輕量級空間數據引擎的應用研究

吳秀蕓，王海江，梁寒冬

（1.寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315042）

輕量級空間數據引擎的應用研究

吳秀蕓1，王海江1，梁寒冬1

（1.寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315042）

針對移動終端存儲空間及計算能力有限的特點，提出一種輕量級空間數據引擎，通過采用先進的空間數據存儲技術、索引技術和查詢技術，實現多源數據的一體化管理及高效調度。將該引擎應用于規劃、城建等領域，搭建了滿足其業務需求的移動地圖服務平臺，改進現有的工作和服務模式。

多源數據管理；空間數據檢索；輕量級空間數據引擎；移動地圖平臺

移動GIS在帶來眾多新的行業應用模式的同時，也遭遇到技術瓶頸，一些問題嚴重地制約著移動GIS平臺的進一步發展。如在線數據調度響應滯后，瀏覽及顯示不流暢；空間查詢不穩定，影響系統正常運行，數據更新不及時等。這主要是受網絡及移動設備軟硬件條件的限制，很多傳統桌面GIS技術無法直接移植到移動GIS產品中[1-3]。因此，設計一個適合于智能移動終端的輕量級空間數據引擎，研究完善的數據組織、管理及檢索機制，是提高移動GIS服務能力的關鍵。

本文設計了一種基于嵌入式數據庫SQLite的輕量級空間數據引擎，系統闡述適合于移動終端設備的多源數據組織管理模式及空間數據檢索方法，并應用于規劃、城建、招商等領域，搭建滿足其業務需求的移動地圖服務平臺，提高空間信息服務水平。

1 輕量級空間數據引擎

1.1 多源空間數據組織管理

GIS以數據為本，而移動終端往往難以攜帶大量的數據，雖然設備容量提升已經極大增加了終端的性能和存儲空間，但仍然難以滿足對數據的需求[4]。網絡數據服務由于受到網絡環境及服務器規模的限制，存在數據響應慢、顯示不流暢等缺點[5]，因此研究多源離線數據的快速存儲機制，實現數據的有機集成及快速響應具有重要的意義。通過設計一種適合于移動終端軟硬件環境的輕量級空間數據引擎，將各類數據進行一體化無縫集成、融合和管理，使得基礎數據能夠直接交由移動終端使用，實現數據的快速響應，并達到最佳的顯示效果及交互體驗。

SQLite是一個嵌入式輕型SQL數據庫。與其他大多數SQL數據庫不同，SQLite沒有獨立的服務進程，占用資源非常低，只需要幾百K內存，目前已經用于很多嵌入式產品[6]。因此，針對智能移動終端設備和空間數據特性，選用SQLite作為底層數據庫支撐工具，并針對矢量、柵格及多媒體數據的格式、內容，分別設計符合其數據特征的空間數據引擎。

1）矢量數據組織管理。矢量數據以坐標點對來描述點、線、面3類空間實體，采用ArcGIS的SHP文件格式存儲在文件系統中，輔助DBF文件進行屬性說明。在ArcMap中對矢量數據進行坐標轉換、符號化處理后生成MDB配置文件。在SQLite數據庫環境支撐下，按照點、線、面逐個對象一一映射到空間數據表中。每一個空間數據表唯一對應一個featurelayer，數據表采用空間數據和屬性數據一體化存儲的方式保存空間信息，每條記錄對應Shapefile文件中的一個空間對象，每條記錄中包含屬性數據和空間數據，這種方式存儲的空間數據表保證了數據的完備性，實現了圖形數據和屬性數據的有機結合。對多個空間數據表進行合理有序組織，構成自定義的矢量空間數據庫（.oflw）。矢量數據表結構設計如表1所示。

2）柵格數據組織管理。柵格數據是以柵格元素值來表示空間屬性。在柵格數據中，點用一個柵格元素來表示，線用一組相鄰的柵格單位來表示，面用相鄰柵格單元的集合來表示。在ArcServer中對柵格數據文件進行地圖切片處理，生成各個比例尺的瓦片數據文件，每個地圖塊為512×512像素大小。在SQLite數據庫環境支撐下，對瓦片數據按照分層分幅原則逐個圖片一一映射到空間數據表中。每一個空間數據表唯一對應一幅柵格數據，每條記錄對應著一個地圖塊（.jpg或.png），多個數據表共同構成柵格空間數據庫（.otlw）。柵格數據表結構設計如表2。

表1 矢量數據庫（.oflw）的數據表結構設計

表2 柵格數據庫（.otlw）的數據表結構設計

3）多媒體數據組織管理。針對圖片、視頻等多媒體文件，保留其原始文件格式。在滿足數據精度的前提下，對其進行壓縮處理，壓縮率控制在60%以上，使得數據組織更加緊湊，進而提高移動終端設備存儲空間利用率。

1.2 空間檢索機制

空間數據檢索服務是GIS中最基礎也是最重要的服務[7]。傳統的基于網絡的空間查詢由于受網絡及服務器環境穩定性的限制，往往出現效率低下甚至無法響應查詢請求的情況。因此，本文在輕量級矢量空間數據引擎的基礎上，針對每個空間數據表建立B樹索引，空間索引和數據表一一對應，表中每條記錄對應空間索引中的一個結點。由于采用SQLite作為存儲數據的底層環境支撐，因此空間數據搜索支持大部分SQL92標準語法，具體的檢索機制如圖1所示。頂層是標記處理器和分析器，用于快速生成高效率的代碼。底部是基于Knuth經過優化的B樹，運行在可調整的頁面緩存上，有助于將對磁盤的查找減到最少。頁面緩存作用在操作系統抽象層之上，有助于數據庫的移動。搜索的核心是虛擬機，作為客戶和儲存之間進行信息交換的中間單元完成與數據操作相關的全部操作。在查詢語句被分析之后，虛擬機開始起作用。代碼生成器將分析樹翻譯成一個袖珍程序，隨后這些袖珍程序被組合成用虛擬機器語言表示的一系列指令。如此往復，虛擬機執行每條指令，最終完成SQL語句指定的查詢要求。

圖1 空間檢索機制

1.3 空間查詢方式

由于輕量級空間數據引擎集成了嵌入式關系數據庫和空間索引，能夠以統一的方式訪問不同的數據庫，有效地處理空間數據集，保證了移動終端環境下空間查詢的穩定性及高效性?？臻g數據搜索查詢有3種表現形式。

1）屬性查詢。用戶可選擇屬性列表，查看其詳細信息，并在地圖上準確定位。

2）空間查詢。用戶可以實時地在感興趣的地圖范圍內進行點擊查詢、拉框查詢等操作，顯示信息詳情。

3）模糊查詢。用戶可輸入關鍵字，如“東部新城”，地圖可定位至該區域，同時支持Info Window信息彈出顯示。

2 應 用

寧波市測繪設計研究院近年來重點開展移動地圖服務平臺建設，并先后在寧波市杭州灣新區管委會、寧波市東部新城規劃處、寧波市住房和城鄉建設委員會等局委辦進行推廣應用，在輕量級空間數據引擎的技術支撐下，成功搭建杭州灣移動地圖平臺、東部新城移動服務平臺、現代都市移動服務平臺等業務平臺，實現基于移動終端設備的空間數據和業務數據的一體化管理，構建一整套從數據呈現和查詢分析到后臺配置的完整的應用解決方案，改進和優化相關部門的日常工作手段。

綜合而言，基于輕量級空間數據引擎的移動地圖平臺具有如下4個特點：

1）支持各類地理數據。平臺支持多種地理數據，包括政務電子地圖數據、影像數據、三維數據、360°街景數據等，并可在各類地圖數據中進行自由切換，方便地圖瀏覽和漫游，如圖2所示。

2） 集成多種業務數據。集成多種不同內容、不同類型的業務數據，實現圖片、文本、視頻等多媒體數據的顯示和瀏覽，并實現與地理底圖的無縫集成，如圖3所示。

3） 實現離線信息查詢。實現各類專題信息的離線綜合查詢，一鍵式搜索平臺中所有信息（如地名、地址、醫療、衛生等），搜索結果疊加在電子地圖、影像數據上，并分類顯示縮略信息，如圖4所示。

圖2 地圖切換

圖3 專題業務數據

4） 提供完善后臺配置。提供數據準入原則，設置用戶權限，不同的用戶擁有不同級別的數據訪問能力和功能模塊使用權限。

3 結 語

本文研究了一種基于移動終端的輕量級空間數據引擎。該引擎采用先進的空間數據庫存儲技術、索引技術和查詢技術，具有“空間－屬性數據一體化”、“矢量－柵格數據一體化”和“空間信息－業務信息一體化”的集成式空間數據庫管理能力，適合于移動GIS工程應用。

圖4 離線信息查詢

[1]李德仁, 邵振峰. 信息化測繪的本質是服務[J]. 測繪通報,2008(5):1-4

[2]楊任農, 白娟, 黃震宇, 等. 基于SQLite的LOD模式海量影像數據管理系統的設計與實現[J].計算機工程與科學,2011(10):140-144

[3]胡菲菲. SQLite在嵌入式電子地圖中的應用[J].工程地質計算機應用, 2008(2): 1-6

[4]張菁蕾. 多源空間數據的組織管理與應用[D]. 同濟大學, 2010

[5]王恩泉. 中國版GoogleEarth的空間數據組織與管理研究[D].中國測繪科學研究院, 2007

[6]姚萌萌. 嵌入式電子地圖的數據組織與檢索算法研究[D].浙江工業大學, 2009

[7]適用于移動GIS的輕量級空間數據引擎的設計[J].Computer Era, 2009(5):26-29

P208

B

1672-4623（2017）12-0048-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.12.015

2016-07-27。

基于移動位置服務的關鍵技術研究與應用（甬測院字[2012]32號）。

吳秀蕓，碩士研究生，工程師，主要從事地理信息系統研發工作。