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城市基础地理信息系统设计和建设的探讨
城市基础地理信息系统设计和建设的探讨
摘要 本文介绍了城市基础地理信息系统建设的目标，系统设计和数据库设计与主要i应用功能。对基础地理信息系统的应用、系统设计与建设中的一些普遍性问题做了进一步探讨。
关键词 城市基础地理信息系统系统 ArcGIS ArcSDE ArcEngine Geodatabase
一、问题的提出
        进入21 世纪后的中国城市，要实现经济建设和社会的可持续发展，一般都面临着许多亟待解决的矛盾：主要有信息化滞后于工业化进程；能源、土地、水资源供给等有可能成为经济和社会发展新的制约因素；经济产业结构尚不合理，有待进一步调整；经济和社会发展的技术基础有待于进一步提高，还不能充分利用各种信息进行多层次、全方位的分析和研究，
不能为政府部门的决策提供有效支持；信息化投入力度不足，经济和社会发展中的管理手段
相对落后，难以适应社会经济迅速发展的需要等问题。为此，必须运用现代化的管理方法和
手段，大力提高信息化水平，以促进城市经济建设和社会的可持续发展。基础空间数据库是
将表示城市基本面貌并作为其他专题数据统一的空间定位载体的地形、道路、建筑物、水系、
境界、植被、地名等信息以结构化文件形式组成的集合，在信息化建设中具有基础性、公益
性和共享性特征。因此，建立基础空间库，开发城市基础地理信息系统，已引起了全社会的
广泛关注和重视。
     城市基础地理信息系统建设的目标是利用先进的计算机技术、网络技术、GIS技术、CAD技术和数据库技术，建设全市范围内准确、动态、高效和标准化的共享型基础空间数据库，使之成为城市的空间定位基础，成为“数字城市”的空间基础平台，从而为规划和建设，为社会公众提供完善、优质和高效的地理空间信息。同时基础地理数据库作为一个共享、开放型的数据库系统，为规划和国土的业务提供空间数据支持，为提高规划和国土的综合管理水平打下坚实的空间数据库基础。作为“数字城市”的一个重要组成部分，为城市基础的信息化建设、特别是与地理信息系统有关的综合应用提供良好的基础和支持。
二、系统设计
2．1系统设计原则
        城市基础地理信息系统包括数据库建设、硬件网络设计、软件开发、系统维护等多项工作，是一项复杂、艰巨、长期的系统工程，需要运用软件工程方法和全面质量管理体系，制定合理有效的研制策略和计划，统筹安排系统的建设工作。系统建设可分为需求调查与分析、系统设计与规范制定、数据库建设、应用软件设计、系统集成与培训以与系统运行与维护等基本过程。此外，系统实施需采用组件化技术、对象关系数据库等技术手段，紧密结合规划管理的实际业务，设计和集成基于网络的基础GIS系统。系统信息内容和应用功能必须突出规划管理需求，为规划业务人员提供基础地理数据支持。另外，在系统建设过程中，要审慎处理先进与实用的关系问题，系统设计切合管理实际并适当超越当前业务需求，留有可扩展的余地。根据此类系统的特点，在设计时应遵循以下原则：
1. 先进性 为保证系统能随房管业务拓展而具备可持续发展的空间，采用当前世界先进的GIS平台、数据库平台和GIS设计、开发模式，空间数据存储模式，采用通用先进的开发工具。保证系统能够随着规划管理业务的拓展而具备可持续发展的空间，以保护投资。
2. 实用性 保证在系统的正常业务应用中使业务数据能够达到其完整性、一致性、准确性和现时性。保证系统运行的效率和速度。保证系统的界面友好、方便和快捷，使业务人员利用系统很快提高工作效率，提高服务水平。
3. 可靠性 为保证系统的安全、稳定、连续、高效运行，系统的软件平台、硬件平台、应用软件、应用数据都应具备可靠的备份机制、恢复机制、容错机制和容灾机制，确保系统数据万无一失。
4. 安全性 为了保证系统以与网络的安全性，系统必须采用全面的权限管理机制，确保业务数据的安全管理。对于业务数据库的访问权限机制采用基于角色的权限管理模式，对于WEB数据库的访问和操作采用防火墙和用户权限相结合的权限管理模式。
5. 可扩展性 系统必须具有较强的可扩展性和对需求变化的自适应能力，以适应业务管理内容和工作流程变化造成的系统需求的变化。
6. 阶段性 系统必须对整体内容、数据库结构以与系统功能等进行全面设计，根据系统建设的优先级，分阶段进行实施。
2．2系统平台选择
        为了满足城市基础地理数据管理、动态更新、编辑以与数据查询、统计、分析等功能的要求，在系统建设中采用了以Client/Server（客户端/服务器）方式为主、Browser/Serve（浏览器/服务器）方式为辅的混合体系结构，这种C/S+B/S的系统架构结构能够很好地满足不同类型用户的需求。其中，C/S方式主要用于业务处理和数据维护，由于C/S方式具有良好的交互性，能够满足基础地理信息管理中对图形数据的大量操作和对系统响应时间的要求；B/S方式主要用于查询和浏览，客户端只需要普通的浏览器即可。
        在系统实现中，GIS平台选用ArcGIS 9．2和ArcGIS Server9．2，数据库采用Oracle 10g，开发工具为Visual Studio 2005。
2．3系统架构
       城市 基础地理信息系统应采用标准的三层体系结构，如图2-1所示：
图2-1：系统体系结构

1. 数据层
采用Oracle10g关系型数据库系统和ArcSDE9．2空间数据引擎实现基础地理信息数据的高效存储和管理，系统具有良好的开放性。
2. 逻辑层（中间层）
ArcSDE是当前最成熟的空间数据库引擎,具有良好的系统稳定性和安全性。ArcSDE同时支持目前各种主流数据库系统,具有良好的系统开发性和伸缩性。通过ArcSDE空间数据引擎实现对空间数据的访问，基于ArcGIS Engine和ArcGIS Sever技术构建空间信息综合应用开发平台，实现空间数据应用的业务逻辑，如空间数据的表现和操作。
3. 应用层
在ArcGIS Engine和ArcGIS Server的基础上，实现基础地理信息系统的具体应用，包括数据的管理维护、数据库制图以与查询分析等应用功能。
三、数据库设计
数据是地理信息系统的“血液”，因此在数据库设计时要充分考虑数据库对多比例尺、多时相、多数据源的空间数据，属性数据的容纳能力，同时要充分考虑数据库的可扩充能力。
3．1数据空间参考
在建立城市基础地理信息系统中，应充分考虑其地理位置，以便选择合适的投影坐标系统、投影（如高斯—克吕格投影）、中央子午线、长度单位、地理坐标系统与角度单位等。
3．2空间数据组织结构
        基础地理信息数据库统一采用GeoDatabase的数据模型进行数据的组织。根据基础地理信息数据的逻辑结构和GeoDataBase的数据模型，空间数据库的逻辑层次结构划为五级：总库——分库——子库——逻辑层——物理层。
总库：总库是基础地理数据库的总称。
分库：总库下按照数据来源的比例尺等级划分分库，每级比例尺的数据作为一个分库。
子库（Feature Dataset数据集）：每个分库按数据的形式划分子库（数据集），每种数据形式对应一个子库，共分为矢量地图数据库、数字高程模型数据库、数字正射影像数据库、数字栅格地图数据库等数据集。
逻辑层和物理层：对于子库按照地理要素的分类进行逻辑分层，每个逻辑层按Feature Class进行物理分层。
3．3空间数据分层
        在矢量数据集中按照地理要素的分类进行物理分层，每一个物理分层作为一个Feature Class存在，其命名规则为逻辑数据类代码+物理层代码。按照国家标准和实际情况，数据分为八大主题要素类，共31个物理要素图层。
         表2-1是1：500 DLG数据分类设计。
表2-1：1：500DLG数据分层
子库
逻辑层
要素层（物理存储层）
FGIS500DLG
名称
代码
要素特征
要素内容
控制点
KZD
点
平面控制点、高程控制点等
线
内图廓线、坐标网线等
注记
说明注记等
水系
SX
点
泉、井、明礁、暗礁等
线
单线河、渠等
面
河流、湖泊、水库等
注记
说明注记
居民地与设施
JMD
点
窑洞、蒙古包、烟囱、水塔等
线
围墙、栅栏、露天采掘场等
面
一般街区、突出房屋、温棚等
注记
说明注记
交通
JT
点
路标、汽车站、灯塔等
线
铁路、公路、大车路等
面
加油站、机场等
注记
交通说明注记
管线
GX
点
独立电杆、下水井等
线
电力线、通信线等
面
通信发射塔等
注记
注记
境界与政区
JJ
点
界桩、界牌
线
地区行政区线
面
行政区界面
注记
境界说明要素
地貌
DM
点
高程点、比高点、土堆等
线
等高线、陡崖等
面
沙地、盐碱地、沼泽地等
注记
说明要素
植被与土质
ZBTZ
点
散树、独立树等
线
地类界、行树等
面
各种地表植被覆盖
注记
注记
3．4空间数据存储
        空间数据库实现多种类型、多尺度、多时态空间数据的集成化管理，解决海量、大范围连续空间数据的高效存储和管理，数据库系统能够提供对多种系统、多种数据格式的支持能力，实现多种数据格式的数据输入、输出功能。基础矢量数据采用分层要素的整体存储、要素独立的存储方式，便于数据提取、更新。矢量存储内容除去传统的空间几何位置信息和要素属性信息外，扩充有要素对象的制图符号属性信息，是实现制图与GIS数据一体化的数据基础。
3．5数据库安全
       城市基础地理数据库做为共享型的数据库，涉与到众多部门之间的业务。随着系统建成和运行，将汇集大量的集合信息和属性信息。为保证系统和数据安全，系统提供了有效的数据库安全机制。包括系统安全、网络安全、数据存储安全等方面的内容。
四、系统主要应用功能
城市 基础地理信息系统总共分为两个大的系统，其中基础地理数据管理与更新系统（基于C/S结构），基于测绘业务数据，采集和管理基础地理数据，实现数据的动态维护和更新机制，为规划以与国土资源等行业提供最完备、现势的基础地理数据；数据查询分析部分（基于B/S、C/S结构）实时提供有关基础地理数据、专题要素等资源信息，系统通过提供有关信息的综合查询、统计和分析的手段与工具，供相关领导在了解基础地理相关信息的背景下，对规划与国土业务工作提供辅助决策支持。
4．1数据管理与更新
        数据管理与更新子系统采用专门的客户机/服务器工作模式，结合先进的空间数据建库技术对基础地理信息数据库、专题数据库实现统一维护、管理和更新。数据入库与更新子系统的结构功能图见图4-1：
图4-1：数据入库与更新结构功能
GP
S数据更新
数据配置管理
数据入库与更新
工具
数据处理
数据浏览定位
数据入库与更新模块
提取图入库
标准数据入库
元数据入库
影像数据入库
标准图更新
竣工测量数据更新
全站仪数据更新
面积量测
调查数据导入

数据编辑
数据库制图
数据提取
方位角量测

       数据管理与更新系统提供有以下系统支持能力：
        提供方便易用的数据建库功能，集成化统一的系统环境中建立基础地理信息数据库以与元数据库。
        建立安全可靠的数据库动态更新机制，保证数据库的现势性。
        提供数据编辑、提取、导出和数据库制图功能。
        基于ArcSDE的版本机制，实现数据的历史数据管理和回溯功能。
4．2数据查询和分析
        数据查询和分析基于C/S和B/S模式，提供多比例尺、多种类型、多时态的基础地理信息的可视化图形表现，丰富的GIS查询统计、空间分析工具，帮助系统决策者对所关心的空间区域的地理现状有一个全面完整的认识。
        数据查询与分析子系统的结构功能图见图4-2：
        数据查询与分析子系统主要提供以下系统支持能力：
在集成化统一的系统环境中，提供方便易用的数据浏览定位功能。
提供丰富、易用的图性和属性互查工具。提供栋号查询、房屋座落查询功能。
基于计算机图形学和GIS技术提供属性表查询和查询输出功能。、
提供要素统计和空间分析功能。
基于ArcSDE的版本机制，实现数据的历史回溯功能。
         图4-2：数据查询与分析结构功能

数据查询
统计分析
坐标定位
注记定位
图幅定位
长度量测
缓冲区分析
面缓冲查询
线缓冲查询
点缓冲查询
SQL查询
基本选择查询
数据查询与分析子系统
路网统计拆迁分析
工具
面积量测
方位角量测
缩放漫游全图
数据浏览与定位

4．3系统维护
        系统维护子系统采用专门的客户机/服务器工作模式，以基础地理信息系统的日常运行维护为目标。提供数据备份与恢复、用户权限管理、日志管理、数据字典维护等功能，保证系统的用户访问安全，同时提供对数据库中数据字典的维护工具。
提供方便易用的数据备份与恢复功能，提供数据安全保障。
提供日志审核、查询和过滤等日志管理功能，提供系统安全保障。
提供设置用户权限、修改权限和删除用户等用户管理功能，提供系统安全保障。
提供数据字典维护功能，保证数据库的一致性，提供数据库一致性保证。
五、系统建设的关键问题
第一：CAD数据到GIS数据的无缝转换
        由于历史的原因，大部分基础地理数据是基于AutoCAD平台采集的，随着GIS技术的发展，原有的CAD数据要向GIS平台迁移，以满足数据建库、分析、管理以与各种应用的需要。到目前为止，已经有不少针对CAD数据转化到GIS数据存在的问题进行研究，但是都没有有效解决CAD数据在GIS系统的中存储和显示问题，如何和原来的几何表达相衔接的问题，以与拓扑关系的问题。利用ArcGIS的Geodatabase模型，基本解决了基于CAD的基础地理数据转入GIS数据库中的逻辑组织问题，实现了数据从现有的CAD格式数据转换到GIS格式数据，并保证其几何空间数据的一致性，同时也实现了将CAD下的标准和成图方式（包括数据的分层、编码、封闭、接边、符号显示等）无缝地转换到GIS下的分层结构标准和成图方式。并和已有属性数据库进行挂接，满足GIS应用分析的要求。
第二：GIS数据到CAD数据的无损转换
考虑到各个部门通用软件是CAD，这样需要在系统设计时，需要建立相互通道，既满足CAD转化为GIS数据时，实现无缝转化，又能在GIS数据转化为CAD数据时，实现无损转换，这样在两个平台上可以实现转换操作，既可以实现GIS强大的分析管理功能，又可以实现CAD强大的绘图功能，同时可以加强GIS管理部门与CAD设计部分之间的衔接，减少成本，增加效益。
其相互转化具体见图5-1：
CAD数据
预处理
工具
GIS应用软件

Oracle 10g
ArcGIS SDE

第三：基于业务的数据库动态更新
        为了使基础地理信息系统具有长久的生命力，保证数据的现势性和完备性，需对基础地理数据进行动态更新。而基于业务数据实现对基础地理数据库的动态更新是一条有效的途径，基于规划与国土管理的业务数据，如规划验线、竣工测量数据等对数据库进行动态更新，一方面保证了数据的良好的现势性，并且在一定程度上可以替代日常修补测业务，避免了数据采集的重复投入，减少了数据维护的成本。在系统建设过程中，应充分考虑基于规划国土业务数据的动态更新和一体化更新问题，提供通过竣工测量、基础测绘等手段进行数据的动态更新和维护方案和功能。为城市大比例尺基础地形图的更新和维护探索了一套切实可行的解决方案。
六、结束语
城市基础地理信息系统建设必须在高起点的设计思想指导和先进的测绘技术支撑下进行。作为 “数字城市”的重要组成部分，其建设成果将为规划管理部门、国土管理部门、房地产管理部门、通信部门、煤气部门、水利部门、电力部门等提供完备、准确、详实的基础信息，系统的建设将为的经济建设带来巨大的社会经济效益。当然，在城市基础地理信息系统建设中，存在很多基础问题需要不断探索与研究。
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