城市空间信息数据库建设

4.5　城市空间信息数据库建设

4.5.1　数据库建设步骤

城市空间信息数据库主要由数据、软/硬件、网络、规范标准和组织管理等要素组成。其建立的步骤如下:

1.确定数据库设计原则及总目标

由于城市空间信息数据库具有多要素、多层次和分布式网络结构的特点，结合我国城市化和城市管理的具体情况，从长远、整体和综合的角度来进行考虑，建立的城市空间信息数据库框架应该包括:

(1)基础层:主要包括大比例尺地形图的地形要素，为所有专题子系统提供统一的空间定位基础，这类数据库应由市政府支撑建立，以避免重复建设。

(2)专题层:即公共基础加专业信息形成的专题信息子系统，一般应首先发展城市土地、规划、交通、市政建设等基础设施信息子库。

(3)综合层:即最上层的城市综合地理信息系统，对城市的综合规划、管理和决策具有重要意义。

城市空间信息数据库设计的原则如下:

(1)标准化原则。地理数据的分类体系及编码体系、数据交换格式、数据内容与组织形式参照国家标准。

(2)先进性原则。目前，数据库技术和GIS技术发展迅速，同时业务需求也在不断扩大和调整，这就要求整个规划设计充分考虑这些方面的发展趋势，应参考当前成熟而且先进的技术，保持硬件、软件、技术方法和数据管理的先进性，从而保证高效率、高质量的应用，以确保系统能适应现代信息技术高速发展。

(3)实用性和数据共享原则。在满足当前工作需要为前提，科学论证、有序推进、分步实施，以满足数字城市基础数据的需求。另外，数据库的建立能够全方位、动态的、实时和准时地为各级领导和政府宏观决策提供科学的基础数据，为各专业经济部门提供空间数据的基础支撑，为扩大服务领域提供有效的应用机制。

(4)科学规范性原则。建立一个完善、高质量的城市空间信息数据库，数据要得到充分利用，需要提供明确统一的数据采集规范和质量标准，要保证整个数据库具有现势性，具有延续的生命力。同时，这个标准和规范要具有科学性，科学的做法是:考虑地方的实际情况，参考国家标准，没有现有标准可参考的，要在数据库建设的过程中，逐步建立内部标准，并逐步与国际标准接轨。

(5)扩展性原则。目前，数据库技术与GIS技术发展非常快，要充分考虑技术的发展趋势，使系统具有较强的扩展能力，处于技术领先地位，确保系统能适应现代信息技术高速发展。数据是本系统中最重要的基础，也是系统生命力所在，数据管理是一个不断更新的过程，因此充分满足系统不断更新的需要，是保证系统持续长久生命力的关键。

(6)可操作性原则。最大程度的满足数据管理业务的需要，为其他专业部门的业务管理提供最优的基础空间数据，是系统建设的根本目标。具体要求:易于操作、智能化、便于管理维护和数据更新快捷，具有优化的系统结构和完善的数据库系统，具有与其他系统数据共享、协同工作的能力，要对现实建库具有实质的指导意义，具有可操作性。

(7)安全性原则。城市空间信息数据库必须具有高度的安全性，重点考虑数据的安全性和系统操作的安全性两个方面。系统必须具备足够的安全权限，保证数据不被非法访问、窃取和破坏，非法用户不允许操作本系统。同时系统要具备足够的容错能力，以保证合法用户操作时不至于引起系统出错，充分保证系统数据的逻辑准确性。

根据城市基础空间数据的生产、管理、服务的要求和城市空间信息数据库设计的原则，在建立其标准化体系的基础上，实现包括全要素地形、影像、管线及其他空间数据在内的海量空间数据的数据监理、数据转换、数据入库、数据管理与动态更新、综合应用及元数据管理与发布，具体包括:①建立一套城市基础空间数据的采集、监理、转换、入库有效模式;②建立数据分层、分类编码体系，实现数据标准化和规范化的生产;③制订影像图生产、建库方案，满足城市DOM和DEM数据生产、建库和应用分析的要求;④建立开放、稳定、安全、共享、海量、连续无缝的矢量数据与栅格数据的空间数据库管理与应用系统;⑤建立一套完整的数据更新机制。

2.总体设计

数据库的总体设计，可以确定整体框架和结构，是数据库建设的核心和系统开发的依据。城市空间信息数据具有处理数据量大、结构复杂等特点，为了便于管理和应用开发，经常在设计时将整个数据库划分为若干子库;对于一些比较大的或比较复杂的子数据库还要进一步划分。总体设计方案指导数据库建设的全过程，而且要使所设计的数据库达到优化。

根据对不同的用户或应用群体的需求分析和可行性分析，对数据库进行基础设计和数据模型的设计。其中，基础设计包括数据的空间定位、空间数据规范、信息分类和编码、元数据设计;数据模型设计，包括概念模型设计、逻辑模型设计、物理模型设计以及各数据库功能划分和功能分析。对于矢量数据组织的逻辑模型，可采用:横向上实施两级控制，空间分区加逻辑分幅，同一类空间数据无缝存储;纵向上按照空间实体特征，划分为不同特征类。对于影像及DEM数据，采用金字塔结构建库，构建多分辨率、多细节层次。在逻辑设计的基础之上进行物理设计，确定系统的物理结构、数据库实体设计，标准化设计、软/硬件配置、系统开发计划。

3.子库设计

根据总体设计方案，对子库进行详细设计，用以指导数据库系统的应用开发，具体内容包括:数据库比例尺和坐标系统的定义，地图投影的选择、投影参数设置;数据分层及空间关系的表达，与已有数据库的交互接口定义、数据的联动更新;属性项的选择、关键项的定义，与已有关系数据库的关联;分类编码标准;地图符号库的设计;数据质量控制和检验标准;数据接边处理;数据字典;元数据的定义、管理、服务;历史数据的管理;等等。

4.数据库的实施

(1)预处理阶段。根据所选图幅，全面收集有关资料(包括图形、图像、报告、数据、野外原始记录卡片、记录本等)，以满足生产、科研、管理及各类专题研究的需求;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(包括图幅修编、接边、分层、编码及清绘等)，以加速图形的录入速度，提高图形录入的精度和准确度;购买相应的软硬件，搭建系统工作环境，为数据生产及数据入库做好软硬件环境准备;对部门相关工作人员进行数据生产、修改、更新及数据入库相关的技术培训工作，为数据生产和数据入库做好技术准备。

(2)数据采集、编辑。对数据进行生产、修改、更新，为了保证数据库的现势性和实用性，空间数据必须保持最新，对现势性较差的地图要进行更新或者重新生产。这个阶段的任务比较繁琐，工作量比较大，是整个数据库建设中比较重要的内容，可以分配较多的人力和工时。

(3)空间数据库的建立及数据入库。对入库数据进行检查、编辑，包括资料的完整性检查、数据的完整性检查、数据的正确性检查等几个方面，符合入库要求的数据进行入库操作，如果成果数据存在问题而不能满足入库的要求，则必须根据入库要求对其进行更改。子库的建设，检查空间数据库结构的合理性，并不断修改空间数据库。

(4)数据质量控制。按照ISO9001质量管理体系的要求，对数据从原数据收集、数据采集、数据检查到数据最终转换入库进行严格监控。

5.数据库运行

根据已经建成的数据库各个组成部分，在此阶段需要完成的任务是有机合理的集成数据库和各个子系统，由系统开发人员和用户共同参与，并对其进行测试和验收，在试运行过程中修改各个子系统和空间数据库的结构，对数据库进行正确性、适应性的完善。

6.数据库维护及更新

随着城市规模的日益扩大和城市建设的迅速发展，为持续保持城市基础地理数据库的实用性与先进性，满足城市不断发展的需求，城市空间信息数据需要经常进行维护和更新。城市空间信息数据更新的实质是要更新变化了的空间单元所对应的数据元素，其核心问题有:一是如何用新的数据取代数据库中已有的数据;二是对更新进行维护，实现历史数据的回溯。数据库的更新方法不但与数据采集的技术方法有关，而且与数据库中数据的组织方法有关，这就要求在软件方面要提供数据更新手段，建库后要能够保存和查询历史数据。目前，对数据更新方式主要分为以图幅为单位更新和局部要素更新。前者是以现有以图幅为单位的方式作业，对图库中的数据以图幅为单位进行整体替换，并将原有数据置入历史库。后者是发生局部变化的时候直接在平台中进行编辑，并将编辑前的要素放入历史库。根据系统的规模和实际需求，建立合适系统的数据维护更新机制，定期或不定期进行数据库内容更新及数据库软硬件环境更新，更新前的数据作为历史数据继续保留，使系统的所有数据均相对地始终处于现势性较好的状态;也可根据实际条件，对数据库软硬件环境进行更新，扩展数据库体系，增加新的信息载体平台和新的功能实体，以满足不断变化的数据库应用需求和服务需求，但数据库软硬件环境更新不应破坏或废弃数据库中的数据。同时，还要考虑对数据备份和恢复，采取有效的策略，充分发挥存储设备的能力，提高数据存储和运行的可靠性。

4.5.2　城市基础地理空间数据库建设

城市基础地理空间数据用以表示城市的基本面貌并作为各种专题数据统一的空间定位载体，包括测量控制点和城市地形、交通、水系、境界、居民地、植被等核心地理要素。它以空间实体为框架存放于数据库中。

城市基础地理空间数据库的建库是在GIS软件支持下，以规定的数据结构将空间数据和属性数据装入数据库，并形成可供GIS软件操作的、完整的城市基础地理数据文件的过程。城市基础地理空间数据库的数据源，主要包括7个数据库，即控制测量成果库、数字线划地形数据库、数字正射影像数据库、数字高程模型数据库、数字栅格图数据库、地名数据库、元数据库，还要包括多比例尺的地图，如1∶500、1∶1000、1∶2000、1∶5000和1∶10000等，同时，还要根据各城市的具体特点择优选用。

城市基础地理空间数据库的建立，具有以下四个方面的特点:①统一的坐标系。无论是地理坐标系还是平面坐标系，都要求统一，以保证地物要素的连续;②统一编码体系。相同的地物要素用相同的编码，否则数据库间、图幅间会出现无法接边的逻辑错误;③统一属性数据。相同的地物要素在不同比例尺上有不同的表示方法，但应有相同的属性;④安全体系。基础数据库的安全关系到国家机密，要防止数据被破坏。

1.矢量数据建库建设

空间数据组织的逻辑模型突破了传统的“横向分幅，纵向分层”的思想，其核心思想可概括为:横向上实施两级控制，空间分区加逻辑分幅，同一类空间数据无缝存储;纵向上按照空间实体特征，划分为不同特征。

1)逻辑分幅

从面向应用来考虑，作为新一代空间数据组织方式，“横向分幅”概念仍有其存在的必要。传统空间数据组织模型的分幅通常指的是物理分幅，即不同图幅数据分割于不同的图幅文件中。由于物理分幅的原因，基于一定区域内的分幅划定相对固定，所以又是一种静态分幅。新一代图库基于大型对象-关系型数据库，海量存储已不再是GIS技术瓶颈，所以有必要充分利用这种底层技术支持，采用逻辑分幅的概念，即分幅只是基于无缝海量数据之上的一种区划描述。逻辑分幅同时也是一种动态分幅，如果需要重新划定分幅，也是便于实现的。逻辑动态分幅给图库空间划分描述带来了灵活性，同时又很好地解决了传统地图库所无法解决的跨图幅查询、分析、计算的弊端。

2)空间分区

“空间分区”是一种新的数据分配策略，它根据不同特征类在整个图库范围内空间数据分布上的不同均衡度与密集度，划分为不同的区块，每一区块有唯一标识。空间分区对应到底层的磁盘分区存储，空间分区的划定有系统决策模型的支持，当然也可以由用户干预或完全自定义。一般来说，分幅不能跨分区，即要求同一图幅最好落于同一分区内，而不作跨分区划定。横向空间分区使系统响应效率大幅度提升，尤其是一个特征类数据达到或超过2GB的情况下。

3)划分不同特征类

在纵向上，图库集不再使用“层”或“层类”的概念，而是完全面向空间实体进行分类，同一类空间实体划分到一个特征类中。一种特征类可以是点、多点、线、面，也可以是各种组合类型，不再要求同一个特征类的各实体对象必须要求同一种几何类型，如道路数据集，可以分为点状特征类、线状特征类、面状特征类。

根据空间数据组织的逻辑模型，城市基础地理空间数据包括1∶500、1∶1000、1∶2000、1∶5000和1∶10000地形图数据。它以矢量数据结构描述的水系、等高线、境界、交通、居民地等地形要素构成的数据库，其中包括地形图要素间的空间关系及相关属性信息。城市基础地理空间数据全面反映数据库覆盖范围内自然地理条件和社会经济状况，它可以用于建设规划、资源管理、投资环境分析、商业布局等方面，作为人口、企业、应急、交通、旅游、市政、规划等各个专业信息系统的空间定位基础。

根据不同的比例尺对基础地形图进行划分，每一个比例尺作为城市基础地理空间数据图库的子模块，同时对给定的一个比例尺还可以进行大类的划分，包括测量控制点、居民地、工矿附属设施、交通及附属设施、管线及附属设施、水系及附属设施、境界、地质地貌、植被这9大类。每一个大类根据物理存储的机制和实体的类型(点、线、面、注记)进行图层划分，以测量控制点为例，即测量控制点类可以包含以下三层:测量控制点注记层，用来存放图面对测量控制点信息的表现;测量控制点层，用这个层来存储子库的测量控制点信息，这个层的属性数据可以对测量控制点信息作补充描述;测量控制点辅助线层，为实现良好的出图效果，来保存相关的图面信息。

2.影像数据建库建设

数字正射影像图是根据像片的内外方位元素和地面数字高程模型对数字化的航片影像(单色/彩色)进行数字微分纠正得到其正射影像，再作影像镶嵌、图廓裁切，生成图幅影像层数据，再与图廓整饰、公里格网以及地名注记数据复合而成。它既具有地图几何精度又有影像特征。

数字正射影像生产周期比较短、信息丰富、直观，具有良好的可判读性和可测量性，可作为背景控制信息，评价其他数据的精度、现势性和完整性;可从中提取自然地理和社会经济信息以应用于国民经济各个行业;还可以提取现势信息，实现对相应比例尺地形图的更新。

利用关系数据库管理遥感影像数据的基本原理是将影像数据存储在二进制变长字段中，建立适当的索引，然后通过数据库提供的接口进行访问。主要有两种模式:一种是基于面向对象技术扩展关系数据库的功能，即基于扩展的面向对象关系数据库管理遥感影像数据;另一种是基于中间件技术，将遥感影像数据分解成关系数据表，从而实现对遥感影像数据的管理。

3.元数据库建设

空间元数据库是描述数据库、子库和子库中各数字产品的元数据构成的数据库。元数据库包括系统各数据库及数字产品有关的基本信息、空间数据表示信息、参照系统信息、数据质量信息、要素分层信息等。元数据库的创建主要采用7个数据表来描述数据集，具体描述如下:①主表:描述数据集的概要情况。②单位与发行情况表:多重描述数据集负责单位、负责人和发行情况。③坐标范围表:描述数据集所覆盖多边形区域的坐标范围。④数据更新记录表:反映数据集和元数据更新历史。⑤空间数据表:对数据集包含的空间数据进行详细描述。⑥图层数据表:进一步描述组成空间数据的图层数据信息。⑦非空间数据表:数据集包含的非空间(属性)数据进一步详细描述。

4.5.3　城市公共基础设施数据库建设

城市公共基础设施数据库是数字城市建设率先启动的部分，也是数字城市建设的基础。在规划和建设城市公共基础设施数据库时，要紧密结合城市的资源状况和特点，突出地方资源特色。

城市公共基础设施数据库作为提供城市共享信息资源服务的公共基础空间数据库，必须具备的基本条件包括:空间定位信息的权威性，空间地理单元划分的合理性，数据组织的有效性和数据库设计的开发性。按城市及数据的基本功能，数据可分为空间定位信息，与地理单元相关的城市规划建设信息、社会经济信息、社会生活信息和生态环境信息等，所有这些信息的综合应用构成城市公共基础空间数据库，城市的运营在数据库中应得到基本的反映，这些数据均需依照一定的标准进行数据的组织与加工，同时应有一定的措施确保数据的正确。数据构成如下:

(1)空间定位信息。它是其他专题信息的定位依据，通常包括DLG、DEM和DOM等。其中，①DLG是其他专题信息的主要定位依据，应严格按有关的国标、地标与行标进行编码和组织数据，是地形图上各种地物要素信息的矢量数据集。②DEM是表示地面海拔高度的信息，除标准格网数据外，还应有高程注记点信息、离散高程点和矢量地貌结构线。③DOM除提供空间定位信息外，还能直观地反映城市的面貌。空间定位信息通常由城市测绘部门提供或由相应的资源管理中心提供，应确保数据质量，并保证一定的更新周期。

(2)城市规划建设信息。它是城市规划、现状、规划审批与监督、相关法规信息的综合体现，包括规划信息(如城市总体规划、区控制性详细规划、道路用地规划图等)、现状信息(如现状用地、现状建筑、现状道路、地名等)、审批与监督信息(如用地审批、建筑审批及违法建设红线等)、法规信息(如规划红线、文物保护范围等)、其他信息(如危改图、居住区图、建筑高度图等)，它能充分展示城市规划远景及城市发展现状，为城市规划与建设决策提供一手资料。它通常由规划部门提供，如果与专业机构的日常业务相结合，可以提高信息的详细程度，降低更新成本，缩短更新周期。

(3)社会经济、生活、生态、统计等信息。社会经济、生活、生态等信息主要以矢量数据的形式体现(如建筑物、道路、交通、水系、境界等)，数据之间具有严格的拓扑关系，同时包含一定的社会人文属性信息，统计信息是以地理空间单元划分的(如人口、建筑物高度等)，以栅格形式体现。这些信息通常由相关部门提供，如统计局、房地局、环卫局、环保局、园林局、文化委员会、教委、卫生局等提供。

由于城市公共基础空间数据库涉及海量数据，大部分更新较为频繁，如空间定位数据、地表覆盖数据等，且为基础数据，或是其他专题或统计数据的依据，为确保存储于城市公共基础空间数据库中的数据质量可靠，数据的检验与验收是非常重要的。

城市公共基础设施数据库建设的关键，是将不同来源、格式、特点、性质、结构的城市空间数据在逻辑或物理上的集成，并且充分考虑数据的属性、时间和空间特征和数据自身及其表达的地理特征和过程的准确性。在数据生产过程中，由于各部门根据不同的需要，采用不同的技术、软件和体系结构进行数据的采集、处理、建库、分析和管理，从而形成了异构格式的数据库。为充分利用已有的这些数据成果，在进行数据建库时，就需要根据统一的数据标准，将这些异构格式的数据转换成统一的格式进行存储管理和分析。