羅海燕，何　潔

(湖南省第一測繪院，湖南 衡陽 421001)

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CAD平臺下矢量數(shù)據(jù)建庫系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

羅海燕，何潔

(湖南省第一測繪院，湖南 衡陽 421001)

摘要：CAD平臺具有強大的矢量數(shù)據(jù)編輯能力與圖形表現(xiàn)能力，通過對其薄弱的空間分析能力和相關(guān)業(yè)務(wù)能力進行擴展，可以使其成為一個良好的矢量數(shù)據(jù)建庫系統(tǒng)。本文結(jié)合工作實際，探討、設(shè)計了其擴展的方法，并成功實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：CAD；矢量數(shù)據(jù)庫；擴展；GIS；設(shè)計與實現(xiàn)

以AutoCAD、Microstation等為代表的主流制圖平臺矢量圖形操作簡單，圖形編輯功能強大，并且體系結(jié)構(gòu)開放，同時具備強大的二次開發(fā)能力，這使得其在測繪地理信息行業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中得到了廣泛運用。但由于缺乏空間參考系統(tǒng)與空間分析(主要是缺乏拓撲功能)、數(shù)據(jù)庫管理方面能力薄弱等原因，使得這些平臺在地理信息數(shù)據(jù)庫建設(shè)中的應(yīng)用受到制約。如果能夠通過二次開發(fā)對CAD平臺進行擴展，為其建立一套拓撲工具，并對其數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行擴充，揚長避短，將極大地提高其在GIS領(lǐng)域的生命力。本文就如何擴充CAD平臺的空間分析與數(shù)據(jù)庫管理能力進行分析、設(shè)計與實現(xiàn)。

一、矢量數(shù)據(jù)建庫系統(tǒng)的基本需求及CAD平臺需要滿足的條件

1) 系統(tǒng)要能夠表現(xiàn)GIS的基本要素：點、線、面、體、注記，為了簡化系統(tǒng)處理，線要素不含曲線，且不考慮網(wǎng)狀要素。要求能夠方便對圖形數(shù)據(jù)進行輸入、修改與刪除，因此CAD平臺需要具備相應(yīng)的圖形元素來完成表現(xiàn)。

2) 系統(tǒng)具備一定的空間分析能力，能夠滿足建庫過程中各類圖形拓撲需要，主要實現(xiàn)基本的圖形運算：求交、求并、求差、求異、包含、覆蓋等，并在此基礎(chǔ)上進行靈活擴充。要求能夠?qū)崿F(xiàn)快速運算，時間復(fù)雜度不大于O(n)。

3) 系統(tǒng)具備一定的數(shù)據(jù)管理能力，能夠?qū)D形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，并且方便進行錄入、修改、刪除、查詢等操作，同時能夠?qū)傩詳?shù)據(jù)與多種數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)，如SQL Server、Access mdb數(shù)據(jù)庫等，同時能夠根據(jù)需要連接不同的數(shù)據(jù)庫。

4) 系統(tǒng)具備美觀、友好的UI界面。系統(tǒng)功能的擴展導(dǎo)致用戶界面的增加，因此還需要CAD平臺提供有UI開發(fā)接口。同時，新擴展的功能需要與用戶進行交互，這就需要視圖操作接口及圖形對象互動接口。

5) 系統(tǒng)能夠與主流的GIS平臺進行數(shù)據(jù)交換，交換后的圖形與數(shù)據(jù)庫經(jīng)直接或簡單映射即可使用。

經(jīng)過分析，目前應(yīng)用廣泛的AutoCAD、Microstation對條件1)、4)容易實現(xiàn)，條件5)通過輸入輸出GIS平臺交換格式可滿足；而條件2)、3)實現(xiàn)困難，本文將重點闡述這兩點如何設(shè)計與實現(xiàn)。

二、選擇設(shè)計框架

良好的設(shè)計框架對成功實現(xiàn)軟件系統(tǒng)很重要。分析可知，該系統(tǒng)的目標是通過具備一定條件的CAD平臺表達GIS數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)功能的擴充。它與軟件工程中MVC框架非常類似，該模式如圖1所示。其中，View為視圖，Model為數(shù)據(jù)模型，Controller為控制器。如果將CAD平臺視為View，GIS數(shù)據(jù)模型或相關(guān)業(yè)務(wù)模型視為Model，那么需要建立的就是Controller。Controller的功能強弱決定了CAD數(shù)據(jù)對GIS數(shù)據(jù)的表達能力；同時，Controller與View、Model的耦合度決定了其適應(yīng)性，耦合度越低其依賴于某個CAD平臺或某個GIS數(shù)據(jù)模型的程度就越低。

三、概要設(shè)計

為了保證同一種控制器模型能為不同的CAD平臺使用，同時使得設(shè)計的軟件方便移植與維護，本文采用分層設(shè)計的方式，將CAD平臺視為一個抽象層，并在其與具體的功能實現(xiàn)間建立一個映射接口，使得CAD平臺與功能實現(xiàn)分離。同理，將具體的數(shù)據(jù)庫視為數(shù)據(jù)訪問層，在其與功能實現(xiàn)間設(shè)置一個數(shù)據(jù)接口，使得同一功能實現(xiàn)能很方便地在不同CAD平臺間移植，同時能從不同數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)。設(shè)計概要如圖2所示。

圖1　MVC設(shè)計模式

圖2　分層架構(gòu)

四、詳細設(shè)計

GIS數(shù)據(jù)包括圖形要素與非圖形要素兩部分。圖形基本要素包括點、線、面、體，另外還存在一些復(fù)合業(yè)務(wù)要素，如地籍系統(tǒng)中的宗地要素等；其中體屬于三維對象，為了簡化系統(tǒng)暫不考慮該對象。非圖形要素一般可用數(shù)據(jù)表來呈現(xiàn)。該系統(tǒng)詳細設(shè)計的重點在于點、線、面、表這4類要素的表現(xiàn)與相關(guān)處理。

1. 基礎(chǔ)接口與實體類設(shè)計

為了統(tǒng)一表達空間對象，先設(shè)計幾何基礎(chǔ)接口IGeometry，再設(shè)計點、線、面3種空間對象接口，均繼承自IGeometry接口。另外，為了將圖形和相關(guān)屬性數(shù)據(jù)合成為一個整體要素，設(shè)計Feature類，它由空間對象接口IGeometry與數(shù)據(jù)訪問接口IDataAccess復(fù)合而成，要素實例的空間對象與相關(guān)屬性通過此類進行一致性操縱。為了對同一類型要素進行一致性管理，設(shè)計FeatureClass類統(tǒng)一維護Feature實例對象。實體類與基礎(chǔ)接口主要設(shè)計如圖3所示。

2. 數(shù)據(jù)表示層設(shè)計

數(shù)據(jù)表示層主要負責將GIS數(shù)據(jù)映射為CAD數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，主要包括3方面：符號表達系統(tǒng)設(shè)計、圖形繪制系統(tǒng)設(shè)計、界面設(shè)計。這一層的設(shè)計與具體的CAD平臺相關(guān)，并且已經(jīng)有許多成熟的實現(xiàn)方案，如南方CASS、GeoOne等軟件。

圖3　實體類與基礎(chǔ)接口主要部分

3. 業(yè)務(wù)功能接口及實現(xiàn)

系統(tǒng)需要擴展的業(yè)務(wù)功能實際需要與建庫過程具體需求有關(guān)，現(xiàn)以基本業(yè)務(wù)功能的圖形拓撲運算為例進行說明。

(1) 業(yè)務(wù)功能接口設(shè)計

為了實現(xiàn)幾何對象的拓撲運算功能，首先定義業(yè)務(wù)功能接口ITopologyOperator，如圖4所示。

圖4　業(yè)務(wù)功能接口ITopologyOperator

(2) 業(yè)務(wù)功能的實現(xiàn)

業(yè)務(wù)功能的實現(xiàn)有兩種方式：一是在基礎(chǔ)接口和實體類的基礎(chǔ)上定義新的功能類來實現(xiàn)IToplogyOperator接口；二是在目標CAD平臺上包裝現(xiàn)有實體對象實現(xiàn)IToplogyOperator接口。前者需要自行實現(xiàn)空間對象點、線、面基本圖形運算；后者可以利用目標平臺本身提供的基本圖形運算API。現(xiàn)以在AutoCAD平臺中使用C#實現(xiàn)IPolyline接口中IToplogyOperator的IntersectOperater操作為實例來說明拓撲運算功能的具體實現(xiàn)：

public class TPolyline:IPolyline

{

internal Polyline m_pline = null;

…

∥IToplogyOperator中的IntersectOperater接口實現(xiàn)

public IGeometry[] IntectOperater(IGeometry geo)

{

if (geo is TPolyline)

return getIntersect((TPolyline)geo);

else if (geo is TGeoPoint)

return getIntersect ((TGeoPoint)geo);

else if (geo is TPolygon)

return getIntersect ((TPolygon)geo);

else

return geo.IntectOperater(this);

}

需與本體進行交叉運算的多段線

private IGeometry[] getIntersect (TPolyline pline)

{

Point3dCollection pts = new Point3dCollection();

m_pline.IntersectWith(pline.m_pline, Intersect.OnBothOperands, new Plane(), pts, 0, 0);

if (pts.Count == 0)

return null;

List realIntectPts = new List();

foreach (Point3d pt in pts)

{

if (pt.DistanceTo(m_pline.GetClosestPointTo(pt, false)) < m_Tolerance &&

pt.DistanceTo(pline.m_pline.GetClosestPointTo(pt, false)) < m_Tolerance)

realIntectPts.Add(new TGeoPoint(pt.X,pt.Y,pt.Z));

}

return realIntectPts.ToArray();

}

…

}

在客戶端調(diào)用函數(shù)：IGeometry[] geoAry=pline. IntectOperater(otherPline)，即可進行多段線求交集操作，達到業(yè)務(wù)功能的實現(xiàn)。

對于其他類似的業(yè)務(wù)功能，只要先定義相應(yīng)的業(yè)務(wù)功能接口，然后在不同的CAD平臺進行實現(xiàn)，就可以很方便地進行業(yè)務(wù)功能的移植和擴展。如可以將空間索引作為一個業(yè)務(wù)功能進行擴展，為不同CAD平臺提供空間索引服務(wù)，使得大數(shù)據(jù)量的空間計算可以快速進行。

4. 數(shù)據(jù)訪問接口設(shè)計

數(shù)據(jù)訪問接口主要負責圖形屬性數(shù)據(jù)的訪問操作，因此需要讀、寫、刪除和查詢功能。根據(jù)需要定義IDataTable接口，通過在數(shù)據(jù)層中具體實現(xiàn)該接口，可以方便擴展對各類數(shù)據(jù)庫的操作，這樣通過在數(shù)據(jù)層中的不同實現(xiàn)，使得建庫系統(tǒng)既可以用CAD平臺的內(nèi)置數(shù)據(jù)庫，又可以實現(xiàn)使用各種通用數(shù)據(jù)庫，甚至可以實現(xiàn)自定義的數(shù)據(jù)表。如圖5所示。

5. 數(shù)據(jù)層實現(xiàn)

為了能使建庫系統(tǒng)具備對空間數(shù)據(jù)相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)訪問能力，必須針對相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)具體的數(shù)據(jù)接口，現(xiàn)以C#語言封裝OLEDB組件實現(xiàn)IDataTable接口來說明實現(xiàn)方法。

圖5　數(shù)據(jù)訪問接口族主要部分

public class OLEDBDataTable:IDataTable

{

const string connectionString ="provider=Microsoft.JET.OLEDB.4.0;" +

"data source=";

SD.IDataAdapter m_dataAdapter = null;

SD.DataTable m_sdTable = null;

public AccessMdbDataTable(string dbName, string tableName)

{

SD.IDataAdapter dataAdapter = new OleDbDataAdapter(

string.Format("Select*From{0}", tableName), connectionString + dbName);

SD.DataSet dataset = null;

dataAdapter.Fill(dataset);

dataAdapter.FillSchema(dataset, SD.SchemaType.Mapped);

m_sdTable = dataset.Tables[tableName];

}

public DataOperationMessage GetData(Identify id,IField field,out object value)

{

SD.DataView dv = new SD.DataView(m_sdTable);

dv.RowFilter = id.value;

value = null;

if(dv.Count > 0)

return new DataOperationMessage(DataOperationResultEnum.GetFailed,"指定id不唯一");

else if(dv.Count == 0)

return new DataOperationMessage(DataOperationResultEnum.GetFailed,"指定id無記錄");

try{

value = dv[0][field.GetFieldName()];

}catch(Exception e){

return new DataOperationMessage(DataOperationResultEnum.GetFailed,

"字段" + field.GetFieldName() + "獲取失敗:" + e.Message);

}

return new DataOperationMessage(DataOperationResultEnum.SUCCESS,"");

}

public DataOperationMessage SetData(Identify id,IField field,object value)

{略}

public DataOperationMessage EraseData(Identify id)

{略}

public DataOperationMessage ListField(out IField[] fields)

{略}

}

以上代碼實現(xiàn)對OLEDB組件的包裝并實現(xiàn)IDataTable接口。同樣的，通過對CAD平臺內(nèi)置數(shù)據(jù)庫的包裝并實現(xiàn)IDataTable接口，便可在業(yè)務(wù)功能中使用IDataTable接口獲取不同數(shù)據(jù)庫的無區(qū)別一致性訪問，使得業(yè)務(wù)功能與具體的數(shù)據(jù)庫及CAD平臺無關(guān)。

五、實施案例

完成矢量建庫系統(tǒng)的各項單元及集成測試后，便可以對具體的業(yè)務(wù)項目進行定制。2014年通過對本系統(tǒng)的擴展，在AutoCAD 2007平臺上成功開發(fā)了湖南省農(nóng)村土地集體土地調(diào)查軟件。該軟件除具備常規(guī)的圖形繪制、屬性錄入管理功能外，還有如下功能：

1) 以空間拓撲及運算擴展庫為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了對權(quán)屬圖斑的空間拓撲檢查、自動構(gòu)面、空間對象邏輯性檢查、四至自動填寫、圖形自動編號等業(yè)務(wù)功能。

2) 以對空間對象與相關(guān)屬性數(shù)據(jù)的包裝為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了各類權(quán)屬要素及相關(guān)要素(地塊、界址點線、圖斑等)的集成管理，通過對CAD平臺內(nèi)置數(shù)據(jù)庫與mdb數(shù)據(jù)庫的包裝實現(xiàn)了一致性訪問，除可以非常容易地對各類空間對象屬性與非空間屬性進行操作外，還實現(xiàn)了各類屬性及屬性間的約束性檢查、類型檢查及邏輯一致性檢查等業(yè)務(wù)功能。

3) 以空間實體、屬性接口與實體類為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了SHP格式的數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)功能(根據(jù)需要也可以很容易實現(xiàn)其他類型的數(shù)據(jù)交換格式擴展)。

4) 基于數(shù)據(jù)接口提供了各類報表的輸出功能等。整個軟件系統(tǒng)通過將邏輯與實現(xiàn)分離，使得程序易于維護、擴展與移植，如對于Microstation用戶，可以在不改動業(yè)務(wù)功能代碼的情況下，通過將表示層重寫，并對內(nèi)置數(shù)據(jù)庫進行重包裝，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)接口層的移植，移植的工作量大為減少。同樣的，對于不同業(yè)務(wù)需求，只需要定義業(yè)務(wù)功能接口并實現(xiàn)后即可重用數(shù)據(jù)訪問層、表示層。

六、結(jié)束語

本文展示了一種將CAD平臺擴展為矢量建庫系統(tǒng)的方法，該方法改造的建庫系統(tǒng)繼承了CAD本身強大的圖形編輯與擴展能力，并在此基礎(chǔ)上擴展了該建庫系統(tǒng)的空間分析與屬性管理能力。筆者組織開發(fā)的湖南省農(nóng)村土地權(quán)屬調(diào)查軟件集數(shù)據(jù)的前端采集與后期圖形屬性建庫能力于一體，在湖南省農(nóng)村土地所有權(quán)與經(jīng)營權(quán)確權(quán)項目實施過程中發(fā)揮了重要作用，取得了良好的社會效益與經(jīng)濟效益，受到了省內(nèi)使用單位的廣泛好評。

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Design and Realization of Vector Database Construction Based on CAD Platform

LUO Haiyan，HE Jie

收稿日期：2015-07-15； 修回日期： 2015-11-03

作者簡介：羅海燕(1968—)，男，碩士，高級工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)研究與軟件開發(fā)工作。E-mail：hnhy_lhy@163.com

中圖分類號：P208

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)06-0105-04

引文格式： 羅海燕，何潔. CAD平臺下矢量數(shù)據(jù)建庫系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪通報，2016(6)：105-108.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0202.