基于ArcGIS Engine的空間數(shù)據(jù)管理模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陸旭龍 ,陳立民 ,談 心

（1.鎮(zhèn)江市勘察測(cè)繪研究院,江蘇 鎮(zhèn)江 212004；2.南京大學(xué)地理信息科學(xué)系,南京 210023）

1 概述

傳統(tǒng)意義上，空間數(shù)據(jù)(Spatial Data)是指用來描述空間對(duì)象的位置、大小、形狀及其分布特征等諸多方面信息，可用以進(jìn)行空間定位、空間分析，以及反映要素間時(shí)空關(guān)系等的幾何數(shù)據(jù)。更廣泛意義上，空間數(shù)據(jù)可以指帶有空間信息的一切文字、符號(hào)。在當(dāng)前大數(shù)據(jù)時(shí)代，泛在意義上的空間數(shù)據(jù)不僅指點(diǎn)位、圖形等包含空間位置與屬性的信息，還包括帶有位置信息的軌跡、音頻、視頻等多媒體信息。

長(zhǎng)期以來，空間數(shù)據(jù)的管理都是GIS 理論發(fā)展與技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)性問題，同時(shí)也是決定GIS 技術(shù)能否被用戶接受并得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。有效的空間數(shù)據(jù)組織體系一直是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理技術(shù)研究的熱點(diǎn)。未來空間數(shù)據(jù)的管理將是對(duì)可表示復(fù)雜和可變對(duì)象的、面向?qū)ο蟮摹⒅鲃?dòng)的、模糊的、多媒體的的地理空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的綜合管理。

2 ArcGIS Engine簡(jiǎn)介

ArcGIS Engine 是一組完備的嵌入式GIS 組件庫和工具庫。使用ArcGIS Engine，技術(shù)人員可以將GIS 功能嵌入到商業(yè)性的生產(chǎn)應(yīng)用軟件中，如Mirosoft Word 和Excel；或嵌入到已有的專業(yè)應(yīng)用軟件中。ArcGIS Engine 由兩個(gè)部分組成：構(gòu)建軟件所用的開發(fā)工具包以及支撐應(yīng)用程序的可再發(fā)布的Runtime庫（運(yùn)行時(shí)環(huán)境）。ArcGIS Engine開發(fā)工具包是一個(gè)基于組件的軟件開發(fā)產(chǎn)品，可用于構(gòu)建自定義GIS和制圖應(yīng)用軟件，適于為Windows、UNIX 或Linux 用戶構(gòu)建基礎(chǔ)制圖和綜合動(dòng)態(tài)GIS 應(yīng)用軟件。ArcGIS Engine Runtime 是一個(gè)使終端用戶軟件能夠運(yùn)行的核心ArcObjects 組件產(chǎn)品，基于ArcGIS Engine的 應(yīng)用程序都必須同時(shí)安裝相應(yīng)的Runtime庫。

3 空間數(shù)據(jù)管理模塊的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想和開發(fā)環(huán)境

本文基于ArcGIS Engine開發(fā)平臺(tái),利用空間數(shù)據(jù)模型Geodatabase建立并管理地理空間數(shù)據(jù)，通過空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE來存儲(chǔ)、加工和檢索關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的無縫集成和一體化存儲(chǔ)管理。

模塊采用組件式（COM）開發(fā)技術(shù),將復(fù)雜的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)成一些小的功能單一的組件模塊，這些組件模塊可以在同一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行，也可以在不同的機(jī)器上運(yùn)行，甚至可以在相隔遙遠(yuǎn)的兩臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行。COM是組件對(duì)象模型（component object model）的簡(jiǎn)稱，是一種以組件為基本組成單元的對(duì)象模型，使各軟件的各個(gè)組成部分可以用一種統(tǒng)一的方式進(jìn)行交互。COM既提供組件之間進(jìn)行交互的規(guī)范，也提供實(shí)現(xiàn)交互的環(huán)境。

模塊所用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫為SQL Server 2008,通過ArcSDE服務(wù)來連接并操作數(shù)據(jù)庫中的地理空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，模塊基于Microsoft .NET使用C#語言開發(fā)。

4 空間數(shù)據(jù)管理模塊總體框架設(shè)計(jì)

空間數(shù)據(jù)管理模塊分為三層結(jié)構(gòu)：顯示層(USL),業(yè)務(wù)邏輯層(BLL),數(shù)據(jù)訪問層(DAL)。使用三層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想可以使得系統(tǒng)具有比較好的分布式特征，可以根據(jù)實(shí)際情況需要確定部署模式，有利于后期的維護(hù)和升級(jí)。三層結(jié)構(gòu)示意圖如下：

圖1 空間數(shù)據(jù)管理模塊三層架構(gòu)

4.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)對(duì)原始數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)庫文件、文本文件及涉及空間位置信息數(shù)據(jù)）的操作。該層為多源異構(gòu)多版本的數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一接口，提取生成業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系所必需的基礎(chǔ)信息及空間信息。該層為整個(gè)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，是為整個(gè)業(yè)務(wù)流程關(guān)系提供數(shù)據(jù)服務(wù)的關(guān)鍵。

4.2 邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層主要負(fù)責(zé)針對(duì)業(yè)務(wù)工作中具體問題的操作，也可以說是對(duì)數(shù)據(jù)集中有用信息的提取和再加工包裝，并與其它層合作形成業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系，例如，一條任務(wù)處理涉及到多個(gè)部門與環(huán)節(jié)，每一個(gè)環(huán)節(jié)的經(jīng)手人都參與構(gòu)建整條工作流程，包括經(jīng)手人的自然信息、業(yè)務(wù)操作的時(shí)間、空間位置等等，都必須記錄在案。這其中的邏輯關(guān)系必須得到清楚、明確的存儲(chǔ)與表達(dá)。

4.3 顯示層

顯示層是系統(tǒng)模塊的UI部分，負(fù)責(zé)展示結(jié)果并使得使用者與整個(gè)系統(tǒng)可以流暢地交互。顯示層中的邏輯代碼，既與界面元素的藝術(shù)設(shè)計(jì)有關(guān)，也和地理空間信息的可視化有關(guān)。UI相對(duì)獨(dú)立于邏輯層與數(shù)據(jù)層，可以依據(jù)用戶需求而定制。空間信息可視化涉及到地圖符號(hào)的設(shè)計(jì)與地圖不同色塊的配色。做好空間數(shù)據(jù)的可視化對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的包裝與推廣具有不可忽視的作用。

5 空間數(shù)據(jù)管理模塊主要功能及關(guān)鍵技術(shù)

5.1 主要功能設(shè)計(jì)

模塊的主要功能包括目錄管理、空間數(shù)據(jù)庫管理、檢索三個(gè)部分。目錄管理包括文件瀏覽(針對(duì)多種格式的地理信息數(shù)據(jù)的顯示和查看)、文件添加與刪除（如：文件夾、要素類、地理數(shù)據(jù)表等）、文件修改（如：要素名稱、地理數(shù)據(jù)表名稱等）。

空間數(shù)據(jù)庫的管理包含：地理數(shù)據(jù)表管理（包括地理數(shù)據(jù)的瀏覽、地理數(shù)據(jù)表字段的添加和刪除、地理數(shù)據(jù)表索引的添加和刪除等）、圖層管理、圖形文件管理(要素類的字段添加和刪除、要素類的空間參考的添改及刪除、要素類中的數(shù)據(jù)瀏覽等)、工程文件管理。此外，特別重要的是：自然屬性信息與位置信息的匹配與關(guān)聯(lián)。總體可以概括為字段管理、空間參考管理、索引管理、數(shù)據(jù)瀏覽管理、空間參照建立、專題數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出等。

檢索功能包括屬性檢索和空間檢索。空間檢索利用ArcGIS Engine，可用鼠標(biāo)點(diǎn)擊進(jìn)行范圍檢索（圓、框、多邊形等）。

圖2 空間數(shù)據(jù)管理模塊功能結(jié)構(gòu)圖

5.2 關(guān)鍵技術(shù)

5.2.1 空間對(duì)象的目錄層次管理

目錄管理可以通過目錄瀏覽快速定位到想看的表或地圖，便于對(duì)空間信息查看、修改、刪除等操作，是空間數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)目錄需實(shí)行分條目顯示，以便區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)類型。

5.2.2 空間對(duì)象的參考標(biāo)準(zhǔn)制定

地理空間數(shù)據(jù)代表著現(xiàn)實(shí)世界的某個(gè)對(duì)象或某個(gè)事件，其中每一個(gè)要素都代表了現(xiàn)實(shí)世界的某一物體或者事件發(fā)生的位置。如何對(duì)一個(gè)要素進(jìn)行精確定位，涉及統(tǒng)一空間參考系的問題。目前普遍采用基于地球橢球體建立的世界坐標(biāo)系統(tǒng)。

為了使空間數(shù)據(jù)能夠相互關(guān)聯(lián)，必須設(shè)置空間參考。空間參考包含一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)（地理坐標(biāo)系統(tǒng)或投影坐標(biāo)系統(tǒng)），它定義了空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一的數(shù)學(xué)坐標(biāo)系。在同一地圖上顯示的地理數(shù)據(jù)的空間參考必須經(jīng)過一致性配準(zhǔn)。如果兩個(gè)圖層的空間參考不一致，會(huì)導(dǎo)致兩幅地圖無法正確拼合。

5.2.3 基于Geodatabase和ArcSDE的空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理技術(shù)

空間數(shù)據(jù)庫是被統(tǒng)一存儲(chǔ)起來的空間數(shù)據(jù)的集合，是地理信息系統(tǒng)的重要組成部分，是GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐。GIS系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)分為兩類:一類主要是與空間位置、空間關(guān)系相關(guān)的數(shù)據(jù),統(tǒng)稱空間數(shù)據(jù)；另一類是要素的屬性信息,稱為屬性數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法是將兩類數(shù)據(jù)分開存儲(chǔ),利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(RDBMS)來存儲(chǔ)屬性數(shù)據(jù) 。考慮到空間數(shù)據(jù)與文字記錄相比具有特殊性,很難將其所表達(dá)的所有信息放在表中進(jìn)行管理。如經(jīng)過數(shù)字化得到的Shapefile或Coverage,都是以文件形式獨(dú)立存儲(chǔ) 。通過在空間數(shù)據(jù)文件和屬性數(shù)據(jù)之間建立關(guān)聯(lián)來構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)，可充分利用數(shù)據(jù)庫以及文件系統(tǒng)的各自優(yōu)勢(shì)。

基于Geodatabase + ArcSDE的空間數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)和處理空間數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的無縫集成和一體化存儲(chǔ)管理。ArcSDE在關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(RDBMS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)之間充當(dāng)一個(gè)應(yīng)用網(wǎng)關(guān),充分地把GIS和RDBMS集成起來，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出，以及數(shù)據(jù)庫操作、要素的空間檢索和空間信息的增刪改等功能的數(shù)據(jù)操作支持。

6 結(jié)論與討論

隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們已經(jīng)越來越認(rèn)識(shí)到空間數(shù)據(jù)對(duì)于政府、企業(yè)與公眾生活的重要性，加快了人們獲取、應(yīng)用空間信息的步伐。在當(dāng)前大數(shù)據(jù)時(shí)代，隨著智慧城市建設(shè)的風(fēng)行，空間數(shù)據(jù)的重要性及其管理所面臨的復(fù)雜性均越來越顯著。

本文提出基于ArcGIS Engine實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)管理模塊的技術(shù)路線，并予以開發(fā)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)目錄瀏覽、地理數(shù)據(jù)組織與空間數(shù)據(jù)庫的管理及空間檢索等主要功能，具有兼容性好以及二次可開發(fā)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。在業(yè)務(wù)關(guān)系模型以及空間數(shù)據(jù)管理效率方面仍需作進(jìn)一步探索，進(jìn)一步的工作將體現(xiàn)在基于已有的空間數(shù)據(jù)管理方式提供效率評(píng)價(jià)指標(biāo)并根據(jù)不同的業(yè)務(wù)模式需求提供靈活的可拓展的應(yīng)對(duì)技術(shù)框架方面。

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