统一空间元数据模型在GIS数据库中的应用研究

1、统一空间元数据模型在GIS数据库中的应用研究以昆明市土壤侵蚀管理信息系统数据库为例李分霞,舒新前(中国矿业大学(北京100083摘要:为了使昆明市土壤侵蚀数据库实现省-市-县的三级管理模式,即Internet模式,因而要求分散的数据逻辑上统一起来,并保证数据库接口的一致性。这就需要在数据库中建立元数据模型。本文通过对元数据的分析,设计了空间元数据模型,并探讨了统一空间元数据模型实现Intranet/Internet计算。关键词:空间元数据,数据库,GIS1 问题的提出昆明市土壤侵蚀因素种类多、空间尺度大、需求多样、数据庞杂。为了全面掌握昆明市土壤侵蚀现状和进展,以准确翔实的数据反映这些动态变化

2、情况,为国家宏观决策提供科学依据,采用数据库存储这些地理空间数据。在进行数据库建设过程中,需要考虑以下几个问题。首先,昆明市土壤侵蚀数据库采用省-市-县三级管理模式,为使在物理上分散的数据在逻辑上统一起来,必须采用新型的GIS技术。其次,昆明市土壤侵蚀数据库的建设考虑到费用等问题,各级的数据由各级负责调查完成并建库,因此各级建设可能采用不同的模式,如何在更高层次将其整合是一个很重要的问题。再次,考虑到水利系统的管理方便,各级土壤侵蚀管理信息系统尽量统一,需要保证数据库访问接口的一致性。综上所述情况,建立既能满足昆明市水利规划管理需要的GIS数据库体系,又能充分利用最新的GIS技术;既能对新型G

3、IS技术的发展具有尝试性的作用,又能对昆明市水土保持规划数据库跟上新型GIS的发展具有前瞻性的作用是本GIS数据库需要解决的核心问题所在。针对上述需要解决的核心问题,本GIS数据库采用三层架构实现分布式GIS数据库体系结构。所谓三层架构指的是:Intranet内的本地空间数据模型层、Intranet和Internet 之间的元数据模型层和Internet上的全局空间数据模型层;所谓分布式GIS数据库体系结构指的是:将物理上分布在不同Intranet内的“信息孤岛”,在逻辑上组织为可以在Internet 上互操作的数据库。因而在进行数据库建设的过程中,必须考虑元数据模型的设计和实现。- 1 -2

4、 元数据的概念及其作用元数据是数据的数据,是关于数据和信息资源的描述性信息1。元数据通过对地理空间数据的内容、质量、条件和其它特征进行描述与说明,以便人们有效地定位、评价、比较、获取和使用与地理相关的数据。如果说地理空间数据是对地理空间实体的一个抽象映射,那么可以认为,空间元数据是对地理空间数据的一个抽象映射。空间元数据是基于Internet的GIS(即网络GIS必不可少的一部分,通过它可以了解GIS系统所提供地理空间数据的情况,如有什么数据、数据质量如何、数据有哪些格式、以什么方式在哪儿可以得到数据等和数据有关的信息。通过这些信息可以实现地理空间数据的不同部门、不同专业领域的网络共享,避免因

5、地理空间数据的重复收集、录入和处理导致的大量时间、人力和物力的浪费2。元数据在GIS数据库体系结构中的地位如图1所示。 图1 元数据在GIS数据库体系结构中的地位Fig1 The status of metadata in the system of GIS database 图1表明了元数据在数据库体系中的地位。它处于数据与数据库访问接口之间,使得整个数据库体系由“空间数据-空间数据模型-空间数据访问接口”变为“空间数据-空间数据模型-空间元数据-空间元模型-空间数据访问接口”。这一变化使得原本直接基于空间数据模型的空间数据访问接口变为基于空间元模型。这意味着只要保证空间元模型不变,不管空间

6、数据和空间数据模型如何变化,GIS数据库访问接口就不会变化。空间元数据的这种价值可以说使解决空间关系复杂性,空间数据模型多样性的一剂良药。空间元数据是对空间数据模型的抽象,空间元模型是对空间元数据的结构的描述。相对于空间数据,大大提高了数据的抽象层次,现在为了进一步提高数据抽象层次,又提出元数据模型,最高可以有四级抽象。对空间数据进行如此多级别的抽象,其目的只有一个,那就是通过元数据去适应多变- 2 - 3 -的空间数据,通过元模型去提供统一、稳定的空间数据访问接口。3 统一空间元数据模型设计基于昆明市水利局土壤侵蚀管理数据库所开发的软件系统(包括MIS、GIS、DSS,都是基于元数据开发的。

7、也就是说,软件系统的逻辑结构是基于元数据模型的。图2为元数据的组成体系,主要包括四大部分:数据库元数据、空间数据集元数据、属性数据集元数据、模型库元数据。图2 元数据组成体系Fig2 The system of metadata3.1数据库元数据数据库元数据主要记录数据库访问情况和对数据库的操作情况。其目的是了解数据库的使用情况和对数据库的各表的修改情况,在特殊情况下,可以根据这些记录恢复数据库以前的内容。3.2空间数据集元数据和属性数据集元数据空间数据集元数据和属性数据集元数据是元数据的核心部分,它们对于建立元数据的对象模型具有重要的意义。表1是元数据对象模型的各对象的中英文对照关系,主要包

8、括了它们的组成以及之间的关系。 表1元数据对象模型中英文对照表Tab1 The corresponding table of Chinese-English to the object model of metadataMD-Map 空间数据元数据 图层管理MD-Layer 图层元数据 图层符号,标注,查询MD-Symbol 符号化元数据 符号化操作 MD-Annotation 标注元数据 标注MD-BaseData 属性连接元数据 查询空间对象的属性信息MD-Attribute 属性数据元数据 用于专题管理MD-Theme 专题元数据 专题管理MD-Table 属性表元数据 属性编辑,上报接

9、收,导入导出MD-Field 字段元数据 数据字典管理空间数据的元数据对象模型主要是为实现空间数据的管理而设计的。由于GIS数据库采用“专题(子库-图层-要素”的层次结构进行组织,其元数据也按照这一层次结构进行设计。MD-Map,代表整个空间数据的组织情况,其内部主要的属性为包括版权信息、精度信息、坐标系、投影信息、空间范围、图层集合等信息。内部的方法主要包括地图缩放、地图漫游、地图量算等可以用来处理整个地图信息的方法。MD-Layer,代表图层,记录一个图层的显示特征、显示范围、符号化信息、标注信息、与基本要素表连接信息等。内部的方法主要包括图层的符号化、渲染、标注、查询属性信息等。MD-S

10、ymbol,表示图层符号化信息。其内部有一个MD-SymbolField类型集合,记录该符号化表的表结构情况。MD-Annotation,表示图层标注信息。ME-BaseData,表示图层与基本要素表连接信息。由于属性数据按照“专题-属性表-基本要素”的方式组织,所以元数据的设计也是按照这一思想进行组织的。MD-Attribute,代表整个属性数据库,其内部有一个MD-Theme,代表专题数据,其内部有一个MD-Table类型的数据集合,记录一个专题包含那些基表。MD-Table,代表一个属性表,其内部有一个MD-Field类型的数据集合,描述一个属性表的结构。- 4 -MD-Field,代表

11、构成一个属性表的字段,记录该字段的主外键信息,索引信息,默认值信息,中英文名称信息,是否为空,数据类型和数量单位信息等。为组合查询、新增、修改、删除一个表的属性表服务。3.3模型库元数据模型库元数据主要记录了模型所需各字段的映射情况,根据这一映射情况,可以生成外模式图。由于已经在数据库中完成了这一映射过程,所以元数据所起的作用并不是很大,在后面元数据的讨论中,这一部分可以略去。4 元数据库建设的实施方案4.1将空间数据元数据对象模型转化为关系表以MD-Map的属性(除MD-Layer以外为结构建立地图管理关系表,保存空间数据的版权、精度、比例尺、坐标系、投影和空间范围等信息;以MD-Layer

12、的属性为结构建立图层管理关系表,图层管理关系表内的每一条记录表示一个图层,包括图层的显示特征、显示范围、符号化信息、标注信息、与基本要素表连接信息等;以MD-Symbol的属性为结构建立图层符号化关系表。其内部的每一条记录表示一个符号化对象;以MD-Annotation表示图层标注信息,合并到图层管理关系表中;以MD-BaseData表示图层与基本要素表连接信息,合并到图层管理关系表中。4.2将属性数据元数据对象模型转化为关系表。以MD-Theme的属性为结构建立专题管理关系表,专题管理关系表存储的每一条记录描述一个专题的概况和在整个专题中的层次。包括专题中英文名,父专题等信息;以MD-Table 的属性为结构建立基表管理关系表,基表管理关系表存储的每一条记录描述一个基表的概况。包括表中中英文名,所属专题等信息;以MD-Field的属性为结构建立字段管理关系表,字段管理关系表存储的每一条记录描述一个字段的概况。包括主外建信息,索引信息,默认值信息,是否为空,数据类型和数量单位信息等。5 基于三层构架统一元数