劉小飛，關 昆，于海波，馮 濤

(天津市測繪院，天津 300381)

多源多目標空間數(shù)據(jù)庫的一體化集成與管理技術研究

劉小飛，關 昆，于海波，馮 濤

(天津市測繪院，天津 300381)

在目前的地理信息工程項目中，地理空間數(shù)據(jù)庫獲得了越來越多的應用。隨著需求的多樣化，企業(yè)級空間數(shù)據(jù)庫、開源空間數(shù)據(jù)庫、移動端空間數(shù)據(jù)庫等多種類型的存儲方式在各個項目中不斷出現(xiàn)。本文通過建立多源多目標地理空間數(shù)據(jù)庫的管理體系，整合多類數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的存儲和管理，建立了多源的統(tǒng)一集成應用平臺，為GIS工程項目的有效開展提供支撐。

地理空間數(shù)據(jù)庫；Spatial API；數(shù)據(jù)集成；WPF框架；地理信息工程

一、引 言

地理空間數(shù)據(jù)庫是用來表示地理空間實體的坐標位置及其他屬性等信息的數(shù)據(jù)庫，可以為各類空間數(shù)據(jù)提供標準格式、存儲方法和有效的管理，能方便快速地進行檢索和分析。目前多數(shù)商業(yè)或開源的數(shù)據(jù)庫軟件具有空間數(shù)據(jù)支持的擴展，可以按照OGC標準對空間數(shù)據(jù)進行存儲和查詢，如Oracle Spatial、SQL Server Spatial、IBM DB2 Spatial、PostGIS、MySQL Spatial、Spatialite等。

目前，許多地理信息工程項目使用的通常是單一的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，而地理信息不同的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品之間有許多方面的不統(tǒng)一。不同的空間數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品由于各自采用不同的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結構，導致不同的系統(tǒng)彼此相對封閉、系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換困難。因此，有必要實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫之間的有效共享、存儲和管理，建立一個可以進行集成整合的平臺。

同時，由于獲得空間數(shù)據(jù)的途徑很多，數(shù)據(jù)來源和格式比較復雜，在實際應用中，往往需要利用不同來源的數(shù)據(jù)，這就存在數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的工作。因此，也需要建立一個GIS集成平臺來滿足不同格式數(shù)據(jù)的直接入庫要求。

本文通過分析多源、多目標空間數(shù)據(jù)庫的一體化整合方法和技術路線，設計可為各類地理信息工程使用的數(shù)據(jù)庫存儲應用平臺，探索一條便于GIS項目開展的解決之路。通過建立統(tǒng)一的多源、多目標地理空間數(shù)據(jù)庫管理和集成應用平臺，實現(xiàn)一體化的管理和應用體系，為地理信息工程項目的數(shù)據(jù)融合、共享和管理提供服務，兼容多種數(shù)據(jù)格式的出入庫，提供常用的數(shù)據(jù)處理功能，實現(xiàn)獨立部署，脫離第三方環(huán)境的軟件應用，方便不同GIS工程中多種數(shù)據(jù)格式的入庫管理，滿足不同用戶對空間數(shù)據(jù)庫的使用需求。

二、關鍵技術

1.多目標Spatial數(shù)據(jù)庫開發(fā)模型

多目標空間數(shù)據(jù)庫開發(fā)，即滿足不同種類的空間數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的開發(fā)，支持對不同的Spatial數(shù)據(jù)庫的入庫、存儲等操作。這項工作是平臺的核心內(nèi)容，本文在各類數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的Spatial API的基礎上實現(xiàn)了在統(tǒng)一平臺上的空間數(shù)據(jù)的存儲、編輯、輸出等操作。Spatial數(shù)據(jù)庫開發(fā)路線如圖1所示。

圖1 Spatial數(shù)據(jù)庫平臺開發(fā)路線

平臺在.NET環(huán)境下實現(xiàn)，因此，需要應用各類數(shù)據(jù)庫基于.NET Framework的支持驅(qū)動，并整合在統(tǒng)一的平臺下，包括：

1)Oracle Spatial：Oracle.DataAccess.dll；

2)SQL Server Spatial：Microsoft.Sqlserver.Types. dll；

3)PostGIS：Npgsql.dll；

4)MySQL：MySql.Data.dll；

5)Spatialite：System.Data.SQLite.dll。

2.多源地理數(shù)據(jù)的集成

針對GIS工程中常見的矢量數(shù)據(jù)，本文在分析各自數(shù)據(jù)結構的基礎上給出了集成方法，包括如下幾類。

(1)Esri ShapeFile(SHP)格式的數(shù)據(jù)存儲

SHP矢量數(shù)據(jù)格式是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所公司(Esri)開發(fā)的一種空間數(shù)據(jù)開放格式，該文件格式已經(jīng)成為了地理信息軟件界的一個開放標準。本文采用開源地理信息框架SharpMap來實現(xiàn)SHP文件的讀寫功能。

(2)AutoCAD DWG格式的數(shù)據(jù)存儲

AutoCAD DWG格式的圖形文件是一種二進制文件，格式不公開，普通用戶無法直接讀取其內(nèi)容。本文引入了開放設計協(xié)會(Open Design Alliance)設計的DWGDirect類庫，它提供了一套API直接訪問DWG文件的函數(shù)庫(OpenDWG)，軟件開發(fā)人員可以借以開發(fā)應用程序，使系統(tǒng)能夠獨立于AutoCAD平臺之外訪問DWG文件中的數(shù)據(jù)信息，它的核心機制在于將DWG文件中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為用戶自身定義的數(shù)據(jù)結構進行表達的信息模型。

(3)DXF格式的數(shù)據(jù)存儲

DXF為AutoCAD數(shù)據(jù)交換文件，是一種開放的矢量格式，應用.NET讀取文本格式的文件流方法可以直接讀取地理數(shù)據(jù)的空間坐標等信息。

(4)KML格式的數(shù)據(jù)存儲

KML是一種基于XML語法與格式的、用于描述和保存地理信息(如點、線、圖像、多邊形和模型等)的編碼規(guī)范，可以被Google Earth和Google Maps識別并顯示。KML文件本身為文本格式，同樣可以在.NET環(huán)境下采用文件流直接讀取數(shù)據(jù)的坐標信息。

由于平臺設計為脫離第三方環(huán)境的獨立應用模式，因此使用開源GIS類庫SharpMap、DWGDirect來實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫功能是合適的，它避免了平臺應用過程中的環(huán)境依賴性。

3.基于WPF框架的GIS平臺開發(fā)

平臺利用基于WPF框架的GIS平臺進行開發(fā)。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，真正做到了分離界面設計人員與開發(fā)人員的工作。WPF在多媒體交互、二三維矢量圖形、圖像流界面上具有強大的優(yōu)勢，因此，利用WPF框架實現(xiàn)多目標空間數(shù)據(jù)庫的一體化應用開發(fā)是非常合適的，平臺基于WPF的開發(fā)內(nèi)容包括兩個方面：

1)WPF和Esri API的結合。Esri WPF API是構建在.NET Framework中的輕量級應用，平臺采用Esri API在桌面應用中進行地理信息繪圖、地理處理等功能，并且利用Map控件在WPF環(huán)境下加載REST地圖服務。

2)WPF和空間數(shù)據(jù)庫的結合。WPF本質(zhì)屬于桌面應用程序，因此可以方便地訪問局域網(wǎng)內(nèi)的空間數(shù)據(jù)庫，應用.NET接口進行數(shù)據(jù)庫的開發(fā)。

三、一體化集成平臺設計

1.平臺總體設計

平臺實現(xiàn)了對多數(shù)據(jù)格式來源、多目標數(shù)據(jù)庫方式的矢量數(shù)據(jù)管理與應用，體系結構如圖2所示。

圖2 一體化數(shù)據(jù)庫平臺體系結構

2.地圖服務加載與顯示

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地圖的支撐，本文采用REST地圖服務作為矢量數(shù)據(jù)管理的基礎底圖?；贓sri API的自適應性，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，都可以加載到平臺中使用。本文采用自定義的切片地圖REST服務作為基礎底圖，通過構建類ArcGISTiledMapServiceLayer的URL地址加載基礎底圖。

3.矢量數(shù)據(jù)入庫

矢量數(shù)據(jù)入庫功能為各類矢量數(shù)據(jù)提供了向各數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的入庫途徑，不同于普通的GIS項目中的入庫流程，它是一個多對多的入庫模式，即數(shù)據(jù)源和入庫目標均為多種類型。平臺中主要應用各數(shù)據(jù)庫的.NET API來完成，在對數(shù)據(jù)進行讀取和分析的基礎上，調(diào)用SQL語句完成數(shù)據(jù)的Insert、Update等操作，流程如圖3所示。

圖3 矢量數(shù)據(jù)入庫流程

4.矢量數(shù)據(jù)輸出

矢量數(shù)據(jù)輸出功能為數(shù)據(jù)向不同格式的導出提供解決方案，同樣應用.NET API，利用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

5.矢量數(shù)據(jù)加載與編輯

矢量數(shù)據(jù)的加載與編輯在WPF框架內(nèi)借助地圖服務來完成，具體包括：數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)保存。

(1)數(shù)據(jù)讀取

通過各類數(shù)據(jù)庫的空間API來實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取，查找空間圖層的坐標信息

(2)數(shù)據(jù)顯示

應用Esri WPF API完成，將查詢到的坐標信息構建為 Esri API中的 Geometry類型，再通過構建Graphic類，指定Graphic對象的空間位置為構建的Geometry來實現(xiàn)：

(3)數(shù)據(jù)編輯

應用Esri WPF API來實現(xiàn)，利用EditGeometry類實現(xiàn)Map空間的Graphic編輯，包括對點(Map-Point)、線(Polyline)、面(Polygon)的節(jié)點編輯。

(4)數(shù)據(jù)保存

利用數(shù)據(jù)庫API調(diào)用SQL語句實現(xiàn)數(shù)據(jù)保存，語法如下：

Update table Set Geometry＝ST_GeomFromText(’POINT (117.5623574，39.32894523)，4326)

矢量數(shù)據(jù)編輯如圖5所示。

圖5 矢量數(shù)據(jù)編輯

四、應用與總結

多源多目標空間數(shù)據(jù)庫的一體化集成管理平臺主要為各類地理信息工程的數(shù)據(jù)組織和入庫服務，提供地理信息基礎數(shù)據(jù)庫的建庫輔助工作。它最主要的功能是提供了針對多數(shù)據(jù)源、多目標產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫的讀取和入庫支持，因此，可以靈活地根據(jù)需要為不同的GIS項目提供支持。

企業(yè)級 GIS應用的數(shù)據(jù)庫種類較多，包括如Oracle、SQL Server、IBM DB2、PostgreSQL、MySQL等，不同的GIS應用對數(shù)據(jù)庫的需求不盡相同。以天津市測繪院為例，天津市地理信息公共服務平臺的建設采用了SQL Server數(shù)據(jù)庫，“天地圖·天津”采用了Oracle數(shù)據(jù)庫，其他眾多的地理信息項目也應用了較多種類的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品；同時由于在地理信息項目的建設初期，所收集的數(shù)據(jù)源千差萬別，包括SHP、CAD等格式的數(shù)據(jù)，頻繁的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換也占用了GIS項目建設較多的時間成本。本文所給出的一體化集成應用平臺較大限度地改善了現(xiàn)有的局面，為不同的GIS應用提供了方便的數(shù)據(jù)庫支持。

此外，平臺提供的數(shù)據(jù)編輯功能，可以方便地對Spatial數(shù)據(jù)庫進行直接編輯，為GIS后臺管理人員提供了便利。

在移動端數(shù)據(jù)庫的應用方面，目前的移動端GIS應用所采用的數(shù)據(jù)庫多為 Spatialite數(shù)據(jù)庫，Spatialite是在移動端數(shù)據(jù)庫SQLite的基礎上增加了對空間數(shù)據(jù)的支持，按照OGC標準，提供了對空間字段的存儲和查詢功能。

應用一體化集成應用平臺可以方便地進行基礎矢量數(shù)據(jù)的入庫和編輯操作，由于Spatialite數(shù)據(jù)庫靈活的移植性，在移動端GIS開發(fā)的過程中起到了很方便的作用。

本文通過對多源多目標產(chǎn)品的空間數(shù)據(jù)庫的應用目標、關鍵技術的分析，設計開發(fā)了數(shù)據(jù)庫的一體化集成管理平臺，提供給各類地理信息工程進行矢量數(shù)據(jù)的入庫、存儲、輸出、編輯等功能；并采用SharpMap、DWGDirect等開源框架進行各類數(shù)據(jù)的讀寫操作，方便了對不同數(shù)據(jù)來源的管理。平臺基于WPF框架設計，是一個獨立、免插件環(huán)境的獨立應用，為多來源、多目標產(chǎn)品的數(shù)據(jù)庫建庫工作在地理信息工程中的應用提供了一個良好的解決方案。

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Research of Integration and Management of Multi-source Multi-target Geospatial Database

LIU Xiaofei，GUAN Kun，YU Haibo，F(xiàn)ENG Tao

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10.13474/j. cnki.11-2246.2014.0408

2013-11-04

2013年度天津市測繪院科技項目(Y-2013-04)

劉小飛(1983—)，女，湖南漣源人，碩士，工程師，從事GIS開發(fā)與數(shù)據(jù)處理工作。