土地變更數(shù)據(jù)在移動端的組織與管理

徐靜波，許捍衛(wèi)，孫咸磊，于艷超

（1.河海大學(xué) 地理科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 210098）

土地變更數(shù)據(jù)在移動端的組織與管理

徐靜波1，許捍衛(wèi)1，孫咸磊1，于艷超1

（1.河海大學(xué) 地理科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 210098）

以移動GIS在土地利用變更調(diào)查中的應(yīng)用為研究對象，研究了與柵格影像數(shù)據(jù)存儲、矢量空間數(shù)據(jù)組織與管理相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。基于數(shù)據(jù)庫進(jìn)行柵格瓦片存儲，提高了底圖柵格數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憬菪院惋@示性能，同時(shí)改進(jìn)了空間數(shù)據(jù)模型與空間索引結(jié)構(gòu)，提高了移動GIS對土地變更數(shù)據(jù)的管理性能。

移動GIS；地圖瓦片；空間索引；QR樹；性能評估

土地利用變更調(diào)查是國土資源部門及時(shí)準(zhǔn)確掌握土地利用現(xiàn)狀的重要手段，做好外業(yè)調(diào)查工作是提高土地利用變更調(diào)查質(zhì)量和效率的前提。現(xiàn)有土地利用變更調(diào)查的手段主要依賴3S集成度較高的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。但由于土地利用變更調(diào)查流程的復(fù)雜性與空間數(shù)據(jù)的特殊性，目前的數(shù)據(jù)采集變更系統(tǒng)還存在以下問題：①影像底圖數(shù)據(jù)一般使用瓦片的組織方式存儲，由于目前移動網(wǎng)絡(luò)速度較慢，底圖數(shù)據(jù)需離線存儲于移動智能設(shè)備上；②土地利用變更數(shù)據(jù)在移動智能終端上的存儲方式與傳輸性能仍有較大的改進(jìn)空間。

本文將結(jié)合開源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，研究制定利用移動GIS進(jìn)行土地利用變更調(diào)查的流程，同時(shí)研究與矢量柵格數(shù)據(jù)移動端存儲、數(shù)據(jù)變更等相關(guān)的移動GIS關(guān)鍵技術(shù)，以期提高數(shù)據(jù)采集效率和控制土地利用變更數(shù)據(jù)的質(zhì)量，減少數(shù)據(jù)采集流程中投入的人力物力財(cái)力，從而達(dá)到及時(shí)、迅速、有效完成土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)采集處理的目的，為加強(qiáng)土地利用和土地管理，進(jìn)行土地資源合理配置提供強(qiáng)有力的保障，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義與社會意義。

1 基于嵌入式數(shù)據(jù)庫的地圖瓦片存儲

1.1 SQLite數(shù)據(jù)庫

SQLite是一種輕量級、嵌入式的小型關(guān)系數(shù)據(jù)庫，專為嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)開發(fā)，占用資源極少，能夠同時(shí)和多種編程語言結(jié)合，提供較完整的數(shù)據(jù)庫接口，可被應(yīng)用于任何領(lǐng)域。SQLite運(yùn)行無需服務(wù)器；具有高獨(dú)立性和移植性；零配置，只需少量內(nèi)存即可自行工作，為上層應(yīng)用提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)服務(wù)；符合ACID標(biāo)準(zhǔn)，在事務(wù)過程中可以保證數(shù)據(jù)的正確性；作為單數(shù)據(jù)庫文件，提高了數(shù)據(jù)訪問的便捷性；同時(shí)其最大支持?jǐn)?shù)據(jù)庫高達(dá)2 T，且可在不同的設(shè)備上使用同樣的數(shù)據(jù)庫文件。

鑒于SQLite在移動設(shè)備上的諸多優(yōu)點(diǎn)，本文對底圖瓦片數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)都使用SQLite進(jìn)行存儲。

1.2 地圖瓦片技術(shù)

地圖瓦片技術(shù)是將某一劃好范圍的地圖圖片，按照固定的多個(gè)比例尺以及固定圖片大小，切成若干行和列的矩形圖片，并將圖片按照一定的格式保存，得到的每一塊圖片被稱作瓦片。所得瓦片按照一定的組織規(guī)則存放于文件系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，形成類似金字塔模型的瓦片地圖。瓦片金字塔模型是一種分層結(jié)構(gòu)模型，從金字塔底層到頂層，地圖分辨率逐漸降低，但都表達(dá)同樣的地理范圍[1]。

地圖瓦片需要包含縮放級別、長寬、行列等顯性信息以及投影系統(tǒng)、瓦片原點(diǎn)等隱性信息[2]，前者需要在進(jìn)行地圖切片時(shí)建立索引關(guān)系，后者則可直接放于元數(shù)據(jù)表中作為地圖瓦片相關(guān)參數(shù)。關(guān)于在線地圖瓦片服務(wù)規(guī)范，目前有兩個(gè)常用版本，由OSGeo較早制定的TMS規(guī)范和由OGC制定的WMTS規(guī)范。其中WMTS支持KVP、SOAP、RESTful，具有較廣的適用范圍。

1.3 瓦片數(shù)據(jù)庫存儲

MBTiles規(guī)范利用SQLite數(shù)據(jù)庫存儲地圖瓦片，提高了海量瓦片數(shù)據(jù)的讀取速度，適用于Android、iOS等移動智能設(shè)備的離線數(shù)據(jù)存儲。但MBTiles規(guī)范限定了切圖數(shù)據(jù)源的參考系、比例尺集合，即不支持非Web墨卡托投影、非谷歌地圖比例尺的地圖瓦片，具有一定的局限性。

參考MBTiles規(guī)范中的數(shù)據(jù)組織規(guī)則，在保留其現(xiàn)有優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展，使其可支持任意投影系統(tǒng)和任意分辨率，可更加方便地用于土地利用變更調(diào)查實(shí)踐之中。基于MBTiles規(guī)范改進(jìn)的地圖瓦片包主要包含：

1）元數(shù)據(jù)表，用于存儲地圖瓦片的參數(shù)信息。為使用該瓦片包的地圖應(yīng)用程序提供地圖初始化中需要的相關(guān)參數(shù)信息。

2）瓦片索引表，用于存儲定位瓦片數(shù)據(jù)的值和瓦片ID，支持任意比例尺和分辨率。

3）數(shù)據(jù)存儲表，用于存儲地圖瓦片所對應(yīng)的地圖圖片的二進(jìn)制文件。

2 移動終端矢量空間數(shù)據(jù)組織與管理

研究移動終端空間數(shù)據(jù)組織與管理必然需要面對兩個(gè)問題：如何構(gòu)建移動終端空間數(shù)據(jù)模型，用以解決空間數(shù)據(jù)表達(dá)的問題；如何建立移動終端空間數(shù)據(jù)索引機(jī)制，用以解決空間數(shù)據(jù)存儲以及使用的問題。

2.1 移動矢量空間數(shù)據(jù)模型

空間數(shù)據(jù)模型是一種概念集合，具有特定的性質(zhì)，用來描述空間數(shù)據(jù)組織、空間實(shí)體之間的關(guān)系[3]。目前空間數(shù)據(jù)的組織方法主要有分層組織法與分要素組織法[4]。分層組織的思想類似于瓦片金字塔，將地理空間數(shù)據(jù)根據(jù)要素類型劃分成不同的圖層[5]，圖層與圖層之間相互獨(dú)立。分層組織法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，但如果需要分析不同圖層之間的空間關(guān)系，則必須通過額外的疊置分析才可以實(shí)現(xiàn)。本文選用分層組織法對矢量數(shù)據(jù)按照圖層進(jìn)行管理，圖層中包含點(diǎn)、線、面等地理空間對象。

2.2 空間數(shù)據(jù)索引

空間數(shù)據(jù)索引是按照一定組織規(guī)則排列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其存儲了空間對象實(shí)體的位置、形狀及相互之間的空間聯(lián)系[6]。通過空間索引算法，可以在空間數(shù)據(jù)索引結(jié)構(gòu)中快速查詢匹配的空間實(shí)體對象，避免無意義的查詢，從而提高空間操作效率[7-8]。

針對移動GIS的特點(diǎn)，單一的空間數(shù)據(jù)索引并不能很好滿足其數(shù)據(jù)組織管理的需求，需要嘗試建立新的空間索引或?qū)⒁延械目臻g索引根據(jù)相應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行組合。本文在現(xiàn)有空間索引理論的基礎(chǔ)上，參考各種空間索引混合組織形式后，嘗試使用一種適合移動GIS使用的基于四叉樹和R樹的混合空間索引QR樹。

2.3 基于四叉樹和R樹的混合空間索引

基于以上對于空間索引理論的研究，本文將四叉樹的組織原理應(yīng)用于R樹索引構(gòu)建過程中，形成基于四叉樹與R樹的混合空間索引QR樹。

1）混合空間索引結(jié)構(gòu)。QR樹中，整個(gè)地理空間被四叉樹劃分為多個(gè)子空間，對每級子空間利用R樹索引管理空間索引項(xiàng)，以達(dá)到提高查詢性能的目的。

QR樹主要由根節(jié)點(diǎn)、葉子節(jié)點(diǎn)與四分節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，根節(jié)點(diǎn)存儲整個(gè)地理空間的最小外接矩形和無法存入任何子節(jié)點(diǎn)的地理空間對象，即劃分空間范圍時(shí)“壓線”的地理空間對象；葉子節(jié)點(diǎn)存儲地理空間對象的最小外接矩形以及唯一標(biāo)識符；四分節(jié)點(diǎn)存儲當(dāng)前區(qū)域的最小外接矩形以及對當(dāng)前區(qū)域進(jìn)行再次四分時(shí)“壓線”的地理空間對象。QR樹劃分方式和索引結(jié)構(gòu)如圖1、 2所示。

圖1 QR樹劃分方式

圖2 QR樹索引結(jié)構(gòu)

2）生成算法。按照自頂向下的生成算法構(gòu)建QR樹，算法流程如圖3所示。

圖3 QR樹生成算法

3）插入算法。向已經(jīng)構(gòu)建完成的QR樹中插入新的記錄項(xiàng)時(shí)，計(jì)算待插入空間對象的最小外接矩形，通過查詢算法搜索包含該最小外接矩形的葉子節(jié)點(diǎn)：如果需要插入的節(jié)點(diǎn)位置存儲的空間對象數(shù)目未超過閾值，則直接插入到該節(jié)點(diǎn)；否則需要對當(dāng)前節(jié)點(diǎn)進(jìn)行四分處理，將待插入的索引項(xiàng)與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)存儲的索引項(xiàng)按照索引規(guī)則重新進(jìn)行局部更新。

4）刪除算法。刪除一個(gè)空間對象時(shí)，根據(jù)其索引記錄項(xiàng)的最小外接矩形判斷其所在的節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行唯一標(biāo)識符匹配，匹配成功則進(jìn)行刪除。由于刪除操作后，QR樹結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，需要進(jìn)行QR樹的局部調(diào)整。QR樹的刪除算法如圖4所示。

圖4 QR樹的刪除算法

5）查詢算法。空間查詢一般可分為點(diǎn)查詢和范圍查詢。根據(jù)點(diǎn)或范圍的不同，查找滿足條件的單一目標(biāo)或目標(biāo)集，點(diǎn)查詢與范圍查詢基本相同，點(diǎn)查詢可看作是范圍非常小的范圍查詢，同時(shí)，點(diǎn)查詢結(jié)果往往是0或1條記錄，而范圍查詢結(jié)果一般是多條記錄。QR樹的范圍查詢算法如圖5所示。

6）性能評估。圖6為QR樹與R樹插入數(shù)據(jù)的時(shí)間消耗對比圖。隨著數(shù)據(jù)量的增加，索引樹的深度會逐漸增加，對于R樹索引來說，深度越大，插入某個(gè)對象時(shí)查詢節(jié)點(diǎn)過程中的計(jì)算量越大，插入的效率越低；而對于QR樹來說，插入某個(gè)對象時(shí)根據(jù)待插入對象與索引空間的中心點(diǎn)相對位置判斷插入點(diǎn)是子節(jié)點(diǎn)還是對應(yīng)的R樹，中間過程簡單明了，無需復(fù)雜計(jì)算，效率較高。

圖5 QR樹的范圍查詢算法

圖6 R樹與QR樹插入消耗對比圖

圖7為QR樹與R樹查詢數(shù)據(jù)的時(shí)間消耗對比圖。QR樹中的四分節(jié)點(diǎn)深度比R樹深度小，且保存的對象按照四分節(jié)點(diǎn)中心點(diǎn)進(jìn)行分布，分布情況相對較均勻，在查詢過程中，QR樹存在略微優(yōu)勢。

圖7 R樹與QR樹查詢消耗對比圖

在刪除操作中，由于刪除對象所處位置的不同，會出現(xiàn)局部索引重建的可能，極端情況下，會發(fā)生整個(gè)索引空間重建的情況，所以刪除操作的性能受所刪除的空間對象位置影響較大，QR樹與R樹在刪除性能上的比較意義不大。

綜上所述，QR樹的插入、刪除、查找算法的效率均優(yōu)于R樹，且四叉樹深度越大，性能越好。此外，QR樹的存儲空間大小與四叉樹的深度成正比，四叉樹深度越大，耗費(fèi)的存儲空間就越大，但實(shí)際使用過程中，四叉樹深度一般取2、3即可；當(dāng)索引的目標(biāo)越多時(shí)，存儲空間與純粹的R樹索引一致。所以，QR樹的最大優(yōu)點(diǎn)在于在選擇合適的四叉樹深度后，可用較小的空間數(shù)據(jù)量耗費(fèi)換取較大性能的提升。

3 結(jié) 語

本文研究了移動GIS在土地利用變更調(diào)查中有關(guān)數(shù)據(jù)組織與管理的關(guān)鍵技術(shù)：①參照柵格瓦片存儲規(guī)范MBTiles改進(jìn)了基于嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite的柵格瓦片存儲方式，支持對任意投影、任意比例尺的柵格瓦片進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲，提高了柵格數(shù)據(jù)在移動終端之間的傳輸便捷性和顯示性能；②采用基于四叉樹與R樹混合空間索引QR樹，根據(jù)開放地理空間聯(lián)盟制定的幾何對象存儲規(guī)范WKB，實(shí)現(xiàn)了基于嵌入式移動數(shù)據(jù)庫SQLite的矢量空間數(shù)據(jù)組織與管理方式，解決了矢量空間數(shù)據(jù)在移動終端存儲與管理的問題。將來的研究中，將設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于移動平臺的土地利用變更調(diào)查移動GIS系統(tǒng)，完成整個(gè)土地變更的操作功能。

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P208

B

1672-4623（2016）09-0085-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.09.028

徐靜波，碩士研究生，主要從事GIS開發(fā)與應(yīng)用。

2015-07-13。

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41101374、41101308）；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（201201025）。