规划测绘数据库设计研究
李伙友
摘 要：以龙岩规划测绘数据库设计需求为例，总结了规划测绘数据库设计的原则和分类，深入研究了规划测绘数据的基本要素和数据结构的模型。基于ArcGIS平台和AutoCAD二次开发环境，提出了规划测绘数据库设计的技术路线、模型设计方法和注意事项，开发并实现了龙岩地理信息演示系统。
关键词：ArcGIS；规划测绘数据；数据库设计
1 引言
城市现有规划测绘数据资源存在以下六个方面的问题：一是数据资源分散、未能有效利用；二是数据内容单一；三是数据格式标准不统一；四是更新机制无法建立；五是组织管理机构不健全；六是投资渠道单一而不稳定，重复建设严重。龙岩市城乡规划局测绘服务站在城市信息化建设过程中，碰到以上一样的问题。为此，龙岩学院数学与计算机科学学院和龙岩市城乡规划局测绘服务站共同合作完成基于ArcGIS龙岩规划测绘数据库建设研究项目（福建省教育厅项目JB12209）。通过该项目建设，基本上解决了龙岩规划测绘数据统一格式采集、AutoCAD数据格式和ArcGIS平台数据库统一建库问题。
本文针对项目建设过程中规划测绘数据库设计问题进行研究，详细分析了规划测绘数据组成要素，把几何网络模型和逻辑网络模型相结合构建了数据库模型，基于ArcGIS平台和AutoCAD二次开发环境，对规划测绘数据库进行了设计。
本项目建设采用ArcSDE（ArcGIS的空间数据引擎）+MySQL（Oracle公司开放源代码数据库管理系统）存储空间及其属性数据，基于ArcGIS平台和AutoCAD2010二次开发，研究了规划测绘数据库设计的技术路线、模型设计方法和注意事项。[1]
2 规划测绘数据库设计的原则和分类
2.1 规划测绘数据库设计的原则
对城市建设各部门建立统一有效的管理制度，按统一的标准收集、整理和分析各部门在行政办公过程中产生的各种空间信息，建成一个内容涵盖从空中到地表，再到地下包括地形、地貌、地下综合管线、工程地质、建筑物纹理、道路纹理等全方位的，多比例尺、多分辨率、多时相、多种数据来源的城市三维立体空间数据库，并建立有效的数据更新机制。主要原则总结为以下六点：1）标准化原则，2）数据共享原则3）先进性原则，4）实用性原则，5）安全性原则，6）可扩展性原则。
2.2 规划测绘数据库设计的分类
规划测绘数据库和城市基础空间数据库一样，也分为基本空间数据库和外延空间数据库两个部分。[2]
1）基本空間数据库设计
基本空间数据库设计是规划测绘应用系统的空间定位参考基准，目标是建成一个多种表现形式、多数据源、多种比例尺、多分辨率、多时相、多种数据组织形式的综合数据库。其内容包括数字线划地形数据库、数字高程模型数据库、数字正射影像数据库和数字栅格数据库等。基本空间数据库的建设投资巨大，最佳方案分期逐步建设。
2）外延空间数据库设计
外延空间数据库是基本空间数据库的补充，如果说基本空间数据库是城市空间信息的骨架，外延空间数据库则是城市信息化建设的灵魂。以基本空间数据库为基础，从城市建设部门（特别是城市规划部门）的行政审批流程中收集和整理现状建筑、土地利用、房地产、地下综合管线和工程地质等空间信息，作为基本空间数据库的补充。外延空间数据库设计的主要内容包括现状建筑数据库、地名数据库、现状路网数据库、工程地质数据库和地下综合管网数据库等。
3 规划测绘数据基本要素和数据结构模型分析
3.1 规划测绘数据基本要素分析
基于AutoCAD平台DWG格式数据信息主要是通过矢量图来表示，其属性只能通过标注表示，不能够进行空间分析；基于ArcGIS平台SHP数据格式信息属性能够以属性表的形式存储，图形对应属性，能够通过空间数据库对规划测绘数据进行管理、操作和GIS空间分析等。
上述两种数据本质上的区别在于：DWG数据格式主要是以图面的形式表现规划测绘数据名称、层数、面积等属性数据，不利于对图形进行查询和分析，而SHP格式数据是把AutoCAD原图面上的规划测绘各属性数据转变为通过空间数据库管理和查询。AutoCAD支持的DWG格式数据信息主要用作规划测绘数据成果的表现，而规划测绘管理信息系统中数据不仅可以表现城市规划测绘成果，还可以支持叠加分析及统计分析等GIS功能分析 。因此，建设数据库之前需要对DWG格式支持的数据进行必要的取舍和处理。
3.2 规划测绘数据结构模型分析
规划测绘数据可以从地理角度和网络角度两个方面认识。从地理角度看，应能使规划测绘数据本身符合空间实体要素表现和数据库管理的需求；从网络角度看，则需要明确各数据之间的连通关系。若按原有AutoCAD格式中的表现方式，规划信息易产生逻辑上的混乱。
一个几何网络总是与一个逻辑网络相联系，在编辑几何网络要素的同时，相应的逻辑网络元素会自动更新。在几何网络中的网络要素和逻辑网络的元素间有一对一和一对多的关联关系。一个网络要素类是以下四种网络要素类型之一的集合：简单交汇点要素、复杂交汇点要素、简单边线要素、复杂边线要素。几何网络中的简单边线要素与逻辑网络中的一条边元素相联系，几何网络中的复杂边线要素与逻辑网络中多个边元素相对应，同时，这些边必须是一个链状结构。当对一个几何网络要素进行添加或删除时，系统也会自动添加或删除相应的网络元素。在进行网络分析时，系统会向逻辑网络传递分析方案，几何网络和逻辑网络是密不可分的。
4 规划测绘数据库设计的技术路线、模型设计方法
4.1 技术路线
基于ArcGIS平台设计规划测绘数据库同样也遵循普通数据库设计的三个阶段， 即概念模型、逻辑模型和物理模型的设计。
1） 概念模型设计阶段应根据规划测绘数据库的特点和ArcGIS平台的内部结构， 确定各地图要素所属的专题图层， 并对要素的类型、属性、相互之间的联系和约束行为进行简单描述[6]。可利用实体- 关系模型或添加了象形图的扩展E-R模型表示要素类的组织结构及其关联关系。
2） 逻辑模型设计应根据概念设计阶段定义的数据类型、属性及其关系和行为， 确定各地理要素的描述方式。①将离散的矢量数据组织到要素数据集、要素类或关系类中， 影像数据和表面数据组织到栅格数据集或栅格目录中， 地图说明信息组织到注记类中；②定义要素类和表格应包含属性字段， 并指定各字段的属性域、缺省值、精度和范围等特性；③根据地理要素编码标准恰当应用子类控制要素的行为， 设定要素间的关联规则以增强要素的空间一致性。在逻辑模型设计阶段， 可利用面向对象的工业化标准建模语言UML， 将E-R模型中的实体、属性和联系分别映射成UML的类、对象和关系， 组成UML静态结构图。
3） 物理模型设计可利用现有的软件工程技术，借助Case工具将数据库的逻辑模型直接转换成物理模型， 从而避免物理模型设计阶段手工建模的差错， 提高数据库的设计效率。
4.2 模型设计方法
1） 借助Microsoft Visio、Rational Rose或Oracle Designer 2000等Case工具设计UML类图。ArcGIS中要素数据集、要素类、表格、几何网络和关系等元素可用UMLCD中的包、类和关联来表示。最后将设计好的UMLCD输出到XMI文件或Microsoft Repository中。
2） 在Case工具中对生成的XMI文件或Repository进行语意上的差错处理， 在确保没有错误报告的情况下可利用ArcCatalog提供的Case子系统从XMI文件或Repository生成ArcGIS方案。
3） 因為现有的Case工具还无法对ArcGIS方案定义空间参考和创建拓扑[7]， 可利用ArcCatalog数据库管理工具对Case工具生成的ArcGIS方案定义空间参考并创建拓扑， 同时对Case工具定义的部分关联关系及整个数据库方案作进一步的提炼和扩展， 以适应规划测绘数据库的特殊需求。
4.3 主要成果展示
分为三部分，一是数据库系统启动界面，二是建筑楼层查询子系统，三是市区三维地形图查询。详细情况在此省略。
5 总结与展望
以规划部门对信息管理的需求，通过对规划测绘数据的基本要素和数据结构的模型的研究，基本完成了基于ArcGIS平台和AutoCAD二次开发环境对龙岩城乡规划测绘数据库的设计方案，该设计方案基本实现了规划部门所要求的功能和需求。但真要付之实践应用，至少还需满足以下三个条件：一是资金投入，不断完善基本空间数据库和外延空间数据库的建库工作；二是提升相关工作人员的技术水平；三是必须有强力部门牵头协调组织，制定相应技术标准和规范，协调各部门工作。
参考文献
[1] 邱建康. 基于AutoCAD的ArcGIS空间数据库互操作实现[J].湖北：城市勘测，2010（5）：54-56.
[2] 熊勤芳，何一明.论城市建设基础空间数据库建设[J].北京：中国测绘，2007（3）：80-83.
[3] 邱建康.基于AutoCAD的ArcGIS空间数据库互操作实现[J].北京：城市勘测，2010（5）：54-56.
[4] Xiaoyong Zhan， Min-Lang Huang. ArcCN-Runoff： an ArcGIS tool for generating curve numberand runoff maps [J]. Environmental Modelling & Software 19 （2004） 875–879.
[5] Andrew Perencsik， Eddie Idolyantes.Designing Geodatabases With Visio [M] . USA： ESRI Press 2004
摘 要：以龙岩规划测绘数据库设计需求为例，总结了规划测绘数据库设计的原则和分类，深入研究了规划测绘数据的基本要素和数据结构的模型。基于ArcGIS平台和AutoCAD二次开发环境，提出了规划测绘数据库设计的技术路线、模型设计方法和注意事项，开发并实现了龙岩地理信息演示系统。
关键词：ArcGIS；规划测绘数据；数据库设计
1 引言
城市现有规划测绘数据资源存在以下六个方面的问题：一是数据资源分散、未能有效利用；二是数据内容单一；三是数据格式标准不统一；四是更新机制无法建立；五是组织管理机构不健全；六是投资渠道单一而不稳定，重复建设严重。龙岩市城乡规划局测绘服务站在城市信息化建设过程中，碰到以上一样的问题。为此，龙岩学院数学与计算机科学学院和龙岩市城乡规划局测绘服务站共同合作完成基于ArcGIS龙岩规划测绘数据库建设研究项目（福建省教育厅项目JB12209）。通过该项目建设，基本上解决了龙岩规划测绘数据统一格式采集、AutoCAD数据格式和ArcGIS平台数据库统一建库问题。
本文针对项目建设过程中规划测绘数据库设计问题进行研究，详细分析了规划测绘数据组成要素，把几何网络模型和逻辑网络模型相结合构建了数据库模型，基于ArcGIS平台和AutoCAD二次开发环境，对规划测绘数据库进行了设计。
本项目建设采用ArcSDE（ArcGIS的空间数据引擎）+MySQL（Oracle公司开放源代码数据库管理系统）存储空间及其属性数据，基于ArcGIS平台和AutoCAD2010二次开发，研究了规划测绘数据库设计的技术路线、模型设计方法和注意事项。[1]
2 规划测绘数据库设计的原则和分类
2.1 规划测绘数据库设计的原则
对城市建设各部门建立统一有效的管理制度，按统一的标准收集、整理和分析各部门在行政办公过程中产生的各种空间信息，建成一个内容涵盖从空中到地表，再到地下包括地形、地貌、地下综合管线、工程地质、建筑物纹理、道路纹理等全方位的，多比例尺、多分辨率、多时相、多种数据来源的城市三维立体空间数据库，并建立有效的数据更新机制。主要原则总结为以下六点：1）标准化原则，2）数据共享原则3）先进性原则，4）实用性原则，5）安全性原则，6）可扩展性原则。
2.2 规划测绘数据库设计的分类
规划测绘数据库和城市基础空间数据库一样，也分为基本空间数据库和外延空间数据库两个部分。[2]
1）基本空間数据库设计
基本空间数据库设计是规划测绘应用系统的空间定位参考基准，目标是建成一个多种表现形式、多数据源、多种比例尺、多分辨率、多时相、多种数据组织形式的综合数据库。其内容包括数字线划地形数据库、数字高程模型数据库、数字正射影像数据库和数字栅格数据库等。基本空间数据库的建设投资巨大，最佳方案分期逐步建设。
2）外延空间数据库设计
外延空间数据库是基本空间数据库的补充，如果说基本空间数据库是城市空间信息的骨架，外延空间数据库则是城市信息化建设的灵魂。以基本空间数据库为基础，从城市建设部门（特别是城市规划部门）的行政审批流程中收集和整理现状建筑、土地利用、房地产、地下综合管线和工程地质等空间信息，作为基本空间数据库的补充。外延空间数据库设计的主要内容包括现状建筑数据库、地名数据库、现状路网数据库、工程地质数据库和地下综合管网数据库等。
3 规划测绘数据基本要素和数据结构模型分析
3.1 规划测绘数据基本要素分析
基于AutoCAD平台DWG格式数据信息主要是通过矢量图来表示，其属性只能通过标注表示，不能够进行空间分析；基于ArcGIS平台SHP数据格式信息属性能够以属性表的形式存储，图形对应属性，能够通过空间数据库对规划测绘数据进行管理、操作和GIS空间分析等。
上述两种数据本质上的区别在于：DWG数据格式主要是以图面的形式表现规划测绘数据名称、层数、面积等属性数据，不利于对图形进行查询和分析，而SHP格式数据是把AutoCAD原图面上的规划测绘各属性数据转变为通过空间数据库管理和查询。AutoCAD支持的DWG格式数据信息主要用作规划测绘数据成果的表现，而规划测绘管理信息系统中数据不仅可以表现城市规划测绘成果，还可以支持叠加分析及统计分析等GIS功能分析 。因此，建设数据库之前需要对DWG格式支持的数据进行必要的取舍和处理。
3.2 规划测绘数据结构模型分析
规划测绘数据可以从地理角度和网络角度两个方面认识。从地理角度看，应能使规划测绘数据本身符合空间实体要素表现和数据库管理的需求；从网络角度看，则需要明确各数据之间的连通关系。若按原有AutoCAD格式中的表现方式，规划信息易产生逻辑上的混乱。
一个几何网络总是与一个逻辑网络相联系，在编辑几何网络要素的同时，相应的逻辑网络元素会自动更新。在几何网络中的网络要素和逻辑网络的元素间有一对一和一对多的关联关系。一个网络要素类是以下四种网络要素类型之一的集合：简单交汇点要素、复杂交汇点要素、简单边线要素、复杂边线要素。几何网络中的简单边线要素与逻辑网络中的一条边元素相联系，几何网络中的复杂边线要素与逻辑网络中多个边元素相对应，同时，这些边必须是一个链状结构。当对一个几何网络要素进行添加或删除时，系统也会自动添加或删除相应的网络元素。在进行网络分析时，系统会向逻辑网络传递分析方案，几何网络和逻辑网络是密不可分的。
4 规划测绘数据库设计的技术路线、模型设计方法
4.1 技术路线
基于ArcGIS平台设计规划测绘数据库同样也遵循普通数据库设计的三个阶段， 即概念模型、逻辑模型和物理模型的设计。
1） 概念模型设计阶段应根据规划测绘数据库的特点和ArcGIS平台的内部结构， 确定各地图要素所属的专题图层， 并对要素的类型、属性、相互之间的联系和约束行为进行简单描述[6]。可利用实体- 关系模型或添加了象形图的扩展E-R模型表示要素类的组织结构及其关联关系。
2） 逻辑模型设计应根据概念设计阶段定义的数据类型、属性及其关系和行为， 确定各地理要素的描述方式。①将离散的矢量数据组织到要素数据集、要素类或关系类中， 影像数据和表面数据组织到栅格数据集或栅格目录中， 地图说明信息组织到注记类中；②定义要素类和表格应包含属性字段， 并指定各字段的属性域、缺省值、精度和范围等特性；③根据地理要素编码标准恰当应用子类控制要素的行为， 设定要素间的关联规则以增强要素的空间一致性。在逻辑模型设计阶段， 可利用面向对象的工业化标准建模语言UML， 将E-R模型中的实体、属性和联系分别映射成UML的类、对象和关系， 组成UML静态结构图。
3） 物理模型设计可利用现有的软件工程技术，借助Case工具将数据库的逻辑模型直接转换成物理模型， 从而避免物理模型设计阶段手工建模的差错， 提高数据库的设计效率。
4.2 模型设计方法
1） 借助Microsoft Visio、Rational Rose或Oracle Designer 2000等Case工具设计UML类图。ArcGIS中要素数据集、要素类、表格、几何网络和关系等元素可用UMLCD中的包、类和关联来表示。最后将设计好的UMLCD输出到XMI文件或Microsoft Repository中。
2） 在Case工具中对生成的XMI文件或Repository进行语意上的差错处理， 在确保没有错误报告的情况下可利用ArcCatalog提供的Case子系统从XMI文件或Repository生成ArcGIS方案。
3） 因為现有的Case工具还无法对ArcGIS方案定义空间参考和创建拓扑[7]， 可利用ArcCatalog数据库管理工具对Case工具生成的ArcGIS方案定义空间参考并创建拓扑， 同时对Case工具定义的部分关联关系及整个数据库方案作进一步的提炼和扩展， 以适应规划测绘数据库的特殊需求。
4.3 主要成果展示
分为三部分，一是数据库系统启动界面，二是建筑楼层查询子系统，三是市区三维地形图查询。详细情况在此省略。
5 总结与展望
以规划部门对信息管理的需求，通过对规划测绘数据的基本要素和数据结构的模型的研究，基本完成了基于ArcGIS平台和AutoCAD二次开发环境对龙岩城乡规划测绘数据库的设计方案，该设计方案基本实现了规划部门所要求的功能和需求。但真要付之实践应用，至少还需满足以下三个条件：一是资金投入，不断完善基本空间数据库和外延空间数据库的建库工作；二是提升相关工作人员的技术水平；三是必须有强力部门牵头协调组织，制定相应技术标准和规范，协调各部门工作。
参考文献
[1] 邱建康. 基于AutoCAD的ArcGIS空间数据库互操作实现[J].湖北：城市勘测，2010（5）：54-56.
[2] 熊勤芳，何一明.论城市建设基础空间数据库建设[J].北京：中国测绘，2007（3）：80-83.
[3] 邱建康.基于AutoCAD的ArcGIS空间数据库互操作实现[J].北京：城市勘测，2010（5）：54-56.
[4] Xiaoyong Zhan， Min-Lang Huang. ArcCN-Runoff： an ArcGIS tool for generating curve numberand runoff maps [J]. Environmental Modelling & Software 19 （2004） 875–879.
[5] Andrew Perencsik， Eddie Idolyantes.Designing Geodatabases With Visio [M] . USA： ESRI Press 2004
