白龙江流域泥石流灾害空间数据库设计与实现

信永波　田菲

摘要 以建设白龙江流域泥石流灾害空间数据库为目标，在对现有的数据整理分析的基础上，通过概念设计、逻辑结构设计和数据库建设3个步骤说明了泥石流灾害空间数据库的设计流程，并采用了ArcGIS Diagrammer工具建立UML模型完成泥石流数据库的设计。

关键词 泥石流；GIS；空间数据库

中图分类号 S431.9 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）20-243-03

Abstract Based on the analysis of existing data，with the goal of construction of the debris flow Geodatabase of Bailong River basin，through the three steps of conceptual design，logic structure design and database construction to illustrate the design process of debris flow Geodatabase，and use ArcGIS Diagrammer tools to build UML model of the Geodatabase.

Key words Debris flow； GIS；Spatial database

泥石流是一种含有大量泥沙石块等固体物质，暴发突然，历时短暂，具有强大破坏力的特殊洪流[1]。白龙江流域位于甘肃省南部，是甘肃省泥石流灾害最为严重的区域。通过调查发现，该地区尚在活动的泥石流沟有1 074余处，严重威胁着人民群众的生命财产安全。作为一种典型的地质灾害现象，泥石流有其固有的属性、方法及事件特征[2]。收集白龙江泥石流灾害数据并进行管理和分析，对该地区防灾减灾具有重要意义。传统的数据管理方式存在管理方式单一、信息处理速度慢、难以共享等局限，不利于数据的高效利用，因此需要强大的空间数据管理系统的支持。地理信息系统（Geographic Information System，GIS）具备强大的空间数据管理、空间分析以及与专业模型集成等功能，为研究泥石流提供了很好的解决方案和独特的研究方法[3]。ESRI公司的ArcGIS软件提出的Geodatabase空间数据模型是一种以关系数据库为基础，面向对象的新的数据模型，支持多种数据格式。采用该模型可将与泥石流相关的多种格式数据融合到关系型数据库支持下的空间数据库中统一管理，有利于提高数据资源的管理和利用效率。

1 现有数据情况及数据库建设需求

1.1 数据概况

研究区范围是32°36′～34°24′ N，103°00′～105°30′ E。通过收集和整理该地区地质灾害调查与历史勘测成果，得到关于研究区的数据如下：地形图、ASTER GDEM、 Landsat 7影像、地质图、滑坡点位置数据、土地利用数据、多年降雨暴雨数据（表1）。

通过表1可知，泥石流数据来源多样，可分为环境数据、属性特征数据、影响因子数据、多媒体数据等。环境数据包括泥石流沟的地理空间位置、人口交通等基础地理信息；基本特征数据包括泥石流沟谷的基本形态属性数据；影响因子数据是与空间要素关联的属性表，反映着影响泥石流的各类因素；多媒体数据包括栅格图像、影片、电子文档等类型，是空间数据库的重要补充。

从数据的格式看，包括矢量数据、影像数据、文本表格和多媒体数据等，为提高多源数据的利用效率，需要采用数据库来管理。考虑到泥石流灾害具有空间性，因此采用空间数据库管理较为妥当。

1.2 数据库建立的需求

1.2.1 完整性的需求。

由于数据格式众多，应保证对录入数据设定类型及取值范围以保证数据的完整性；各种灾害数据间联系的正确性，相同数据在不同记录中具有一致性。

1.2.2 安全性的需求。需要根据人员设定不同的权限，通过使用密码控制功能对用户使用权限加以限制。数据库需要为不同的角色设置标签确定是否有权限访问。对不同层次的数据设定不同的访问层次。

2 概念设计

概念设计将用户需求及数据需求抽象为开发人员及用户能理解的概念模型，通过对信息世界进行建模，得到实体-关系图（E-R图）。笔者以白龙江流域的泥石流沟为基本单元，得到泥石流灾害空间数据库的E-R图（图1）。可见，泥石流沟的主表与多媒体记录表之间，主表与防灾预案之间存在一对多的关系[4]。

3 逻辑结构设计

逻辑结构设计阶段的任务是将概念结构设计阶段所得到的概念模型转换为具体数据库管理系统所能支持的数据模型（即逻辑结构），并对其进行优化。笔者采用关系型数据库支持下的 Geodatabase模型，设计完成的结果是一组关系模式集合。

3.1 泥石流灾害的编码设计

Geodatabase中泥石流沟的属性数据从属于相应的空间位置，即泥石流主表对应于空间的一个泥石流沟。要实现泥石流的基本特征、自然环境、影响因素、防灾預案等属性表与滑坡主表的关联，必须有唯一标识的编码实现上述表之间的连接（图2）。

3.2 属性库逻辑结构设计

将数据库中泥石流表进行分解，形成与泥石流沟“唯一编号”连接的一套关系表，实现属性库的高效存取。在数据库中，泥石流研究对象与主表实现连接，其他的泥石流属性表通过关系数据库的连接操作即可实现泥石流主表与基本特征、环境条件、影响因素等属性表的连接[5]。下面得到转换后的泥石流属性数据库关系模型，关联的码用实线标出，外键用虚线标出。

泥石流主表（唯一编号，沟谷名称，泥石流类型，室内编号，空间位置，…）；基本特征 （编号，唯一编号，面积，周长，高差，坡度，规模等级，…）；

环境条件（编号，唯一编号，居民地数，人口，水系，道路，…）；

影响因素（编号，唯一编号，地形因素，降水，滑坡密度，植被覆盖，松散堆積物含量，土地利用，…）；

监测与防治（编号，唯一编号，监测站点号，防治建议，负责人，电话，…）。

以上各个属性表中，各子表通过“唯一编号”这个主键实现了相互之间的连接。如果将所有的泥石流的各属性数据存储在一个表中，数据冗余度较大不利于统计分析时的效率；通过对属性表的分解，将原来的一个关系表分解为若干内容不同的关系表，在进行数据库查询和更新时效率更高而且符合数据库设计的要求。

4 空间数据库建设

由于灾害数据具有空间属性和多种格式的特点，需要采用空间数据库的方式存储。空间数据库建设通常是通过ArcSDE把空间数据和属性数据按一定的策略存储在关系型数据库中，构成数据库的要素类、栅格数据集、属性表以及表

之间的各种关系[6]，当前比较流行的空间数据库模型为ESRI的Geodatabase。

4.1 空间数据的存储方案

Geodatabase采用标准关系数据库技术来表现地理信息，在Geodatabase中，数据按要素类（Feature Class）、对象类（Object Class）、关系类（Relationship Class）和要素数据集（Feature Dataset）进行组合[7]。目前GIS软件开发过程中建立空间数据库一般采用国内外GIS厂商提供的中间件加商业数据库，如ArcSDE加数据库管理系统，或者直接采用数据库厂商提供的空间数据库扩展模块，如Oracle Spatial、Spatial Extender、PostgreSQL提供的PostGIS扩展等[8]。综合比较后，笔者采用ArcSDE+SQL Server的方案管理空间数据。

4.2 利用ArcGIS Diagrammer工具实现数据库结构

根据数据库设计的方案，利用ArcGIS Diagrammer工具构建空间

数据库的UML静态模型图（图3）。在ArcGIS Diagrammer工具中建立各个地理空间数据表，创建字段，设计字段类型，

设置主键，建立表与表之间的关系，把建好的模型转化为XML 数据，通过ArcCatalog引入XML转化为Geodatabase数据模型，完成泥石流灾害数据库的结构设计（图4），然后可将已有的或按照设计的结构整理的数据导入空间数据库（图5），完成空间数据库的存储。

5 结论与讨论

笔者研究了泥石流灾害空间数据库的建设，得出了泥石流灾害数据概念模型图，在设计过程中提出了空间数据和非空间数据的整合方式，使用ArcGIS Diagrammer工具创建了泥石流灾害空间数据库模型。综上所述，基于Geodatabase数据模型创建空间数据库，可以通过分解属性表的方法，采用主键将各表联系在一起，以便于提高效率。同时可采用UML静态模型图展现了数据库对象之间的复杂关系，实现数据模型设计的可视化。目前，泥石流灾害空间数据已进入初步应用阶段中。由于地质灾害数据的复杂性，空间数据库模型有待进一步完善。

参考文献

[1] 李鸿琏，曾思伟.甘肃泥石流[M].北京： 人民交通出版社，1982.

[2] 孟兴民，陈冠，郭鹏，等.白龙江流域滑坡泥石流灾害研究进展与展望[J].海洋地质与第四纪地质，2013，33（4）：1-15.

[3] 周伟.基于Logistic回归和SINMAP模型的白龙江流域滑坡危险性评价研究[D].兰州：兰州大学，2012.

[4] 邢钊.基于信息熵与AHP模型的白龙江流域泥石流危险性评价[D].兰州：兰州大学，2012.

[5] 张立宪，甘淑，刘永，等.基于Geodatabase的滑坡地质灾害数据库设计[J].科学技术与工程，2010（34）： 8503-8507.

[6] 黄梦龙，胡鹏，夏兰芳.基于Oracle和Geodatabase的福建省基础地理信息数据库建设[J].地理空间信息，2008（1）： 46-49.

[7] ZEILER M.为我们的世界建模： ESRI 地理数数据库设计指南[M].北京： 人民邮电出版社，2004.

[8] 於家，吴健平.利用UML模型构建Geodatabase的方法与实践[J].测绘与空间地理信息，2008（1）：6-11.