異構矢量數(shù)據映射工具的設計與實現(xiàn)

張 標,陳 楠

(1.自然資源部陜西基礎地理信息中心，陜西 西安 710054；2.長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054)

地理信息資源是國民經濟和社會信息化的重要內容，隨著各級基礎測繪和地理國情普查等重大項目的開展，各級測繪部門積累了大量矢量數(shù)據成果，并在經濟建設中發(fā)揮了重要作用[1-2]。但受到歷史原因、技術條件、數(shù)據標準等因素的影響，這些矢量數(shù)據在數(shù)據格式、坐標系統(tǒng)、數(shù)據結構、數(shù)據內容等方面存在不同程度的差異[3-4]，這些差異導致矢量數(shù)據在整合處理和共享應用時需要進行數(shù)據轉換處理。針對異構矢量數(shù)據間相互轉換的問題，許多學者做了大量的研究工作，文獻[5]基于地理要素編碼實現(xiàn)了將CAD數(shù)據入庫到GeoDatabase數(shù)據庫，但該方法沒有實現(xiàn)數(shù)據過濾功能，造成轉換后數(shù)據冗余。文獻[6]利用組件技術，研究了GIS數(shù)據與SuperMap數(shù)據之間的轉換問題，但該方法沒有對屬性字段進行處理。文獻[7]通過對數(shù)據層的拆分與合并，提出了基于屬性字段的方法實現(xiàn)了Coverage格式與MDB格式的轉換，但該方法沒有實現(xiàn)屬性內容的映射。文獻[8]研究了MapGIS數(shù)據與GIS數(shù)據之間的轉換問題。上述學者的研究工作在不同程度上解決了異構矢量數(shù)據相互轉換的問題，但在通用性、全面性、靈活性方面還存在一定問題。

因此，本文設計和實現(xiàn)一種異構矢量數(shù)據映射工具，在充分分析異構矢量數(shù)據間數(shù)據格式、坐標系統(tǒng)、數(shù)據結構、數(shù)據內容等各種差異的基礎上，進行數(shù)據映射工具關鍵環(huán)節(jié)的設計，包括數(shù)據結構獲取、數(shù)據映射關系建立、數(shù)據映射關系存儲、數(shù)據內容轉換等內容。并利用ArcGIS Engine相關組件，在Visual Studio開發(fā)環(huán)境下進行了工具實現(xiàn)，將所開發(fā)的工具應用于陜西省基礎地理信息數(shù)據與天地圖框架數(shù)據之間的數(shù)據相互轉換。實踐結果表明，本文設計與實現(xiàn)的異構矢量數(shù)據映射工具，能夠減少數(shù)據轉換中的人工重復作業(yè)，轉換后的數(shù)據結構正確、內容完整，在保證數(shù)據轉換質量的同時，有效提升了數(shù)據轉換效率。

1 異構矢量數(shù)據差異分析

受到歷史原因、技術條件、數(shù)據標準等因素的影響，不同矢量數(shù)據存在不同程度的差異，主要表現(xiàn)在數(shù)據格式、坐標系統(tǒng)、數(shù)據結構、數(shù)據內容等方面。

1.1 數(shù)據格式差異

由于歷史技術條件、數(shù)據生產方式等原因影響，不同矢量數(shù)據的成果格式不盡相同，常見的矢量數(shù)據格式主要包括ESRI的Coverage、Shapefile、Geodatabase、AutoCAD以及各類GIS平臺軟件數(shù)據格式，Coverage格式(*.E00)是早期的數(shù)據存儲格式，要素的空間信息和屬性信息記錄較為完整，并具有嚴格的要素拓撲關系。Shapefile格式(*.shp)是簡單的面向GIS的數(shù)據存儲格式，要素的空間信息和屬性信息分離存儲，不存儲拓撲關系。Geodatabase格式(*.mdb、*.gdb)是面向GIS實體對象的數(shù)據存儲格式，可利用關系型數(shù)據庫進行管理，是當前的主流數(shù)據存儲格式。AutoCAD格式(*.dwg、*.dxf)是非面向GIS對象的數(shù)據存儲格式，偏向于制圖表達，僅存儲要素的空間定位信息，缺少拓撲和屬性關聯(lián)。目前主流GIS平臺軟件數(shù)據格式基本上是面向GIS實體對象的數(shù)據存儲格式，如Geoway軟件的gwp格式、MapGIS軟件的mpj格式[9-10]。

1.2 坐標系統(tǒng)差異

同樣由于歷史原因，不同矢量數(shù)據采用的坐標系統(tǒng)也不盡相同，主要包括1954年北京坐標系、1980年西安坐標系、2000國家大地坐標系、地方獨立坐標系。1954年北京坐標系和1980年西安坐標系是我國早期基礎地理信息數(shù)據通常采用的大地坐標系統(tǒng)，是二維的非地心坐標系，制約了地理信息數(shù)據的精確表達和各種先進空間技術的廣泛應用。地方獨立坐標系是各個地方根據自己的實際需求建立的坐標系，適用于局部特定區(qū)域，地理信息數(shù)據的精度較高但不利于數(shù)據交換和共享。2000國家大地坐標系是我國當前最新的國家大地坐標系，是一個高精度的、以地球質量中心為原點、動態(tài)、實用、統(tǒng)一的大地坐標系[11-12]。

1.3 數(shù)據結構差異

由于數(shù)據生產時所采用的數(shù)據標準不同，不同矢量數(shù)據的數(shù)據結構存在著較大差異，主要表現(xiàn)在圖層劃分和圖層屬性結構兩個方面。矢量數(shù)據中的圖層是相似的地理要素的分組，并按照要素類別特征與幾何形態(tài)進行分層與命名，由于不同數(shù)據標準對地理要素分類分級的方法不同，導致不同矢量數(shù)據中的圖層分層與命名方式不同。以道路類地理要素為例，其在1:5萬DLG、1：1萬DLG、地理國情普查、天地圖框架數(shù)據中的圖層劃分如表1所示。

表1 道路類地理要素圖層劃分

屬性是用于描述地理要素的質量、數(shù)量、分類、性質等特征的描述性信息，受矢量數(shù)據建設目標、應用需求等原因影響，不同數(shù)據標準對地理要素特征屬性的選取也不相同，從而導致了不同矢量數(shù)據相同圖層的屬性結構也存在著差異，以道路線圖層為例，其在不同數(shù)據中的圖層屬性結構如表2所示。

表2 道路線狀圖層屬性結構

1.4 數(shù)據內容差異

同樣由于數(shù)據標準的原因，不同矢量數(shù)據在數(shù)據內容方面也存在著較大差異，主要表現(xiàn)在要素差異和要素屬性差異兩個方面。

要素差異包括要素幾何特征差異和要素選取差異。要素幾何特征差異是指同一地理要素在不同矢量數(shù)據中使用不同幾何形態(tài)的幾何對象進行表達。如“河流流向、溝渠流向”要素在一些矢量數(shù)據中以有向點的方式進行表達，而在另一些矢量數(shù)據中則通過定長的有向線進行表達。要素選取差異是指由于選取指標、采集要求等不同導致不同矢量數(shù)據中的要素個數(shù)和內容的差異。如一些沿海地區(qū)的矢量數(shù)據中會有海洋要素，而內陸地區(qū)則沒有海洋要素。

要素屬性差異包括屬性概念差異和屬性內容差異。屬性概念差異是指同一個屬性概念在不同矢量數(shù)據中采用不同的表示語言或數(shù)據格式而導致的差異，如要素分類代碼字段在不同矢量數(shù)據中采用“GB”、“CC”、“CODE”、“CLASID”等名稱，字段格式有“長整型”或“文本型”。屬性內容差異是指同一個屬性概念在不同矢量數(shù)據中采用不同的內容值域而導致的差異。如等級字段在一些矢量數(shù)據中的值域為“一等”、“二等”、“三等”，在另一些矢量數(shù)據中則使用“1”、“2”、“3”進行表示。

數(shù)據結構和數(shù)據內容差異是異構矢量數(shù)據差異中的主要差異，同時也是數(shù)據轉換中需要重點處理的內容。

2 異構矢量數(shù)據映射工具設計

在異構矢量數(shù)據差異分析的基礎上，進行異構矢量數(shù)據映射工具關鍵環(huán)節(jié)的設計，主要包括數(shù)據結構獲取、數(shù)據映射關系建立、數(shù)據映射關系存儲、數(shù)據內容轉換等內容。

2.1 數(shù)據結構獲取設計

數(shù)據結構獲取是建立數(shù)據映射關系的前提。數(shù)據結構獲取的方式設計有兩種：讀取數(shù)據模板文件和用戶自定義。讀取數(shù)據模板文件是通過讀取實際矢量數(shù)據，從中獲取其結構信息。用戶自定義是用戶根據數(shù)據標準創(chuàng)建矢量數(shù)據的結構信息，包括圖層名稱、圖層幾何類型、圖層屬性結構(屬性字段的名稱、類型、長度、是否允許為空)等內容。

2.2 數(shù)據映射關系建立設計

數(shù)據映射關系本質上是數(shù)據對象的數(shù)據模式間的映射關系，它是數(shù)據映射中最為核心和復雜的部分[13]。數(shù)據映射關系的內容包括圖層關系、屬性字段關系、屬性內容關系，數(shù)據映射關系的類型包括無對應關系、一對一關系、一對多關系、多對一關系、多對多關系[14]?？紤]到數(shù)據映射關系內容較多，類型又較為復雜，如果采用傳統(tǒng)的Excel或文本對照表的方式，一則不形象直觀，二則有可能會產生遺漏和錯誤。因此為了使用戶能夠簡便、準確的建立起映射關系，需要設計一種形象直觀的方法，為此進行如下設計：將兩種異構矢量數(shù)據的數(shù)據結構中的圖層、屬性字段以類似目錄樹的方式進行顯示，用戶只需在節(jié)點之間進行連線，便可建立起映射關系。對于屬性內容關系的建立則繼續(xù)沿用對照表的方式。

圖1 映射關系示例

2.3 數(shù)據映射關系文件設計

數(shù)據映射關系建立后(見圖1)，需要將其轉化為計算機可讀取、人工能編輯維護的文件，以便能夠進行應用。XML是一種用于標記電子文件使其具有結構性的標記語言，具有異構性、可擴展性、靈活性、平臺無關性的特點，能夠更準確地搜索內容，更方便地傳輸內容，更好地描述事物[15]。因此選擇將數(shù)據映射關系保存為XML文件，并設計如下的數(shù)據結構。

圖層1，幾何類型

映射圖層1，幾何類型

屬性字段1，字段類型1，字段長度1，映射屬性字段1，映射字段類型1，映射字段長度1

屬性字段2，字段類型2，字段長度2，映射屬性字段2，映射字段類型2，映射字段長度2

……

屬性字段，字段值1，映射字段值1

屬性字段，字段值2，映射字段值2

……

圖層2，幾何類型

映射圖層2，幾何類型

屬性字段1，字段類型1，字段長度1，映射屬性字段1，映射字段類型1，映射字段長度1

……

在兩種異構矢量數(shù)據間建立數(shù)據映射關系，形成數(shù)據映射關系XML文件，如圖2所示。

圖2 XML文件示例

2.4 數(shù)據內容轉換設計

數(shù)據內容轉換是在數(shù)據映射關系文件的基礎上對實際矢量數(shù)據進行轉換處理。由于數(shù)據映射關系文件包含了兩種異構矢量數(shù)據間的完整對照關系，為了方便用戶對數(shù)據內容進行選擇和過濾，數(shù)據映射工具需要支持數(shù)據文件、圖層、屬性字段、地理要素等4個層次的選擇和過濾，為此做如下設計：將需要處理的數(shù)據文件、圖層、屬性字段以列表的方式進行顯示，用戶通過勾選的方式實現(xiàn)選擇和過濾，對于地理要素的選擇和過濾，則通過屬性選擇的方式進行實現(xiàn)。

3 異構矢量數(shù)據映射工具實現(xiàn)

按照上述關鍵環(huán)節(jié)的設計，利用ArcGIS Engine相關組件，在Visual Studio開發(fā)環(huán)境下進行異構矢量數(shù)據映射工具的實現(xiàn)。

3.1 工具的功能模塊

異構矢量數(shù)據映射工具的主要功能模塊由數(shù)據結構、數(shù)據關系、數(shù)據映射3部分組成，數(shù)據結構用于獲取兩種異構矢量數(shù)據的數(shù)據結構，包含“讀取模板文件”、“用戶自定義模板”兩個命令。數(shù)據關系用于建立兩種異構矢量數(shù)據間的關系，包含“建立映射關系”、“讀取映射關系文件”、“保存映射關系文件”3個命令。數(shù)據映射用于實際矢量數(shù)據的轉換，包含“數(shù)據轉換”和“系統(tǒng)配置”兩個命令。工具的功能模塊及邏輯流程如圖3—圖4所示。

3.2 工具的開發(fā)實現(xiàn)

圖3 工具的功能模塊

圖4 工具的邏輯流程

ArcEngine是ESRI公司推出的可用于構建定制應用的一個完整的嵌入式的GIS組件庫。其中有3000多個對象可供開發(fā)人員調用，為開發(fā)人員集成了大量的GIS功能，可以針對GIS解決方案快速地搭建應用平臺[16]。異構矢量數(shù)據映射工具采用基于ArcEngine二次開發(fā)的方式，在Visual Studio開發(fā)環(huán)境下建立工程，利用MapControl、TocControl、ToolbarControl等控件，IWorkspaceFactory、IFeature、IGeometry、IField等相關接口，按照圖3所示的功能模塊與圖4所示的邏輯流程編寫相關代碼，編譯形成可執(zhí)行文件，完成工具的開發(fā)實現(xiàn)。工具的部分界面如圖5所示。

4 實例驗證

將按照本文設計與實現(xiàn)的異構矢量數(shù)據映射工具應用于陜西省基礎地理信息數(shù)據與天地圖框架數(shù)據之間的數(shù)據轉換工作，其效果如圖6所示。實踐結果表明，映射工具能夠依據制定的映射關系進行圖層、屬性字段、屬性內容的轉換，在減少人工作業(yè)的同時能夠保證數(shù)據轉換的準確性，提升了數(shù)據轉換效率。

圖5 工具的部分界面

圖6 數(shù)據轉換結果

5 結 論

完善的工具是提高作業(yè)效率和質量的關鍵。本文針對異構矢量數(shù)據間相互轉換的問題，設計和實現(xiàn)一種異構矢量數(shù)據映射工具，并將其應用于陜西省基礎地理信息數(shù)據與天地圖框架數(shù)據之間的數(shù)據相互轉換，實踐結果表明，本文設計和實現(xiàn)的工具能夠減少數(shù)據轉換中的人工重復作業(yè)，轉換后的數(shù)據結構正確、內容完整，數(shù)據關系映射文件也具有一定的靈活性，同時保證異構矢量數(shù)據相互轉換的準確性，有效的解決了異構矢量數(shù)據相互轉換的問題，具有一定的參考價值。