基于GIS山区生态资源空间数据库设计与实现

贺磊,刘亚静,刘童

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山，063210)

生态资源是当今社会一个重要的领域，其重要性不言而喻，所以要对生态资源实现实时的监测、有效的管理是十分有必要的。有很多科研人员对生态资源信息化进行了研究，何利在湿地生态资源中对生态资源价值构成进行分析，从生态资源资产与生态资源产品这两个方面对自然生态资源进行价值评估[1]。贺志新通过构建基于RDBMS数据库实现了对海洋生态资源损害的管理[2]。武爱彬通过建立生态资源空间数据库实现对研究区域的生态系统服务价值评价的研究[3]。武汉大学的刘武琼搭建了河北省生态资源数据库系统，从而能够对河北省生态环境资源信息化，提高了对河北省生态资源信息的高效利用[4]。张以宁对河北省内城市园林树木信息建立空间内数据库，从而构建了河北省城市园林树木网络专家系统，实现了对园林树木资源的高效性查询[5]。前人的研究大多数是在省级尺度下的生态资源信息或山区生态资源中具体的一类资源信息的建立，没有真正具体到山区领域及相应尺度，使得山区生态资源信息不够全面。而山区作为一个情况比较复杂的区域，对其生态资源的信息化管理是十分有必要的。山区生态资源空间数据是对山区生态资源中空间实体的地理信息的描述，例如空间实体的位置以及形状等数据。空间数据的来源通常是外业测量、遥感数据以及GPS等，其中包括矢量数据和栅格数据[6]。在空间数据管理方面，由于空间数据的特殊性与复杂性，对于空间数据的管理出现了很多不同的管理方式，经前人研究发现，面向对象的空间数据库管理系统是最适合空间数据的表达和管理。管理者可以根据需求来定义出合适的数据结构和操作[7]。通过以ArcSDE为核心的山区生态资源空间数据库的构建，可以将空间数据与属性数据集成并且将数据存储到SQL Server等关系型数据库中，这样可以进行空间数据和属性数据的高效操作的数据库服务[8]。从而实现了高度集成化的空间数据库，为后期对山区生态资源信息化管理系统的开发提供数据库技术上的支持。

1 山区生态资源空间数据库建设分析与内容

1.1 需求分析

现如今的GIS技术发展迅速，在实现空间数据和属性数据统一管理这一方面有巨大优势，并且能够对空间数据进行存储、检索、分析等操作。然而对山区各类生态资源的地理空间数据进行管理时，需要使用的是小尺度地理空间数据库，缺乏高效率的空间数据管理方法与途径。特别是近年来，随着社会对生态资源的日益重视，传统的生态资源空间数据库与山区的生态资源信息化建设需求间的矛盾日渐显现。由于山区生态资源相对复杂，山区生态资源管理者要求对山区生态资源的分类更加详细，并建立起山区生态资源空间数据库管理系统，实现对山区生态资源的空间分析以及可视化管理功能。通过各种空间分析方法确定出空间实体之间的相互关系，进而可以得出在一定区域内的空间信息的分布和变化过程，甚至可以挖掘出其潜在的信息[9]，以实现山区生态资源空间数据与属性数据的融合与展示。因此需要设计符合山区实际生态资源需求的地理空间数据库。

1.2 山区生态资源空间数据库建设内容

随着全国各地的工业化、城镇化进程的加快，生态系统所承担的压力迅速增大[10]。建立山区生态资源空间数据库可以对山区生态资源实现科学管理，充分发挥出山区的生态优势。其中我国山区生态资源最大优势是矿产、森林、水资源相对丰富，对社会的发展有着重要的作用[11]。为了能有效地管理山区生态资源数据，更好地实现对山区各类生态资源的统一管理和相应评价，使用数据库及空间信息技术是一种高效可行的技术方法。建立山区生态资源空间数据库首先掌握山区生态资源的组成及分类，在统一的规范和标准下，合理设计符合规范的存储结构，建立山区生态资源空间数据库结构。其次完成户外调研以及基本数据的采集，将采集到的数据矢量化，生成需要的空间数据，并最终将其存储到空间数据库中。最终为实现更加高效管理的山区生态资源数据服务平台提供基本数据服务。因此，山区生态资源空间数据库建设内容重点可以划分如下内容：

(1)根据国家标准规范以及行业标准规范，结合山区生态资源的特殊性，将山区生态资源数据进行分类并制定空间数据结构体系，将调研采集到的数据编辑总结到数据库中对应的数据表中[12]。

(2)通过ArcSDE将空间数据链接到SQL Server数据库中，并建立起土地资源、水资源、矿产资源等专题属性数据库，在数据库统一标准和规范的要求下，进行数据的综合与整理。

2 山区生态资源空间数据库建立

2.1 研究区概况

研究区域位于河北省唐山市迁西县，地理位置为北纬39°57′—40°27′，东经118°06′—118°37′，总面积为1 439 km2。迁西县位于燕山沉降带东段南缘，其地貌特征为低山丘陵景观。气候类型属暖温带大陆性半湿润的季风气候，四季分明，干湿季节明显，年平均气温10.1 ℃，多年年平均降水量为804.2 mm。境内的林地面积约为9.53万km2，森林覆盖率达63%。矿产资源有36种，主要包括铁、金、锰等。经济农作物以板栗、大枣、梨为主。研究区域生态资源种类丰富，在研究中具有代表性。

2.2 山区生态资源空间数据库特点

空间数据库与传统的数据管理方式不同，它具有更强的数据管理能力，具体表现在其能够对数据进行集中控制，并且有数据冗余度小等特点。GIS中数据通常为地理空间数据，具有多样性,各类地理实体之间的关系比较复杂，并且数据量大，因此必须通过空间数据库的方式来实现对地理数据的管理。山区生态资源是GIS中一个比较复杂的地理要素，因而通过对其建立空间数据库能够实现对其数据的高效性管理。山区生态资源空间数据库的特点有：

(1)具有数据量大的特点。山区生态资源分类众多，每一类中又拥有多个具体的子类。每一个子类拥有多个属性信息对其进行描述。因而山区生态资源具有数据量大的特点。

(2)具备高效率的检索和分析能力。山区生态资源空间数据库作为数据库中的一类，同样具备数据库的特点，而高效率的检索和分析能力是能够实现对山区生态资源的管理和分析。

(3)复杂的空间数据模型。 山区生态资源数据包括属性数据和空间数据，相较于传统的数据库，需要空间数据来实现地理要素的可视化描述。

2.3 空间数据分类

山区由于其复杂多样，不同于其他地区的生态资源分类，通过将山区生态资源分类能够更加清晰便捷地对山区生态资源进行管理和分析。通过对山区生态资源的分类后得到的结果如表1所示。

表1 山区生态资源分类

表1中的空间数据分类是在系统功能需求及国家规范和标准的前提下，是将其具有不同属性或特征的要素区分出来的过程，该过程为数据采集、存储以及管理提供依据。通过对山区生态资源种类的分析，将山区生态资源整合成土地资源、矿产资源、水资源、植被资源、经济农作物资源、公共建设资源等6大类。对这6个大类进行空间数据建库。

2.4 数据组织

空间数据组织是在数据分类的基础上，根据所设计的空间数据库的数据结构进行逻辑划分。山区生态资源空间数据库是以ArcGIS的Geodatabase为数据库，其由要素集组成，要素集可以分为不同的要素类，要素类是由若干个要素组成，即：数据库-要素数据集-要素类。通过将山区生态资源空间数据库包含的各个要素数据，按照空间信息描述的实体类型划分为不同的要素类。要素类的划分便于图形的操作以及管理和计算。如山区生态资源空间数据库-土地资源数据集-耕地。

属性数据结构是用来对要素的各个特征进行描述，例如性质、状态、地理信息等。因而需要建立要素的内部属性表，并对其内部属性进行管理。为了使管理效率提高，山区生态资源空间数据的属性数据采用内部属性表进行组织管理。设计要素的属性表时，主要考虑属性数据结构设计，通常包括数据名称、数据编码、数据类型、存储长度等内容。属性数据结构设计必须能够充分表达出要素的固有特征。以山区生态资源中植被资源要素集中的乔木林数据表为例，其属性数据结构设计如表2所示。

表2 乔木林属性数据结构设计表

在表2中，要素类名称和要素类编码用于描述具体的属性；数据类型是用于存储空间数据时使用的数据类型；长度为数据类型对应的字节数，每一项属性都有具体的数据取值范围。通过要素编号、要素名称来表示乔木林属性的基本信息，要素坐标、要素坐落和要素面积表示该要素的地理信息，亩株数、平均胸径和平均树高来表示乔木林的植被属性信息。

为了能够对各个要素实体之间的联系有更加清晰的了解，可以通过实体—联系(Entity-Relationship，即E-R)模型来表示。通过查询山区生态资源的相关文献及资料后，经过整理和分析，设计出山区生态资源空间数据库的E-R图，如图1所示。

图1 山区生态资源空间数据库E-R图

Figure 1 Spatial database of mountain ecological resources E-R chart

首先对研究区域的地理属性与要素数据集进行关联，将研究区域中的生态资源要素数据集分为6个大类，每个要素数据集根据各自生态资源空间数据特点分为多个要素类，这些要素类是在后期建立山区生态资源种类的依据。

E-R图能够实现实体、属性和联系的方法，可以用来描述山区生态资源的概念模型。图1中的矩形是用来表示实体，也就是数据对象的名称，椭圆形是用来表示实体对象所对应的属性信息，菱形中的信息是用来表示两个数据之间的关系，并将两者连接起来。以森林资源为例，将森林资源要素数据集中的各个要素中的属性与实体设计出E-R图，如图2所示。

图2 森林资源空间数据库E-R图

Figure 2 Spatial database of forest resources E-R chart

图2中为森林资源空间数据库的E-R图，图中森林资源分为3个大类，即为灌木林、乔木林和疏林、未成林(疏林、未成林为一个类)。其中灌木林数据表中包括ID、森林类别、事权等级、坐落、地类、面积、优势树种、起源、平均胸径、坐标、公益保护、耕地保护、柏被盖度等字段。乔木林数据表中在灌木林的基础上增加平均树高字段。疏林、未成林数据表中的字段包括ID、面积、坐落、坐标、地类、公益保护、耕地保护、植被盖度等。这些字段对应的森林资源数据能够反映出森林资源中的各个资源类型的空间分布及属性信息。

在空间数据库中，属性数据是将空间数据实体之间进行关系连接。属性就是关系模型的属性字段，码就是关系模型中的关键字，不同的要素数据之间有一个标识其唯一性的关键字，就是主键(PK)。当空间数据要素之间的关系是关联关系时，用外键(FK)来连接。如图3所示，乔木林与行政区是关联关系，先将它们转换为乔木林表和行政区表，其中乔木林表中的“坐落”属性字段作为外键与行政区表中的“ID_XZQ”相对应。同样的，灌木林表、疏林、未成林表与行政区表也是关联关系，通过2个表的“坐落”属性字段相对应。

图3 森林资源结构图

Figure 3 Structure chart of forest resources

2.5 空间数据库建立

空间数据库建设过程主要包括相关地区的生态资料收集、数据整理、户外调研属性数据、空间数据采集、获取遥感影像、获取DEM数据、图形编辑、空间分析、空间数据与属性数据的关联等内容。

全面采集山区生态资源信息，包括土地资源、矿产资源、水资源、森林资源、经济农作物资源以及公共建设资源等基本数据。收集山区生态资源政策法规文献、国家技术标准、相关部门统计等相关文献数据。

山区生态资源空间数据库的建立是采用ArcSDE Geodatabase、ArcSDE作为中间的桥梁，将山区生态资源空间数据和属性数据存储到ArcSDE Geodatabase，这样可以实现各种要素、栅格数据集、属性表之间的各种关系。通过类似于仓库储存的方式将地理空间数据统一储存到一个地方，可以集中管理提高管理效率，并且通过检查数据输入和编辑中出现的错误使数据的准确性得以提升。ArcSDE能够实现地理空间数据和属性数据在不同的数据库类型上统一管理。这样就能够对大批量的数据进行处理分析，提高工作效率[13]。同时ArcSDE能够为外界的程序提供多元化的应用接口，为后续相关应用系统开发人员提供了丰富、便捷的功能。其空间数据库建立步骤如下：

(1)按照系统数据库设计结构，定义和建立各个要素类数据库。

(2)通过调研和收集到的数据录入到数据库中。

(3)ArcSDE选择ArcSDE for SQL Server，在Geodatabase模型空间数据库里，用ArcCatalog建立1个个人地理空间数据库。

使用ArcGIS中的Feature Class to Geodatabase和Raster to Geodatabase功能将基础地理相关数据通过ArcSDE统一存储到SQL Server 2000中，或是将已经拥有的shape数据等，通过数据转换到Geodatabase地理数据库中[14]。如图4所示，通过ArcSDE工具将迁西县乔木林空间数据存储到空间数据库中，在SQL Server软件中存储其空间数据。

图4 山区生态资源建库结果

Figure 4 The result of building ecological resources database in mountainous area

2.6 相关功能设计

本次试验是对唐山市迁西县山区进行空间数据库设计并最终实现系统可视化。数据包括迁西县GF-1遥感影像数据以及从实地调研及《统计年鉴》中涉及的基础数据资料。经过将数据进行存储，并通过GIS中的网络分析等空间分析方法进行分析计算，然后进行空间数据库结构设计，通过在ArcCatalog中连接到SQL Server，将数据导出并对数据进行存储后，完成山区生态资源空间数据库设计。以森林资源要素数据集中的乔木林要素类为例，先进行数据存储、空间分析，最终通过ArcSDE连接到SQL Server中，完成该要素的空间数据库，如图5所示。为了对山区生态资源数据的更加有效的查询与分析，并且充分发挥空间数据库的高效性，基于Net和ArcEngine建立了山区生态资源空间信息管理与可是化系统，实现对迁西县山区生态资源数据的管理与分析，如图6所示。

图5 乔木林要素

Figure 5 The feature of arbor forest

图6 山区生态资源空间信息管理与可视化系统

图5为建立的山区生态资源空间数据库界面，图6中为山区生态资源空间数据库信息管理系统界面，在管理系统对空间数据库连接后能够对不同类数据的空间信息能够实现对空间信息的查询和管理。通过对迁西县的山区生态资源进行分类，建立迁西县的山区生态资源空间数据库，在管理系统中实现对其数据的管理与空间分析。

3 结语

在GIS和数据库技术支持下，从数据的分类、数据组织和空间数据库的构建等方面阐述和探讨了山区生态资源空间数据库的设计思想及关键技术；并以迁西县为例，利用空间数据库技术建立山区生态资源空间数据库可以对地理空间数据和属性数据进行一体化管理，从而实现对迁西县山区生态资源的高效管理、分析及预测。山区生态资源不同于其他地区的生态资源，具有复杂多样性，不同的生态资源对应的数据结构、属性信息是完全不同的。为了提高计算效率，先是在ArcGIS中对数据库进行编码并大批量成图，然后将数据储存到SQL Server中，通过ArcSDE高效的空间分析查询，从SQL Server数据库中获取相应的数据，满足用户对数据的需求。基于小尺度的生态资源空间数据库的设计方案，对实现山区生态资源管理的规范化、科学化和自动化有重要指导作用和现实意义。