論文基于空間數(shù)據(jù)引擎構(gòu)建GIS應(yīng)用

1、.基于空間數(shù)據(jù)引擎構(gòu)建GIS應(yīng)用劉宏建 牛德力解放軍信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院 河南鄭州 450052摘要：本文以利用空間數(shù)據(jù)引擎構(gòu)建GIS應(yīng)用為主要研究?jī)?nèi)容，從體系結(jié)構(gòu)、核心技術(shù)、工作流程等方面對(duì)該技術(shù)做了詳細(xì)介紹，又以MapInfo Spatialware為例，給出了基于MapInfo Spatialware構(gòu)建GIS應(yīng)用的解決方案。關(guān)鍵字：空間數(shù)據(jù)引擎、SpatialwareAbstract: The main content of the text is the building-up GIS application by using the Spatial Data Engine, whi

2、ch precisely describes its architecture, key-technology, work-flow and etc. And by instance of MapInfo Spatialware, it proposes the solution of the building-up GIS application on the basis of MapInfo Spatialware.1. 引言近年來，隨著關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與成熟，采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)來對(duì)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化存儲(chǔ)和管理，已經(jīng)成為商用GIS平臺(tái)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。全關(guān)系型的GIS軟件，利

3、用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)解決了空間數(shù)據(jù)的集中控制、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的共享、并發(fā)控制等問題，明顯地提高了GIS軟件管理空間數(shù)據(jù)的能力?？臻g數(shù)據(jù)引擎（Spatial Data Engine），實(shí)質(zhì)上就是基于商用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫(kù)，以提供空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理能力的系統(tǒng)。本論文將對(duì)利用空間數(shù)據(jù)引擎構(gòu)建GIS應(yīng)用的一些關(guān)鍵技術(shù)作一下深入的探討。2. 體系結(jié)構(gòu)圖 1 基于空間數(shù)據(jù)引擎構(gòu)造GIS應(yīng)用的系統(tǒng)部署圖基于空間數(shù)據(jù)引擎的GIS應(yīng)用系統(tǒng)，可劃分為三個(gè)層次：前臺(tái)客戶端、中間層應(yīng)用服務(wù)器和后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。前臺(tái)的客戶端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示、與用戶的交互等工作，它可以是一般的應(yīng)用程序也可以是Web Browser（瀏覽器）

4、。最底層是數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，它可以是不同的數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品，也有可能運(yùn)行在異構(gòu)的操作系統(tǒng)上面，該層又可以稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層?？臻g數(shù)據(jù)引擎屬于應(yīng)用服務(wù)器層，它向高層的客戶端應(yīng)用提供一套統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)訪問機(jī)制，屏蔽掉低層異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)和操作系統(tǒng)的差異；中間層應(yīng)用服務(wù)器按照需求還可以包括Web服務(wù)器、Web地圖服務(wù)器等。中間層應(yīng)用服務(wù)器的作用是：封裝業(yè)務(wù)邏輯、處理Web客戶端的請(qǐng)求、執(zhí)行空間查詢，從數(shù)據(jù)庫(kù)獲得數(shù)據(jù)并返回給客戶端。由于空間數(shù)據(jù)引擎在整個(gè)系統(tǒng)中的核心地位和作用，下面將對(duì)空間數(shù)據(jù)引擎的關(guān)鍵技術(shù)作一下探討。3. 空間數(shù)據(jù)引擎核心技術(shù)剖析(1) 概述在OpenGIS體系結(jié)構(gòu)中，將共享領(lǐng)域服務(wù)分為了15類，共享域

5、服務(wù)的15種基礎(chǔ)服務(wù)反映的是一些基本的、重要的空間數(shù)據(jù)操作功能，例如空間數(shù)據(jù)建模、空間實(shí)體操作、空間查詢、地圖影像操作、坐標(biāo)系管理等?？臻g數(shù)據(jù)引擎將空間實(shí)體操作、圖層管理、數(shù)據(jù)交換、空間參考系等核心功能集成起來，對(duì)外提供調(diào)用接口，在構(gòu)造地圖顯示、地圖數(shù)據(jù)編輯、空間分析、數(shù)據(jù)交換等外部系統(tǒng)時(shí)，就可以直接對(duì)空間數(shù)據(jù)引擎的功能接口進(jìn)行操作，從而使外部系統(tǒng)自動(dòng)獲得空間數(shù)據(jù)操作的基本功能。從空間數(shù)據(jù)引擎構(gòu)成上考慮，它由空間對(duì)象結(jié)構(gòu)、空間索引和空間函數(shù)三大部分構(gòu)成。(2) 空間對(duì)象結(jié)構(gòu)圖2 Spatialware空間對(duì)象結(jié)構(gòu)空間對(duì)象結(jié)構(gòu)是空間數(shù)據(jù)引擎的基石，它要解決的是地理數(shù)據(jù)如何表達(dá)的問題?？臻g對(duì)象結(jié)構(gòu)

6、決定了空間數(shù)據(jù)引擎能表示什么，不能表示什么，空間對(duì)象結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，很大程度上決定了空間數(shù)據(jù)引擎的好壞。以MapInfo Spatialware為例（圖1給出了Spatialware的空間對(duì)象結(jié)構(gòu)圖），ST_Spatial是所有空間數(shù)據(jù)類型的基類，在Spatialware For SQL Server中，它是這樣定義的：EXEC sp_addtype N'ST_Spatial', N'image', N'null'由上可以看出，SP_Spatial也就是BLOB類型（大二進(jìn)制對(duì)象塊），只是換個(gè)名字而已。Spatialware以SP_Spatial為基

7、類，又派生出了ST_Point，ST_Line，ST_Polygon等一系列空間數(shù)據(jù)類型，空間實(shí)體的生成，則要由空間函數(shù)來完成。(3) 空間函數(shù)空間函數(shù)所要解決的是如何操縱空間數(shù)據(jù)與空間分析的問題，它實(shí)質(zhì)上是對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)查詢語言（SQL, Structure Query Language）的一種擴(kuò)充，對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行功能擴(kuò)展以適用于空間數(shù)據(jù)。下面是Spatialware中幾種比較重要的空間函數(shù)n 空間實(shí)體構(gòu)造函數(shù) 用于創(chuàng)建空間對(duì)象結(jié)構(gòu)中定義的空間實(shí)體。n 空間聚合函數(shù) 對(duì)空間數(shù)據(jù)構(gòu)成的一個(gè)行集（Rows）進(jìn)行各種方式的計(jì)算，比如：HG_Aggunion函數(shù)，用來對(duì)多個(gè)空間實(shí)體求并，返回值是

8、多個(gè)空間實(shí)體的并集；HG_Aggintersection對(duì)空間實(shí)體求交集；HG_Aggboundingbox求一組空間實(shí)體的最小矩形外包等等。n 類型轉(zhuǎn)換函數(shù) 用于Spatialware定義的空間數(shù)據(jù)類型和OGC（Open GIS Consrotinum）規(guī)定的各種數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換。如；HG_AsBinary將ST_Spatial類型轉(zhuǎn)換為OGC定義的Binary類型HG_GeometryFromBinary將OGC定義的Binary類型轉(zhuǎn)換為ST_Spatial類型。n 坐標(biāo)函數(shù) 用于對(duì)空間參考系統(tǒng)（大地橢球、地圖投影）進(jìn)行處理，在該部分，只有一個(gè)函數(shù)HG_CSTransform如下：HG_C

9、STransform(spatial_obj, from_cs, to_cs)該函數(shù)將空間實(shí)體（spatial_obj）從源坐標(biāo)系（from_cs），轉(zhuǎn)換到目的坐標(biāo)系（to_cs）中。n 空間量算函數(shù) 對(duì)空間實(shí)體進(jìn)行各種量算，如計(jì)算長(zhǎng)度、面積、坡度、高程、方位角。n 空間查詢函數(shù) 該部分最重要的函數(shù)是sp_spatial_query，它的功能極其強(qiáng)大，涉及到空間查詢的各種形式。如：exec sp_spatial_query select ID, ST_Area(sw_geometry) as area from land_use order by area該代碼執(zhí)行空間查詢，從土地利用表中查詢

10、土地編號(hào)和地塊面積，并按面積大小排序。(4) 空間索引空間索引要解決的問題是如何快速的找到指定的空間實(shí)體，它依據(jù)空間實(shí)體的位置及分布特征，將整個(gè)區(qū)域的空間實(shí)體用某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織起來，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含該對(duì)象的標(biāo)志信息和獲得該對(duì)象地址所需要的一些信息。在MapInfo Spatialware中，采用的是R樹索引機(jī)制。R樹索引是根據(jù)地物的最小外包矩形建立的，R樹中每一結(jié)點(diǎn)N都對(duì)應(yīng)著磁盤頁(yè)D(N)和空間區(qū)域I(N)，如果結(jié)點(diǎn)不是葉結(jié)點(diǎn)，則該結(jié)點(diǎn)的所有子結(jié)點(diǎn)的區(qū)域都在I(N)范圍內(nèi)，而且存儲(chǔ)在磁盤頁(yè)D(N)中；如果結(jié)點(diǎn)是葉結(jié)點(diǎn)，那么磁盤頁(yè)D(N)中存儲(chǔ)的將是區(qū)域I(N)范圍內(nèi)的一系列空間實(shí)體的最小外包矩

11、形。在Spatialware中，對(duì)一個(gè)圖層建立空間索引的方法如下：exec sp_sw_create_rtree'<owner>', '<table_name>', '<spatial_column>','<key_column>'4. 基于MapInfo Spatialware的解決方案基于Spatialware的GIS應(yīng)用，要考慮兩個(gè)問題：一個(gè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建立；另一個(gè)問題是要考慮客戶端采用什么技術(shù)方案，應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)。(1) 空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，和數(shù)據(jù)的來源緊密相關(guān)，

12、其實(shí)質(zhì)就是將用戶的各種數(shù)據(jù)導(dǎo)入空間數(shù)據(jù)庫(kù)，使其空間化（Spatialize），為后續(xù)系統(tǒng)開發(fā)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在這個(gè)過程中，首先用戶要建立自己的數(shù)據(jù)庫(kù)，然后將數(shù)據(jù)庫(kù)空間化，即執(zhí)行存儲(chǔ)過程sp_spatialize_db，該存儲(chǔ)過程使數(shù)據(jù)庫(kù)空間化，并自動(dòng)生成元數(shù)據(jù)表MAPINFO_MAPCATLOG。然后，在空間化過的數(shù)據(jù)庫(kù)中，創(chuàng)建空間表并將其中的地理數(shù)據(jù)列空間化.舉例如下：create database test_spatialwareexec sp_spatialize_dbcreate table testcon ( sw_member integer not null unique,sw_g

13、eometry st_spatial )建立空間數(shù)據(jù)表后，可以向該表中插入數(shù)據(jù)。最后，對(duì)該表建立空間索引（R樹索引），就可以在客戶端執(zhí)行各種空間操作了。(2) 客戶端應(yīng)用的設(shè)計(jì)客戶端是和用戶交互的接口，在MapInfo的整體解決方案中，可以采用MapBasic作為客戶端進(jìn)行開發(fā)，也可以采用MapX作為客戶端進(jìn)行開發(fā)，兩者各有優(yōu)劣。采用MapX作為客戶端，可以完全脫離MapInfo Professional環(huán)境，非常便于和管理信息系統(tǒng)（MIS）的集成.MapX和Saptialware的集成開發(fā)，實(shí)質(zhì)上是MapX將空間數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)加載到它的Layers和Datasets中，進(jìn)行各種地圖操作、專題

14、制圖、空間分析等。將空間數(shù)據(jù)加載到MapX圖層中，是通過LayerInfo對(duì)象實(shí)現(xiàn)的,下面給出了加載地圖圖層，并實(shí)現(xiàn)地圖自動(dòng)標(biāo)注的代碼：Sub LoadMapData()Dim LayerInfo As New MapXLib.LayerInfo LayerInfo.Type = miLayerInfoTypeServerLayerInfo.AddParameter "Name", "zz_admin"LayerInfo.AddParameter "ConnectString", DSN=zz_lyxt;UID=sa;river=SQ

15、L Server"LayerInfo.AddParameter "query", "Select * from zz_admin"LayerInfo.AddParameter "cache", "on"LayerInfo.AddParameter "MBRSearch", "on"LayerInfo.AddParameter "toolkit", "ODBC"LayerInfo.AddParameter "AutoC

16、reateDataset", 1LayerInfo.AddParameter "datasetname", "zz_admin"MapMain.Layers.Add LayerInfo, 1Set ds = MapMain.Datasets("zz_admin")Set MapMain.Layers("zz_admin").LabelProperties.Dataset = dsSet MapMain.Layers("zz_admin").LabelProperties.DataField=”名稱”MapMain.Layers("zz_admin").AutoLabel = TrueMapMain.Layers("zz_admin").Selectable = TrueMapMain.Layers("zz_admin ").RefreshMapMain.A