摘要：該文對森林景觀管理系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)處理進行了分析，提出了基于ArcSDE的層次格網(wǎng)空間索引技術，層次網(wǎng)格索引是在傳統(tǒng)網(wǎng)格索引的基礎上， 進一步改進， 減少了傳統(tǒng)網(wǎng)格索引的冗余和索引的大小。該技術在一定程度上減輕了空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸和服務器的負擔，提高了系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)處理的性能。

關鍵詞：森林景觀管理系統(tǒng)；空間數(shù)據(jù)；格網(wǎng)空間索引

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）12-2768-03

1 概述

森林景觀管理系統(tǒng)功能包括信息瀏覽、查詢、編輯及打印，其中查詢功能是系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵所在。查詢功能主要是對屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的處理，屬性數(shù)據(jù)的處理相對較容易實現(xiàn)，而空間數(shù)據(jù)庫的存儲、管理、更新是實現(xiàn)森林景觀管理系統(tǒng)功能的關鍵。森林景觀管理系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)引擎采用ArcSDE，后臺數(shù)據(jù)庫使用Oracle 10g，以Geodatabase的圖層對象實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的存儲與組織，空間數(shù)據(jù)的符號化、標準化信息用地圖文檔的形式存儲，最終實現(xiàn)森林景觀管理系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)適時動態(tài)的顯示、查詢和引用。

2 標準化系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)

森林景觀管理系統(tǒng)采用克拉索夫斯基橢球為空間參照系統(tǒng)，具體參數(shù)為：北京1954坐標系，采用高斯—克呂格投影類型。

1） 森林景觀管理系統(tǒng)的源數(shù)據(jù)存儲格式

森林景觀管理系統(tǒng)的源數(shù)據(jù)存儲格式為Shape格式存儲的矢量數(shù)據(jù)，Shapefile文件格式非常簡單、此文件格式主要采用非拓撲關系存儲空間數(shù)據(jù)信息和屬性信息，要素的幾何信息存儲形式為一系列矢量坐標的shape形式。

2） 森林景觀管理系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)處理

森林景觀管理系統(tǒng)采用Shape格式的矢量數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，主要是為滿足塔河林業(yè)局森林景觀管理系統(tǒng)的需要，為其提供更加豐富的數(shù)據(jù)，使其符合實際需求，系統(tǒng)首先將數(shù)據(jù)在ArcMap中對數(shù)據(jù)進行了處理，處理流程圖如圖1所示：

①數(shù)據(jù)的裁減：原始數(shù)據(jù)為整個塔河林業(yè)局，首先對林業(yè)局級的地理數(shù)據(jù)進行了處理，從原來的林業(yè)局級空間數(shù)據(jù)生成多個林場級數(shù)據(jù)。主要目的是為了能夠在地圖發(fā)布時可以單獨對林場級數(shù)據(jù)進行操作。

②生成標注：為了在地圖顯示時，能夠直接觀察到地圖的相關屬性，對于部分圖層根據(jù)其特定的屬性值生成了標注圖層，如林場標注、林班標注、小班標注等，并用關系類將標注圖層與圖層屬性關聯(lián)起來。

③邊界數(shù)據(jù)處理：在對地圖進行配置時，邊界經(jīng)常會重疊在一起，為了使得最終顯示效果清晰明了，按照標準，當林場界和林班界，林班界和小班界重疊時，只繪出高一級的邊界。例如，對于林班線圖層和小班線圖層發(fā)生重疊時，去掉小班線圖層中林班線和小班線重疊的部分，只保留林班線圖層的數(shù)據(jù)。

④數(shù)據(jù)配準：在操作處理完成地圖數(shù)據(jù)數(shù)字化后要對數(shù)據(jù)配準進行嚴格檢查，檢查是否有地圖要素被遺漏，是否有重復輸入，是否有標記錯誤；還要對數(shù)據(jù)進行拓撲分析，相鄰的圖層要素拓撲關系是否正確，要素是否全部接邊；是否有多余的懸掛線、破碎的多邊形；多邊形是否連通，標示點是否唯一。如果存在上述問題，則需要在ArcToolBox模塊編輯修改，區(qū)域參數(shù)及屬性可以反復進行修改，重新建立滿足要求的拓撲關系。

⑤森林景觀數(shù)據(jù)生成：森林景觀的相關數(shù)據(jù)并沒有包含在原始數(shù)據(jù)中，為了最終能夠在地圖上顯示森林景觀的相關信息，需要生成森林景觀圖層，系統(tǒng)利用小班圖層的空間數(shù)據(jù)的優(yōu)勢樹種屬性生成了森林景觀圖層。

⑥標準地數(shù)據(jù)生成：標準地數(shù)據(jù)由塔河林業(yè)局提供了1個Excel格式數(shù)據(jù)，其中包括了標準地的基本信息：GPS坐標、林班號、小班號等。標準地圖層的圖形數(shù)據(jù)是根據(jù)標準地的GPS坐標生成，通過對Excel格式數(shù)據(jù)進行處理，最終生成dbf格式的屬性數(shù)據(jù)，在ArcMap中將圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，得到標準地數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)組織

矢量數(shù)據(jù)（Vector Data）是用點，線，面及其X，Y坐標來構建點，線，面等具體空間要素的數(shù)據(jù)模型。森林景觀系統(tǒng)的矢量數(shù)據(jù)按點狀、線狀、面狀地形要素的特征分別建立林場、林班、小班、公共場所、居民點、邊界線等空間數(shù)據(jù)庫。

空間地理信息數(shù)據(jù)采用掃描和數(shù)字化獲取?？臻g數(shù)據(jù)經(jīng)過空間數(shù)據(jù)標準化后，系統(tǒng)主要從3個方面來對空間數(shù)據(jù)進行組織：基礎地理數(shù)據(jù)、社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)、林業(yè)專題數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)用ArcMap軟件制作，屬性數(shù)據(jù)庫用Oracle 10g數(shù)據(jù)庫構建。

4 基于ArcSDE的層次格網(wǎng)空間索引

ArcGIS對空間數(shù)據(jù)的存儲主要通過ArcSDE來實現(xiàn)。ArcSDE，即數(shù)據(jù)通路，是ArcGIS的空間數(shù)據(jù)引擎，它是在關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS）中存儲和管理多用戶空間數(shù)據(jù)庫的通路。ArcSDE支持的空間索引技術就是經(jīng)過優(yōu)化的格網(wǎng)空間索引，也即層次格網(wǎng)空間索引。ArcSDE為減少磁盤的輸入/輸出操作，對圖層建立了空間索引表。為進一步加快空間查詢速度，避免對整個表檢索的目的，可以通過減少檢索的記錄數(shù)據(jù)，從而減少空間查詢的時間。ArcSDE空間索引表包括格網(wǎng)單元、要素封裝邊界和要素Shape ID。此表的字段域詳細說明信息見表1。

表1 空間索引表的字段域說明

[字段域＼&說明＼&SP_ FID＼&空間要素的Shape ID，是空間要素的唯一標識，它與要素類中的空間要素的FID號相關聯(lián)。＼&GID＼&格網(wǎng)單元標識號，也就是索引塊標識號，用于唯一標識格網(wǎng)單元。＼&EMINX， EMINY， EMAXX， EMAXY＼&要素的封裝邊界。在圖層中的每個空間要素都有一個封裝邊界，由包圍Shape的最小邊界框的左下角和右上角坐標確定的。 ＼&]

在空間索引表中，只有能夠索引到要素的格網(wǎng)才擁有記錄，空間實體對應情況表如圖2所示。

最理想的情況是一個要素封裝邊界被包含在一個格網(wǎng)單元中，然而實際情況是要素的封裝邊界、大小變化較大，通常包含在多個格網(wǎng)單元中，因此需要采用多層格網(wǎng)索引，ArcSDE最多提供三層格網(wǎng)單元。由于層級格網(wǎng)索引的層數(shù)已定，那么針對本研究的關鍵性問題就是如何確定第一層格網(wǎng)數(shù)目以及每層格網(wǎng)長寬的取值。

4.1 第一層格網(wǎng)數(shù)目的確定

通過對森林景觀管理系統(tǒng)中采集的塔河林業(yè)局林業(yè)空間數(shù)據(jù)的研究分析發(fā)現(xiàn)，可以將采集來的空間數(shù)據(jù)分成如下幾種要素類：水系要素類、地物點要素類、交通線要素類以及各級行政區(qū)劃要素類，各個要素類又可以形成相應的圖層。對于點狀的要素、線狀要素類以及較大行政區(qū)劃要素類如林業(yè)局要素類等，可以只采用一層格網(wǎng)索引的方式，就能夠快速高效的查詢對應圖層。然而對于林班要素類和小班要素類來說，由于其分布較均衡但是面積大小不一的特點，所以要采取多層格網(wǎng)索引來提高檢索的速度，減少查詢冗余數(shù)據(jù)的時間損耗。這就需要對三層格網(wǎng)索引的大小，尤其是第一層格網(wǎng)數(shù)目制定最優(yōu)的設置。在創(chuàng)建圖層的過程中，用戶可以根據(jù)需要自行的設置格網(wǎng)劃分的長寬M、N值，用戶在劃分過程中需要滿足如下格網(wǎng)劃分的原則：

1） 格網(wǎng)的劃分最大程度上使同一層中每個格網(wǎng)中的空間實體數(shù)量均衡；

2） 每一層格網(wǎng)劃分后的空間實本數(shù)量應少于前一層格網(wǎng)中所包含的空間實體數(shù)量；

3） 盡量保證所劃分的格網(wǎng)中空間實體較為均衡的分布。

4.2 每層格網(wǎng)長寬的取值

由于ArcSDE所支持的層次格網(wǎng)索引支持對圖層的空間范圍進行最多三次的劃分，所以每次劃分后格網(wǎng)的長寬值直接影響著空間索引的效率高低與否。如果采取下一次劃分的長寬值是上一次劃分長寬值的整倍數(shù)的方法，那么會發(fā)現(xiàn)一些低層次的空間實體的跨格網(wǎng)邊線包含在高層次的格網(wǎng)中，所以高層次的格網(wǎng)長寬值最好并不是低層次格網(wǎng)長寬值的整數(shù)倍。此外，在劃分過程中還應注意保證高層次的格網(wǎng)中的空間實體數(shù)目要少，只有這樣才能保證高效的查詢。經(jīng)過歸納分析得出每層格網(wǎng)長寬取值原則如下：

1） 基于點層處理效率較高的特點，點層只需建立單級索引，格網(wǎng)大小可以選擇得大一些；

2） 監(jiān)視空間索引數(shù)據(jù)變化情況，若數(shù)據(jù)變化頻繁，則索引的優(yōu)劣需要重新評估，建立最優(yōu)索引；

3） 根據(jù)實際應用及未知應用，都需要對Grid Index設置中的cell size參數(shù)進行調整和設置。

經(jīng)過綜合分析大量文獻以及研究結果，對系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)3層格網(wǎng)劃分過程中，步長K值取3.5，這樣不僅充分考慮到了格網(wǎng)大小的過渡變化，同樣也考慮到了塔河林業(yè)局林班數(shù)據(jù)以及小班數(shù)據(jù)的實際情況，可以充分發(fā)揮3級格網(wǎng)索引的優(yōu)勢，提高了空間數(shù)據(jù)處理的性能。

4.3 格網(wǎng)大小參數(shù)設置

對于格網(wǎng)劃分過程中cell size參數(shù)的設置可以通過Arc Catalog和SDE命令行兩種方法來實現(xiàn)：

森林景觀管理系統(tǒng)對于空間數(shù)據(jù)處理過程中，根據(jù)圖層的信息改變Cell Size的參數(shù)設置，并沒有獲得性能上的明顯提升。即對于森林景觀管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)圖層，在數(shù)據(jù)導入時，默認設置的Cell Size參數(shù)比較優(yōu)化。

5 結束語

層次格網(wǎng)索引是在傳統(tǒng)網(wǎng)格索引的基礎上， 進一步改進， 減少了傳統(tǒng)網(wǎng)格索引的冗余和索引的大小，減輕了網(wǎng)絡傳輸和服務器的負擔， 提高森林景觀系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)處理的整體性能。

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