基于GIS的水庫移民工程數(shù)據(jù)庫模型構(gòu)建

馬 逍

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550002)

0 引 言

考慮到水庫移民工程的復(fù)雜性，工程的具體實施與社會環(huán)境和自然資源均有聯(lián)系[1]。水庫移民工程在不同領(lǐng)域涉及的信息類型眾多，既包含移民屬性數(shù)據(jù)，又有地理數(shù)據(jù)、區(qū)域設(shè)施數(shù)據(jù)等[2]，這些數(shù)據(jù)對工程推進(jìn)的順利程度均有較大影響。為了更好地管理水庫移民工程數(shù)據(jù)，針對空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)構(gòu)建可以集中管理的數(shù)據(jù)庫至關(guān)重要。文獻(xiàn)[3]針對歷史數(shù)據(jù)庫建設(shè)質(zhì)量進(jìn)行研究，生成一種可以控制數(shù)據(jù)庫質(zhì)量的數(shù)據(jù)庫模型構(gòu)建方案。基于現(xiàn)代化管理技術(shù)，按照數(shù)據(jù)質(zhì)量將待管理數(shù)據(jù)劃分為多個層級，以此為依據(jù)建立數(shù)據(jù)庫模型。但是，該數(shù)據(jù)庫模型查詢效率較低。文獻(xiàn)[4]采用HBase管理技術(shù)設(shè)計一種關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫模型，基于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲模型，結(jié)合HBase轉(zhuǎn)換規(guī)則，將空間矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可以被統(tǒng)一管理的數(shù)據(jù)。按照HBase的反范式化特點，實現(xiàn)對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模型的優(yōu)化。但是，該模型管理操作過于復(fù)雜。文獻(xiàn)[5]結(jié)合可視化技術(shù)與GIS地理信息系統(tǒng)，建立符合工程數(shù)據(jù)管理需求的數(shù)據(jù)庫模型。引入日本的數(shù)據(jù)庫模型建設(shè)經(jīng)驗，與國內(nèi)數(shù)據(jù)庫模型設(shè)計內(nèi)容相結(jié)合，獲取數(shù)據(jù)庫模型具體設(shè)計流程。但是，該模型的應(yīng)用拓展性較差。

本文以水庫移民工程數(shù)據(jù)管理為研究重點，提出以GIS為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫模型。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分類及編碼、數(shù)據(jù)庫模型邏輯以及數(shù)據(jù)庫訪問機(jī)制，完成數(shù)據(jù)庫模型整體設(shè)計。以期有效提升數(shù)據(jù)查詢效率，并在水庫移民工程推進(jìn)過程中發(fā)揮巨大作用。

1 基于GIS的水庫移民工程數(shù)據(jù)庫模型構(gòu)建

1.1 水庫移民工程數(shù)據(jù)處理

考慮到水庫移民工程數(shù)據(jù)的多樣性，本文以QuickBird數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，設(shè)計數(shù)據(jù)校正、數(shù)據(jù)融合相結(jié)合的處理方案[6]。

本文采用幾何校正的方式進(jìn)行水庫移民工程基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)精度糾正，結(jié)合地面控制點坐標(biāo)與多項式變換方法，明確實際信息與采集信息之間的對應(yīng)關(guān)系[7]。根據(jù)水庫建設(shè)區(qū)域的實際環(huán)境特點，將幾何校正的控制點選在寬度為0.5 m左右的小道。再通過多項式變換方法變換數(shù)據(jù)的幾何位置，具體公式為：

(1)

式中：(a,b)為像點的像平面坐標(biāo)；(α,β)為像點對應(yīng)地點的大地坐標(biāo)；η、μ為多項式系數(shù)。

其中，系數(shù)可以通過最小二乘法進(jìn)行計算，而多項式變換過程中系數(shù)數(shù)量，與階數(shù)的聯(lián)系可以表示為：

(2)

式中：φ為控制點數(shù)量；f為階數(shù)。

基于上述多項式變換方法，在ERDAS 8.7處理軟件的作用下完成水庫移民工程數(shù)據(jù)的幾何校正，確保每個控制點的殘余誤差低于0.2。

數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行融合處理，本文采用IHS變換融合技術(shù)，從RGB彩色空間變換角度入手，將數(shù)據(jù)映射到HS空間內(nèi)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，這一融合算法主要包括正變換式和反變換式兩部分。其中正變換式為：

(3)

(4)

(5)

式中：P為明度；E為色度；S為飽和度；R為紅色；G為綠色；B為藍(lán)色；RGB為整個彩色空間；m1、m2為彩色變換中間變量。

以正變換式為基礎(chǔ)，將數(shù)據(jù)融合的反變換公式表示為：

(6)

將水庫移民工程涉及的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)處理完成后，參考實際研究區(qū)域的主要地理要素，以村為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)無縫鑲嵌，與其他非空間數(shù)據(jù)一起，作為后續(xù)數(shù)據(jù)庫模型構(gòu)建的基礎(chǔ)。

1.2 建立數(shù)據(jù)分類及編碼規(guī)則

除上述處理的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)外，水庫移民工程數(shù)據(jù)庫還包括移民屬性、土地利用現(xiàn)狀等多種數(shù)據(jù)信息[8]。為了便于數(shù)據(jù)管理和查詢，本文在數(shù)據(jù)庫模型構(gòu)建過程中，針對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，將數(shù)據(jù)庫劃分為空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫兩大部分。

其中，空間數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)信息包括淹沒區(qū)分析和基礎(chǔ)地理位置分析，均包含明顯空間位置特征。這部分?jǐn)?shù)據(jù)可以在工程推進(jìn)過程中，作為移民安置規(guī)劃的設(shè)計參考。而屬性數(shù)據(jù)庫的設(shè)計主要是為了存儲移民相關(guān)信息[9]，按照水庫移民工程數(shù)據(jù)的實際性質(zhì)，將其劃分為移民損失調(diào)查表、工程建設(shè)表等多個獨立統(tǒng)計表。數(shù)據(jù)具體分類結(jié)果見圖1。

圖1 水庫移民工程數(shù)據(jù)分類圖

按照圖1所示的水庫移民工程數(shù)據(jù)分類圖完成數(shù)據(jù)分析后，進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。采用常用的符號，分別表示不同的空間要素，這一過程中需要保證數(shù)據(jù)編碼可以讓人們能夠統(tǒng)一識別，最直觀的編碼產(chǎn)物就是數(shù)據(jù)代碼[10]。合理的數(shù)據(jù)編碼體系，可以提升水庫移民工程數(shù)據(jù)庫的信息共享效率。實際編碼過程中，可以將基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)集、土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)集等作為第一級數(shù)據(jù)分類，而每個子數(shù)據(jù)集的內(nèi)容作為第二級數(shù)據(jù)分類。為了加強(qiáng)數(shù)據(jù)庫模型建立數(shù)據(jù)庫的實際應(yīng)用效果，將二級數(shù)據(jù)分類編碼信息與其對應(yīng)的一級數(shù)據(jù)分類編碼應(yīng)該有所關(guān)聯(lián)，按照這一原則，將整體水庫移民工程數(shù)據(jù)進(jìn)行連接。

1.3 設(shè)計GIS數(shù)據(jù)庫模型邏輯

數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計是水庫工程數(shù)據(jù)庫模型構(gòu)建的重要內(nèi)容，本文從數(shù)據(jù)庫使用者的角度，設(shè)計以GIS為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫模型。針對空間數(shù)據(jù)的表達(dá)內(nèi)容，通過矢量存儲、柵格存儲兩種方法保存數(shù)據(jù)信息。其中，基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和移民專題數(shù)據(jù)均屬于矢量數(shù)據(jù)，按照分層的組織形式管理這部分?jǐn)?shù)據(jù)，并采用合理的對象標(biāo)識符與相關(guān)的損失調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行連接。

本文采用Arc SDE設(shè)計一個空間數(shù)據(jù)庫引擎，將水庫移民工程數(shù)據(jù)庫分解為多個空間特征要素集。每個特定的要素集內(nèi)均保存著符合專題內(nèi)容的二維矢量數(shù)據(jù)，形成多個要素類。在空間數(shù)據(jù)庫引擎設(shè)計過程中，本文融合GIS地理信息系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)實世界到計算機(jī)的轉(zhuǎn)換原理，形成GIS數(shù)據(jù)模型。通過研究可知，GIS數(shù)據(jù)模型包括概念、邏輯、物理3種數(shù)據(jù)有機(jī)聯(lián)系層次，見圖2。

考慮到當(dāng)前GIS技術(shù)的發(fā)展情況，本文設(shè)計的數(shù)據(jù)庫模型邏輯不再根據(jù)模型層次進(jìn)行直接操作，而是針對圖2所示的層次進(jìn)行深入分析，生成對象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫模型。水庫移民工程數(shù)據(jù)庫模型設(shè)計過程中，在GIS技術(shù)的作用下，可以將空間實體轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的空間對象，且空間對象具有點、線、面等某一類公共屬性。結(jié)合空間知識對象原理，在水庫移民工程數(shù)據(jù)中獲取包含信息量最高的領(lǐng)域空間知識。

圖2 空間數(shù)據(jù)模型的3個層次

結(jié)合GIS地理信息系統(tǒng)和對象關(guān)系概念，生成的工程數(shù)據(jù)庫模型，從領(lǐng)域空間知識應(yīng)用的方向，設(shè)計與對象相關(guān)的技術(shù)，有效結(jié)合點、線、面3種空間概念，將數(shù)據(jù)分類及編碼結(jié)果分別保存至對象內(nèi)部，作為空間對象的內(nèi)部屬性。通過關(guān)系模型，完成空間對象的有效擴(kuò)展，與水庫移民工程實際環(huán)境相結(jié)合，建立符合外部屬性管理要求的空間實體要素。在GIS數(shù)據(jù)庫模型邏輯設(shè)計過程中，按照關(guān)系模型一體化保存的模式，從數(shù)據(jù)屬性入手管理空間數(shù)據(jù)。本文采用對象最小化原則，從點、線、面3個角度分析，將水庫工程數(shù)據(jù)庫保存內(nèi)容描述為不同類型的空間對象，并針對空間對象進(jìn)行物理存儲。根據(jù)數(shù)據(jù)屬性邏輯管理各種數(shù)據(jù)，除了運用空間關(guān)系將空間內(nèi)部屬性封裝在對象中外，還可以采用關(guān)系模型表達(dá)的方式，將土地用途、元數(shù)據(jù)等外部屬性知識，直接附加到空間對象上。根據(jù)GIS地理信息系統(tǒng)和空間對象擴(kuò)展關(guān)系，得到空間數(shù)據(jù)庫模型，見圖3。

圖3 基于GIS的空間數(shù)據(jù)庫模型

依托于GIS地理信息系統(tǒng)生成圖3所示的數(shù)據(jù)庫模型，再結(jié)合統(tǒng)一管理要求，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行命名。為了加強(qiáng)數(shù)據(jù)管理和查詢能力，本文根據(jù)數(shù)據(jù)管理要求，利用Geo-digital管理模式建立數(shù)據(jù)庫命名策略，并將該命名策略應(yīng)用在數(shù)據(jù)表命名、圖層命名等多方面。

1.4 工程數(shù)據(jù)庫模型實現(xiàn)

深入分析GIS數(shù)據(jù)庫模型邏輯可知，水庫移民工程數(shù)據(jù)信息之間存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，在工程數(shù)據(jù)庫模型實現(xiàn)過程中，需要考慮數(shù)據(jù)的從屬關(guān)系，以此為基礎(chǔ)建立數(shù)據(jù)層次關(guān)系。之后，利用唯一鍵和缺省值等約束條件，設(shè)計水庫移民工程數(shù)據(jù)統(tǒng)計表，以及工程數(shù)據(jù)圖形屬性統(tǒng)計表，并且表與表之間可以實現(xiàn)實時信息變化。從空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩個角度進(jìn)行分析，前者以圖形數(shù)據(jù)為主，分析主體數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，描述水庫移民工程數(shù)據(jù)的特點。而屬性數(shù)據(jù)可以僅僅指代屬性表，多個屬性表并列、具有從屬關(guān)系屬性表結(jié)合形成的鏈狀表也可以被稱為屬性數(shù)據(jù)。這一過程中，圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存在對應(yīng)關(guān)系。

工程涉及數(shù)據(jù)存儲完成后，數(shù)據(jù)庫模型實現(xiàn)的最后一個步驟就是數(shù)據(jù)查詢，本文利用數(shù)據(jù)庫訪問機(jī)制完成數(shù)據(jù)讀取。根據(jù)計算機(jī)技術(shù)當(dāng)前發(fā)展情況可知，水庫移民工程實施過程中，工程規(guī)劃、信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布以及可視化實現(xiàn)均需要通過訪問數(shù)據(jù)庫得以實現(xiàn)。本文采用C/S結(jié)構(gòu)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫模型，便于后續(xù)工作過程中數(shù)據(jù)信息提取。此外，工程數(shù)據(jù)庫模型的實現(xiàn)采用B/S結(jié)構(gòu)作為外部Internet，有利于數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程處理和發(fā)布。從數(shù)據(jù)庫使用人員的角度來看，數(shù)據(jù)庫讀取內(nèi)容最好都是以對象的形式存在，并且以數(shù)據(jù)表的形式呈現(xiàn)這部分讀取的對象信息。按照上述設(shè)計的工程數(shù)據(jù)庫模型讀取機(jī)器，見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)訪問結(jié)構(gòu)示意圖

同時，為了提升用戶讀取信息的效率，本文設(shè)計在圖4所示的數(shù)據(jù)訪問結(jié)構(gòu)中添加多個中間層接口。這些中間層接口均由數(shù)據(jù)庫后臺人員進(jìn)行管理，利用中間層接口向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，便于用戶應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)工作。根據(jù)圖4可知，數(shù)據(jù)庫內(nèi)每個對象都不是獨立的，通過字段訪問對象表內(nèi)記錄信息，獲取所需數(shù)據(jù)。當(dāng)訪問信息存在其他表格內(nèi)時，數(shù)據(jù)庫訪問機(jī)制會反饋給用戶指向信息，向用戶表明數(shù)據(jù)獲取方式。并且，每個對象表之間都存在聯(lián)系，總體構(gòu)成鏈狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，連接數(shù)據(jù)庫中每一張數(shù)據(jù)表。

2 實例分析

本文以水庫移民工程為研究重點，提出基于GIS的數(shù)據(jù)庫模型，為了驗證該模型可行性，針對某一水庫移民工程建立數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行數(shù)據(jù)庫模型應(yīng)用效果分析。

2.1 庫區(qū)概況

本次實例分析選定的研究區(qū)域為廣西壯族自治區(qū)內(nèi)紅水河流域。據(jù)調(diào)查，該流域每年年徑流量在517×108m3左右，是水力資源最豐富的區(qū)域之一。隨著區(qū)域內(nèi)水電站建設(shè)數(shù)量的不斷增加，水電水庫必然會導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)居民生活受到淹沒，急需開展水庫移民工程。根據(jù)本文提出的數(shù)據(jù)庫模型，在GIS技術(shù)的作用下采集紅水河流域空間信息，并建立空間數(shù)據(jù)庫，作為移民規(guī)劃的基礎(chǔ)。紅水河流域具體情況見圖5。

圖5 紅水河流域概況圖

紅水河流域內(nèi)修建的水庫位于龍灘水電站附近，總庫容達(dá)到162.1×108m3，且年平均發(fā)電量為156.7×108kW·h。該水庫修建完成后，可以充當(dāng)紅水河流域的骨干工程，兼具發(fā)電、航運等多種功能。經(jīng)過計算可知，該水庫工程的建立會導(dǎo)致龍灘水電站附近約4 000 km2的面積受到淹沒，影響11個縣人民群眾的生產(chǎn)生活。為了確保水庫移民工程的順利進(jìn)行，需要對該區(qū)域的土地利用情況、移民屬性等多種數(shù)據(jù)進(jìn)行清查，合理轉(zhuǎn)化為GIS數(shù)據(jù)并保存在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，有利于指導(dǎo)后續(xù)移民工作的進(jìn)行。

2.2 數(shù)據(jù)庫建立

水庫移民工程數(shù)據(jù)庫模型的應(yīng)用，需要基于GIS采集的空間信息來建立，轉(zhuǎn)化為符合工程要求的數(shù)據(jù)庫。首先，針對采集和處理完成的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行驗收，將合格的數(shù)據(jù)分類保存至不同的空間數(shù)據(jù)庫內(nèi)。這一過程中，為了便于后續(xù)數(shù)據(jù)查詢和調(diào)取，以鄉(xiāng)為單位設(shè)置獨立的要素數(shù)據(jù)集，并對每個村劃分要素圖層，數(shù)據(jù)集的屬性字段設(shè)置見表1。

表1 要素圖層屬性字段設(shè)置表

數(shù)據(jù)庫的設(shè)計是為了支持水庫移民工程決策的實現(xiàn)，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分類組織編碼后，本文提出的GIS空間數(shù)據(jù)庫模型設(shè)計邏輯，生成紅水河流域水庫移民工程數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用模型得到的數(shù)據(jù)庫實際顯示界面見圖6。

圖6 數(shù)據(jù)庫顯示界面

圖6中，工程數(shù)據(jù)庫內(nèi)包含村組、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、安置點、主要公路以及庫區(qū)設(shè)施等多種相關(guān)數(shù)據(jù)，可以通過點擊的方式獲取水庫移民所需的數(shù)據(jù)，并在頁面下方獲取坐標(biāo)信息。紅水河流域水庫移民數(shù)據(jù)庫的建立，充分表明了本文設(shè)計模型的可行性。

2.3 查詢性能分析

為了更好地展現(xiàn)本文所提出模型的優(yōu)越性，采用常規(guī)工程數(shù)據(jù)庫模型建立原始數(shù)據(jù)庫，以基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)以及移民屬性數(shù)據(jù)為測試用例，對比兩種模型構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)查詢性能。其中，紅水河流域水庫移民工程所涉及的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括50多萬條，土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)包括3萬多條，而移民屬性數(shù)據(jù)高達(dá)400萬條。針對上述數(shù)據(jù)發(fā)送查詢口令，查詢響應(yīng)時間見圖7。

圖7 數(shù)據(jù)查詢響應(yīng)時間對比圖

從圖7可以看出，本文設(shè)計模型生成的數(shù)據(jù)庫在實際應(yīng)用過程中，查詢響應(yīng)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原始數(shù)據(jù)庫，從原始的9、4.9、2.2 s降低至2.9、2與0.8 s。實例分析結(jié)果表明，本文提出的水庫移民工程數(shù)據(jù)庫模型在實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)查詢響應(yīng)時間降低63.53%，提升了數(shù)據(jù)庫查詢效率。

3 結(jié) 語

由于水庫移民工程涉及多種類型的數(shù)據(jù)，工程數(shù)據(jù)庫的設(shè)計是不可或缺的內(nèi)容。本文采用GIS技術(shù)構(gòu)建了一種新的數(shù)據(jù)庫模型，依托于GIS技術(shù)加強(qiáng)對工程數(shù)據(jù)庫的管理與維護(hù)。根據(jù)實際工程應(yīng)用結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，按照模型要求生成數(shù)據(jù)庫，完成了數(shù)據(jù)的有效存儲和提取，數(shù)據(jù)查詢響應(yīng)時間大大縮短。