中国岩石圈三维结构数据库地理信息系统设计.pdf

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1、中 国 岩 石 圈 三 维 结 构 数 据 库 地 理 信 息 系 统 设 计覃如府1,许惠平1,2,叶 娜2,欧少佳2,卢 焱1(1.吉林 大学 地球 探测 科学与 技术 学院,吉林 长春130026;2.同济 大学 海 洋地质 教育 部重点 实验 室,上 海200092)摘要:数据是地理信息系统的基础,数据库的建设是地理信息系统建设的关键,也是最重要的一步。按照 ArcSDE GeoDatabase 模型结构进行空间数据库建模,将数据库存放在数据库服务器端,用户通过空间数据库引擎 ArcSDE 访问数据库,便于实现数据共享和多用户并发操作。ArcObjects 是 ESRI 公司开发的面向

2、对象的地理数据模型和高度集成的软件组件库,是一套完全符合 COM 标准的大型软件架构。在服务器端以 SQL Server 2000+ArcSDE8.1 为空间数据库平台,客户端的管理系统通过 ArcObjects+VB6 来开发设计。关键词:GIS;中国岩石圈三维结构数据库;GeoDatabase;ArcObjects中图分类号:P208 文献标识码:A 文章编号:16715888(2005)04052906收稿日期:20040809基金项目:国土资源部专项研究计划项目(200010101)作者简介:覃如府(1979),男,广西柳江人,博士研究生,主要从事 GIS 设计及 GIS 数据方面的研

3、究,E-mail:qinrufu 通讯联系人:许惠平(1965),男,福建诏安人,教授,博士生导师,主要从事 3S 技术和地球物理方面的研究,E-mail:xu-huping 。Management System Design of China Lithosphere3D Structure Database Based on GISQIN Ru-fu1,XU Hui-ping1,2,YE Na2,OU Shao-jia2,LU Yan1(1.College o f GeoEx ploration Science&Technolog y,Jilin University,Changchun13

4、0026,China;2.Key Laboratory in Marine Geolo-g y o f Ministry o f Education,Ton gj i University,S hang hai200092,China)Abstract:Data are the base of GIS.Building a database is the key and the important process of de-signing GIS.Based on ArcSDE geodatabase,the authors store data on a database server a

5、nd users canaccess to database with ArcSDE.It is convenient to data sharing and multi-user concurient operation.ArcObjects is designed by ESRI,an object oriented geographical data model which provides a composi-tive and standard COM library.SQL Server 2000 and ArcSDE8.1 act as spacial database platf

6、orm onserver.The client management system is designed with ArcObjects and VB6.Key words:GIS;China lithosphere 3D structure database;geodatabase;ArcObjects0引言随着计算机技术和数据库技术的发展,GIS 已进入一个全新的时代,它的应用领域日益广泛。国土资源部重点项目“中国岩石圈三维结构数据库”是基于 GIS 的综合信息管理系统,目标是采用最新的空间信息技术,紧跟现代信息系统的发展趋势建立数据库,以便于高效地管理海量的、多源的岩石圈数据及能够对岩

7、石圈数据信息进行各种查询、分析和统计,将多源的岩石圈信息纳入科学有效集成与分析应用中,充分发挥岩石圈信息的社会经济效益,为国民经济发展建设提供综合的地学服务。中国岩石圈三维结构数据库地理信息系统主要由中国岩石圈三维结构数据库以及对该数据库进行 第 35 卷 第 4 期2005 年 7 月 吉 林 大 学 学 报(地 球 科 学 版)Journal of Jilin University(Earth Science Edition)Vol.35 No.4July 2005 管理的应用软硬件组成,本文将重点阐述基于 Geo-Database 的”中国岩石圈三维结构数据库”设计方法,以及应用 Arc

8、Objects 组件库开发基于 GIS 的中国岩石圈三维结构数据库管理系统的技术要点。1数据分析与集成建库1.1数据分析与预处理数据是地理信息系统的基础,数据库的建设是地理信息系统建设的关键,也是最重要的一步。中国岩石圈三维结构数据库主要由深部重磁数据库、大地热流数据库、大地电磁数据库、深部地震测深数据库、宽频地震数据库、深部地球化学数据库、地学断面数据库、盆地深部构造数据库和全国性构造格架数据库等十几个专业的相关数据及中国基础地理底图和元数据库构成。每个专业的数据库都包括空间数据、非空间数据表及栅格数据,是海量的、多源的数据。原始数据是由项目各个专业课题组提供的,由于不同专业课题组人员对 G

9、IS 的理解程度不一,所以所提供数据凌乱而且很不规范,例如深部地震测深数 据 库 所 提 供 的 数 据 中,“工 程 信 息”用 一 个Shapefile 文件来描述,混淆了空间实体与非空间数据的关系。为了实现多尺度、异构数据库一体化、协同方式的维护管理,保证数据库管理的高效性、方便性和数据的一致性,在建立数据库之前需要对数据进行科学和规范的整理。主要的工作是:(1)对数据进行必要的整合,尽量减少数据库中数据表个数。(2)仔细分析不同空间数据之间、不同非空间数据表之间以及空间数据与非空间数据表之间存在的关系,以便于在 GeoDatabase 中定义数据间的关系类。(3)根据建库标准对不合理数

10、据项重新进行定义、描述和组织等标准化预处理。(4)对栅格数据进行投影定义、几何校正配准处理。(5)设计优良的数据库结构和数据组织方案。在完成对原始数据的分析和预处理后,下一步工作是选择合适的数据库模型进行数据库的设计和建立。1.2应用 GeoDatabase 数据模型设计数据库在过去的几十年里,对空间数据管理主要采用文件形式进行管理,如 Arc/Info 的 Coverage,Arc-View 的 Shapefile 等。传统的文件类型数据管理方式采用数据分块存储,数据查询和检索效率受到限制,对用户的网络化服务也无法完成,大数据量的数据分析、数据库更新存在困难。随着 GIS 技术和数据库技术的

11、发展,应用商用关系型数据库管理空间数据的技术已经成熟,使得建立网络化的大型连续无缝空间数据库可以成为现实。ESRI 公司推出的 GIS 平台软件 ArcGIS 8 中引入了全新的面向对象的地理数据库模型 GeoDa-tabase,采用一种开放的结构将空间数据和与其相关的属性数据以及非空间数据库表统一存放在工业标准的数据库管理系统(DBMS)中。GeoDatabase分为 Personnal GeoDatabase 和 ArcSDE GeoData-base 两种数据模型结构。空间数据库按照 ArcSDEGeoDatabase 模型结构存贮,可以将数据库存放在数据库服务器端,用户通过空间数据库引

12、擎 ArcS-DE 访问数据库,实现数据共享和多用户并发操作。中国岩 石 圈 三维 结 构 数 据 库 组 织 采 用 Arc-SDEGeoDatabase 数 据 模 型结 构,关 系 型 数 据 库 采 用SQL Server 2000,空间数据库引擎为 ArcSDE8.1。在 GeoDatabase 中,数据是按要素类(Feature-Class)、对象类(ObjectClass)、关系类(Relationship-Class)和 要 素 数 据 集(FeatureDataset)进 行 组 合的1。要素类是具有同样几何类型和属性的空间要素集合;对象类是 GeoDatabase 中存储非

13、空间数据的数据库表;关系类定义两个不同的要素类和对象类之间的关联关系;要素数据集是有相同空间参考的要素类的集合。在中国岩石圈三维结构数据库设计过程中,每一个专业数据库作为一个要素数据集存在,在每个要素数据集中按照地理要素的分类进行物理分层,每一个物理分层作为一个要素类。如MT(大地电磁数据库)数据集下包含 mtPoint(大地电磁测点)、mtLine(大 地电 磁测线)两个要 素类。数据集下还包含有要素类之间的关系类,如 mtLn-ToPt(图 1)。以这种方式组织数据集是为了更好地管理各个专业数据库的数据,同时也为了方便用户使用数据2。ArcGIS 支持工业标准的统建模语言(UML)和CAS

14、E 工具(如 Viso 2000 Enterprise),用 CASE 工具可以完成对数据库结构的定义3。建立 GeoDa-tabase 有 多 种 方 法,但 是,采 用 CASE 工 具 设 计GeoDatabase 的结构有以下明显优点:(1)具有很强的数据表达能力。(2)能够清楚表达数据间存在的关系。(3)设计者能够从总体上把握数据库的结构和模式,便于数据库结构或模式的更新。(4)不同的数据库维护人员都可以从定义好的数据库的模式中了解整个数据库的数据,更有利于数据库的维护。035 吉 林 大 学 学 报(地 球 科 学 版)第 35 卷 总之,如果设计海量的地理数据库,那么采用 CAS

15、E工具是最为有效的方式。关于用 CASE 工具建立中国岩石圈三维结构数据库的具体步骤笔者在另文有详细介绍4。对于栅格数据按照 ArcSDE GeoDatabase 的栅格数据集进行组织和存储。对每个专业数据库的栅格数据编目成一个栅格数据集,以便于查询浏览。同时为每幅栅格数据建立金字塔(pyramids),以提高数据的显示速度。元数据信息按照项目组定制的元数据编辑器进行编辑,其内容包括数据标识、数据质量、空间数据组织、空间参考系、空间实体和属性、数据发布者及元数据参考信息等5。应用 Viso 2000 Enterprise 对中国岩石圈三维结构数据库进行统一建模,并结合 ArcCatalog,最

16、终建立了中国岩石圈三维结构数据库。图 1 为在ArcCatalog 目录下显示的中国岩石圈三维 结构数据库内容。图 1中国岩石圈三维结构数据库内容Fig.1hecontentof China lithosphere 3Dstructuredata-base2系统实现过程2.1系统总体结构设计系统采用 C/S 体系结构,将数据与客户端应用程序分离开,分别由数据库服务器及客户端的客户机来 执 行。在 服 务 器 端 以 SQL Server2000+ArcSDE8.1 为空间数据库平台,客户端的管理系统通过 ArcObjects+VB6 来 开 发 设 计。数 据 库 与ArcSDE 的连接方式采

17、用传统的间接连接方式,以减轻网络负担,同时也使得各种硬件配置的客户端都能访问数据而不受客户端硬件性能的限制和影响。系统的工作方式如图 2 所示。图 2系统结构图Fig.2Thestru cture of systemArcObjects 是 ESRI 公司开发的面向对象的地理数据模型和高度集成的软件组件库,是一套完全符合 COM 标 准的大型 软件架构。通过 ArcOb-jects 提供的接口进行通信,即通过调用 ArcObjects接口定义的属性、方法进行系统功能模块的封装;同时采用 ActiveX 技术,充分利用 ArcGIS8.1 为开发者提供的一个 ActiveX 控件 MapCont

18、rol 进行系统开发,MapControl 提供了如图形加载、显示等一些ArcMap 的基本功能,从而减少系统开发的工作量。管理系统的开发过程采用反复迭代的增量开发模型。系统开发工作是在统一的总体规划和设计完成后,并经过论证后再分阶段实施。系统开发以各135 第 4 期 覃如府,许惠平,叶 娜,欧少佳,卢 焱:中国岩石圈三维结构数据库地理信息系统设计曾杉,王 华斌.30 分 钟 跟 我 学 ArcObjects 开 发.ArcInfo 中国技术 咨询 与培训 中心.个专业库使用者需求为基线,通过反复增量,使系统的开发重点按“需求设计实现集成提交”逐渐后移,以保证系统的顺利实施。系统分析与设计采

19、用了面向对象的系统分析 与设计(OOA&D)方法,系统开 发过程中 应用了 计算机 辅助 软件工 程(CASE)技术进行系统分析、软件设计和开发,确保系统软件规范化、可靠性,提高系统开发的效率。图3 是在 Rational Rose 中,通 过 用 例 图(Use CaseView)来描述系统的各项具体功能。图 3系统功能用例图Fig.3The use case view of syste m s functions ESRI.Arcobjects Developer HelpM.ESRI Copyright,1999.2.2系统主要功能及实现2.2.1基本 GIS 功能基本 GIS 功能包括

20、常规的地图操作,如图形的无级缩放、漫游和图形输出、保存、打印、地图图层属性控制管理以及地图距离和面积的量算等。对于这些基本操作的实现过程有两种方式:第一,利用 Ar-cObjects 提供的相关对象编程逐步实现,例如图形放大功能可以通过 IEnvelope 对象提供的 Expand函数来实现6,7:Public Sub ZoomIn()Dim Ext as IEnvelopeSet Ext=MapControl.ActiveView.Ex-tentExt.Expand 0.5,0.5,TrueMapControl.ActiveView.Extent=ExtEnd Sub第二种方式,ArcGIS

21、8.1 为了使开发者可以把精力集中在系统其他分析功能的实现上,将一些常用的数据管理和图形 操作功能 封装在 AfCommandVB动态库中,开发者可以直接利用其功能。图形放大功能,可以 在 MapControl_ OnMouseDown 事件 下添加如下代码来实现:Dim m_ZoomIn as ICommandSet m_ZoomIn=New AfCommandVB.ZoomInm_ZoomIn.OnCreate MapControl.ObjectSet MapControl.CurrentTool=m_ZoomIn2.2.2信息查询信息查询检索功能是 GIS 系统必须具备的功能。系统查询功

22、能包括对图形和属性的双向查询、图形定位,SQL 条件组合查询,并且充分利用 GIS分析功能进行分析查询,如缓冲分析查询、周边信息查询、就近查询及空间分析查询(如相交、包含和被包含等)。这些功能主要是利用 ArcObjects 中的光标机制(Cursor)、查询过滤器指针 IQureyFilter 以及拓扑 关 系 接 口 ITopologicalOperator 等 来 实 现的。对于与空间数据无关的数据表,也可以进行简单的表格查询。因此系统具有很强的查询功能。由于在设计数据库模型时,在不同数据间定义了关系类,而 ArcObjects 提供的 IRelationshipClass对象提供的函数

23、和属性可以返回关系类的信息,创建关系 类 和关 系 规则 及 获取 关 系 类 的关 联 对 象235 吉 林 大 学 学 报(地 球 科 学 版)第 35 卷 等7。因此可以在上述查询方式的基础上,充分利用 IRelationshipClass 对象来实现多源岩石圈信息的关联查询,改善多源数据的查询机制、提高查询的效率。以点击查询方式为例,通过 Identify(查询)工具点击地图上的某测线查询其属性值,与该测线相关的各项信息如测线中包含的炮点及与该测线相关的工程信息、工程成果和工程文献以及相关的图片信息等,都可以一并查询出来并显示在目录框中,如图 4 所示。用户只要在目录框中点选相应的项,

24、内容 框中 就 会 显 示该 项 信 息 的内 容。而 且 利 用IRelationshipClass 编程,仅仅是对数据间的关系类进行操作,而不是直接对数据库中具体数据操作,所以不管数据库的结构或模式如何变更,对系统的查询功能并没有影响,系统将更易于维护。图 4系统主界面Fig.4The main interface of syste m2.2.3分析统计从地理数据库中相应的数据表中读取各项指标,然后对其进行分析统计,最后以更为直观的统计图(二维、三维柱状图和饼状图)或表格形式输出结论。2.2.4数据编辑有权限的用户,可以对数据进行编辑。数据编辑功能包括对空间要素添加、删除和位置旋转等操作,

25、同时可以对于空间数据对应的属性值进行编辑、添加和删除字段等。对非空间数据表也可进行添加和删除记录等操作。2.2.5元数据信息查询存储于 GeoDatabase 中的空间数据,其元数据信息不是以文件形式存在,而是以长二进制字段形式保存在地理数据库中的,所以它的元数据信息就不能通过一般的浏览器(如 IE)来浏览,目前,只能是通过 ArcGIS 桌面软件ArcCatalog 内置的浏览器来浏览。这就使得用户在浏览空间数据的元数据信息时,就必 须先启动 ArcCatalog,给用 户带来了不便。因此,根据项目组要求开发了元数据浏览器,将其集成到系统的界面中来,方便用户的使用。浏览器开发的主要步骤是:首

26、先,在 XML 编辑软件XML Spy 中根据 项目需要 编写专用 的XSL Stylesheet(样式表)8,然后,利用 ArcObjects的 IMetadata 和 IXmlPropertySet 对象并结合可以显示 HTML 文档 WebBrowser 控件进行编程设计浏览器,最终实现了类似 ArcCatalog 中元数据浏览器的功能。下面的代码是设计浏览器的关键语句:335 第 4 期 覃如府,许惠平,叶 娜,欧少佳,卢 焱:中国岩石圈三维结构数据库地理信息系统设计首先,提取空间数据元数据信息:Set g_pXmlPropset=pMetadata.Metadata然后,以编写的 X

27、SL 样式表对元数据信息进行转换,并将转换结果以 htm 格式文档保存:g_pXmlPropset.SaveAsFile XSL,False,App.Path&“temp.htm”最后,将 htm 格式文档读到 WebBrowser 控件中显示:WebBrowser.Navigate2 App.Path&“temp.htm”图 5 是在系统中浏览大地电磁测线图层的元数据信息的界面。图 5浏览大地电磁测线图层元数据信息Fig.5rowsing the metadata of magn etotelluric line fea-ture2.2.6专业应用模型分析系统中很重要的是一项功能是专业应用模

28、型分析,包括各课题的专业模型应用,如深地震测深课题组提供的炮点数据中,每个炮点对应着一组记录数据,对记录数据处理可以生成反演分析图和频谱分析图等。通过对课题组提供的资料进行剖析,在系统中根据各课题组的要求实现了各种专业应用模型分析。3结束语采用面向对象的数据模型GeoDatabase 并且用 CASE 工具建立地理数据库,充分实现了对中国岩石圈三维结构数据库的空间数据与非空间数据一体化的无缝集成,解决多源的、海量的中国岩石圈数据管理问题。应用基于 COM 技术的 ArcObjects组件库开发设计的中国岩石圈三维结构数据库管理系统具有较强的信息查询和数据管理功能,界面友好、美观。数据库和管理系

29、统的开发设计具有很好的开放性和前瞻性,获得了项目组的肯定。参考文献(References):1毛锋,沈小华,艾丽双.ArcGIS8 开发与实践M.北京:科学出版社,2002:119123.MAO Feng,SHEN Xiao-hua,AI Li-shuang.Developand practice ArcGIS8 M .Beijing:Science Press,2002:119123.2许惠平,王家林,陈华根.中国边缘海新生代沉积盆地地理信息系统的设计及潮汕坳陷数据库的建立J.吉林大学学报(地球科学版),2002,32(4):403407.XU Hui-ping,WANG Jia-lin,C

30、HEN Hua-gen.Desig-ning the Cenozoic sedimentary basin GIS of China mar-ginal seas and establishing the Chaoshan down-warpedbasin databaseJ.Journal of Jilin University(EarthScience Edition),2002,32(4):403407.3endy Boggs,Michael Boggs.UML with RationalRose 从入门到精通M.邱仲潘,等译.北京:电子工业出版社,2001.Wendy Boggs,Mi

31、chael Boggs.Mastering UML withRational RoseM.Translated by Qiu Zhong-pan,etal.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2001.4SRI.CASE Tools Tutorial EB/OL.http:/ Shao-jia,XU Hui-ping,QIN Ru-fu,et al.Metadatadesign and management of China lithosphere 3D struc-ture of database s metadataJ.Jour

32、nal of Jilin Univer-sity(Earth Science Edition),2003,33(3):377380.6李鸿吉.Visual Basic 6.0 中文版编程方法详解M.北京:科学出版社,2001.LIHong-ji.Explaining of programing method withVisual Basic 6.0M.Beijing:Science Press,2001.7SRI.Exploring ArcObjects EB/OL.http:/arcon-,2001.8huck White.XSLT 从入门到精通M.王健,等译.北京:电子工业出版社,2003.Chunk White.Mastering XSLT M.Translated byWang Jian,et al.Beijing:Publishing House of Elec-tronics Industry,2003.435 吉 林 大 学 学 报(地 球 科 学 版)第 35 卷