關(guān)昆，馬駿，楊曉峰，肖康

(天津市測繪院，天津 300381)

1 引言

SQLite是一種基于文件的輕型數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，主要用于嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。Spatialite是輕量級數(shù)據(jù)庫SQLite具有空間數(shù)據(jù)支持?jǐn)U展的產(chǎn)品，可以按照OGC標(biāo)準(zhǔn)存取空間數(shù)據(jù)。它在目前很多移動端地理信息工程項目中取得了廣泛的應(yīng)用，成為近年來GIS領(lǐng)域的研究熱點之一，在可移植性、輕量級、數(shù)據(jù)處理速度等方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢，在普通WebGIS以及桌面應(yīng)用中也具有廣泛的市場前景。

除此之外，Spatialite能夠跟很多程序語言相結(jié)合，比如C#、PHP、Java等，并具有ODBC開發(fā)接口?；谏鲜鍪褂脙?yōu)勢，本文開發(fā)了基于Spatialite的數(shù)據(jù)庫管理與應(yīng)用系統(tǒng)，通過對數(shù)據(jù)庫API的調(diào)用，實現(xiàn)了矢量數(shù)據(jù)的入庫、輸出、編輯、管理等功能，滿足輕量級GIS應(yīng)用中對空間數(shù)據(jù)庫的需求。

2 Spatialite空間數(shù)據(jù)庫存儲模型

2.1 Spatialite空間存儲機(jī)制

Spatialite是一種基于文件的嵌入式數(shù)據(jù)庫，它的存儲方式只是一個文件，無需配置和安裝，在運(yùn)行速度和遷移性方面有著巨大的使用優(yōu)勢。它占用的資源非常低，被廣泛應(yīng)用在平板電腦、手機(jī)客戶端等輕量級GIS應(yīng)用中。

對于空間坐標(biāo)信息的存儲，Spatialite采用專門的表示地理坐標(biāo)信息的空間字段實現(xiàn)，它包括采用平面直角坐標(biāo)系的Geometry數(shù)據(jù)類型和采用地理坐標(biāo)系的Geography數(shù)據(jù)類型。前者以平面坐標(biāo)XY表示，后者以經(jīng)緯度表示。

根據(jù)空間實體的不同，Spatialite支持若干空間數(shù)據(jù)類型:點(Point)、線(LineString)、面(Polygon)、點集合(MultiPoint)、線集合(MultiLineString)、面集合(Multi-Polygon)等，這幾種不同類型的空間實體記錄構(gòu)成了復(fù)雜的空間信息數(shù)據(jù)。每一條空間記錄根據(jù)空間引用標(biāo)識(SRID)來對應(yīng)其基于特定橢圓體的空間引用系統(tǒng)。

Spatialite采用元數(shù)據(jù)機(jī)制來更加高效地檢索和管理地理空間數(shù)據(jù)。它的元數(shù)據(jù)表存儲了空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表名、空間字段名、空間實體的幾何類型，坐標(biāo)維數(shù)以及坐標(biāo)參考信息等。Spatialite空間元數(shù)據(jù)由geometry_column和spatial_ref_sys兩組表來實現(xiàn)。

2.2 Spatialite的空間索引

空間索引是支持空間擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是快速高效查詢、檢索和顯示地理空間數(shù)據(jù)的重要指標(biāo)。其中比較常見的空間索引為網(wǎng)格空間索引、四叉樹空間索引和R樹(R－Tree)索引。目前主流的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品多采用上述三類空間索引。

Spatialite通常采用R－Tree空間索引機(jī)制來提高空間檢索和數(shù)據(jù)分析的速度，用戶可以為不同的空間數(shù)據(jù)類型建立索引。建立索引時，R－Tree的每個節(jié)點包含一個矩形區(qū)域的索引碼，該矩形區(qū)域由對應(yīng)節(jié)點的所有子節(jié)點的最小包含矩形嵌套組成，因此，將要查詢的幾何圖形用最小邊界矩形來表示，便可以確定集合圖形的空間范圍。建立R－Tree索引可采用SQL擴(kuò)展函數(shù)實現(xiàn):

CreateSpatialIndex(TableName，ColumnName);

2.3 Spatialite的空間擴(kuò)展SQL

Spatialite提供了一系列內(nèi)置的空間擴(kuò)展SQL函數(shù)來對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

(1)數(shù)據(jù)查詢

Spatialite的Geometry字段默認(rèn)以二進(jìn)制的方式存儲，它包含兩種表述空間對象的標(biāo)準(zhǔn)方式:一個是WKT(the Well－Known Text)形式，另一個是 WKB(the Well－Known Binary)形式，該兩種方式是OGC制定的空間數(shù)據(jù)的組織規(guī)范，WKB以二進(jìn)制形式描述，WKT以文本形式描述，這兩種形式都包括對象的類型信息和形成對象的坐標(biāo)信息。

在Spatialite數(shù)據(jù)庫中，可按照WKT格式展示空間數(shù)據(jù):

Select AsText(GeometryColumn_Name)from TableName;

返回結(jié)果為對象的坐標(biāo)信息，包括POINT、LINESTRING、POLYGON類型的坐標(biāo)值。

(2)數(shù)據(jù)編輯

Spatialite同樣采用符合OGC標(biāo)準(zhǔn)的基本SQL函數(shù)來對空間信息進(jìn)行插入與編輯。

可通過GeomFromWKB將WKB格式的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可插入Geometry字段的信息;通過GeomFrom-Text將文本格式的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可插入Geometry字段的信息，插入到數(shù)據(jù)庫中。如下語句在表 TableName中插入一條點記錄，坐標(biāo)為(118．2532，39．4783)，SRID為4326，即在WGS84坐標(biāo)系下插入一個點記錄。

Insert into TableName(ID，Geometry)values(1，GeomFrom-Text(‘POINT(118．2532，39．4783，4326)’);

對于空間記錄更新，同樣采用GeomFromText方法，不同的是將SQL語句Insert改為Update。

(3)空間分析

Spatialite提供了常用的空間分析和計算方法，包括計算空間對象之間的距離、緩沖區(qū)計算、求兩個對象之間的交點、計算長度、面積等等。方法包括Intersection、Distance、Area、Length 等?？梢詫⒖臻g分析計算方法與標(biāo)注SQL函數(shù)統(tǒng)一使用，可以提高空間數(shù)據(jù)庫的運(yùn)算效率。

3 Spatialite空間數(shù)據(jù)庫開發(fā)

3.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)在．Net環(huán)境下基于WPF框架實現(xiàn)，WPF是微軟基于．Net的新一代用戶界面框架，它提供了統(tǒng)一的編程模型、語言和框架，實現(xiàn)了分離界面設(shè)計人員與開發(fā)人員的工作。WPF本質(zhì)屬于桌面應(yīng)用程序，可以方便地訪問和開發(fā)局域網(wǎng)內(nèi)的空間數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)應(yīng)用Esri WPF API實現(xiàn)基礎(chǔ)底圖的加載以及空間坐標(biāo)查詢結(jié)果的可視化加載，實現(xiàn)在系統(tǒng)中查看Spatialite空間表記錄信息的位置的目的。如圖1所示:

圖1 Spatialite空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)開發(fā)路線

本文通過引用針對SQLite及其空間擴(kuò)展的．Net Framework支持驅(qū)動，整合在統(tǒng)一的平臺下，所引用的動態(tài)庫包括:

(1)Spatialite:System．Data．SQLite．dll

(2)libspatialite－4．dll

對于SQLite通用的SQL語句開發(fā)功能，利用System．Data．SQLite庫來完成;而對于Spatialite空間擴(kuò)展SQL函數(shù)，需要利用libspatialite庫來完成。

基于．Net的Spatialite空間數(shù)據(jù)庫應(yīng)用與管理系統(tǒng)實現(xiàn)了針對空間數(shù)據(jù)庫的矢量數(shù)據(jù)入庫、存儲管理、數(shù)據(jù)瀏覽、編輯、輸出功能，具備常用的地理信息工程所需要的數(shù)據(jù)庫功能。通過對不同的矢量數(shù)據(jù)格式的讀取，具備了多種矢量數(shù)據(jù)來源的數(shù)據(jù)庫入庫功能。其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示:

圖2 數(shù)據(jù)庫管理應(yīng)用系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

3.2 空間數(shù)據(jù)存儲與輸出

系統(tǒng)的矢量數(shù)據(jù)入庫功能為Shapefile等各類矢量數(shù)據(jù)文件提供了向空間數(shù)據(jù)庫的入庫途徑，利用Spatialite空間擴(kuò)展SQL結(jié)合．Net API來完成，通過對不同格式的空間數(shù)據(jù)文件進(jìn)行讀取和分析的，調(diào)用SQlite SQL語句完成數(shù)據(jù)的插入、編輯等操作，流程如圖3所示:

圖3 矢量數(shù)據(jù)入庫流程

矢量數(shù)據(jù)輸出功能能夠?qū)崿F(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫中的表導(dǎo)出為所需要的矢量數(shù)據(jù)文件，應(yīng)用．Net API，結(jié)合SQlite SQL語句查詢所要輸出的記錄，再通過地理數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、寫入方法來完成數(shù)據(jù)輸出流程。對于SHP格式的文件寫入，通過 SharpMap類庫來實現(xiàn);對于DWG格式的文件寫入，通過DWGDirect類庫來實現(xiàn);對于DXF和KML等文本格式的文件寫入，直接通過．Net類System．IO來實現(xiàn)。流程如圖4所示:

圖4 矢量數(shù)據(jù)輸出流程

3.3 數(shù)據(jù)可視化管理

平臺對于矢量數(shù)據(jù)的瀏覽顯示、編輯等操作，需要有基礎(chǔ)地圖的支撐。本文采用REST地圖服務(wù)作為矢量數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)底圖，基于Esri API的自適應(yīng)性，REST地圖來源可以有多種，無論是動態(tài)地圖還是瓦片式地圖，都可以加載到平臺來使用。本文采用自定義的切片地圖REST服務(wù)作為基礎(chǔ)底圖的使用。

對于空間坐標(biāo)的讀取結(jié)果，系統(tǒng)同樣采用Esri WPF API的 Graphic類來實現(xiàn)，通過構(gòu)建并指定Graphic的Geometry對象，將符號繪制在GraphicsLayer圖層，實現(xiàn)所讀取的點、線、面坐標(biāo)的顯示。

3.4 數(shù)據(jù)編輯

數(shù)據(jù)的編輯與管理模塊包括幾個部分:數(shù)據(jù)讀取(Select)操作、數(shù)據(jù)更新(Update)操作、數(shù)據(jù)新增(Insert)操作。應(yīng)用SQLite通用SQL語句，結(jié)合Spatialite空間擴(kuò)展SQL函數(shù)，實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的讀取以及增刪改操作。

在WPF環(huán)境下基于．Net框架，采用C#語言進(jìn)行數(shù)據(jù)庫開發(fā)示例如下:

(1)數(shù)據(jù)更新(Update)操作:

(2)數(shù)據(jù)新增(Insert)操作:

3.5 空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的應(yīng)用

空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)提供給使用Spatialite的GIS工程使用，它提供了將Shp、DWG等矢量數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫的功能，為GIS項目提供了數(shù)據(jù)建庫的基礎(chǔ)準(zhǔn)備，并且可以進(jìn)行常用的數(shù)據(jù)可視化管理、編輯和導(dǎo)出操作，為后臺數(shù)據(jù)庫的管理提供便利。

Spatialite空間數(shù)據(jù)庫管理應(yīng)用系統(tǒng)如圖5所示:

圖5 Spatialite空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

4 結(jié)語

本文介紹了Spatialite空間數(shù)據(jù)庫的特性，闡述了它的空間存儲機(jī)制、空間索引以及空間擴(kuò)展SQL函數(shù)方法，并結(jié)合SQLite通用SQL開發(fā)以及Spatialite空間擴(kuò)展SQL函數(shù)，引用相應(yīng)的動態(tài)庫，開發(fā)了輕量級Spatialite空間數(shù)據(jù)庫的管理應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于微軟WPF框架設(shè)計，是一個脫離第三方插件的獨(dú)立應(yīng)用，能夠在移動端地理信息系統(tǒng)、輕量級地理信息應(yīng)用項目中發(fā)揮簡單實用的功能。隨著地理信息在多個行業(yè)載體中得到越來越多的推廣應(yīng)用，本文為輕量級的應(yīng)用領(lǐng)域提供了一個良好的解決方案。

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