数字化城市部件信息管理系统的设计与实现

吴楠;杨永崇;高佳

【摘 要】在分析数字化城市部件空间数据及模型基础上,通过对城市基础数据加工、格式转换、校验和入库的方法,建立了系统空间数据库和属性数据库.在分析组件式技术的同时,研究了基于GIS软件平台上的组件式开发技术.以.NET作为开发环境,采用高级编程语言C#和ArcEngine组件库开发了一套数字化城市部件信息管理系统,实现了用户对城市部件属性数据和空间数据的管理.该系统具有地图浏览功能、图层控制功能、查询功能、展点功能及空间分析等功能.试运行结果表明:该系统人机界面友好、功能强大、操作简便,具有较好的实用性. 【期刊名称】《西安科技大学学报》 【年(卷),期】2013(033)003 【总页数】6页(P319-324)

【关键词】数字化城市;城市部件;GIS;空间数据库;组件式开发;ArcEngine 【作 者】吴楠;杨永崇;高佳

【作者单位】陕西教育学院计算机与科学技术系,陕西西安710100;西安科技大学测绘科学与技术学院,陕西西安710054;西安科技大学期刊中心,陕西西安710054 【正文语种】中 文 【中图分类】TP319 0 引言

“数字化城市”是依托信息和网络技术，用数字化的手段来处理、分析和管理整个城市，使城市建设和发展提高到一个新的水平。实施数字化城市管理，能够创新城市管理模式，及时发现和有效处理城市管理中的各种问题，提高城市的管理效率。城市的信息化水平已经成为衡量一个国家综合国力、现代化程度、国际竞争力和经济增长潜力的重要标志之一。目前，我国面临着前所未有的发展机遇，经济正处于飞速发展时期，但相应的城市管理远远跟不上城市发展的步伐。从整体上看，城市管理水平也明显滞后于社会经济发展，在管理水平、管理机制和管理模式方面远远不能满足飞速发展的城市现代化建设需要，也不能满足人民群众对城市市容市貌的整洁、绿化、美化、卫生、有序等方面日益增长的需求，究其原因，主要是传统城市管理模式存在的弊端所引起的。“城市部件管理法”是数字化城市管理的一种新模式［1］。它是把物化的城市管理对象作为城市部件进行管理，运用地理编码技术，将城市部件按照地理坐标定位到万米单元网格图上，通过网格化城市管理信息平台对其进行分类管理的方法。城市部件主要指城市市政管理的各项设施，包括道路、桥梁、水、电、气、热等市政公用设施及公园、休闲娱乐等公共设施、交通设施等，也包括如门牌、广告牌匾等部分非公共设施。

文中以某城市部件数据为对象，在分析空间数据及模型基础上，对本系统数据库进行了设计与实现，并给出了数据加工、校验和入库的方法；在分析组件式技术基础上，着重研究了基于GIS软件平台上的组件式开发技术；文中以ArcGIS系列软件为平台，开发了基于ArcEngine的数字化城市部件信息管理系统，该系统具有城市地图的基本操作、图层控制、数据查询以及相关部门所需的空间分析等功能。 1 地理信息系统开发平台

文中在分析ArcGIS，MapInfo，SuperMap和GeoStar等主流GIS平台基础上，选用了目前世界上普遍使用的GIS软件——ArcGIS［2］作为本系统的开发平台。 1.1 ArcEngine组件

ArcEngine是嵌入式GIS组件所开发的一个完整类库，开发人员用它可将大部分GIS功能嵌入到现有的应用程序中，包括MicroSoft的Word等办公自动化产品。ArcEngine组件由一个软件开发工具包和一个可以重新分发的、为所有ArcGIS应用程序提供平台的运行时构成［3］。ArcEngine由基本服务、数据存取、地图表达、开发组件和运行时选件五个部分组成。

ArcEngine为辅助应用程序开发提供了地图控件、阅读者控件、工具条等控件，开发人员可以将以上多种控件应用于ActiveX，Java和.Net等开发环境，并和其它开发控件和组件结合创建具有显示多个图层、地图漫游和缩放、地图要素查找、动态显示实时数据、旋转地图等定制功能的应用程序。 1.2 系统开发方式及语言

GIS的开发方式通常有3种［4］:独立开发、单纯二次开发和集成二次开发。集成二次开发是指利用专业的GIS工具软件，如ArcInfo、MapInfo等实现基本的地图功能，以常用的软件开发工具如Visual Studio为开发平台，进行二者的集成开发。集成二次开发目前主要有OLE/DDE方式和组件式二次开发。综合各种因素及限制条件，文中选用了组件式二次开发方式［5］.Net开发平台及C#编程语言。 1.3 组件式GIS

组件式GIS是一种全新的GIS软件技术体系。采用组件式GIS技术，开发人员可以根据自己的需要从对象库中选取系统部分的功能加以实现，把这些组件通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的GIS应用系统［6－7］。这样不仅简化了开发过程、缩短了开发周期，而且可根据实际需要随时进行灵活的系统定制与升级。组件式GIS同传统的GIS相比，具有高效无缝的系统集成、无须专门GIS开发语言、开发成本低等优点。 2 系统数据库的设计与实现

数字化城市部件信息管理系统数据库分为空间数据库和属性数据库。空间数据库主

要用来存储和管理以矢量数据为主的图形图像数据以及关联数据。从数据结构上看，有栅格型空间数据和矢量型空间数据两大类。文中所涉及的是栅格型空间数据，包括城市基础数据(道路面、建筑物、水系等)和网格数据(单元网格、街道、社区、行政区等)；属性数据库主要用来描述实体的属性和说明数据，两者通过统一的字段值(如Point ID等)进行连接。它采用关系模型来描述，以表为基本存储单位，主要是部件属性信息表和地理编码数据表。 2.1 空间数据库的设计与建立

空间数据库是指在关系型数据库(RDBMS)的内部，对地理信息进行物理存储，并允许多个用户来共享数据库的资源［8］。空间数据库技术是解决空间数据对象中几何属性在关系型数据库中存与取的问题，其主要任务:一是用关系型数据库存储管理空间数据；二是从数据库中读取空间数据，并转换为GIS程序能够接收和使用的格式；三是将GIS程序中的空间数据导入数据库，交给关系型数据库管理。数字化城市部件信息管理系统空间数据库包括城市基础数据库和万米单元网格数据库。

2.1.1 城市基础数据库

城市基础数据主要包括大比例尺(1∶500)基础地图数据，城市行政区划、街道社区、现状道路等专题数据和航空正射影像数据。将所有数据进行加工及相应的格式转换后导入空间数据库中。 2.1.2 万米单元网格数据库

从城市管理的实际出发，以有效实施城市市政管理为基本要求，搜集有关行政区、街道、社区资料，在相关资料基础上构建对应的单元网格，并以一万平方米为基本单位进行划分。万米单元网格数据库建立过程:网格编码→万米单元网格划分→城市管理区域的层级和责任人划分。 2.2 属性数据库的设计与建立

本系统属性数据库由部件属性数据库和地理编码属性数据库组成，它采用大型关系型数据库SQL server 2005进行管理，主要存放部件及地理编码的属性信息。由于庞大的数据量会导致数据在检索过程中耗时、耗力，所以在数据入库之前，必须对数据结构进行精心设计。下面分别简述两种属性数据库的建库过程。 2.2.1 部件属性数据库建立步骤

Step1:部件数据分类整理。它包括对部件种类的划分、编码及属性信息的赋值；Step2:数据转换。将已有的部件数据描述加工为带属性的地理编码数据； Step3:数据校验及入库。对采集完成的数据进行剖分检查、拓扑关系检查等。 2.2.2 地理编码属性数据库建立步骤 Step1:以专题的方式分层次管理； Step2:快速索引机制组织地理编码数据；

Step3:地理编码数据的采集及入库。它包括门址数据、参照物与地址兴趣点数据的采集。

3 信息管理系统功能的设计与实现 3.1 系统功能结构

数字化城市部件信息管理系统功能结构如图1所示，它具有地图浏览操作、地图查询、地图制图、空间分析等功能。 3.2 地图浏览功能模块的设计与实现

地图浏览功能包括工具条、鹰眼功能、视图同步等功能。下面以视图同步为例，叙述地图浏览功能的设计与实现。

GIS程序一般都需要同时具备地图显示和地图制版两种功能，地图显示功能用于显示和分析地理数据，地图制版功能则是在地图上添加必要的地图符号，如指北针、比例尺等。使用一个Tab控件来放置2个地图控件，Map Control和Page Layout Control，这样就可以分别实现Data视图和Layout视图。在进行视图同

步编码时，通常有2种方法:一是让Map Control和Page Layout Control 2个控件分别监听对方的特定事件；二是使用Object copy对象进行数据硬拷贝。 鉴于上述2种方法存在有各自不同的缺陷，在本系统中设计了一种简单且高效的同步方法。其设计思想是在2个控件之外设计一个独立的IMap对象，当2个控件同时加载地图时，其属性都指向IMap对象，当一个控件修改IMap时，另一个控件会发生自然的同步关联。这种方法有赖于IPage layout.Replace Maps方法和IMap control2.map属性，同时，为了保证Map对象的视图(Activeview)仅在一个控件中被激活使用，另一个控件的地图视图必须设置为非激活状态。 在设计上述同步类中定义了3个变量，前两个变量分别控制Map control控件和Page layout control控件，第三个变量则用于标记出哪一种视图处于活动状态。在同步类中设计中，使用了用于绑定两个地图控件的方法Bind control，该方法首先判断对象是否存在，若两个对象同时存在，则新建一个IMap对象newmap，并设置其name属性，然后新建一个IMap对象maps，并将newmap添加到map集合中。当系统切换到视图模式下，视图版面如图2所示。 图1 系统功能结构图Fig.1 Structure drawing of system function 3.3 数据查询功能模块的设计与实现

文中数据库具有基于空间要素和基于空间属性2种查询方式。下面以基于空间属性查询为例叙述数据查询功能的设计与实现。

基于属性表的快速查询是使用一定的条件在空间数据中搜索相应的结果集。通过空间属性来查询空间对象，需要使用QueryFilter对象和FeatureCursor对象，QueryFilter对象用来构造属性查询条件，其实现了IQueryFilter接口。IQueryFilter对象的定义如下

AddField:向QueryFilter中添加一个或多个字段到SubFields用来查询； OutputSpatialReference:以字段的方式设置或读取空间参考；

SubFields:QueryFilter中的一个字段集，若SubFields为空，则搜索所有字段； WhereClause:SQL使用语句；

FeatureCursor:包含了多个Feature对象，实现了 IFeatureCursor接口和 ICursor接口，通过IFeatureCursor::NextFeature方法可以遍历查询所有的Feature对象，通过ICursor::NextRow可以遍历查询所有的属性记录。

当在“从属性选择”对话框中选定“当前查询图层”及“查询方法”后，便可以组合查询条件，生成的查询结果会在地图显示区以蓝色标注高亮显示，条件查询结果如图3所示。

图2 视图版面Fig.2 View page 3.4 空间分析功能模块的设计与实现 3.4.1 缓冲区分析

缓冲区是指地理目标向周围的延伸或扩展，在现实问题中可以理解为地理目标所影响的范围，比如城市商业区的服务半径。缓冲区分析是以数据库中的点、线、面为对象，自动建立其周边一定范围内的缓冲区多边形，帮助解决临近度的问题［9］。 图3 条件查询结果Fig.3 Results of conditions query 图4 缓冲区分析Fig.4 Buffer analysis

图5 缓冲区分析结果Fig.5 Buffer analysis results 图6 最短路径分析Fig.6 Shortest path analysis

ArcEngine中已经封装好了缓冲区运算的方法，设计者需要完成的工作是如何根据缓冲区多边形来获得有用的信息。缓冲区分析的实现过程:Step1:激活被进行缓冲运算的图形；Step2:对激活的图形进行缓冲运算并生成一个新的对象；Step3:再利用这个新的对象进行空间等操作。图4中以某个路口的红绿灯为目标进行缓冲区分析，查找出半径100 m内的所有电子监控眼设施，图5对分析结果进行高亮显示。

3.4.2 最短路径分析

路径分析是GIS中的基本的功能之一，其核心任务是对最佳路径和最短路径的求解［10］。在GIS网络模型中，几何网络是由一系列拓扑相关的要素类组成，是地理要素的图形化表示［11－12］。城市道路网络模型是由道路中心线和道路接点两类要素组成的，可由ArcCatalog中的“创建几何网络工具”来建立，也可以利用ArcObjects提供的Network Analysis组件库中的接口，通过编程的方法来创建。文中选择了前者，利用ArcCatalog中的工具建立好网络拓扑之后，静态加载已经创建好的网络。

当几何网络创建好之后，系统该模块可以计算出通达性最好的路线，例如可以用这个工具计算出损坏部件到就近维修站的最优路径，也可以计算出两个维修站之间的最优路径。例如选择起始节点和终止节点后，系统便可以自动分析出最优路径并以红色高亮显示。最短路径分析如图6所示。 4 结语

随着城市建设的迅速发展，城市规模越来越庞大，市内部件设施管理越来越复杂，城市部件管理的信息化和科学化日益重要。文中以.NET作为开发环境，采用高级编程语言C#和ArcEngine组件库开发了一套数字化城市部件信息管理系统，实现了用户对城市部件属性数据和空间数据的管理。该系统具有地图浏览功能、图层控制功能、基于空间要素和属性的查询功能、展点功能及空间分析等功能。该系统的运行环境:操作系统为Windows XP或Windows 2000；GIS平台为ArcGIS Engine Runtime。上述系统已在四川省某市城市管理部门试用，效果良好。 参考文献 References

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