何偉，楊志敏

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

在數(shù)字城市建設階段，雖然很多單位都提出了基于“圖庫一體”的基礎地理信息數(shù)據(jù)組織方式，但是概括起來說還是“單向異步，以圖為主，由圖到庫”。具體來說就是在制圖過程中，通過繪制骨架線進行入庫幾何數(shù)據(jù)的采集，通過增加擴展屬性進行入庫屬性信息的填寫，最后再通過數(shù)據(jù)轉換將圖形信息和屬性信息分別導入到GIS數(shù)據(jù)庫，建立基礎地理信息數(shù)據(jù)庫。而在數(shù)據(jù)更新時，由于是單向的“由圖到庫”，只能是先更新圖形數(shù)據(jù)以及圖形數(shù)據(jù)中掛接的各類屬性信息，再對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行更新維護，而無法直接對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行更新。

與數(shù)字城市的地理空間框架相比，智慧城市要求的時空地理信息不再僅僅是真實世界的一個瞬間的“數(shù)字化快照”，而是帶有時間維的空間信息、鮮活世界的連續(xù)再現(xiàn)。為了更好地滿足智慧城市時空信息云平臺建設的需要，急需開展時空地理信息處理平臺建設的研究與應用，該項工作對于切實整合、融合已有空間地理信息資源，提高時空地理信息資源的應用效率，進而實現(xiàn)“綜合性時空信息采集專題性地理信息服務”的測繪地理信息變革有著十分重要的意義。其主要內容為通過在時空地理信息數(shù)據(jù)庫建設中增加時間維度，以實現(xiàn)圖形和數(shù)據(jù)庫一體化建設的“雙向同步”，即“由圖到庫”或“由庫到圖”能夠無縫轉換，以庫為主，圖形和屬性信息能實現(xiàn)聯(lián)動編輯，實時更新，真正地理信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)實時動態(tài)連續(xù)更新，實現(xiàn)時空地理信息采集處理的智能化。

2 標準體系設計

時空地理信息一體化的標準體系建設主要以時間和空間結合、圖形和屬性結合、生產和應用結合的“三個結合”為設計導向。

2.1 時間和空間結合

建立時空地理信息數(shù)據(jù)庫的基礎就是實現(xiàn)時間信息和空間信息的集成，在數(shù)據(jù)結構組織設計時，增加了要素的測取時間、移除時間以及要素GUID等公共屬性字段，其中測取時間記錄要素的測制時間，移除時間記錄的是要素的更新刪除時間，要素GUID記錄的是要素的唯一GUID值，通過記錄兩個時間點信息，在后期進行數(shù)據(jù)更新時，根據(jù)要素GUID值進行比對，可以很迅捷地對新增或者更新的要素進行提取比對，并逐漸形成歷史數(shù)據(jù)的積淀。

2.2 圖形和屬性結合

建立時空地理信息數(shù)據(jù)庫就需要對時空地理信息數(shù)據(jù)進行快速獲取與更新，而快速獲取與更新的前提就是圖、庫能夠同步聯(lián)動，在修改圖形信息的同時，對屬性信息能夠進行同步修改編輯，或者在對庫屬性進行修改的同時，圖形數(shù)據(jù)也能獲得聯(lián)動更新，即完全實現(xiàn)圖到庫以及庫到圖的雙向無損轉換。所以，在設計時對部分復雜要素增加了特殊的屬性字段，例如橋梁面所在的LRDA層，相應地增加了“符號化信息”屬性字段，那么對于多點橋梁，就可以通過在“符號化信息”字段中錄入需要進行符號化的對應結點的信息，在庫到圖的轉換中對多點橋梁進行智能符號化表達。

2.3 生產和應用結合

建立時空地理信息數(shù)據(jù)庫的終極目標就是服務應用于社會，那么如何將時空地理信息數(shù)據(jù)庫的生產和服務有機地結合起來，在數(shù)據(jù)生產的同時，更好地進行后續(xù)的數(shù)據(jù)服務，也是在數(shù)據(jù)結構組織設計時需要考慮的一個重要因素，所以在標準制定的過程中，增加了更多的要素專題信息的采集，例如對于監(jiān)控攝像頭，就增加了“編號”和“類別”屬性字段，通過對監(jiān)控攝像頭的“編號”和“類別”信息的獲取，再加上位置坐標信息，能夠很便捷地建立監(jiān)控攝像頭的專題信息數(shù)據(jù)庫，將基礎地理信息的生產成果服務回饋于社會。

根據(jù)時空地理信息數(shù)據(jù)庫建庫特點以及結合標準體系建設的指導思想，主要從以下5個方面對標準體系建設方法進行了設計。

(1)幾何類型設計：要素的幾何類型設計是對要素的幾何特征和表示方法進行的規(guī)定，分為點、線、面三類分別進行設計。

(2)數(shù)據(jù)庫分層設計：規(guī)定了時空地理信息數(shù)據(jù)庫的層號、要素分類、層文件名以及其具體表達的內容。

(3)數(shù)據(jù)庫結構設計：規(guī)定了時空地理信息數(shù)據(jù)庫中每個要素表的詳細數(shù)據(jù)結構以及數(shù)據(jù)錄入規(guī)范，其中數(shù)據(jù)結構的設計包括要素的名稱、屬性、字段類型、字段長度和描述。

(4)要素分類編碼及采集規(guī)則：規(guī)定了要素的要素編碼、要素名稱、圖式圖例、幾何表示、幾何類型、數(shù)據(jù)庫圖層名、RGB值、要素屬性、數(shù)據(jù)采集與指標選取以及國標編號。

(5)建庫數(shù)據(jù)處理規(guī)則：規(guī)定了建庫基本要求、點狀要素處理規(guī)則、線狀要素處理規(guī)則、面狀要素處理規(guī)則、注記類要素處理規(guī)則等5個方面。

時空地理信息要素分類編碼和數(shù)據(jù)采集規(guī)則表示例圖如圖1所示。

圖1時空地理信息要素分類編碼和數(shù)據(jù)采集規(guī)則表示例圖

3 平臺架構設計

3.1 數(shù)據(jù)模型設計

目前CAD數(shù)據(jù)模型和GIS數(shù)據(jù)模型主要還是針對空間數(shù)據(jù)，對于時間信息維護，地理空間中復雜地理實體的表達、以及圖庫聯(lián)動的動態(tài)維護等方面還難以滿足時空地理信息組織方式的需求，為了解決這方面的問題，本項目采用ObjectData的數(shù)據(jù)組織方式，建立了圖庫一體的時空地理信息數(shù)據(jù)模型。圖庫一體的時空地理信息數(shù)據(jù)模型相對于傳統(tǒng)的CAD數(shù)據(jù)模型和GIS數(shù)據(jù)模型，它具有如下優(yōu)勢：①幾何數(shù)據(jù)、屬性與圖形信息都以實體為組織單位，便于實體管理與操作；②利用點、線、面幾何實體可表達具有任意幾何復雜度的地理空間實體；③幾何數(shù)據(jù)以實體為單位獨立存儲，數(shù)據(jù)更新方便，易于維護。

圖庫一體時空地理信息數(shù)據(jù)模型中的實體即空間要素，包括要素的幾何對象、符號對象及屬性信息三部分，實體由這三部分共同定義和創(chuàng)建，實體是幾何、符號和屬性的管理者；幾何對象是表達要素位置和形狀的幾何圖形，其完全由簡單的點、線、面三種最基本的幾何圖形組成；符號對象是描述空間要素的符號圖形，完全由幾何對象的符號化進行表達，是簡單對象點線面組成的集合而形成的各類復雜幾何圖形；屬性信息則是描述時空要素的質量和數(shù)量特征，以數(shù)據(jù)表的形式在對象的數(shù)據(jù)結構中進行存儲，包括時間信息和部分復雜要素的符號化表達信息也以屬性形式存儲在要素實體中。該模型的建立，打破了過去傳統(tǒng)空間信息組織方式的單一的數(shù)據(jù)管理模式，而是將CAD數(shù)據(jù)模型和GIS數(shù)據(jù)模型進行了融合，能夠更好地滿足時空地理信息生產。

3.2 平臺總體設計

時空地理信息數(shù)據(jù)處理平臺的建設是在計算機和現(xiàn)代信息技術的支持下，實現(xiàn)時空地理信息的錄入、存儲、編輯、檢查、更新。在平臺建設的框架結構設計中，參考日常工作習慣以及對平臺建設的要求，采用C/S結構的分層設計模式。該模式具體可劃分為三個層次：基礎架構層、數(shù)據(jù)服務層和應用服務層。

基礎架構層：基礎架構層是系統(tǒng)部署和運行的基礎，包括主機、網絡、操作系統(tǒng)、應用服務器和數(shù)據(jù)庫服務器設備等。

數(shù)據(jù)服務層：主要包括時空地理信息數(shù)據(jù)、外業(yè)采集數(shù)據(jù)、歷史建庫數(shù)據(jù)。

應用服務層：應用服務層是系統(tǒng)的核心部分，可分為圖庫一體化表達、圖形編輯、屬性編輯、時間信息編輯、圖庫輸出、數(shù)據(jù)綜合、歷史圖入庫等。

4 平臺功能實現(xiàn)

4.1 AutoCAD Map3D軟件平臺

時空地理信息智能處理平臺在模型設計中采用了基于ObjectData數(shù)據(jù)模型的時空地理信息組織方式，同時由于時空地理信息既包含空間信息又包含屬性信息，具有數(shù)據(jù)信息量大、數(shù)據(jù)種類復雜等特點，所以決定采用AutoCAD Map3D軟件平臺作為系統(tǒng)基礎平臺。AutoCAD Map3D平臺是Autodesk公司的產品，該平臺不僅具有傳統(tǒng)的AutoCAD通用平臺的圖形編輯功能強大、體系結構開發(fā)等特點，同時還可以直接訪問工程設計和GIS中使用的多種主要數(shù)據(jù)格式，并使用集成的傳統(tǒng)AutoCAD工具維護各種地理空間信息，在CAD與GIS之間架起了一座橋梁，是一個既滿足數(shù)據(jù)組織方式的實現(xiàn)，又能夠適應日常生產作業(yè)環(huán)境的開發(fā)應用平臺。

對該平臺的開發(fā)主要使用Map ObjectARX SDK開發(fā)包。Map ObjectARX SDK是針對AutoCAD Map3D平臺上的開發(fā)而推出的一個開發(fā)軟件包，它提供了以C++為基礎的面向對象的開發(fā)環(huán)境及應用程序接口，能真正快速地訪問圖形和屬性數(shù)據(jù)庫?；贛ap ObjectARX SDK開發(fā)的應用程序是一個DLL(動態(tài)鏈接庫)，共享AutoCAD Map3D的地址空間，能夠對AutoCAD Map3D進行直接函數(shù)調用，并且Map ObjectARX SDK類庫采用了標準的C++類庫的封裝形式，這也大大提高了系統(tǒng)程序開發(fā)的可靠度和效率。

4.2 平臺標準化時空地理信息數(shù)據(jù)庫模板建立

時空地理信息數(shù)據(jù)庫模板相對于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模板，最大的不同在于增加了時間信息，從實際操作來說就是在實體要素的數(shù)據(jù)結構中增加了時間信息字段，對于時間信息字段增加了要素的“測制時間”和“修除時間”字段，用于表達要素的測取時間和修改移除時間，每個實體要素增加了這兩類時間屬性后，就能夠完全反映不同時期要素實體變化的情況。同時，為更好地一體化表達圖形和數(shù)據(jù)庫，在模板定義時，每個對象的定義中額外增加了圖形符號化的信息，實現(xiàn)了圖形和數(shù)據(jù)庫的一體化聯(lián)動。

圖2時空地理信息模板屬性字典的定制

圖3 時空地理信息模板符號表達的定制

如圖2所示，fcheckmust定義了要素必填字段，fdict定義了要素的屬性字典。如圖3所示，fRGB是定義了要素的顏色，fweight定義了線狀要素的寬度，flable定義了要素符號化文本的屬性字段，ftext定義了要素符號化文本的內容，ftextstyle定義了要素符號化文本的字體，ftextheight定義了要素符號化文本的字高，ftextlayer定義了要素符號化文本的層名。

4.3 平臺具體實現(xiàn)

時空地理信息處理平臺的技術設計采用系統(tǒng)組件式開發(fā)平臺+商業(yè)數(shù)據(jù)庫的模式，即由AutoCAD Map3D和SQL Server組成，在軟件開發(fā)方面，選擇的是更適于底層開發(fā)的VC++.net結合Map ObjectARX SDK開發(fā)包的方式，能夠使開發(fā)語言和接口封裝函數(shù)的底層類庫保持一致，更好地保證了在開發(fā)過程中的便捷性以及系統(tǒng)平臺在使用過程中的穩(wěn)定性和易用性。

平臺系統(tǒng)由目前比較流行的C1ient/Server(C/S)結構組成。平臺所有的屬性結構標準模板都集中在關系數(shù)據(jù)庫中，平臺通過應用服務器和C/S結構連接。數(shù)據(jù)服務層是由SQL Server數(shù)據(jù)庫軟件構成，是一個存儲、訪問和管理空間和非空間數(shù)據(jù)的關系數(shù)據(jù)庫服務器，它對于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中所采用的數(shù)據(jù)模型，空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間能否建立合理的連接關系，對能否實現(xiàn)兩者之間的雙向查詢和分析至關重要。平臺采用三層結構模型能確保系統(tǒng)的可維護性、可擴展性和易調整性，滿足了時空地理信息數(shù)據(jù)庫圖庫一體智能化處理平臺的建設目標。

該平臺實現(xiàn)了不同時期的時空地理信息實時空間位置定格，實現(xiàn)了時空地理信息采集與數(shù)據(jù)錄入同步以及非時空地理信息數(shù)據(jù)模型的歷史數(shù)據(jù)錄入同步，成功地解決了在標準化圖形數(shù)據(jù)生產的同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫建設的時空地理信息一體化生產問題，實現(xiàn)了圖形數(shù)據(jù)和屬性信息的同步更新。系統(tǒng)主界面和部分功能窗口如圖4和圖5所示。

圖4系統(tǒng)主界面

圖5 部分系統(tǒng)功能窗口(屬性編輯、時間編輯、圖庫輸出)

如圖6所示，左圖表達是以點、線、面為對象的時空地理信息數(shù)據(jù)庫，能夠實現(xiàn)與GIS數(shù)據(jù)的無縫對接，右圖是利用平臺實時對數(shù)據(jù)庫文件符號化的圖形文件結果，真正實現(xiàn)了基于同文件存儲、分數(shù)據(jù)表達的時空地理信息數(shù)據(jù)庫。

圖6庫文件(左)和圖文件(右)

5 應用實例

本項目應用于武漢市主城區(qū)1∶500地形圖更新與時空地理信息建庫工程，工程覆蓋武漢市主城區(qū) 680 km2，共計 10 612幅 1∶500地形圖。其中新測區(qū)域共有 580 km2，在新測區(qū)域采用基于ObjectData時空地理信息模型的數(shù)據(jù)標準，利用研制的時空地理信息處理平臺，進行基礎地理信息數(shù)據(jù)庫的建設，制圖數(shù)據(jù)完全由基于標準模板建設的數(shù)據(jù)庫進行同步表達；更新區(qū)域共有 110 km2，該工程由于歷史數(shù)據(jù)的組織方式各異，并且主要以圖為主，數(shù)據(jù)質量參差不齊，所以生產難度更大，采取的工作方案主要是：對原有數(shù)據(jù)進行批量處理，將其圖形信息和圖面上的屬性信息盡可能地轉換到基于ObjectData時空地理信息模型的數(shù)據(jù)結構中，再通過人工進行修改建庫，最后將其作為歷史圖數(shù)據(jù)庫，通過外業(yè)數(shù)據(jù)采集，直接對歷史數(shù)據(jù)庫進行更新。有效保證了時空地理信息一體化生產的質量和效率。

6 結 語

時空地理信息處理平臺的建設和時空地理信息數(shù)據(jù)的生產，能夠為智慧城市時空地理信息的分析和挖掘提供數(shù)據(jù)基礎，在此基礎上，結合云計算和網絡服務技術，以網絡服務的模式，能夠為包括決策層領導、各部門管理人員和廣大社會公眾在內的不同層次用戶提供信息資源。例如，能夠很方便地對不同時期的房屋建筑信息進行比對，哪些房屋在什么時間進行了刪除，哪些房屋在什么時間進行了新建，甚至哪些房屋在什么時間做了結構和層次的改動，都能夠通過歷史數(shù)據(jù)追溯比對進行精確的分析查詢，對于不同歷史時期城市的發(fā)展進程了然于胸。同時，在將來也能夠在時空地理信息數(shù)據(jù)組織結構中進行更多專題信息的擴充，以服務于更多不同層次用戶的需求，提供內容更為豐富、形式更為多樣的專題信息服務。