基于ArcGIS的空间数据库设计与建库方法.docx
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基于ArcGIS的空间数据库设计与建库方法
论文题目：
基于ArcGIS的空间数据库设计与建库方法
专业：
地理信息系统
本科生：
（签名）
指导教师：
（签名）
摘要
为了全面查清全国土地利用状况，掌握真实土地基础数据，并对调查成果实行信息化、网络化管理，实现土地资源信息的社会化服务，满足经济社会发展、土地宏观调控及国土资源管理需要，进行了第二次全国土地调查并建立数据库。
土地利用空间数据的存储和管理是建设空间数据库的基础，考虑到信息共享和数据传输效率的需要，本文主要采用基于对象-关系型数据库的地理数据模型一Geodatabase数据模型来建立土地利用空间数据库。
Geodatabase地理数据模型实现了空间数据和属性数据的无缝集成和一体化管理，代表着GIS的发展方向.
本文介绍了Geodatabase数据模型并把Geodatabase数据模型应用到景泰县农村土地利用空间数据库建库研究上。
首先根据CASE工具设计Geodatabase空间数据库结构模型，然后导入到ArcGIS中，然后再将转换后的数据加入到数据库中，并对数据库进行测试、维护和更新。
关键词：
土地利用，空间数据库，Geodatabase，CASE
Subject：
BasedonArcGIStheSpatialdatabasedesignanddatabasemethod
Specialty：
GeographicInformationSystem
Name：
LiuJie（Signature）
Instructor：
ZhangYaomin（Signature）
Abstract
TheconstructionofInformationizationisaforcetoacceleratetheinformationtechnologydevelopment,andasignificantwaytoscientificallymanagelandresourcetoo.Accordingtoeleventhfive-year-planoflandresourceInformationalizationandoutlineofcadastre,wewillcompleteaseriesofdatabaseconstructioninordertosupportthelandresourcemanagementandserveforpublicandalsointendtoestablishurbanandruraluniteddatabase,whichcoverfourlevels（nation,province,city,country）andcancommunicatewitheachother.
Thestorageandmanagementofspatialdataarethefoundationofthebuildingoflandusespatialdatabase.Forsharingandtransmittinginformationefficiently,datamodelshouldbetakenintoaccount.Spatialdatamodelexperiencedthreegenerations:
theCADmodel,theCoveragemodel,aswellasthethirdmodelofGeodatabasewhichwasentirelybasedonobject-RelationalDatabaseManagementSystem.TheGeodatabasemodelmaketheseamlessintegrati...更多onofspatialdataandattributedatacometrueanditrepresentsthedevelopingdirectionofGeographyInformationSystem.Inthisstudy,theGeodatabasedatamodelwasappliedtotheconstructionofJingTailandusespatialdatabase.Firstofall,ontheresearchanddiscussionofspatialdatabaseandthepeculiarcharacteristicofJingTailandusemanagement,theauthorhasproposedtosetupthethoughtofthelandusespatialdatabasewiththeGeodatabasemodelofobject-oriented.CASEtoolsareusedtocreatestorageandmanagementoflandusemodel.Inthethesis,usingGeodatabasedatamodelofESRIandobject-relationdatabasemanagementsystemintegratesvectordata、attributedata、rasterdataandoriginalrecordingdatatogetherintothelandusespatialdatabase.Theresultofthisthesisincludes:
（1）ThisstudyhasdesignedandbuiltJingTaiLandUsespatialdatabasebasedonGeodatabasewithCASEtools.
（2）Referencetointernationalanddomesticstandardofmetadata,theJingTailandusedatabasemetadatacontentwasinstituted.（3）DependonArcObjectslibrary,ArcSDE,Oracle9i,makinguseofVBandCOMtechnology,thisstudyhasdevelopedJingTailandusedatabasesystem.
KEYWORDS：
landuse,spatialdatabase,Geodatabase,CASE
第1章引言
1.1选题背景
近年来，随着我县经济建设和社会各项事业的快速发展，特别是城镇化、工业化、基础设施建设和农业产业结构调整步伐的加快，土地开发整理力度的加大，城乡土地权属和利用状况发生了很大变化。
现有的土地调查成果资料、基础图件、数据与实地的土地利用现状差别较大，已严重制约了土地利用规划、计划的实施，也影响了政府对土地的科学、有效管理。
开展第二次土地调查，就显得尤为及时和重要。
开展第二次土地调查，是加强和改善土地调控、保证全县经济社会平稳健康发展的重要基础；是保护耕地、保障粮食安全、维护农民利益、保护土地权利人物权、统筹城乡发展、构建和谐社会的重要内容；是我县土地规划修编、建设用地的供给、政府科学规划、科学决策、合理利用、有效保护和严格管理土地资源的重要基础支撑；是满足土地管理方式和管理职能转变、不断提高全县土地管理水平的重要措施；也是推进工业化、城镇化，实现农业现代化，加快新农村建设的关键所在。
全面查清全县土地利用状况，掌握真实的土地基础数据，实行调查成果信息化、网络化管理，完善土地调查、统计和登记制度，进一步盘活存量土地，挖掘土地资源的潜力，提高土地利用率，实现土地资源信息的社会化服务，满足我县经济社会发展的需要。
作为一项重大国情国力调查，第二次土地调查目的是全面查清全国土地利用状况，掌握真实土地基础数据，并对调查成果实行信息化、网络化管理，建立和完善土地调查、统计制度和登记制度，实现土地资源信息的社会化服务，满足经济社会发展、土地宏观调控及国土资源管理需要。
对于贯彻落实科学发展观，构建社会主义和谐社会，促进经济社会可持续发展和加强国土资源管理具有十分重要的意义。
按照国务院《通知》要求，第二次全国土地调查主要任务包括：
开展农村土地调查，查清全国农村各类土地的利用状况；开展城镇土地调查，掌握城市建成区、县城所在地建制镇的城镇土地状况；开展基本农田状况调查，查清全国基本农田状况；建设土地调查数据库，实现调查信息的互联共享。
在调查的基础上，建立土地资源变化信息的调查统计、及时监测与快速更新机制。
具体任务如下：
1）农村土地调查
农村土地调查是指对城市、建制镇以外的土地进行调查。
农村土地调查是第二次土地调查的重点任务。
按照调查内容，农村土地调查分农村土地利用现状调查和农村土地权属调查两部分。
Ø农村土地利用现状调查。
以1:
1万比例尺为主，以县区为基本单位，按照统一的土地调查技术标准，以正射影像图为基础，实地调查城镇以外的每块土地的地类、位置、范围、面积、分布等利用状况，查清全国耕地、园地、草地、林地、农村居民点等各类土地的分布和利用现状。
Ø农村土地权属调查。
农村土地权属调查主要是查清农村集体土地所有权和公路、铁路、河流以及农、林、牧、渔场（含部队、劳改农场及使用的土地）等国有土地的使用权状况。
充分利用土地调查成果，加快推进土地登记发证，完成农村集体土地所有权登记发证工作。
2）城镇土地调查
城镇土地调查是指对城镇范围以内的土地开展大比例尺调查。
依据地籍调查技术规程，充分利用已有地籍调查成果，查清城镇内部建设用地的使用权状况，确定城镇内部每宗土地的界址、范围、界线、数量、用途等。
通过汇总分析，掌握工业用地、基础设施用地、金融商业服务用地、房地产用地、开发园区等土地利用状况。
3）基本农田调查
由各地组织，依据本地区的土地利用总体规划，按照基本农田保护区（块）划定资料，将基本农田保护地块（区块）落实至土地利用现状图上，统计汇总出各级行政区域内基本农田的分布、面积、地类等状况，并登记上证，造册。
1.2研究现状
1.2.1空间数据库研究现状
地理信息系统GIS（GeographicInformationSystem）作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科，正在迅速的兴起和发展，并成为当前的一个研究热点。
地理信息系统是分析和处理海量地理数据的通用技术，在资源环境调查、资源环境评估、区域和城市发展规划、公共设施管理、交通管理和安全领域发挥着日益重要的作用。
空间数据库是地理信息系统的核心，地理信息系统几次重大的技术革命都是与空间数据库管理系统的技术发展相关的（龚健雅等，2004）
空间数据库是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合，是地理信息系统在计算机物理介质上存储的与应用有关的地理空间数据的总和，一般是以特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的。
组织和管理空间数据是GIS的核心任务，也是GIS发展的技术支柱，空间数据的组织和管理方式直接决定了GIS工作的效率。
空间数据不同的管理方式，其存储效率和数据共享、适用环境等都有着明显的差异。
1）空间数据的文件管理属性数据的关系数据库管理方式
由于空间数据的非结构化，早期GIS数据库都采用文件与关系数据库混合模式管理方式，比较典型的如ESRI的Shape.Coverage文件格式。
这种方式把空间数据与属性数据分开存储，用文件来存储地理空间数据，用关系数据库来存储属性数据，通过唯一标识符ID来建立它们之间的连接。
严格说来，采用文件与关系数据库混合模式还不能说是真正意义上的空间数据库管理系统。
由于空间数据和属性数据是各自独立组织、管理与检索，仅仅通过ID进行关联，从而造成空间查询操作效率低下，尤其在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺少基本的功能（张心长等，2005;乌Q伦等，2001）。
2）纯关系型数据库管理方式（DBMS）
纯关系型数据库管理模式是指图形数据和属性数据都采用某种关系数据库管理系统进行管理。
GIS软件开发商在关系数据库管理系统的基础上进行开发，使GIS不仅能管理结构化的属性数据，还能管理非结构化的空间几何数据。
对于变长结构的空间数据，一般采用把图形数据的变长部分处理成Binai，二进制Block块字段。
目前，大部分数据库管理系统都提供二进制块的字段域，如Oracle公司的LongRow数据类型，SglServer中的IMAGE数据类型等。
3）对象一关系数据库管理系统（ODBMS）
对象关系数据库系统是在传统的关系数据库系统基础上进行了扩展，使之直接存储非结构化的空间数据，能够同时管理图形数据和属性数据。
目前，扩展关系数据库的方式有两种:
一种是GIs软件商在传统的关系数据库系统上进行了扩展，外加一个空间数据引擎，如ESRI公司的ArcSDE,MapInfo公司的SpatialWare等。
空间数据引擎将不同的软件平台和大型空间数据库平台的差异之处屏蔽起来，通过空间数据引擎这一“中间件”将空间数据提交给大型关系型数据库管理系统，并由大型关系型数据库管理系统统一管理;另一种方式是数据库管理系统的软件商自己在关系数据库管理系统中进行扩展，使之能够同时存储空间数据和属性数据，例如OracleSpatial等。
对象关系数据库管理方式通常采用大型关系型数据库管理系统（如Oracle.SQL
Server等）管理空间数据，即所有的空间数据和属性数据都存储在关系数据库系统中。
因此，可以充分利用关系数据库系统提供的数据库管理功能，如关系数据库的海量数据管理、事物处理、记录锁定、并发控制、数据控制、数据仓库、安全性、一致性、完整性以及数据损坏后的恢复等功能。
对象关系数据库管理方式真正实现了空间数据与属性数据的一体化集成，应用对象关系型数据库方式管理空间已成为GIS领域的发展趋势之一。
4）面向对象型数据库管理系统（OODBMS）[1]
随着面向对象（ObjectOriented）思想的出现和面向对象方法学的应用，面向对象的思想也应用到了空间数据库的设计中。
面向对象模型可以将物体的空间图形和属性数据集成在同一对象中处理，有利于空间数据和属性数据对应起来，发现目标的几何性质与属性的对应关系。
面向对象空间数据库是未来的发展方向。
从理论上讲它能解决纯关系数据库存在的问题，具有完全的面向对象的特征，这些特征包括封装、消息、状态、标识、类型、类、复合对象、绑定、多态性、继承和扩展性等.但是，由于面向对象数据库作为一个数据库管理系统还不是十分成熟。
目前面向对象数据库尚没有统一可行的标准，尽管己提出一个标准草案ODMG93，但没有得到普遍遵循，还缺乏坚实的形式化理论的支持。
面向对象数据库产品在安全性、完整性、坚固性、可伸缩性、视图机制、模式演化等许多方面还不完善。
另外，面向对象数据库并不支持SQL语言，与传统的关系数据库之间缺少应用的兼容性。
面向对象空间数据库管理系统的商业化产品尚未出现，使得面向对象的数据库管理系统在GIS领域应用还不是很普遍。
目前商业化空间数据库GeoDatbaase数据模型即属于对象关系型数据库，在关系型数据库中己经融入了面向对象技术，如:
类（Clsas）、对象（bojcet）、封装（Enc即sula七ion）、继承（Inheritance）和多态（Polymorphism）等思想和技术。
是建立在DBMS之上的统一的、智能化的空间数据库。
所谓“统一”，在于Geodatbasae之前所有的空间数据模型都不能在一个同一的模型框架下对GSI通常所处理和表达的地理空间要素，如:
矢量、栅格、三维表面、网络、地址等，进行统一的描述。
而Geodatbasae做到了这一点。
所谓“智能化”，是指Geodatbasae模型中，地理空间要素的表达较之以往的模型更接近于我们对现实事物对象的认识和表述方式。
Geodatabsae中引入了地理空间要素的行为、规则和关系，当处理Goedtabaase中的要素时，对其基本的行为和必须满足的规则，我们无需通过程序编码;对其特殊的行为和规则，则可以通过要素扩展进行客户化定义。
这是其它任何空间数据模型都做不到的。
GoeDtabaase代表着新一代对象关系型数据库的先进水平。
介于GoeDatbasae在数据模型中的明显优势，本次上海市信息基础设施数据库建设中也采用了GoeaDtabsae数据模型[3]。
1.2.2土地利用数据库建库现状
1）土地利用数据库建库进展
随着我国社会经济的发展，国土部门的业务工作及范围也在不断扩大，原有的靠手工操作、图纸管理的模式已经越来越不能满足土地管理工作信息化的要求。
伴随着“数字国土”工程的不断深入，建立土地利用数据库系统对提高土地管理工作的信息化、科学化、规范化以及实现国土资源共享具有重要的意义。
土地利用数据库系统是土地信息系统的重要分支和组成部分。
它采用地理数据库技术对土地利用数据进行管理，并提供数据采集、存储、分析、土地利用数据统计汇总等多项生产和管理功能，为土地利用总体规划、政府部门科学管理用地提供基础数据来源。
土地利用数据库的建设工作是在土地利用现状调查、土地利用变更调查和基础图件更新的基础上开展的.1997--2000年由原国家土地管理局组织完成了全国1:
50万土地利用数据库的建设;1999年底国土资源部将全国1:
1万主比例尺土地利用数据库的建设工作正式纳入国土资源大调查的“数字国土”工程，截止到2004年底共有1000余县市开展了此项建库工作，全国1:
1万主比例尺土地利用数据库建设目标是在2010年前完成全国重点农业区约2000个县、市的建库工作。
伴随着国土资源信息化进程的不断发展，为了实现数据共享和土地利用数据信息服务社会化的要求，使已建成的土地利用数据库能够准确、快速、高效地服务社会，自2002年初开始依据《国土资源信息核心元数据标准》，开展了土地利用元数据系统的开发和建设工作。
2005年5月，国土资源部向国家发改委申请的“金土工程”项目正式获得立项。
“金土工程”是面向保护资源、维护权益、支持发展、服务社会的国土资源信息化建设工程。
为了配合“金土工程”的实施，国上资源部颁布了最新的《县级土地利用数据库标准》。
2）建库中存在的问题
在土地利用数据库的建设中，目前存在的主要问题有:
Ø建库平台种类繁多，平台之间数据转换困难
建库平台即软件的选择，目前可以用来进行数据处理的GIS软件已越来越多，如MAPGIS.GEOWAY、瑞得、深圳凯立得等。
随着技术的不断提升，在市场经济的历练下，大多国产GIS软件功能日趋完善，在性能上也各有优缺点。
然而由于某些方面的原因，数据从一个平台转换到另一个平台时会出现数据丢失的现象。
因此，为了便于数据共享和数据汇总，建库软件平台的选择需要慎重考虑。
Ø土地利用元数据库建设相对滞后
由于种种历史原因，土地利用数据库和土地利用元数据库建设没有同步开展。
元数据库系统建设相对滞后，造成己完成土地建库的县级单位搜集元数据信息的困难（徐建新等，2006）。
另外，一些建库单位和建库部门对“元数据”的重要性认识不足，轻视元数据库建设的现象普遍存在。
Ø建库数据质量差、内容不规范
由于一些建库软件的数据质量检查能力较弱，另外一些建库单位在数据库建立过程中没有采取一种可行的数据质量保证措施，结果在数据质量方面产生了一系列的问题。
例如，土地利用要素分层和属性结构不规范，未维护拓扑结构，分区数据有重叠、重复、缝隙和破碎多边形，缺少属性数据等。
因此，存在上述问题的土地利用数据库中的数据就不能满足实际应用系统的要求。
Ø以文件管理方式为主，不利于海量数据的存储与管理和多用户并发操作
空间数据不同于一般的属性数据，空间数据具有以下特征:
空间性、抽象性、多尺度与多态性等（龚健雅等，2004）。
传统的基于文件方式的GIS数据存储技术有其固有的不足，不利于海量空间数据的存储和管理，采用数据库技术存储空间数据是今后一段时间内GIS数据管理发展的方向。
Ø新老标准衔接
目前并存着《县（市）级土地利用数据库标准》和《县级土地利用数据库标准》两套标准，对于已经完成土地利用建库和将要进行建库的单位而言，如何对新老标准进行衔接是值得考虑的问题。
1.3空间数据库的发展趋势
卫星遥感影像以及对地形图和专题地图扫描产生大量的栅格数据，外面要求空间数据库管理系统（SDBMS）能有效支持场（field）模型实体。
数据仓库处理大量从可操作的和遗留的系统获得的数据。
数据仓库负责清洗和转换这些数据，以便反映出其变化和趋势。
这样的数据分析用于决策支持系统，而决策支持系统对于许多组织机构来说都是至关重要的。
在这些数据仓库中，由于数据的历史特性，其数据非常巨大。
这种数据通常是作为多维数据进行建模和处理的。
尽管数据仓库查询所处理的数据量很大，但查询响应时间必须很低才能支持交互的和迭代的数据分析，以便完成数据挖掘和发现过程。
今年来，随着遥感技术的发展，栅格形式的空间数据越来越多。
由于大部分遥感数据可能永远不能转换成矢量格式，所以栅格数据库变的尤为重要。
栅格数据可以用场模型来建模。
地图代数提供了一套操纵栅格数据集的操作符。
数据分片是最常用的存储栅格数据集的方法。
外面可以通过元数据或内容来查询栅格数据项，空间数据仓库是为高效支持统计聚集汇总查询而设计的一种特殊数据库。
1.3.1支持场实体的数据库
空间数据库管理系统必须支持建模为场的空间实体，这样的过程包括温度、高程、降雨量和气压等。
这些实体的一个基本共性是它们都是“连续的”，即如果两个点在空间上彼此靠近，那么这两个点的场值就也是相近的。
理论上，一个场模型可以通过求场函数的逆变换为一个对象模型。
然而，在数据库中怎样表示一个场函数呢？
例如，栅格图形的网格上的每个单元格指定一个颜色（或灰度），这是根据该单元格内有限采样点的平均值而确定的。
场函数的连续性确保采样均值的分布可以很好地表示原函数。
这样，就可以一用代表值的矩阵来表示场函数。
在GIS中，这样的矩阵称为栅格，而栅格的每个单元格则称为像素，像素是像元素的缩写。
地图代数式是对栅格分析所做的大量操作进行组织的一种系统框架，最先由Tomlin提出。
它最初是为地图绘制团体而开发的，但现在已经演化为一种卓越的处理栅格的语言，许多GIS商业软件产品都支持某种形式的地图代数。
但要记住，地图代数式一个用于栅格分析而不是栅格查询的框架。
人们熟知的图像代数与地图代数类似，但更正式一些，它是图像处理操作的集合。
后来，有人尝试借用图像代数的技术对地图代数作形式化和功能的扩展，便出现了所谓的地理代数。
代数式一种数学基础，包括两个不同的元素集合：
（Ωa，Ωo）。
Ωa是操作数的集合，Ωo是操作的集合。
代数需要满足许多公理，但其中重要的是闭合性，即对操作数进行操作的结果必定在Ωa内。
一个简单的代数的例子就是加法和乘法操作的自然数集合。
在地图代数中，操作数是栅格矩阵，而操作可以分为4类：
局部的、聚焦的、区域的和全局的。
对于查询和其他数据库的支持，把栅格图像存储在数据库中而不是作为文件系统中的文件是很重要的。
由于栅格图像比其他属性占用的磁盘块空间分片更多，因此必须为栅格
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