（道路与铁道工程专业论文）基于GIS的公路地质灾害信息管理系统的理论与方法研究.pdf

摘要 公路工程作为一项复杂而庞大的系统工程在其建设和运营的过 程中遇到的地质灾害比一般的地质灾害要复杂的多。研究基于g i s 的 公路地质灾害信息管理系统，对于公路地质灾害的信息管理，公路地 质灾害的监测预报具有重要的意义。本文针对当前一般地质灾害信息 管理系统中存在的数据不够规范、建设周期长等问题，结合公路地质 灾害的特点，研究了建立公路地质灾害信息管理系统的一些关键技 术，主要的研究内容及成果如下： l 构建了“基于g i s 的公路地质灾害信息管理系统”平台，完成 该平台的总体设计，包括硬件、软件平台建设和系统结构功能设计。 2 针对公路地质灾害数据量大、来源多的特点，提出了公路地质 灾害元数据标准，保证数据的规范性，方便了数据的集成、管理、维 护、分发服务和共享。 3 在公路地质灾害元数据标准的基础上开发了工程项目数据库 管理系统，该系统能够完成工程项目数据库表的自动创建、编辑，同 时根据编辑好的数据库表完成数据的输入输出工作。工程项目数据库 管理系统进一步保证了数据库操作的规范性。 4 采用a r c s d e 管理g i s 空间数据，空间数据和属性数据保存在 o r a c l e 数据库中，实现了空间数据和属性数据的无缝连接。 5 采用a r c o b j e c s 对系统进行二次开发，保证系统具有很好的延 展性和开放性。 关键词：地质灾害，信息系统，元数据，a r c s d e ，a r c o b j e c t s a b s t a c t a sa c o m p l e x a n de n o r m o u s e n g i n e e r i n gs y s t e m s ，h i g h w a y e n g i n e e r i n gw i l lm e e tm u c hm o r ec o m p l i c a t e dg e o l o g i c a lh a z a r dt h a n n o r m a l d u r i n gi t sc o n s t r u c t i n ga n do p e r a t i n g d o i n gr e s e a r c h0 1 1r o a d s g e o l o g i c a lh a z a r di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mb a s eo n ( 3 i sw i l ld o g r e a ts i g n i f i c a t i o n o nt h er o a d sg e o l o g i c a lh a z a r di n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t 、s y s t e m r o a d sg e o l o g i c a lh a z a r ds u r v e r i n ga n df o r c a s t i n g i nt h i sp a g e r , i na l l u s i o nt oi n a d e q u a t ed a t aa n dal o n gc o n s t r u c t i o n c y c l ei ng e o l o g i c a lh a z a r di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m , c o m b i n i n g t h ec h a r a c t e r so fh i g h w a yg e o l o g i c a lh a z a r d ，w er e s o l v e das e r i e so fk e y t e c h n i q u e so fi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mf o rh i g h w a yg e o l o g i c a l h a z a r d t h ef o l l o w i n gr e s e a r c ha n da c h i e v e m e n t sh a v eb e e nd o n e ： 1t h e p l a t f l o o r o f r o a d s g e o l o g i c a l h a z a r di n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e mb a s eo ng i s ”w a sc o n s t r u c t e d ，a n dw eh a v ea l s o f i n i s h e dt h ew h o l ed e s i g n ，i n c l u d i n gt h ep l a t f l o o ro f h a r d w a r e 、s o f t w a r e a n d d e s i g no f t h es y s t e m ss t r u c t u r ef u n c t i o n 2d a t ao r g a n i z i n g ：i na l l u s i o nt ot h et r a i to fh u g ed a t aa n d e x c e s s i v es o u r c ef o rh i g h w a yg e o l o g i c a lh a z a r d ，i nt h i sp a p e r ，w ea r e p u t t i n gf o r w a r dm e t a d a t as t a n d a r d o nh i g h w a yg e o l o g i c a lh a z a r dt o g u a r a n t e et h ed a t a sc r i t e r i o n ，i tm a k et h ei n t e g r a t i o n ，m a n a g e m e n t ， m a i n t e n a n c e ，d i s t r i b u t i v e s e r v i c ea n dc o m m u n i o no fd a t am o r e e x p e d i e n t l y 3b a s eo nr o a d sg e o l o g i c a lh a z a r dm e d a t as t a n d a r d ，w eh a v e e m p o p l d e r e da t t r i b u t ed a t a b a s em a n a g i n gs y s t e m t h i ss y s t e m c a n e s t a b l i s ha n de d i tt h ea t t r i b u t ed a t a b a s eb o xa u t o m a t i c a l l y , w h a t sm o r e ， a c c o r d i n gt ot h ee d i t e d d a t a b a s ei tc a nf i n i s ht h ei n p u t i n ga n do u t p u t t i n g o ft h ed a t aa tt h es a m et i m e m a k i n gu s i n go ft h ea t t r i b u t ed a t a b a s e m a n a g i n gs y a t e mg u a r a n t e e dt h ec r i t e r i o no fd a t a b a s eo p e r a t i o nm u c h m o r e ， 4w eh a v ea d o p t e da r c s d et om a n a g et h eg i ss p a c i a ld a t a , s p e c i a l d a t aa n da t t r i b u t ed a t aa n ds a v ei no r a c l ed a t a b a s e ，i nt h i sw a y ，a c h i e v i n g c o n n e c t i n go fs p e c i a ld a t aa n da t t r i b u t ed a t a h 5i nt h ep a p e rw eh a v ea l s oa d o p t e da r c o b j e c st or e - d e v e l o pt h e s y s t e m ，g u a r a n t e e i n g t h es y s t e m sd u c t i b i l i t ya n do p e n i n g k e yw o r d s ：g e o l o g i c a lh a z a r di n f o r m a t i o ns y s t e m ，m e d a t a , a r c s d e ， c o b j e c t s i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：二盘年且月4 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名墨量鑫盛蹲师签名翅日期：丛年尘月l 日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是2 0 世 纪6 0 年代发展起来多学科交叉的新兴科学“1 。它主要涉及地理学、测量、地图 学、摄影测量与遥感、计算机与信息科学、数学、统计学及空间科学等其它科学， 它与这些科学或技术相互沟通、融合和影响，是能融合这些学科和技术的综合性 边缘学科。g i s 将定量分析与空间思维融入一体，成为了新一代描述客观地理世 界的语言与分析工具。它在资源调查、区域管理、城市建设、环境保护、农业区 划、国土规划、灾害防治、交通规划与管理、商业运营、军事国防等国民经济与 国防建设的众多领域得到了广泛的应用。特别是在相关技术发展与促进下，如与 遥感( r s ) 、全球定位系统( g p s ) 、虚拟现实( v r ) 、网络通信和传输( i n t e r n e t 、 w 啊) 、数字移动通信( g s m 、g p r s 、c d m a ) 及信息高速公路即国家信息基础设施 ( n s i i ) 等的结合，以及“数字地球”( d i g i t a le a r t h ) 计划的实施，g i s 得到 了全方位的发展与深入应用。在地质灾害领域，g i s 技术的应用也得到了快速的 发展。 。 1 1g i s 在公路地质灾害信息管理系统中的作用 g i s 能够管理并描述地表及其附作物的空间信息与属性信息，具有强大的图 形、图像及属性数据处理能力，能够对地理信息及其相关信息提供采集、处理、 管理、报表等功能，同时，它还具备强大的空间分析功能，如叠置、缓冲、地理 编码及网络分析等。在地质灾害检测预报监测及其信息管理中，。g i s 可以发挥重 要作用： 1 数据获取 g i s 具备同时管理空间数据和相应属性数据的能力，并且支持多种图形和图 像数据格式，g i s 能接收各种矢量数据( 如c a d 图形、各种矢量线划图等) 或者 栅格数据( 如卫星遥感图像、航空摄影图像以及雷达探测图) ，此外，g i s 系统 还提供了直接获取外部传感器数据( 如g p s 数据) 的能力，。这些功能为公路地质 灾害数据的获取创造了有利的条件。 2 数据管理 g i s 的数据管理能力是其他系统( 如c a d ) 所无法比拟的，它能够对空间数据 和相应属性数据提供数据显示、查询、更新、维护等功能，这些功能对有效存储 和管理地质灾害数据提供了必要的保障。 硕士学位论文第一章绪论 3 空间分析功能 g i s 与一般信息系统的区别就在于g i s 的空间分析功能，其内容包括拓扑关 系、网络分析、缓冲、叠加等，这些功能可以客观地模拟现实世界中地质现象与 周围环境的关联关系。 4 输出功能 输出是对数据处理及空间分析结果的表达，常以图形、图表等可视化形式表 征。总的来说，在地质灾害监测预报系统中引入g i s 技术，能有效改善传统监测 体系的工作方式、提高工作效率、保证滑坡监测的有效性和预测预报的可靠性。 1 2 地质灾害地理信息系统的发展与研究现状乜1 跚 1 2 1 国外g i s 在地质灾害中的研究现状 国外g i s 研究田阱较早，w l g a r r i s o n l 9 6 5 年首先提出“地理信息系统”这 一术语，开创了这一新技术的发展历史。美国、加拿大、英国、澳大利亚等发达 国家均对其投入了大量人力、物力和财力，并率先使g i s 商业化、社会化、产业 化。国外尤其美国、印度、加拿大等国家对g i s 应用于地质灾害的研究已作了很 多工作。从2 0 世纪8 0 年代至今，g i s 技术的应用已从数据管理、多源数据集数 字化输入和绘图输出，发展到数字高程模型( d e m ) 或数字地形模型( d t m ) 的使用、 g i s 结合灾害评价模型的扩展分析、g i s 与决策支持系统( d s s ) 的集成，g i s 虚拟 现实技术的应用，并逐步发展与深入应用。 在诸多的工作中，以下项目是具有代表性的，印度r o o r k e e 大学地球科学系 的r p g u p t a 和b c j o s h i ( 1 9 9 0 年) 用g i s 方法对喜马拉雅山麓的 r a m g a n g a c a t c h m e n t 地区进行滑坡灾害危险性分带，该项研究基于多源数据集， 如航空像片、磁带数据、图像、假彩色合成图像及各种野外数据，包括地质、构 造、地形、土地利用及滑坡分布。以上数据需要进行数字处理，图像处理等处理， 然后解译绘制出地质图( 岩性与构造) ，滑坡分布图。土地利用图等专题平面图。 这些数字化图件及属性数据都存储在g i s 系统中，找出与滑坡灾害评价相关的因 素，利用g i s 的存储、更新、网格化、空间叠加功能，得到一张综合图件，图上反 映的是每个地区的权重总和。根据标准，即可在这张图上绘出滑坡灾害危险性分 区图。 美国科罗拉多州立大学m a r i o m e j i a n a v a r r o 和e 1 l e n e 1 0 h l ( 1 9 9 4 年) 在哥 伦比亚的麦德林地区，用g i s 进行地质灾害和风险评估。利用g i s 对麦德林地区 地质灾害进行了分析和研究，重点考虑了基岩和地表地质条件、构造地质条件、 气候、地形、地貌单元及其形成作用、土地利用和水文条件等因素；根据各因素 2 硕士学位论文 第一章绪论 的组成成分和灾害之间的对应关系，把每一种因素细分为不同范畴等级，借助于 g i s 软件( g r a s s ) 的空间信息存储、缓冲区分折、d e m 模型及叠加分析等功能，对 有关滑坡、洪水和河岸侵蚀等灾害倾向地区进行了灾害分析，并对某一具体事件 各构成因素的脆弱性进行评价。 同样是美国科罗拉多州立大学m a r i o m e j i a - n a v a r r o 博士后等人( 1 9 9 6 年) 将 g i s 技术与决策支持系统( d s s ) 结合，利用g i s ( 主要是地理资源分析系统g r a s s 软件) 及工程数学模型建立了自然灾害及风险评估的决策支持系统并应用在科罗 拉多州的g l e n w o o d s p r i n g s 地区。应用g i s 建立指标数据库，并建立基于g i s 的 多个控制变量的权重关系式。对泥石流、洪水、地面沉降、由风引起的火灾等灾 种进行了灾害敏感性分析，脆弱性分析及风险评估，辅助政府部门做出决策。 美国地质调查局( u s g s ) 已把加强城市地质灾害研究列为2 1 世纪初的重要工 作，借助g i s 编制美国主要城市地区多种灾害的数字化图件，这种做法与西欧国 家的城市地质工作的总趋势一致。其中，美国科罗拉多州格伦伍德斯普林市的城 市地质灾害评价项目最具代表性。由于该市位于山区河谷地区，崩塌、滑流地质 灾害制约着城市的发展，为此，城市规划部门委托科罗拉多州立大学，开展了g i s 地质灾害易损性和风险评价编图研究，最终按1 4 种土地利用适宜性等级。对评价 区进行了土地利用区划，圈出了未来城市发展的适宜地段和高风险区，在此基础 上建立了“城市整体化决策支持系统”。 1 2 2 国内g l s 在地质灾害中的研究现状 在国外g i s 大力发展的同时，国内在g t s 技术与地质灾害方面的研究方面 也做了大量的工作。中国地质科学院水文地质工程地质研究所在国家“八五”期 问完成专题研究“京津唐地质灾害预测防治计算机辅助决策系统”。该系统由 信息资源数据库、图形图象辅助分析、模型预测、经济评价和防治决策分析专家 系统等五个子系统构成，总体结构采用了“四库一体”的设计思想，即以地质灾 害的预测和防治为目标，将相关的数据库、图形库、模型库和知识库融为一个有 机整体，从而实现了数据加模型的定量计算与知识加推理的定性分析的相互结 合、相互渗透，实现了地理信息系统技术和智能决策支持系统的结合，使该系统 不仅具有定量计算和定性分析的能力，而且具有更加丰富、形象化的空间分析能 力。 成都理工学院基于“山区小流域地质环境及地质灾害预测的g i s 系统”的 项目，在贵州印江河流域开展了实际预测应用。 中国地质环境监测院在有关单位配合下，结合国家“1 ：5 0 万省( 市、自治 区) 环境地质调查”( 1 9 9 2 - 2 0 0 3 ) 和国家“县( 市) 地质灾害调查计划， ( 1 9 9 9 2 0 0 5 ) ，先后组织编制了( 省( 市、自治区) 环境地质调查空间数据库标准) 硕士学位论文 第一章绪论 和县( 市) 地质灾害调查空间数据库建设技术要求的研究工作。两个暂行技术 要求基于w i n d o w s 9 8 环境，在m a p g i s 系统上进行二次开发，形成集图形属性编 辑、数据信息查询和信息输出的专题信息系统。 目前，尽管国内一批专家学者在此方面作了大量的工作，也取得了一定的成 果，但总的来说研究水平比较低，成熟实用的地质灾害评价与预测的g i s 系统较 少。国外将g i s 技术应用在地质灾害的环境评价预测中，起步早、技术成熟，无 疑是为国内学者提供了一个借鉴与学习的环境。 1 3g i s 技术在地质灾害应用中的问题 把g i s 技术应用在地质环境评价与灾害预测中，其优点固然很多，但总的说 来也存在如下的一些问题“，： l 地质环境评价具有多因素、多层次、不确定性强等众多特点，目前在利用 g i s 众多的评价预测模型中不管是多灾种还是单灾种评价，人们都在努力寻求一 种普遍适合的模型来解决地质环境的评价。虽然普遍适合的评价模型在宏观决策 中有重要的意义，适合建立面向大众和政府的决策支持系统，但在中小尺度范围 的评价时往往不尽人意。在解决中小尺度相对精度较高的评价中，光靠在某种模 型中对某些因素的加权来调整是不够的。考虑到不同地区地质条件不同，控制因 素不一样，各个地区的地质环境有自己特殊的规律，因此寻求特定地区特定的地 质环境评价模型应该是有必要的。 2 规范性问题。标准和规范是系统技术的重要内容，这里所说的规范性，是 指系统建立过程的规范性。目前，从标书的指定、用户需求调查、系统方案的审 定到系统开发和实际应用这一过程，仍没有规范可循。用户往往不知道自己所要 达到的具体目标，开发者也不清楚具体业务要求，许多问题都处于不明确之中。 往往一个系统的开发过程也是一个不断磨合的过程，造成很多混乱和浪费。各行 业有必要指定地质灾害信息管理行业的工程规范。就是对系统分析、系统设计、 数据库建设、系统开发、应用和效益分析，作出明确的规定，用以指导系统建设。 1 4 本文的主要研究内容 本文主要研究的是g i s 在公路地质灾害信息管理系统中的应用。公路工程作 为一项庞大而复杂的系统工程，需要跨越不同地区和不同地质单元区，需要大量 开挖或回填土石方，修建桥梁和隧道，强烈地改变自然生态环境。中国幅员辽阔， 地形、地质、气候条件十分复杂，公路建设所面临的地质问题比一般的地质灾害 4 硕士学位论文 第一章绪论 更多，公路病害整治工作量之大，在世界其它国家是少有的。公路地质灾害滑坡、 崩塌、泥石流、岩溶塌陷、隧道涌水等地质灾害给公路施工和运营造成许多麻烦。 现已查明的公路沿线的泥石流沟约1 5 0 0 余条嘲，滑坡、崩塌等地质灾害更是难以 计数。 建立公路地质灾害信息管理系统主要是为了对公路的地质灾害信息进行有 效的管理，依据地质灾害( 主是滑坡、泥石流、崩塌及塌陷) 类型及发生机理，确 定地质灾害的发生因子及各因子对地质灾害的影响度，建立正确可靠的数学模型， 科学预测、预报各地质灾害发生条件、影响范围、危害程度，并沿公路路线形象 表达各类地质灾害危险区划，为公路建和管理单位提供准确的地质灾害长期、中 期和短期预报，并为相关单位有效地控制地质灾害发生、整治地质灾害提供科学 的决策依据m 。 作为交通部课题“公路地质灾害监测预报系统”的一个分题，本文侧重于对 公路地质灾害的信息管理，本文所做的工作主要涉及一下几个方面： 1 构建了“基于g i s 的公路地质灾害信息管理系统”平台，完成该平台的总 体设计，包括硬件平台选择，软件平台建设和系统结构功能设计。 2 建立公路地质灾害元数据字典 公路信息管理管理过程中涉及的数据众多，为了避免不同的用户对地质灾害 进行信息管理时出现数据管理分散、存储格式不统一、缺乏与其它系统之间的信 息共享等问题，建立元数据标准十分重要。此外，元数据标准还可以更好的帮助 系统管理用于数据库，方便数据的集成、管理、维护和共享。 3 建立工程项目数据库管理系统 “公路地质灾害元数据标准”包含了对各类地质灾害属性数据的定义，这些 属性数据数量多，是系统进行信息管理的基础。建立属性数据库管理系统可以帮 助用户方便的建立、编辑数据库表，完成数据的输入输出工作，避免数据库操作 上的失误，从而保证了不同的用户间数据的一致。 4 基于a r c o b j e c t s 、a r c s d e 技术的信息管理 a r c o b j e c t s 是g i si 具软件a r c g i s 的二次开发语言，可以实现a r c g i s 的 任意功能。a r c s d e 是空间数据库引擎，用于管理空间数据，可以将属性数据和 空间数据都保存在同一数据库中，实现了属性数据库和空间数据库的无缝连接。 a r c o b j e c t s 、a r c s d e 代表了当今g i s 的最新技术，采用a r c o b j e c t s ，a r c s d e 技 术来开发“公路地质灾害信息管理系统”，可以保证系统的先进性、可发展性 以及系统的资源共享和开放。 硕士学位论文第二章公路地质灾害信息管理系统设计 第二章公路地质灾害信息管理系统总体设计 2 1 系统设计目标 结合西部一条运营中的高速公路中的某些重点地质病害路段的工程实际情 况，依托商用g i s 系统强大的空间分析能力和图像功能，以发生地质灾害地段的 地形、地物( 包括公路断面及支挡结构物) 、地质情况、自然降水及地下水变化情 况等空间图形数据和工程属性数据为计算分析基础，依据地质灾害( 主要是崩塌、 滑坡、泥石流) 类型及发生机理，采用正确可靠的数学模型，科学预测、预报各 类地质灾害的发生条件、影响范围、危害程度，并沿公路路线形象表达各类地质 灾害危险区划，为公路建设和管理单位提供准确的地质灾害长期、中期和短期预 报，并为相关单位有效地控制地质灾害发生、整治地质灾害提供科学的决策依据。 具体地讲，研究目标设计为： 1 系统直接服务于地质灾害信息的管理，利用该系统能实现地质灾害信息的 录入与存储、检索与查询、修改与更新、数据统计、空间分析和输出等功能。 2 利用g i s 和多媒体等技术，实现地质灾害信息的统一管理与信息资源共 享。 3 利用系统的优势最终为公路建设和管理部门在地质灾害防治与治理、灾害 规律研究、交通管理以及生态环境保护与治理等方面的决策分析提供支持，维护 公路交通安全，降低地质灾害损失。 2 2 系统设计原则 系统的设计原则是： 1 科学性：该系统利用g i s 软件间各自的优点进行分工。同时，在数据库设 计、系统功能设计方面重点考虑科学、清晰的数据结构与组织，力求系统的科学 性。 2 实用性：数据库的建立和系统的开发能满足各级公路灾害管理与防治部门 以及相关管理决策部门对信息查询、信息统计和决策分析的要求，同时系统结构 应简洁。功能方便、灵活、用户界面友好，以便于系统操作人员的管理和使用。 3 统一性与规范性：系统设计遵循统一、规范的信息编码和坐标系统、规范 的数据精度与符号系统等。在此原则下，本系统建立一个包括地质灾害各种属性、 图形、图像等数据在内的标准数据库。 6 硕士学位论文 第二章公路地质灾害信息管理系统设计 4 可延展性与开放性：系统设计时考虑系统的扩展和与其他系统的兼容，在 灾害信息编码、底图坐标系统选择、数据库设计以及系统功能等方面，尽可能留 有余地，方便系统的扩充或数据库的移植，当新的模块增加时，现有模块和整个系 统结构将不会受到大的影响。此外，随着网络技术的发展和w e b g i s 技术的兴起， 应使系统库内信息能通过网络进行远程传输。 2 3 系统的功能设计 系统的功能包括： 1 根据采集来的原始数据，建立灾害数据库 2 在g i s 的支持下，根据各类灾害评价模型，对地质灾害预测预报 3 以图形的方式展示成果 其具体的流程如图2 一l 所示。 并史夷謇骨毫 2 4 系统的组织结构 图2 1 系统功能流程图 系统组织结构的建立除了能满足正常的功能需求外，还应该考虑到g i s 数据 7 硕士学位论文第二章公路地质灾害信息管理系统设计 库的特点。g i s 数据库是空间数据库”，是描述空间物体的位置数据、位置数据 元素( 点、线、面、体) 之间的拓扑关系及物体属性的数据库。空间数据库管理 的是现实世界中相关性最大的连续数据，描述的实体多，数据量大，不仅仅要保 存属性数据，还要保存空间位置关系间的关系数据。在g i s 分析中，需要综合运 用实体之间的空间关系和属性数据，模型复杂。为了减轻系统的工作量，同时也 为了系统能够最大限度地实现数据共享，在设计时采用客户服务器( c s ) 的系 统结构。 系统组织结构如图2 - 2 所示，数据库系统、g i s 服务器端放在服务器上，数 据库客户端，g i s 客户端和普通用户界面放在客户机上，其中数据库客户端用 于帮助系统管理员管理、维护数据库系统，g i s 客户端用于帮助系统管理员管理、 维护g i s 空间数据库，用户界面为普通用户提供系统操作的界面。客户机面向用 户，接受并处理任务，并将任务中需要由服务器完成的工作，通过网络请求服务 器执行，服务器处理后将处理结果通过网络再传回给客户，从而使事务逻辑所涉 及到的安全性、数据完整性和逻辑完整性都集中在服务器上解决，而不是让访问 该数据的每个引用程序自己解决。这样，有利于提高性能和控制，减少应用程序 开发、维护的开销。 系统及数据库服务器 x b g l s e r v e r j 【f ；g l lx b g l 一2x b g l 一3x b g l 一4x b g l m 图2 2 系统结构组织图 2 5 数据库的组织与管理 2 5 1 公路地质灾害的数据 公路地质灾害涉及的内容多、信息量大，且来源广泛，可称为多源数据。数 据的来源一般包括地质灾害地段的地形图、航摄像片、遥感像片、地质图等图片 或图形资料，有监测地质灾害的参数，也有以文字形式存在的各种调查统计资料 ( 如区域性地质条件、地质构造、岩性、产状、气候特征、降水量、地下水状况、 8 硕士学位论文 第二章公路地质灾害信息管理系统设计 植被、交通状况等) ，还有公路的平面、纵断面、横断面设计及施工竣工资料( 包 括线路线型、里程、坐标、边坡及支挡结构物等) ，这些信息是地质灾害评价、预 测和预报的基础。总的来说，这些数据可以分为3 类：即图形( 如地形图) 、图像 ( 如遥感像片) 和文字数据信息。如何组织多源数据直接关系到研发系统的功能和 效率。基于g i s 的公路地质灾害信息管理系统，在数据组织和管理上，应将图形 ( 图像) 信息与属性信息分开管理。另外，为使系统遵循规范统一原则，方便数据的 集成、管理、维护、分发服务和共享，还应该建立公路地质灾害元数据标准。 2 5 2 数据库管理模式 公路地质灾害数据库主要包含属性数据库和空间数据库。属性数据库可以由 大型的商用关系数据库( 如o r a c l e 、s y b a s e 或s q l s e r v e r ) 来管理，通过数据库接 口技术( 如o d b c 、m f c o d b c 、d a o 、o l e d b 、a d o ) 和g i s 系统通信。空间数据库主 要用于管理空间数据，空问数据涉及的数据类型多，数据处理量大、数据结构复 杂，空间数据库除了要具有传统的数据库的数据管理能力外，还必须具有管理空 间数据的能力，如空间数据的查询、传输、处理、空间数据分析等，这些是普通 的数据库管理系统难以实现的。当前对于空间数据库的管理模式主要有：文件和 关系数据库混合管理模式、全关系型空间数据管理模式、对象一关系型空间数据 库管理模式以及空间数据库引擎管理模式。公路地质灾害信息管理系统采用了空 间数据库引擎来对空问数据进行管理。 空间数据库引擎( s d e ) ”1 是近几年发展起来的采用大型r d b m s ( 关系数据库 管理系统) 管理空间数据的新技术，它为g i s 海量数据的组织与共享提供了极大 的方便。利用空间数据库引擎加上通用标准数据库管理系统，可实现空间数据的 有效管理。空间数据库引擎是空间数据组织管理的重要基础技术，采用了c s 体系结构。从客户机看空间数据库引擎是服务器，它提供空间数据服务的接口， 接受空间数据服务的请求；从数据服务器看，空间数据库引擎是客户机，它提供 数据库接口，用于连接数据库和存储空间数据。用户通过空间数据库引擎，可以 将各种形式的空间数据库提交给r d b m s ，由r d 删s 进行统一管理；同样，用户通 过空间数据库引擎，可从r d b m s 中获取各种空间类型数据，将其转换成用户所用 的格式。所以，r d b m s 实质上成为形式各异的空间数据容器，而空间数据库引擎 是空间数据出入该容器的通道。空间数据库引擎所处的层次如图2 3 所示。空 间数据库引擎利用r d b m s 的强大功能，可实现数据完整性和一致性的维护，提供 严格有效性检查，并可利用分布式存储和分布式数据库操作。 9 硕士学位论文 第二章公路地质灾害信息管理系统设计 数据库层 空 间 数 据 库 引 擎 客户层 图2 3 空间数据库引擎结构图 空间数据库引擎改变了传统的部门之间信息共享的方式，其主要特点为： 1 空间数据库引擎用r d b m s 来高效组织和管理海量空间数据，具有大型r d b m s 管理数据的许多优点，通过空间数据库引擎，能访问r d b m s 中的空间数据和g i s 软件的传统数据格式文件，还能实现传统格式文件和r d b m s 中空问数据的相互转 换，并能很好平衡服务器和客户端的网络负担。 2 空间数据库引擎采用高度结构化的关系表存储、不会因不同格式转换带来 信息损失。 3 空间数据库引擎采用r d b m s 的互操作性，可以实现真正的c l i e n t s e r v e r 计算，并在系统级、数据库级实现信息共享。各部门只需发出请求，中心数据库 就会返回结果信息，整个系统只需存储数据的一份拷贝，各部门可以随时获取最 新的数据。 4 空间数据库引擎的主要不足是它还没有实现不同g i s 平台之间的数据互操 作。 和其它几种数据库管理模式相比，空间数据库引擎是正在发展中地一种技 术，很多地方把对象一关系型空间数据库管理系统也成为空间数据库引擎。也就 是说，把数据库管理商扩充的空间数据管理模块和g i s 开发商开放的空间数据库 引擎都称为空间数据库引擎。目前许多国内外g i s 软件开发商都推出了空间数据 库引擎，如e s r i 公司推出的空间数据库a r c s d e ，m a p i n f o 公司提供的s p a t i a l l o 硕士学位论文第二章公路地质灾害信息管理系统设计 w a r e ，国内g i s 软件商s u p e r m a p 的s d x + 、g e o s t a r 的s d k 等。g i s 软件开发商 开放的空间数据库引擎，存储访问空间数据的效率高、灵活，易于提高完善，便 于应用模型设计。公路地质灾害信息管理采用空间引擎数据库技术来实现空间数 据库的管理，空问数据和属性数据都保存在统一数据库中，空间数据于属性数据 通过关键字进行连接，从而很好地实现了两种数据库的统一管理。 2 6 系统的开发方式 地理信息系统根据其内容可分为两大基本类型：一是应用型地理信息系统， 以某一专业，领域或工作为主要内容，包括专题地理信息系统和区域综合地理信 息系统：二是工具型地理信息系统，也就是g i s 工具软件包，如a r c i n f o 等，具 有空间数据输入、存储、处理、分析和输出等g i s 基本功能。随着地理信息系统 应用领域的扩展，应用型g i s 的开发工作日显重要。如何针对不同的应用目标， 高效地开发出既合乎需要又具有方便美观丰富的界面形式的地理信息系统，是 g i s 开发者非常关心的问题。从开发实现的角度考虑，基本上可以概括为三种形 式：独立开发、单纯二次开发、集成二次开发0 1 。 i 独立开发 独立开发是指不依赖于任何g i s 工具软件，独立进行应用系统的开发。从空 间数据的采集、编辑到数据的处理分析和结果输出，所有的算法都由设计者设计， 然后选取某种程序设计语言如v b ，p a s c a l ，c 语言等，在一定的操作系统平台上 编程实现。 这种方式的好处在于无需依赖任何商业g i s 工具软件，减少了开发成本，同 时由于程序员可以对程序的各个方面进行总体控制，因此，系统各组成部分之间 的联系最为紧密，综合程度和操作效率最高。但由于地理信息系统的复杂性，开 发的工作量是十分庞大的，开发周期长。对于大多数开发者来说，能力、时间、 财力方面的限制使其开发出来的产品很难在功能上与商业化的g i s 工具软件想 比，而且在购买g i s 工具软件上省下来的钱可能还抵不上开发者在开发过程中绞 尽脑汁所花的代价。地理信息系统发展初期一般采用这种方式，目前，地理信息 系统的开发以很少采用这种方案。 2 单纯二次开发方法 单纯二次开发方法指完全借助于g i s 工具软件提供的开发语言进行应用系 统开发，目前在国内流行的g i s 工具软件中，有许多工具软件提供了可供用户进 行二次开发的宏语言，如美国m a p i n f o 公司研制的m a p i n f o 提供了m a p b a s i c 语 言，美国环境系统研究所( e s r i ) 开发的a r c y i e w 提供a v e n u e 语言等等，用户可 硕士学位论文 第二章公路地质灾害信息管理系统设计 以利用这些宏语言，以原g i s 工具软件作为开发平台，开发出针对自己的应用程 序。具体开发时，可首先采用可视化开发平台开发动态链接库( d l l ) ，以实现地 理信息系统工具软件未提供或难以实现的功能，然后在二次开发宏语言中调用此 动态链接库，从而从充分利用二次开发语言操纵地图对象的强大功能，又避免了 二次开发语言功能上的不足。这种方式省时省心，但进行二次开发的宏语言作为 编程功能极弱，用它们开发出来的应用程序界面不美观，仍然不尽如人意。同时 二次开发语言对用户和应用开发者而言也存在学习上的负担，使用系统提供的二 次开发语言进行开发往往受到限制，难以处理复杂问题。 3 集成二次开发 集成二次开发是指利用g i s 工具软件( 如a r c v i e w ，m a p i n f o ) 实现g i s 的基 本功能，以通用的编程软件尤其是面向对象的可视化开发工具( v c ，v b 。 p b ，d e l p h i ) 为开平台，充分发挥g i s 工具软件在空间数据处理上的优势及可视 化开发工具在应用程序开发上的强大功能，进行二者的集成二次开发。集成开发 又分为两种方式：一是采用对象连接嵌入自动化( o l ea u t o m a t i o n ) 技术或利用 动态数据交换( d d e ) 技术，由可视化开发工具后台启动，将g i s 软件所具有的对 地理信息的各种显示、分析功能整合到系统之中，使得用户能借助g i s 软件完成 对各种地理信息的后台分析，并从中获得所需要的信息，但用户并不会觉察到 g i s 软件在整个过程中所起的作用。二是利用g i s 工具软件生产厂家建立在o c x 技术( 一种特殊的d l l ( 动态连接库) ，可以被很多语言使用的一种开放式组件) 基础上的g i s 功能组件，如e s r i 公司的a r c o b j e c t s 、m a p o b j e c t s ，m a p i n f o 公司的m a p x 等，在v b ，v c 等编程工具编制的应用程序中直接将g i s 功能嵌入到 其中。 4 三种开发形式的优劣比较 独立开发的好处在于无须依赖任何商业g i s 工具软件，这样一来不仅减少了 开发成本，而且同样的算法设计与代码运行可以运用于以后的类似的应用系统 中，这样可以为许多最终用户节省购买g i s 工具软件的费用，但进行这种开发方 式要求开发者具有深厚的计算机程序设计功底，另一方面由于时间、能力、财力 方面的限制使开发者很难开发出与商业g i s 工具软件在功能设计与使用上相匹 敌的软件，而且开发周期比较长。因此这种开发方式仅为少数开发者使用。单纯 二次开发由于是借用于g i s 工具软件提供的宏语言进行的，省时省心，与通用的 g i s 工具软件也没有什么冲突，但无论是m a p i n f o 公司研制的m a p b a s i c 还是 a r c v i e w 提供的a v e n u 。语言作为编程语言都只能算是二流，和v b ，v c 等专用可 视化程序设计语言是无法相比的，用他们开发出来的程序总是不尽人意，且效率 低下，系统也难以维护，在界面设计上也比较单一，难以达到用户的需要。集成 硕士学位论文第二章公路地质灾害信息管理系统设计 二次开发可以说是集二者之长，既可以实现可视化软件开发的高效方面的编程功 能，又可以充分利用g i s 工具软件完备的空间数据可视化分析处理功能，大大提 高了应用系统的开发效率，而且使用面向对象的可视化软件开发工具开发出来的 应用程序具有良好的外观、完善的功能，完全弥补了g i s 工具软件在地图浏览功 能方面和建立应用模型方面的不足，且可靠性好便于维护，尤其是使用o c x 技术 利用g i s 功能组件进行集成开发，更能表现出这种优势。基于g i s 的公路地质灾 害信息管理系统采用集成的二次开发方法进行开发。 2 7 系统的开发环境 公路地质灾害信息管理系统在建设过程中要涉及到计算机技术、数据库技 术、g i s 技术以及网络技术等，从长远、整体、可持续发展的角度看，系统应尽 量采用最先进的i t 技术保证系统的先进性、可发展性、系统的资源共享和开放。 2 7 1 数据库系统 当今数据库系统主要有m i c r o s o f t 公司的v i s u a l f o x p r o 、a c c e s s 、 s q l s e r v e r ，o r c a l e 公司的o r a c l e ，i n f o m i x s o f t w a r e 公司的i n f o m i x ，s y b a s e 公司的s y b a s e ，i b m 公司的d b 2 ，应课题的需要本系统采用的是o r a c l e 公司的 o r a c l e 数据库系统“州“1 。 。 o r a c l e 公司的o r a l c e 数据库系统是基于s q l 的关系数据库系统，可在1 0 0 多种硬件平台上运行( 包括微机、工作站、中型机和大型机) ，支持很多操作系 统。用户的o r a c l e 应用可方便地从一种计算机配置移植到另一种计算机配置上。 o r a c l e 地分布式结构可将数据和应用驻留在多台计算机上，而相互间地通信是 透明的。具有以下突出的特点： 1 支持大数据、多用户的高性能的事务处理。o r a c l e 支持最大数据库，其大 小可到几百千兆，可充分利用硬件设备。支持大量用户同时在同一数据上执行各 种数据应用，并数据争用最少，保证数据的一致性。系统维护具有高的性能， o r a c l e 每天可连续2 4 小时工作，正常的系统操作( 后备或个别计算机系统故障) 不会中断数据库的使用。可控制数据库数据的可用性，可在数据库及或在子数据 库级上控制。 2o r a c l e 遵守数据存取语言、操作系统、用户接口和网络通信协议的工作 标准，是一个开放系统。 3 实施安全性控制和完整性控制。o r a c l e 为限制各监控数据存储提供系统可 靠地安全性。o r a c l e