水利GIS系统中的数据组织

□ 王学会（开封市水利建筑勘察设计院）

0 引言

GIS（地理信息系统）是具有采集、处理、管理和分析数据能力的系统，主要有计算机的硬件系统、软件系统、空间数据和系统使用管理及维护人员组成，其中空间数据是其核心，主要功能模块有空间数据输入模块、空间数据管理模块、空间数据处理分析模块、应用模块和空间数据输出模块，因此在GIS系统开发中，数据的获取、组织及存贮对系统的开发起到了关键作用。本文主要针对水利GIS中的数据组织的几个问题进行了探讨。

1 水利GIS（地理信息系统）的数据类型

GIS所包含的数据均与地理空间（位置）相联系，这是其区别于其他数据的要点，水利GIS的数据类型按表达形式可以分为空间（图形）数据和非空间（属性）数据两种基本类型。空间（图形）数据包括几何数据和关系数据，从几何角度将空间目标划分为点、线、面三种基本类型，关系数据描述各个不同地理实体之间的空间关系，如接近度、邻接、关联、包含、联通等。属性数据是各个地理单元中的社会、经济或其他专题。在水利GIS系统中，表示河流、水库等实体的几何数据以及表示干流及支流关系的数据即为空间（图形）数据，而表示一河流的名称、平均坡降、流域面积等特性的数据即为属性数据。

水利GIS的数据类型按内容特性及主要功能可以分为地理基础信息、数字地面模型信息、专题信息。在水利GIS系统中，通过地形图或遥感手段获取的交通、居民地、行政区划等信息即为该系统的地理基础信息，为专题信息提供定位与控制的基础；由地面高程点构建而成的DEM及由此导出其他地形因子（坡度、坡向）即为系统的数字地面模型信息，为地表的水文分析提供基础性数据。在水利GIS系统中，专题信息在水利GIS中是最重要的一部分，组成专题信息的空间数据主要分为矢量数据与栅格数据，部分系统中有三维数据结构、TIN。水利GIS的数据主要体现为如下几种形式：以地形图为内容的地理基础数据库（矢量数据）；以水利专题地理信息为内容的专题地理数据库（矢量数据）；以遥感图像数据为内容的影像数据库（栅格数据）；以DEM为内容的数字地面模型数据库（栅格数据）；以地理统计数据、相关属性数据为内容的专题属性数据库（属性数据）。

以上几部分不是独立的，而是紧密相关的，所有空间数据（包括矢量数据、栅格数据）都有相同的地理参考，属性数据则紧密地与空间数据相关联。

2 水利GIS的数据组织与管理

获取上述相关类型数据后，如何将其有效的组织与管理是水利GIS研究的一个重要问题。GIS空间数据管理模式有如下几种：文件管理系统、文件与关系数据库混合管理系统、全关系型数据库管理系统、对象——关系数据库管理系统、面向对象空间数据库管理系统。其中文件管理系统早已弃用，文件与关系数据库混合管理系统也因功能较弱，特别是在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺乏基本的功能也已弃用，现在对象——关系数据库管理系统和面向对象空间数据库管理系统已基本发展成熟。如ARCGIS8.0以来采用的面向对象的空间数据模型——地理数据库，它支持复杂的网络、关系和其他面向对象的特征，使GIS定义的对象与客观世界更为接近，为增强GIS空间分析系统功能提供了可能，并且支持“长事务处理”，很好的解决了数据的安全性、一致性、完整性、并发控制等问题。

因此在水利GIS系统建设中，采取何种数据模型及管理系统关系到系统功能的能否全面实现及系统生命力能否持久等关键问题。现在也主要采用“对象——关系数据库管理系统”或“面向对象空间数据库管理系统”来管理系统的空间数据。

3 水系数据的表示

水系中主要包括河流、湖泊、水库及相关的附属建筑物。下面以河流为例进行说明。

河流是水利GIS系统的重要组成部分，在GIS系统中，可以从多个方面来考虑怎样给河流这一特征建模：一是作为水流网络中的一组边（忽略河流的具体形状）每条边均有流向、坡降、体积和其他河流的属性。该网络模型可以进行水文分析或水运交通分析；二是作为两个地区的边界，一条河流可以作为国家、省的边界线，也可以作为如野生动物居住地的分界线的自然分界线；三是作为一个具体的带有河堤、航道、水闸等的河流实体，为具体研究某一河流提供详细的资料；四是作为地表高程模型中形成水流的一条曲线，从该模型中可以计算河流的剖面、坡降等；可以生成集水流域和水流网络数据。从上可知，具体的河流数据组织要由GIS系统的应用目的而决定，没有哪一种模型是最优的。下面讨论基于河段的数据组织。

在一个集雨区内由相互联通的河流组成的网络成为水系，河段是在两汇合点之间或在一个汇合点和源头之间，或者通过人工改变（如整治与非整治、百年一遇与五十年一遇）而造成现状不同的的一段河流。河段是水系的基本元素，可以作为河流信息的载体。从图论的角度看，基于河段的水系网络便构成一个图：G=(V,E)。

式中：V—为河段的集合；E—为河段之间的关系，可以表示为：E={Vi,Vj｜Vi是Vj的直接下游河段｝。

由于河网结构大部分不存在回路，图G便呈现为树结构。这样建立起来的水流网络模型便可以进行水文分析或水运交通分析。水系数据的表示方法依赖于不同的GIS系统使用目的，因此统一数据类型如何在系统中表示，需要根据系统的基本目标来分析。

4 水利Web-GIS的数据组织

Web-GIS是指基于Internet平台、客户端应用软件采用WWW协议运行在万维网上的地理信息系统。Web-GIS趋向于采用“分布式服务体系结构”，即在客户机与服务器之间的进程分布式处理，把数据量集中的任务放在服务器上，其他如查询集的选定、按比例缩放地图等任务则放在客户机上，这种分布式服务体系结构使用的数据即可是本地的也可是分布的数据，使传统的GIS向分布式GIS转变。在分布式Web-GIS系统中，服务器端是一个局域网内的工作组，由多个计算机协同提供服务，服务器不再访问一个集中的数据库，而访问分布式的数据库，但是数据和服务在服务器端的分布状况对客户端是透明的，用户不需了解数据的分布状况。

基于以上观点，对于区域性的水利GIS系统而言，其Web-GIS的数据组织方式应趋向于分布式的数据组织，即将主要的数据放在主服务器上，一部分数据可以放在基层的服务器上。当客户请求的数据在本地时，仅需访问本地服务器，当客户请求的数据不在本地时，可以通过访问上一级服务器找到相应数据存贮的地址，再访问该数据服务器。分布式的数据组织有以下优点：一是大大提高网络的响应速度，对服务器来讲，不是所有的数据请求集中在一起，而是分散到各个服务器；二是传统的集中式的数据管理，受时间和空间的限制，数据的现势性得不到保证，分布式的数据组织数据的获得与更新可以通过网络进行，使信息可以进行实时的更新。

5 结语

针对水利GIS系统中的数据组织进行了有关探讨，研究了建立应用型水利GIS系统时的关键技术。成功的GIS系统必须要有良好的数据组织，在建立系统之前，要充分分析现有的数据及可获取的数据的类型，结合系统的功能分析应采用的数据模型及数据库管理系统，考虑具体的数据如何表示，对于水利Web-GIS主要分析其服务器数据库的采用。

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