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地理数据库设计概述

地理数据库设计概述

地理数据库设计将基于一组常用的 GIS 基本设计步骤，因此对各 GIS 设计目标和方法有一个基本的了解至关重要。本节将对相关内容进行概括介绍。

GIS 设计是指将地理信息编排为可根据地理位置进行整合的一系列数据专题（即图层）。因此要进行地理数据库设计，需要先确定要使用的数据专题，然后再指定各专题图层的内容和表现形式，这样一个过程合乎情理。

这包括定义以下内容

 各主题将如何呈现地理要素（例如，作为点、线、面还是栅格）及要素的表格属性



如何将数据编排成数据集，例如，要素类、属性、栅格数据集等

 要实现丰富的 GIS 行为（例如，拓扑、网络和栅格目录）并定义各数据集之间的空间关系和属性关系，完整性规则还需要哪些额外的空间元素和数据库元素

制图表达

要进行各种 GIS 数据库设计，首先都需要确定每个数据集的地理制图表达。各种地理实体可表示为

 要素类（点、线和面的集合）

 影像和栅格

 连续表面可表示为要素（例如等值线）和栅格（数字高程模型 [DEM]），或通过 terrain 数据集表示为不规则三角网 (TIN)

 描述性数据的属性表

专题数据

地理制图表达将编排成一系列专题数据（有时称为专题图层）。数据图层或专题是 GIS 中的一个重要概念。数据专题是常用地理元素（例如，道路网）的集合或者宗地边界、土壤类型、高程表面、某个日期的卫星影像、井位等的集合。

专题图层的概念是 GIS 早期概念之一。专业人士考虑的是如何将地图中的地理信息划分到各个逻辑信息图层中，而不仅仅将独立的对象（例如，道路、桥梁、山川、房屋和半岛）随机组合。这些早期的 GIS 用户将信息编排成若干专题图层，并通过这些图层描述某现象的分布情况以及如何在整个地理范围中描绘该现象。这些图层还提供了有关采集制图表达（要素集、栅格图层、属性表等）的协议（捕获规则）。

在 GIS 中，专题图层是 GIS 数据库设计的主要编排原则之一。 每个 GIS 的公共地理区域中都将含有多个专题。专题的集合将用作堆叠中的图层。每个专题均可作为独立于其他专题的信息集进行管理。每个专题都有自己的制图表达（点、线、面、表面、栅格等）。因为各个独立的专题均具有空间参考，所以可以相互重叠并可在常用地图显示中组合在一起。另外，GIS 分析操作（例如，叠加分析）可融合专题之间的信息。

GIS 数据集是数据专题各地图表达的集合

地理数据的集合可表示为 GIS 数据库中的要素类和基于栅格的数据集。

许多专题可由同类要素的单一集合表示，例如，土壤类型面的要素类和井位的点要素类。其他专题（例如交通框架）则可由多个数据集表示，例如，一系列街道、交叉点、桥梁、高速公路坡道等组成的空间相关的要素类。

栅格数据集可用于表示连续表面（例如，高程、坡度和坡向），还可用于存放卫星影像、航空摄影和其他格网化的数据集（例如，土地覆被和植被类型）。

预期用途和现有数据源均会影响 GIS 中的空间制图表达。设计 GIS 数据库时，用户心中已确定了一些应用领域。他们了解要询问哪些 GIS 问题。确定这些用途将有助于决定每个专题的内容规范以及如何从地理上表示各个专题。例如，表示表面高程有多种备选方法：表示为等值线和点高度位置（例如，山顶和山峰）、连续地形表面

(TIN) 或晕渲地貌。各种特定的 GIS 数据库设计可以使用其中任一种方法或全部方法。数据的预期用途将有助于确定需要其中哪种制图表达。

通常，专题的可用数据源已在某种程度上预先决定了将使用哪种地理制图表达。如果事先存在的数据源是以某种特定比例和制图表达采集得来，则往往需要对您的设计进行调整才能使用该数据源。

通常各 GIS 数据集将和其他数据图层一同采集。

尽管各 GIS 数据集可以独立于其他 GIS 数据使用，但通常将数据集和其他信息图层一同采集仍然显得非常重要，因为只有这样才能保留基本的空间行为和空间关系，并使这些行为和关系在相关的 GIS 数据图层之间保持一致。以下是有助于解释此概念的几个示例：

 与分水岭和流域盆地相关的水文信息应同水系网络一同采集。水系线应和盆地拟合。所有这些图层均应该符合地形的表面制图表达。

 宗地结构中的各数据图层应与其他地籍图层一同采集，也应与基础测量信息一同采集（以使得宗地要素能够适合基础测量控制框架）。将大量其他要素集（例如，路权、地役权和区类）编译为适合宗地结构。

 高程、地貌、土壤类型、坡度、植被、地表地质和其他地形属性之间的空间关系通常以统一的方式进行编译，以便表征环境资源单位。了解这些空间关系背后的原理有助于构建一致的逻辑数据库，从而保证了其中的每个数据图层的要素彼此一致。

 地形底图信息将以整合的方式进行编译。水文地理、交通、结构、行政边界以及其他地形图图层将一同编译。如果以整合的方式构建地图显示中的这些制图表达，便可以实现清晰准确的通信并吸引对关键地图位置的注意力。

在上述每种情况下，均将通过数据模型定义适合整体信息框架的相关数据专题的集合。每个框架实质上是以最佳方式共同采集的相关数据专题的集合。数据采集的准则遵循有关空间行为和关系的完善的科学性原则。各专题在特定景观的综合性表征中起着重要作用。例如：

 地形景观。地形图、高程、水系网、交通网、地图要素、越野运动等

 城市景观。建筑物和主要基础设施等



影像景观。卫星和航空影像、本地、区域及国有资产等

 人文景观。人口统计状况（人口特征）、文化中心、市民、行政区划等

 劳动力景观。流动劳动力追踪、服务中心、交通状况和仓库等

 探测设备景观。照相机位置和设备等

 执行和计划景观。控制区、计划中运动和响应等

一同采集整合性专题数据的概念是各 ArcGIS 数据模型中采用的关键设计原则之一。

地理数据库设计步骤 从专题图层开始设计。

首先，针对具体的应用和信息要求，确定所需要的专题图层。构成主要景观的数据专题是什么？然后，更加详细地定义每一个专题图层。每个专题图层的特征都将会形成一种标准地理数据库数据元素（如要素类、表、关系类、栅格数据集、子类型、拓扑和域等）的规范。

在确定设计中的专题图层时，应尝试根据专题的可视化表示、在 GIS 中的预期用途、可能的数据源以及分辨率等级来突显出每个专题的特征。例如，需要在哪些比例尺和范围下使用此信息，以及在每个比例尺下如何表示其元素？这些特征有助于描述每个专题期望提供的高级内容。

以下示例介绍了地籍应用中所有权宗地的数据专题。

一旦确定了设计中的主要专题图层后，接下来就是制定用来表示物理数据库中每个专题图层内容的规范。

 列出需要处理的地图比例尺和范围。

 描述在每个地图比例尺和范围下地理要素的表示方式（例如，表示为点、线、多边形、栅格数据、面或表格属性）。



应如何将数据组织成要素类、表和关系？

 如何使用空间和数据库完整性规则实现 GIS 操作？

下面介绍的 11 个步骤概括了常规的 GIS 数据库设计过程。初始设计步骤 1 至 3 可帮助您确定并突出每个专题图层的特征。在步骤 4 至 7 中，将开始制定表达规范、关系，并最终创建地理数据库的元素及其属性。在步骤 8 和 9 中，将定义数据采集过程并指定数据采集职责。在最后的阶段（步骤 10 和 11），将通过一系列初步实施方法来测试和优化设计。最后还将对该设计进行记录。

地理数据库设计的十一个步骤

1. 确定要使用 GIS 创建和管理的信息产品。GIS 数据库设计应反映出您组织的工作内容。考虑到各种地图产品的编译和维护、分析模型、Web 制图应用程序、数据流、数据库报告、主要职责、3D 视图以及组织中其他基于任务的要求。列出当前在此工作中使用的数据源，并通过使用这些数据源来满足您数据设计的需求。针对您的应用，定义基本的 2D

和 3D 数字底图。确定将在平移、缩放和浏览底图内容时出现在每个底图中的地图比例尺集。

2. 根据您的信息需求，确定主要数据专题。较全面地定义每个数据专题的某些主要方面。确定每个数据集的用途 - 编辑、GIS 建模和分析、表示业务工作流，以及制图和 3D 显示。针对每个特定的地图比例尺指定地图用途、数据源和空间表示；针对每个地图视图和 3D

视图指定数据精度和采集指导方针；指定专题的显示方式 - 符号系统、文本标注和注记。考虑每个地图图层如何与其他主要图层以集成样式显示。在建模和分析时，考虑如何将信息与其他数据集一起使用（例如，如何将它们进行组合和集成）。这将帮助您确定某些主要的空间关系以及数据完整性规则。请确保将这些 2D 和 3D 地图显示及分析属性被看作是数据库设计过程的一部分。

3. 指定比例尺范围以及每个数据专题在每个比例尺下的空间表示。编译数据以在地图比例尺的特定范围使用。为每个地图比例尺关联地理表示。地理表示通常在地图比例尺之间发生变化（例如，从面变成线或点）。在许多情况下，可能需要对要素表示进行泛化，才能在更小的比例尺下使用。可以使用影像金字塔对栅格数据进行重采样。另外，您可能需要为不同的地图比例尺采集其他表示形式。

4. 将各种表示形式分解为一个或多个地理数据集。将离散要素建模为点、线和面要素类。可以考虑用高级数据类型（如拓扑、网络和地形）来建模图层中以及数据集间各元素之间的关系。对于栅格数据集，可以选择镶嵌集 (mosaic) 和目录集 (catalog) 来管理非常大的集合。可使用要素（如等高线）以及栅格数据和地形数据来对表面进行建模。

5. 为描述性的属性定义表格型数据库结构和行为。标识属性字段和列类型。表还可能包括属性域、关系和子类型。定义所有的有效值、属性范围和分类（以用作域）。使用子类型来控制行为。确定关系类的表格关系和关联。

6. 定义数据集的空间行为、空间关系和完整性规则。可以为要素添加空间行为和功能，也可以使用拓扑、地址定位器、网络、地形等突出相关要素中固有空间关系的特征来达到各种目的。例如，使用拓扑对共享几何的空间关系进行建模并强制执行完整性规则。使用地址定位器来支持地理编码。使用网络进行追踪和路径查找。对于栅格数据，可以确定是否需要栅格数据集或栅格目录。

7. 制定地理数据库设计计划。为每个数据专题定义想要包含在设计中的地理数据库元素集。研究现有的设计，以获得有用的想法和方法。模仿 ArcGIS 数据模型中的模式和最佳做法。

8 设计编辑工作流程和地图显示属性。定义编辑程序和完整性规则（例如，所有街道都在与其他街道的相交处分开，街段在端点相连）。设计有助于满足数据的这些完整性规则的编辑工作流程。定义地图和 3D 视图的显示属性。为每个地图比例尺确定地图显示属性。这些属性将用于定义地图图层。

9. 指定用来构建和维护每个数据图层的职责。确定组织内负责数据维护工作的人员，或者将该工作指派给其他组织。了解这些角色很重要。您将需要设计如何使用数据转换和变换操作在各个伙伴组织之间导入和导出数据。

10. 构建可用的原型，查看并优化设计测试您的原型设计。使用文件型、个人型或 ArcSDE 地理数据库为推荐的设计构建示例地理数据库副本。构建地图，运行主要应用程序，并执行编辑操作，以测试设计的实用性。根据原型测试结果对设计进行修正和优化。具有了可用的架构后，您可加载更大的数据集（例如，将其加载到 ArcSDE 地理数据库中）以检验其生产、性能、可伸缩性以及数据管理工作流程。这是很重要的一步。在开始填充地理数据库之前，先确定设计。