基于GIS的沙漠地理空间数据库设计

尹文华，王 旭，张易辰，刘志博，李良英

(1. 兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070；2. 宁夏公路勘察设计院有限责任公司，银川 750001)

空间数据库是系统描述与特定空间位置相关的真实世界对象(具体参考事物)的数据集合.它以现实世界中实体对象的空间特征为参考，记录与管理目标对象的空间属性变化[1-2].目前，空间数据库已被广泛用于地理、交通、环境保护等不同专业中[3-6].

国外对地理空间数据库的研究起步较早，应用范围十分广阔，国内学者起初主要将其应用于地质环境数据的管理工作，但随着计算机科学与现代测绘信息技术的提升，空间数据库逐渐向多学科属性数据与空间数据共同管理方向发展[7-8].地理环境数据的研究也在不断深入，2010年蔡磊等[9]人通过数据库技术与GIS技术结合，初步构建风沙监测数据库，定量分析了监测站点的风沙活动；岳庆玲等[10]以腾格里沙漠为背景，建设沙漠东部地区的生态信息数据库，探究了数据库中生态管理和效益评估方法.此后，张晓楠[11]通过对地形分析模型的研究，设计了地形分析模型数据库，可以基本满足地形分析需要，但研究目标只有地形比较单一，缺乏地理数据库的多元化属性.2017年孙小旭等[12]人通过收集科尔沁沙地不同时间遥感影像、DEM等数据，基于GIS空间功能管理栅格和矢量格式数据，建立了沙漠地区的动态数据库.刘锟铭等[13]又将无人机航拍数据带入到GIS数据库中，丰富了地理数据库的多元性.此外学者们还在沙漠地区沙害形成机理与防护措施、地理空间数据库的构建及其在铁路工程中的应用方面开展了相关研究[14-15].但是，目前文献都是从单方面问题建立数据库，缺少数据库中要素多元性与关联性考虑，不同类型数据间的联系也存在欠缺.

基于此，本文选择ArcGIS地理空间数据库(ArcGIS Geodatabase)作为沙漠地区空间数据库的建模基础，借助实际项目工程资料，在自然环境的基础上丰富研究数据多元性，建立空间对象属性信息与空间位置二者间的联系，并利用空间数据库中分析模块，检索气象数据分析不同季节风沙情况与工程影响，制作不同时期工程专题图，提高空间数据库的工程实用性，从而实现不同数据来源、类型、资料格式在同一地理框架体系下的有效融合与分析.

1 构建特殊环境地区空间数据库原因

1.1 多元要素地理框架统一

特殊环境地区地理要素种类繁多，不同类型数据的展现形式、比例尺等信息存在差异，如气象站点位置与气象监测数据分别要在数字地图和气象平台上进行查询；同一地区不同类型规划图的比例不同，需要地理配准后才能叠加显示.因此为使多元数据地理框架的统一，达到“一张图”为核心的数据管理体系，利用空间数据库进行分类、整合、建库，将各个孤立的信息资源统一进行管理，进而推动资源的分析和互操作能力，有效拉近数据模型与现实世界真实状况之间的距离.

1.2 不同形态数据关联与分析

传统关系型数据库只能以文字或二维表对数据信息进行记录，缺少对地理对象进行直观展示，也就难以从整体上对地理环境进行表达.采用空间数据库不仅能够描述空间数据模型的属性信息，还能依托测站空间位置与属性信息建立数据信息与空间位置的关联，使得数据信息不仅是文字上的表达，也是空间上的展示.同时，地理空间数据库具有分析能力，可以辅助设计人员解决在地理空间中遇到的实际问题，做出更科学的决策.例如沙漠地区空间数据库可以设置检索条件筛选气象数据，从风速、风向对穿沙公路进行沙害分析，它也可用于沙漠工程位置选址，依据适宜原则与定量标准制作缓冲区，再结合数据库中的其他空间分析，多个图层叠加生成需要的新要素图层，以避免工程选址位置对已有空间要素的干扰.这便体现出灵活运用空间数据库能够极大提高工作效率与科学性.

因此，在分析特殊环境地区的数据模型建立问题上，选择ArcGIS Geodatebase设计并构建沙漠地区空间数据库，对不同类型、不同格式的数据进行统一规划整理，是作为空间数据库模型实现数据管理的不二选择.

2 沙漠地区空间数据库设计

2.1 ArcGIS Geodatebase模型

地理空间数据库(Geodatabase)模型是面向对象的地理数据模型，采用关系型数据库的结构形式实现属性数据的描述和存储，能够更好的使地理模型接近现实事物的表达[16-17].Geodatabase空间数据库相对以往存储形式变得更加智能，它不仅能够储存以往地理模型的矢量格式数据，还可以描述现实世界的复杂现象，如城市日照模拟[18]、水文分析等，实现单系统下的地理数据统一管理和对现实世界参考对象的有效描述.

2.2 研究区域

腾格里沙漠位于宁夏西北部与内蒙古地区交界，自然环境极其恶劣，沙丘链分布错综复杂，风沙频繁，年降雨量不到300 mm，蒸发量却高达1 500 mm，气候温差大，年起风沙次数超过300次.东部位于沙坡头城镇居民区与沙坡头自然保护区接壤.空间数据库的数据来源主要分为实测数据和调查数据，无人机航拍和气象数据都是通过现场勘测的实测数据；土地规划、环境分布信息等数据是查阅已出版或经过统一汇编的书籍资料的调查数据.

2.3 概念模型框架设计

概念模型设计是对数据库需求信息的综合分析、归纳.根据沙漠区域所处的地理位置、气候特征和自然气象环境特点，从使用角度出发，将沙漠地区空间数据库模型分为基础地理信息、环境要素信息、规划建筑信息、人文要素和非空间属性信息5个要素数据集及若干要素类，具体设计沙漠地区空间数据库概念模型框架，如图1所示.

图1 数据库概念模型框架图Fig.1 Overall design of spatial database in desert area

2.4 物理模型分层设计

为了形成更高效的数据组织形式，在空间数据库中采用分层设计进行数据框架的构建.数据库中建立的空间数据需要先根据现实世界的地理信息进行判断，后通过数据类别进行归纳，形成不同类型要素的图层，如图2所示.同时，所有的空间数据层都需要配置相同的坐标系统，以便能够在同一空间进行数据层的叠加与可视化表达.

1) 背景数据层：在任何一个地理位置都可以通过不同时期的空间数据进行对比分析，展现该区域在时空层面的发展变化.在空间数据库中加载不同时期拍摄的卫星影像图和数字高程模型进行对比分析后，选取时间最新的影响图作为空间数据库的背景数据层，并且该图层需要在数据库中进行地理配准、坐标转换等工作，以使背景层能与其他图层正确叠加.

2) 环境数据层：沙漠地区环境较为恶劣，地物等空间数据相对正常环境自然较少.因此在空间数据库中分别采用点(如测站、地名)、线(如交通线路)、面(如光伏基地、自然保护区)三种要素类对沙漠地区的空间要素进行矢量化处理，展现不同环境要素的空间位置和特征形式.

3) 属性数据层：属性数据主要分为两类，第一种是矢量数据带有的属性数据，其被包含在表达空间要素的矢量数据中，例如用面要素在数据库中表示的自然保护区，包括保护区名称、面积及特征描述等.第二种是独立的属性数据，这类数据属于本身不带有空间位置信息，但与空间位置相关的非空间数据，例如沙漠地区的气候观测数据，这份数据存入数据库后可通过关键字与图形数据建立联系.

图2 空间数据库分层结构示意图Fig.2 Hierarchical structure of spatial database

2.5 逻辑模型设计

Geodatabase建设前期要对地理信息对象进行分类和编码，以关系表结构形式实现属性数据的描述和存储，从而建立表与表之间的关系.如图3所示对文中上述数据进行逻辑设计构建沙漠空间实体联系图(E-R图)，从而能够更准确地表达地理对象的属性信息，方便对空间数据管理应用.

2.6 沙漠地理空间数据库的建立

空间数据库的建设分为空间数据和非空间数据两部分，主要工作有非空间数据的资料收集、数据整理和空间数据的遥感影像采集、地理配准、航拍图幅拼接、图形编辑、格式转换、空间数据与属性数据的关联.沙漠地理空间数据库的建立借助于ArcGIS空间数据管理模块，按照目录树的结构使数据相互关联，空间数据库的建立步骤如下：

1) 基于空间数据库的整体设计结构，定义和创建各类专题数据库.

2) 以各类专题数据库为基础，再在数据库内部创建相应的子类要素数据集，并对其设置空间参考.

3) 按照子类包含内容，在各个图层创建要素类.

4) 借助Feature Class to Geodatabase工具，将转换后数据导入空间数据库.

图3 沙漠空间数据库E-R图Fig.3 E-R diagram of desert spatial database

3 空间数据库功能与应用

基于上述设计方法对沙漠地区的空间数据库建设进行设计.该数据库基于ArcGIS Geodatabase的技术支持下实现一系列的数据管理、空间分析等功能，具体数据库功能结构如图4所示.

3.1 数据浏览

该模块主要实现沙漠地理空间数据的可视化管理，包括地图实时缩放、场景漫游、空间量测的一些基础地图服务功能，以及基于SQL的多样化数据检索、图形查询属性信息、遥感影像显示等功能.并且空间数据库也具备多种形式的人机交互界面，从而浏览不同类型的空间数据，如图5所示.

3.2 风沙情况分析

风是沙尘暴形成的动力条件,它直接影响着风沙活动的强度.沙漠地区的气象数据在空间数据库中可储存为独立的属性数据，记录不同气象站点和不同时间的气象数据.为此在分析沙漠地区气象条件时，可根据实际需求设置单个或多个限制条件，在满足逻辑要求下通过编辑SQL语句在气象数据库中，查询任意时间段需要获取的气象数据.例如在沙漠1号测站数据库中查询腾格里沙漠不同季节的起风情况，查询结果如图6所示.

数据库查询语句(以夏季为例)：

SELECT FROM ID Table(气候观测数据库)

WHERE：

2020/6/1 00:00<时间<2020/8/31 23:59

图5 空间数据浏览Fig.5 Spatial data browsing

沙漠腹地中的建筑设施在风沙较强的春夏季节容易受到影响，需要及时进行防护.尤其是沙漠公路等狭长工程建筑物，在沿途区域可能经过多处风区，致使积沙严重，为此在沙漠空间数据库调用公路沿途经过气象站点的风速数据，借助空间数据库插值工具得到腾格里沙漠高速公路的风速分布图，如图7所示.

图6 气象数据库Fig.6 Meteorological Database

图7 沙漠公路风速分布Fig.7 Wind speed distribution of desert highway

沙漠地区大风活动频繁，地表植被覆盖度低，当风速大于3.5 m/s时容易带起沙粒，形成风沙流等沙害.根据上图沙漠地区风速分布图，提前对沙漠公路风速大的区域展开防护与后期排沙作业.

3.3 沙漠地区空间分析

空间分析是对不同地理空间数据的定量研究，通过借助GIS的空间分析技术对地理空间数据处理分析，针对具体情况提取其中所蕴含的潜在信息价值，实现沙漠地区空间要素的分析，如土地利用情况、路网分类、坡度变化等.因此，空间分析的应用体现在根据现有地理情况分析，进而为该地区的城市发展、道路规划提供辅助决策.

3.4 专题图制作

专题图是指对指定需求下的单要素或多要素进行可视化表达，从而便于专题分析.沙漠地区空间数据库中融合了遥感信息、无人机航拍等多种数据形式，因此，可根据实际需求进行动态专题图的制作.比如沙漠地区工程建设时期，在数据库中储存不同工程阶段的无人机航拍，从空间和时间的角度，进行工程动态专题地图展示，如图8所示，从而进行施工期阶段的空间分析与阶段评价.

图8 沙漠公路建设专题图Fig.8 Thematic map of desert highway construction

4 结论

结合腾格里沙漠腹地实际工程数据，研究基于ArcGIS Geodatabase沙漠地区空间数据库的设计与应用，实现背景栅格数据、环境矢量数据、属性文本数据等多类型数据，在统一地理框架体系下的各影响因素的有效融合和管理，克服传统关系型数据库在要素空间关系与分析能力上的缺陷，并对沙漠地区空间数据库的具体功能与优势进行讨论.

1) 该沙漠空间数据库不仅考虑了数据的多样化检索与存储功能，又兼顾一般数据库不具备的各类数据图像与数据结合调用、空间分析功能.文中数据库对腾格里沙漠进行多元数据浏览、空间分析，制作不同时期的工程建设专题图，从而反应不同阶段的工程情况，更好的为该地区的城市规划提供辅助决策.

2) 在空间数据库中检索腾格里沙漠不同季节气象数据，发现春夏两季风速最大，并依据风沙流的形成机理，从风速变化角度分析风沙对公路的影像，得出沙漠公路的风速分布图，从而对公路风沙预防提出合理建议.

综上所述，沙漠地理空间数据库的建立不仅满足了对多类型数据高效统一管理的需求，又加强了沙漠地区空间数据的可视化能力和分析能力，奠定后期沙漠地区综合分析与评价基础，为沙漠地区的工程性建设提供了有力的技术支撑.