城市基础地理信息数据库设计与实现.docx

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城市基础地理信息数据库设计与实现

第1章概述

1.1研究内容概述

数字城市建设是城市重要的空间数据基础设施建设，是数字中国地理空间框架的重要组成部分，能够直接服务政府部门、企事业单位和社会公众，提高公共管理、突发事件应急、科学决策能力及共享服务水平。

并能够推动数字城市向智慧城市转变。

数字城市以各种比例尺地形图为基础，充分运用现代测绘高新技术和计算机网络技术，建设多尺度、多分辨率、多种类的城市空间数据体系，构建统一的、权威的城市地理信息公共平台。

城市地理信息系统建设是城市空间框架建设的核心。

是对城市的多源数据进行有效、合理的整合，为各类与地理位置有关的应用部门提供统一的地理空间信息公共平台。

基础地理信息数据库作为数字城市的重要空间信息模块，通过不同模型结构提供多种分辨率的空间和时间维度上地理信息，服务于多种应用领域。

基础地理信息数据库由基础地理信息数据、数据管理系统以及软硬件支撑环境等组成。

基础地理信息数据主要是指通用性较强，功能共享需求最大，能够被测绘相关行业采用作为统一的数据空间定位和空间分析的基础单元。

主要包括地理信息数据进行定位的地理坐标系格网；表达自然地理信息的地貌、水系、植被；表达社会地理信息的居民地、交通、管线、境界、特殊地物、地名等要素。

基础地理信息数据同采用的地图比例尺有关，随着比例尺的增大，基础地理信息的覆盖面更加广泛细致。

基础地理信息数据管理系统是以实现数据的基本输入、编辑、查询、浏览、分析、统计、输出以及更新维护为目标，对以各种不同的技术手段获取的不同格式、类型的基础地理信息数据进行采集、编辑处理和存贮，从而对城市多源基础地理信息数据进行有效整合，为城市中与测绘需求相关的部门（国土、城市规划、测绘、林业和农业等部门）提供基础地理信息服务，为各类社会经济信息的整合、共享提供专业、通用的地理空间信息公共平台。

地形数据库建设是基础地理信息系统的重要组成部分，是其它专业地理信息系统或数字城市的定位基础。

该类数据库将国家基本比例尺地形图中表达的各类自然地理和社会地理信息要素，包括定位基础、水系、居民地及设施、交通、管线、境界、地貌、植被与土质、注记等，按照统一的标准进行分类编码，以一定的规则分层，并对各要素的空间、属性信息及相互间的空间关系等数据进行采集、编辑、处理。

本文以平原区某市数字城市建设项目为例进行基础地理信息数据库设计与实现的研究。

该数字城市建设项目中的地形数据库建设涉及1：

500、1：

1000、1：

10000、1：

50000等多种比例尺；地形图的数据包括DWG、SHP、GDB等格式；数据的分层包括国标八大类分层、航测四位编码分层等分层方式；图形信息以点状和线状地物存在、以点状和线状以及面状地物存在等形式；数据的属性信息以扩展属性和文字描述等方式存在，形成多尺度、多数据格式的数据源。

本文选取项目中不同比例尺、不同格式的地形图作为源数据对地形数据库的设计与实现进行探讨。

1.2研究的内容

本文从数字城市建设项目中各种比例尺数据中选取了1：

1000和1：

10000两种比例尺地形图数据进行研究分析。

两种比例尺数据各选取了两种格式数据：

1：

1000比例尺数据选取的数据格式为DWG格式和SHP格式；

1：

10000比例尺数据选取了DWG格式和GDB格式。

由于此四种数据的分层方式、分类编码、图形的表现形式均不相同，文中对四种数据的编辑整理入库分别进行了研究分析。

数据编辑整理入库采用的软件包括：

AutoCAD、Arcgis、GeoWay。

1.3研究方法和技术路线

1.3.1研究方法

根据地理信息相关技术标准对选取的不同比例尺、不同格式数据的分层、分类编码、图形的表现形式等信息进行了详细分析，按照规范标准设计数据库，在相应的软件中完成数据的编辑整理、质量检查，最后建立符合规范要求的地理信息数据库。

1.3.2技术路线

图1-1总体技术流程图

第2章基础地理信息数据分析

2.11：

1000比例尺数据

2.1.1DWG格式数据

研究数据为2012年野外实测，由南方CASS软件编辑成的数字线划图。

2.1.1.1数据分层、编码及属性信息

图层依据《基础地理信息要素分类与编码》按八大类进行分层。

图2-1数据的图层

要素编码采用国标码+图形代码组成，地形图数据中点状地物的编码在要素的Z比例属性中；线状地物的编码在要素的厚度属性中。

图2-2线状地物和点状地物的编码

要素的扩展属性为地物的实体名称。

图2-3地物的实体名称

2.1.1.2数据形式

地形图数据是以点、线、面、注记等形式表示：

点状符号表示独立的地物（植被符号等），以一组坐标表示；线状符号是以一组连续的坐标表示；面状要素的表示在DWG数据中部分数据是以一组首尾相连的坐标表示（例如：

一般房屋、门顶等），部分需要以面状表示的要素不存在闭合线（例如：

道路面、部分植被面）。

图2-4DWG线划图数据

2.1.1.3数据分析

DWG格式线划图，数据是以点、线方式表示要素，数据未进行拓扑分析，数据本身存在不合理的线线相交（两路边线相交、两房屋边线相交等）、线悬挂（围墙线未延伸到房屋边沿、地类界未延伸到路边线等）、要素之间不相接（围墙与路边线代替植被的边界线等）等问题。

图2-5线线相交

图2-6线悬挂

地形图数据根据《基础地理信息要素数据字典第1部分：

1:

5001:

10001:

2000基础地理信息要素数据字典》（GB/T20258.1―2007）标准，要对需要面状表示的要素进行构面处理，如池塘面、植被面，构面前需进行拓扑关系处理。

在此数据中，则需要对相应地物进行闭合区域处理。

由于数据存在的不合理的线线相交、线悬挂等问题，使得构面的工作量较大。

2.1.2SHP格式数据

研究数据是2012年野外实测，在山维软件中编辑成图的SHP格式数据。

2.1.2.1数据分层、编码及属性信息

图层依据《地形图要素分类与编码》按八大类分层，要素编码采用国标码+图形代码组成。

要素的编码和属性信息分别存在于SHP文件的属性表中。

图2-7数据分层

图2-8植被与土质面层属性表

图2-9居民地与设施面层属性表

由植被与土质面层属性表和居民地与设施面层属性表可看出，此格式数据有一些属性字段，属性字段内容为一些要素的属性信息，但数据的属性信息不符合数据库设计结构的要求。

如植被与土质面层属性表中，未填写果园和林地等要素的类型、种类、树种等信息；居民地与设施面层属性表中，未填写建成房屋的名称、房屋层数、结构类型、用途等信息。

未填写的要素属性信息在进行数据入库编辑整理时需要根据注记中的文字描述进行属性的补充完善。

2.1.2.2数据形式

数据分别以点、线、面的SHP文件保存。

数据是以点、线、面、注记等形式表示：

点状要素表示独立的地物（植被符号等），以独立点表示；线状符号是以一组连续的坐标表，以非闭合线表示；面状要素的表示是以一组首尾相连的坐标表示，以闭合线表示面边线，面内部存在标识点。

2.1.2.3数据分析

在SHP格式数据中，部分面状地物进行了闭合处理，但仍存在同一层地物有的未做构面处理和构面处理错误等问题。

图2-10居民地层中构面错误与编辑整理后对比

图2-11水系层中未构面要素和编辑整理后对比

部分数据的图形表示方不正确。

例如：

交通层中，需要同时以道路边线和道路面表示的双线路，分别在交通线和交通面层中存在要素的缺失。

图2-12套和前单独交通线层与交通面层对比

图2-13交通线层与交通面层套合

通过对交通线与交通面套合检查，此处交通线层和交通面层要素为互补关系，而非道路的复合表示。

基于以上的数据分析，虽然源数据已有了属性信息表，且部分要素已进行了构面处理，但属性表中的信息不完全，进行构面的数据也存在错误和丢漏。

要编辑整理成符合数据库设计标准，需要较大的工作量。

2.21：

10000比例尺数据

2.2.1DWG格式数据

DWG格式的数据为航测编辑成图后的制图数据。

2.2.1.1数据分层、编码及属性信息

数据图层依据航测图层的数字形式分层。

数据中无属性信息。

图2-14原始数据的图层

2.2.1.2数据形式

数据是以点、线、面、注记等形式表示：

点状符号表示独立的地物（植被符号等）；线状符号是以一组连续的坐标表，以非闭合线表示；面状要素的表示是以一组首尾相连的坐标表示，部分面状地物进行了闭合处理，增加了标识点。

例如图2-152113层中的已构面的街区、图2-169382层中的已构面的园地。

图2-152113层中的已构面的街区

图2-169382层中的已构面的园地

2.2.1.3数据分析

要素无属性信息，一些需要高程信息的要素（控制点、高程点、等高线等）的属性信息中亦无高程值，高程值都以注记形式存在。

数据属性信息的填写需要根据注记表示的文字信息填写。

数据中部分需要面状表示要素的未进行线的闭合处理，增加了编辑整理入库的工作量。

2.2.2GDB格式数据

GDB格式的数据是经过航测编辑后生成。

2.2.2.1数据分层、编码及属性信息

数据图层依据数据库建设标准分层，属性信息在要素的属性表中。

图2-17GDB数据的图层

图2-18Vegnt-pl图层属性

图2-19Anopt注记图层属性表

2.2.2.2数据形式

数据分别以点、线、面的GDB文件保存。

数据是以点、线、面、注记等形式表示：

点状要素表示独立的地物，以独立点表示；线状符号是以一组连续的坐标表，以非闭合线表示；面状要素的表示是以一组首尾相连的坐标表示，以闭合线表示面边线，面内部存在标识点。

2.2.2.3数据分析

GDB数据虽然数据形式符合要求，但数据中部分要素的表示错误。

如部分街区闭合面内缺少标识点，部分要素数据形式表示错误。

图2-20Anopt要素内缺少标识点

图2-21要素的数据形式表示错误

2.3小结

本章分别对选取的不同比例尺、不同格式的数据，从数据的分层、分类编码、数据的属性信息、图形的表现形式以及数据存在的问题特点等几个方面进行了详细说明分析。

由于源数据未按入库要求成图，数据入库前的编辑整理繁琐、工作量较大。

1．1：

1000比例尺数据

DWG格式数据

数据为2012年野外实测，由南方CASS软件编辑成的数字线划图。

图层依据《基础地理信息要素分类与编码》按八大类进行分层。

要素编码采用国标码+图形代码组成，地形图数据中点状地物的编码在要素的Z比例属性中；线状地物的编码在要素的厚度属性中。

地形图数据是以点、线、面、注记等形式表示。

数据本身存在不合理的线线相交、线悬挂、要素之间不相接等问题，需要进行拓扑关系处理，未进行闭合处理的面状要素要进行构面。

面状要素的闭合处理在源数据预处理阶段的工作量最大，此类数据的源数据处理工作也是研究的四种数据中工作量最大的数据。

SHP格式数据

研究数据是2012年野外实测，在山维软件中编辑成图的SHP格式数据。

数据的图层依据《地形图要素分类与编码》分为八大类，要素编码采用国标码+图形代码组成。

数据分别以点、线、面的SHP文件存在，大部分数据的图形表示方式正确，但部分需要复合表示的要素的图形表示方式不正确。

要素的编码和属性信息分别存在于SHP文件的属性表中，属性字段存在一些要素的属性信息，但数据的属性信息不符合数据库设计结构的要求。

2．1：

10000比例尺数据

DWG格式数据

DWG格式的数据为航测编辑成图后的制图数据。

数据图层依据航测图层的数字形式分层。

数据中无属性信息。

数据是以点、线、面、注记等形式表示。

数据中部分面状地物进行了闭合处理，增加了标识点；部分面状地物只进行了闭合处理，并未增加标识点。

在编辑整理入库阶段，数据的属性信息需要根据注记表示的文字信息填写。

数据中面状表示不完全的要素要进行完善。

GDB格式数据

数据分别以点、线、面、注记等形式表示，要素的属性信息在数据的属性表中。

此数据的组织结构最符合规范要求，但数据中存在部分要素表示错误，部分属性信息缺失的问题，使得在编辑整理入库时，要对数据的表示形式和属性信息逐要素进行检查和编辑处理。

数据的分析与检查是数据编辑整理入库的第一步，也是非常重要的步骤。

数据库建设的源数据存在多样性，数据量大，编辑处理繁琐等问题。

因此在数据的预处理方面无形中增加了不小的工作量。

第3章基础地理信息数据库设计

3.1数据库设计的原则和标准

3.1.1数据库设计的基本原则

为确保数据库建成后能够稳定的运行和发挥作用，数据库建设必须遵循一定的原则：

1.实用性原则

数据库建设应在技术指标、标准体系、产品模式、数据库模式等方面面向城市信息应用。

2．先进性原则

应充分利用当前先进、实用的技术手段，采用成熟的设计方案、技术标准、和软件环境，实现对多尺度、多数据源、多时相基础地理信息数据的管理，保障系统稳定、可靠地运行。

3.标准化原则

在数据库建设中，数据库生产及数据库设计、建立、管理与维护等应符合规范化要求。

4.安全性原则

在数据库设计、建立、运行、管理与维护等方面中应有严格的安全与保密措施，确保整个数据库安全，正常和有效地运行和使用。

5.现势性原则

数据库的建设应采用最新的基础地理信息数据，并应建立维护更新机制，保证基础地理信息的现势性。

对更新后产生的历史数据应进行有效的管理。

6.网络化原则

数据库的建立应基于网络环境和集中与分布相结合的数据管理模式，采用客户/服务器、浏览器/服务器结构，实现数据库的管理维护和网络信息发布。

3.1.2数据库设计的基本标准

由于基础地理信息数据格式种类较多，表达的要素齐全丰富，涉及领域广泛，为了能将它们按照标准有机地进行组织，有效地进行存储、管理以及检索应用，要将所有的地理信息数据按照既定的标准进行分类和编码，使其有序地存入计算机中以满足基础地理信息数据进行按类别存储，按类别和代码进行检索，以及各种应用分析需求。

因此首先必须对基础地理信息数据进行分类和编码，编写相应的数据入库标准。

本文所依据的数字城市建设项目的技术指标如下：

（1）定位基准

坐标系：

1980西安坐标系；

地图投影：

高斯—克吕格投影；3度分带，中央子午线：

东经117°。

（2）高程基准

高程基准：

1985国家高程基准。

（3）比例尺

本文所选用数据的比例尺：

1:

1000、1：

10000。

（4）存储单元

各种比例尺的成果数据的存储单元以图幅为单位。

（5）文件命名

命名规则：

各级比例尺的成果数据库的文件命名应采用“DLG+图幅比例尺代码+图幅编号.扩展名”的规则，例如1：

1000比例尺图幅号位80.0-70.0的图幅的成果数据的命名为DLGK800-700.mdb。

1：

10000比例尺图幅号位J50G011044的图幅的成果数据的命名为DLGGJ50G011044.mdb。

图幅比例尺代码：

各级比例尺图幅的比例尺代码见下表。

表3-1图幅比例尺代码表

（6）数据地理要素几何特征码

表3-2地理要素几何特征码

（7）地理信息要素分类与编码

1）要素分类

“要素分类采用线分类法，要素类型按从属关系依次分为四级：

大类、中类、小类、子类。

大类包括：

定位基础、水系、居民地及设施、交通、管线、境界与政区、地貌、土质与植被等8类；中类在上述各大类基础上划分出共46类。

地名要素作为隐含类以特殊编码方式在小类中具体体现。

小类、子类按照1:

5001:

10001:

2000、1:

5000～1:

100000、1:

250000～1:

1000000三个比例尺段进行类别划分。

大类、中类不得重新定义和扩充。

小类子类不得重新定义，根据需要可进行扩充。

2）要素编码

地理信息要素的编码共分地理要素编码、注记编码和辅助图形编码。

“a）要素编码规则：

地理要素分类代码应采用6位十进制数字码，按大类码、中类码、小类码和子类码的顺序排列组成。

代码结构图见下图：

左起第一位为要素的大类码；

左起第二位为要素的中类码，在要素的大类码的基础上细分形成的要素类；

左起第三、四位为要素的小类码，在要素的中类码的基础上细分形成的要素类；

左起第五、六位为要素的子类码，在要素的小类码的基础上细分形成的要素类。

各级比例尺基础地理信息要素分类与编码。

表3-3各类地理要素分类及其编码表

b）注记的编码规则：

注记分为境界名称、居民地名称、各种要素的说明注记、山名、水系名称、各种数字注记以及交通注记，每类地理要素所对应的注记的编码大类与中类与所说明的地理要素的编码一致，各级比例尺基础地理信息要素分类与代码。

c）辅助图形的编码：

辅助图形要素主要是图廓整饰、坐标格网等地形要素，具体编码参照下

表3-4辅助图形要素

3.2软件配置

操作系统：

WindowsNT4.0；Windows2000；WindowsXP

数据库管理系统：

Oracle10g

空间数据引擎：

ESRIArcSDE8.2

专业GIS平台：

ArcEngineRuntime8.2+ArcEnginePackage

数据操作软件：

CASS、Arcgis、GeoWay

3.3基础地理信息数据库组织结构设计

数据组织是数据管理的基础，数据库组织结构设计是指按照一定的方式和规则对数据进行归层、编辑处理、存储的过程。

本文主要介绍数字城市建设项目的数据库的逻辑结构和物理结构设计。

通过对用户需求进行综合、归纳，对信息收集、分类、聚集和概括等处理，建立数据库的模型并进行数据库的结构设计。

本文所依托的项目的结构设计采用集中式设计方法。

数据库设计之前首先进行需求分析（基础地理信息数据库实现其输入、编辑、浏览、查询、统计、分析、表达、输出、更新等管理、维护与分发功能），对要达到的效果进行需求合并，然后在此基础之上设计数据库。

3.3.1数据库的逻辑结构

本文基于的数字城市建设项目采用的逻辑模型为关系模型，采用Oracle和ArcSDE进行数据库设计。

Oracle是成熟的、先进的大型关系型数据库，能够进行海量数据的存储管理。

ArcSDE具有海量数据存储机制、多用户并发访问、版本管理、长事务处理等强大优势的空间数据引擎。

基础地理信息数据库统一采用GeoDatabase的数据模型进行数据组织。

根据基础地理信息数据的逻辑结构和GeoDatabase的数据模型特点，空间数据库的逻辑层次结构划为四级：

总库-分库-逻辑层-物理层。

总库是基础地理信息库的总称。

子库（Dataset数据集）是总库下按照数据类型及地理要素的分类对子库进行逻辑分层并建立对应比例尺的数据库。

逻辑层是对子库进行逻辑分层，每个逻辑层按照FeatureClass进行物理分层。

物理层是逻辑层中设定的各个FeatureClass数据。

例如：

逻辑层中FeatureClass表示居民地面的图层对应的物理层的图层名为：

RESA。

3.3.2数据库的物理结构

数据库的物理结构是逻辑设计映射到存储介质上，并对数据进行物理访问和维护。

数据库物理结构设计采用自顶而下的方式，即先整体设计数据库的总体框架再逐步细化设计。

为更好的完成DLG数据的入库、更新与维护工作，各比例尺数字地形图数据独立建库（数据集），在SDE中分别对应一个GeoDataSet，其命名规则为：

DLG+比例尺代码+入库年份。

1：

1000比例尺数据库，其GeoDataSet的命名：

DLGK2012。

1：

10000比例尺数据库，其GeoDataSet的命名：

DLGG2012。

数据库中的每一个物理图层对应一个FeatureClass。

数据库的FeatureClass设计包含八大类要素（定位基础、水系、居民地及设施、交通、管线、境界、地貌、植被与土质），按照数据的空间数据类型进行合理的分类布局。

基础地理信息数据库的物理结构见下图：

图3-1数据库的物理结构设计

3.3.3数据库的设计

本文主要研究1：

1000和1：

10000两种比例尺的数据入库。

两种比例尺的数据库设计原则、标准以及物理结构都相同。

1：

10000比例尺数据库相对于1：

1000比例尺数据库中个别要素有差异。

现以1：

1000比例尺数据为例，介绍数据库的设计。

数据库的设计是数据库物理结构的具体实现。

按照数据库设计的基本标准设定数据库的具体图层，对图层中要素的属性字段的类型及宽度等进行设计，然后再对具体要素进行分层。

3.3.3.1数据分层及属性定义

表3-5矢量数据集设计表

3.3.3.2属性项名称及定义

表3-6属性项名称及定义

3.3.3.3要素分类结构设计

表3-7定位基础

表3-8水系

表3-9居民地及设施

表3-10交通

表3-11管线

表3-12境界与政区

表3-13地貌与土质

表3-14植被

表3-15地名

3.3.3.4图层的要素设定

每个图层中具体的要素，根据《基础地理地理信息要素分类与代码》（GB/T13923-2006）来设定。

要素属性项根据《基础地理信息要素数据字典第1部分：

1:

5001:

10001:

2000基础地理信息要素数据字典》（GB/T20258.1―2007）和《基础地理信息要素数据字典第2部分：

1:

50001:

10000基础地理信息要素数据字典》（GB/T20258.2―2006）（以下简称数据字典）表示。

现以水系层中水井为例介绍要素的分层及属性项表示。

设定的水系点层和水系面层的要素表示如下表：

表3-16水系（点）层

表3-17水系（面）层

图3-2260800（水井）要素在数据字典中的描述

根据水系（点）层的要素设定表，表中泉和水井的属性根据数据字典中的要素信息填写，表中水井的属性表中的NAME和TYPE字段信息则根据数据字典中要素的属性表的名称和类型等信息填写。

根据数据字典中要素的几何表示，水井存在点或面两种几何特征。

当图形中的水井为不依比例尺地物时，在水系点层以点状表示；当图形中的水井为依比例尺水井时，在水系面层以面状表示。

数据库中各要素根据数据字典中各要素的几何表示特征在相应图层中设定，要素的属性信息根据数据字典中要素属性表的属性名称进行设定。

3.4小结

本章从数据库的设计标准和原则、相应的软件配置以及数据库的结构设计三方面进行研究探讨。

为确保数据库建成后能够稳定的运行和发挥作用，为确保数据库建成后能够稳定的运行和发挥作用，数据库建设必须遵循实用性、先进性、标准化、安全性、现势性和网络化的原则。

根据项目设计城市的地理位置和已有资料的特点以及甲方的具体要求，对项目定位基准、高程基准、比例尺、存储单元、文件命名、要素的几何特征码、要素的分类及分层等标准信息进行了设定。

介绍了项目的支撑软件。

文中对项目数据库的逻辑结构和物理结构结构进行设计。

对本文研究的1：

1000和1：

10000两种比例尺体的数据库的设计