系统建设的主要内容与功能设计

7.1.3　系统建设的主要内容与功能设计

不同城市和不同部门在系统的建设规模和功能上具有一定的差别。一般而言，城市基础地理信息系统应具备如下基本功能。

1)数据采集功能

系统具备高效的数据采集、记录、输入功能。针对不同的信息源，采用不同的数据获取方法和处理手段，主要包括数字化仪输入及扫描矢量化输入、机助测量技术直接获取外业数据、航测数字摄影测量数据采集技术、格式转换和键盘输入等。

2)编辑修改功能

城市面貌不断改变，基础数据的更新维护工作每天都在进行，系统应具有高效的图形信息增改功能，提供方便实用的图形工具和用户界面。

3)存储管理功能

建立科学、合理的地形图要素分类和编码标准，这是数据采集、组织、转换输出的依据。城市基础地理信息系统具有较广的服务面，因此基础地形图数据库内容应该是全要素、建立科学的存放结构、具有较细的信息分层，以满足城市信息系统各应用子系统的基础信息需要。

4)查询统计功能

数据库的内容可按用户要求方便地以多种方式(包括图名、图号、坐标、城区名、地名、道路名等)对地形图进行查询，可完成分层、分要素提取、转换和输出，并可对地形图数据进行计算与统计(如计算面状地物的面积，统计指定范围内图幅数等)。

5)信息输出功能

系统可对基本数据内容及满足一定条件的查询结果完成屏幕显示、存盘、绘图仪/打印机输出和数据转换工作，并满足现行图示标准。可对地形图进行任意分幅、裁剪与切割。

6)信息处理功能

系统可根据基本地形图数据库完成派生信息的生成和处理，包括由大到小比例尺数据的编绘建库，满足某种应用的现状信息提取和进一步加工，满足特定分析功能的专题拓扑数据结构的生成。

7)影像数据处理和矢量叠加功能

系统可完成高效的DEM数据生成和数字影像图处理功能，并可进行栅格与矢量数据的分层叠加处理。

8)三维景观生成

系统可根据三维空间基础数据，建立城市及规划小区的三维景观模型，产生直观的视觉效果。

全市城市空间基础地理信息系统用来管理全市大量的各种类型的空间数据，为其他专业地理信息系统提供统一的空间定位基础。系统建设的涉及面广，具有多要素、多层次、多维度、时空特征明显等特点，其系统结构较为复杂。根据城市基础地理信息系统应具备的基本功能和全市城市空间基础地理信息系统招标书的功能需求，确定了如下主要功能模块。

1.数据检查模块

该模块提供对各种预入库数据进行检查的功能。在数据进入基础地理信息数据库前，均需调用此模块的相应功能对数据进行前期检查，搜索可能隐藏的错误与数据缺陷，并生成检查报告。

检查的数据类型、格式与内容如下：

1)各比例尺的DLG(数字线划图)数据

目前主要是AutoCAD格式，重点检查内容为数据精度、几何图形、拓扑关系、属性、分层等。

2)各比例尺的DOM(正射影像图)数据

目前主要的格式为GeoTiff，可自动检查的内容较少，一般使用辅助工具对其配准情况、坐标参考、色调等进行检查。

3)各比例尺的DEM(数字高程模型)数据

检查内容一般包括坐标参考、高程值等。

各比例尺的DRG(数字栅格图)数据一般为单值或灰度，可自动检查的内容较少，一般使用辅助工具对其配准情况、坐标参考等进行检查。

4)控制测量成果数据

需要对其精度、内容的正确性、完整性进行检查。

5)竣工测量成果数据

一般为AutoCAD格式，重点检查内容为数据精度、几何图形、拓扑关系、属性等。

6)验线成果数据

一般为AutoCAD格式，主要检查内容为数据精度、几何图形、拓扑关系、属性等。

7)各类专题图数据

矢量与栅格均有，需根据实际情况而定。

8)元数据

外部批量导入时，一般为文本或Access格式，需要对其内容正确性、完整性进行检查。

数据检查的界面如图7.3所示。

2.数据入库模块

对各类经过检查的预入库数据，满足入库的数据标准后，执行入库操作。

入库时，应同时在元数据库中添加相关的元数据条目，在版本记录中进行注册，并同时写入操作日志。

入库操作一般针对完全新增的数据进行，同类同区域数据更新入库时，需调用数据更新模块，进行更多的关联处理操作。

图7.3　数据检查功能界面

支持的数据类型与格式如下：

1)DLG数据导入

包括AutoCAD格式以及Coverage、SHP等数据格式的批量矢量地形图数据的导入。

2)DEM数据导入

包括ArcInfo标准的GRID、BIL以及国家标准DEM交换格式的DEM数据的导入。

3)DOM数据导入

包括GeoTiff或Tif格式的DOM数据的导入。

4)DRG数据导入

包括GeoTiff或Tif格式的DRG数据的导入。

5)控制测量成果数据

包括文本格式、Access格式及图片附件。

6)竣工测量成果数据

包括AutoCAD格式、Shapefile格式。

7)验线成果数据

包括AutoCAD格式、Shapefile格式。

8)各类专题图数据

矢量与栅格均有，包括AutoCAD格式、Shapefile格式、Coverage、GeoTiff、Tiff等，依据实际情况而定。

9)元数据

包括文本格式、Access格式。

数据导入时应考虑各类应用数据模型的兼容性，保证数据的完整性，需要关注的地方有：

(1)规划道路红线。包括Spline参数曲线，每个中间节点具有各自相应的转弯半径。

(2)各种曲线。如Circle，Arc，Polyline、Arc、Spline组合的单根Polyline(Arc、Spline自动插值拟合)。

(3)封闭曲线构成的面。包括Polyline、Arc、Spline组合的单个面(Arc、Spline自动插值拟合)。

(4)其他复杂几何图形。包括组合线、面轮廓的平行线，多个多边形构成单一的面等。

数据入库的总体流程如图7.4所示。

图7.4　入库总体流程

AutoCAD数据入库界面(定义图层、要素集、代码映射等)，如图7.5所示。

3.数据更新模块

对同类同一区域不同时相的成果数据进行入库操作，就是要进行数据更新的操作。

基础地理信息数据库的更新可以在两个级别间进行，它们分别是图幅级、要素级，即分别以图幅或要素为最小的数据更新单元，进行数据的更新与版本管理。

在数据更新的过程中，需进行一系列的关联处理，以满足基础地理信息数据库的版本管理与元数据管理要求，更新过程中需要进行的处理流程及相关的关联操作简述如下：

1)图幅级更新

图7.5　AutoCAD数据入库界面

(1)查找基础地理信息数据库中已存在的对应图幅范围数据的数据标识与版本号。

(2)在图幅版本库中增加新的版本记录、版本号递增，并创建新的数据标识。

(3)在元数据版本库中增加新的版本记录，版本号递增，并与已创建的新数据标识建立关联。

(4)将旧的数据移到图幅历史库中，并与该数据的图幅数据标识建立关联。

(5)导入相应的元数据到元数据库。

(6)导入图幅数据到基础地理信息数据库的对应图层。

(7)设定更新成功标志。

(8)进行图幅间的自动或半自动接边处理。

2)图幅级更新

(1)使用该要素的要素数据标识，在基础地理信息数据库查找需要更新的目标要素。

(2)在要素级版本库中增加新的版本记录、版本号递增。

(3)如需要，则在元数据版本库中增加新的版本记录、版本号递增。

(4)将旧的数据移到要素历史库中，并与该要素的数据标识建立关联。

(5)将新的要素导入到相应的图层。

(6)设定更新成功标志。

同样，数据更新时也应考虑各类应用数据模型的兼容性，保证数据的完整性。

4.数据接边处理模块

本模块提供相邻图幅之间接边处理的功能。系统提供全自动和半自动的数据接边处理功能。

1)DLG线状对象的连接

判断相邻图幅的线状对象。如果类型和属性相同，则把该对象合并到另一图幅内的同一对象中，同时删除该对象。这与数据编辑模块的“连接线”功能类似。

2)DLG面状对象的合并

判断相邻图幅的面状对象。如果是类型和属性相同，则把该面对象与另一图幅内的同一对象合并，同时删除该对象。这与数据编辑模块的“面交叉处理”功能类似。

3)DLG对象合并时属性处理

当对象合并或连接时，相应的属性也需要进行处理。

5.数据编辑模块

本模块提供了各种要素对象(点、线、面、注记等)的编辑操作，如增加、删除、修改，各种结点操作，线状对象的自动连接与打断、面交叉的处理、线状对象与面状对象之间的相互转换、符号设置、Undo/Redo等操作。目标连接界面如图7.6所示。

图7.6　目标连接界面

6.图形浏览与定位

本模块主要负责完成地图图形的浏览、漫游以及快速定位操作。空间位置的定位主要由以下几种方式来确定，每种方式不是完全独立的，可以相互联系，使用户能够快速地找到自己感兴趣的区域。包括的主要功能有：

1)全局导航

提供一个全局导航窗口，以便用户在数据库全范围内任意浏览感兴趣的区域。主要功能：通过导航窗口来快速定位数据的显示范围。

2)全屏显示

在窗口放大或者缩小之后，用户难以重新定位其他感兴趣的区域时，可以使用全屏显示功能。主要功能：让图形的整个范围以最合适的显示比例尺充满视图窗口。

3)缩放

主要功能：固定或任意地快速放大或缩小显示用户感兴趣的数据范围。

4)漫游

主要功能：在不改变视图显示比例尺的前提下，将视图外的数据移到视图内显示。

5)视图的回退与前进

主要功能：能够显示当前视图的前、后视图。

6)书签

主要功能：通过预先定义的书签来快速定位数据的显示范围。

7)按照图号定位

通过输入标准图幅号(1∶25万、1∶5万、1∶1万等)，系统将根据图幅号来计算图幅所在的坐标范围，浏览图幅范围的数据。

8)按照图名定位

输入标准图名(1∶25万、1∶5万、1∶1万等)，系统先根据图名得到图幅号，再由图幅号来计算图幅所在的坐标范围，浏览图幅范围的数据。

9)按照中心点或矩形范围定位

通过输入一个中心点坐标或一个矩形范围坐标，系统将地图窗口中心移到选择的坐标范围上。

10)按地名定位

通过输入图上地名，系统将地图窗口中心移到选择的地名位置上。若遇到浏览区域内的地图出现相同地名时，系统将提供相同地名的有关信息，经选择判定后，地图窗口显示该地名所在的地图。

7.符号定制模块

提供地形图的符号化，表现用户自定义功能，包括符号库的选择、符号的定制，符号化方式的选择等。

对于特殊地物要素提供动态或静态的程序符号化功能，包括：

(1)点符号。有向点，如门墩、水闸、电线杆等。

(2)线符号。如道路、境界、行树等。

(3)有向线符号。如陡坎、围墙等。

(4)面符号。如建筑物、湖泊等。

(5)多线符号。含岛或环的面符号。

(6)特殊符号。如地下通道及人防出入口、电力线、变坡、不规则台阶等。

Ⅰ.地图符号制作

地图符号制作主要指对地图符号库的编辑，包括添加符号、设计符号、存储符号以及删除符号等地图符号的编辑功能。综观目前的CAD和GIS软件，地图符号的制作主要有如下6种方式：

(1)文本编辑设计的方法，如AutoCAD的图形文件(Shp)、线文件和阴影文件，其特点是设计速度慢，不能实时观察所设计的符号。

(2)采用系统提供的二次开发语言编程，如原ArcInfo的AML语言，MGE的MDL等提供了编程实现地图符号的绘制接口。这种地图符号编辑模式对符号设计者的编程水平要求较高，难度较大。

(3)利用系统的图形编辑功能，如AutoCAD的块文件(Block)，但这种方式受系统图形编辑功能的限制，且只能设计点符号，保存后的符号不能修改。

(4)使用字体编辑器软件来设计符号，很多GIS软件(如ArcGIS和MapInfo)都支持对字体文件的显示，可以将创建好的字体文件引入点符号库里，但这种字体符号只适用于点符号，而且是单色点符号。

(5)用GIS平台软件提供的地图符号编辑模块，如ArcGIS、MapInfo、MapGIS、SuperMap自带的地图符号编辑模块。

(6)使用主流编程语言开发的地图符号设计系统。

后两种方式是目前流行的地图符号设计方式。前5种实现方式各有利弊，且它们都不能脱离具体的系统环境，离开了GIS软件系统的支持，符号也就不能显示。

Ⅱ.地图符号存储

地图符号存储主要有两种形式，即文件形式和数据库形式。

(1)文件形式

符号文件是地图符号存储的主要方式，通用的GIS软件的地图符号信息都存储在文件里。分为两种情况：一是点、线、面符号同时存储在一个文件中，二是点、线、面分别存储在不同的文件里。符号文件可以是文本文件、类型文件或二进制文件，符号信息被有序地存储在文本行或文件段中。

(2)数据库形式

为了保证地图符号库的一致性和地图符号库的共享，可以将符号信息存储在数据库中，很多大型的GIS应用系统都采用地图符号数据库管理办法。和地图符号文件的文件段一样，地图符号数据库用数据表来存储符号信息。数据表应该包括三个部分的内容：①符号基本信息，记录符号的名称、编码和符号描述等信息。②符号图素关系信息，存储每个符号所包含的图素，即符号和图素的对应关系。③图素信息，对于点符号有直线表、(椭)圆表、三角形表、矩形表等，线符号包括实线表、点线表、断线表等，面符号包括颜色填充表、线填充表、点填充表等。

Ⅲ.地图符号绘制

地图符号信息存储在地图符号文件或地图符号库中，每个符号用符号编码或编号来唯一标识。通过建立编码对照机制，建立空间实体的地物编码与地图符号库中的符号标识之间的一一对应关系。它是地图符号绘制功能模块用以对空间实体进行符号化的依据。当用户要改变制图范围内某种地物的显示符号时，只需修改文件中该地物标识与符号标识之间的对应关系。建立这种空间实体与地图符号之间的对应关系可以在需要的情况下随时改变地物的显示符号，而且多种地物可以选择同一地图符号输出，不必重复设计相同的符号。因此，要实现符号绘制必须首先为地物指定一个符号编码，系统初始化时取出符号信息。当每次地图刷新时，根据地图要素的空间位置，按照地图符号的颜色、结构、尺寸、明度等视觉变量在地图上进行绘制。

本系统采用数据库符号化技术，以利于符号的维护、管理和共享。

8.信息查询模块

信息查询模块主要分为图形查询、坐标查询、地名查询、注记查询、SQL属性查询、元数据信息查询等。

1)点查询

点击选择任意一地物对象，系统将返回该图形对象及其属性信息。

2)矩形和多边形查询

在屏幕上拉框任意一个矩形范围、屏幕上增加一个多边形等，系统将返回一定矩形或多边形范围内的图形对象及其属性信息。

3)DLG数据集中各图层要素的属性查询

通过属性查询工具，查询DLG数据集中各矢量对象及其属性信息。

4)DEM数据集中的高程查询

通过鼠标在屏幕上移动或输入坐标点，查询DEM数据集中各像元的高程信息。

5)坐标查询

用户可以直接输入坐标值进行定位，然后查看当前窗口范围内的相关基础地理信息数据。坐标查询包括输入单点坐标、坐标范围定位两种坐标查询方式。

6)元数据信息查询

元数据不仅是最为详细的数据目录清单，且包含了丰富的、完整的数据描述信息，是用户了解基础地理信息数据库内容，在系统中快速查找、定位所需要的基础地理信息数据的重要途径。用户可以使用不同的组合条件在元数据库中进行检索，并可以单击检索结果定位到对应信息的空间范围，进行下一步的查看。

7)地名查询

通过属性查询工具，查询地名数据的名称、位置、行政级别、所属行政范围等信息。

8)控制测量成果查询

由于控制测量成果坐标值的保密要求，对控制测量成果的查询应进行权限控制，一般情况下只能得到加入了随机误差的点坐标值，必须具有特定的权限才能进行准确点坐标的查询。

9)SQL语句查询

用户通过选择数据项和比较符等生成查询条件，查询满足条件的图形数据和属性数据。

9.空间分析模块

系统提供对各类基础地理信息数据的统计分析功能，包括：

1)按行政区域统计

用户选择特定的行政区域，系统对该区域内的基础地理信息数据进行统计，并生成统计报表。

2)按任意区域统计

用户选择一个任意的空间区域，系统对该区域内的基础地理信息数据进行统计，并生成统计报表。

3)按类别统计

用户选择一个数据类别，系统对该类别的基础地理信息数据进行统计，并生成统计报表。

4)按图幅统计

用户输入一个或多个图幅，系统对该图幅包含的基础地理信息数据进行统计，并生成统计报表。

5)按查询结果统计测绘成果

用户执行信息查询后，系统对查询的基础地理信息数据结果进行统计，并生成统计报表。

空间分析包括拓扑分析、叠置分析、缓冲分析(如图7.7所示)、路径分析、网络分析和3D分析等，其主要操作对象为成果数据库。对DOM等具有边长、面积的量测功能。

图7.7　缓冲区分析

利用集成的ArcGIS相应功能可以实现不同比例尺、不同时期、不同种类数据的叠加。并在不同的层上实现空间分析，或采用矢量数据(如DLG)与栅格数据(如DOM)的联合空间分析。

10.元数据管理模块

元数据管理模块提供各类基础地理信息元数据的录入、浏览、编辑等操作。

元数据的管理基本按三个层次进行，分别为各比例尺数据库、图幅、实体要素。不同的数据类型，元数据的层次不同。4D数据、地名、综合管线按比例尺图幅生产，按一级、二级元数据进行组织，三维景观、城市地质等专题信息可以根据实际需要增加第三级元数据。

元数据管理还包含基础地理信息元数据的版本管理功能，包括版本的查看、编辑、删除等。

元数据的作用是可以通过它检索、访问数据库，可以有效利用计算机的系统资源，从而满足社会各行各业的用户对不同类型数据的需求以及交换、更新、检索、数据库集成等操作。

如图7.8所示，元数据的功能架构包括元数据输入、编辑、查询、检索、合并与导入以及在网上发布等。元数据管理系统应根据国家有关基础地理信息标准，采用面向对象的技术。系统提供空间数据的标识、内容、质量、状况及其他有关特征的全面描述，并进一步提供数据集编目信息和信息交换的网络服务。建立的元数据库管理系统应与数据发布系统结合起来。确定元数据的内容时，将以服务于数据利用为目标提供有关的评价信息。元数据管理系统应结合元数据的特点，在参考一定的标准的基础上开发方便、实用的元数据操作工具。

元数据库管理系统的建设首先要解决的问题是建立结构合理、内容丰富的元数据，然后在此基础上构建系统功能框架。元数据的功能架构如图7.8所示。

元数据管理子系统应能录入、编辑、查询、检索和管理元数据内容，并可根据需要有所扩展；应能对元数据进行合并、导入、导出；应具备元数据库与空间数据库之间的链接功能与互操作功能。

不同比例尺，不同图幅，不同数据种类应分别建立相应的元数据。由于图幅级元数据具有与相应的图幅对应的特点，因此，可以将元数据作为图幅的属性。这样，元数据就成为矢量要素类的一个组成部分，可以按矢量数据的管理方式进行。元数据可由关系数据库管理系统(如Oracle)管理，同时结合基础地理信息系统平台提供的元数据管理方式进行。数据的查询与基础地理数据连接，在基础地理数据库中可随时查到元数据。

在基础地理数据的数据集描述(元数据)中，由于基础地理数据集具有继承关系，制定数据集元数据标准时，一般按数据集系列元数据、数据集元数据、要素类型和要素实例元数据等几个层次加以描述。

图7.8　元数据的功能架构

对于数字线划图、数字正射影像图、数据高程模型、综合地下管网、地名信息等类型的数据，通常是按照地形图的标准分幅来生产和保存的。数据生产部分对于基础地理数据的存储方式采用地形图的标准分幅，而在基础地理信息系统应用时，基础地理数据是采用无缝拼接的方式保存的。所以，数据集系列层次的元数据可以定在图幅一级。例如，对于数字线划图来说，数据集系列层次的元数据保存的是不同比例尺数字线划图(如1∶500数字线划图)中的描述内容；按图幅分幅划分的数据集层次的元数据保存的是某一比例尺下数字线划图每幅图的描述内容。

11.版本管理模块

版本管理包括元数据的版本管理及基础地理信息数据的版本管理两部分。基础地理信息数据的版本管理与元数据的版本管理操作进行关联，对基础地理信息数据的版本管理操作会影响到相应版本的元数据。

基础地理信息数据历史版本管理按三个层次进行，分别为各比例尺的数据库、图幅、要素。

数据版本管理包括版本的基本信息查看、历史版本数据浏览、删除等功能。

12.坐标转换模块

坐标转换模块可以对各类基础地理信息数据进行坐标转换操作。坐标系的转换可分为动态投影与静态转换两种。

动态投影是指系统在运行时，可以改变当前地图显示使用的空间参考坐标系，系统自动将不同坐标系统的数据投影到当前空间参考坐标系下。

静态转换是读取原始数据的坐标，将每点的坐标转换到新的坐标系下，生成新的数据文件。

基础地理信息系统中的基础数据一般具有多种平面坐标系和高程系，系统在对多比例尺数据进行统一管理时，可能需要进行坐标系统的转换和高程系的转换。系统提供国家、地方常用的坐标系统转换功能，自动变换图形数据。坐标系统、高程系统转换如图7.9所示。

图7.9　坐标系统、高程系统转换

由于对某些数据进行坐标转换时，需要的一些参数具备一定密级，故系统设计与实现时还应考虑到参数的保密问题。

13.数据导出模块

通过数据导出模块提供的功能，为基础地理信息数据的分发与共享提供工具与手段。从数据类型来说，数据导出主要包括矢量格式数据导出、栅格格式数据导出两种。

1)矢量格式数据导出

导出时可以按多种方式进行，如按图幅、按行政区划、按任意空间范围、按查询结果等。导出过程可以同时进行坐标系统的转换，具体可转换到的目标坐标系参见坐标转换模块。

用户可以选择导出的目标矢量格式，包括Shapefile、CAD、MIF等格式。

2)栅格格式数据导出

导出时可以按多种方式进行，如按图幅、按行政区划、按任意空间范围等。导出过程可以同时进行坐标系统的转换，具体可转换到目标坐标系参见坐标转换模块。

用户可以选择导出的目标格式，包括GeoTiff、Tiff、Image、Grid、Bmp等格式。

基础地理信息系统数据格式转换的核心任务之一，是为各行业的专业地理信息系统提供基础空间信息。因此，能够从基础地理数据库中提取相应的专题信息，并进行数据格式转换(如图7.10所示)，以满足不同平台(ArcGIS、AutoCAD、Microstation等)的应用需求，是系统的重要功能之一。

图7.10　数据转换

14.打印输出模块

在打印输出模块中，用户可以叠加多种类型的基础地理信息数据，可随意定制任意范围、任意比例、任意纸张、任意输出范围地图的制图输出，并提供对图的修饰功能。具体的功能描述如下：

1)标准图输出

按照地图制图标准和规范，进行标准比例尺(1∶500、1∶1000、1∶2000、1∶1万)地图的制图输出。系统自动生成满足地图制图标准和规范的地形图图幅整饰信息。

2)任意范围输出

用户可以用鼠标框选任意空间范围的数据进行打印输出。

3)当前窗口输出

用户可以将当前窗口空间范围的数据进行打印输出。

4)按比例尺输出

用户可以将一定空间范围的数据按指定的比例尺进行打印输出。

5)带状图输出

用户可以对指定要素的缓冲区(如道路的缓冲区域)进行带状图打印输出。

6)旋转输出

用户可以对指定范围的图形绕其中心点进行任意角度的旋转，并可以打印输出。

7)页面视图

提供打印制图输出的页面视图，所见即所得，用户可以在页面视图中实时预览打印输出的效果，还可以在页面视图中进行放大、缩小、漫游操作，进行各种打印参数的设置等。

8)图幅整饰

提供各种制图整饰信息的可视化增加、修改、删除功能，具体包括如下方面：

(1)点符号。

(2)线型。

(3)面及填充样式。

(4)文本。

(5)指北针。

(6)比例尺。

15.手写输入模块

为便于用户使用系统，增强易用性，提高数据输入的效率，系统提供手写输入的支持，用户可以使用手写输入设备(如手写板)进行文字、图形的录入。

16.日志管理模块

用户在操作系统的过程中自动产生相应的日志信息，包括操作者、机器IP地址、时间、操作内容与对象等信息。日志管理模块主要进行日志的记录、查看、保存等操作。