空间数据组织与建库研究——以丰县某地区为例

王玉婷

（南通创佳测绘咨询有限公司，江苏 南通 226001）

0 引言

自20 世纪70 年代以来，我国现代测绘科学技术由传统测绘模式逐渐向数字化测绘模式发展。数字化测绘模式在理论水平、精准程度、应用范围、工作效率方面取得了较大的进展，同时促进了其他行业的发展［1］。由于计算机技术和通信技术的快速发展，GIS正在向多样化和分布式处理的方向迈进，并逐步进入开发、分析、评价、预测、决策及提高智能化功能的发展阶段［2］。GIS、GPS、RS 三系统的集成及满足实时、准实时要求的空间信息处理技术的广泛应用，极大地加快了空间信息获取、处理和更新的速度，提高测绘生产的质量和效率［3］。

空间数据是GIS 的核心内容，建立空间数据库是GIS 建设中最重要、最基础的工作［4］。Geodatabase 是一种以紧密耦合特性和行为为基础的新型空间地理数据模型，能够在一个公共模型框架下对GIS通常处理和表达的地理空间要素进行统一的描述。空间数据库是随着地理信息系统的开发和应用而发展起来的数据库新技术，是地理信息系统的重要组成部分，是其他应用部分的前提和基础［5］。

本研究以丰县1：4 500 航空影像为基础，基于VirtuoZo 软件，通过对丰县某地区的航空影像图和地形图进行内容选取、分类、地图要素符号化、快速制图和专题数据管理，利用IGS数字化测图模块绘制1：1 000线划图，并根据丰县基础地理数据特点，确定要素数据集、要素类、关系类、子类型、几何网络、拓扑关系等数据库组成要素，并通过对应的表示方法表达。对数据进行相应的预处理并进行分类转换，完成不同类型数据库构成要素的分类导入构建，实现了丰县某地区不同类型数据的有效处理与管理。

1 基于摄影测量的地理数据库研究

摄影测量学是一门通过记录、测量及解译非接触式传感器系统得到的影像及其数字表达，来获得自然物体及其环境的可靠信息的科学和技术［6］。主要内容有：物体影像信息的获取，像片影像信息处理方法的研究，如何表达影像信息及影像信息在各种领域中的应用等。摄影测量学的发展经历了模拟摄影测量和解析摄影测量阶段，已经进入了数字摄影测量阶段［7］。将数字摄影测量系统与地理信息系统相结合，促进了测绘生产过程的数字化和自动化，摆脱了冗杂的野外控制测量工作［8］。

2 数据采集与建库准备

基于VirtuoZo 软件，利用IGS 数字化测图模块成图，并转出至CAD 数据格式。将CAD 数据转出至ArcMap 地理数据库数据格式，对丰县某地区数据进行预处理。IGS 即交互式数字影像测图系统，是一种用计算机替代解析测图仪、用数字影像替代模拟像片、用数字光标替代光学光标，在计算机上进行数字化测图的作业方法。在正射影像上进行地物数据采集和编辑，从而生成数字测图文件。本研究以丰县1:4 500 航空影像为基础，基于VirtuoZo软件，利用IGS 数字化测图模块绘制1:1 000 线划图。该数据为丰县某地区1:1 000 的CAD（*.dwg），如图1 所示。参考比例设置为1:1 000，空间参考坐标系为WGS-84。

图1 丰县某地区CAD

3 地理数据库的设计

3.1 数据库设计的一般要求和原则

数据库设计的实质是将地理空间实体以一定的组织方式在数据库中加以表达的过程，也就是GIS地理实体建立数据模型的过程。数据库设计要在需求分析阶段分析用户的需求，进行详细的调查，主要包括信息需求、处理需求、安全性与完整性等三个方面。

3.2 地理数据库建模

入库数据为矢量数据。矢量数据包括部分基础地理数据（房屋、植被、水系、道路等）。根据丰县某地区的各类数据和Geodatabase 空间数据模型原理来进行数据库建模。

3.3 系统数据库的设计

3.3.1 要素集设计。要素数据集是要素的集合，主要用于存储数据，包含要素集定义的约束和关系。该测区Geodatabase 数据库模型主要有5 个要素集：房屋要素集、植被要素集、水系要素集、注记要素集、道路要素集。

3.3.2 要素类设计。要素类主要存储矢量数据，既包含要素的几何特征，也包含要素的属性描述信息，是同类空间要素的集合。集合中的每个对象都具有相同的集合类型，如点状、线状或面状，且具有相同的属性类型。根据要素类的设计原则，对测区要素数据集进行分类。

3.3.3 子类型设计。子类型是要素类中具有相同属性的要素的子集，表述要素类中基于属性字段分组的记录，可通过它们对数据进行分类。子类型通过创建编码值来实现，每个整数值代表子类型中的一个要素。通过使用每个要素类的“属性”对话框对子类型进行管理，可以定义子类型字段，添加新子类型、移除或修改现有子类型。

3.3.4 属性域设计。属性域表述属性的取值范围。如果要素类中的要素或表中的非空间对象已被分组为各个子类型，则可将不同的特性域分配给每个子类型。使用域可以针对特定字段限制可供选择的值，从而有助于确保数据的完整性。属性域设计见表1。

表1 属性域设计

3.3.5 关系类设计。ArcGIS 中的地理对象之间存在各种各样的关系，在地理数据库中，事物之间的联系使用关系类来表现。使用关系类有助于增强相关对象之间的引用完整性。建立关系类便可在修改对象时自动地更新其相关对象，可以减少额外的编辑操作。

在创建关系类时，需要指定是简单关系类还是复合关系类。简单关系可拥有一对一、一对多或多对多基数。复合关系在创建时始终为一对多的关系，但使用关系规则可以将其限制为一对一的关系。在测区要素集中可设计4 组关系类，均为简单关系类的一对一基数。分别是房屋To 房屋注记、植被To 植被注记、水系To 水系注记、道路To 道路注记，关系类型设计如图2所示。

图2 关系类型设计

4 地理数据库的建立

利用ArcCatalog，设置空间参考坐标系，依据设计方案完成对要素数据集、要素类、关系类、子类型、属性域等数据库组成要素的导入构建。创建拓扑关系，在地理数据库中验证和更好地表示要素。为使数据库更形象化，需要对地理要素进行符号化，完成对丰县某地区数据库的构建。

4.1 空间参考坐标系的选择

我国常用坐标系为北京54坐标系、西安80坐标系和WGS-84 地心坐标系。该测区位于我国东部，介于东经116°21'15″~116°52'03″、北纬34°24'25″~34°56'27″之间，选择空间参考坐标系为WGS-84。

4.2 地理数据库的建立

①要素集创建。利用ArcCatalog在地理数据库中，选择新建要素集。②要素类创建。新建要素类（New Feature Class）。选择对象所对应的线要素（Line Features）。照此完成房屋、植被、水系、道路要素集中的要素类的创建。在ArcCatalog中创建要素类时，可指定要素类中所要包含的字段，以及字段属性，如字段类型和可存储在字段中的最大数据量。创建要素类时会自动创建这些必填字段，且无法删除。必填字段也可能具有一些必要的属性，OBJECTID 和Shape 为必填字段。③加载数据。右击各要素集，加载由ArcGIS 根据不同数据类型提取的地理数据。④子类型创建。利用ArcCatalog添加子类型并为每个子类型的字段设置默认值和属性域。⑤属性域创建。创建新属性域时，如果属性域正被某个要素类使用，则无法对其进行删除但可对其修改。⑥关系类创建。通过ArcCatalog 或“目录”窗口中的工具可以在地理数据库中创建简单、复合和属性关系类。ArcGIS 的关系类都是存储在Geodatabase 中，该关系类的名称为房屋To 房屋注记，源设置为房屋，目的设置为房屋注记。关系基数设置完后，便可以进行关系类的创建。

4.3 数据库拓扑规则的添加

4.3.1 拓扑规则设计。拓扑是点、线和多边形要素共享几何的方式的排列布置。如果有重叠且共享相同坐标位置、边界或节点的要素，地理数据库拓扑可以更好地管理地理数据。拓扑的使用提供了一种对数据执行完整性检查的机制，可以在地理数据库中验证和更好地表示要素，还可以使用拓扑为要素之间的多种空间关系建模。

Geodatabase 中拓扑的优点在于有更好的数据管理、更高的灵活性、更多的数据建模机会和更多的地图图层。根据丰县某地区各要素的数据类型及特点，为各数据设置的拓扑规则见表2。

表2 丰县某地区数据的拓扑规则

4.3.2 拓扑关系创建。在ArcCatalog 中，新建拓扑（New Topology），得到创建几何网络的向导。创建完拓扑后，要在创建拓扑的要素类对话框中选择参与创建拓扑的要素类，根据表2 依次设置拓扑规则。房屋面与房屋面的拓扑规则为不能重叠（Must not overlay）。完成要素集、要素类、子类型、关系类、几何网络、拓扑等数据库组成要素的分类导入构建后，即可完成建库。

4.4 地理要素的符号化

符号化是对点、线、面等数据，在制图工具中以不同的符号样式进行表达，包含对要素的颜色、大小、形状等属性的设置。地图生产流程中，要素符号化是至关重要的一环，直接决定了地图产品的美观及整体风格等。在对测区数据库符号化后，增强了数据库的美观，使测区的要素更形象，同时方便后期电子地图的制作。在ArcMap中加载数据层，对测区各要素进行符号化，符号化成果如图3所示。

图3 符号化成果

5 结语

通过研究丰县某地区空间数据库的组织与建库，结论如下：①CAD软件具有强大的制图功能，但描述图形关系的能力偏弱，不能很好地对数据进行空间分析。②Geodatabase 空间数据模型在数据存储方面具有优势，节省了数据存储的空间，通过提取不同类型的数据文件，可以以不同的方式展现出来。不仅能够存储需要表达的基本图形，还能够存储了表达其空间关系的数据，具有很强的空间分析功能。③在摄影测量学方面，利用航空影像为基础，在VirtuoZo 软件上成图并导出为CAD 图形文件，结合ArcGIS 软件，对丰县某地区空间数据的组织与建库，是对Geodatabase 空间数据模型的有益探索。

现代测绘已经进入了信息化测绘时代，测绘与各个行业有着密切的联系。随着数据库建设的不断发展和完善，Geodatabase 数据模型也应不断改善。基于Geodatabase模型的数据库系统的设计与建库，在今后的实践活动中，还需更加精确、高效。要完善系统体制，充分发挥ArcGIS 软件中各模块的功能，使各系统软件之间的运行更加高效流畅。