)ArcSDE實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的調(diào)用。體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)出發(fā)，基于GIS的巖土工程勘察數(shù)據(jù)系統(tǒng)所需要的功能模塊有：數(shù)據(jù)庫(kù)連接配置模塊、數(shù)據(jù)輸入與管理模塊、數(shù)據(jù)瀏覽查詢模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、統(tǒng)計(jì)分析與制圖模塊和系統(tǒng)維護(hù)模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

數(shù)據(jù)庫(kù)連接配置模塊連接數(shù)據(jù)庫(kù)是通過(guò)在窗口中輸入連續(xù)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中這種連接對(duì)涉及兩層：客戶端通過(guò)ArcGIS Engine連接服務(wù)端的 ArcSDE服務(wù)，并通過(guò)它和SQLServer數(shù)據(jù)進(jìn)行交流來(lái)完成對(duì)空間數(shù)據(jù)的操作，最后結(jié)果由ArcSDE傳遞回客戶端。

數(shù)據(jù)輸入與管理模塊主要是對(duì)相關(guān)區(qū)域的各種基礎(chǔ)地理地質(zhì)和專題數(shù)據(jù)進(jìn)行加載，并提供有關(guān)地圖的相應(yīng)基本功能。對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)實(shí)體的數(shù)據(jù)錄入可視化界面，可以基于數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的關(guān)系規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行增加、修改、刪除等操作。

統(tǒng)計(jì)分析與制圖模塊是相當(dāng)重要的一個(gè)部分，在進(jìn)行宏觀層次上面的分析時(shí)要對(duì)相應(yīng)的對(duì)象或者相對(duì)應(yīng)的范圍數(shù)據(jù)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，這些都要通過(guò)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而且系統(tǒng)還要依據(jù)用戶不同的工程目的提供相應(yīng)窗口界面選擇統(tǒng)計(jì)條件得到表格形式的屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

數(shù)據(jù)查詢?yōu)g覽模塊結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析功能，實(shí)現(xiàn)圖形屬性雙向的瀏覽和查詢，對(duì)通過(guò)屬性查詢的圖形實(shí)現(xiàn)可以按照特定的模式或范圍來(lái)顯示。

數(shù)據(jù)輸出模塊主要是按照客戶的相應(yīng)需求將查詢或統(tǒng)計(jì)結(jié)果的報(bào)表輸出到表格或者文檔。

系統(tǒng)維護(hù)模塊主要是要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用戶管理和數(shù)據(jù)庫(kù)的備份和恢復(fù)功能。可以對(duì)登錄用戶進(jìn)行添加和刪除，并將用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在“用戶信息表”中。其中備份和恢復(fù)功能是通過(guò)SQL Server提供的數(shù)據(jù)庫(kù)的備份功能完成的，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)，選擇正確的備份文件進(jìn)行恢復(fù)操作。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)要素分類編碼方案

地層數(shù)據(jù)是巖土勘探工程中最為重要的數(shù)據(jù)，各個(gè)實(shí)際工程中都需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的地層數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。但由于不同的勘察場(chǎng)所的構(gòu)造差距很大且不同地貌有不同的地層結(jié)構(gòu)再加之人為因素造成層序劃分難以統(tǒng)一。這就要求必須利用沉積學(xué)和成因地層學(xué)規(guī)律詳細(xì)研究建立一套地層分類編碼。同時(shí)其他地質(zhì)數(shù)據(jù)也要建立統(tǒng)一的分類編碼。本系統(tǒng)采用《城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的相關(guān)條文和編碼方案進(jìn)行分類和編碼。對(duì)土層的編碼本系統(tǒng)在上述方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)充，加入了土層成因和形成時(shí)代的描述。如圖3為土層分類編碼方案及流程圖。

圖3 土層的分類編碼方案及流程圖

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的邏輯模型

系統(tǒng)采用空間數(shù)據(jù)模型來(lái)對(duì)勘察成果進(jìn)行有效管理。其中擴(kuò)展存儲(chǔ)模型Geodatabase是新一代模型中的杰出代表，它可以與各種商用數(shù)據(jù)庫(kù)兼容，將面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)體統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合了起來(lái)。本研究旨在用Geodatabase模型建立基于GIS的通用巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，根據(jù)其模型原理及勘察工程的數(shù)據(jù)內(nèi)容建立體統(tǒng)的邏輯模型如圖4所示。

圖4 巖土工程勘察Geodatabase模型

3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)

1）開(kāi)發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用Microsoft SQL Server進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口使用SQL Sever管理平臺(tái)，它與Windows系統(tǒng)有很好的兼容性，并且易操作，穩(wěn)定性好，執(zhí)行效率好，擁有空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口。系統(tǒng)采用的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言主要是由C/C++演變而成的Microsoft Visual C語(yǔ)言。

2）數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)要為將來(lái)信息的高效查詢和有效利用服務(wù)，要滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)在空間、屬性和時(shí)間上的特征要求，所以本系統(tǒng)應(yīng)用有著合理、有效數(shù)據(jù)管理的Microsoft SQL Server進(jìn)行數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)庫(kù)的建立首先要結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)特性對(duì)用戶需求進(jìn)行分析，從而對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，接下來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)文件存儲(chǔ)格式和線和方式，最后完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)和提升

3）系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具的關(guān)鍵技術(shù)

在本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，雖然Pascal和C/C++語(yǔ)言也能夠完成工程類系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，但是由于該類系統(tǒng)較少會(huì)涉及較低級(jí)的直接訪問(wèn)硬件和操作系統(tǒng)的功能，且工程類系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)往往要求更加開(kāi)發(fā)時(shí)間盡可能的減少，所以在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用Visual C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)工作。所以關(guān)鍵的問(wèn)題就是如何建立Visual C和數(shù)據(jù)庫(kù)與Office軟件的接口問(wèn)題。

解決這個(gè)問(wèn)題最有效的方式就是制定標(biāo)準(zhǔn)，可以用ADO.NE標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，在用其實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)前，我們使用SQL語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作與數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接，之后通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行定義實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，接著就可以用界面的空間對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的操作。

4 結(jié)論

文中主要研究了基于GIS的通用巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，首先研究了空間數(shù)據(jù)的特征以及空間數(shù)據(jù)庫(kù)的分類，接下來(lái)就空間數(shù)據(jù)的特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了總體架構(gòu)，主要設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和功能模塊。接下來(lái)就數(shù)據(jù)分類進(jìn)行了編碼，建立了數(shù)據(jù)庫(kù)。最后對(duì)開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行了分析并系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)同時(shí)解決了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具的關(guān)鍵技術(shù)。

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Design of universal geotechnical investigation database system based on GIS

MA Qing-lian，GAO Rui-tao，CHEN Xue-jun
（Geological Bureau of Nuclear Industry of Qinghai，Xining 810008，China）

Based on a more comprehensive data storage and want to geotechnical engineering investigation based on a more comprehensive data storage，management and more systematic purpose of more effective communication through characteristic of spatial data and data models，we analyze the purpose and design principles of the system architecture and function module system was constructed to encode the data elements classification while the design of a logic model of the database，and finally the system has been implemented and solved the key technological systems，thus completing the GIS-based General Geotechnical Engineering design survey database system.

GIS；geotechnical engineering；database；spatial data；Visual C

TM933.4

A

1674－6236（2016）15-0119-03

2015-09-10 稿件編號(hào)：201509077

馬青蓮（1981—），女，藏族，青海民和人，工程師。研究方向：工程地質(zhì)勘察。