陳俊明

（1.福建省基礎(chǔ)地理信息中心，福建 福州 350003）

Spatialite在移動端離線數(shù)據(jù)解決方案中的應(yīng)用研究

陳俊明1

（1.福建省基礎(chǔ)地理信息中心，福建 福州 350003）

簡要分析了移動終端數(shù)據(jù)調(diào)用的主要方式，尤其是離線數(shù)據(jù)的調(diào)用格式，重點(diǎn)介紹了Spatialite空間數(shù)據(jù)庫原理，探討了其應(yīng)用于離線空間數(shù)據(jù)查詢分析的可行性，最后根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)了基于Spatialite空間數(shù)據(jù)庫的離線數(shù)據(jù)查詢分析與管理。

Spatialite；移動GIS；離線數(shù)據(jù)

1 移動客戶端空間數(shù)據(jù)的加載

目前，移動客戶端加載空間數(shù)據(jù)有在線和離線2種調(diào)用方式。在線的數(shù)據(jù)調(diào)用方式實質(zhì)是訪問已發(fā)布的各種地圖服務(wù)，不僅可以實現(xiàn)基本的地圖瀏覽操作與屬性查詢功能，還能滿足用戶對空間分析與幾何運(yùn)算的功能需求，但也存在一定的局限性：第一，用戶并不一定始終處于有網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中；第二，復(fù)雜的空間分析與幾何運(yùn)算需要頻繁地與服務(wù)器進(jìn)行交互，數(shù)據(jù)吞吐量大，對網(wǎng)絡(luò)帶寬要求高。因此，在無法保證網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)帶寬的情況下，離線數(shù)據(jù)調(diào)用方式在實際應(yīng)用中的需求是較為普遍的。

離線地圖數(shù)據(jù)存儲格式主要有4種：json文本、Shapefile、Spatialite以及地圖緩存（*.bundle/*.tpk）[1]，均可較好地支持對離線數(shù)據(jù)的加載與瀏覽。但是，json文本需要預(yù)先加載在線服務(wù)下載獲取；Shapefile數(shù)據(jù)獲取方便，但其本身并不提供對離線數(shù)據(jù)的查詢分析接口，且文件類型太多，不利于數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理；地圖緩存（*.Bundle/*.tpk）則因數(shù)據(jù)量太大，拷貝或攜帶都相對不方便，同樣不支持對數(shù)據(jù)的查詢與分析。作為開源的輕量級空間數(shù)據(jù)庫，Spatialite支持SQL語句對幾何類型字段的操作，因此，本研究結(jié)合實際項目需求，在了解和掌握Spatialite空間數(shù)據(jù)庫原理的基礎(chǔ)上，探索研究在移動客戶端實現(xiàn)離線數(shù)據(jù)查詢分析的技術(shù)可行性。

2 Spatialite空間數(shù)據(jù)庫原理

2.1 Spatialite數(shù)據(jù)庫簡介

Spatialite空間數(shù)據(jù)庫是一個簡單、實用的輕量級空間數(shù)據(jù)庫，支持跨平臺空間數(shù)據(jù)操作[2]。按照OGC標(biāo)準(zhǔn)存取空間數(shù)據(jù)，支持以ESRI Shapefile、dbf、txt/ csv文本以及*.xls表格等作為數(shù)據(jù)源，不僅支持對一般屬性表的查詢操作，而且提供了豐富的SQL擴(kuò)展函數(shù)，用以支持SQL語句操作幾何類型字段，包括各種空間查詢與分析操作。李玲等將Spatialite空間數(shù)據(jù)庫嵌入GPS/PDA的GIS外業(yè)土地調(diào)查系統(tǒng)中，實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的集中管理[3]。同時，作為一個開源類庫，它也提供了豐富的跨平臺二次開發(fā)接口，用戶可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深層次的GIS應(yīng)用開發(fā)。其主要依賴于GNU iconv、Geos、PROJ．4以及FreeXL等開源類庫，其中，Geos與PROJ．4提供了操作幾何對象以及坐標(biāo)重投影的函數(shù)接口。唐群等利用開源數(shù)據(jù)庫Spatialite的空間分析功能和AutoCAD的二次開發(fā)語言O(shè)bjectARX．Net對dwg格式的宗地數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并實現(xiàn)入庫管理[4]。

2.2 Spatialite空間數(shù)據(jù)庫管理

為了高效地管理、查詢與分析矢量空間數(shù)據(jù)，Spatialite采用了元數(shù)據(jù)與空間索引機(jī)制。Spatialite空間數(shù)據(jù)庫以*.sqlite/*.db格式的單文件形式存在，易于攜帶或拷貝，適用于不同的操作系統(tǒng)或平臺環(huán)境。入庫后的矢量數(shù)據(jù)表現(xiàn)為一般的屬性表，通過Geometry字段來統(tǒng)一管理空間數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)的基本描述信息則存儲于Spatialite空間元數(shù)據(jù)表中（geometry_columns表、spatial_ref_sys表[3]），包括空間數(shù)據(jù)的表名、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空間數(shù)據(jù)庫提供了豐富的SQL擴(kuò)展函數(shù)，以支持SQL語句操作幾何類型字段，實現(xiàn)對離線空間數(shù)據(jù)的查詢與分析操作，包括Buffer、Intersect、Union等。為了加快數(shù)據(jù)庫的訪問速度，Spatialite通過R-tree索引機(jī)制來提高空間查詢與空間分析的速度[3]。R-tree是一種空間索引數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是B-tree向多維空間發(fā)展的另一種形式，它將空間對象按范圍劃分，每個節(jié)點(diǎn)都對應(yīng)一個區(qū)域和一個磁盤頁，葉節(jié)點(diǎn)的磁盤頁中存儲其區(qū)域范圍內(nèi)所有空間對象的外接矩形[5]。Spatialite矢量數(shù)據(jù)的R-tree索引實質(zhì)上就是該圖層內(nèi)所有幾何對象的分層MBR索引，建立R-tree索引時，每個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)所有子節(jié)點(diǎn)的最小外接矩形(MBR)嵌套組成[3]。Spatialite提供了2種方式：①采用SQL語句建立索引；②采用擴(kuò)展SQL函數(shù)Create SpatialIndex創(chuàng)建索引。為了保證空間索引與數(shù)據(jù)庫的一致性，在完成對空間數(shù)據(jù)庫Insert/Update/Delete等操作后，需要及時同步更新R-tree索引。

3 基于Spatialite的離線數(shù)據(jù)查詢與分析

本研究在了解掌握Spatialite空間數(shù)據(jù)庫原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際應(yīng)用中調(diào)用離線數(shù)據(jù)的具體業(yè)務(wù)需求，尤其是離線數(shù)據(jù)的查詢與分析，基于Spatialite空間數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)一管理移動客戶端的離線矢量數(shù)據(jù)，以XCode4．6．1為開發(fā)平臺，采用Objective-c開發(fā)語言重構(gòu)Spatialite API，并搭建業(yè)務(wù)邏輯層框架，實現(xiàn)對離線數(shù)據(jù)瀏覽、查詢分析等，具體技術(shù)流程如圖1。

3.1 Spatialite空間數(shù)據(jù)庫建庫管理

圖 1 技術(shù)流程圖

Spatialite空間數(shù)據(jù)庫支持*.shp、*.xls、*.txt、*.dbf、*.csv等格式的表格文件作為數(shù)據(jù)源，創(chuàng)建或?qū)牒蟮臄?shù)據(jù)以table形式存在。Spatialite提供2種方式用以操作數(shù)據(jù)庫，包括可視化界面操作（Spatialite GUI）與命令行方式。

1）Spatialite GUI是一款具有可視化界面的Spatialite數(shù)據(jù)庫管理工具，主要是通過SQLite DBMS引擎，能夠支持幾何字段操作的擴(kuò)展SQL函數(shù)、虛擬shape、虛擬文本、虛擬網(wǎng)絡(luò)以及R-tree和Mbrcache來組織和管理空間數(shù)據(jù)[6]。通過Spatialite GUI可以創(chuàng)建一個后綴名為sqlite或db的Spatialite數(shù)據(jù)庫文件，并通過“Load Shapefile”或“Virual Shapefile”導(dǎo)入shape矢量數(shù)據(jù)。操作過程中需要注意編碼類型的選擇，錯誤的編碼類型易導(dǎo)致中文字段亂碼，同時還要保證SRID對應(yīng)的空間參考系統(tǒng)與矢量圖層一致，其空間數(shù)據(jù)存儲在Geometry字段中，最后需要對入庫后的空間數(shù)據(jù)建立R-tree索引。

2）命令行的操作流程主要包括3個步驟：①利用spatialite_init(0)初始化數(shù)據(jù)庫；②sqlite3_open()函數(shù)可以打開或創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，對于指定的數(shù)據(jù)庫路徑，若存在，則直接打開，否則創(chuàng)建并打開數(shù)據(jù)庫；③利用sqlite3_exec()執(zhí)行SQL語句，完成對表的各種操作[7]。

Spatialite空間數(shù)據(jù)庫不僅支持對非空間數(shù)據(jù)表的創(chuàng)建、查詢、刪除、更新等操作，同時，還提供了豐富的SQL擴(kuò)展函數(shù)，用以支持對空間數(shù)據(jù)表的空間查詢與空間分析。幾何對象的空間查詢主要有2種方式：①查詢2個幾何對象的真實空間位置關(guān)系；②查詢2個幾何對象的最小外接矩形的空間位置關(guān)系，即近似空間位置關(guān)系。

由于第2種方式的查詢結(jié)果無法代表幾何對象之間的真實空間關(guān)系，因此，本研究采用第1種方式?？蓸?gòu)造SQL語句：“select * from table name where intersects(geom1 Geometry,geom2 Geometry)”，完成對空間數(shù)據(jù)的空間查詢與分析，其中intersects為擴(kuò)展的SQL函數(shù)，可利用sqlite3_prepare()執(zhí)行上述語句，并將查詢到的結(jié)果保存到sqlite3_stmt對象中。最后，利用sqlite3_step(stmt)命令可依次取出結(jié)果集中的每條記錄，以供進(jìn)一步的顯示分析操作。

3.2 Spatialite API重構(gòu)與應(yīng)用開發(fā)

本研究以XCode4．6．1為開發(fā)平臺，采用Objective-c開發(fā)語言，集成GNU iconv、Geos、PROJ．4以及FreeXL等開源類庫，對Spatialite API進(jìn)行重構(gòu)、重編譯，并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實際業(yè)務(wù)功能需求，進(jìn)行二次API設(shè)計與封裝，包括查詢分析、圖層管理與配置（包括字段）以及系統(tǒng)管理等API接口與數(shù)據(jù)對象（圖2）。最后利用二次封裝的API接口，設(shè)計并實現(xiàn)了綜合查詢、POI查詢、圖層管理（包括書簽、字段以及Shapefile的管理與配置）、地圖標(biāo)繪以及系統(tǒng)管理等，并重點(diǎn)解決了離線矢量數(shù)據(jù)的查詢與分析，實現(xiàn)了在IPAD端對離線矢量數(shù)據(jù)的點(diǎn)擊查詢（Identify）與緩沖區(qū)分析以及結(jié)果展示，如圖3、圖4。

圖2 業(yè)務(wù)邏輯框架接口

圖3 綜合查詢

4 結(jié) 語

本文簡要介紹了當(dāng)前移動客戶端調(diào)用空間數(shù)據(jù)的2種主要方式，并在了解掌握Spatialite空間數(shù)據(jù)庫原理的基礎(chǔ)上，提出了基于Spatialite解決移動客戶端無法對離線地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢分析操作的局限性。主要介紹了Spatialite GUI與命令行2種方式統(tǒng)一管理離線矢量數(shù)據(jù)，并基于原生的Spatialite API，進(jìn)行重構(gòu)、重編譯，生成靜態(tài)庫，根據(jù)實際項目中的功能需求，基于該靜態(tài)庫進(jìn)行二次API接口設(shè)計與封裝，搭建數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)邏輯層框架，實現(xiàn)了地圖瀏覽、書簽管理、地圖標(biāo)繪、快速定位、地圖管理、綜合查詢以及空間查詢等功能，解決了在移動客戶端無法對離線矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間查詢與空間分析操作的局限性。下一步的研究重點(diǎn)是進(jìn)一步優(yōu)化離線矢量數(shù)據(jù)的繪制與查詢分析效率。

圖4 空間查詢分析

[1] 百度文庫．ArcGIS移動客戶端離線底圖的幾種解決方案[EB/ OL]．http:// wenku．baidu．com /view/b265102eed630b1c59 eeb594．html,2014-05-16

[2] Wikipedia． SpatiaLite [EB/OL]．http://en．wikipedia．org/wiki/ SpatiaLite,2014-05-18

[3] 李玲,王慶,王慧青．基于Spatialite輕量級空間數(shù)據(jù)庫的GIS數(shù)據(jù)管理[J]．地理信息世界, 2010,8(4):71-75

[4] 唐群,韋源生,勞景寮．利用Spatialite數(shù)據(jù)庫處理宗地數(shù)據(jù)及GIS入庫實現(xiàn)[J]．桂林理工大學(xué)學(xué)報,2013,33(1):90-94

[5] 百度文庫．R-tree [EB/OL]．http://baike．baidu．com/view/5086047．htm?fr=aladdin, 2014-05-18

[6] OSGeo-Live．SpatiaLite快速入門 [EB/OL]．http://live．osgeo．org/zh/quickstart/spatialite_ quickstart．html,2014-05-20

[7] GDAL．SQLite/Spatialite RDBMS [EB/OL]．http://www．gdal．org/drv_sqlite．html,2014-05-20

P208

B

1672-4623（2015）02-0068-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.025

陳俊明，碩士，研究方向為空間數(shù)據(jù)庫管理。

2014-09-18。

項目來源：福建省科技廳產(chǎn)學(xué)研資助項目（2012Y4001）；福建省測繪地理信息局局校合作資助項目（2013S17）；福建省測繪地理信息局2013～2014年科技基金資助項目。