基于ArcEngine的数字化城市信息管理系统

基于ArcEngine的数字化城市信息管理系统摘要：数字城市数字城市是从工业化时代向信息化时代转换的基本标志之一。它一般指在城市自然、社会、经济系统的范畴中，能够有效获取、分类存储、自动处理和智能识别海量数据的、具有高分辨率和高度智能化的、既能虚拟现实又可直接参与城市管理和服务的一项综合工程。地理信息系统（GIS）技术是用现代计算机技术管理和分析空间数据，可以为数字化城市管理和决策提供重要手段。随着GIS软件的成熟，也为各类城市管理系统提供了基础开发平台，通过对GIS软件二次开发与空间数据集成，开发满足特定用户要求的GIS应用软件是当前GIS应用的重要方向。首先进行了数字化城市管理需求分析，并完成了城市部件信息管理系统总体结构设计；其次，分析研究了空间数据、空间数据模型及空间数据分层组织，并结合实际确立了空间数据和属性数据的组织结构和存储方式，结合Geodatabase模型，设计并建立了空间数据库和属性数据库；第三，对数字化城市部件信息管理系统GIS部分进行了设计与实现，采用高级编程语言C#和ArcEngine组件库开发了一个与用户交互的信息管理平台，实现了用户对属性数据和空间数据的管理。系统具有地图浏览功能、图层控制功能、基于空间要素和属性的查询功能、展点功能及空间分析等功能。该系统人机界面友好、功能强大、操作简便，具有较好的实用性。关键词：数字化城市；信息管理系统；GIS；空间数据库；组件式开发；ArcEngine；背景现状：国外：美国颁布了国家空间数据基础设施（NationalSpatialDataInfrastructures，NSDI）计划，正式在美国政府和非政府部门中开展直接协调地理空间数据收集和管理的活动。并于1995年4月提出了NDGDF实施计划，开始建立包括大地测量控制、数字正射影像、数字高程模型、交通、水文、行政单元以及公用地块地籍数据在内的数据框架。英国政府在认识和分析美国NSDI成功和问题的基础上，提出了国家地理空间数据框架（NGDF）发展计划。荷兰于1990年建立了地籍信息的联网查询，1997年完成全国地籍图数字化。新加坡数字化是19世纪作为英国的一个贸易港口建立起来的，这个城市化的国家在数字化方面发展十分迅速国内：2004年，北京市东城区率先推出“万米单元网格管理法”和“城市部件管理法”，并实施“数字城管”系统建设，城市管理取得了明显成效。实现了城市管理的信息化、标准化、精细化、动态化。2005年，原国家建设部向全国推广“数字城管”新模式。2005年至今，“数字城管”模式作为当前城市管理行之有效、行之高效的新型管理模式在全国各地迅速推广和应用。目前，建设部已开展了北京市朝阳区、上海市长宁区、上海市卢湾区、南京市鼓楼区、扬州市、杭州市、烟台市、深圳市、成都市和武汉市等10个城市（区）的试点工作。基本功能:城市的出现，是人类社会政治、经济、文化发展的重要标志。城市是人口、生产、消费以及其他因素集中在一个固定空间区域内并形成一定规模的重要形式，它并不是孤立存在的，其发展和建设需要与经济、环境、人口等诸多因素有关。只有将这些信息要素与城市规划和设计以及日常管理和维护工作紧密结合，并利用计算机信息技术才能建设满足需要的城市管理系统，所有的这些信息都有赖于其地理位置等信息。城市信息管理系统主要面向两类用户：市政管理部门，他们是系统间接用户，并不运行系统，而是根据需求给市县级管理部门下达指令；第二类用户是该市城管局，他们是系统的直接用户，因此对系统要求较高。系统基本功能分析：（1）作为一款面向对象的应用型GIS软件，人性化设置非常重要，比如界面友好，操作简单方便，系统运行稳定等。（2）管理部门在管理、规划城市部件的时候，GIS作为重要的工具，除了能够通过图形的形式直观地反映部件的位置以外，更需要能够满足用户查询及检索相关信息。（3）部件的维护管理受多方面因素的影响，多种数据的叠加显示为城市部件规划管理提供了直接的分析依据。（4）部件管理对于城市管理部门来说是一项繁重的业务，传统的管理模式效率低下，方式落后，数据更新缓慢。系统需在数据管理方面有较大改进。地理信息系统及开发方式：随着地理信息系统应用领域的扩展，应用型GIS的开发工作日益显得重要。如何针对不同的应用目标，高效地开发出既合乎需要，又具有方便美观的界面形式的地理信息系统，是GIS开发者关心的问题。GIS的开发方式有以下几种：（1）独立开发独立开发是指不依赖于任何GIS工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析以及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言，在一定的操作平台上编程实现。独立开发的优点是开发者拥有完全的主动权，无须购买商业化的GIS工具软件，减少了开发成本，安全性能得到保证。但另一方面，对于大多数开发者而言，时间、精力、财力的限制使得开发的产品很难达到与商业化GIS工具软件的同等水平，而且很多时候购买GIS工具软件方面所节约的成本还未能抵上重新开发的代价。因此，独立开发的应用系统是比较少的。（2）单纯二次开发指完全借助于GIS工具软件本身提供的宏语言进行系统开发。早期的许多商用GIS软件提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如ESRI的ArcInfo提供的AML语言，MapInfo公司的MapInfoProfessional提供的MapBasic语言等。用户可以利用这些宏语言，以原有的GIS软件为开发平台，开发出针对不同应用对象的GIS程序。这种方式比较容易掌握，但是由于宏语言作为编程语言的功能较弱，因此开发的应用程序仍然不尽如人意。（3）集成二次开发集成二次开发是指利用专业的GIS工具软件如ArcInfo、MapInfo等实现的基本功能，以通用软件开发工具如VisualStudio为开发平台，进行二者的集成开发。集成二次开发目前主要有两种开发方式：81）OLE/DDE方式采用OLEAutomation技术或DDE技术，用软件开发工具开发前台的应用程序，以OLE自动化方式或DDE方式启动GIS工具软件在后台运行，利用回调技术动态获取返回信息实现应用程序中的地理信息处理功能。2）组件式二次开发这是组件技术在GIS中的成功应用。该方式利用GIS工具软件生产商提供的功能组件，采用可视化软件开发工具，直接将GIS功能嵌入其中，还可根据需要将相关组件进一步开发。与DDE技术相比，利用组件开发速度快，占用资源少，而且易实现许多底层的编程和开发功能。ArcEngine组件：ArcGISEngine是开发人员用于建立自定义应用程序的嵌入式GIS组件的一个完整类库。开发人员可以使用ArcGISEngine将GIS功能嵌入到现有的应用程序中，包括MicroSoftOffice的Word等办公自动化产品，也可以建立能分发给众多用户的自定义高级GIS系统应用程序。ArcGISEngine由一个软件开发工具包和一个可以重新分发的、为所有ArcGIS应用程序提供平台的运行时组成。ArcGISEngine的五个组成部分概括如下：基本服务：由GIS核心ArcObjects（AO）构成，几乎所有GIS应用程序都需要，如要素几何体和显示。数据存取：ArcGISEngine可以对许多栅格和矢量格式进行存取，包括强大而灵活的地理数据库。其中可被装载到各个ArcEngine控件中的文档类型。地图表达：包括用于创建和显示带有符号体系和标注功能的地图的ArcObjects，及包括创建自定义应用程序的专题制图功能的ArcObjects。开发组件：用于快速应用程序开发的高级用户接口控件和用于高效开发的一个综合帮助系统。运行时选件：ArcGISEngine运行时可以与标准功能或其他高级功能一起部署。空间数据库：空间数据库是地理信息系统的核心，地理信息系统几次重大的技术革命都与空间数据库管理系统技术发展相关。20世纪80年代，文件系统与关系数据库管理系统都代表着当时GIS软件的基本特征。空间数据库是指在关系型数据库（RDBMS）内部对地理信息进行物理存储，并允许多用户访问数据库，多个用户可以同时读写同一个、共享的数据库。空间数据库技术用关系数据库管理系统（RDBMS）来管理空间数据，主要解决存储在关系数据库中的空间数据与应用程序之间的数据接口问题，即空间数据库引擎空间数据库管理系统：空间数据模型的发展是与数据库技术的发展密切相关的，空间数据库管理系统更是与数据库技术的发展密不可分。按发展的轨迹，可以将GIS空间数据管理系统分为文件—关系型、全关系型、对象—关系型和纯对象型4种类型：1）文件—关系型数据库管理系统由于空间数据的复杂性，早期关系型数据库难以满足空间数据库管理的要求。因此大部分GIS软件采用混合管理的模式，即用文件系统管理几何图形数据，用商用关系型数据库管理属性数据，两者之间通过目标标识码或内部连接码进行连接。2）全关系型数据库管理系统全关系型数据库管理系统是指图形和属性数据都用某一关系数据库管理系统进行管理，GIS软件开发商直接在某一关系型数据库管理系统的基础上进行开发，使所开发的GIS不仅能管理结构化的属性数据，还能管理非结构化的图形数据。3）对象—关系型数据库管理系统GIS用户界面高级语言，ODBC图形处理图形建库数据库管理系统图形文件库属性数据库采用全关系型模式管理GIS空间数据效率不高，而非结构化的空间数据管理对于数据库管理系统来说又十分重要。（4）纯对象型数据库管理系统采用面相对象模型的纯对象型管理方式最适合空间数据的表达与管理，它不仅支持边长记录，而且支持对象嵌套、信息继承与传播。数字化城市信息管理系统数据库的设计与建立由于城市部件种类很多，数量也相当庞大，决定了它的数据库中数据的综合性和数据结构的复杂性。GIS不同于一般的数据库，不仅可以高效的处理空间数据，而且可以管理具有拓扑结构的图形数据，并建立两者之间的关系。数字化城市部件信息管理系统采用的数据有空间数据和属性数据两种。空间数据库主要用来存储和管理以矢量数据为主的图形图像数据及关联数据。属性数据库主要用来描述实体的属性和说明数据，两者通过统一的字段值（如PointID，LineID等）进行连接。以下是两种数据库的具体内容：（1）空间数据库：从数据结构上看，有栅格型空间数据和矢量型空间数据两大类。本文所涉及的是栅格型空间数据，包括城市基础数据（道路面、建筑物、水系），网格数据（单元网格、街道、社区、行政区）。（2）属性数据库：一般采用关系模型来描述，以表为基本存储单位，主要是部件属性信息表和地理编码数据表。结论随着我国城市建设的迅速发展，城市规模越来越庞大，市内部件设施管理越来越复杂，城市部件管理的信息化和科学化日益重要。本文采用以.NET作为开发环境，以组件式的开发方式为背景，开发了一套城市部件信息管理系统，分析了系统开发过程中的关键性技术，研究了空间数据库以及空间数据的组织方式，为以后开发综合性的大型数字化城市信息管理系统积累了经验和理论依据。主要成果如下：（1）进行了城市部件信息管理系统总体结构的设计。（2）详细描述了空间数据及空间数据模型，研究了空间数据分层组织，并结合实际确立了空间数据和属性数据的组织结构和存储方式，结合Geodatabase模型建立了GIS数据库，使得数据表达更加准确，管理更为方便。（3）对数字化城市部件信息管理系统GIS部分进行了开发。采用高级编程语言C#和ArcEngine组件库开发了一个与用户交互的信息管理平台，实现了用户对属性数据和空间数据的管理。该系统具有地图浏览功能、图层控制功能、基于空间要素和属性的查询功能、展点功能及空间分析等功能。