“遼金古城”遺址空間數據模型構建與融合式檢索研究

張 宇，李遠華，劉嘉宸，徐 達，蔡德森

（吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026）

遼金文化發源于東北地區，殘留了眾多遼金古城遺址，保存著上千年的歷史，是極其寶貴的文化資源。對遼金古城遺址空間信息的研究和建設，對東北地區旅游資源的開發、增強文化自信具有積極作用。遼金古城遺址作為特色文化資源，其空間結構、文史信息都具有重要的文化價值。以往的學者在遼金古城遺址考古、空間數據調查、文化信息挖掘方面開展了諸多研究[1-5]。但是由于東北遼金文化尚屬小眾文化，對古城遺址結構多為總結性研究，對離散分布古城主要采用簡單的點狀數據和結構素描圖進行展示[4]，對每個古城的空間信息缺乏專業的GIS表現技術和管理手段[6]，沒有針對性的空間數據模型，影響了遼金古城遺址信息化建設和管理。

因為遼金古城結構復雜，類型多樣，其內部具有差異化的空間結構，對其進行個體化的展現就離不開有針對性的空間數據模型和空間管理技術。因此，如何根據古城特點，構建恰當的空間數據模型，并提出有針對性的古城信息管理與查詢技術是一個值得研究的問題。

空間數據模型的建立需要明確對象的空間拓撲關系、框架圖形表達、屬性結構和空間數據集的組織問題，因此，本文在古城空間特征分析的基礎上，從以上幾個方面構建古城空間數據模型。每個古城都由復雜多樣的矢量圖形構成，如果采用傳統形式，文件雜亂且難以管理，空間數據庫能將矢量圖進行封閉式管理，因此，為每個古城構建一個空間數據庫，即能解決上述問題，開展離散式的數據庫技術研究，從而解決綜合的管理與查詢問題。本文即是圍繞上述關鍵問題開展研究。

1 技術路線

本文的技術思路：首先，收集遼金古城遺址遙感數據，為古城結構分析和空間提取奠定數據基礎；其次，從空間結構、空間要素特性和數據管理需求等方面對古城要素進行分類，分析其空間結構；之后，以古城空間結構為依據，分析古城要素拓撲關系和對應的圖形表達，并按照古城要素特性構建屬性結構，結合古城空間結構層次組織各要素類，完成古城空間模型的構建；然后，對于古城空間模型的管理，建立個體和整體古城空間數據庫，并分別設計屬性查詢、數據修改和空間顯示與統計方案，將個體和整體古城空間數據實現聯動管理；最后，基于古城空間模型實例化古城對象，對古城空間模型和古城管理系統進行應用與分析，實現對古城空間數據統一、集成式的管理（圖1）。

圖1 技術路線圖

2 遼金古城的空間結構分析

由于古城是一個要素眾多的集合，需要對古城的結構進行分析，明確古城的空間結構，為古城空間數據模型的建立提供依據。

從整體形態上看，遼金古城形態、種類多樣，按面積大小可分為特大型、大型、中型和小型城址4 種，依據平面形狀不同可分為4 個亞型：長方形、正方形、四邊形和不規則形城址[7]。古城遺址四周被殘缺的城墻環繞，多呈現“口”字形，部分古城具有“日”字形雙城結構或“回”字形的內外城結構。

從結構上看，遼金古城在水平方向主要由夯土、砌石構成防御城墻體，墻體上窄下寬，城門和城防設備鑲嵌在城墻體之上或與之緊密結合；古城內部結構同樣復雜，設施種類眾多，城墻和交通設施構成了古城遺址的基本框架，殘存的城墻分段離散，由內外城墻線包圍封閉形成；古城交通設施包括城門和主干道路，城門嵌入城墻，表現為殘存城墻的缺口，狹長的主干道路連接各城門。內城區被城墻環繞包圍，并被主干道路分割。對于城防設施，馬面、角臺分別在城墻外圍和拐角處，甕城與城門位置重合，包含城門。古城內部建筑大多消失殆盡，被現代耕地和建筑替代[8-9]。

3 古城空間模型

遼金古城遺址形態各異，但建筑布局具有共性?？梢酝ㄟ^分析遺址要素之間的拓撲關系以及空間特征，結合要素之間的層次結構，從古城的空間圖形結構、屬性結構和數據組織結構3 個方面構建古城空間模型，為集成式管理古城空間數據奠定理論基礎。

3.1 古城空間圖形結構

古城范圍數據標識古城存在的區域，以略大于古城面積的矩形面要素表示；古城位置以遺址中心為代表，在大范圍展示古城遺址分布時，用點要素表示；城墻內外邊界圍繞古城，確定了古城形狀和范圍，為線要素；城墻面被城墻內外邊界線包含，以面要素表示；城門、馬面、角臺及甕城附著于城墻，以點要素分布在城墻不同位置；主干道路在古城內部，與城墻相交，端點連接城門，呈線狀，有一定寬度，用面要素表示。城內各要素以不規則區域分布在內城區，用面要素表示（圖2）。

圖2 古城空間結構概念圖

3.2 屬性結構

屬性數據即非空間數據，是要素必要的空間特征描述。古城的共性信息（如古城名、坐標點等）通過古城范圍要素的屬性字段表示。然后，依據每一個古城矢量要素的文化內涵與空間圖形特征設計相應的屬性字段，并且每個要素用一個編號字段標志其所屬的古城。例如古城范圍要素集有古城區域（面狀）和古城位置點（點狀）2 個要素類，古城區域的屬性字段有：古城編號（int）、古城名（char）、經度Px（decimal）、緯度Py（decimal）、古城類別（char）、殘存度（%）（int）。

3.3 數據組織結構

古城遺址各要素離散而有聯系，需要對數據集成封裝?？衫肁rcGIS Geodatabase 空間數據庫實現古城空間數據模型。對單個古城對象，新建一個Geodatabase 數據庫，按照古城空間結構組織古城要素集和對應要素類，構建古城空間層次關系，并建立各要素類的屬性結構。對古城遺址空間信息提取時，要素類保存提取的古城空間幾何數據，并添加對應屬性值。

4 古城空間數據集成管理與分析技術

作為一個整體，古城可被視作獨立的對象，而這些獨立的對象又構成了新的數據集，可單獨建立集成數據庫存儲管理整體古城信息，并分別設計數據庫的屬性查詢、數據修改和空間顯示與統計方案，從而實現個體和集成古城空間數據庫的交互管理。

4.1 數據存儲模式

對于個體古城空間數據的存儲，可將單個古城視作獨立的對象。按照古城空間數據模型，古城提取的結果是一個獨立的空間數據庫，代替繁雜的圖層文件，具有封裝性和統一空間坐標系。數據庫文件存儲在程序指定的文件夾下，可通過文件名檢索古城，便于管理、儲存和共享古城遺址圖層數據。由于古城數據之間相互獨立，因此對單個古城數據庫的操作不會影響其他數據庫，從而實現了面向對象的古城空間數據管理。

集成古城空間數據存儲方案的關鍵在于提取古城遺址的共性特點，因此可以單獨建立古城信息數據庫，以管理古城遺址的相關描述和位置坐標等宏觀屬性信息。在初始化時，可通過循環連接個體古城數據庫，導入對應古城屬性信息，以此實現封裝性和數據共享。

4.2 屬性查詢模式

針對個體古城空間數據庫的查詢，個體古城空間數據庫以一個Geodatabase 數據庫文件形式存儲，因此，打開古城數據庫所在文件夾，通過古城名稱檢索數據庫文件，運用C#+OLEDB 空間數據庫技術，連接古城空間數據庫，訪問其屬性信息。每個要素類即是一張關系表，通過Select 語句，可查詢單個古城的空間數據。

而對于集成空間數據庫，古城信息數據庫中記錄古城宏觀屬性數據，與個體空間數據庫中的空間數據分別存儲，在不涉及古城空間幾何數據時，不再逐一連接古城空間數據庫，僅連接集成空間數據庫，直接對信息表中的古城信息查詢統計即可，從而提高程序運行效率。

4.3 空間數據修改策略

個體古城數據的修改可以直接通過ArcGIS 數據平臺編輯，在要素類的編輯狀態下手動修改屬性表，部分屬性值可通過幾何計算自動更改，如面積、周長等幾何屬性；也可以在古城所在文件夾內，檢索目標古城，通過OLEDB 語句連接古城數據庫，運用Update 語句修改其中的屬性信息；修改后在集成數據庫內部連接該古城空間數據庫，將古城相應屬性更新至集成數據庫，實現與古城信息表的聯動管理。

集成數據庫的數據修改可以通過連接古城信息表由程序直接進行，對各獨立的古城空間數據庫進行動態連接。連接集成數據庫后，依據權限對古城信息進行訪問修改。同時總庫的修改也會涉及子庫數據的更新，因此需要根據所修改的古城對應編號，訪問該古城空間數據庫，更新相應數據集下的空間數據。

4.4 空間查詢與顯示

由于遼金古城遺址是空間化數據，因此需要考慮其空間特征。古城本身是具有獨特空間結構和組成要素的實體。對于整體古城數據來說，由于其數量多、分布廣泛，可以被視為空間中的點狀數據。因此，在解決遼金古城遺址的空間查詢和顯示問題時，需要從個體和整體古城數據的角度進行考慮。

本文基于C#和ArcGIS Engine 二次開發技術實現古城遺址的空間查詢與顯示。其中，查詢系統中使用了地圖控件（MapControl）用于空間圖形和查詢結果的顯示，同時通過窗體中的DataGridView、TextBox、Chart 等控件顯示空間查詢的數量和統計值。算法的具體實現思路如下：首先，運用ArcGIS Engine 數據連接方法打開對應古城的Geodatabase 空間數據庫；然后，定義空間查詢過濾器對象（ISpatialFilter），并為其設定WhereClause（sql 查詢語句）、Geometry（查詢的空間范圍）、SpatialRel（給定范圍與查詢對象的空間關系）等參數；最后，執行的結果將存儲在內存變量中，并通過地圖控件與之關聯和顯示，從而實現空間數據的查詢。整體空間查詢對象和結果均為該古城的點狀數據，個體查詢結果將詳細顯示該古城的空間結構，并以高亮方式呈現查詢結果。

5 應用與分析

根據前期提取的古城信息，依據模型要求和建模步驟，完成了6 個具有代表性的古城空間數據提?。▓D3），并基于本文古城空間模型創建了空間數據庫（圖4），形成了測試數據集；然后，用C#+數據庫技術，將6 個獨立的古城空間數據庫進行邏輯連接，同時構建了古城信息總數據庫（Total.mdb）用于管理所有古城的基本信息；最后，對于基本信息的查詢與修改，通過Select、Update 等SQL語句實現，如果古城數據發生修改，采用Update 方法更新相應個體古城數據庫；針對個體古城進行詳細的信息查詢、屬性修改、數據增加等操作，可通過循環連接數據庫的SQL 語句實現，其中涉及空間數據的修改可通過ArcGIS 等空間數據處理平臺完成，初步實現了古城數據的一體化管理（圖5）。

圖3 提取效果圖

圖4 古城空間數據庫模型

圖5 程序運行圖

6 結論

本文針對遼金古城空間信息的集成化管理，建立了古城空間數據模型，并提出了面向對象的古城空間數據管理方法，同時開展了古城空間數據模型實踐和程序設計，取得了如下認識。

其一，要想體現出古城的內涵與復雜的空間信息，需要構建如下空間模型：古城多為方形，城墻構成古城的中外層骨架，內城墻線是古城內部空間的邊界線，角臺等主要城防設施附著于城墻外沿；利用線圖形反映古城主體框架，面圖形表現墻體、建筑或大型城防設施等，可用點圖形標志小型城防設施等重要部位，并為每種要素根據其內涵、文化描述構建相應屬性結構。采用空間數據庫多要素方法，集中管理數據，實現古城集成空間信息的管理。

其二，對古城空間數據的集成管理可以利用面向對象的方法，將古城看作獨立的對象，通過程序對文件、數據庫、SQL 語言進行融合式算法設計可實現個體、總體古城數據交互式查詢和管理。還可利用Visual Stadio C#+OLEDB+ArcEngine 的編程模式將整體與個體古城空間數據聯動，具體解決屬性查詢、數據修改和空間顯示與統計分析問題。

本文重點圍繞“遼金古城”遺址空間數據模型和集成管理技術開展研究，構建了空間數據模型，并提出了集成式管理技術的解決方案。然而由于遼金古城相關文化底蘊深厚，對古城空間或屬性信息的解讀水平受歷史、考古和文學等方面的知識、能力局限，因此在數據庫優化、系統設計和算法優化方面還有待深入的研究和探索。