基于实体关系数据模型的空间数据组织及其在土地管理信息系统中的应用

文章编号：（2002）0494-091105-0020-03

中图分类号：P20S

文献标识码：B

基于实体-关系数据模型的空间数据组织及其在土地管理信息系统中的应用

沙宗尧，边馥苓，张

江

（武汉大学遥感信息工程学院，湖北武汉430070）

DataModelBasedonEntity-relationandItsApplicationin

LandManagementSystem

SHAZong-yao，BIANFu-iing，ZHANGJiang

摘要：简要分析当前空间数据组织的基本方式，探讨实体-关系数据模型的特点、结构，给出基于实体-关系数据模型的土地管理数

通过设计的数据库结构存储和管理土地利用数据，借助于空间数据引擎中间层，实现土据库设计。利用实体-关系数据组织方式，地变更管理的主要功能。

关键词：空间数据组织；实体-关系数据模型；空间数据库引擎；土地管理信息系统

空间数据不同于一般的属性数据。空间数据主

［1］

要有以下特征：空间性、抽象性、多尺度与多态

面向对象的数据模型、实体-关系数据模型等。1.拓扑关系数据模型：拓扑关系数据模型以

“结点—弧段—多边形”拓扑关系为基础，存储了拓扑关系。拓扑数据模型常将空间数据和属性数据分开存放，如Arc/InfoS.0以前的Coverage数据文件。拓扑关系的数据模型可以将位置坐标数据存放在文件系统中，而将拓扑属性和其他属性存放在关系数据库系统的2维表格中。

这种数据模型是以单2.面向对象的数据模型：

个空间地理实体为数据组织和存储的基本单位。与拓扑模型不同的是，该模型以独立、完整、具有地理意义的实体为基本单位对地理空间进行表达。每个实体是一个独立的单元，它封装了若干属性和一组操作，并且具有继承、联合等面向对象特点。理论上，在几种数据模型中，面向对象的数据模型具有较大的优越性，但目前还没有真正实现面向对象数据模型的应用系统。

关系理论的研究与应用及3.实体-关系模型：

面向对象方法学在现代软件的设计和开发中发挥了至关重要的作用。基于空间数据面向对象的特性，设计基于“实体-关利用RDBMS存储空间数据时，

系”结构的数据模型。该数据模型支持标准SOL语句进行属性检索，对于空间数据的属性查询，具有很高的效率。该模型也定义一组空间操作算子，以扩展对空间关系进行检索。

性。GIS的空间数据组织与管理一直是GIS理论界

关注的一个热点问题，传统的基于文件方式的GIS数据存储技术有其固有的不足，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

［2］

。国外GIS开发商已与数据库开发商合的方向

作，成功开发了许多专用的商业软件来管理空间数据，例如Intergrap1的GeoMedia，ESRI的arcSDE，

以及MapInfo的Spatiaiware。它们均采用关系数据库管理系统来存储、管理和快速查询检索、分析空间数据，以改变传统文件方式存储海量和复杂关系

［3］

。土地利用数据是一的空间数据所固有的缺陷

类典型的空间数据，GIS系统的功能与数据关系日

趋复杂化，从空间信息系统建设的一般要求出发，能否实现适合于多用户、大数据量且支持空间数据与非空间数据无缝集成，满足数据的开放性和可扩充性、数据操作的并发性、数据维护与安全性管理要求的GIS应用系统，是系统建成成败的关键因素之一。

一、空间数据组织的基本方式

不同的空间数据组织，其数据管理效率、数据共享、适用环境等都有着明显的差异。当前空间数据组织的基本方式主要有基于拓扑关系的数据模型、

收稿日期：2001-10-22；修回日期：2002-01-16基金项目：湖北省自然科学基金资助项目（99J171）作者简介：沙宗尧（1975-），男，安徽合肥人，博士生，主要从事GIS应用、空间数据模型及数据挖掘研究。

二、实体!关系模型数据管理特点

实体-关系数据模型是一种基于扩展RDBMS存储空间数据的扩展策略。基于RDBMS的空间数据库技术，对于多用户、大数据量的GIS应用，有着较大优势。它支持数据的一体化、数据的开放性和可扩充性、数据操作的并发性，有利于数据维护与管理，还可以借助于关系数据库的权限管理，保证数据的安全性。基于RDBMS的空间数据库技术还为

将整个研究区域arcSDE采用连续的数据模型，

的地物数据放到arcSDE一个连续的层中。arcSDE存储和组织数据库中的空间要素的方法，是将空间数据类型加到关系数据库中，而不改变和影响现有的数据库或应用。它在现有的数据表中加入图形数据项，该表可以称为空间可用的，供软件管理和访问与其关联的空间图形数据。空间图形数据和空间图形索引放在另外的数据表中，通过关键项空间可用表、空间图形表、图形索引表实现关联。通过将层从WeDGIS的建设提供数据支持，

使其远程访问数据的能力得到提高。实现WeDGIS时，应用服务器和

数据管理服务器可以保持相对的独立以优化系统结构，其有如下特点。

l.借助数据库系统的逻辑检查功能，保证数据的录入和编辑质量。

2.支持大型数据库。arcSDE利用统一的数据模型，维护关系数据库中的空间和属性数据，管理近乎无限的空间特征，如全国范围的土地利用现状和历史数据。

3.提供网络环境下的数据操作。对复杂的空间查询来说，使用互操作处理的客户机/服务器模式在网络上得以实现，客户机与服务器共同完成这一工作。客户机主要是响应空间分析操作，服务器则进行数据搜索和检索。这种互操作处理方法使得动态空间叠加成为可能，当大量增加客户机的时候，利用对称多处理结构或调整计算机缓冲区大小，可以把客户机带来的性能下降到最小。

4.客户端工具的广泛性。用空间数据库所提供的API接口，客户端可采用任何GIS工具调用API服务，

开发应用程序。5.特征组是连续的。借助于底层的关系数据库强大的数据管理功能，实体-关系数据模型能容纳连片的数据区域，实现连续地理实体的物理级无缝存储。

6.支持多用户并发操作。许多用户能同时编辑地理数据。地理数据库数据模型支持多用户并发操作。

实体-关系数据模型中，空间关系可以通过0penGIS定义的空间对象关系检验方法来确定。这些方法包括Eguai，Dis oint，Intersect，Touch，Cross，Within，Contains，0veriap，Reiate等。

三、面向实体!关系数据模型实例分析

下面以ESRI的arcSDE为例，来具体说明其是

如何实现空间数据的存储与管理的。

逻辑上分成一个个小块来对数据库中各层的所有要素建立索引，层中的要素则分解到各单元中描述，最后将此描述信息写到索引表中。落到多个单元上的要素，将在每个单元对应的索引记录中加以描述，没有数据的单元不包括在索引表中，数据模型如图l

所示。

图l空间数据库引擎（arcSDE）的集成数据模型

四、基于实体!关系数据模型的土地利用

现状"变更数据库设计

#$设计原则

基于实体-关系数据模型的地理数据库设计与关系数据库设计基本原理是相同的，主要的区别是考虑怎样将包含空间信息的逻辑数据模型匹配到空间数据库中。由于空间数据库具有特征数据集、特征类、拓扑组合、关系及其他组件，所以设计地理数据库时应接近空间实体的逻辑数据模型。该逻辑数据模型必须能够完备、合理、正确地对空间实体进行描述并尽可能反映空间实体间的关系，设计时至少要遵循：!信息完备性，

保证属性信息与空间图形信息都能够在实际的数据库中体现出来。"结构合理性，表结构符合范式规则。#逻辑结构正确性，各数据表之间的关联关系及空间实体与其属性关系的正确性。$操作、维护上的方便性。

2.设计步骤

土地利用现状/变更管理是土地管理部门的一项核心任务，实现土地利用现状/变更的计算机管理是土地利用现状/变更系统开发的目标。对于比较复杂的具有图形和属性紧密连接的且具有明显的时间特性的土地利用数据管理，设计良好的地理数据库是系统建设的一个关键。土地信息系统管理的空间实体主要是按一定的分类标准形成的地块以及与地块具有紧密联系的属性数据，如果将地块视为对每一地块所包含的零星地物可用Containing方法获

取。

2.GIS历史数据分析

例如查询某一地块从何地块发展而来，以及这些地块的属性信息，由于某一地块可能由很多地块变化来，因此Frm-come设置为变长的文本型，可存储多个来源对象号，在对象号之间用空格符隔开，查询时将各对象号提取出来。现状与历史土地利用表既记录了空间实体目标对象和其属性数据，又反映象，则该对象具有的属性也就是与之相关的各数据属性。以实体-关系数据模型在为某市土地管理部门开发土地利用现状/变更系统时，根据以上数据库设计原则，在地理数据库设计上采用了如下的步骤：l.分析用户需求，弄清土地利用数据组织结构建立用户数据视图、逻辑数据模型，确定用户界面。2.定义土地利用空间数据对象，即点状地物、线状地物、面状地物和零星地物等，并用该组对象建立逻辑数据模型和数据对象之间的相互关系。3.选择地理表示。在矢量、

栅格、表面或定位器等表示中找出一种对有关数据的最佳表示，在土地利用现状/变更管理中我们选择了矢量数据模型。

将某一应用领域的数据分析模型化，按照该模型组织数据，往往可以降低数据分析的复杂度。按以上的设计步骤，完成了基本的土地利用数据库原型，进一步的工作就是数据的加载。

五、土地利用现状/变更系统实现

1.空间分析

以地物间的拓扑关系检索为例，由于面向实体-关系的数据模型中没有直接记录空间对象之间的拓扑关系，例如无法直接查询诸如一个地物的相邻地物之类的空间分析问题，但可以利用OpenGIS提供的空间对象关系检验方法进行空间关系查询，GIS软件也提供了这类查询函数。例如我们在进行土地现状/变更系统开发时，开发工具用MapOb ects，它提供的Union，Intersect，Cross，Buffer，Containing等方法，可以实现以空间对象为中心的空间分析。实现的基本原理是，客户端应用程序通过客户端开发工具，建立与中间件服务器arcSDE的接口，然后中间件服务器再使用标准SOL，建立与数据库的通信，关系数据库统一管理图形和属性数据，将满足要求的结果返回给客户端。例如可以查找用地类型为landtypel以及在一指定点2km范围内的研究区域regionl内的所有零星地物。假设通过标准的SOL语句查询到了用地类型为landtypel的所有地块，则

了土地利用现状和历史变更的完整关系，因此可以按照相反的过程回溯地物的变更情况，并查询到历史地物的全部信息，如果把历史数据当成“父”，现状数据看做“子”，检索到一个给定的空间实体的家系

谱链，要经过图形和属性的互访，步骤如下［4］：

l.给定待查询图形的图形号Ob ID；

2.由图形号从属性表里查找Ob ID，

若Ob ID存在，转第3步，否则结束；3.从属性表里查找来源实体号Fro-ob ID，

若Fro-ob ID不为空，

转第4步，否则第5步；4.由来源实体号从图库里顺序取出相应的

Ob ID，

转第2步；5.显示满足条件的图形。

结果将显示待查询地物的起源；如果在第5步将查找到的图形及时显示，并转第2步，则可以把全部的‘家族成员’表示在用户的眼前。可见借助实体-关系数据组织和管理，具有功能实现的结构清晰、逻辑性强的优点，通过标准的SOL查询，即能得到正确的结果。

例如指定地物号，可从历史地物表中查出其父地物号，使用下述的语法：

Select父地物-IDfrom历史地物表Where父地物-ID=指定地物-ID

查找旧地物（即父地物）的图形和属性信息，使用下述语法：

Select!from历史地物表Where地物-ID=父地物-ID

六、结束语

数据是信息系统的血液，合理组织和管理数据，

关系到GIS服务的质量［4］

。利用数据库管理空间数据具有较大的优越性。本文分析了基于实体-关

系数据模型管理海量空间数据的基本特点、结构，并应用于土地管理部门的土地利用现状/变更系统开

（下转第28页）

统本身对完善性要求不高，需检测故障幅度较大（大信噪比），而且导航计算能力较弱，则可选择单历元GMA算法在!，!-FSS和GMA算法。相比之下，性能上优于前两者。相反，如果系统本身对完善性要求较高，需检测故障幅度较小（小信噪比），特别是对实时性有特殊要求，则应选择序贯算法，其中!2-GLR算法的仿真性能最优。以上结论对采用统计检测手段的一般导航系统有参考意义。

2

2

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［4］

INIKIFOROVI.Seguentiai，FSSandSnapshotAp-

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

，1）：1995（1-7.（上接第22页）

发，给出了一个基于实体-关系数据模型的空间数据库设计过程，示意了应用系统的部分功能。从开发的土地利用现状/变更系统的功能看，该空间数据库管理方式很好地支持了系统的功能实现。

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（上接第24页）EOF

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五、结束语

已经形GIS应用在我国正在各行业迅速展开，成一个新的产业。随着包括上述技术问题在内的一系列问题的解决，GPS将作为GIS数据采集的一种

直接、高效的手段，在我国的地理信息产业中发挥更大的作用。

参考文献：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/l9ge.html