空间数据库的空间数据库的设计

数据库因不同的应用要求会有各种各样的组织形式。数据库的设计就是根据不同的应用目的和用户要求，在一个给定的应用环境中，确定最优的数据模型、处理模式、存贮结构、存取方法，建立能反映现实世界的地理实体间信息之间的联系，满足用户要求，又能被一定的DBMS接受，同时能实现系统目标并有效地存取、管理数据的数据库。简言之，数据库设计就是把现实世界中一定范围内存在着的应用数据抽象成一个数据库的具体结构的过程。

空间数据库的设计是指在现在数据库管理系统的基础上建立空间数据库的整个过程。主要包括需求分析、结构设计、和数据层设计三部分。

1、需求分析

需求分析是整个空间数据库设计与建立的基础，主要进行以下工作：

1）调查用户需求：

了解用户特点和要求，取得设计者与用户对需求的一致看法。

2）需求数据的收集和分析：

包括信息需求(信息内容、特征、需要存储的数据)、信息加工处理要求(如响应时间)、完整性与安全性要求等。

3）编制用户需求说明书：

包括需求分析的目标、任务、具体需求说明、系统功能与性能、运行环境等，是需求分析的最终成果。

需求分析是一项技术性很强的工作，应该由有经验的专业技术人员完成，同时用户的积极参与也是十分重要的。

在需求分析阶段完成数据源的选择和对各种数据集的评价

2、结构设计

指空间数据结构设计，结果是得到一个合理的空间数据模型，是空间数据库设计的关键。空间数据模型越能反映现实世界，在此基础上生成的应用系统就越能较好地满足用户对数据处理的要求。

空间数据库设计的实质是将地理空间实体以一定的组织形式在数据库系统中加以表达的过程，也就是地理信息系统中空间实体的模型化问题。

1）概念设计

概念设计是通过对错综复杂的现实世界的认识与抽象，最终形成空间数据库系统及其应用系统所需的模型。

具体是对需求分析阶段所收集的信息和数据进行分析、整理，确定地理实体、属性及它们之间的联系，将各用户的局部视图合并成一个总的全局视图，形成独立于计算机的反映用户观点的概念模式。概念模式与具体的DBMS无关，结构稳定，能较好地反映用户的信息需求。

表示概念模型最有力的工具是E-R模型，即实体-联系模型，包括实体、联系和属性三个基本成分。用它来描述现实地理世界，不必考虑信息的存储结构、存取路径及存取效率等与计算机有关的问题，比一般的数据模型更接近于现实地理世界，具有直观、自然、语义较丰富等特点，在地理数据库设计中得到了广泛应用。

2）逻辑设计

在概念设计的基础上，按照不同的转换规则将概念模型转换为具体DBMS支持的数据模型的过程，即导出具体DBMS可处理的地理数据库的逻辑结构(或外模式)，包括确定数据项、记录及记录间的联系、安全性、完整性和一致性约束等。导出的逻辑结构是否与概念模式一致，能否满足用户要求，还要对其功能和性能进行评价，并予以优化。

从E—R模型向关系模型转换的主要过程为：

①确定各实体的主关键字；

②确定并写出实体内部属性之间的数据关系表达式，即某一数据项决定另外的数据项；

③把经过消冗处理的数据关系表达式中的实体作为相应的主关键字

④根据②、③形成新的关系。

⑤完成转换后，进行分析、评价和优化。

3)物理设计

物理设计是指有效地将空间数据库的逻辑结构在物理存储器上实现，确定数据在介质上的物理存储结构，其结果是导出地理数据库的存储模式(内模式)。主要内容包括确定记录存储格式，选择文件存储结构，决定存取路径，分配存储空间。

物理设计的好坏将对地理数据库的性能影响很大，一个好的物理存储结构必须满足两个条件：一是地理数据占有较小的存储空间；二是对数据库的 *** 作具有尽可能高的处理速度。在完成物理设计后，要进行性能分析和测试。

数据的物理表示分两类：数值数据和字符数据。数值数据可用十进制或二进制形式表示。通常二进制形式所占用的存贮空间较少。字符数据可以用字符串的方式表示，有时也可利用代码值的存贮代替字符串的存储。为了节约存贮空间，常常采用数据压缩技术。

物理设计在很大程度上与选用的数据库管理系统有关。设计中应根据需要，选用系统所提供的功能。

4)数据层设计

大多数GIS都将数据按逻辑类型分成不同的数据层进行组织。数据层是GIS中的一个重要概念。GIS的数据可以按照空间数据的逻辑关系或专业属性分为各种逻辑数据层或专业数据层，原理上类似于图片的叠置。例如，地形图数据可分为地貌、水系、道路、植被、控制点、居民地等诸层分别存贮。将各层叠加起来就合成了地形图的数据。在进行空间分析、数据处理、图形显示时，往往只需要若干相应图层的数据。

数据层的设计一般是按照数据的专业内容和类型进行的。数据的专业内容的类型通常是数据分层的主要依据，同时也要考虑数据之间的关系。如需考虑两类物体共享边界(道路与行政边界重合、河流与地块边界的重合)等，这些数据间的关系在数据分层设计时应体现出来。

不同类型的数据由于其应用功能相同，在分析和应用时往往会同时用到，因此在设计时应反映出这样的需求，即可将这些数据作为一层。例如，多边形的湖泊、水库，线状的河流、沟渠，点状的井、泉等，在GIS的运用中往往同时用到，因此，可作为一个数据层。

5)数据字典设计

数据字典用于描述数据库的整体结构、数据内容和定义等。 　 数据字典的内容包括： 　 1）数据库的总体组织结构、 数据库总体设计的框架 。　 2）各数据层详细内容的定义及结构、 数据命名的定义 。　 3）元数据（有关数据的数据，是对一个数据集的内容、质量条件及 *** 作过程等的描述） 。

一、编写目的

建立山东半岛城市群地质－生态环境空间数据库，是“山东半岛城市群地区地质－生态环境综合调查评价及可持续发展研究”项目的设计要求，而山东半岛城市群地质－生态环境空间数据库建设，涉及地质、环境、水文、矿产等专业，并涉及单位较多，需要提交入库的数据也较多，为了指导和规范数据库项目的建设，特编写本指南，重点从建库的数据整理与格式转换阶段规范工作流程，明确最终提交成果，同时对元数据的填写做出了详细规定，本指南对山东半岛城市群空间数据库建设具有指导作用。

二、适用范围

本指南适用于山东半岛城市群地质－生态环境空间数据库建设工作。

三、编写依据及参考标准

1.国家及行业标准

GB/T2260—1999中华人民共和国行政区划代码

GB/T17798—1999地球空间数据交换格式

GB/T13923—92国土基础信息数据分类与代码

GB/T17766—1999固体矿产资源/储量分类

GB/T13989—92国家基本比例尺地形图分幅和编号

GB/T9649—88地质矿产术语分类代码

GB/T9649.16—1998地质矿产术语分类代码矿床学

DZ/T0197—1997数字化地质图图层及属性文件格式

2.部门标准

GX199900X－200X国土资源信息高层分类编码及数据文件命名规则国土资源部省级矿产资源规划编制指南国

国土资源部矿产资源储量数据库标准

中国地质调查局空间数据库工作指南2.0版

版山东半岛城市群地质－生态环境空间数据库建库标准(试行稿)

四、数据库框架设计

1.数据库需求分析

山东半岛城市群数据库是在“山东半岛城市群生态环境地质”项目研究成果的基础上研制、基于Arcinfo平台的空间数据库系统，其总体目标是存储和管理“山东半岛城市群生态环境地质”项目研究成果的资料、信息、地图及提供查询服务，为山东半岛城市群的空间布局管理、规划和决策以及重大项目建设和经济社会可持续发展提供依据。为达成这一总体目标，对数据库建设的需求应该包括以下方面:

1)对项目成果图件及其他数据存储管理的需求，需要构建一个符合要求的空间数据库。

2)提供对山东半岛城市群生态环境地质研究成果的管理、查询与展示。

3)提供山东半岛城市群生态、环境的现状与分级分布情况。

4)组织山东半岛城市群生态环境专题图件，直观地为决策咨询提出相应的对策和解决方案。

(1)功能需求

通过需求分析，得到软件的功能需求。除基本的数据输入、编辑和管理功能外，本系统还应具有以下4个方面的要求:

1)对现有地质－生态环境问题的展示、查询

2)地质－生态环境质量现状的分析

3)对地质－生态环境与可持续发展关系的分析评价

4)保持经济增长和地质－生态环境相协调的对策与建议。

(2)性能需求

本数据库系统的性能需求为:

1)系统稳定性好

2)可扩展性好

3) *** 作简单

4)可移植性好

5)保密性。

根据“山东半岛城市群地区地质－生态环境综合调查评价及可持续发展研究”项目需求分析，数据库涉及的基础图件和数据、项目研究的成果数据如下:

1)基础地理、地质图件，采用1∶20万的地理底图和经过简化的地质底图。

2)各专题项目编汇的成果图件，包括:

山东半岛城市群地区地质图

山东半岛城市群地区卫星遥感影像图

山东半岛城市群地区区域稳定性综合评价图

山东半岛城市群地区土地资源环境质量评价图

山东半岛城市群地区矿产资源综合评价图

山东半岛城市群地区地表水评价图

山东半岛城市群地区地下水环境评价图

山东半岛城市群地区海岸带地质灾害分布图

山东半岛城市群地区生态环境综合评价图

山东半岛城市群地区地质灾害易发区分布图

山东半岛城市群地区地质生态与经济可持续发展对策图

烟台地区地壳稳定性评价分区图

烟台地区地质－生态环境分析与评价图

烟台地区生态功能区划与生态市建设规划图

青岛地区地壳稳定性评价分区图

青岛地区海岸带地质环境质量评价图

青岛地区地质－生态环境评价分区图。

3)属性数据

4)文字报告

5)专题图件数据。

2.数据库系统架构

根据以上对数据库需求的分析，结合目前项目的需要和经费情况，采用的系统架构见图12－1。

图12－1 数据库系统架构

本项目采用 ArcGIS Desktop 来搭建系统平台，用以实现定义好的空间数据和非空间数据的存储和管理。系统的核心采用地理数据库 GeoDataBase 体系结构。在后台通过 ArcCat-alog 应用模块来组织和管理所有的 GIS 信息，比如地图、数据集、模型、元数据、服务等通过 ArcToolBox 工具来完成数据转换、叠加处理、地理编码、统计分析和投影变换等数据处理。

客户端采用定制的 ArcMap，用以完成数据的显示、分析和编辑。另外可以通过 Arc-GIS 的扩展模块来实现对空间数据进行高效率的可视化和分析用 ArcGIS Spatial Analyst实现栅格数据的显示和处理。ArcGIS Desktop 系统平台表现示例见图 12 －2。

在系统数据库建成之后，如项目的后期需要进行数据的共享和发布，可采用 ArcSDE +ArcIMS 的搭配来实现 B / S 构架的数据共享。

图12－2 ArcGIS Desktop系统平台表现示例

3.数据库系统功能软件的系统功能分为基本系统数据管理功能和专业应用扩展功能两大部分。根据需求分析，确定各部分的功能。

1)基本功能部分:包括系统管理，数据输入、编辑、查询和输出，数据处理和图形符号库管理等。

2)扩展功能部分:包括现状展示、分析评价、可持续发展评价和决策支持等。系统的功能模块构成见图12－3。

图12－3 系统的功能模块构成

4.系统软件平台

在本项目的研究中，结合调查评价研究项目的工作实际，选取了美国ESRI公司的ArcGIS软件作为数据库开发的GIS软件平台，同时考虑到各专题研究单位的实际情况，选取MapGIS作为电子图件的绘制软件。在汇总各专题研究单位提交的MapGIS数字图件后，进行MapGIS格式数据向ArcGIS格式数据的转换，将研究成果加载到项目统一的地质－生态环境空间数据库中。本项目选择的ArcGIS软件平台包括ArcGISDesktop、ArcS-DE、ArcIMS等组件。

5.硬件平台选择

除按系统平台的选择原则外，硬件选择从以下方面考虑:

1)硬件的性能:能够满足系统软件平台的运行需求

2)与其他硬件的兼容性:各种硬件设备可以协同工作

3)与软件的兼容性:要兼容 *** 作系统、数据库软件或其他应用软件。

可利用现有的计算机硬件，适当增设需要的硬件来构造系统的硬件环境。

6.系统实现步骤

(1)系统设计

1)总体结构设计:主要指系统中各子系统之间关系的设计。

2)系统各子系统或子功能模块的描述:各功能模块要划分到软件单元的层次，要求描述清晰，以满足编码、编译和测试的需要。

3)系统外部接口设计:完成系统外部接口、各软件单元之间的详细设计。

4)数据结构和数据库设计:主要指规划数据组织与表达方式的设计。

5)界面设计:主要指应用系统的 *** 作界面设计。

6)软、硬件设计:主要指系统软硬件运行环境的设计。

7)系统单元测试的详细计划:包括测试集、测试用例和测试步骤。

(2)软件编程

完成程序代码的编写及数据库建库任务。

1)遵照软件设计说明书的要求，利用编程工具编制程序代码，并完成程序代码的测试工作。

2)按照半岛城市群项目数据库标准及数据库建库规范的要求，完成数据建库工作。

(3)系统集成与测试

完成系统集成及测试，生成可实际运行的系统，编写用户使用手册。

1)系统集成。

2)系统集成测试。集成测试的步骤为:

①制定系统各单元、模块、子系统的集成计划和集成测试计划，内容包括测试要求、步骤、数据和时间表等②编写系统集成、测试文档③按计划进行系统集成与集成测试，修改错误，再测试，直到符合设计要求④编写测试报告。

3)编写用户使用手册。

五、数据入库工作流程

工作流程主要用于对规划数据库数据入库方法和过程进行指导。项目数据库的数据入库流程见图12－4。

图12－4 数据入库流程

1.资料收集

主要包括图件、表格和文字资料等项目所涉及的数据和成果。

2.资料预处理

数据预处理就是在全面收集资料的基础上，对资料进行系统的分析研究、综合整理及筛选等。

3.建库文档准备

主要是指对建库所需的文档进行准备，主要为数据整理记录表、属性填卡表准备，MapGIS编图的花纹符号库、线型库、颜色库设定等。

4.数据采集

数据的采集主要包括图件的输入、建立分层文件、属性的输入。

5.数据整理

数据整理的主要内容为:检查数据分层，重新命名分层文件，补充新增图层、调整部分地理、地质和规划专题属性结构，增加部分属性表格，以及整理附加文档等，完成上述工作后要填写元数据采集表并完成对元数据的录入，最后，对所有文件要进行标准化命名。

6.空间数据格式转换

按照项目建库的统一要求，各子项目在MapGIS平台下完成的成果图件，数据需要向ArcInfo格式进行转换。

六、数据质量监控

1.质量监控体系

项目承担单位和实施单位要建立完善的规划数据库建设质量监控体系，并制定相应的制度。

(1)自互检

建立完整的自互检表，每个作业人员的建库工作都要进行100%的自检，并将自检所发现的问题及时改正。在自检的基础上，由项目负责人安排其他作业人员进行60%以上的互检，并将互检结果和修改处理结果如实、完整地记录下来。

(2)抽检

每张图完成后，由项目负责抽取10%进行检查，并确保检查内容全部符合质量要求。

(3)阶段性检查

对建库的每个阶段性成果要进行严格检查把关，如图件扫描矢量化后的图元检查属性录入后的图元、属性一致性检查等。

2.数据质量监控

(1)空间数据质量检查

空间数据质量检查主要是对成果图上的内容进行质量检查，要分别对MapGIS和ArcInfo格式的所有图层进行逐项检查，包括入库数据图层套合精度、拓扑、命名的标准化规范化、分层的正确性、数据的完整性、属性表结构的正确性、图元与属性的对应性、属性代码的准确性等。

(2)图面质量检查

图面检查是指对提交的成果数据图进行图面内容检查，发现错误应及时修改完善，直至准确无误。

(3)数据表数据质量检查

是指对非空间数据表和空间属性数据表检查数据的正确性，检查数据结构的一致性，并对照规划文本检查与规划实施相关内容的完整性和正确性。

(4)文档检查

资料文档检查主要是检查数据库所要求的文本、研究报告、编制说明、附表等资料文档是否齐全，内容是否正确，并检查元数据采集表及入库数据内容是否合乎要求。

3.数据质量监控指标

上述内容的检查总错误率小于2%，其中，图元(包括点、线、面、注释)错误率小于1%，属性(包括文字、代码、ID号对应、记录个数等)错误率小于2%，凡错误率大于该两值的，或发生图层缺失、附表缺失、文档缺失以及未提交正确的元数据采集表和入库数据的，一律不予通过。

七、提交数据要求

1.提交格式

成果图件:MapGIS格式，含工程、图层和系统库文件。

文档:包括编制说明、研究报告及其他文档资料(Word和Html两种格式)。表格:Access和Excel两种格式。

元数据采集表:Word格式。

2.提交形式

汇交数据存储介质为光盘。在提交成果之前，要进行全面查杀毒，确保数据安全。

正文

1 引言

1．1编写目的

说明编写这份数据库设计说明书的目的，指出预期的读者。

1．2背景

说明：

a．说明待开发的数据库的名称和使用此数据库的软件系统的名称；

b．列出该软件系统开发项目的任务提出者、用户以及将安装该软件和这个数据库的计算站（中心）。

1．3定义

列出本文件中用到的专门术语的定义、外文首字母组词的原词组。

1．4参考资料

列出有关的参考资料：

a．本项目的经核准的计划任务书或合同、上级机关批文；

b．属于本项目的其他已发表的文件；

c．本文件中各处引用到的文件资料，包括所要用到的软件开发标准。

列出这些文件的标题、文件编号、发表日期和出版单位，说明能够取得这些文件的来源。

2 外部设计

2．1标识符和状态

联系用途，详细说明用于唯一地标识该数据库的代码、名称或标识符，附加的描述性信息亦要给出。如果该数据库属于尚在实验中、尚在测试中或是暂时使用的，则要说明这一特点及其有效时间范围。

2．2使用它的程序

列出将要使用或访问此数据库的所有应用程序，对于这些应用程序的每一个，给出它的名称和版本号。

2．3约定

陈述一个程序员或一个系统分析员为了能使用此数据库而需要了解的建立标号、标识的约定，例如 用于标识数据库的不同版本的约定和用于标识库内各个文卷、、记录、数据项的命名约定等。

2．4专门指导

向准备从事此数据库的生成、从事此数据库的测试、维护人员提供专门的指导，例如将被送入数据 库的数据的格式和标准、送入数据库的 *** 作规程和步骤，用于产生、修改、更新或使用这些数据文卷的 *** 作指导。 如果这些指导的内容篇幅很长，列出可参阅的文件资料的名称和章条。

2．5支持软件

简单介绍同此数据库直接有关的支持软件，如数据库管理系统、存储定位程序和用于装入、生成、修 改、更新数据库的程序等。说明这些软件的名称、版本号和主要功能特性，如所用数据模型的类型、允许 的数据容量等。列出这些支持软件的技术文件的标题、编号及来源。

3 结构设计

3．1概念结构设计

说明本数据库将反映的现实世界中的实体、属性和它们之间的关系等的原始数据形式，包括各数据项、记录、系、文卷的标识符、定义、类型、度量单位和值域，建立本数据库的每一幅用户视图。

3．2逻辑结构设计

说明把上述原始数据进行分解、合并后重新组织起来的数据库全局逻辑结构，包括所确定的关键字和属性、重新确定的记录结构和文卷结构、所建立的各个文卷之间的相互关系，形成本数据库的数据库管理员视图。

3．3物理结构设计

建立系统程序员视图，包括：

a．数据在内存中的安排，包括对索引区、缓冲区的设计；

b．所使用的外存设备及外存空间的组织，包括索引区、数据块的组织与划分；

c．访问数据的方式方法。

4 运用设计

4．1数据字典设计

对数据库设计中涉及到的各种项目，如数据项、记录、系、文卷、模式、子模式等一般要建立起数据字典，以说明它们的标识符、同义名及有关信息。在本节中要说明对此数据字典设计的基本考虑。

4．2安全保密设计

说明在数据库的设计中，将如何通过区分不同的访问者、不同的访问类型和不同的数据对象，进行分别对待而获得的数据库安全保密的设计考虑。

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