吕升

摘 要：根据安徽省的实际情况，设计和实现了分级的地理信息数据库GIS，简单易用、功能良好。该系统不仅可以对地理信息中的空间数据和矢量数据进行前期处理，而且可以对后台数据库进行高速的访问和更新，在安徽省土地调查过程中发挥了重要的作用，成为科学规划土地利用和城市发展的眼睛和大脑。

关键词：土地调查；数据存储；分级地理信息数据库；GIS

中图分类号 F301.2 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）12-138-03

Abstract：The design of hierarchical geographic information database in this paper is easy to use，with good function geographic information systems according to the current situation of Anhui province. The system can not only use geographic information in spatial data and vector data for pre-processing，and high-speed back-end database can access and update. And it played an more and more important role in land survey in Auhui province，becoming the eye and brain of the government to good planning of land use and urban development.

Key words：Land survey；Data storage；Hierarchical geographic information database；Geographic information system

目前对于土地的管理都是基于地图的，而且使用的基本上是纸质地图，长期使用纸质地图，效率非常低下，变更和存档需要耗费大量的人力和物力。过去受到卫星影像识别和GIS不够成熟的限制，一直没有统一的地理信息数据库和GIS来管理。目前，将所有的地形图、土地利用图以地理信息数据库的方式存储和使用成为最重要的任务。在新的一轮土地调查过程中，建立一套完整的地理信息数据库，为国土资源管理工作提供GIS平台，成为迫在眉睫的需求。从某种意义上说，GIS和地理信息数据库，是科学规划土地利用和城市发展的眼睛和大脑，为制定相关的路线、方针、政策提供技术保障和智力支持。

1 GIS数据库的设计和实现

1.1 地理信息数据库的需求分析 按照国家土地调查办的要求，安徽省国土资源主管部门负责安徽省的数据库建设，主要任务如下：（1）数据进入地理信息数据库前的预处理；（2）通过预处理的数据简单的放到地理信息数据库中按照图层来存储；（3）将16个市分开，每个市拥有的县区归类在一起，将这些数据按照图层编辑到一个统一的中间数据库中；（4）将16个市级数据库在按照层次导入一个更大的数据库，经过查错与修改以后，形成全省的层次数据库，并备份；（5）最后，生成市级数据库，按照缩略图和每个市的行政界线，省级数据库将16个市的数据依次提取出来，分别生成16个市的市级地理信息数据库，至此，数据库建设工作完成。

1.2 地理信息数据库的概要设计 基于上述需求分析，对需要建设的地理信息数据库有了总体的认识。下面我们针对系统功能进行分解和概要设计。

1.2.1 系统任务 按照国务院土地调查数据库建设标准，以县（区）为单位组织来开展土地利用数据库建设，针对土地利用现状数据、土地权属数据和基本农田等数据进行分类和管理，以满足省级汇总及县级变更等基本业务需要，提供对各级土地地块到数据的统计汇总、查询检索、及时调用、定期备案和分析输出等功能。

1.2.2 系统要求 （1）建立省、市、县3级农村土地调查数据库；（2）建立省、市2级农村土地调查数据中心；（3）建立省、市、县3级农村土地调查数据库管理系统。

1.2.3 数据库体系结构 农村土地调查数据库囊括省、市、县3级数据库。县级数据库是数据库体系的基础，它是通过外业调查、数据加工处理、数据库建设实现，市级数据库是以县级数据库为基础整合而成，省级数据库则是综合考虑市级和县级数据库成果，进而整合与缩编而形成的最终的总体数据。

1.3 地理信息数据库的详细设计和实现 数据库和最底层的数据库服务器仅仅放在市一级，各县区只配备数据库客户端相关软件，通过专线网络访问上一级数据库。这种C/S和B/S的混合模式符合安徽省的实际情况，可以将这2种模式的优势发挥到最大，劣势限制到最小。为了管理的方便和效率的考虑，构建对应面积、权属、数字等数据的空间数据库。其中空间连接部分是交由基本控制数据构成。基本控制数据包含了对图幅信息的说明与索引，有些还包含市区或县区的缩略图。另外，一些控制信息如图幅名称、控制点数、标识点数、节点数、弧段数、图层数等也是必不可少的。数据库表中的每一条记录都对应图形中的一个面域实体，这种一一对应的连接关系是通过一个连接代码（linkage）来实现的。该代码是GIS在搜索面域并生成面域实体后，在已经创建的数据库对应表中自动生成的，与此同时，图形实体也将其对应的属性内容进行描述，从而真正形成GIS的空间连接。

2 GIS系统的设计和实现

2.1 GIS系统的需求分析 系统登陆要求实现一体化的界面，具体底层实现对用户是透明的，用户并不需要知道系统到底是通过C/S还是B/S架构连接到地理信息数据库。修改和编辑数据库的任务放在市一级，而且只有市级才能更改，县级只能提出申请，而省级仅仅负责审核。更改数据库的任务全部放在市级，通过16个市的市级数据库服务器和省级数据库的数据同步来实现地理信息数据库的数据一致性。endprint

2.2 GIS系统的概要设计

2.2.1 权限管理 要求采用模拟省国土资源管理部门到市县的行政结构的方法。具体实现采用类似Windows组权限和父类子类权限的模式，但是要加上一个审核模式。省级拥有最高权限，可以查询所有市县的数据库数据，各个县对数据库的更改都要先上报市级国土资源管理部门，再由市级的地理信息系统管理员更改以后上报省国土厅，经过省级的审核批准后，数据库内容才可以发生变化。总体上来说，每个级别的变更都要上一级别的审核和批准。

2.2.2 GIS系统模块及功能划分 系统最终为一个管理分级的地理信息数据库的GIS，管理的数据以空间数据为主，和普通信息管理系统有一定的区别。它要求能显示土地利用现状及变化情况，包含位置、分布、地类、面积等状况，能将地理信息数据以空间数据为主，文字数据和普通数学数字一起导入数据库，并且可以提供地图图层管理、查询和汇总功能，以及地图的漫游等功能。本系统划分为“编辑”、“文件”、“图层管理”、“浏览”、“显示”、“统计报表”、“查询”、“系统维护”和“帮助”等功能模块.

2.3 GIS系统的详细设计和实现 在系统中实行空间数据和属性数据的分表存储，2个表之间通过关联字段连接。查询和检索是用户与GIS交互中常用到的最基本操作，对空间数据的查询通常要用到坐标数据、几何数据和拓扑数据等。对土地资源进行空间分析是土地管理和决策的一种手段，本系统提供了相应的空间分析功能。空间分析的分析对象是查询的结果。通过使用SQL查询语言，来查询满足要求的内容，并把这些查询内容当成是一个结果集，然后根据这个结果集建立查询的缓冲区。利用缓冲区的范围和地类情况对土地的开发和规划等进行空间分析。

2.4 面积计算模块需求 土地各地类面积是各级政府对土地资源进行具体管理的重要依据，也是税收、房地产评估与交易、城镇规划等的基础数据。在针对矢量图进行处理时，面积的精确计算显得尤为重要。由于图片是以像素点作为基本储存单位的，可以看着由若干正方形组成的栅格，当然，如果直接用栅格数据进行求和，从而计算出来的是图形所覆盖的像素点个数，这样会造成巨大的误差。因此，想要求出准确的面积值可以对像素点进行分析，再通过数值计算方法中的“拟合法”拟合出相应的曲线，随后再进行面积量算，这样会大大减少面积累加中的误差。

2.5 面积计算模块需求概要设计

2.5.1 面积计算分类

2.5.1.1 离散点构成的图形面积计算 传统土地测量方法是在一片地域内实现的，于区域边界处选择若干个离散特征点。对于曲边的地域来说，要想得到较为精确的轮廓，就需要通过增加界址点数量来实现这个目标。这样的操作，当面对较大的地域时，问题的复杂程度会呈几何级数增加。在测量好界址点以后，将这些点直接作为多边形顶点，通过计算多边形的面积来较为粗略的计算地域的面积。当然，如果通过对其中的点进行曲线拟合，从而得到曲线边缘，这样就可以通过内插点的方法来增加面积计算的精度，同样，还可以采用直接积分的方法来进行面积计算。

2.5.1.2 连续点所围成的图形面积计算方法 由于科技的进步，目前我国对土地的测量早已不局限于人工测量，在统计地理信息时，一般采用航空摄影来取得地表的基本信息。首先，取得一定精度的地表信息图，经过预处理以后，再采用人工描点的方法来描绘不同地域的边界，然后通过GIS为各个图元进行地类属性添加。而得到较为精确且图形连续外观平滑的地域轮廓，是精确计算土地区域面积的先决条件。

2.5.2 简单统计像素点求面积方法

2.5.2.1 统计像素点数求面积 在土地调查中，碰到的图形基本上都是不规则的几何图形，只要能够找到一个数出图形中所有像素点的办法，就能得到任意一个屏幕上图形的面积。为此，可以从图形中某一个具体的点开始，按照某种算法遍历其中所有的像素点，只要能保证每一点能被访问且只被访问一次，那么显然就能求出整个图形的面积。

2.5.2.2 利用栈计算面积 将封闭图形视为数据结构里面的图，是由其中一个像素点作为图顶点，且相邻2点之间有线相连的连通域。因此，可以用图的遍历算法来遍历整个图形的覆盖区域，然后统计图顶点也就是像素点的个数。而根据数据结构和算法所介绍的，图的遍历分为深度优先遍历和广度优先遍历2种，因此使用栈可以模拟深度优先遍历。

2.5.2.3 利用队列计算面积 其类似于栈计算面积的算法，也可以用队列进行遍历，使用队列与使用栈的区别在于一个为深度优先遍历，另一个为广度优先遍历。当然，这是由栈是先进先出，而队列是先进后出的特点决定的。

2.5.2.4 逐行遍历面积计算法 首先对一个封闭图形区域进行逐行扫描，在每一行中，将每个奇数次扫描到的图形边界视为进入图形内部，而偶数次扫描到的图形边界则视为离开图形范围，而且，图形内部像素点也要参与计数。虽然这种方式消耗小，但是对于一些特殊的边界如锯齿形的权属界线情况就需要通过特殊处理来解决。因为在这种情况下，算法可能会变得特别复杂，目前尚未对其作深入探讨。

2.6 面积计算模块需求详细设计

2.6.1 输入图像 通过计算机模拟用户的使用情况，从图像中选取某一点，求其所在的最小封闭图形面积。因为在GIS内，点、线、面在地理信息数据库里都是有属性的存在，所以可以直接选中一个有属性的封闭图形，每一个封闭图形可以看成是独立的闭合多边形。我们就可以将这样的输入看成是一个封闭的图形，以及图形内的一个探索起始点。笔者在分析与初步试验中选择了用BMP格式图片作为图形输入源。

2.6.2 图形区域扫描 GIS中求面积时，如果把矢量图中如道路或者河流之类的线作为边界，在面积计算中是要扣除这块面积的。对于那些无属性的边界（这种分界线在图形中一般宽度不会太大），就应该以它的轴线作为图形边界。为了简化和算法的统一，在试验中将边界线都作为图形覆盖域的一个部分。endprint

2.6.3 图形分割及判断 对于每条曲线来说，将它的2个端点进行连线，就可以构成一个封闭区域，也即把图形进行增补或剪裁，使的曲边变成直边。由于曲边是通过拟合形成的，所以曲边的所有点必然在2个端点连线的一侧。如果连线在原来图形内部，则通过曲边改直边的方法会去掉这一部分面积，最后在面积累加的时候，要把这部分面积给补上；反之，如果直线在原来图形外侧，在面积汇总的时候，则要扣除这部分的面积。

2.6.4 分割曲面面积计算 已知围成图形的曲线方程，最精确的面积计算方法是高等数学中学到的积分法，这样计算出来的图形面积误差很小，精度很高。但是这种方法需要变量代换，处理起来很非常麻烦，所以可以考虑使用简化算法。根据数值计算方法中提供的算法，按照定积分的定义，用直线[x=xi（i=0，...，n）]把曲边图形分成n个小竖条，当区间[[xi-1，xi]]都统一的趋近于0时，分割成的曲边梯形面积之和就是这个图形的面积，也就是积分的结果。按照上述方法，将x轴分成n段，n越大则面积计算的精度就会越高。先通过曲面分割的算法判断曲线部分在直线的哪一边（即取曲线上除端点以外的任意一点，带入直线方程的一边，看方程2边的大小关系），随后将[x=xi]带入二次曲线方程和直线方程中。

2.6.5 面积累加 根据分割而成的各个曲边图形部分的面积，以及对其应当增加或者扣除面积的判定，将所求出来的这些面积与多边形面积进行叠加，就可以求出最终的面积。

3 结语

目前，安徽省第二次土地调查县级数据库建设已经全面完成，所有土地利用现状数据已经全部数字化，统一使用的GIS系统采用了国家统一规定的数据库标准，这样统一、标准化的数据库标准为市级乃至省级数据库的建设做好了准备。这次开发的地理信息系统和地理信息数据库实现了数据库分级以及C/S和B/S的混合架构，同时做到了网络的动态负载平衡，合理的安排并发访问。

参考文献

[1]国土资源部.第二次土地调查实施方案[M].北京：科学出版社，2007：2-7.

[2]国土资源部.第二次土地调查规程[M].北京：科学出版社，2007：4-20.

[3][美]Tor Bernhardsen，著.王浒，李浩川，译. GIS导论[M].北京：机械工业出社，2005：47-122.

[4]潘珩.GIS数据库设计[J].成都信息工程学院学，2006，21（4）：11-15.

[5]吴秀琴.ARCGIS9 GIS应用与实践[M].北京：清华大学出版社，2007：22-106.

[6]张斌.基于ArcGISEngine的GIS开发技术探讨[J].武汉大学研究生学报，2006，6（2）：1-3.

[7]吴立新，史文忠.GIS原理与算法[M].北京：科学出版社，2003：88-94. （责编：张宏民）endprint

2.6.3 图形分割及判断 对于每条曲线来说，将它的2个端点进行连线，就可以构成一个封闭区域，也即把图形进行增补或剪裁，使的曲边变成直边。由于曲边是通过拟合形成的，所以曲边的所有点必然在2个端点连线的一侧。如果连线在原来图形内部，则通过曲边改直边的方法会去掉这一部分面积，最后在面积累加的时候，要把这部分面积给补上；反之，如果直线在原来图形外侧，在面积汇总的时候，则要扣除这部分的面积。

2.6.4 分割曲面面积计算 已知围成图形的曲线方程，最精确的面积计算方法是高等数学中学到的积分法，这样计算出来的图形面积误差很小，精度很高。但是这种方法需要变量代换，处理起来很非常麻烦，所以可以考虑使用简化算法。根据数值计算方法中提供的算法，按照定积分的定义，用直线[x=xi（i=0，...，n）]把曲边图形分成n个小竖条，当区间[[xi-1，xi]]都统一的趋近于0时，分割成的曲边梯形面积之和就是这个图形的面积，也就是积分的结果。按照上述方法，将x轴分成n段，n越大则面积计算的精度就会越高。先通过曲面分割的算法判断曲线部分在直线的哪一边（即取曲线上除端点以外的任意一点，带入直线方程的一边，看方程2边的大小关系），随后将[x=xi]带入二次曲线方程和直线方程中。

2.6.5 面积累加 根据分割而成的各个曲边图形部分的面积，以及对其应当增加或者扣除面积的判定，将所求出来的这些面积与多边形面积进行叠加，就可以求出最终的面积。

3 结语

目前，安徽省第二次土地调查县级数据库建设已经全面完成，所有土地利用现状数据已经全部数字化，统一使用的GIS系统采用了国家统一规定的数据库标准，这样统一、标准化的数据库标准为市级乃至省级数据库的建设做好了准备。这次开发的地理信息系统和地理信息数据库实现了数据库分级以及C/S和B/S的混合架构，同时做到了网络的动态负载平衡，合理的安排并发访问。

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2.6.3 图形分割及判断 对于每条曲线来说，将它的2个端点进行连线，就可以构成一个封闭区域，也即把图形进行增补或剪裁，使的曲边变成直边。由于曲边是通过拟合形成的，所以曲边的所有点必然在2个端点连线的一侧。如果连线在原来图形内部，则通过曲边改直边的方法会去掉这一部分面积，最后在面积累加的时候，要把这部分面积给补上；反之，如果直线在原来图形外侧，在面积汇总的时候，则要扣除这部分的面积。

2.6.4 分割曲面面积计算 已知围成图形的曲线方程，最精确的面积计算方法是高等数学中学到的积分法，这样计算出来的图形面积误差很小，精度很高。但是这种方法需要变量代换，处理起来很非常麻烦，所以可以考虑使用简化算法。根据数值计算方法中提供的算法，按照定积分的定义，用直线[x=xi（i=0，...，n）]把曲边图形分成n个小竖条，当区间[[xi-1，xi]]都统一的趋近于0时，分割成的曲边梯形面积之和就是这个图形的面积，也就是积分的结果。按照上述方法，将x轴分成n段，n越大则面积计算的精度就会越高。先通过曲面分割的算法判断曲线部分在直线的哪一边（即取曲线上除端点以外的任意一点，带入直线方程的一边，看方程2边的大小关系），随后将[x=xi]带入二次曲线方程和直线方程中。

2.6.5 面积累加 根据分割而成的各个曲边图形部分的面积，以及对其应当增加或者扣除面积的判定，将所求出来的这些面积与多边形面积进行叠加，就可以求出最终的面积。

3 结语

目前，安徽省第二次土地调查县级数据库建设已经全面完成，所有土地利用现状数据已经全部数字化，统一使用的GIS系统采用了国家统一规定的数据库标准，这样统一、标准化的数据库标准为市级乃至省级数据库的建设做好了准备。这次开发的地理信息系统和地理信息数据库实现了数据库分级以及C/S和B/S的混合架构，同时做到了网络的动态负载平衡，合理的安排并发访问。

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