吳秀蕓，王海江，梁寒冬

（1.寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波 315042）

輕量級空間數(shù)據(jù)引擎的應(yīng)用研究

吳秀蕓1，王海江1，梁寒冬1

（1.寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波 315042）

針對移動終端存儲空間及計算能力有限的特點，提出一種輕量級空間數(shù)據(jù)引擎，通過采用先進的空間數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、索引技術(shù)和查詢技術(shù)，實現(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，搭建了滿足其業(yè)務(wù)需求的移動地圖服務(wù)平臺，改進現(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；輕量級空間數(shù)據(jù)引擎；移動地圖平臺

移動GIS在帶來眾多新的行業(yè)應(yīng)用模式的同時，也遭遇到技術(shù)瓶頸，一些問題嚴重地制約著移動GIS平臺的進一步發(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；空間查詢不穩(wěn)定，影響系統(tǒng)正常運行，數(shù)據(jù)更新不及時等。這主要是受網(wǎng)絡(luò)及移動設(shè)備軟硬件條件的限制，很多傳統(tǒng)桌面GIS技術(shù)無法直接移植到移動GIS產(chǎn)品中[1-3]。因此，設(shè)計一個適合于智能移動終端的輕量級空間數(shù)據(jù)引擎，研究完善的數(shù)據(jù)組織、管理及檢索機制，是提高移動GIS服務(wù)能力的關(guān)鍵。

本文設(shè)計了一種基于嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite的輕量級空間數(shù)據(jù)引擎，系統(tǒng)闡述適合于移動終端設(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，搭建滿足其業(yè)務(wù)需求的移動地圖服務(wù)平臺，提高空間信息服務(wù)水平。

1 輕量級空間數(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空間，但仍然難以滿足對數(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[5]，因此研究多源離線數(shù)據(jù)的快速存儲機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有機集成及快速響應(yīng)具有重要的意義。通過設(shè)計一種適合于移動終端軟硬件環(huán)境的輕量級空間數(shù)據(jù)引擎，將各類數(shù)據(jù)進行一體化無縫集成、融合和管理，使得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)能夠直接交由移動終端使用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速響應(yīng)，并達到最佳的顯示效果及交互體驗。

SQLite是一個嵌入式輕型SQL數(shù)據(jù)庫。與其他大多數(shù)SQL數(shù)據(jù)庫不同，SQLite沒有獨立的服務(wù)進程，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，針對智能移動終端設(shè)備和空間數(shù)據(jù)特性，選用SQLite作為底層數(shù)據(jù)庫支撐工具，并針對矢量、柵格及多媒體數(shù)據(jù)的格式、內(nèi)容，分別設(shè)計符合其數(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)以坐標點對來描述點、線、面3類空間實體，采用ArcGIS的SHP文件格式存儲在文件系統(tǒng)中，輔助DBF文件進行屬性說明。在ArcMap中對矢量數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換、符號化處理后生成MDB配置文件。在SQLite數(shù)據(jù)庫環(huán)境支撐下，按照點、線、面逐個對象一一映射到空間數(shù)據(jù)表中。每一個空間數(shù)據(jù)表唯一對應(yīng)一個featurelayer，數(shù)據(jù)表采用空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)一體化存儲的方式保存空間信息，每條記錄對應(yīng)Shapefile文件中的一個空間對象，每條記錄中包含屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，這種方式存儲的空間數(shù)據(jù)表保證了數(shù)據(jù)的完備性，實現(xiàn)了圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的有機結(jié)合。對多個空間數(shù)據(jù)表進行合理有序組織，構(gòu)成自定義的矢量空間數(shù)據(jù)庫（.oflw）。矢量數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計如表1所示。

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

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

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

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

1.2 空間檢索機制

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)效率低下甚至無法響應(yīng)查詢請求的情況。因此，本文在輕量級矢量空間數(shù)據(jù)引擎的基礎(chǔ)上，針對每個空間數(shù)據(jù)表建立B樹索引，空間索引和數(shù)據(jù)表一一對應(yīng)，表中每條記錄對應(yīng)空間索引中的一個結(jié)點。由于采用SQLite作為存儲數(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標準語法，具體的檢索機制如圖1所示。頂層是標記處理器和分析器，用于快速生成高效率的代碼。底部是基于Knuth經(jīng)過優(yōu)化的B樹，運行在可調(diào)整的頁面緩存上，有助于將對磁盤的查找減到最少。頁面緩存作用在操作系統(tǒng)抽象層之上，有助于數(shù)據(jù)庫的移動。搜索的核心是虛擬機，作為客戶和儲存之間進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。在查詢語句被分析之后，虛擬機開始起作用。代碼生成器將分析樹翻譯成一個袖珍程序，隨后這些袖珍程序被組合成用虛擬機器語言表示的一系列指令。如此往復(fù)，虛擬機執(zhí)行每條指令，最終完成SQL語句指定的查詢要求。

圖1 空間檢索機制

1.3 空間查詢方式

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

1）屬性查詢。用戶可選擇屬性列表，查看其詳細信息，并在地圖上準確定位。

2）空間查詢。用戶可以實時地在感興趣的地圖范圍內(nèi)進行點擊查詢、拉框查詢等操作，顯示信息詳情。

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

2 應(yīng) 用

寧波市測繪設(shè)計研究院近年來重點開展移動地圖服務(wù)平臺建設(shè)，并先后在寧波市杭州灣新區(qū)管委會、寧波市東部新城規(guī)劃處、寧波市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會等局委辦進行推廣應(yīng)用，在輕量級空間數(shù)據(jù)引擎的技術(shù)支撐下，成功搭建杭州灣移動地圖平臺、東部新城移動服務(wù)平臺、現(xiàn)代都市移動服務(wù)平臺等業(yè)務(wù)平臺，實現(xiàn)基于移動終端設(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)和查詢分析到后臺配置的完整的應(yīng)用解決方案，改進和優(yōu)化相關(guān)部門的日常工作手段。

綜合而言，基于輕量級空間數(shù)據(jù)引擎的移動地圖平臺具有如下4個特點：

1）支持各類地理數(shù)據(jù)。平臺支持多種地理數(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，并可在各類地圖數(shù)據(jù)中進行自由切換，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、不同類型的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)圖片、文本、視頻等多媒體數(shù)據(jù)的顯示和瀏覽，并實現(xiàn)與地理底圖的無縫集成，如圖3所示。

3） 實現(xiàn)離線信息查詢。實現(xiàn)各類專題信息的離線綜合查詢，一鍵式搜索平臺中所有信息（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，并分類顯示縮略信息，如圖4所示。

圖2 地圖切換

圖3 專題業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)

4） 提供完善后臺配置。提供數(shù)據(jù)準入原則，設(shè)置用戶權(quán)限，不同的用戶擁有不同級別的數(shù)據(jù)訪問能力和功能模塊使用權(quán)限。

3 結(jié) 語

本文研究了一種基于移動終端的輕量級空間數(shù)據(jù)引擎。該引擎采用先進的空間數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)、索引技術(shù)和查詢技術(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)庫管理能力，適合于移動GIS工程應(yīng)用。

圖4 離線信息查詢

[1]李德仁, 邵振峰. 信息化測繪的本質(zhì)是服務(wù)[J]. 測繪通報,2008(5):1-4

[2]楊任農(nóng), 白娟, 黃震宇, 等. 基于SQLite的LOD模式海量影像數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與科學(xué),2011(10):140-144

[3]胡菲菲. SQLite在嵌入式電子地圖中的應(yīng)用[J].工程地質(zhì)計算機應(yīng)用, 2008(2): 1-6

[4]張菁蕾. 多源空間數(shù)據(jù)的組織管理與應(yīng)用[D]. 同濟大學(xué), 2010

[5]王恩泉. 中國版GoogleEarth的空間數(shù)據(jù)組織與管理研究[D].中國測繪科學(xué)研究院, 2007

[6]姚萌萌. 嵌入式電子地圖的數(shù)據(jù)組織與檢索算法研究[D].浙江工業(yè)大學(xué), 2009

[7]適用于移動GIS的輕量級空間數(shù)據(jù)引擎的設(shè)計[J].Computer Era, 2009(5):26-29

P208

B

1672-4623（2017）12-0048-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.12.015

2016-07-27。

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

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。