基于AutoCAD Map3D的時空地理信息處理平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

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(shè)階段，雖然很多單位都提出了基于“圖庫一體”的基礎(chǔ)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(jìn)行入庫幾何數(shù)據(jù)的采集，通過增加擴(kuò)展屬性進(jìn)行入庫屬性信息的填寫，最后再通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換將圖形信息和屬性信息分別導(dǎo)入到GIS數(shù)據(jù)庫，建立基礎(chǔ)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(jìn)行更新維護(hù)，而無法直接對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)的需要，急需開展時空地理信息處理平臺建設(shè)的研究與應(yīng)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(yīng)用效率，進(jìn)而實現(xiàn)“綜合性時空信息采集專題性地理信息服務(wù)”的測繪地理信息變革有著十分重要的意義。其主要內(nèi)容為通過在時空地理信息數(shù)據(jù)庫建設(shè)中增加時間維度，以實現(xiàn)圖形和數(shù)據(jù)庫一體化建設(shè)的“雙向同步”，即“由圖到庫”或“由庫到圖”能夠無縫轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)計

時空地理信息一體化的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)主要以時間和空間結(jié)合、圖形和屬性結(jié)合、生產(chǎn)和應(yīng)用結(jié)合的“三個結(jié)合”為設(shè)計導(dǎo)向。

2.1 時間和空間結(jié)合

建立時空地理信息數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)就是實現(xiàn)時間信息和空間信息的集成，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織設(shè)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(jìn)行數(shù)據(jù)更新時，根據(jù)要素GUID值進(jìn)行比對，可以很迅捷地對新增或者更新的要素進(jìn)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(jié)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(jìn)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(jìn)行同步修改編輯，或者在對庫屬性進(jìn)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(zhuǎn)換。所以，在設(shè)計時對部分復(fù)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(yīng)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(jìn)行符號化的對應(yīng)結(jié)點的信息，在庫到圖的轉(zhuǎn)換中對多點橋梁進(jìn)行智能符號化表達(dá)。

2.3 生產(chǎn)和應(yīng)用結(jié)合

建立時空地理信息數(shù)據(jù)庫的終極目標(biāo)就是服務(wù)應(yīng)用于社會，那么如何將時空地理信息數(shù)據(jù)庫的生產(chǎn)和服務(wù)有機地結(jié)合起來，在數(shù)據(jù)生產(chǎn)的同時，更好地進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)服務(wù)，也是在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織設(shè)計時需要考慮的一個重要因素，所以在標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(chǔ)地理信息的生產(chǎn)成果服務(wù)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(jié)合標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的指導(dǎo)思想，主要從以下5個方面對標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)方法進(jìn)行了設(shè)計。

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

(2)數(shù)據(jù)庫分層設(shè)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(dá)的內(nèi)容。

(3)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)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(xì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)錄入規(guī)范，其中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)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(biāo)選取以及國標(biāo)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(gòu)設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)模型設(shè)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(hù)，地理空間中復(fù)雜地理實體的表達(dá)、以及圖庫聯(lián)動的動態(tài)維護(hù)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(dá)具有任意幾何復(fù)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(hù)。

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(dá)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(jìn)行表達(dá)，是簡單對象點線面組成的集合而形成的各類復(fù)雜幾何圖形；屬性信息則是描述時空要素的質(zhì)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(jié)構(gòu)中進(jìn)行存儲，包括時間信息和部分復(fù)雜要素的符號化表達(dá)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(jìn)行了融合，能夠更好地滿足時空地理信息生產(chǎn)。

3.2 平臺總體設(shè)計

時空地理信息數(shù)據(jù)處理平臺的建設(shè)是在計算機和現(xiàn)代信息技術(shù)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(shè)的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，參考日常工作習(xí)慣以及對平臺建設(shè)的要求，采用C/S結(jié)構(gòu)的分層設(shè)計模式。該模式具體可劃分為三個層次：基礎(chǔ)架構(gòu)層、數(shù)據(jù)服務(wù)層和應(yīng)用服務(wù)層。

基礎(chǔ)架構(gòu)層：基礎(chǔ)架構(gòu)層是系統(tǒng)部署和運行的基礎(chǔ)，包括主機、網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器設(shè)備等。

數(shù)據(jù)服務(wù)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(yīng)用服務(wù)層：應(yīng)用服務(wù)層是系統(tǒng)的核心部分，可分為圖庫一體化表達(dá)、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(shè)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(fù)雜等特點，所以決定采用AutoCAD Map3D軟件平臺作為系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺。AutoCAD Map3D平臺是Autodesk公司的產(chǎn)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(jié)構(gòu)開發(fā)等特點，同時還可以直接訪問工程設(shè)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(hù)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(yīng)日常生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境的開發(fā)應(yīng)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(chǔ)的面向?qū)ο蟮拈_發(fā)環(huán)境及應(yīng)用程序接口，能真正快速地訪問圖形和屬性數(shù)據(jù)庫。基于Map ObjectARX SDK開發(fā)的應(yīng)用程序是一個DLL(動態(tài)鏈接庫)，共享AutoCAD Map3D的地址空間，能夠?qū)utoCAD Map3D進(jìn)行直接函數(shù)調(diào)用，并且Map ObjectARX SDK類庫采用了標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(dá)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(dá)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(dá)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(nèi)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(shù)設(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)組成。平臺所有的屬性結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)模板都集中在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，平臺通過應(yīng)用服務(wù)器和C/S結(jié)構(gòu)連接。數(shù)據(jù)服務(wù)層是由SQL Server數(shù)據(jù)庫軟件構(gòu)成，是一個存儲、訪問和管理空間和非空間數(shù)據(jù)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)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(guān)系，對能否實現(xiàn)兩者之間的雙向查詢和分析至關(guān)重要。平臺采用三層結(jié)構(gòu)模型能確保系統(tǒng)的可維護(hù)性、可擴(kuò)展性和易調(diào)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(shè)目標(biāo)。

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(biāo)準(zhǔn)化圖形數(shù)據(jù)生產(chǎn)的同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫建設(shè)的時空地理信息一體化生產(chǎn)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(dá)是以點、線、面為對象的時空地理信息數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)崿F(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(jié)果，真正實現(xiàn)了基于同文件存儲、分?jǐn)?shù)據(jù)表達(dá)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(yīng)用實例

本項目應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，利用研制的時空地理信息處理平臺，進(jìn)行基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，制圖數(shù)據(jù)完全由基于標(biāo)準(zhǔn)模板建設(shè)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行同步表達(dá)；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(zhì)量參差不齊，所以生產(chǎn)難度更大，采取的工作方案主要是：對原有數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhuǎn)換到基于ObjectData時空地理信息模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，再通過人工進(jìn)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(jìn)行更新。有效保證了時空地理信息一體化生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。

6 結(jié) 語

時空地理信息處理平臺的建設(shè)和時空地理信息數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，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(chǔ)，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合云計算和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)，以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的模式，能夠為包括決策層領(lǐng)導(dǎo)、各部門管理人員和廣大社會公眾在內(nèi)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(jìn)行比對，哪些房屋在什么時間進(jìn)行了刪除，哪些房屋在什么時間進(jìn)行了新建，甚至哪些房屋在什么時間做了結(jié)構(gòu)和層次的改動，都能夠通過歷史數(shù)據(jù)追溯比對進(jìn)行精確的分析查詢，對于不同歷史時期城市的發(fā)展進(jìn)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(jié)構(gòu)中進(jìn)行更多專題信息的擴(kuò)充，以服務(wù)于更多不同層次用戶的需求，提供內(nèi)容更為豐富、形式更為多樣的專題信息服務(wù)。