基于要素的城市地形圖與管線數據庫管理系統的設計與建設

黃登峰

(福州市勘測院，福建福州 350003)

1 前言

隨著技術的進步以及用戶需求的提升，城市測繪行業正面臨著從“數字化測繪”向“信息化測繪”過渡的重大課題，以適應信息化時代對測繪行業提出的更高要求。面對新的形勢和新的需求，城市測繪行業必須堅持走信息化發展道路，加快信息化測繪體系建設，推進測繪信息化進程，從而為城市的規劃、建設、管理以及經濟社會發展提供更好的測繪服務和保障。

福州市勘測院是福州市專業從事勘察、測繪、空間數據加工、地理信息系統開發的綜合性生產科研單位。福州市勘測院以基礎測繪和城市測繪為核心業務，及時準確地獲取福州市現勢性基礎地理和屬性信息，并加以管理和應用，為福州市的城市規劃、建設和管理及各領域提供全方位的空間地理信息服務。

在2009年之前，福州市勘測院的地形圖數據采用在MicroStation平臺上開發的成圖軟件進行生產和管理，數據的日常維護管理基于文件圖幅方式。2009年，我院為了實施新技術革新，推進信息化測繪生產技術體系建設的進程，從北京清華山維新技術開發有限公司(以下簡稱“清華山維公司”)引進了EPS2008地理信息工作站作為院基礎測繪生產和數據加工平臺，并與清華山維公司合作，結合測繪行業的相關國家標準和行業標準，建立了《福州市 1∶500、1∶1 000、1∶2 000數字線劃圖數據分類、代碼、屬性與符號定位規定》等適合福州城市測繪及地圖制圖需求的技術標準，基本解決了外業測繪及內業數據處理的問題。

但在新技術的應用和推廣初期，由于未能很好解決新技術體系下的數據庫更新管理、生產項目管理等問題，導致新技術的推廣無法順利進行。為了解決這一信息化管理的瓶頸問題，我院決定立項開發《福州市地形圖與管線數據庫管理系統》。本文就以該系統的設計與建設為例，具體闡述了與信息化測繪體系建設相關的一些難點問題、解決方案及關鍵技術。

2 系統建設的目標和內容

城市勘測行業的信息化測繪技術體系的建設，是一個復雜的系統工程，涉及前端數據采集、數據加工;后臺的數據管理、數據維護以及對外的數據分發和服務等各個方面。

從總體上講，該系統的建設目標如下:

(1)基于 EPS2008、ArcGIS、Oracle 等軟件平臺，建立要素級的1∶500基礎地形圖數據庫與管線數據庫。

(2)基于空間數據庫，實現1∶500基礎地形圖數據和管線數據的實時更新，并對生產過程中產生相關元數據信息進行建庫、管理以及查詢瀏覽，同時提供配套的數據生產與管理工藝流程。

(3)實現空間數據庫自身的管理功能，保障數據庫的正常運行和數據自身的安全。

(4)在新的技術體系下，為我院內部現有的軟件信息系統以及福州市相關的政府部門、企事業單位提供數據分發服務。

3 系統的總體框架設計

系統的整體設計遵循了“分層設計、模塊構建”的思想，具體如圖1所示。

圖1 系統總體框架圖

整個系統體系結構由三大部分構成:數據層、組件層、應用層。其中:

數據層包括數據庫層和數據訪問層。數據庫層主要是存放在Oracle中的地形圖、地下管線等空間信息數據庫以及相關的業務數據信息，是系統管理的對象。數據訪問層主要包括ADO服務、XML服務、FTP文件服務以及ArcSDE服務，是應用系統與數據庫進行信息交互的中介。

組件層主要包括 ArcEngine 9.3、.Net Framework 2.0。其主要職責在于將相對穩定不變的通用支撐技術與高層可變的應用進行隔離，通過基礎集成框架做統一維護管理，同時暴露相應的應用開發接口，供高層應用使用。

應用層包括業務邏輯層和展現層。業務邏輯層主要包括GIS基本功能、生產項目管理、數據更新、數據分發、業務應用以及系統管理等模塊，其中最為核心的是工程項目管理、數據更新以及數據分發模塊，該業務層主要是以數據為中心進行管理，以項目工程為依據進行業務應用。展現層則是針對用戶操作的人機交互界面。

4 系統功能實現

該系統不是一個單純的數據庫查詢和檢索的管理系統，而且包含為外業測繪生產(包括地形圖和地下管線)提供服務的大量業務功能。一方面，該系統為外業測圖提供現存最新的地形圖或管線圖作為進一步修測的基礎;另一方面，外業修測的成果入庫后，又實現了數據的更新，保證了數據庫的現勢性和生命力。同時，還要兼顧院內其他在用信息系統以及對外數據服務的需求。

根據系統的需求分析以及總體設計，福州市地形圖與管線數據庫管理系統基本上由GIS基本操作功能、生產項目管理、元數據管理、數據庫更新管理、歷史數據管理、數據庫安全管理、數據分發、系統安全管理等模塊組成。

(1)GIS電子地圖基本操作

①數據加載:系統基礎背景及專題數據的加載顯示，同時支持本地和遠程SDE圖層數據的加載。

②地圖瀏覽:提供地圖放大、縮小、平移、顯示全圖、前后視圖切換等基本的地圖瀏覽功能。

③屬性查詢:提供電子地圖中專題圖層地物要素的屬性信息，如地下管線的屬性信息、地形圖要素的屬性信息等。

④圖層控制:通過改變當前視圖中各圖層可視狀態(顯示/隱藏、顯示比例尺范圍設置等)，從而改變當前地圖的顯示效果。

⑤地圖定位:為了方便用戶快速的瀏覽和查詢數據，系統提供了坐標定位、圖幅號定位、道路定位、地名定位等多種地圖定位功能，方便用戶進行空間位置的快速查找和定位。

(2)生產項目管理

生產項目的管理主要是對與地形圖或管線修測項目的基本信息進行管理和維護。

①項目范圍線管理:傳統的大比例尺測圖成果管理都是按照圖幅文件的方式進行的，當某一區域需要修測時，則將該區域覆蓋的地形圖或管線圖幅文件拷貝給外業修測人員。在數據庫管理模式下，所有的要素都合并為一個整體，當對一個特定區域進行修測時，必須根據該范圍線的實際形狀將包含的地形圖或管線數據按要素下載給外業修測人員使用。因此，系統必須實現對每一個測繪生產項目的修測范圍線(更新區域)進行有效的管理，包括范圍線的繪制、屬性信息的賦值、信息的查詢以及空間位置的定位等。

②項目流程管理:根據用戶輸入的項目編號等條件，查看某項目在整個生命周期中所處狀態，例如是否下載、修測成果是否上傳、是否審核通過、項目是否已經完結等項目狀態信息，如圖2所示。

圖2 測繪項目管理的流程圖

③與項目管理信息系統的交互:該系統中的大部分項目都是通過《勘測工程項目管理信息系統》下達的，因此同一個修測項目的屬性信息和流程狀態在兩個系統中應該保持一致，因此必須進行兩個系統信息的互操作，包括讀取項目的屬性信息(如項目編號等)、寫入項目的流程狀態(項目是否入庫)等信息。

(3)數據庫的更新管理

①項目數據下載:根據用戶選定的修測范圍線，從數據庫中下載測繪生產項目所需要的1∶500地形圖數據或地下管線數據。由于數據庫中存放的是SDE的FeatureClass，下載后必須先轉換為EPS2008軟件能處理的EDB格式文件。

②數據沖突檢測:在測繪生產項目完成并需要上傳更新數據庫之前，數據庫管理員必須對該項目的更新區域內存在的沖突現象、數據質量問題進行全方位檢測，若沒有沖突且數據質量合格，則直接執行上傳更新操作;否則，必須先進行沖突處理或質量優化，以防止出現數據丟失、保證數據安全。

③數據預入庫:外業測繪成果經過檢查無誤后，可以通過該功能將項目成果數據進行預入庫處理，將數據上傳到臨時庫中。

④預入庫數據比對檢查:系統提供了預入庫數據與上傳文件、數據庫數據的多角度比對，包括圖形比對、報表比對分析等，方便數據管理員對每一個待入庫項目都能快速、高效的分析檢查，如圖3所示。

圖3 新舊數據比對分析圖

⑤數據審核入庫:預入庫后的項目數據，經過數據管理員的再次審核，如果沒有異常問題，就正式合并入庫，完成數據的更新。否則，就回退項目數據，通知外業人員整改。

(4)數據的安全性管理

①項目文件FTP備份:為了防止系統異常導致的數據丟失，在每個項目的下載和上傳過程中，系統都將下載文件及上傳文件自動備份到FTP服務器上，用戶可根據需要隨時下載查看和分析。

②數據庫備份:為了防止服務器系統崩潰導致的數據丟失，系統定期(根據需要設置周期)對后臺數據庫的全部數據進行自動備份。

③數據庫恢復:數據庫服務器一旦崩潰，需要重新部署時，系統提供的數據恢復功能可以在備份文件的基礎上將數據庫恢復原狀，從而在最大限度上保證不影響外業測繪生產以及對外的數據服務。

(5)歷史數據管理

①圖歷表管理:圖歷表是在圖幅管理模式下用來記錄某圖幅發生修測變化的一些信息記錄，是記錄數據變遷的元數據。為了保持與原有圖幅歷史文件的延續性，系統將舊的圖歷信息和新系統下的圖歷信息進行了整合，可以進行統一查詢檢索，如圖4所示。

圖4 地形圖歷分析專題圖

②歷史數據檢索:與圖歷表管理相對應的是，在某一個發生數據修測的時間點上，用戶還可以調閱該時間點上數據版本的前后對比信息，便于用戶檢索和查閱歷史數據，如圖5所示。

圖5 歷史數據版本檢索比對圖

(6)空間數據分發

系統數據庫存放的是ArcSDE的FeatureClass數據，而生產用的是EPS2008的EDB格式的文件數據，外部用戶所需要的數據格式更是多種多樣，包括DWG格式文件、DGN格式文件、ArcGIS Shape格式文件、MapInfo Tab格式文件等等。

系統的空間數據分發功能主要就是根據用戶選擇的空間范圍以及需要的數據格式，將數據庫中的SDE數據下載并轉換成其他的數據格式，提供給不同的用戶使用。

(7)系統維護管理

系統維護管理功能主要是保證系統正常穩定運行所需的一些輔助管理功能。具體包括:

①用戶管理:用戶信息(用戶名稱、所在部門、對應角色等)的管理。

②組織管理:用戶所在組織機構信息(組織名稱、包含用戶等)的管理。

③角色管理:系統操作角色信息(角色名稱、允許操作的功能權限、相關的用戶名稱等)的管理。

④參數管理:系統運行中一些關鍵參數的配置管理。方便用戶在環境發生變化時，對這些關鍵參數進行修改和配置，提高系統運行的靈活性。

5 項目的特色

(1)實現了“測繪一張圖”

系統基于ArcSDE+Oracle技術，在輔以EPS的符號化顯示技術，將 1∶500地形圖、1∶1 000地形圖、1∶2 000地形圖、地下綜合管線數據、影像數據、GIS電子地圖數據、地理實體數據等有機地整合到“一張圖”上，使數據的管理、應用和維護更加方便、直觀，也為其他部門的管理和經營人員查詢和了解院部的數據資源提供了便利，如圖6所示。

圖6 實現了“測繪一張圖”

另外，隨著應用的深入，還可以將其他更多的數據資源納入這個管理系統，例如控制點資料、電子政務GIS應用數據等。

(2)嚴格的數據出入庫管理

在圖幅管理模式下，數據的出入庫管理相對簡單，只要對同一個圖幅的文件進行拷貝和粘貼操作就可以完成(在數據質量通過質檢的前提下)。在該系統中，數據的出入庫管理需要解決不同的平臺數據格式(EPS2008 EDB數據和ArcGIS Geodatabase數據)之間的圖層對照、屬性字段對照、空間數據異常監測等諸多問題，因此需要更加嚴格的管理措施:

①圖層對照:系統在數據庫設計階段，為所有的專題要素圖層都建立對照關系，如地形圖中的植被點、植被線、植被面都在EPS數據和Geodatabase數據中建立了對應的植被點、植被線、植被面的FeatureClass，管線數據中將EPS中的給水管線圖層映射到Geodatabase中的對應給水點、給水線、給水注記的FeatureClass等。

但EPS平臺還會為數據文件增加輔助圖層用于編輯，如地形圖中的Default、PNT數據圖層，管線圖中的管線草圖、斷面圖層等，這些輔助圖層中臨時數據如果在入庫前沒有處理好，入庫監測時系統就會提示異常，以防止出現數據丟失。

另外，正是因為有了這種嚴格的圖層對照關系，才使得數據的分層出入庫成為可能，如地下管線的出入庫就可以根據實際需要靈活選擇下載和上傳的管線種類(如單一的路燈管線修測、包含煤氣、天然氣、液化氣3種管線的燃氣管線修測等)。

②屬性字段對照:由于該系統實現了真正意義上的GIS要素級管理，因此屬性信息非常豐富，這一點在管線數據管理上特別突出。在管線的屬性數據中，甚至還包含了空間拓撲信息，如管點和管線的連接關系就是通過管線的起始點編號、終止點編號，管點的所在管線編號等屬性信息來表達的。因此在數據的出入庫過程中，必須建立嚴格的字段映射和對照關系，防止出現數據信息的混亂或丟失。

圖7 數據上傳前的異常監測

③空間數據異常監測:由于EPS平臺和ArcGIS平臺在空間數據的數據上有不同的要求，因此EPS數據要素的某些空間特征在ArcGIS的Geodatabase數據中是不允許存在的，如地形圖數據中的自相交線、自相交面，管線數據中的平鋪線、點線(區分變坡點線)等特殊情況，都必須在入庫階段進行數據檢查，一旦發現異常，就提示數據管理員進行相應的處理，如圖7所示。

(3)靈活的歷史數據版本管理

在圖幅文件的管理模式下，歷史數據的管理是直接將歷史文件更名，在文件名上加入時間版本信息，以備份保存的方式進行歷史數據的管理和檢索。

新的技術體系下，所有的數據都是基于要素的方式進行管理，為了有效地管理歷史數據，系統在后臺數據庫中為歷史數據建立了與現狀數據結構完全相同的FeatureClass，并且在所有的空間要素的記錄中都增加了標識時間的字段(采集時間和更新時間)。當數據庫發生更新操作時，系統自動將舊的要素剪切移植到歷史數據圖層，同時將新的要素添加到現狀表中。當需要調閱歷史數據時，再根據時間段從現狀庫和歷史庫取出對應的數據，進行必要的分析和綜合運算后就能得到某時間段的歷史數據版本。

(4)修測項目范圍沖突的協調管理

在日常的測繪生產中，兩個或更多的項目范圍線發生交叉沖突的情況經常發生，兩個或多個項目組爭用同一塊數據會導致工期延遲、數據丟失等不良的后果。

在圖幅文件管理模式下，數據都是以圖幅為單位，發生數據沖突時，往往由數據管理員和作業組之間進行協調，使得爭用數據(常常是若干個單獨的圖幅文件)的使用和修改有序進行，從而避免混亂。

在要素管理模式下，數據不再以圖幅進行分割，而是根據選定的更新區域進行整體的下載，對于沖突區域的處理必須采用不同的方式，如圖8所示。

圖8 修測項目更新區域沖突示意圖

在該系統中，我們采取了機器判讀和人工干預相結合的辦法:

①機器判讀:在每個項目上傳入庫之前，軟件系統都要與數據庫中的數據進行比對，通過檢查可以發現沖突區域中是否有其他工程修改的要素，如果有，則可以提示數據管理員下載最新的數據，交給未入庫的項目組進行處理。

②人工干預:機器判讀會增加作業員的工作量，在實際操作中往往會遇到阻力。人工干預可以通過等待前一項目入庫、修改更新區域、項目組之間協商等手段來盡量避開或減少沖突，減少工作量。另外，人工干預還可以將一個大范圍的修測任務(如市政道路工程等)分割成若干個小的修測任務，便于多個作業員協同工作，既可減少沖突，又可提高作業效率。

(5)海量空間數據的高效管理

一個城市的空間數據常常都是海量信息，以福州為例，目前福州市建成區的面積已擴展到400 km2，隨著福州“東移南擴”的推進，城區面積還將進一步擴大;從數據庫的角度看，目前已經入庫的地形圖和管線數據的現狀要素量達到了700多萬，加上歷史記錄，數據庫已達到1 000萬條記錄的量級。

為了在保證數據安全的前提下盡量提高數據庫的訪問與響應效率，系統除了在服務器硬件配置上采用較好的設備外，還在軟件優化方面采用了數據緩存、多線程、空間索引優化等多項技術來提高數據庫的訪問效率，改善了用戶的操作體驗，滿足日常生產對系統響應效率的要求。

6 結論

系統投入運行后，經過近一年的實踐檢驗和不斷的優化完善，軟件系統及配套的管理制度已經能基本上滿足我院地形圖和管線日常修測的數據生產和更新管理，并且通過與院內相關業務軟件系統的有機銜接，實現了平滑的過渡。

該項目的實施和應用，對于我院在新的技術平臺下建立信息化測繪技術體系具有重要的意義。一方面，它解決了新平臺下數據生產和更新管理的問題，另一方面，建設了新的數據庫體系，整合了數據資源。

同時，該項目還為以后將更多的測繪資源數據進行整合奠定了基礎，如果進一步加以擴展，既可以更好地整合城市測繪的數據資源，也可以更好為“數字城市”的空間信息基礎設施的建設服務，更好地為政府和社會公眾服務。

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