基于WebGIS的ShapeFile文件解析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張凱旋, 鄒業(yè)斌, 劉曇曇, 馬文濤

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083)

地理信息系統(tǒng)是一種采集、存儲(chǔ)、管理、分析、顯示與應(yīng)用地理信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1],以數(shù)字化的形式反映地球空間現(xiàn)勢(shì)和變遷的各種空間數(shù)據(jù)并描述這些空間數(shù)據(jù)特征的屬性,以及使用模型化的方法來(lái)模擬地球空間對(duì)象的行為,在計(jì)算機(jī)軟、硬件的支持下,以特定的格式支持輸入/輸出、存貯、顯示以及進(jìn)行地理空間信息查詢、綜合分析、輔助決策,為人們提供處理地理信息最佳的方法和手段[2]。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)的興起,使WebGIS應(yīng)用得到了飛速的發(fā)展。利用Internet在Web上發(fā)布和出版地理信息,為用戶提供空間數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢、制作專題圖和分析的功能,從而實(shí)現(xiàn)地理信息的共享,已經(jīng)成為GIS發(fā)展的必然趨勢(shì)[3]。在實(shí)際WebGIS開(kāi)發(fā)中會(huì)需要上傳本地的ShapeFile文件并結(jié)合WebGIS系統(tǒng)進(jìn)行分析,Esri的服務(wù)非常昂貴,因此在小規(guī)模的GIS平臺(tái)搭建過(guò)程中可搭建本地后臺(tái)解析系統(tǒng)。本文詳細(xì)介紹了ShapeFile的文件結(jié)構(gòu),根據(jù)ShapeFile文件的結(jié)構(gòu),利用.NET技術(shù)進(jìn)行解析,并展示到Web前端。對(duì)各學(xué)者建設(shè)WebGIS平臺(tái)有所借鑒。

1 ShapeFile圖形文件的結(jié)構(gòu)

一個(gè)完整的ESRI的ShapeFile文件包括一個(gè)主文件*.shp,一個(gè)索引文件*.shx,和一個(gè)屬性文件*.dbf。主文件是一個(gè)直接存取,記錄長(zhǎng)度文件,其中每個(gè)記錄描述一個(gè)由其頂點(diǎn)列表組成的ShapeFile。在索引文件中,每條記錄是在主文件中記錄對(duì)應(yīng)距離主文件頭部的偏移量。*.dbf中記錄的是對(duì)應(yīng)主文件中記錄的屬性記錄,每條主文件記錄對(duì)應(yīng)*.dbf中的一條屬性記錄。*.prj文件用于存儲(chǔ)坐標(biāo)系的信息;*.xml文件作為元數(shù)據(jù)文件,用于存儲(chǔ)ShapeFile的相關(guān)信息[4]。

1.1 shp文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

主文件用來(lái)存儲(chǔ)地理要素的幾何圖形,一個(gè).shp文件由文件頭和記錄實(shí)體兩部分組成[5]。主文件頭100字節(jié)長(zhǎng)。表1描述了文件頭中數(shù)據(jù)的字節(jié)位置、值類(lèi)型和字節(jié)順序。在表1中,位置是相對(duì)于文件頭的。文件頭的布局如表1所示。

表1 主文件頭結(jié)構(gòu)表Table 1 Structure table of main file header

1.2 shx索引文件結(jié)構(gòu)

.shx索引文件是存儲(chǔ)圖形要素與屬性信息索引的文件,主要起到定位的作用,其由文件頭和記錄兩部分組成,文件頭的內(nèi)容與主文件的基本一致[5]。每條記錄由8個(gè)字節(jié)組成,具體內(nèi)容如表2所示。其中,Offset可以理解為該條記錄在.shp文件中的偏移量,Content Length可以理解為該記錄的長(zhǎng)度。

表2 索引文件記錄結(jié)構(gòu)表Table 2 Structure table of index file record

1.3 dbf文件結(jié)構(gòu)

.dbf屬性表文件,是由頭記錄及數(shù)據(jù)記錄組成。頭記錄定義了該表的結(jié)構(gòu)并包含與表相關(guān)的其它信息,它主要對(duì)屬性文件作一些概括性描述,尤其是對(duì)屬性文件的記錄項(xiàng)信息進(jìn)行著重性說(shuō)明,比如對(duì)每個(gè)記錄項(xiàng)的名稱、數(shù)據(jù)類(lèi)型、精度、長(zhǎng)度都作了詳細(xì)地介紹。

2 整體解析過(guò)程

本地文件利用Ajax技術(shù)通過(guò)Post提交方式異步上傳給后臺(tái)服務(wù)端,后臺(tái)服務(wù)端通過(guò)HttpPostedFile接受前端傳遞過(guò)來(lái)的文件并且通過(guò)FileStream類(lèi)讀取文件上傳到文件服務(wù)器[6]。然后調(diào)用WebService服務(wù)利用BinaryReader類(lèi)以二進(jìn)制文件流的方式對(duì)ShapeFile進(jìn)行解析,以集合的方式返回解析后的數(shù)據(jù)。將集合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成JSON數(shù)據(jù)格式,利用ArcGIS for JavaScript庫(kù)類(lèi)展示數(shù)據(jù),流程如圖1。

圖1 解析流程圖Fig.1 Analytical flow chart

2.1 文件上傳

HttpPostedFile postedFile =context.Request.Files[0]; //接收文件

postedFile.SaveAs(context.Request.MapPath(fullDir)); //保存文件

FileStream fo= new System.IO.FileStream

(context.Request.MapPath(shxpath),FileMode.Open,FileAccess.Read);

//文件流形式

以文件流的方式將前端Web Browser上傳的文件存儲(chǔ)到文件服務(wù)器,利用FileStream分別讀取.shp、.shx和.dbf文件,FileStream讀寫(xiě)操作可以指定為同步或異步操作。同時(shí)支持對(duì)輸入輸出流進(jìn)行緩沖,提高性能。

2.2 文件解析

[WebMethod]

public List file(FileStream shpfo,string passPath,FileStream fs)

BinaryReader bi = new BinaryReader(shpfo); //讀取shp文件

BinaryReader br = new BinaryReader(fs); //讀取shx文件

for(int n = 0;n < RecorderNumber;n++) //文件解析過(guò)程

{ ……

double[] pointsx = new double[Numpoints];

double[]pointsy = new double[Numpoints]; //定義數(shù)組

for(int z = 0;z < Numpoints;z++) //for循環(huán)讀取

{ ……

pointtemp.X = br.ReadDouble();

pointtemp.Y = br.ReadDouble();

shpstr+= "["+ pointtemp.X+ ","+ pointtemp.Y+ "],";

}

list.Add(shpstr);//存入List集合

}

return list;

}

}

public List DbfFile(FileStream dbfo) //讀取dbf屬性文件

{

BinaryReader br1 = new BinaryReader(dbfo); //讀取二進(jìn)制文件

…

DataRow dr = dt.NewRow();

tempBytes = br1.ReadBytes(fieldLength[j]);

Regex regex = new Regex("\s+");

tempStr = regex.Replace(tempStr,"");

dt.Rows[i][j] = """+ tempStr+ """;

dbfstr = Regex.Split(result,"},"); //將解析后的屬性信息,轉(zhuǎn)字符串?dāng)?shù)組

…

return list; //將字符串?dāng)?shù)組遍歷,添加到集合后返回

}

調(diào)用WebService服務(wù)對(duì)文件流通過(guò)BinaryReader類(lèi)的ReadInt和ReadByte等方法,根據(jù)文件結(jié)構(gòu)以二進(jìn)制流的方式對(duì)ShapeFile文件的.shp、.dbf、.shx文件進(jìn)行解析,獲取點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)類(lèi)型,以及點(diǎn)坐標(biāo)和屬性文件。最后將解析后的數(shù)據(jù)以List集合方式返回,坐標(biāo)list集合中每條點(diǎn)數(shù)據(jù)格式如圖2,屬性list集合中每條屬性數(shù)據(jù)格式圖3所示。

圖2 坐標(biāo)List集合中每條數(shù)據(jù)格式圖Fig.2 Each data format chart in the coordinate List set

圖3 屬性List集合中每條數(shù)據(jù)格式圖Fig.3 Each data format graph in the attribute List collection

2.3 JSON格式傳輸數(shù)據(jù)

JSON是一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式[7],易于閱讀和編寫(xiě),同時(shí)也易于機(jī)器解析。每條JSON消息都是包含在大括號(hào)之內(nèi)的,鍵值對(duì)組合中的鍵名寫(xiě)在前面并用雙引號(hào)包含,鍵和值使用冒號(hào)分隔,冒號(hào)后面緊接著值,如:“key”:“value”;數(shù)組是用方括號(hào)包含起來(lái)的,如:[“zhou”,“zhang”]。相較于xml,JSON在傳輸?shù)倪^(guò)程中采用了壓縮技術(shù),傳輸?shù)倪^(guò)程中更加節(jié)省寬帶而且傳輸更加高效。當(dāng)大量的坐標(biāo)信息以及屬性信息傳遞給前端瀏覽器的時(shí)候?yàn)榱瞬灰馂g覽器卡頓,用戶等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng),所以后臺(tái)需要將list集合進(jìn)行遍歷,然后將字符串拼接成JSON格式的字符串再傳遞給前端。

以線的ShapeFile文件的解析為例。根據(jù)ArcGIS for JavaScript庫(kù)類(lèi)提供的線的數(shù)據(jù)格式,將數(shù)據(jù)拼接成如下格式:

var myLine =[{ attributes:{“TNODE”:”7”,”LPOLY”:”2”},geometry:{"paths":[[[-91.40625,6.328125],[6.328125,19.3359375]]],

"spatialReference":{"wkid":4326}},

"symbol":{"color":[0,0,0,255],"width":1,"type":"esriSLS","style":"esriSLSSolid"}}];

核心代碼如下:

if(Convert.ToInt32(type)==3)

{

bdfstring1 = "{"+ ""attributes""+ ":"+bdfstring[i].ToString()+ "},"+ shapetype; //通過(guò)for循環(huán),添加屬性信息

…

dbfstr = "["+ str.Remove(0,1)+ "]],"+ ""spatialReference""+ ":"+ "{"+ ""wkid""+ ":"+ 4326+ " }"+ "},"+ ""type""+ ":"+3+"},"; //通過(guò)for循環(huán),添加坐標(biāo)系信息

}

傳遞給前端的JSON字符串格式如圖4。

2.4 利用ArcGIS for JavaScript庫(kù)類(lèi)展示數(shù)據(jù)

ArcGIS for JavaScript庫(kù)類(lèi)是ESRI根據(jù)JavaScript技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一組腳本,可以將ArcGIS Server提供的地圖資源和其它資源(ArcGIS Online)嵌入到Web應(yīng)用中。有豐富的網(wǎng)絡(luò)資源、基于功能強(qiáng)大的Dojo JavaScript工具包、開(kāi)發(fā)和部署都是完全免費(fèi)的等優(yōu)點(diǎn)。

前臺(tái)通過(guò)調(diào)用ArcGIS for JavaScript的GraphicLayer、Graphic和Geometry等接口對(duì)后臺(tái)還回的JSON數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。創(chuàng)建一個(gè)新的圖層,然后根據(jù)ArcGIS for JavaScript 框架提供的Graphic類(lèi)new Graphic(geometry?,symbol?,attributes?,infoTemplate?)將解析后的數(shù)據(jù)傳遞給瀏覽器渲染展示。通過(guò)InfoTemplate類(lèi)new InfoTemplate(JSON)將屬性信息展示出來(lái)。

圖5 中國(guó)省級(jí)行政區(qū)界線讀取Fig.5 Reading of China’s provincial administrative boundaries

圖6 中國(guó)省級(jí)行政區(qū)界線面讀取Fig.6 Reading the boundary surface of provincial administrative regions in China

圖4 傳遞給前端的JSON字符串格式Fig.4 JSON string format passed to the front end

//設(shè)置線的顏色寬度

var myLine = {"symbol":{ "color":[0,0,0,255],"width":2,"type":"esriSLS","style":"esriSLSSolid" }};

//設(shè)置屬性窗口

var infoTemplate = new mapAPI.InfoTemplate("Attributes",JSON.parse(attri));

//創(chuàng)建一個(gè)新的圖層

var countyLayer = new map.GraphicsLayer();

//將圖層添加到地圖上

countyLayer.add(gra);

map.addLayer(countyLayer);

3 實(shí)例驗(yàn)證

本文采用中國(guó)省級(jí)行政區(qū)界.shp矢量地圖數(shù)據(jù),用來(lái)驗(yàn)證編寫(xiě)的系統(tǒng)讀寫(xiě)ShapeFile 圖形文件的功能。采用谷歌瀏覽器,利用VS 2012,在.NET 4.5的環(huán)境下完成。Esri提供的底圖是WGS 84坐標(biāo)系。

(1) 讀取中國(guó)省級(jí)行政區(qū)界.shp,如圖5所示。

(2) 讀取中國(guó)省級(jí)行政區(qū)界.shp面信息,以及屬性信息,如圖6所示。

(3) 中國(guó)省級(jí)行政區(qū)界屬性信息的讀取展示,如圖7所示。

4 結(jié)論

本文首先介紹了Shapefile圖形文件的基本結(jié)構(gòu),根據(jù)ShapeFile文件的結(jié)構(gòu)在.NET環(huán)境下利用 Microsoft Visual Studio2012平臺(tái)開(kāi)發(fā)了可以展示ShapeFile圖形及其屬性信息的WebGIS系統(tǒng),加深了對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸、JSON字符串、以二進(jìn)制文件流的方式解析文件、WebGIS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以及ShapeFile文件結(jié)構(gòu)等的理解,對(duì)后期各學(xué)者建設(shè)WebGIS平臺(tái)提供借鑒。

圖7 中國(guó)省級(jí)行政區(qū)界屬性信息顯示Fig.7 Attribute information display of provincial administrative boundaries in China