張 標(biāo),陳 楠

(1.自然資源部陜西基礎(chǔ)地理信息中心，陜西 西安 710054；2.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

地理信息資源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化的重要內(nèi)容，隨著各級(jí)基礎(chǔ)測(cè)繪和地理國(guó)情普查等重大項(xiàng)目的開(kāi)展，各級(jí)測(cè)繪部門積累了大量矢量數(shù)據(jù)成果，并在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了重要作用[1-2]。但受到歷史原因、技術(shù)條件、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等因素的影響，這些矢量數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)格式、坐標(biāo)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)內(nèi)容等方面存在不同程度的差異[3-4]，這些差異導(dǎo)致矢量數(shù)據(jù)在整合處理和共享應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。針對(duì)異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)間相互轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，許多學(xué)者做了大量的研究工作，文獻(xiàn)[5]基于地理要素編碼實(shí)現(xiàn)了將CAD數(shù)據(jù)入庫(kù)到GeoDatabase數(shù)據(jù)庫(kù)，但該方法沒(méi)有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)過(guò)濾功能，造成轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)冗余。文獻(xiàn)[6]利用組件技術(shù)，研究了GIS數(shù)據(jù)與SuperMap數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，但該方法沒(méi)有對(duì)屬性字段進(jìn)行處理。文獻(xiàn)[7]通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)層的拆分與合并，提出了基于屬性字段的方法實(shí)現(xiàn)了Coverage格式與MDB格式的轉(zhuǎn)換，但該方法沒(méi)有實(shí)現(xiàn)屬性內(nèi)容的映射。文獻(xiàn)[8]研究了MapGIS數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。上述學(xué)者的研究工作在不同程度上解決了異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，但在通用性、全面性、靈活性方面還存在一定問(wèn)題。

因此，本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)映射工具，在充分分析異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)間數(shù)據(jù)格式、坐標(biāo)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)內(nèi)容等各種差異的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)映射工具關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獲取、數(shù)據(jù)映射關(guān)系建立、數(shù)據(jù)映射關(guān)系存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)內(nèi)容轉(zhuǎn)換等內(nèi)容。并利用ArcGIS Engine相關(guān)組件，在Visual Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行了工具實(shí)現(xiàn)，將所開(kāi)發(fā)的工具應(yīng)用于陜西省基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)與天地圖框架數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換。實(shí)踐結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)映射工具，能夠減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中的人工重復(fù)作業(yè)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)正確、內(nèi)容完整，在保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換質(zhì)量的同時(shí)，有效提升了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效率。

1 異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)差異分析

受到歷史原因、技術(shù)條件、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等因素的影響，不同矢量數(shù)據(jù)存在不同程度的差異，主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)格式、坐標(biāo)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)內(nèi)容等方面。

1.1 數(shù)據(jù)格式差異

由于歷史技術(shù)條件、數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式等原因影響，不同矢量數(shù)據(jù)的成果格式不盡相同，常見(jiàn)的矢量數(shù)據(jù)格式主要包括ESRI的Coverage、Shapefile、Geodatabase、AutoCAD以及各類GIS平臺(tái)軟件數(shù)據(jù)格式，Coverage格式(*.E00)是早期的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，要素的空間信息和屬性信息記錄較為完整，并具有嚴(yán)格的要素拓?fù)潢P(guān)系。Shapefile格式(*.shp)是簡(jiǎn)單的面向GIS的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，要素的空間信息和屬性信息分離存儲(chǔ)，不存儲(chǔ)拓?fù)潢P(guān)系。Geodatabase格式(*.mdb、*.gdb)是面向GIS實(shí)體對(duì)象的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，可利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，是當(dāng)前的主流數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式。AutoCAD格式(*.dwg、*.dxf)是非面向GIS對(duì)象的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，偏向于制圖表達(dá)，僅存儲(chǔ)要素的空間定位信息，缺少拓?fù)浜蛯傩躁P(guān)聯(lián)。目前主流GIS平臺(tái)軟件數(shù)據(jù)格式基本上是面向GIS實(shí)體對(duì)象的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，如Geoway軟件的gwp格式、MapGIS軟件的mpj格式[9-10]。

1.2 坐標(biāo)系統(tǒng)差異

同樣由于歷史原因，不同矢量數(shù)據(jù)采用的坐標(biāo)系統(tǒng)也不盡相同，主要包括1954年北京坐標(biāo)系、1980年西安坐標(biāo)系、2000國(guó)家大地坐標(biāo)系、地方獨(dú)立坐標(biāo)系。1954年北京坐標(biāo)系和1980年西安坐標(biāo)系是我國(guó)早期基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)通常采用的大地坐標(biāo)系統(tǒng)，是二維的非地心坐標(biāo)系，制約了地理信息數(shù)據(jù)的精確表達(dá)和各種先進(jìn)空間技術(shù)的廣泛應(yīng)用。地方獨(dú)立坐標(biāo)系是各個(gè)地方根據(jù)自己的實(shí)際需求建立的坐標(biāo)系，適用于局部特定區(qū)域，地理信息數(shù)據(jù)的精度較高但不利于數(shù)據(jù)交換和共享。2000國(guó)家大地坐標(biāo)系是我國(guó)當(dāng)前最新的國(guó)家大地坐標(biāo)系，是一個(gè)高精度的、以地球質(zhì)量中心為原點(diǎn)、動(dòng)態(tài)、實(shí)用、統(tǒng)一的大地坐標(biāo)系[11-12]。

1.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異

由于數(shù)據(jù)生產(chǎn)時(shí)所采用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不同，不同矢量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存在著較大差異，主要表現(xiàn)在圖層劃分和圖層屬性結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面。矢量數(shù)據(jù)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(jìn)行分層與命名，由于不同數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地理要素分類分級(jí)的方法不同，導(dǎo)致不同矢量數(shù)據(jù)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(wàn)DLG、1：1萬(wàn)DLG、地理國(guó)情普查、天地圖框架數(shù)據(jù)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(zhì)量、數(shù)量、分類、性質(zhì)等特征的描述性信息，受矢量數(shù)據(jù)建設(shè)目標(biāo)、應(yīng)用需求等原因影響，不同數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地理要素特征屬性的選取也不相同，從而導(dǎo)致了不同矢量數(shù)據(jù)相同圖層的屬性結(jié)構(gòu)也存在著差異，以道路線圖層為例，其在不同數(shù)據(jù)中的圖層屬性結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 道路線狀圖層屬性結(jié)構(gòu)

1.4 數(shù)據(jù)內(nèi)容差異

同樣由于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的原因，不同矢量數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)內(nèi)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(gè)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(jù)中使用不同幾何形態(tài)的幾何對(duì)象進(jìn)行表達(dá)。如“河流流向、溝渠流向”要素在一些矢量數(shù)據(jù)中以有向點(diǎn)的方式進(jìn)行表達(dá)，而在另一些矢量數(shù)據(jù)中則通過(guò)定長(zhǎng)的有向線進(jìn)行表達(dá)。要素選取差異是指由于選取指標(biāo)、采集要求等不同導(dǎo)致不同矢量數(shù)據(jù)中的要素個(gè)數(shù)和內(nèi)容的差異。如一些沿海地區(qū)的矢量數(shù)據(jù)中會(huì)有海洋要素，而內(nèi)陸地區(qū)則沒(méi)有海洋要素。

要素屬性差異包括屬性概念差異和屬性內(nèi)容差異。屬性概念差異是指同一個(gè)屬性概念在不同矢量數(shù)據(jù)中采用不同的表示語(yǔ)言或數(shù)據(jù)格式而導(dǎo)致的差異，如要素分類代碼字段在不同矢量數(shù)據(jù)中采用“GB”、“CC”、“CODE”、“CLASID”等名稱，字段格式有“長(zhǎng)整型”或“文本型”。屬性內(nèi)容差異是指同一個(gè)屬性概念在不同矢量數(shù)據(jù)中采用不同的內(nèi)容值域而導(dǎo)致的差異。如等級(jí)字段在一些矢量數(shù)據(jù)中的值域?yàn)椤耙坏取薄ⅰ岸取?、“三等”，在另一些矢量?shù)據(jù)中則使用“1”、“2”、“3”進(jìn)行表示。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)內(nèi)容差異是異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)差異中的主要差異，同時(shí)也是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中需要重點(diǎn)處理的內(nèi)容。

2 異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)映射工具設(shè)計(jì)

在異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)差異分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)映射工具關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，主要包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獲取、數(shù)據(jù)映射關(guān)系建立、數(shù)據(jù)映射關(guān)系存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)內(nèi)容轉(zhuǎn)換等內(nèi)容。

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獲取設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獲取是建立數(shù)據(jù)映射關(guān)系的前提。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獲取的方式設(shè)計(jì)有兩種：讀取數(shù)據(jù)模板文件和用戶自定義。讀取數(shù)據(jù)模板文件是通過(guò)讀取實(shí)際矢量數(shù)據(jù)，從中獲取其結(jié)構(gòu)信息。用戶自定義是用戶根據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建矢量數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)信息，包括圖層名稱、圖層幾何類型、圖層屬性結(jié)構(gòu)(屬性字段的名稱、類型、長(zhǎng)度、是否允許為空)等內(nèi)容。

2.2 數(shù)據(jù)映射關(guān)系建立設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)映射關(guān)系本質(zhì)上是數(shù)據(jù)對(duì)象的數(shù)據(jù)模式間的映射關(guān)系，它是數(shù)據(jù)映射中最為核心和復(fù)雜的部分[13]。數(shù)據(jù)映射關(guān)系的內(nèi)容包括圖層關(guān)系、屬性字段關(guān)系、屬性內(nèi)容關(guān)系，數(shù)據(jù)映射關(guān)系的類型包括無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系、一對(duì)一關(guān)系、一對(duì)多關(guān)系、多對(duì)一關(guān)系、多對(duì)多關(guān)系[14]?？紤]到數(shù)據(jù)映射關(guān)系內(nèi)容較多，類型又較為復(fù)雜，如果采用傳統(tǒng)的Excel或文本對(duì)照表的方式，一則不形象直觀，二則有可能會(huì)產(chǎn)生遺漏和錯(cuò)誤。因此為了使用戶能夠簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確的建立起映射關(guān)系，需要設(shè)計(jì)一種形象直觀的方法，為此進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：將兩種異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的圖層、屬性字段以類似目錄樹(shù)的方式進(jìn)行顯示，用戶只需在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行連線，便可建立起映射關(guān)系。對(duì)于屬性內(nèi)容關(guān)系的建立則繼續(xù)沿用對(duì)照表的方式。

圖1 映射關(guān)系示例

2.3 數(shù)據(jù)映射關(guān)系文件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)映射關(guān)系建立后(見(jiàn)圖1)，需要將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可讀取、人工能編輯維護(hù)的文件，以便能夠進(jìn)行應(yīng)用。XML是一種用于標(biāo)記電子文件使其具有結(jié)構(gòu)性的標(biāo)記語(yǔ)言，具有異構(gòu)性、可擴(kuò)展性、靈活性、平臺(tái)無(wú)關(guān)性的特點(diǎn)，能夠更準(zhǔn)確地搜索內(nèi)容，更方便地傳輸內(nèi)容，更好地描述事物[15]。因此選擇將數(shù)據(jù)映射關(guān)系保存為XML文件，并設(shè)計(jì)如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

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(zhǎng)度1，映射屬性字段1，映射字段類型1，映射字段長(zhǎng)度1

屬性字段2，字段類型2，字段長(zhǎng)度2，映射屬性字段2，映射字段類型2，映射字段長(zhǎng)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(zhǎng)度1，映射屬性字段1，映射字段類型1，映射字段長(zhǎng)度1

……

在兩種異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)間建立數(shù)據(jù)映射關(guān)系，形成數(shù)據(jù)映射關(guān)系XML文件，如圖2所示。

圖2 XML文件示例

2.4 數(shù)據(jù)內(nèi)容轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)內(nèi)容轉(zhuǎn)換是在數(shù)據(jù)映射關(guān)系文件的基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)際矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。由于數(shù)據(jù)映射關(guān)系文件包含了兩種異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)間的完整對(duì)照關(guān)系，為了方便用戶對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行選擇和過(guò)濾，數(shù)據(jù)映射工具需要支持?jǐn)?shù)據(jù)文件、圖層、屬性字段、地理要素等4個(gè)層次的選擇和過(guò)濾，為此做如下設(shè)計(jì)：將需要處理的數(shù)據(jù)文件、圖層、屬性字段以列表的方式進(jìn)行顯示，用戶通過(guò)勾選的方式實(shí)現(xiàn)選擇和過(guò)濾，對(duì)于地理要素的選擇和過(guò)濾，則通過(guò)屬性選擇的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

3 異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)映射工具實(shí)現(xiàn)

按照上述關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，利用ArcGIS Engine相關(guān)組件，在Visual Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)映射工具的實(shí)現(xiàn)。

3.1 工具的功能模塊

異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)映射工具的主要功能模塊由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)關(guān)系、數(shù)據(jù)映射3部分組成，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于獲取兩種異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含“讀取模板文件”、“用戶自定義模板”兩個(gè)命令。數(shù)據(jù)關(guān)系用于建立兩種異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)間的關(guān)系，包含“建立映射關(guān)系”、“讀取映射關(guān)系文件”、“保存映射關(guān)系文件”3個(gè)命令。數(shù)據(jù)映射用于實(shí)際矢量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，包含“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”和“系統(tǒng)配置”兩個(gè)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(kāi)發(fā)實(shí)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(gòu)建定制應(yīng)用的一個(gè)完整的嵌入式的GIS組件庫(kù)。其中有3000多個(gè)對(duì)象可供開(kāi)發(fā)人員調(diào)用，為開(kāi)發(fā)人員集成了大量的GIS功能，可以針對(duì)GIS解決方案快速地搭建應(yīng)用平臺(tái)[16]。異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)映射工具采用基于ArcEngine二次開(kāi)發(fā)的方式，在Visual Studio開(kāi)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(guān)接口，按照?qǐng)D3所示的功能模塊與圖4所示的邏輯流程編寫相關(guān)代碼，編譯形成可執(zhí)行文件，完成工具的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。工具的部分界面如圖5所示。

4 實(shí)例驗(yàn)證

將按照本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)映射工具應(yīng)用于陜西省基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)與天地圖框架數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作，其效果如圖6所示。實(shí)踐結(jié)果表明，映射工具能夠依據(jù)制定的映射關(guān)系進(jìn)行圖層、屬性字段、屬性內(nèi)容的轉(zhuǎn)換，在減少人工作業(yè)的同時(shí)能夠保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性，提升了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效率。

圖5 工具的部分界面

圖6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果

5 結(jié) 論

完善的工具是提高作業(yè)效率和質(zhì)量的關(guān)鍵。本文針對(duì)異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)間相互轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)映射工具，并將其應(yīng)用于陜西省基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)與天地圖框架數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換，實(shí)踐結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的工具能夠減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中的人工重復(fù)作業(yè)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)正確、內(nèi)容完整，數(shù)據(jù)關(guān)系映射文件也具有一定的靈活性，同時(shí)保證異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性，有效的解決了異構(gòu)矢量數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，具有一定的參考價(jià)值。