基于Geodatabase面向對象的地震應急數據庫的設計與實現
——以鎮江市為例

余其鵬， 程曉東

（鎮江市地震局，江蘇 鎮江 212000）

0　引言

地震應急基礎數據庫是地震應急指揮的基礎，完善的數據庫有助于提高政府的應急反應能力，減少地震災害損失[1]。然而在各級抗震救災指揮體系的建設過程中普遍遇到的最大難題是，適應于地震應急要求的各類基礎數據普遍匱乏[2]，應急數據庫的設計不夠完善，這些問題將會導致在城市的防震減災救災決策執行中缺乏數據支持，嚴重的甚至會致使指揮系統失效和癱瘓。因此，有關城市地震應急數據庫的設計和物理實現的研究具有非常重要的理論意義和現實意義。

對于地震應急數據設計，國內外許多學者都進行了探索研究。有學者通過對城市地震應急數據庫的結構、評估模型、數據庫管理系統進行設計，并成功運用在地震信息處理和應急指揮系統上[2]。針對地震應急數據庫數據分布和管理的特點，有學者采用集中與分布式相結合，分級分層次管理的方式探索了地震應急數據庫的設計[3]。也有學者把地震應急基礎數據庫的設計和震害快速評估技術相結合進行了探討[4]。地震應急數據庫中往往存在不同比例尺數據的融合與集成問，設計了基于多比例尺空間數據庫技術的地震應急數據庫框架，徐敬海等論述了不同尺度基礎地理信息數據的處理、轉換方法，以及多比例尺基礎地理信息數據的融合建庫方法[5]。劉琳婷等[6]通過空間數據、空間數據庫，以及分布式空間數據庫的概念、功能，簡述了空間數據庫引擎的功能及體系結構，并在此基礎上結合地震應急基礎數據庫進行了分析與總結。對于應急數據庫的設計方法，國外也有許多學者進行了探討，有基于UML對象關系數據庫設計的方法學研究[7]，有基于Geodatabase的水文地質數據庫的設計[8]，也有將數據庫的設計和建筑物的地震災害估計和風險管理相結合的研究[9]。

上述方法都對地震應急數據庫建設進行了討論和研究，但是大多注重對數據處理和數據庫的管理，而對數據庫的邏輯設計以及快速化建庫缺乏詳細的討論，本研究基于Geodatabase面向對象數據庫的建庫方法，采用UML設計語言對應急數據庫進行邏輯設計，并利用ArcGIS Diagrammer地理數據庫結構生產工具實現了應急數據庫的快速物理實現，這種方法設計的數據庫具有可移植性、可復制性，對數據的準確性有一定的約束等特點。

1　研究區概況與數據來源

1.1　研究區概況

鎮江市地處江蘇省西南部，長江下游南岸，位置如圖1所示，為江蘇省轄地級市，全市總面積3848平方公里，人口311萬人。全市低山丘陵以黃棕壤為主，崗地以黃土為主，平原以潛育型水稻土為主。鎮江市地質構造和地貌條件復雜，20余條斷裂隱伏于現代沉積之下，其中，主要斷層有五峰山—西來橋斷裂、丹徒—建山斷裂、幕府山—焦山斷裂、上黨—河陽斷裂以及茅山斷裂帶北延段等，鎮江市轄區內所有陸地面積全部位于國務院確定的地震重點監視防御區內，全市所有行政區域均需進行抗震設防[10]。鎮江市歷史上曾經發生過4次破壞性地震，最大震級為5.5級。歷史上還多次受到鄰近地區發生的破壞性地震的波及影響，遭受最大的遠場強震影響烈度可達Ⅵ度。

圖1　鎮江市區位圖Fig.1　 Location of study area

表1　鎮江市地震應急數據

1.2　研究區數據與來源

本研究將數據分為兩大類，一類是基礎數據，另一類是地震應急專題數據?；A數據包括行政區劃圖、交通圖等專題圖層，以及人口、經濟等統計數據；專題數據庫包括應急避難場所、地震區劃、臺網分布等圖層。詳細分類如表1所示。

2　研究框架

本研究主要分為三部分。首先對基礎數據進行預處理，數據分類、定義字段、投影坐標轉換、遙感數據的校正融合裁剪等。然后對應急數據庫進行邏輯設計，建立關系表格，利用ArcGISDiagrammer軟件建立數據模型UML類圖，最后利用數據框架的xml文件，直接快速實現基于Geodatabase的地震應急數據庫（ZJDZYJ.mdb）的物理實現。其主要的技術流程如圖2所示。

圖2　技術流程圖Fig.2　 Workflow chart

3　地震應急數據模型邏輯設計

要素數據集和新建的觀測要素數據集進行要素類、空間屬性、數據結構和要素行為的規定，并依據其空間關系和拓撲關系修改數據模型的關系類。下表是對這兩者比較詳細的解釋。

表2　鎮江市應急數據庫邏輯設計表

4　地震應急數據庫的物理實現

物理實現就是將概念化的邏輯數據模型載入到數據庫管理系統中，建立完整的數據庫，在執行語義檢查沒有錯誤后，將數據填充進數據模型的全部過程。

4.1　面向對象數據模型

Geodatabase是面向對象的數據模型，它使得多個空間數據模型能夠在一個統一的模型框架下對地理空間要素信息進行統一的描述；對空間要素的描述和表達較之前的空間數據模型更接近我們的現實世界，更能清晰、準確地反映現實空間對象的信息。在Geodatabase中，空間中的實體可以表示為具有性質、行為和關系的對象。Geodatabase描述地理對象主要通過以下四種形式：（1）用矢量數據描述不連續的對象；（2）用柵格數據描述連續對象；（3）用TINs描述地理表面；（4）用Location或者Address描述位址。Geodatabase還支持表達具有不同類型特征的對象，包括簡單的物體、地理要素（具有空間信息的對象）、網絡要素（與其他要素有幾何關系的對象）、拓撲相關要素、注記要素以及其他更專業的特征類型。通過定義對象之間的關系和規則來保持地物對象間相關性和拓撲性的完整。

Geodatabase數據模型一個重要的優點在于其包含一個框架，一切的交互均是在這個框架中進行的，在這個簡單的架構中逐步集成所有的概念和思想。數據對象視圖通過隱藏Geodatabase大部分數據庫物理結構，使用戶只關注建立一個地理數據模型。它使物理數據模型與其邏輯數據模型聯系更緊密，其方便之處在于即使你不寫一行代碼也可以實現許多自定義行為，只有在更專業的建模時才需要編寫代碼[11,13]。因此，Geodatabase數據模型作為一個通用的空間數據模型，可以根據不同的用戶或應用定義具體的模型，例如交通規劃模型、土地管理模型、電力線路模型[12]。

4.2　建庫軟件ArcGIS_Diagrammer

本文采用ArcGIS_Diagrammer工具（圖3）進行地理數據庫的建立，這個工具是GIS專業人員用來創建、編輯、分析地理數據庫結構的生產工具。ArcGIS_Diagrammer工具是一個ESRI XML文件的可視化編輯器，數據庫結構以可編輯圖形的形式呈現。使用ArcCatalog或者ArcMap中的Catalog窗口，可以將這些文檔導入或導出到地理數據庫中。以往的幾種建庫方式，或者需要時間較長，或者需要批量轉換格式，或者需要借助其他工具。比如ArcGIS Case Tool工具建模，需要工具安裝文件嵌入到ArcGIS Desktop上面，并且需要借助于Office Visio工具進行工作，這樣無疑給日常工作帶來了不便。而ArcGIS_Diagrammer就極大的方便了用戶，全界面化操作，一些已經定義好的對象（數據集、點狀要素類、影像數據集、關系類、幾何網絡等）都可以讓用戶直接使用，只需要修改名稱、添加字段、添加要素類等基本操作，而且可以直接導出XML，與ArcGIS Desktop進行可逆的編輯修改，這是其他方法無法做到的。

圖3　ArcGIS_Diagrammer界面Fig.3　 The interface of ArcGIS Diagrammer

4.3　鎮江市地震應急數據庫的建立

本文使用ArcGIS_Diagrammer建模工具，將構建好的地震應急數據模型導出為XML文件，再利用ArcCatalog導入成為地理數據庫，實現異構數據可視化整合，最終得到的是一個基于Geodatabase的數據庫模板，具有可移植性、可復制性，對數據的準確性有一定的約束，如圖4所示。可以從圖中看出各要素之間的數據組織，右側是要素類對應數據庫填充實現。之后將數據導入數據庫就可以使用了，并使用ArcSDE空間數據庫引擎對數據進行管理更新。

圖4　鎮江市地震應急數據庫結構框架與物理實現Fig.4　 Framework and physical realization of earthquake emergency database structure

5　結論與展望

本文討論了基于Geodatabase的地震應急數據庫的設計思路和方法，并利用UML建模語言對地震應急數據模型進行了物理實現，快速實現了鎮江市地震應急基礎數據庫的搭建。該研究對下一步建立鎮江市應急指揮決策系統提供了數據保障和支持，對同行具有一定的借鑒意義。然而地震應急數據庫的建設，是一項長期而漫長的過程，在數據庫內容、數據結構、數據庫涉及范圍等多方面都是不斷變化和發展的。本文設計的數據庫還有待完善和改進的地方，隨著鎮江市應急指揮決策系統的建立，數據的更新、維護和數據的共享將是今后應急數據庫建設必須面對的問題。

參考文獻：

[1] 梁芳. 地震應急基礎數據庫的建設和發展[J]. 城市與減災， 2013 （6）: 28-30.

[2] 方雅申. 城市地震應急數據庫的設計與實現[J]. 大眾科技， 2015 （8）: 12-15.

[3] 聶高眾， 陳建英， 李志強， 等 . 地震應急基礎數據庫建設 [J]. 地震， 2002， 22（3）: 105-112.

[4] 劉紅桂， 王建宇， 徐桂明. 基于 GIS 的江蘇省地震應急基礎數據庫與震害快速評估技術[J]. 現代測繪，2005 （S1）.

[5] 徐敬海， 韓燁， 聶高眾， 等 . 基于多比例尺技術的南京市地震應急數據庫建設[J]. 世界地震工程， 2011，27（2）：51-56.

[6] 劉琳婷， 孫藝. 空間數據庫及其在地震應急救援中的應用分析 [J]. 防災減災學報， 2014， 30（3）： 97-100.

[7] Marcos E， Vela B， Cavero J M. A methodological approach for object-relational database design using UML[J].Informatik-Forschung und Entwicklung， 2004， 18（3）:152-164.

[8] Chesnaux R， Lambert M， Walter J， et al. Building a geodatabase for mapping hydrogeological features and 3D modeling of groundwater systems: Application to the Saguenay–Lac-St.-Jean region， Canada[J]. Computers &Geosciences， 2011， 37（11）: 1870-1882.

[9] Jaiswal K， Wald D， Porter K. A global building inventory for earthquake loss estimation and risk management[J].Earthquake Spectra， 2010， 26（3）: 731-748.

[10] 宗開紅， 宗雯， 康從軒， 等 . 江蘇鎮江地區主要活動斷裂及其晚第四紀活動性研究[J]. 地質力學學報，2016， 22（3）: 439-453.

[11] Zeiler M， 蔡勒， 曉祥， 等 . 為我們的世界建模 : ESRI地理數據庫設計指南[M]. 人民郵電出版社， 2004：58-62.

[12] Egenhofer M J， Frank A. Object-oriented modeling for GIS[J]. Journal of the Urban and Regional Information Systems Association. 1992， 4（2）: 3-19.

[13] Chesnaux R， Lambert M， Walter J， et al. Building a geodatabase for mapping hydrogeological features and 3D modeling of groundwater systems: Application to the Saguenay–Lac-St.-Jean region， Canada[J]. Computers& Geosciences， 2011， 37（11）: 1870-1882.