許朋朋，黃路平

基于ArcSDE的水土流失評價數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與實現(xiàn)*

許朋朋，黃路平

（福州大學(xué)福建省空間信息工程研究中心，福建福州350001）

為滿足對水土流失相關(guān)數(shù)據(jù)高效存儲與管理的需求以及支撐水土流失評價業(yè)務(wù)，需要建立高效的水土流失評價空間數(shù)據(jù)庫。首先介紹了建立水土流失評價空間數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵技術(shù)（ArcGIS空間數(shù)據(jù)庫引擎（ArcSDE）和Oracle），接著從數(shù)據(jù)內(nèi)容、系統(tǒng)架構(gòu)、建設(shè)原則、數(shù)據(jù)存儲等方面詳細(xì)闡述了該空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與實現(xiàn)，最后介紹了數(shù)據(jù)的檢查及入庫工作。實踐表明，建立的數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了對水土流失評價相關(guān)數(shù)據(jù)的高效存儲與管理，可滿足實用需求。

空間數(shù)據(jù)庫引擎；空間數(shù)據(jù)庫；水土流失評價；數(shù)據(jù)庫設(shè)計

0　引言

水土保持是生態(tài)環(huán)境建設(shè)的核心內(nèi)容，是實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的重要保障。水土流失預(yù)防與治理是水土保持的基本措施，分別針對尚未發(fā)生和已經(jīng)存在水土流失的地域，水土流失評價是其中的先導(dǎo)性工作，對提升水土流失防治的決策水平具有重要意義［1］。與水土流失有關(guān)的數(shù)據(jù)是水土流失評價的依據(jù)，數(shù)據(jù)庫建設(shè)與管理的水平直接決定這項工作的可靠性與效率。

本文依托國家十二五科技支撐計劃課題“南方紅壤水土保持評價與決策”（2013BAC08B02），以福建省長汀縣為實證研究區(qū)域，針對水土流失評價數(shù)據(jù)的特點，集成ArcGIS空間數(shù)據(jù)庫引擎（ArcSDE）和Oracle數(shù)據(jù)庫技術(shù)，設(shè)計與建立了支撐水土流失評價的大型專題數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了針對多源、海量地理空間數(shù)據(jù)和實地調(diào)查數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、高效管理。

1　空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)

1.1空間數(shù)據(jù)庫引擎

ArcSDE是ESRI公司推出的針對國際上各主要大型數(shù)據(jù)庫平臺的空間數(shù)據(jù)庫引擎，是目前使用最廣泛、性能最穩(wěn)定的空間數(shù)據(jù)庫引擎之一。它是借助關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS）管理空間數(shù)據(jù)的中間件，也是一種空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其本身并不存儲數(shù)據(jù)［2］。ArcSDE位于GIS應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之間，是各種格式的空間數(shù)據(jù)出入大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的通道和橋梁。利用ArcSDE，用戶既可以將不同形式的空間數(shù)據(jù)提交給數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，也可以從數(shù)據(jù)庫中獲取各種類型的空間數(shù)據(jù)以滿足客戶端操作需求。

1.2O racle數(shù)據(jù)庫

Oracle數(shù)據(jù)庫是Oracle公司于20世紀(jì)70年代后期推出的一款RDBMS的高端產(chǎn)品，目前最新的版本為O-racle 11g，它具有良好的體系結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、豐富實用的功能和許多創(chuàng)新特性，高可靠性、高安全性、高性能［3］（包括出色的數(shù)據(jù)管理能力以及對數(shù)據(jù)倉庫、在線分析與數(shù)據(jù)挖掘功能的支持）是其相對優(yōu)勢。

2　數(shù)據(jù)庫總體設(shè)計

2.1數(shù)據(jù)內(nèi)容分析

水土流失評價涉及基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、水土流失評價業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其中水土流失評價（采用RUSLE模型［4-5］）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)又包括評估測算水土流失強(qiáng)度的降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡度、坡長、植被覆蓋和水保措施6個因子方面的數(shù)據(jù)。表1列出了本文所設(shè)計和建立的水土流失評價數(shù)據(jù)庫包含的具體數(shù)據(jù)內(nèi)容。

表1　水土流失評價數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)內(nèi)容

2.2系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)庫總體框架結(jié)構(gòu)的核心部分，它決定數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性［6］。水土流失評價數(shù)據(jù)庫采用標(biāo)準(zhǔn)的3層結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖1所示。

圖1　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層用來存儲水土流失評價業(yè)務(wù)的各種相關(guān)數(shù)據(jù)，采用ArcSDE和Oracle技術(shù)對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的存儲和管理，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫的基本操作。

（2）邏輯層。在VS2010開發(fā)環(huán)境下，采用C#編程語言開發(fā)水土流失評價應(yīng)用系統(tǒng)的各個功能模塊，為系統(tǒng)應(yīng)用提供邏輯支持。

（3）應(yīng)用層。應(yīng)用層專門實現(xiàn)業(yè)務(wù)表現(xiàn)，專注于與用戶的交互功能，使各個功能的操作簡單、明了，且應(yīng)最大限度降低應(yīng)用層的數(shù)據(jù)處理工作。

2.3系統(tǒng)建設(shè)原則

水土流失評價數(shù)據(jù)庫建設(shè)是一項系統(tǒng)工程，其建設(shè)過程復(fù)雜、繁瑣。為了提高數(shù)據(jù)庫的建設(shè)效率和使用性能，本數(shù)據(jù)庫設(shè)計與建設(shè)過程中遵循下列原則：

（1）空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計相結(jié)合的原則。

（2）共享度高、冗余度低的原則。

（3）系統(tǒng)可靠性、安全性與完整性原則。

（4）系統(tǒng)具有可修改、可擴(kuò)充性原則。

2.4數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計

空間數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計包括空間數(shù)據(jù)邏輯設(shè)計和屬性數(shù)據(jù)邏輯設(shè)計?？臻g數(shù)據(jù)邏輯設(shè)計的主要任務(wù)是將空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、組織，從用戶的觀點描述空間數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)，其過程分為橫向的圖塊劃分設(shè)計和縱向的圖層劃分設(shè)計。本數(shù)據(jù)庫中針對空間數(shù)據(jù)主要進(jìn)行圖層劃分，前述影響水土流失的6個因子分別劃分為6個相應(yīng)的圖層。圖層劃分是將具有相同幾何特征和相同屬性特征的數(shù)據(jù)分為一層，表示地理特征以及描述這些特征的屬性的邏輯意義上的集合，有利于提高各個地理要素的靈活性和顯示的速度。

本數(shù)據(jù)庫的屬性數(shù)據(jù)包括要素層屬性數(shù)據(jù)和項目屬性數(shù)據(jù)。其中，要素層屬性數(shù)據(jù)包括土壤類型數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)、監(jiān)測站點數(shù)據(jù)、調(diào)查樣區(qū)數(shù)據(jù)、調(diào)查樣點數(shù)據(jù)等；項目屬性數(shù)據(jù)主要包括用戶數(shù)據(jù)。由于文章篇幅限制，這里僅列出土壤類型數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)表，如表2所示。

表2　土壤類型屬性結(jié)構(gòu)表

2.5數(shù)據(jù)存儲設(shè)計

根據(jù)前面數(shù)據(jù)內(nèi)容的分析，本數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)包含空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和文件數(shù)據(jù)，不同類型的數(shù)據(jù)其存儲方式不同?？臻g數(shù)據(jù)采用Geodatabase數(shù)據(jù)模型［7］（ArcGIS8中引入的、建立在關(guān)系型DBMS之上的、統(tǒng)一的、智能化的、全新的空間數(shù)據(jù)模型）通過ArcSDE存儲到Oracle關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，其中矢量數(shù)據(jù)采用要素數(shù)據(jù)集結(jié)構(gòu)存儲，柵格數(shù)據(jù)采用柵格數(shù)據(jù)集結(jié)構(gòu)和Tin數(shù)據(jù)集結(jié)構(gòu)存儲。屬性數(shù)據(jù)直接存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫的屬性表中。文件數(shù)據(jù)（其大小是可變的）上傳到關(guān)系數(shù)據(jù)庫的變長字段中，便于共享和管理。

2.6數(shù)據(jù)庫功能設(shè)計

（1）數(shù)據(jù)管理。該模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)添加、數(shù)據(jù)刪除、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及元數(shù)據(jù)管理等功能。

（2）基本地圖操作。該模塊實現(xiàn)針對各種地理空間數(shù)據(jù)的瀏覽、放大、縮小、漫游、全圖、圖和屬性互查、屬性顯示等功能。

（3）水土流失評價。水土流失評價功能是整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心功能，主要包括水土流失敏感性評價功能和風(fēng)險評估功能。

（4）用戶管理。該模塊實現(xiàn)各類用戶的添加、刪除、更新、查詢等功能。本系統(tǒng)的用戶分為政府機(jī)構(gòu)人員、研究人員和普通大眾三類，不同類型的用戶擁有不同的權(quán)限。

2.7元數(shù)據(jù)設(shè)計

元數(shù)據(jù)是關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，用于描述數(shù)據(jù)的內(nèi)容、質(zhì)量、表示方式、空間參照、管理方式、數(shù)據(jù)的所有者、提供方式以及數(shù)據(jù)集的其他特征［8］。空間元數(shù)據(jù)是實現(xiàn)地理空間信息共享的核心標(biāo)準(zhǔn)之一，它可以幫助人們有效地定位、評價、獲取和使用地理相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的集成與共享。本數(shù)據(jù)庫的元數(shù)據(jù)采用關(guān)系表在Oracle數(shù)據(jù)庫中單獨存儲，并與對應(yīng)的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。元數(shù)據(jù)的內(nèi)容參考美國聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，如圖2所示。

圖2　元數(shù)據(jù)內(nèi)容

3　數(shù)據(jù)檢查與入庫

3.1數(shù)據(jù)檢查

矢量數(shù)據(jù)包括長汀縣區(qū)劃數(shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)和土地利用類型數(shù)據(jù)，主要對其位置、屬性信息和拓?fù)潢P(guān)系的合理性、準(zhǔn)確性和完整性進(jìn)行檢查，并依據(jù)長汀縣區(qū)劃圖進(jìn)行圖層配準(zhǔn)和范圍裁剪。柵格數(shù)據(jù)包括長汀縣DEM數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)、坡長數(shù)據(jù)和植被覆蓋數(shù)據(jù)，主要檢查其坐標(biāo)系、分辨率、像素值等的合理性、準(zhǔn)確性和完整性，并建立柵格金字塔。屬性數(shù)據(jù)包括實地調(diào)查與統(tǒng)計數(shù)據(jù)，主要檢查數(shù)據(jù)的完整性和邏輯一致性。

3.2數(shù)據(jù)入庫

經(jīng)過反復(fù)的數(shù)據(jù)檢查和數(shù)據(jù)處理，在確保數(shù)據(jù)質(zhì)量符合要求后，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫。入庫工作在ArcCatalog中完成，利用ArcCatalog的“添加空間數(shù)據(jù)庫連接”選項連接已經(jīng)建立的Oracle數(shù)據(jù)庫，通過ArcSDE通道實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的入庫和查詢等工作。

4　結(jié)論

空間數(shù)據(jù)庫是支撐GIS應(yīng)用的基礎(chǔ)，空間數(shù)據(jù)的多源和海量特性增加了建立和維護(hù)空間數(shù)據(jù)庫的難度。本文集成ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎與Oracle數(shù)據(jù)庫技術(shù)，構(gòu)建的水土流失評價數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、高效管理，能夠滿足水土流失評價的需求，所使用的策略對同類數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與建設(shè)具有一定的參考價值。

［1］張志國.區(qū)域水土流失生態(tài)風(fēng)險評價研究［D］.北京：中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，2007.

［2］董玲燕，馬瑞，楊春花.基于ArcSDE的數(shù)字流域模型系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方式研究［J］.長江科學(xué)院院報，2011，28 （12）：103-106.

［3］秦靖，劉存勇.Oracle從入門到精通［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］周正朝，上官周平.土壤侵蝕模型研究綜述［J］.中國水土保持科學(xué)，2004，2（1）：52-56．

［5］姚妤.基于RUSLE和最小累積阻力模型的水土流失格局分析［D］.杭州：浙江大學(xué)，2011．

［6］喻冰春，姜琦剛.基于ArcSDE技術(shù)的省級基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計與建立［J］.長春工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，7（1）：72-74．

［7］秦琳.基于ArcSDE和Geodatabase的森林空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建研究［J］.林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2010，35（2）：85-88．

［8］吳信才.空間數(shù)據(jù)庫［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

Design and im p lementation of database for soil and w ater loss evaluation based on ArcSDE

Xu Pengpeng，Huang Luping
（Spatial Information Engineering Research Center of Fujian，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350001，China）

In order to meet the need of efficient storage and management for related data of soil and water loss and support the business of evaluation，a highly efficient spatial database for soil and water loss evaluation needs to be constructed.This article firstly introduces the key technology（ArcGIS Spatial Database Engine（ArcSDE）and Oracle）of constructing spatial database for soil and water loss evaluation，then elaborates the design and implementation of this spatial database from the aspects of data content，system architecture，construction principle，data storage and so on，and finally explains the work of data check and data input.It turns out that this spatial database built in this paper implements the highly efficient storage and management for related data of soil and water loss evaluation and can meet the practical need.

ArcSDE；spatial database；soil and water loss evaluation；database design

P208

A

1674-7720（2015）04-0090-03

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2013BAC08B02-01）

（2014-10-24）

許朋朋（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向：地理信息工程與水土流失評價。

黃路平（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：地理信息工程與水土流失評價。