尹文華，王 旭，張易辰，劉志博，李良英

(1. 蘭州交通大學 土木工程學院，蘭州 730070；2. 寧夏公路勘察設計院有限責任公司，銀川 750001)

空間數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)描述與特定空間位置相關的真實世界對象(具體參考事物)的數(shù)據(jù)集合.它以現(xiàn)實世界中實體對象的空間特征為參考，記錄與管理目標對象的空間屬性變化[1-2].目前，空間數(shù)據(jù)庫已被廣泛用于地理、交通、環(huán)境保護等不同專業(yè)中[3-6].

國外對地理空間數(shù)據(jù)庫的研究起步較早，應用范圍十分廣闊，國內(nèi)學者起初主要將其應用于地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)的管理工作，但隨著計算機科學與現(xiàn)代測繪信息技術的提升，空間數(shù)據(jù)庫逐漸向多學科屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)共同管理方向發(fā)展[7-8].地理環(huán)境數(shù)據(jù)的研究也在不斷深入，2010年蔡磊等[9]人通過數(shù)據(jù)庫技術與GIS技術結(jié)合，初步構(gòu)建風沙監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，定量分析了監(jiān)測站點的風沙活動；岳慶玲等[10]以騰格里沙漠為背景，建設沙漠東部地區(qū)的生態(tài)信息數(shù)據(jù)庫，探究了數(shù)據(jù)庫中生態(tài)管理和效益評估方法.此后，張曉楠[11]通過對地形分析模型的研究，設計了地形分析模型數(shù)據(jù)庫，可以基本滿足地形分析需要，但研究目標只有地形比較單一，缺乏地理數(shù)據(jù)庫的多元化屬性.2017年孫小旭等[12]人通過收集科爾沁沙地不同時間遙感影像、DEM等數(shù)據(jù)，基于GIS空間功能管理柵格和矢量格式數(shù)據(jù)，建立了沙漠地區(qū)的動態(tài)數(shù)據(jù)庫.劉錕銘等[13]又將無人機航拍數(shù)據(jù)帶入到GIS數(shù)據(jù)庫中，豐富了地理數(shù)據(jù)庫的多元性.此外學者們還在沙漠地區(qū)沙害形成機理與防護措施、地理空間數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建及其在鐵路工程中的應用方面開展了相關研究[14-15].但是，目前文獻都是從單方面問題建立數(shù)據(jù)庫，缺少數(shù)據(jù)庫中要素多元性與關聯(lián)性考慮，不同類型數(shù)據(jù)間的聯(lián)系也存在欠缺.

基于此，本文選擇ArcGIS地理空間數(shù)據(jù)庫(ArcGIS Geodatabase)作為沙漠地區(qū)空間數(shù)據(jù)庫的建?；A，借助實際項目工程資料，在自然環(huán)境的基礎上豐富研究數(shù)據(jù)多元性，建立空間對象屬性信息與空間位置二者間的聯(lián)系，并利用空間數(shù)據(jù)庫中分析模塊，檢索氣象數(shù)據(jù)分析不同季節(jié)風沙情況與工程影響，制作不同時期工程專題圖，提高空間數(shù)據(jù)庫的工程實用性，從而實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)來源、類型、資料格式在同一地理框架體系下的有效融合與分析.

1 構(gòu)建特殊環(huán)境地區(qū)空間數(shù)據(jù)庫原因

1.1 多元要素地理框架統(tǒng)一

特殊環(huán)境地區(qū)地理要素種類繁多，不同類型數(shù)據(jù)的展現(xiàn)形式、比例尺等信息存在差異，如氣象站點位置與氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)分別要在數(shù)字地圖和氣象平臺上進行查詢；同一地區(qū)不同類型規(guī)劃圖的比例不同，需要地理配準后才能疊加顯示.因此為使多元數(shù)據(jù)地理框架的統(tǒng)一，達到“一張圖”為核心的數(shù)據(jù)管理體系，利用空間數(shù)據(jù)庫進行分類、整合、建庫，將各個孤立的信息資源統(tǒng)一進行管理，進而推動資源的分析和互操作能力，有效拉近數(shù)據(jù)模型與現(xiàn)實世界真實狀況之間的距離.

1.2 不同形態(tài)數(shù)據(jù)關聯(lián)與分析

傳統(tǒng)關系型數(shù)據(jù)庫只能以文字或二維表對數(shù)據(jù)信息進行記錄，缺少對地理對象進行直觀展示，也就難以從整體上對地理環(huán)境進行表達.采用空間數(shù)據(jù)庫不僅能夠描述空間數(shù)據(jù)模型的屬性信息，還能依托測站空間位置與屬性信息建立數(shù)據(jù)信息與空間位置的關聯(lián)，使得數(shù)據(jù)信息不僅是文字上的表達，也是空間上的展示.同時，地理空間數(shù)據(jù)庫具有分析能力，可以輔助設計人員解決在地理空間中遇到的實際問題，做出更科學的決策.例如沙漠地區(qū)空間數(shù)據(jù)庫可以設置檢索條件篩選氣象數(shù)據(jù)，從風速、風向?qū)Υ┥彻愤M行沙害分析，它也可用于沙漠工程位置選址，依據(jù)適宜原則與定量標準制作緩沖區(qū)，再結(jié)合數(shù)據(jù)庫中的其他空間分析，多個圖層疊加生成需要的新要素圖層，以避免工程選址位置對已有空間要素的干擾.這便體現(xiàn)出靈活運用空間數(shù)據(jù)庫能夠極大提高工作效率與科學性.

因此，在分析特殊環(huán)境地區(qū)的數(shù)據(jù)模型建立問題上，選擇ArcGIS Geodatebase設計并構(gòu)建沙漠地區(qū)空間數(shù)據(jù)庫，對不同類型、不同格式的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一規(guī)劃整理，是作為空間數(shù)據(jù)庫模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理的不二選擇.

2 沙漠地區(qū)空間數(shù)據(jù)庫設計

2.1 ArcGIS Geodatebase模型

地理空間數(shù)據(jù)庫(Geodatabase)模型是面向?qū)ο蟮牡乩頂?shù)據(jù)模型，采用關系型數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)的描述和存儲，能夠更好的使地理模型接近現(xiàn)實事物的表達[16-17].Geodatabase空間數(shù)據(jù)庫相對以往存儲形式變得更加智能，它不僅能夠儲存以往地理模型的矢量格式數(shù)據(jù)，還可以描述現(xiàn)實世界的復雜現(xiàn)象，如城市日照模擬[18]、水文分析等，實現(xiàn)單系統(tǒng)下的地理數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和對現(xiàn)實世界參考對象的有效描述.

2.2 研究區(qū)域

騰格里沙漠位于寧夏西北部與內(nèi)蒙古地區(qū)交界，自然環(huán)境極其惡劣，沙丘鏈分布錯綜復雜，風沙頻繁，年降雨量不到300 mm，蒸發(fā)量卻高達1 500 mm，氣候溫差大，年起風沙次數(shù)超過300次.東部位于沙坡頭城鎮(zhèn)居民區(qū)與沙坡頭自然保護區(qū)接壤.空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來源主要分為實測數(shù)據(jù)和調(diào)查數(shù)據(jù)，無人機航拍和氣象數(shù)據(jù)都是通過現(xiàn)場勘測的實測數(shù)據(jù)；土地規(guī)劃、環(huán)境分布信息等數(shù)據(jù)是查閱已出版或經(jīng)過統(tǒng)一匯編的書籍資料的調(diào)查數(shù)據(jù).

2.3 概念模型框架設計

概念模型設計是對數(shù)據(jù)庫需求信息的綜合分析、歸納.根據(jù)沙漠區(qū)域所處的地理位置、氣候特征和自然氣象環(huán)境特點，從使用角度出發(fā)，將沙漠地區(qū)空間數(shù)據(jù)庫模型分為基礎地理信息、環(huán)境要素信息、規(guī)劃建筑信息、人文要素和非空間屬性信息5個要素數(shù)據(jù)集及若干要素類，具體設計沙漠地區(qū)空間數(shù)據(jù)庫概念模型框架，如圖1所示.

圖1 數(shù)據(jù)庫概念模型框架圖Fig.1 Overall design of spatial database in desert area

2.4 物理模型分層設計

為了形成更高效的數(shù)據(jù)組織形式，在空間數(shù)據(jù)庫中采用分層設計進行數(shù)據(jù)框架的構(gòu)建.數(shù)據(jù)庫中建立的空間數(shù)據(jù)需要先根據(jù)現(xiàn)實世界的地理信息進行判斷，后通過數(shù)據(jù)類別進行歸納，形成不同類型要素的圖層，如圖2所示.同時，所有的空間數(shù)據(jù)層都需要配置相同的坐標系統(tǒng)，以便能夠在同一空間進行數(shù)據(jù)層的疊加與可視化表達.

1) 背景數(shù)據(jù)層：在任何一個地理位置都可以通過不同時期的空間數(shù)據(jù)進行對比分析，展現(xiàn)該區(qū)域在時空層面的發(fā)展變化.在空間數(shù)據(jù)庫中加載不同時期拍攝的衛(wèi)星影像圖和數(shù)字高程模型進行對比分析后，選取時間最新的影響圖作為空間數(shù)據(jù)庫的背景數(shù)據(jù)層，并且該圖層需要在數(shù)據(jù)庫中進行地理配準、坐標轉(zhuǎn)換等工作，以使背景層能與其他圖層正確疊加.

2) 環(huán)境數(shù)據(jù)層：沙漠地區(qū)環(huán)境較為惡劣，地物等空間數(shù)據(jù)相對正常環(huán)境自然較少.因此在空間數(shù)據(jù)庫中分別采用點(如測站、地名)、線(如交通線路)、面(如光伏基地、自然保護區(qū))三種要素類對沙漠地區(qū)的空間要素進行矢量化處理，展現(xiàn)不同環(huán)境要素的空間位置和特征形式.

3) 屬性數(shù)據(jù)層：屬性數(shù)據(jù)主要分為兩類，第一種是矢量數(shù)據(jù)帶有的屬性數(shù)據(jù)，其被包含在表達空間要素的矢量數(shù)據(jù)中，例如用面要素在數(shù)據(jù)庫中表示的自然保護區(qū)，包括保護區(qū)名稱、面積及特征描述等.第二種是獨立的屬性數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)屬于本身不帶有空間位置信息，但與空間位置相關的非空間數(shù)據(jù)，例如沙漠地區(qū)的氣候觀測數(shù)據(jù)，這份數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫后可通過關鍵字與圖形數(shù)據(jù)建立聯(lián)系.

圖2 空間數(shù)據(jù)庫分層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Hierarchical structure of spatial database

2.5 邏輯模型設計

Geodatabase建設前期要對地理信息對象進行分類和編碼，以關系表結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)的描述和存儲，從而建立表與表之間的關系.如圖3所示對文中上述數(shù)據(jù)進行邏輯設計構(gòu)建沙漠空間實體聯(lián)系圖(E-R圖)，從而能夠更準確地表達地理對象的屬性信息，方便對空間數(shù)據(jù)管理應用.

2.6 沙漠地理空間數(shù)據(jù)庫的建立

空間數(shù)據(jù)庫的建設分為空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)兩部分，主要工作有非空間數(shù)據(jù)的資料收集、數(shù)據(jù)整理和空間數(shù)據(jù)的遙感影像采集、地理配準、航拍圖幅拼接、圖形編輯、格式轉(zhuǎn)換、空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的關聯(lián).沙漠地理空間數(shù)據(jù)庫的建立借助于ArcGIS空間數(shù)據(jù)管理模塊，按照目錄樹的結(jié)構(gòu)使數(shù)據(jù)相互關聯(lián)，空間數(shù)據(jù)庫的建立步驟如下：

1) 基于空間數(shù)據(jù)庫的整體設計結(jié)構(gòu)，定義和創(chuàng)建各類專題數(shù)據(jù)庫.

2) 以各類專題數(shù)據(jù)庫為基礎，再在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部創(chuàng)建相應的子類要素數(shù)據(jù)集，并對其設置空間參考.

3) 按照子類包含內(nèi)容，在各個圖層創(chuàng)建要素類.

4) 借助Feature Class to Geodatabase工具，將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)導入空間數(shù)據(jù)庫.

圖3 沙漠空間數(shù)據(jù)庫E-R圖Fig.3 E-R diagram of desert spatial database

3 空間數(shù)據(jù)庫功能與應用

基于上述設計方法對沙漠地區(qū)的空間數(shù)據(jù)庫建設進行設計.該數(shù)據(jù)庫基于ArcGIS Geodatabase的技術支持下實現(xiàn)一系列的數(shù)據(jù)管理、空間分析等功能，具體數(shù)據(jù)庫功能結(jié)構(gòu)如圖4所示.

3.1 數(shù)據(jù)瀏覽

該模塊主要實現(xiàn)沙漠地理空間數(shù)據(jù)的可視化管理，包括地圖實時縮放、場景漫游、空間量測的一些基礎地圖服務功能，以及基于SQL的多樣化數(shù)據(jù)檢索、圖形查詢屬性信息、遙感影像顯示等功能.并且空間數(shù)據(jù)庫也具備多種形式的人機交互界面，從而瀏覽不同類型的空間數(shù)據(jù)，如圖5所示.

3.2 風沙情況分析

風是沙塵暴形成的動力條件,它直接影響著風沙活動的強度.沙漠地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)在空間數(shù)據(jù)庫中可儲存為獨立的屬性數(shù)據(jù)，記錄不同氣象站點和不同時間的氣象數(shù)據(jù).為此在分析沙漠地區(qū)氣象條件時，可根據(jù)實際需求設置單個或多個限制條件，在滿足邏輯要求下通過編輯SQL語句在氣象數(shù)據(jù)庫中，查詢?nèi)我鈺r間段需要獲取的氣象數(shù)據(jù).例如在沙漠1號測站數(shù)據(jù)庫中查詢騰格里沙漠不同季節(jié)的起風情況，查詢結(jié)果如圖6所示.

數(shù)據(jù)庫查詢語句(以夏季為例)：

SELECT FROM ID Table(氣候觀測數(shù)據(jù)庫)

WHERE：

2020/6/1 00:00<時間<2020/8/31 23:59

圖5 空間數(shù)據(jù)瀏覽Fig.5 Spatial data browsing

沙漠腹地中的建筑設施在風沙較強的春夏季節(jié)容易受到影響，需要及時進行防護.尤其是沙漠公路等狹長工程建筑物，在沿途區(qū)域可能經(jīng)過多處風區(qū)，致使積沙嚴重，為此在沙漠空間數(shù)據(jù)庫調(diào)用公路沿途經(jīng)過氣象站點的風速數(shù)據(jù)，借助空間數(shù)據(jù)庫插值工具得到騰格里沙漠高速公路的風速分布圖，如圖7所示.

圖6 氣象數(shù)據(jù)庫Fig.6 Meteorological Database

圖7 沙漠公路風速分布Fig.7 Wind speed distribution of desert highway

沙漠地區(qū)大風活動頻繁，地表植被覆蓋度低，當風速大于3.5 m/s時容易帶起沙粒，形成風沙流等沙害.根據(jù)上圖沙漠地區(qū)風速分布圖，提前對沙漠公路風速大的區(qū)域展開防護與后期排沙作業(yè).

3.3 沙漠地區(qū)空間分析

空間分析是對不同地理空間數(shù)據(jù)的定量研究，通過借助GIS的空間分析技術對地理空間數(shù)據(jù)處理分析，針對具體情況提取其中所蘊含的潛在信息價值，實現(xiàn)沙漠地區(qū)空間要素的分析，如土地利用情況、路網(wǎng)分類、坡度變化等.因此，空間分析的應用體現(xiàn)在根據(jù)現(xiàn)有地理情況分析，進而為該地區(qū)的城市發(fā)展、道路規(guī)劃提供輔助決策.

3.4 專題圖制作

專題圖是指對指定需求下的單要素或多要素進行可視化表達，從而便于專題分析.沙漠地區(qū)空間數(shù)據(jù)庫中融合了遙感信息、無人機航拍等多種數(shù)據(jù)形式，因此，可根據(jù)實際需求進行動態(tài)專題圖的制作.比如沙漠地區(qū)工程建設時期，在數(shù)據(jù)庫中儲存不同工程階段的無人機航拍，從空間和時間的角度，進行工程動態(tài)專題地圖展示，如圖8所示，從而進行施工期階段的空間分析與階段評價.

圖8 沙漠公路建設專題圖Fig.8 Thematic map of desert highway construction

4 結(jié)論

結(jié)合騰格里沙漠腹地實際工程數(shù)據(jù)，研究基于ArcGIS Geodatabase沙漠地區(qū)空間數(shù)據(jù)庫的設計與應用，實現(xiàn)背景柵格數(shù)據(jù)、環(huán)境矢量數(shù)據(jù)、屬性文本數(shù)據(jù)等多類型數(shù)據(jù)，在統(tǒng)一地理框架體系下的各影響因素的有效融合和管理，克服傳統(tǒng)關系型數(shù)據(jù)庫在要素空間關系與分析能力上的缺陷，并對沙漠地區(qū)空間數(shù)據(jù)庫的具體功能與優(yōu)勢進行討論.

1) 該沙漠空間數(shù)據(jù)庫不僅考慮了數(shù)據(jù)的多樣化檢索與存儲功能，又兼顧一般數(shù)據(jù)庫不具備的各類數(shù)據(jù)圖像與數(shù)據(jù)結(jié)合調(diào)用、空間分析功能.文中數(shù)據(jù)庫對騰格里沙漠進行多元數(shù)據(jù)瀏覽、空間分析，制作不同時期的工程建設專題圖，從而反應不同階段的工程情況，更好的為該地區(qū)的城市規(guī)劃提供輔助決策.

2) 在空間數(shù)據(jù)庫中檢索騰格里沙漠不同季節(jié)氣象數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)春夏兩季風速最大，并依據(jù)風沙流的形成機理，從風速變化角度分析風沙對公路的影像，得出沙漠公路的風速分布圖，從而對公路風沙預防提出合理建議.

綜上所述，沙漠地理空間數(shù)據(jù)庫的建立不僅滿足了對多類型數(shù)據(jù)高效統(tǒng)一管理的需求，又加強了沙漠地區(qū)空間數(shù)據(jù)的可視化能力和分析能力，奠定后期沙漠地區(qū)綜合分析與評價基礎，為沙漠地區(qū)的工程性建設提供了有力的技術支撐.