吳秀蕓，王海江，梁寒冬

（1.寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315042）

輕量級(jí)空間數(shù)據(jù)引擎的應(yīng)用研究

吳秀蕓1，王海江1，梁寒冬1

（1.寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315042）

針對(duì)移動(dòng)終端存儲(chǔ)空間及計(jì)算能力有限的特點(diǎn)，提出一種輕量級(jí)空間數(shù)據(jù)引擎，通過(guò)采用先進(jìn)的空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、索引技術(shù)和查詢(xún)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的一體化管理及高效調(diào)度。將該引擎應(yīng)用于規(guī)劃、城建等領(lǐng)域，搭建了滿(mǎn)足其業(yè)務(wù)需求的移動(dòng)地圖服務(wù)平臺(tái)，改進(jìn)現(xiàn)有的工作和服務(wù)模式。

多源數(shù)據(jù)管理；空間數(shù)據(jù)檢索；輕量級(jí)空間數(shù)據(jù)引擎；移動(dòng)地圖平臺(tái)

移動(dòng)GIS在帶來(lái)眾多新的行業(yè)應(yīng)用模式的同時(shí)，也遭遇到技術(shù)瓶頸，一些問(wèn)題嚴(yán)重地制約著移動(dòng)GIS平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展。如在線數(shù)據(jù)調(diào)度響應(yīng)滯后，瀏覽及顯示不流暢；空間查詢(xún)不穩(wěn)定，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，數(shù)據(jù)更新不及時(shí)等。這主要是受網(wǎng)絡(luò)及移動(dòng)設(shè)備軟硬件條件的限制，很多傳統(tǒng)桌面GIS技術(shù)無(wú)法直接移植到移動(dòng)GIS產(chǎn)品中[1-3]。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)適合于智能移動(dòng)終端的輕量級(jí)空間數(shù)據(jù)引擎，研究完善的數(shù)據(jù)組織、管理及檢索機(jī)制，是提高移動(dòng)GIS服務(wù)能力的關(guān)鍵。

本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite的輕量級(jí)空間數(shù)據(jù)引擎，系統(tǒng)闡述適合于移動(dòng)終端設(shè)備的多源數(shù)據(jù)組織管理模式及空間數(shù)據(jù)檢索方法，并應(yīng)用于規(guī)劃、城建、招商等領(lǐng)域，搭建滿(mǎn)足其業(yè)務(wù)需求的移動(dòng)地圖服務(wù)平臺(tái)，提高空間信息服務(wù)水平。

1 輕量級(jí)空間數(shù)據(jù)引擎

1.1 多源空間數(shù)據(jù)組織管理

GIS以數(shù)據(jù)為本，而移動(dòng)終端往往難以攜帶大量的數(shù)據(jù)，雖然設(shè)備容量提升已經(jīng)極大增加了終端的性能和存儲(chǔ)空間，但仍然難以滿(mǎn)足對(duì)數(shù)據(jù)的需求[4]。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)由于受到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及服務(wù)器規(guī)模的限制，存在數(shù)據(jù)響應(yīng)慢、顯示不流暢等缺點(diǎn)[5]，因此研究多源離線數(shù)據(jù)的快速存儲(chǔ)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有機(jī)集成及快速響應(yīng)具有重要的意義。通過(guò)設(shè)計(jì)一種適合于移動(dòng)終端軟硬件環(huán)境的輕量級(jí)空間數(shù)據(jù)引擎，將各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化無(wú)縫集成、融合和管理，使得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)能夠直接交由移動(dòng)終端使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速響應(yīng)，并達(dá)到最佳的顯示效果及交互體驗(yàn)。

SQLite是一個(gè)嵌入式輕型SQL數(shù)據(jù)庫(kù)。與其他大多數(shù)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)不同，SQLite沒(méi)有獨(dú)立的服務(wù)進(jìn)程，占用資源非常低，只需要幾百K內(nèi)存，目前已經(jīng)用于很多嵌入式產(chǎn)品[6]。因此，針對(duì)智能移動(dòng)終端設(shè)備和空間數(shù)據(jù)特性，選用SQLite作為底層數(shù)據(jù)庫(kù)支撐工具，并針對(duì)矢量、柵格及多媒體數(shù)據(jù)的格式、內(nèi)容，分別設(shè)計(jì)符合其數(shù)據(jù)特征的空間數(shù)據(jù)引擎。

1）矢量數(shù)據(jù)組織管理。矢量數(shù)據(jù)以坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)來(lái)描述點(diǎn)、線、面3類(lèi)空間實(shí)體，采用ArcGIS的SHP文件格式存儲(chǔ)在文件系統(tǒng)中，輔助DBF文件進(jìn)行屬性說(shuō)明。在ArcMap中對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、符號(hào)化處理后生成MDB配置文件。在SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境支撐下，按照點(diǎn)、線、面逐個(gè)對(duì)象一一映射到空間數(shù)據(jù)表中。每一個(gè)空間數(shù)據(jù)表唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)featurelayer，數(shù)據(jù)表采用空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)一體化存儲(chǔ)的方式保存空間信息，每條記錄對(duì)應(yīng)Shapefile文件中的一個(gè)空間對(duì)象，每條記錄中包含屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，這種方式存儲(chǔ)的空間數(shù)據(jù)表保證了數(shù)據(jù)的完備性，實(shí)現(xiàn)了圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合。對(duì)多個(gè)空間數(shù)據(jù)表進(jìn)行合理有序組織，構(gòu)成自定義的矢量空間數(shù)據(jù)庫(kù)（.oflw）。矢量數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表1所示。

2）柵格數(shù)據(jù)組織管理。柵格數(shù)據(jù)是以柵格元素值來(lái)表示空間屬性。在柵格數(shù)據(jù)中，點(diǎn)用一個(gè)柵格元素來(lái)表示，線用一組相鄰的柵格單位來(lái)表示，面用相鄰柵格單元的集合來(lái)表示。在ArcServer中對(duì)柵格數(shù)據(jù)文件進(jìn)行地圖切片處理，生成各個(gè)比例尺的瓦片數(shù)據(jù)文件，每個(gè)地圖塊為512×512像素大小。在SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境支撐下，對(duì)瓦片數(shù)據(jù)按照分層分幅原則逐個(gè)圖片一一映射到空間數(shù)據(jù)表中。每一個(gè)空間數(shù)據(jù)表唯一對(duì)應(yīng)一幅柵格數(shù)據(jù)，每條記錄對(duì)應(yīng)著一個(gè)地圖塊（.jpg或.png），多個(gè)數(shù)據(jù)表共同構(gòu)成柵格空間數(shù)據(jù)庫(kù)（.otlw）。柵格數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表2。

表1 矢量數(shù)據(jù)庫(kù)（.oflw）的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

表2 柵格數(shù)據(jù)庫(kù)（.otlw）的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3）多媒體數(shù)據(jù)組織管理。針對(duì)圖片、視頻等多媒體文件，保留其原始文件格式。在滿(mǎn)足數(shù)據(jù)精度的前提下，對(duì)其進(jìn)行壓縮處理，壓縮率控制在60%以上，使得數(shù)據(jù)組織更加緊湊，進(jìn)而提高移動(dòng)終端設(shè)備存儲(chǔ)空間利用率。

1.2 空間檢索機(jī)制

空間數(shù)據(jù)檢索服務(wù)是GIS中最基礎(chǔ)也是最重要的服務(wù)[7]。傳統(tǒng)的基于網(wǎng)絡(luò)的空間查詢(xún)由于受網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)器環(huán)境穩(wěn)定性的限制，往往出現(xiàn)效率低下甚至無(wú)法響應(yīng)查詢(xún)請(qǐng)求的情況。因此，本文在輕量級(jí)矢量空間數(shù)據(jù)引擎的基礎(chǔ)上，針對(duì)每個(gè)空間數(shù)據(jù)表建立B樹(shù)索引，空間索引和數(shù)據(jù)表一一對(duì)應(yīng)，表中每條記錄對(duì)應(yīng)空間索引中的一個(gè)結(jié)點(diǎn)。由于采用SQLite作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的底層環(huán)境支撐，因此空間數(shù)據(jù)搜索支持大部分SQL92標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)法，具體的檢索機(jī)制如圖1所示。頂層是標(biāo)記處理器和分析器，用于快速生成高效率的代碼。底部是基于Knuth經(jīng)過(guò)優(yōu)化的B樹(shù)，運(yùn)行在可調(diào)整的頁(yè)面緩存上，有助于將對(duì)磁盤(pán)的查找減到最少。頁(yè)面緩存作用在操作系統(tǒng)抽象層之上，有助于數(shù)據(jù)庫(kù)的移動(dòng)。搜索的核心是虛擬機(jī)，作為客戶(hù)和儲(chǔ)存之間進(jìn)行信息交換的中間單元完成與數(shù)據(jù)操作相關(guān)的全部操作。在查詢(xún)語(yǔ)句被分析之后，虛擬機(jī)開(kāi)始起作用。代碼生成器將分析樹(shù)翻譯成一個(gè)袖珍程序，隨后這些袖珍程序被組合成用虛擬機(jī)器語(yǔ)言表示的一系列指令。如此往復(fù)，虛擬機(jī)執(zhí)行每條指令，最終完成SQL語(yǔ)句指定的查詢(xún)要求。

圖1 空間檢索機(jī)制

1.3 空間查詢(xún)方式

由于輕量級(jí)空間數(shù)據(jù)引擎集成了嵌入式關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和空間索引，能夠以統(tǒng)一的方式訪問(wèn)不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，有效地處理空間數(shù)據(jù)集，保證了移動(dòng)終端環(huán)境下空間查詢(xún)的穩(wěn)定性及高效性?？臻g數(shù)據(jù)搜索查詢(xún)有3種表現(xiàn)形式。

1）屬性查詢(xún)。用戶(hù)可選擇屬性列表，查看其詳細(xì)信息，并在地圖上準(zhǔn)確定位。

2）空間查詢(xún)。用戶(hù)可以實(shí)時(shí)地在感興趣的地圖范圍內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)擊查詢(xún)、拉框查詢(xún)等操作，顯示信息詳情。

3）模糊查詢(xún)。用戶(hù)可輸入關(guān)鍵字，如“東部新城”，地圖可定位至該區(qū)域，同時(shí)支持Info Window信息彈出顯示。

2 應(yīng) 用

寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院近年來(lái)重點(diǎn)開(kāi)展移動(dòng)地圖服務(wù)平臺(tái)建設(shè)，并先后在寧波市杭州灣新區(qū)管委會(huì)、寧波市東部新城規(guī)劃處、寧波市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)等局委辦進(jìn)行推廣應(yīng)用，在輕量級(jí)空間數(shù)據(jù)引擎的技術(shù)支撐下，成功搭建杭州灣移動(dòng)地圖平臺(tái)、東部新城移動(dòng)服務(wù)平臺(tái)、現(xiàn)代都市移動(dòng)服務(wù)平臺(tái)等業(yè)務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于移動(dòng)終端設(shè)備的空間數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的一體化管理，構(gòu)建一整套從數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和查詢(xún)分析到后臺(tái)配置的完整的應(yīng)用解決方案，改進(jìn)和優(yōu)化相關(guān)部門(mén)的日常工作手段。

綜合而言，基于輕量級(jí)空間數(shù)據(jù)引擎的移動(dòng)地圖平臺(tái)具有如下4個(gè)特點(diǎn)：

1）支持各類(lèi)地理數(shù)據(jù)。平臺(tái)支持多種地理數(shù)據(jù)，包括政務(wù)電子地圖數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)、360°街景數(shù)據(jù)等，并可在各類(lèi)地圖數(shù)據(jù)中進(jìn)行自由切換，方便地圖瀏覽和漫游，如圖2所示。

2） 集成多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。集成多種不同內(nèi)容、不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)圖片、文本、視頻等多媒體數(shù)據(jù)的顯示和瀏覽，并實(shí)現(xiàn)與地理底圖的無(wú)縫集成，如圖3所示。

3） 實(shí)現(xiàn)離線信息查詢(xún)。實(shí)現(xiàn)各類(lèi)專(zhuān)題信息的離線綜合查詢(xún)，一鍵式搜索平臺(tái)中所有信息（如地名、地址、醫(yī)療、衛(wèi)生等），搜索結(jié)果疊加在電子地圖、影像數(shù)據(jù)上，并分類(lèi)顯示縮略信息，如圖4所示。

圖2 地圖切換

圖3 專(zhuān)題業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)

4） 提供完善后臺(tái)配置。提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)入原則，設(shè)置用戶(hù)權(quán)限，不同的用戶(hù)擁有不同級(jí)別的數(shù)據(jù)訪問(wèn)能力和功能模塊使用權(quán)限。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了一種基于移動(dòng)終端的輕量級(jí)空間數(shù)據(jù)引擎。該引擎采用先進(jìn)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)技術(shù)、索引技術(shù)和查詢(xún)技術(shù)，具有“空間－屬性數(shù)據(jù)一體化”、“矢量－柵格數(shù)據(jù)一體化”和“空間信息－業(yè)務(wù)信息一體化”的集成式空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理能力，適合于移動(dòng)GIS工程應(yīng)用。

圖4 離線信息查詢(xún)

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P208

B

1672-4623（2017）12-0048-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.12.015

2016-07-27。

基于移動(dòng)位置服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用（甬測(cè)院字[2012]32號(hào)）。

吳秀蕓，碩士研究生，工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)研發(fā)工作。