城市地理信息系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究

潘傳姣

（河南城建學(xué)院測(cè)繪工程學(xué)院，河南 平頂山 467036）

前言

地理信息系統(tǒng)因其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化和空間分析功能，為城市信息的管理提供了強(qiáng)有力的支持，構(gòu)建新的地理信息系統(tǒng)是我國(guó)城市化發(fā)展的必然趨勢(shì)。了解城市地理信息系統(tǒng)，首先要了解地理信息系統(tǒng)的要求和總體結(jié)構(gòu)，下文將具體闡述其各個(gè)方面的設(shè)計(jì)要求。

一、地理信息系統(tǒng)作用

城市地理信息系統(tǒng)可以對(duì)城市地形、建筑物等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理，記錄建筑物的整個(gè)工程，同時(shí)對(duì)于建好的建筑可以提高管理效率，為城市提供數(shù)據(jù)查詢和技術(shù)分析等功能。同時(shí)為了方便城市治安管理，城市地理信息系統(tǒng)可以提供三維立體圖像，更好的用于保存資料、維護(hù)管理[1]。

地理信息系統(tǒng)是一種很好的管理和分析城市空間數(shù)據(jù)的應(yīng)該技術(shù)，跨學(xué)科的特點(diǎn)保證了其應(yīng)用于城市管理的多個(gè)領(lǐng)域。該系統(tǒng)綜合使用計(jì)算機(jī)軟件和硬件技術(shù)、程序開發(fā)技術(shù)，是目前比較流行和實(shí)用地可以為城市信息管理提供巨大支撐的系統(tǒng)，方便城市管理者解決復(fù)雜的城市規(guī)劃和城市管理問(wèn)題。

二、地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

地理信息系統(tǒng)采用了客戶機(jī)和服務(wù)器的結(jié)構(gòu)。其中服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，為客戶提供數(shù)據(jù)查詢業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)和日常管理由系統(tǒng)維修人員負(fù)責(zé)。ArcGIS Engine Runtime是客戶端需要安裝的程序，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。ArcGIS Engine Runtime 是目前在世界上比較流行的軟件，它是地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)。為了進(jìn)一步確?？臻g和非空間數(shù)據(jù)的一體化存儲(chǔ)，地理信息系統(tǒng)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從最基本的存儲(chǔ)到管理、查詢等功能的正常運(yùn)行。為前段服務(wù)器提高有力地支持[2]。

2、地理信息系統(tǒng)功能

根據(jù)筆者多年從事地理信息工作的經(jīng)驗(yàn)，地理信息系統(tǒng)的功能模板主要包括數(shù)據(jù)編輯和加載模塊、地圖打印和瀏覽模塊、三維顯示和分析模塊、空間量算模塊、系統(tǒng)管理模塊和地圖打印模塊，同時(shí)有些地理信息系統(tǒng)還包括影像播放模塊、查詢檢索模塊。GIS具有數(shù)據(jù)采集與輸入功能、數(shù)據(jù)編輯與管理功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與更新功能等，GIS 主要會(huì)應(yīng)用到城鄉(xiāng)規(guī)劃、土地調(diào)查、城市管網(wǎng)、城市公共服務(wù)等領(lǐng)域。

三、地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

1、數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成

地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立比較復(fù)雜和持久，數(shù)據(jù)庫(kù)是地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)性工作。地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括工程勘察數(shù)據(jù)和城市規(guī)劃數(shù)據(jù)等，是一種存儲(chǔ)豐富、資源較多的數(shù)據(jù)庫(kù)。

2、數(shù)據(jù)庫(kù)的空間數(shù)據(jù)組織模式

通常地理信息系統(tǒng)都要對(duì)城市多種地理因素進(jìn)行管理，數(shù)據(jù)種類很多，數(shù)據(jù)量很大，但是數(shù)據(jù)并不是孤立存在的，而是相互之間有著某種聯(lián)系[3]。因此需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，才能更好地發(fā)揮地理信息系統(tǒng)的功能，Geodatabase模型就是一種專門用來(lái)管理和設(shè)計(jì)這種數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。相對(duì)于其他系統(tǒng)，系統(tǒng)Geodatabase中的矢量數(shù)據(jù)通常有要素?cái)?shù)據(jù)集和要素類兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，后者主要是指那些具有相同參考系統(tǒng)的要素。同時(shí)，要素類可以存儲(chǔ)屬性相同的要素和幾何類型相同的要素。要素類是一種幾何地理實(shí)體，各個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)中都包含一定的點(diǎn)、線、面，有時(shí)還是它們的集合。柵格數(shù)據(jù)集可以呈現(xiàn)一副影像圖、一個(gè)以格網(wǎng)采樣的環(huán)境屬性、一個(gè)有關(guān)特征的對(duì)象圖片，是一種表達(dá)連續(xù)地理對(duì)象的數(shù)據(jù)集。柵格數(shù)據(jù)集管理也是目前比較流行的數(shù)據(jù)庫(kù)管理形式，主要因?yàn)樗梢蕴峁┯跋駡D、環(huán)境屬性等信息。其中數(shù)據(jù)庫(kù)中還包含表文件，主要用來(lái)作為記錄的集合，項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案信息表是比較流行的一種記錄集合。

四、系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

1、系統(tǒng)開發(fā)條件

地理信息系統(tǒng)開發(fā)需要一定的開放條件，通常Visual studio 2005+ArcGIS En-gine 9.2是常用的系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，它可以提供程序設(shè)計(jì)，調(diào)用ArcGIS Engine組件庫(kù)的組件，進(jìn)一步充分利用Visual C#開發(fā)語(yǔ)言，發(fā)揮系統(tǒng)的函數(shù)開發(fā)功能。實(shí)現(xiàn)上文提到的地理信息系統(tǒng)功能：數(shù)據(jù)編輯和加載模塊、地圖打印和瀏覽模塊、三維顯示和分析模塊、空間量算模塊、系統(tǒng)管理模塊和地圖打印模塊等。

2、主要功能實(shí)現(xiàn)

地理信息系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)就在于它的功能展現(xiàn)，比傳統(tǒng)的系統(tǒng)更清晰、更全面、更生動(dòng)，更有利于城市信息管理。本文主要通過(guò)地圖瀏覽、三維顯示和三維分析三個(gè)方面進(jìn)行討論說(shuō)明。

①地圖瀏覽

地圖瀏覽主要借助于計(jì)算機(jī)完成，包括地圖顯示區(qū)、圖層控制區(qū)。作為輔助操作系統(tǒng)，菜單欄和工具欄在地圖瀏覽中也有很大的應(yīng)用。

地圖瀏覽功能主要通過(guò)上文提到的ArcGIS Engine系統(tǒng)，依靠ArcGIS Engine中的工具條控件和目錄樹控件完成，由視圖控制和圖層控制操作。工具欄可以對(duì)地圖進(jìn)行放大和縮小的設(shè)置，還可以為了客戶的要求進(jìn)行移動(dòng)和定位，方便客戶迅速找到目標(biāo)。圖層控制窗口可以直接控制圖層的顯隱和圖層與文字的上下設(shè)置，這樣可以方便客戶選擇瀏覽方式，增加了地圖瀏覽的多元化，提高了查詢信息的效率。

②三維顯示

三維顯示是城市地理信息系統(tǒng)比較突出的功能，也是我國(guó)科技發(fā)展的主要標(biāo)志。通過(guò)提供查詢結(jié)果的三維影像，可以增加客戶對(duì)目標(biāo)的把握和分析，也方便了投資者對(duì)地形的投資考慮，為我國(guó)城市土地開發(fā)提供了便利、有效的條件。 進(jìn)行三維顯示，首先要?jiǎng)?chuàng)建不規(guī)則三角網(wǎng)，選擇一定的比例尺對(duì)目標(biāo)進(jìn)行從提取出測(cè)量點(diǎn)，根據(jù)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)創(chuàng)建不規(guī)則三角網(wǎng)，即TIN[4]。利用不規(guī)則三角網(wǎng)來(lái)表示出地形表面，從而呈現(xiàn)出三維的地形表面模型。然后在不規(guī)則三角網(wǎng)上疊加建筑物的高度，主要是為了得到不同建筑物的地形表面模型，然后根據(jù)不同高度的建筑物表上不同的顏色，這樣就會(huì)很形象化地展示出城市地理信息。這種三維顯示是對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的又一步發(fā)展，將地形表面模型更加形象化地呈現(xiàn)給客戶，以供客戶查詢目標(biāo)建筑。

③三維分析

三維顯示是三維分析的基礎(chǔ)性工作，三維分析是三維顯示的延伸。三維分析主要依賴于函數(shù)二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)。三維分析在建筑工作中的作用很大，可以為投資方提供土地信息，不僅關(guān)于用地選址，還包括土地的剖面分析和視域分析，本文主要通過(guò)剖面分析和視域分析來(lái)闡述三維分析的優(yōu)勢(shì)。

剖面分析主要是指地理信息系統(tǒng)可以依靠相關(guān)數(shù)據(jù)繪制地形剖面圖，這種剖面圖主要是表示土地表明的高低變化。首先利用不規(guī)則三角網(wǎng)在剖面圖上選擇兩點(diǎn)，連接兩點(diǎn)創(chuàng)建剖面線，通過(guò)計(jì)算不規(guī)則三角網(wǎng)和剖面線相交后的三維線，得出三維線應(yīng)該在不規(guī)則三角網(wǎng)上繪制的圖形要素，最后測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的長(zhǎng)度和高度制作地形剖面圖。

而視域分析功能主要是通過(guò)建立視線瞄準(zhǔn)線，來(lái)判斷這一點(diǎn)是否相對(duì)于其他點(diǎn)是可以看見的，實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)通視分析。如果沒(méi)有看到這一點(diǎn)，則應(yīng)該分析遮擋目標(biāo)點(diǎn)的障礙物。同時(shí)在瞄準(zhǔn)線上，可以看見的部分和不可以看見的部分要用不同顏色來(lái)表示。

地圖瀏覽、三維顯示和三維分析三個(gè)功能并不是孤立存在的，而是共同構(gòu)成了城市地理信息系統(tǒng)的功能，三者相互配合，使地理信息系統(tǒng)提供的信息更加形象化、更大清晰化、更有利用價(jià)值。

結(jié)論：通過(guò)以上分析可以看出，地理信息系統(tǒng)為城市信息管理提供了強(qiáng)大支持，地理信息系統(tǒng)的普及是未來(lái)城市化發(fā)展的必然趨勢(shì)。地理信息系統(tǒng)的構(gòu)建主要通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，功能主要依靠地圖瀏覽、三維顯示和三維分析三個(gè)方面來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。推動(dòng)城市地理信息系統(tǒng)的構(gòu)建和普及，將會(huì)有利于城市安全，社會(huì)和諧穩(wěn)定。

[1]顧留碗，鄭平建，張海榮.基于GIS技術(shù)的滁州學(xué)院管理系統(tǒng)[J].滁州學(xué)院學(xué)報(bào)，2009,09(01):19-20.

[2]趙俊蘭，馮仲科.基于組件式的數(shù)字園區(qū)信息管理系統(tǒng)的建立[J].測(cè)繪通報(bào)，2007，09(06):98-99.

[3]李守平，潘雨青，陳天滋.三維GIS建模方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2006，12(11):90-91.

[4]黃建彰，韋偉鴻，黃勇，田才煌.基于組件式的數(shù)字園區(qū)信息管理系統(tǒng)的建立[J].建筑施工.2008，08(05):89.