CAD平臺(tái)下矢量數(shù)據(jù)建庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅海燕，何　潔

(湖南省第一測(cè)繪院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

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CAD平臺(tái)下矢量數(shù)據(jù)建庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅海燕，何潔

(湖南省第一測(cè)繪院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

摘要：CAD平臺(tái)具有強(qiáng)大的矢量數(shù)據(jù)編輯能力與圖形表現(xiàn)能力，通過(guò)對(duì)其薄弱的空間分析能力和相關(guān)業(yè)務(wù)能力進(jìn)行擴(kuò)展，可以使其成為一個(gè)良好的矢量數(shù)據(jù)建庫(kù)系統(tǒng)。本文結(jié)合工作實(shí)際，探討、設(shè)計(jì)了其擴(kuò)展的方法，并成功實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：CAD；矢量數(shù)據(jù)庫(kù)；擴(kuò)展；GIS；設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

以AutoCAD、Microstation等為代表的主流制圖平臺(tái)矢量圖形操作簡(jiǎn)單，圖形編輯功能強(qiáng)大，并且體系結(jié)構(gòu)開(kāi)放，同時(shí)具備強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)能力，這使得其在測(cè)繪地理信息行業(yè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中得到了廣泛運(yùn)用。但由于缺乏空間參考系統(tǒng)與空間分析(主要是缺乏拓?fù)涔δ?、數(shù)據(jù)庫(kù)管理方面能力薄弱等原因，使得這些平臺(tái)在地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)中的應(yīng)用受到制約。如果能夠通過(guò)二次開(kāi)發(fā)對(duì)CAD平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展，為其建立一套拓?fù)涔ぞ?，并?duì)其數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充，揚(yáng)長(zhǎng)避短，將極大地提高其在GIS領(lǐng)域的生命力。本文就如何擴(kuò)充CAD平臺(tái)的空間分析與數(shù)據(jù)庫(kù)管理能力進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

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

1) 系統(tǒng)要能夠表現(xiàn)GIS的基本要素：點(diǎn)、線、面、體、注記，為了簡(jiǎn)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(duì)圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、修改與刪除，因此CAD平臺(tái)需要具備相應(yīng)的圖形元素來(lái)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(kù)過(guò)程中各類圖形拓?fù)湫枰?，主要?shí)現(xiàn)基本的圖形運(yùn)算：求交、求并、求差、求異、包含、覆蓋等，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行靈活擴(kuò)充。要求能夠?qū)崿F(xiàn)快速運(yùn)算，時(shí)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(jìn)行關(guān)聯(lián)，并且方便進(jìn)行錄入、修改、刪除、查詢等操作，同時(shí)能夠?qū)傩詳?shù)據(jù)與多種數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)，如SQL Server、Access mdb數(shù)據(jù)庫(kù)等，同時(shí)能夠根據(jù)需要連接不同的數(shù)據(jù)庫(kù)。

4) 系統(tǒng)具備美觀、友好的UI界面。系統(tǒng)功能的擴(kuò)展導(dǎo)致用戶界面的增加，因此還需要CAD平臺(tái)提供有UI開(kāi)發(fā)接口。同時(shí)，新擴(kuò)展的功能需要與用戶進(jìn)行交互，這就需要視圖操作接口及圖形對(duì)象互動(dòng)接口。

5) 系統(tǒng)能夠與主流的GIS平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，交換后的圖形與數(shù)據(jù)庫(kù)經(jīng)直接或簡(jiǎn)單映射即可使用。

經(jīng)過(guò)分析，目前應(yīng)用廣泛的AutoCAD、Microstation對(duì)條件1)、4)容易實(shí)現(xiàn)，條件5)通過(guò)輸入輸出GIS平臺(tái)交換格式可滿足；而條件2)、3)實(shí)現(xiàn)困難，本文將重點(diǎn)闡述這兩點(diǎn)如何設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

二、選擇設(shè)計(jì)框架

良好的設(shè)計(jì)框架對(duì)成功實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)很重要。分析可知，該系統(tǒng)的目標(biāo)是通過(guò)具備一定條件的CAD平臺(tái)表達(dá)GIS數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)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(tái)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(qiáng)弱決定了CAD數(shù)據(jù)對(duì)GIS數(shù)據(jù)的表達(dá)能力；同時(shí)，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(gè)CAD平臺(tái)或某個(gè)GIS數(shù)據(jù)模型的程度就越低。

三、概要設(shè)計(jì)

為了保證同一種控制器模型能為不同的CAD平臺(tái)使用，同時(shí)使得設(shè)計(jì)的軟件方便移植與維護(hù)，本文采用分層設(shè)計(jì)的方式，將CAD平臺(tái)視為一個(gè)抽象層，并在其與具體的功能實(shí)現(xiàn)間建立一個(gè)映射接口，使得CAD平臺(tái)與功能實(shí)現(xiàn)分離。同理，將具體的數(shù)據(jù)庫(kù)視為數(shù)據(jù)訪問(wèn)層，在其與功能實(shí)現(xiàn)間設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)接口，使得同一功能實(shí)現(xiàn)能很方便地在不同CAD平臺(tái)間移植，同時(shí)能從不同數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)概要如圖2所示。

圖1　MVC設(shè)計(jì)模式

圖2　分層架構(gòu)

四、詳細(xì)設(shè)計(jì)

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(diǎn)、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(duì)象，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)暫不考慮該對(duì)象。非圖形要素一般可用數(shù)據(jù)表來(lái)呈現(xiàn)。該系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于點(diǎn)、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(shí)體類設(shè)計(jì)

為了統(tǒng)一表達(dá)空間對(duì)象，先設(shè)計(jì)幾何基礎(chǔ)接口IGeometry，再設(shè)計(jì)點(diǎn)、線、面3種空間對(duì)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(gè)整體要素，設(shè)計(jì)Feature類，它由空間對(duì)象接口IGeometry與數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口IDataAccess復(fù)合而成，要素實(shí)例的空間對(duì)象與相關(guān)屬性通過(guò)此類進(jìn)行一致性操縱。為了對(duì)同一類型要素進(jìn)行一致性管理，設(shè)計(jì)FeatureClass類統(tǒng)一維護(hù)Feature實(shí)例對(duì)象。實(shí)體類與基礎(chǔ)接口主要設(shè)計(jì)如圖3所示。

2. 數(shù)據(jù)表示層設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)表示層主要負(fù)責(zé)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(hào)表達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、圖形繪制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、界面設(shè)計(jì)。這一層的設(shè)計(jì)與具體的CAD平臺(tái)相關(guān)，并且已經(jīng)有許多成熟的實(shí)現(xiàn)方案，如南方CASS、GeoOne等軟件。

圖3　實(shí)體類與基礎(chǔ)接口主要部分

3. 業(yè)務(wù)功能接口及實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)需要擴(kuò)展的業(yè)務(wù)功能實(shí)際需要與建庫(kù)過(guò)程具體需求有關(guān)，現(xiàn)以基本業(yè)務(wù)功能的圖形拓?fù)溥\(yùn)算為例進(jìn)行說(shuō)明。

(1) 業(yè)務(wù)功能接口設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)幾何對(duì)象的拓?fù)溥\(yùn)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(shí)現(xiàn)

業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)有兩種方式：一是在基礎(chǔ)接口和實(shí)體類的基礎(chǔ)上定義新的功能類來(lái)實(shí)現(xiàn)IToplogyOperator接口；二是在目標(biāo)CAD平臺(tái)上包裝現(xiàn)有實(shí)體對(duì)象實(shí)現(xiàn)IToplogyOperator接口。前者需要自行實(shí)現(xiàn)空間對(duì)象點(diǎn)、線、面基本圖形運(yùn)算；后者可以利用目標(biāo)平臺(tái)本身提供的基本圖形運(yùn)算API?，F(xiàn)以在AutoCAD平臺(tái)中使用C#實(shí)現(xiàn)IPolyline接口中IToplogyOperator的IntersectOperater操作為實(shí)例來(lái)說(shuō)明拓?fù)溥\(yùn)算功能的具體實(shí)現(xiàn)：

public class TPolyline:IPolyline

{

internal Polyline m_pline = null;

…

∥IToplogyOperator中的IntersectOperater接口實(shí)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(jìn)行交叉運(yùn)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(jìn)行多段線求交集操作，達(dá)到業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)。

對(duì)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(tái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，就可以很方便地進(jìn)行業(yè)務(wù)功能的移植和擴(kuò)展。如可以將空間索引作為一個(gè)業(yè)務(wù)功能進(jìn)行擴(kuò)展，為不同CAD平臺(tái)提供空間索引服務(wù)，使得大數(shù)據(jù)量的空間計(jì)算可以快速進(jìn)行。

4. 數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口主要負(fù)責(zé)圖形屬性數(shù)據(jù)的訪問(wèn)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(guò)在數(shù)據(jù)層中具體實(shí)現(xiàn)該接口，可以方便擴(kuò)展對(duì)各類數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，這樣通過(guò)在數(shù)據(jù)層中的不同實(shí)現(xiàn)，使得建庫(kù)系統(tǒng)既可以用CAD平臺(tái)的內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)，又可以實(shí)現(xiàn)使用各種通用數(shù)據(jù)庫(kù)，甚至可以實(shí)現(xiàn)自定義的數(shù)據(jù)表。如圖5所示。

5. 數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)

為了能使建庫(kù)系統(tǒng)具備對(duì)空間數(shù)據(jù)相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)訪問(wèn)能力，必須針對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)具體的數(shù)據(jù)接口，現(xiàn)以C#語(yǔ)言封裝OLEDB組件實(shí)現(xiàn)IDataTable接口來(lái)說(shuō)明實(shí)現(xiàn)方法。

圖5　數(shù)據(jù)訪問(wèn)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(wú)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(shí)現(xiàn)對(duì)OLEDB組件的包裝并實(shí)現(xiàn)IDataTable接口。同樣的，通過(guò)對(duì)CAD平臺(tái)內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)的包裝并實(shí)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(kù)的無(wú)區(qū)別一致性訪問(wèn)，使得業(yè)務(wù)功能與具體的數(shù)據(jù)庫(kù)及CAD平臺(tái)無(wú)關(guān)。

五、實(shí)施案例

完成矢量建庫(kù)系統(tǒng)的各項(xiàng)單元及集成測(cè)試后，便可以對(duì)具體的業(yè)務(wù)項(xiàng)目進(jìn)行定制。2014年通過(guò)對(duì)本系統(tǒng)的擴(kuò)展，在AutoCAD 2007平臺(tái)上成功開(kāi)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?fù)浼斑\(yùn)算擴(kuò)展庫(kù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)權(quán)屬圖斑的空間拓?fù)錂z查、自動(dòng)構(gòu)面、空間對(duì)象邏輯性檢查、四至自動(dòng)填寫、圖形自動(dòng)編號(hào)等業(yè)務(wù)功能。

2) 以對(duì)空間對(duì)象與相關(guān)屬性數(shù)據(jù)的包裝為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了各類權(quán)屬要素及相關(guān)要素(地塊、界址點(diǎn)線、圖斑等)的集成管理，通過(guò)對(duì)CAD平臺(tái)內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)與mdb數(shù)據(jù)庫(kù)的包裝實(shí)現(xiàn)了一致性訪問(wèn)，除可以非常容易地對(duì)各類空間對(duì)象屬性與非空間屬性進(jìn)行操作外，還實(shí)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(shí)體、屬性接口與實(shí)體類為基礎(chǔ)，實(shí)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(shí)現(xiàn)其他類型的數(shù)據(jù)交換格式擴(kuò)展)。

4) 基于數(shù)據(jù)接口提供了各類報(bào)表的輸出功能等。整個(gè)軟件系統(tǒng)通過(guò)將邏輯與實(shí)現(xiàn)分離，使得程序易于維護(hù)、擴(kuò)展與移植，如對(duì)于Microstation用戶，可以在不改動(dòng)業(yè)務(wù)功能代碼的情況下，通過(guò)將表示層重寫，并對(duì)內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行重包裝，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)接口層的移植，移植的工作量大為減少。同樣的，對(duì)于不同業(yè)務(wù)需求，只需要定義業(yè)務(wù)功能接口并實(shí)現(xiàn)后即可重用數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、表示層。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文展示了一種將CAD平臺(tái)擴(kuò)展為矢量建庫(kù)系統(tǒng)的方法，該方法改造的建庫(kù)系統(tǒng)繼承了CAD本身強(qiáng)大的圖形編輯與擴(kuò)展能力，并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展了該建庫(kù)系統(tǒng)的空間分析與屬性管理能力。筆者組織開(kāi)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(kù)能力于一體，在湖南省農(nóng)村土地所有權(quán)與經(jīng)營(yíng)權(quán)確權(quán)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，取得了良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益，受到了省內(nèi)使用單位的廣泛好評(píng)。

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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(jiǎn)介：羅海燕(1968—)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)研究與軟件開(kāi)發(fā)工作。E-mail：hnhy_lhy@163.com

中圖分類號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)06-0105-04

引文格式： 羅海燕，何潔. CAD平臺(tái)下矢量數(shù)據(jù)建庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(6)：105-108.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0202.