基于Geodatabase的乌鲁木齐市公交线网数据库设计与构建研究

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  [摘要] Geodatabase是ESRI推出的新一代空间数据模型,其开创性地将面向对象的理念引入到空间数据库的数据组织和结构设计之中,极大地拓宽了此种数据模型的应用领域。本文介绍了Geodatabase数据模型的结构特点和设计方法,并利用Geodatabase数据模型对乌鲁木齐市公交线网数据库进行了设计研究。
  [关键词] 公交线网数据库 Geodatabase 空间数据模型
  
  1.地理数据模型及Geodatabase模型的介绍
  地理数据模型是地理信息系统(GIS)中用以对现实世界进行的模拟表达,使用一定的数据抽象和逻辑抽象来模拟现实世界,其广泛运用于地图生产,交互式信息查询和功能分析中【1】。伴随着面向对象技术在GIS领域中的应用,地理数据模型设计进入了一个崭新的阶段—— Geodatabase模型的推出与广泛应用。
  Geodatabase模型是美国环境系统研究所(ERSI)在ArcGIS软件中推出的一中全新的面向对象的地理数据模型。Geodatabase建立在标准的关系数据库(RDBM)之上,使用标准关系数据库技术来表现地理信息数据模型,并根据设计者需求定义了空间数据的管理方式【1】。Geodatabase模型中对地理空间要素的表达较之与以前的各类模型,更能接近人们对现实世界的认识,并使得GIS数据库中的数据组织更具智能化和应用性。
  1.1 Geodatabase模型的基本构成
  Geodatabase模型主要是由表、对象类、要素类与要素数据集、关系类以及几何网络等共同构成的集合。此模型通过设计有效的空间索引来对要表达的区域进行管理的,而并非传统的把地理数据分割成块进行管理。
  1)表
  表是数据记录的集合。每个记录(行)中包含许多列(字段)。每个列都有数据类型、取值范围的限定,可以用默认值、域等手段规范列的内容。
  2)对象类
  对象类是表示非空间实体,即不在地图上直接表达,但与地图上的空间实体有直接关联的事物类。
  3)要素类
  要素类是具有相同的属性和相同几何表达类型的要素的集合。要素类可以独立存在,也可以具有拓扑关系。当不同的要素类之间存在拓扑关系时,应组织到一个要素数据集中。
  4)要素数据集
  要素数据集是指有共同空间参考下的一组要素类的集合,主要用于存放矢量数据。
  5)关系类
  关系是一种表(或要素类)与表(或要素类)之间的联系机制。使用关系可以将两个表(或要素类)关联起来,操作一个表中的数据即可改变另一表中的数据。
  6)拓扑关系
  拓扑关系主要将参与拓扑的各个关系类集成在一个拓扑图中作为一个
  拓扑单元管理,并通过拓扑原则规定个要素集之间如何联系。
   7)几何网络
  若干个要素类作为一个整体参与到几何网络的构造,Geodatabase主要通过拓扑关系保证参与到几何网络中的各个要素类的空间几何的连通性。
  1.2 Geodatabase数据模型的优点
  Geodatabase模型作为智能化的空间数据模型,摆脱了以往空间数据模型的许多局限,具有如下显著的优点。
  1)Geodatabase是关系型数据库管理系统的空间数据模型【6】。它可将空间数据和属性数据存储在同一数据库并实现中心化管理,避免了空间和属性元素间协同的复杂性,减少了数据处理的工作量。
  2)Geodatabase模型可以在一个同一模型框架下对GIS所要处理和表达的空间要素进行统一的描述【1】。实现了绝大部分地理数据,如CAD、矢量数据、栅格数据、TIN 、影像数据等都可以统一存储并进行管理。
  3)Geodatabase数据模型内建了多种对象模型,提供对各种非空间和空间对象的多种标准化支持,可以满足按照各行各业的需求定制对象。
  4) Geodatabase中的要素具有丰富的关联环境。不论是定义要素本身的基本特征,还是定义元素间的拓扑关系、空间位置表达都可以实现。
  2.基于Geodatabase的乌鲁木齐公交线网数据设计与构建
  城市公交系统是城市交通系统中一个非常重要的组成部分,在城市经济发展中发挥着重要的运输作用。伴随着经济的发展和城市规模的不断扩大,乌鲁木齐市的各条公交线路呈现出线路布设不够合理,管理状况混乱等一系列问题。面对包涵着大量的空间信息和属性数据的公交线网,更显现出对公交线网数据库设计和构建的必要性。建立乌鲁木齐市公交线网数据库,不仅是构建公交线网数据库管理的基础,更是对今后分析和研究公交线网规划,充分利用公共交通资源的先决条件。
  2.1数据的基本组成设计
  
  图1乌市公交线网数据模型的架构
  基于Geodatabase的公交线网数据库设计则是在用户需求的前提下,构造合理而有效的数据库结构来存储所需表达的各类型数据,并通过选用合适的方式来表达这些所存储的各类数据。下图1即为本文设计的基于Geodatabase的乌市公交数据库的数据构成示意图。
  
  2.2关系类的设计与建立
  基于Geodatabase的地理数据库主要以分层的方式进行数据的编辑和管理。具有相同属性项的要素要放在同一层中,每一张或几张表记录对应一个要素类。根据城市公交数据库所要反映的数据特点,将描述城市公交线网具体情况的数据主要分为公交线路、公交站台、公交站点、交叉口和道路网等6种基本要素类。
  1)公交线路层
  公交线路是指公交车依托城市道路连接某线路各公交站点的行驶线路。因而,在地图上主要通过线性数据与属性列表相结合而进行描述。由于乌市公交线路数量庞大,并分别隶属于十余家公交企业共同运营,因而对公交线网信息做如下设计:1.根据此具体情况设计的公交线路编号主要由“公司编号+线路编号”共同组成。例如,编号为1001的公交线路主要表示编号为1000的乌市公交公司运营1路公交线路。2.公交线网主要由公交网络图层和各公交线路的图层共同组成。公交网络图层可用于分析全市整体公交线路网络的分布情况;各公交线路图层主要针对查询和分析各条线路的具体路线信息和分布。
  2)公交站点层
  公交站点和公交站台之间是一对既紧密联系又彼此区别的关系类。公交站点主要指公交车在指定的公交线路上用于运送乘客的固定点,而公交站台是指方便乘客等待公交车辆的公共基础设施。通常,在地图上特定的位置用点对象来标识公交站点或公交站台。本文设计的公交站点图层同样以公交站点网络图层和各公交站点图层共同组成。其中,公交站点的编号主要由“公交线路编号(4位)+公交站点编号(2位)”两部分组成;倘若上下行的站点名称不同,则用在末尾加2来进行表示,如图2所示。
  
  图2主要公交站点信息表
  3)城市道路层与交叉路口层
  城市道路层和交叉路口层是反映城市交通空间特性的基础图层。其中,城市道路层主要以线性数据进行存储和表示,其中每条矢量线段都对应一条现实的路段,并且用属性数据列表中的数据来对此路段进行描述;交叉路口层主要以点数据来进行存储与表示,其中每一个点对象对应一个实际的交叉路口,并通过对应属性列表来反映此交叉口的属性特点。
  4)表结构设计
  空间数据库中的属性关系仍然是通过表及其表间的结构来反映的。本文主要以公交线路的站点信息和线路信息为核心,设计了公交线网的属性表结构。其中箭头指向的是表的主键,线尾指向的是表的外键。
  5)关系类的建立
  Geodatabase数据库中的关系类可以是属性表之间逻辑关系建立,也可以是属性表与要素类之间的关系建立。通过Key Field(关键字段)的属性值对对象之间的关系进行管理和维护。关系类可分为一对一,一对多,多对多三类。
  2.3 拓扑关系的设计与建立
  在利用可视化的方式模拟各种地理因素时,必须要考虑对各要素彼此之间的关系进行模拟。这样的关系主要是通过定义关系类来实现的。在GIS技术中,拓扑既是用来描述要素如何共享几何图形的模型,也是建立和维护要素间拓扑关系的机制。Geodatabase模型就是通过设计一个基于基本拓扑规则的框架,对现实中各要素间的空间关系进行模拟的。因此,确保数据的质量和保证地理数据库能更逼真的表现出地理要素是拓扑最根本的功能【1】。本文设计的城市公交线网数据库中的空间拓扑关系主要通过定义公交线路、公交站台、公交站点、交叉口和道路网等基本要素类之间的拓扑规则来实现的。
  1)公交线路层与公交站点层
  由于公交站点必须处于站点所对应的公交线路上,因而在编辑各条公交线网层与其对应的公交站点层的拓扑关系时,必须要满足必须被线覆盖(Must Be covered By Line)原则,即所谓的规定的点要素类中的点必须要叠加在相对应的线要素的结点上。由于公交站台层主要由相同位置的公交站点层组成,因而也满足此规则。
  2)公交线网层与交叉口层
  由于公交线路必定经过各条道路的交叉口,所以必须要对公交线路与交叉口节点的拓扑规则进行定义。这样的拓扑关系主要通过定义端点必备覆盖(Endpoint Must Be Covered By)的规则来实现的,即公交线网层的路线端点必须被交叉路口层中的点状要素所覆盖。
  3)公交线路层与道路网层
  城市道路是城市公交线网的基础,因而公交线路的布设必须充分考虑到道路网的约束条件。因而要真实体现出这两者之间的拓扑关系,就必须利用必须被其他要素类要素覆盖(Must Be Covered By Feature Class Of)的原则,即规定这两个要素类的线存在逻辑上不同而空间上相同的位置关系。
  4)公交网络的几何网络的构建
  现实中,各条公交线路是通过组成网络的形式来保证对城市各区域主要道路的覆盖率,因而公交网络的结构彼此交错,错综复杂。在GIS数据库中,现实中的公交网络是通过几何网络来模拟的。而几何网络实际上就是网络的要素类的集合。
  2.4数据库的建立和数据加载
  1)数据库的建立
  Geodatabase主要分为个人Geodatabase和多用户Geodatabase两种。个人Geodatabase主要存储在Microsoft’s Jet 或通过连接Microsoft access进行存储;而多用户Geodatabase主要利用ArcSDE将数据存储在SQL Server, Oracle, IBM DB2等大型数据库之中。本文主要利用个人Geodatabase数据库构建了乌市公交线网的数据库,如图11所示。
  2) 数据的加载
  利用ArcCatalog,可以将Shapefile,Coverage,CAD数据,INFO和DBASE表等各类格式的数据载入到已建成的Geodatabase模型之中【11】。同时,ArcGIS提供了不同Geodatabase间的数据复制方法,即在ArcCatalog中直接编辑要素数据集,要素类和关系表。如果要管理大量的数据,就必须通过开发数据库管理系统来实现。
  
  图3 系统界面设计图
  3.数据库的应用
  本文主要采用集成开发的技术,用C#结合ESRI公司的ArcEngine软件的进行开发。ArcGIS中的GIS功能组件都封装在ArcEngine的组件对象库中。这些库文件可以通过接口来实现来对对象的操作。
  1)系统界面设计。
  程序界面主要由文件、编辑 、查看 、收藏 、工具、数据等部分组成,如图3所示。
  2)程序部分代码。
  3.1加载 shap数据
  IWorkspace pWorkSpace= pWorkspaceFactory.OpenFromFile;
   IFeatureWorkspace pFeatWorkSpace = pWorkSpace as IfeatureWorkspace;
  IFeature pFLayer = new FeatureLayerClass();
  3.2加载一个要素类
  IFeatureClass pFeatureClass = pFeatWorkSpace.OpenFeatureClass;
  3.3连接Geodatabase数据库
  WorkspaceFactory pFactory = new AccessWorkspaceFactoryClass();
  IWorkspace pWorkspace = pFactory.OpenFromFile ( “乌市公交.mdb" , 0 );
  IFeatureWorkspace pFeatWorkspace = pWorkspace as IfeatureWorkspace;
  IFeatureClass pFeatureClass = pFeatWorkspace.OpenFeatureClass ( "公交线网" );
  4.总结
  伴随着GIS技术在各行业领域中的应用与发展,运用Geodatabase模型来设计空间数据库的方法已显现出强大的生命力。首先,运用面向对象的建模思想,更加贴近于人们的思维模式;其次,Geodatabase模型可将属性数据与空间数据同时进行编辑和管理,使数据库的设计随时可根据需要对数据的属性关系和空间方位等进行修改;同时,基于Geodatabase模型所构建数据库给予了管理员相当的权限,为数据库的后期更新与维护工作提供了便利。因此,基于Geodatabase模型的数据库已成为空间数据库应用研究的热点,倍受各行各业用户的青睐。
  参考文献:
  [1] 吴秀芹 张洪岩 李瑞改等ArcGIS 9 地理信息系统应用与实践[M]. 北京:清华大学出版社, 2009.
  [2] Kang-tsungChangIntroduction to Geographic Information Systems[M]. 陈健飞. 北京:清华大学出版社, 2009.
  [3] 刘学军徐鹏交通地理信息系统[M].北京:科学出版社,2006.
  [4] 张新长 马林兵 张青年 地理信息系统数据库[M].北京:科学出版社,2005.
  
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