基于ArcSDE的数字流域模型系统数据库构建方式研究

董玲燕，马 瑞，杨春花

（1.长江科学院水资源综合利用研究所，武汉 430010；2.武汉市规划编制研究与展示中心，武汉 430014）

基于ArcSDE的数字流域模型系统数据库构建方式研究

董玲燕1，马 瑞2，杨春花1

（1.长江科学院水资源综合利用研究所，武汉 430010；2.武汉市规划编制研究与展示中心，武汉 430014）

针对数字流域模型系统中海量数据的存储和管理问题，采用ArcSDE空间数据引擎，将空间数据与属性数据有机地结合，由关系数据库进行统一管理，并遵循相应的规则将数据进行入库，通过关系类为数据建立关联关系，然后采用面向对象的方法设计相关类来管理各类型数据，以保证对象的一致性和便于维护及扩展。

ArcSDE；空间数据引擎；数据库；面向对象；关系类

1 概 述

水利信息化是应用现代通信、计算机网络、3S等先进的信息技术，充分利用与水有关的信息资源，直接为防洪抗旱减灾，以及水资源的开发、利用、配置、节约、保护等综合管理业务提供全面的信息服务，提高水资源及水工程的科学管理效率和水平［1］。作为水利信息化发展关键技术之一的数字流域整体模型系统，是将各类水利专业数学模型集成于水利信息平台上，以实现对整个流域水循环及其伴生过程的仿真模拟，为防汛抗旱减灾、水资源优化配置、水生态环境保护和科学发展规划等流域综合管理提供更深层面的决策智能支撑和论证数学分析。

高效安全有序的数据管理是水利信息化建设的重要基础。在数字流域整体数学模型系统构建中，涉及到多种类型的基础数据，包括水文数据、实时水雨情数据、工程信息数据、社会经济信息数据、基础地形图、动态影像、历史数据、数学模型方法数据、超文本数据等，如何对这些海量的数据进行有效的组织和管理，是数字流域整体模型系统构建需要解决的关键问题之一。

本文在研究适合于长江流域的数字流域整体模型系统时，通过合理地设计数据库，采用ArcSDE空间数据引擎，对空间数据与属性数据运用统一的数据模型，由关系数据库进行统一管理，并建立相应的数据库入库规范，确保了数据信息的完整性和准确性，为长江流域整体数学模型系统构建提供有效的数据支撑。

2 空间数据引擎ArcSDE介绍

数字流域整体数学模型系统需要入库的数据种类繁多，在格式上也存在着较大差异，不仅涉及地图空间数据，还包括水利专业各项属性数据，仅地图空间数据格式就包括shp，mif，grid，tif等多种格式。如果采用传统存储方式将空间数据与属性数据分别存储，数据的管理和维护困难，同时存在访问速度较慢、数据一致性等问题。为此，本文运用一种高效的数据管理模式，即空间数据引擎和关系数据库集成管理的模式，有机地将空间数据与属性数据关联起来，使两者有效地融合在一起。

空间数据引擎，简称SDE，是目前在系统集成中广泛应用的中间件技术，也是一种空间数据库管理系统的实现方法，即在常规数据库管理系统之上添加一层空间数据库引擎，以获得常规数据库管理系统功能之外的空间数据存储和管理的能力［2，3］。ArcSDE是空间数据引擎的代表，它支持高性能的空间数据管理，将数据存储在商业的DBMS［4］中，并借助于连续的空间数据模型，统一管理空间数据与属性数据，保证了数据的一致性，其灵活、高效的数据检索，也为海量数据的快速访问提供了便捷，因此ArcSDE能够满足水利行业的海量数据的存储，同时也为数据访问提供了便捷。

3 数据组织与存储

3.1 数据分类组织

长江流域涉及的数据范围大，数据结构复杂，不仅包括了空间地图数据，如水系分布图、水利工程分布图、水文站分布图等空间数据，也包括了各种反映流域水文状态特征［5］的时间序列数据，如水文站监测的水文流量数据、各种实时水雨情等专业属性数据；不仅涵盖了文字数据，也涵盖了各种影像数据，如长江流域的正射影像数据、遥感影像数据等；既有动态的实时更新数据，也有静态的历史观测数据。根据数据来源和数据内容，可将数据分为3大类：基础空间数据、水利专题属性数据和专业模型数据。为了便于数据管理，在这3大类中又划分为几个子类。将这些海量数据进行分类组织，并对同一类别的数据按照统一的标准设计相应的存储格式，表1给出了数据的分类以及相应的说明。

表1 数据分类及说明Table 1 Data classification and descrip tions

3.2 基础空间数据库

基础地理数据指的是有空间地理信息的数据，包括各种地图数据库、遥感影像数据库、DEM数据库等。这些数据都可以在地图上以图形化的方式表现出来，用户可以直观地了解这些地理信息所处的位置及其空间分布情况。由于基础空间数据库数据量十分庞大，涉及到空间数据的各种类别，故本文在空间数据库的基础上，将数据划分为几个子类，分别为气象／水文数据库、土壤／作物数据库、湖泊／水系数据库、水利工程数据库等。这些数据一般以图形化要素集存在，每一要素都是一个独立的图层，并且具有相同的参考坐标系，按照其归属的类别，存储在相应的数据库中。

3.3 水利专题属性数据库

水利专题数据是各种监测站的观测数据，是所有水利应用最基础的数据资料，包括降雨、水位、流量、蒸发、含沙量等水文要素数据，其原始存储格式往往是csv文件、txt文件或者excel文件。这种传统文件方式存储数据，存储散乱，不利于数据的管理和维护，更不利于数据的检索查询。为此，应将这些数据按照规范的数据模型存储在关系数据库中，其实质就是一张张二维表，表中的列字段表示属性，每一行则为每一个对象数据，而表本身就代表着关系结构。

3.4 专业模型数据库

数学模型在水利信息系统中是不可或缺的部分。以数据为支撑，针对具体问题建立相应的数学模型，为科学的决策支持服务。而建立数学模型需要运用到各种参数以及模型方法，将常用的参数和模型方法进行抽象和数字化，存储到相应的数据库中，信息系统通过调用模型库中的基础模型和组合模型来搭建并进行计算和运用。

3.5 空间数据与专业水文数据的连接

任何在实际地理世界中存在的实体，大约90%都与空间位置相关。同样，水文要素大部分实体也与空间位置相关，而水文要素有其特有的属性，如水文站观测的与时间序列相关的流量、水位等数据。如何将两者有效地关联起来，依赖于ArcSDE建立的关系类（Relationship classes）。通过建立数据的关联关系和设置有效性规则，并定义每个图形要素和属性表格记录之间的对应关系，具体有一对一、一对多和多对多的关系［6，7］。首先明确空间数据库中的每一个图层中的每一个实体的主键（唯一标志码），按照相关的标准对实体进行编码，将其编码作为主键，而专业水文属性数据也通过相应编码作为该表的外键，这里主键和外键必须具有相同的数据类型，包含相同类型的信息；然后建立两者之间的关系类（Relationship classes），将地图上的空间实体和与之相关的属性信息（如水文站与其观测的水文要素值）关联，关系类能主动地维护相关类之间的参考完整性。当更新空间实体对象时，与其相关联的属性表也会相应更新，通过这种方式，来保证数据的完整性，部分关系类的建立如图1所示。

图1 空间数据与属性数据的关联Fig.1 The association between spatial data and attribute data

图2 数据库系统框架图Fig.2 Framework of database system

4 数据库设计

4.1 数据库总体设计

图2所示，采用ArcSDE空间数据引擎，将用户与数据库，数据管理员（建库员、数据维护员）与数据库紧密联系起来。数据管理员将收集的各类数据信息通过ArcSDE录入数据库，各类用户通过长江流域整体数学模型系统以ArcSDE为桥梁获取想要的信息。

4.2 数据入库规范

（1）权限管理，保障数据安全：对于不同的用户，授予不同的数据使用权限，保证数据的安全性。主要有管理员、普通用户2种类别。管理员具有修改、删除、更新、增加等数据编辑权限，并享有授予普通用户某些特殊权限的权利；普通用户则根据管理员授予的权利，享有相应的操作，例如浏览数据，上传数据到数据库中等权利。

（2）检查关联，保证数据一致：由于空间数据表与专业水文数据有时存在某种关联，例如水文站点空间分布图属于空间数据库，而其相应某一站点所观测的数据又是属于专业水文数据，两者之间存在着一定的相关性，在数据表入库之前，必须保证地图数据中的水文站点的编码与专业水文数据观测中的站点编码一致，便于数据的检索查询。

（3）统一标准，规范数据入库：为了保证数据的完整性和一致性，实现数据资源的共享，提高数据的服务质量，达成信息网络的互连互通，水利信息化必须统一标准［8］。对入库的数据表按照现有的标准［9－11］进行统一编码，对数据表应按照规定的格式检查相应数据信息，对不符的数据表按照相应的数据格式进行修改，其数据表名称应与表2中的相应信息对应，数据入库时需要录入表2所示的信息，通过记录这些信息，可以规范数据库中的数据表，方便地查看数据库中数据表信息，保证了数据管理员对数据库的总体把握。

4.3 面向对象的数据库类设计

长江流域涉及的对象繁多，数据结构复杂，且对象之间存在着复杂逻辑关系。为更好地描述对象模型，便于数据的操作及后期信息系统的调用和管理，这里对对象及对象之间的关系进行分析，并利用面向对象的思想，对数据库中的各种对象采用类的设计理念对实体对象及其方法进行封装。这些对象包括水电站、水库、水利工程、水文站、气象站、雨量站、植被、土壤等，对象包含有各自的属性特征及相应的方法，当要增加一个具体对象时，只需通过相应的添加记录方法，系统会自动在地图空间数据相应的图层中增加该记录，并在其属性数据表中添加该记录的属性数据，这样保证了数据的一致性，而且数据库结构明确，外部接口简单方便，便于数据库的维护和扩展。

通过2种对象类实现对数据的存储、处理和操作：①数据访问类，直接面对数据库，通过各种事务操作数据库，它只负责对数据文件的操作，即数据查找、增加、删除、更新等，而不针对具体的对象；②具体对象类，只负责对数据访问类的操作，不面对数据库，即针对具体对象对数据访问类的各种操作方式进行组合，以实现具体对象的数据处理。部分对象类的建立如图3所示。

表2 数据入库说明表Table 2 Descriptions of data loading

图3 部分面向对象类设计图Fig.3 Part of the design of object-oriented classes

5 结 语

为实现数字流域模型系统中海量数据的高效管理，提出了数据分类存储策略，制定了数据入库规范，并利用空间数据引擎ArcSDE将空间数据与属性数据统一管理；同时，分析了长江流域的实体对象及其相互之间的关系，并采用面向对象方法合理地设计了实体对象数据模型，进而建立了长江流域数学模型系统数据库，为长江流域整体数学模型系统的构建提供了数据支撑。

［1］ 李纪人，潘世兵，张建立，等.中国数字流域［M］.北京：电子工业出版社，2009.（LI Ji-ren，PAN Shi-bing，ZHANG Jian-li，et al.Digital Basin in China［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2009.（in Chinese））

［2］ 李小秋，尹志永.基于ArcSDE的数字正射影像（DOM）数据库的建立［J］.测绘工程，2005，14（4）：36－38.（LI Xiao-qiu，YIN Zhi-yong.DOM Database Based on ArcSDE［J］.Engineering of Surveying and Mapping，2005，14（4）：36－38.（in Chinese））

［3］ 黄杏元，马劲松，汤 勤.地理信息系统概论［M］.北京：高等教育出版社，2008.（HUANG Xing-yuan，MA Jin-song，TANG Qin.Introduction to GIS［M］.Beijing：Higher Education Press，2008.（in Chinese））

［4］ 王广杰，何政伟，许辉熙，等.基于ArcSDE与ArcIMS的海量空间数据存储管理与网络发布-以三峡库区为例［J］.测绘科学，2007，32（5）：173－175.（WANG Guang-jie，HE Zheng-wei，XU Hui-xi，et al.Storage Managements and Web Publication for Massive Data Based on ArcSDE and ArcIMS：A Case in Three-Gorges Reservoir Area［J］.Science of Surveying and Mapping，2007，32（5）：173－175.（in Chinese））

［5］ 李金莲，刘晓玫，贺巧宁.基于Geodatabase模型的流域水文系统数据组织与实现［J］.测绘科学，2005，30（6）：115－117.（LI Jin-lian，LIU Xiao-mei，HE Qiao-ning.The Organization and Realization ofWatershed Data Based on Geodatabase Data Module［J］.Science of Surveying and Mapping，2005，30（6）：115－117.（in Chinese））

［6］ ESRI.ArcGIS9 Understanding ArcSDE［M］.Redlands，California：ESRIPress，2004.

［7］ 陈志远，项彦生，赵思健.ArcSDE在水利多用户显示系统中的应用［J］.浙江水利科技，2003，（1）：12－13.（CHEN Zhi-yuan，XIANG Yan-sheng，ZHAO Sijian.Application of ArcSDE to Water Multiple User Explicit System［J］.Zhejiang Hydrotechnics，2003，（1）：12－13.（in Chinese））

［8］ 陈永华，郭同德，王泽强，等.水利工程地理信息数据库建设［J］.人民黄河，2005，27（7）：59－60.（CHEN Yong-hua，GUO Tong-de，WANG Ze-qiang，et al.Establishing Geographic Information Data Bank of Hydraulic Projects［J］.Yellow River，2005，27（7）：59－60.（in Chinese））

［9］ SL324－2005，基础水文数据库表结构及标识符标准［S］.北京：中国水利水电出版社，2005.（SL324－ 2005，Structure of Basic Hydrologic Database Table and Standard for Identifier［S］.Beijing：China Water Power Press，2005.（in Chinese））

［10］SL385－2007，水文数据GIS分类编码标准［S］.北京：中国水利水电出版社，2007.（SL385－2007，Standard of Hydrologic Data Classification and Coding for GIS［S］.Beijing：China Water Power Press，2005.（in Chinese））

［11］ZBBZH／SJ，水利标准体系表［S］.北京：中国水利水电出版社，2001.（ZBBZH／SJ，The System Table of Water Technical Standard［S］.Beijing：China Water Power Press，2005.（in Chinese） ）

（编辑：刘运飞）

ArcSDE-Based Approach of Database Construction for Digital Basin M odel System

DONG Ling-yan1，MA Rui2，YANG Chun-hua1
（1.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Wuhan Planning＆Research and Exhibition Center，Wuhan 430014，China）

To cope with the storage and management ofmass data in the digital basin model system，the authors proposed an approach of database construction based on ArcSDE spatial data engine.The spatial data dynamically integrated with the attribute data aremanaged by the relational database.Having been loaded in line with corresponding rules，the spatial data and attribute data were associated by relationship classes.And the object-oriented method was employed tomanage various classes of data in order to ensure the object consistency and the database maintenance and expansion.

ArcSDE；spatial data engine（SDE）；database；object-oriented；relationship classes

P208

A

1001－5485（2011）12－0103－04

2011-10-20

水利部公益性行业专项（201101004）

董玲燕（1984-），女，浙江台州人，助理工程师，硕士，主要从事数字流域、GIS技术在水利中的应用与研究，（电话）027-82828051（电子信箱）dly918＠gmail.com。