基于Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ的空间数据库在数字林业中的应用

    王霓虹　方　舟

    摘要：数字林业中的空间数据的在数据库中的组织形式，直接关系到整个空间数据系统的管理和查询性能。文章首先介绍了地理数据模型的相关知识，描述了地理数据的发展进程，指出Geodatabase数据模型的特点适合于组织林业资源的空间数据；然后介绍了空间数据引擎ArcSDE以及它在提高检索性能方面高效性；最后阐述了如何综合运用Geodatabase数据模型和ArcSDE空间数据引擎设计伊春林业局森林管理系统的后台空间数据库，并论证了采用这种空间数据的设计方法在性能方面的优势。

    关键词：Geodatabase；空间数据库；数字林业

    一、引言

    数字林业是人类以数字的形式再现的林业信息场，是信息化的林业，也是“数字地球”的重要组成部分。它主要是综合运用GIS、遥感、遥测、宽带网络、多媒体及虚拟仿真等技术，对林业资源进行信息自动采集、动态监测管理和辅助决策服务的技术系统。数字林业的基础是首先实现森林资源信息的数字化、共享和管理。森林资源信息主要包括两大类信息：森林资源档案；林相图。森林资源信息是数字林业信息化的基础，林业的重大应用系统如防火指挥、资源监测等都离不开森林资源信息的管理和查询、分析。基于3S技术实现森林资源信息的共享、交换、整合、调度与集成应用，是数字林业发展的必由之路。

    以森林资源地理信息系统来说，所谓的空间就是地理实体及其相互关系的存在形式。林业空间信息资源包括各种类型的数字空间信息和空间参考信息，如电子地图、数字遥感图像、三维空间图形和多媒体信息等，另外还有具备空间参考属性的属性信息和各种林业统计信息等。

    本文所述的林业空间数据库是构建在数字林业基础之上，以伊春林业局为例，以伊春林业局下属16个林业局的林相图及森林资源二类调查数据、各林业局所属林场和小班林相图及相应森林资源二类数据为研究对象，针对林业局级的数字化林业资源信息的管理和应用，搭建了基于Geodatabase和ArcSDE的面向对象林业空间数据库，实现了林业空间数据和属性数据一体化存储和有效关联，并在此基础上开发伊春公安局森林资源地理信息系统，实现对伊春公安局所管辖的各林业局的有效管理，为相关森林资源规划决策提供信息化支持。

    二、地理数据模型

    （一）Coverage数据模型

    Coverage数据模型第二代地理数据模型，这种模型能够将空间数据与属性数据结合在一起，实现空间数据的二进制索引化存储。同时，Coverage数据模型还能够存储矢量特征间的拓扑关系，形象地表明矢量要素的空间位置联系。但由于数据模型中的拓扑关系，导致空间数据检索速度减慢，影响查询效率。所以，随着地理信息系统应用变得越来越复杂，一种可以关联特征和行为的数据模型应运而生。

    （二）Geodatabase数据模型

    Geodatabase数据模型弥补了Coverage数据模型的不足之处，使得物理数据模型与其逻辑数据模型更为接近。Geodatabase中的数据对象更接近于逻辑数据模型中定义的对象，使得空间数据更面向实际的应用领域，不再是无意义的点、线和多边形，而是有了具体的含义：可以用来管理的连续的空间数据，并且可以通过ArcInfo提供的域、验证规则和框架函数实现自定义行为。该模型结合面向对象数据库、关系数据库两者的优点，实现了严格意义上的地理空间数据、连续空间要素的无缝存储以及对对象属性的整体约束等，从而克服了GIS软件中传统存储模型存在的查询操作难以优化、数据完整性的约束条件可能遭到破坏、数据管理的安全性较差、不适合网络共享发展需要等缺点，为GIS提供灵活高效存储管理机制，便于地理信息系统的开发和应用。

    Geodatabase中存储的地理要素由其属性和几何形状——点、线、面组成。

    点：定义离散的、无面积或长度的地理要素，如地物点。

    线：表示线状要素，例如边界线、河流、管线、交通线、等高线等。

    面：表示一组封闭的图形，如地貌面、林业局面、林场面、林班面、小班面等。

    三、ArcSDE

    ArcSDE是一个空间数据引擎，是ArcGIS与关系数据库之间的GIS通道。它允许用户在多种数据管理系统中管理地理信息，并使所有的ArcGIS应用程序都能够使用这些数据，为DBMS提供一个开放的接口。ArcSDE的引入意在解决存储在关系数据库中的空间数据与应用程序之间的数据接口问题。在利用Geodatabase数据模型建立的面向对象空间数据库中，通过ArcSDE数据库引擎的引入，实现空间数据和属性数据的同意存储和集中管理。本文采用Geodatabase+ArcSDE的空间存储方案，数据库选取Oracle 9i，以充分适应林业海量空间数据的需要。

    将以Coverage模型数据形式存储在ArcInfo中的空间数据转变成Geodatabase空间数据模型的方法是通过对ArcSDE的访问，实现数据转换后统一存储到Oracle 9i中，实现关系数据库的扩展，并完成对空间数据和属性数据的高效数据库管理。

    ArcSDE对矢量数据的管理包括对图层的管理和对业务表的管理。ArcSDE对图层的管理是将具有共同属性项的基础地理数据归为一个图层，例如可将不同图幅的交通线、管线或者等高线存放在一个线状要素层中，每个数据库记录对应一条交通线、管线或者等高线，使基础地理要素的管理和存储更加方便快捷。每个图层又包含空间信息和属性信息表，包含空间列的表被称为业务表，包含空间数据的表叫做要素表，业务表与要素表以及空间索引表的集合组成一个ArcSDE图层。在现有的数据库表中加入图形数据项，即增加一个空间列，就构成了一张业务表。一张业务表包括一个空间列和多个属性列，空间列是联系要素和空间索引表的关键值。将图形数据项加入到一个业务数据库表之后，该表可称为空间可用表。ArcSDE通过将信息存入层表来管理空间可用表。层表用来管理业务表和空间数据之间的连接。可用表可以进行数据查询、属性查询和数据合并。

    ArcSDE存取和组织空间数据库中空间要素是通过将空间数据加入到关系数据库中，所以，整个的存储过程不改变和影响现有数据库或者应用，它只是将基础地理数据和空间索引存放到不同的数据库表中，通过关键值来进行相互连接。其连接关系结构图如图1所示。

    

    四、基于Geodatabase和ArcSDE的林业空间数据库的实现

    （一）林业局级空间数据库模型

    基于Geodatabase的林业局级空间数据库模型包括林业局级空间数据和林业局级属性数据两大部分。其中，林业局级空间数据又分矢量数据和栅格数据两种数据格式。矢量数据包括林业基础地理数据集、林业区划数据集，其中林业基础地理数据集包括水系要素类、边界线要素类、道路要素类、铁路要素类和管线要素类；栅格数据集包括数字高程模型（DEM）、坡度、坡向等。属性数据指的是与林业基础地理数据和林业属性数据相关的数据字典、统计资料、专题报表和多媒体数据。

    （二）林业局级空间数据库的数据组织与转换

    林业局级空间数据组织主要是指对获取的林业空间数据进行组织和管理，包括数据处理与转换、存储以及组织调度等。本文所介绍的林业空间组织主要是指对林业空间数据进行数字化和格式转换。具体可以分以下方面的内容：

    1、利用ArcGIS 9.0对上文中提及的业局级空间数据库模型中的林业基础地理数据进行跟踪数字化，得到林业基础地理数据要素集和林业区划要素集，并存储为Coverage格式。

    2、根据国家林业二类数据，根据需要制成数据库表，为进一步输入数据库中存储做准备。

    3、利用MapInfo软件对提供的TAB格式的文件进行格式转换，使其以Coverage格式文件的形式存储在ArcInfo中。

    4、对所有的Coverage格式数据进行投影信息处理，使其统一为横轴墨卡托投影、经纬度坐标形式。

    （三）空间数据库设计

    1、林业空间数据分层设计。根据国家标准地形图图式，本文将林业空间数据分成2大类9个Geodatabase要素类，2个大类分别是矢量数据集和栅格数据集，9个要素类分别是水系要素集、边界线要素集、道路要素集、铁路要素集、管线要素集、林业局要素集、林场要素集、林班要素集和小班要素集。采用1:100000的地形图分层方式，其分层设计如图2所示：

    

    2、林业空间数据编码设计。在林业空间数据中，总共有数十种地物要素，林业基础地形数据编码的设计是区别地物的唯一关键字，是查询和检索的基础，也是在GIS中实现基础空间信息共享的基础。在进行林业基础地形数据编码设计时，必须遵循国家林业标准，要充分考虑操作的方便性和可扩充性，以及用户根据不同需求制定专题显示和输出的原则。本文依据《中国人民共和国森林法》、《林业资源分类与代码》以及《国家森林资源规划设计调查主要技术规定》等相关规定，根据实体的逻辑划分原则，采用如下的编码方式：点（1）、线（3）、面（5）、注记（9）、地类类标识码（地类数据代码结构第1、2位为“02”）；

    3、林业空间数据的属性设计。林业属性数据指的是空间实体的特征数据，通过键盘输入的方式存储到数据库中，与矢量数据和栅格数据共同表达完整的专题意义。在林业空间数据库中，对于林业属性数据的检索和更新都是以小班为基本单元，小班通常由土地属性、管理属性和树木属性等几部分组成。在本文中，林业属性数据通过人工输入的方式存入计算机中，再以属性表的形式存储在Geodatabase中。

    Geodatabase模型对空间数据和属性数据实行一体化管理。在RDBMS中，表的概念对应于Geodatabase模型中的一个要素类。在属性表中，通过一个Shape字段来记录实体的空间数据，Shape字段为GEOMETRY类型，该字段不仅记录了实体的类型信息，而且存储了实体的坐标数据，因而可以自动计算得到线状实体的长度和面状地物的面积。

    五、结论

    基于Geodatabase的空间数据库实现了面向对象的GIS空间数据模型的建立，为数字林业空间数据和属性数据的集成化一体化存储提供了理论基础，从根本上保证了空间数据的完整性和数据共享，保证了点、线、面拓扑关系的一致性，为建立数字林业地理信息系统打下了坚实的基础，由此，可以证明基于Geodatabase+ArcSDE技术的空间数据库的搭建方法可广泛应用于GIS信息系统数据库的设计之中。

    参考文献：

    1、Geodatabase Object Model[M].ESRI Press,2000.

    2、黄林进,甘雪梅.城市地理信息系统空间基础数据建设探讨[J].现代测绘,2003(4).

    3、(美)DeMersM N著;武法东等译.地理信息系统基本原理[M].电子工业出版社,2001.

    4、王萌,张超.基于ArcSDE的信息基础设施空间数据库的设计与实现[J].测绘与空间地理信息,2007(6).

    （作者单位：东北林业大学）