土地信息数据库设计的步骤

三、土地信息数据库设计的步骤

土地信息系统数据库的设计必须考虑土地数据的特点和用户的要求。土地数据具有时间、空间、属性特征，数据的组织形式又有矢量、栅格之分。不同的数据特点，可能要用不同的数据结构来表达。一个数据库可能要求容纳多种数据类型和数据格式，如何有机地将这些考虑结合起来，是一个土地信息系统数据库设计成功的关键。在考虑数据特点的同时，用户的要求至关重要，否则，数据库就失去了应用价值。因此，在设计土地信息数据库时，要以用户的要求为基础，同时兼顾数据的特点。LIS数据库设计的基本步骤如下:

1.需求分析

了解用户使用LIS的目的和要求，用系统的观点分析与土地数据库应用有关的数据集合。

2.概念设计

将需求分析得到的用户需求抽象为信息结构即概念模型。数据库概念设计是从抽象的角度来设计数据库，是从用户的角度对现实世界进行的一种信息描述，由构造实体的基本元素和反映这些基本元素之间联系的信息所组成。概念模型是现实世界到信息世界的抽象，具有独立于具体的数据库实现的优点，因此是用户和数据设计人员之间进行交流的语言。

概念设计通常采用自顶向下、自底向上、逐步扩张、自顶向下与自底向上相结合的方法。无论采用哪种方法，一般都以实体-关系模型(E-R模型)为工具来描述概念模型。

LIS数据库概念设计的内容包括:

①宏观地理定义。包括空间比例尺、地图投影和坐标系等全局性要素的定义。

②地理特征设计。包括地理特征的层次关系、各层表达形式和拓扑特征的设计。

③实体-关系图生成。运用E-R模型工具刻画地理实体及其关系。

④数据库总体设计报告的编写。将LIS数据库的概念设计内容用文本表达出来，作为后续工作的参考依据。

⑤概念设计评定与优化。以LIS对数据库的要求为依据对设计进行论证，并修改设计方案。

3.逻辑设计

数据库逻辑设计的任务是把信息世界中的概念模型利用数据库管理系统所提供的工具映射为计算机世界中数据库管理系统所支持的数据模型(数据库的模式和外模式)，并用数据描述语言表达出来。

1)属性数据逻辑设计

将E-R模型转换成关系模式，按照关系型数据库范式理论的要求，消除异常，对与地理特征有关的属性数据表进行设计，并规定空间数据和属性数据的连接模式。

2)空间数据逻辑设计

空间数据逻辑设计包括空间数据的组织和空间数据逻辑数据结构设计两部分。

(1)空间数据的组织。通常将一幅图或几幅图的范围当做一个工作单元或工作区(workspace)。在这个工作区范围内，包含了所有各层的空间数据，各地物层包含相应的地理实体要素。如图1-7所示。

图1-7　图形数据的组织

从物理上讲，每个工作区或图层形成一个独立的工作单元，这在数据采集和处理时是非常必要的。但在逻辑上，一个地区或一个城市应该形成一个整体，即当做一个工程看待，用户可以在工程内任意进行开窗、放大、漫游、查询、分析和制图等操作。这样，涉及多个工作区的数据组织，称为图库管理。图库管理一般是建立图幅索引，如图1-8所示。通过一个记录每个工作区范围的空间索引文件，就可以建立工程与工作区的关系。建立了这样的索引文件以后，用户可以在工程界面下，随意进入某一个或某几个工作区进行操作。

图1-8　工作区索引(据龚健雅)

(2)空间数据逻辑数据结构设计。空间数据逻辑数据结构是指描述地理实体的数据本身的组织方法，是适合于计算机系统存储、管理和处理的地学图形的逻辑结构，是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。

空间数据结构基本上可分为两大类:矢量结构和栅格结构。两类结构都可用来描述地理实体的点、线、面三种基本类型。在矢量结构中，现实世界的要素位置和范围可以采用点、线或面表达，与它们在地图上表示相似，每一个实体的位置是用它在坐标参考系统中的空间位置(坐标)来定义的。地图空间中的每一个位置都有惟一的坐标值。点、线和多边形用于表达不规则的地理实体在现实世界的状态。矢量结构中的空间实体与要表达的现实世界中的空间实体具有一定的对应关系。在栅格结构中，空间被规则地划分为栅格(通常为正方形)。地理实体的位置和状态是用它们占据的栅格的行、列来定义的。每个栅格的大小代表了定义的空间分辨率。由于位置是由栅格行列号定义的，所以特定的位置由距它最近的栅格记录决定。

栅格结构与矢量结构是两种截然不同的空间数据结构，栅格结构“属性明显、位置隐含”，而矢量结构“位置明显、属性隐含”。栅格数据结构简单，操作总的来说比较容易实现，易于与遥感影像相结合，缺点是数据量大;而矢量数据结构具有紧凑，冗余度低，有利于网络分析和检索分析，图形显示质量好、精度高等优点，但数据结构复杂，许多分析操作用矢量结构实现十分困难。对于一个LIS软件，较为理想的方案是采用两种数据结构，即栅格结构与矢量结构并存，对于提高土地信息系统的空间分辨率、数据压缩率和增强系统分析功能、保证输入输出的灵活性十分重要。当然，由于土地地籍信息的精确空间定位，具有法律效应的特性，在LIS建设中，涉及地籍信息的空间数据组织宜采用矢量结构。

4.物理设计

数据库的物理设计指数据库存储结构和存储路径的设计，即将数据库的逻辑模型在实际的物理存储设备上加以实现，从而建立一个具有较好性能的物理数据库。该过程依赖于给定的计算机系统。在这一阶段，设计人员需要考虑数据库的存储问题，即所有数据在硬件设备上的存储方式，管理和存取数据的软件系统，数据库存储结构，以及数据在各个位置的分布方式等。

数据库物理设计主要解决以下三个问题:恰当地分配存储空间;决定数据的物理表示;确定存储结构。