基于AutoCAD Map3D的时空地理信息处理平台的设计与实现

何伟，杨志敏

(武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)

1 引 言

在数字城市建设阶段，虽然很多单位都提出了基于“图库一体”的基础地理信息数据组织方式，但是概括起来说还是“单向异步，以图为主，由图到库”。具体来说就是在制图过程中，通过绘制骨架线进行入库几何数据的采集，通过增加扩展属性进行入库属性信息的填写，最后再通过数据转换将图形信息和属性信息分别导入到GIS数据库，建立基础地理信息数据库。而在数据更新时，由于是单向的“由图到库”，只能是先更新图形数据以及图形数据中挂接的各类属性信息，再对数据库的数据进行更新维护，而无法直接对数据库的数据进行更新。

与数字城市的地理空间框架相比，智慧城市要求的时空地理信息不再仅仅是真实世界的一个瞬间的“数字化快照”，而是带有时间维的空间信息、鲜活世界的连续再现。为了更好地满足智慧城市时空信息云平台建设的需要，急需开展时空地理信息处理平台建设的研究与应用，该项工作对于切实整合、融合已有空间地理信息资源，提高时空地理信息资源的应用效率，进而实现“综合性时空信息采集专题性地理信息服务”的测绘地理信息变革有着十分重要的意义。其主要内容为通过在时空地理信息数据库建设中增加时间维度，以实现图形和数据库一体化建设的“双向同步”，即“由图到库”或“由库到图”能够无缝转换，以库为主，图形和属性信息能实现联动编辑，实时更新，真正地理信息数据库的数据实时动态连续更新，实现时空地理信息采集处理的智能化。

2 标准体系设计

时空地理信息一体化的标准体系建设主要以时间和空间结合、图形和属性结合、生产和应用结合的“三个结合”为设计导向。

2.1 时间和空间结合

建立时空地理信息数据库的基础就是实现时间信息和空间信息的集成，在数据结构组织设计时，增加了要素的测取时间、移除时间以及要素GUID等公共属性字段，其中测取时间记录要素的测制时间，移除时间记录的是要素的更新删除时间，要素GUID记录的是要素的唯一GUID值，通过记录两个时间点信息，在后期进行数据更新时，根据要素GUID值进行比对，可以很迅捷地对新增或者更新的要素进行提取比对，并逐渐形成历史数据的积淀。

2.2 图形和属性结合

建立时空地理信息数据库就需要对时空地理信息数据进行快速获取与更新，而快速获取与更新的前提就是图、库能够同步联动，在修改图形信息的同时，对属性信息能够进行同步修改编辑，或者在对库属性进行修改的同时，图形数据也能获得联动更新，即完全实现图到库以及库到图的双向无损转换。所以，在设计时对部分复杂要素增加了特殊的属性字段，例如桥梁面所在的LRDA层，相应地增加了“符号化信息”属性字段，那么对于多点桥梁，就可以通过在“符号化信息”字段中录入需要进行符号化的对应结点的信息，在库到图的转换中对多点桥梁进行智能符号化表达。

2.3 生产和应用结合

建立时空地理信息数据库的终极目标就是服务应用于社会，那么如何将时空地理信息数据库的生产和服务有机地结合起来，在数据生产的同时，更好地进行后续的数据服务，也是在数据结构组织设计时需要考虑的一个重要因素，所以在标准制定的过程中，增加了更多的要素专题信息的采集，例如对于监控摄像头，就增加了“编号”和“类别”属性字段，通过对监控摄像头的“编号”和“类别”信息的获取，再加上位置坐标信息，能够很便捷地建立监控摄像头的专题信息数据库，将基础地理信息的生产成果服务回馈于社会。

根据时空地理信息数据库建库特点以及结合标准体系建设的指导思想，主要从以下5个方面对标准体系建设方法进行了设计。

(1)几何类型设计：要素的几何类型设计是对要素的几何特征和表示方法进行的规定，分为点、线、面三类分别进行设计。

(2)数据库分层设计：规定了时空地理信息数据库的层号、要素分类、层文件名以及其具体表达的内容。

(3)数据库结构设计：规定了时空地理信息数据库中每个要素表的详细数据结构以及数据录入规范，其中数据结构的设计包括要素的名称、属性、字段类型、字段长度和描述。

(4)要素分类编码及采集规则：规定了要素的要素编码、要素名称、图式图例、几何表示、几何类型、数据库图层名、RGB值、要素属性、数据采集与指标选取以及国标编号。

(5)建库数据处理规则：规定了建库基本要求、点状要素处理规则、线状要素处理规则、面状要素处理规则、注记类要素处理规则等5个方面。

时空地理信息要素分类编码和数据采集规则表示例图如图1所示。

图1时空地理信息要素分类编码和数据采集规则表示例图

3 平台架构设计

3.1 数据模型设计

目前CAD数据模型和GIS数据模型主要还是针对空间数据，对于时间信息维护，地理空间中复杂地理实体的表达、以及图库联动的动态维护等方面还难以满足时空地理信息组织方式的需求，为了解决这方面的问题，本项目采用ObjectData的数据组织方式，建立了图库一体的时空地理信息数据模型。图库一体的时空地理信息数据模型相对于传统的CAD数据模型和GIS数据模型，它具有如下优势：①几何数据、属性与图形信息都以实体为组织单位，便于实体管理与操作；②利用点、线、面几何实体可表达具有任意几何复杂度的地理空间实体；③几何数据以实体为单位独立存储，数据更新方便，易于维护。

图库一体时空地理信息数据模型中的实体即空间要素，包括要素的几何对象、符号对象及属性信息三部分，实体由这三部分共同定义和创建，实体是几何、符号和属性的管理者；几何对象是表达要素位置和形状的几何图形，其完全由简单的点、线、面三种最基本的几何图形组成；符号对象是描述空间要素的符号图形，完全由几何对象的符号化进行表达，是简单对象点线面组成的集合而形成的各类复杂几何图形；属性信息则是描述时空要素的质量和数量特征，以数据表的形式在对象的数据结构中进行存储，包括时间信息和部分复杂要素的符号化表达信息也以属性形式存储在要素实体中。该模型的建立，打破了过去传统空间信息组织方式的单一的数据管理模式，而是将CAD数据模型和GIS数据模型进行了融合，能够更好地满足时空地理信息生产。

3.2 平台总体设计

时空地理信息数据处理平台的建设是在计算机和现代信息技术的支持下，实现时空地理信息的录入、存储、编辑、检查、更新。在平台建设的框架结构设计中，参考日常工作习惯以及对平台建设的要求，采用C/S结构的分层设计模式。该模式具体可划分为三个层次：基础架构层、数据服务层和应用服务层。

基础架构层：基础架构层是系统部署和运行的基础，包括主机、网络、操作系统、应用服务器和数据库服务器设备等。

数据服务层：主要包括时空地理信息数据、外业采集数据、历史建库数据。

应用服务层：应用服务层是系统的核心部分，可分为图库一体化表达、图形编辑、属性编辑、时间信息编辑、图库输出、数据综合、历史图入库等。

4 平台功能实现

4.1 AutoCAD Map3D软件平台

时空地理信息智能处理平台在模型设计中采用了基于ObjectData数据模型的时空地理信息组织方式，同时由于时空地理信息既包含空间信息又包含属性信息，具有数据信息量大、数据种类复杂等特点，所以决定采用AutoCAD Map3D软件平台作为系统基础平台。AutoCAD Map3D平台是Autodesk公司的产品，该平台不仅具有传统的AutoCAD通用平台的图形编辑功能强大、体系结构开发等特点，同时还可以直接访问工程设计和GIS中使用的多种主要数据格式，并使用集成的传统AutoCAD工具维护各种地理空间信息，在CAD与GIS之间架起了一座桥梁，是一个既满足数据组织方式的实现，又能够适应日常生产作业环境的开发应用平台。

对该平台的开发主要使用Map ObjectARX SDK开发包。Map ObjectARX SDK是针对AutoCAD Map3D平台上的开发而推出的一个开发软件包，它提供了以C++为基础的面向对象的开发环境及应用程序接口，能真正快速地访问图形和属性数据库。基于Map ObjectARX SDK开发的应用程序是一个DLL(动态链接库)，共享AutoCAD Map3D的地址空间，能够对AutoCAD Map3D进行直接函数调用，并且Map ObjectARX SDK类库采用了标准的C++类库的封装形式，这也大大提高了系统程序开发的可靠度和效率。

4.2 平台标准化时空地理信息数据库模板建立

时空地理信息数据库模板相对于传统数据库模板，最大的不同在于增加了时间信息，从实际操作来说就是在实体要素的数据结构中增加了时间信息字段，对于时间信息字段增加了要素的“测制时间”和“修除时间”字段，用于表达要素的测取时间和修改移除时间，每个实体要素增加了这两类时间属性后，就能够完全反映不同时期要素实体变化的情况。同时，为更好地一体化表达图形和数据库，在模板定义时，每个对象的定义中额外增加了图形符号化的信息，实现了图形和数据库的一体化联动。

图2时空地理信息模板属性字典的定制

图3 时空地理信息模板符号表达的定制

如图2所示，fcheckmust定义了要素必填字段，fdict定义了要素的属性字典。如图3所示，fRGB是定义了要素的颜色，fweight定义了线状要素的宽度，flable定义了要素符号化文本的属性字段，ftext定义了要素符号化文本的内容，ftextstyle定义了要素符号化文本的字体，ftextheight定义了要素符号化文本的字高，ftextlayer定义了要素符号化文本的层名。

4.3 平台具体实现

时空地理信息处理平台的技术设计采用系统组件式开发平台+商业数据库的模式，即由AutoCAD Map3D和SQL Server组成，在软件开发方面，选择的是更适于底层开发的VC++.net结合Map ObjectARX SDK开发包的方式，能够使开发语言和接口封装函数的底层类库保持一致，更好地保证了在开发过程中的便捷性以及系统平台在使用过程中的稳定性和易用性。

平台系统由目前比较流行的C1ient/Server(C/S)结构组成。平台所有的属性结构标准模板都集中在关系数据库中，平台通过应用服务器和C/S结构连接。数据服务层是由SQL Server数据库软件构成，是一个存储、访问和管理空间和非空间数据的关系数据库服务器，它对于系统数据库中所采用的数据模型，空间数据和属性数据之间能否建立合理的连接关系，对能否实现两者之间的双向查询和分析至关重要。平台采用三层结构模型能确保系统的可维护性、可扩展性和易调整性，满足了时空地理信息数据库图库一体智能化处理平台的建设目标。

该平台实现了不同时期的时空地理信息实时空间位置定格，实现了时空地理信息采集与数据录入同步以及非时空地理信息数据模型的历史数据录入同步，成功地解决了在标准化图形数据生产的同时实现数据库建设的时空地理信息一体化生产问题，实现了图形数据和属性信息的同步更新。系统主界面和部分功能窗口如图4和图5所示。

图4系统主界面

图5 部分系统功能窗口(属性编辑、时间编辑、图库输出)

如图6所示，左图表达是以点、线、面为对象的时空地理信息数据库，能够实现与GIS数据的无缝对接，右图是利用平台实时对数据库文件符号化的图形文件结果，真正实现了基于同文件存储、分数据表达的时空地理信息数据库。

图6库文件(左)和图文件(右)

5 应用实例

本项目应用于武汉市主城区1∶500地形图更新与时空地理信息建库工程，工程覆盖武汉市主城区 680 km2，共计 10 612幅 1∶500地形图。其中新测区域共有 580 km2，在新测区域采用基于ObjectData时空地理信息模型的数据标准，利用研制的时空地理信息处理平台，进行基础地理信息数据库的建设，制图数据完全由基于标准模板建设的数据库进行同步表达；更新区域共有 110 km2，该工程由于历史数据的组织方式各异，并且主要以图为主，数据质量参差不齐，所以生产难度更大，采取的工作方案主要是：对原有数据进行批量处理，将其图形信息和图面上的属性信息尽可能地转换到基于ObjectData时空地理信息模型的数据结构中，再通过人工进行修改建库，最后将其作为历史图数据库，通过外业数据采集，直接对历史数据库进行更新。有效保证了时空地理信息一体化生产的质量和效率。

6 结 语

时空地理信息处理平台的建设和时空地理信息数据的生产，能够为智慧城市时空地理信息的分析和挖掘提供数据基础，在此基础上，结合云计算和网络服务技术，以网络服务的模式，能够为包括决策层领导、各部门管理人员和广大社会公众在内的不同层次用户提供信息资源。例如，能够很方便地对不同时期的房屋建筑信息进行比对，哪些房屋在什么时间进行了删除，哪些房屋在什么时间进行了新建，甚至哪些房屋在什么时间做了结构和层次的改动，都能够通过历史数据追溯比对进行精确的分析查询，对于不同历史时期城市的发展进程了然于胸。同时，在将来也能够在时空地理信息数据组织结构中进行更多专题信息的扩充，以服务于更多不同层次用户的需求，提供内容更为丰富、形式更为多样的专题信息服务。