基于ArcGIS的数字地形图信息管理系统的研究与实现结构设计.doc

1 绪 论基于ArcGIS的数字地形图信息管理系统的研究与实现结构设计1 绪 论1.1 引 言因为经济的迅速发展，国内计算机辅助设计CAD23与地理信息系统GIS45技术在近二十年的时间里发展非常迅速。社会各行业对空间信息的采集、动态更新的速度要求越来越高，特别是在现阶段，国内城市化进程加快，城市建设和管理的任务十分繁重，需要快速有效的获取基础地理空间数据，特别是大比例尺空间数据。1.2 建立数字地形图信息管理系统的背景和意义随着城市建设规模不断扩大和城市化进程的加快，城市政府管理部门面临很多城市问题和发展的压力，如人口膨胀、环境污染、交通拥挤、住房紧张等问题，如需要在激烈的城市竞争中抓住各类发展机遇，改善投资环境和服务质量，使城市建设保持高速增长的势头，使城市规划、建设和管理与社会政治、经济、文化、科技的发展相适应，保证城市的可持续发展等，为有效解决这些问题，城市管理部门需要采用先进的管理方法和技术手段，进行网络化管理和动态调控，以快速提供信息服务，帮助投资者和企业控制成本、减少风险，提高管理和决策水平，减少失误和盲目性。构成数字城市最重要的基础是数据。一个城市或者行政区的房产、规划、国土、水利、电力、地质等管理部门往往掌握着城市的重要基础信息资源，而这些信息资源的最基础的背景信息就是数字地形图信息。数字地形图信息管理系统的建立和有效运转，能够达到信息共享，避免重复测绘，为专业应用系统提供坚实、可靠的数据平台，进而促进整个城市信息化的进程。1.3 数字地形图信息管理系统发展状况及需解决的问题1.3.1 数字地形图信息管理系统发展状况数字地形图信息管理系统是基于GIS技术的，是地理信息系统的基础，它的发展状况与GIS的发展状况是一脉相成的67。a、国际上发展状况地理信息系统的存在与发展已历经30余年。用户的需要、技术的进步、应用方法论的提高，以及有关组织机构的建立等因素，深深地影响着地理信息系统的发展。纵观GIS的发展，尤其是北美地区的实际情况，可以将地理信息系统的发展分为以下几个阶段：(1) 地理信息系统的早期雏形出现于20世纪50年代末和60年代初，当时计算机被广泛应用于空间数据的存储和处理。1963年，加拿大建立了世界上第一个实用的地理信息系统加拿大地理信息系统（CGIS），用于自然资源的管理和规划。这一时期，许多与地理信息系统有关的组织和机构纷纷建立。(2) 70年代是地理信息系统的巩固发展时期。随着计算机技术的迅速发展，数据处理速度加快，内存容量增大，输入输出设备比较齐全，为地理数据的输入、存储、检索、输出提供了强有力的手段，从而促进了地理信息系统的迅速发展。(3) 80年代是地理信息系统技术大发展时期。主要是由于微型计算机和远程通讯传输设备的出现，为计算机的广泛应用创造了条件，再加上计算机网络的建立，使地理信息的传输时效得到很大的提高，数据处理开始和数学模型、模拟等工具结合，地理信息系统的应用领域迅速扩大，涉及到了许多的学科和领域，地理信息系统不再受国家界线的限制，开始用于解决全球性的问题。(4) 90年代是地理信息系统的应用普及时代。由于计算机的软硬件都得到了飞速发展，网络也开始进入千家万户，地理信息系统己成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门。另外，社会对地理信息系统的认识也普遍有所提高。需求增加，从而使地理信息系统的应用不断扩大与深化，国家级乃至全球性的地理信息系统己成为世界关注的问题。美国副总统戈尔于 1998年1月提出了“数字地球”（Digital Earth）的概念，他指出“数字地球”是一个可以嵌入海量地理数据的、多分辨率的和三维的地球的表示。实际上，“数字地球”就是一个全球性的、三维的地理信息系统，是站在知识经济的高度，从更高层次，用系统的观点来组合与运用己有的和正在发展的理论和技术建立起来的一个信息化的地球，它是对地理信息系统的进一步发展和完善。毫无疑问，地理信息系统将发展成为现代社会最基本的服务系统之一。b、国内发展状况我国地理信息系统方面的工作开始于20世纪80年代初，虽然起步较晚，但是发展迅速。在起步发展阶段中，我国主要是介绍、吸收外国经验，在理论探索、软件研制、规范制定、初步应用试验和技术人员培养等方面都取得了进步，为以后在全国范围内展开地理信息系统的研究和应用奠定了基础。从第七个五年计划开始，地理信息系统进入了发展阶段。在这个时期，地理信息系统的研究作为政府行为，正式列入国家科技攻关计划，开始了有计划、有组织、有目标的科学研究、应用试验和工程建设工作，许多部门同时开展了地理信息系统的研究与开发工作。经过近五年的努力，在地理信息系统技术的应用上开创了新的局面，并在全国性应用、区域管理、规划和决策中取得了实际效益。从90年代起，地理信息系统进入快速发展阶段。这个时期强调了地理信息系统的实用化、集成化和工程化，使地理信息系统从初步发展时期的研究实验、局部应用走向实用化和生产化，为国民经济重大问题提供分析和决策依据，努力实现基础环境数据库的建设，推进国产软件系统的实用化、遥感和地理信息系统技术的一体化。我国政府十分重视地球信息技术的发展，近几年己在地球信息技术及其应用领域的法规建设、基础建设、信息资源建设及国家计算机软件开发等方面做了大量的卓有成效的工作。经过长期的积累，特别是经过近几年的迅速发展，我国在地球科学的信息化方面已具有相当的基础，地理信息系统、卫星遥感、航空遥感的普及率高，自主开发的地理信息系统占领了相当份额的国内市场。近年来，“数字地球”的提出，引起我国政府及科技界的高度关注，各研究机构作了大量的工作，从不同角度探讨了“数字地球”的一些问题提出了许多真知灼见。 1998年 10月 29日，中国“863”计划信息获取和处理技术主题专家组和国家遥感应用工程技术研究中心在北京联合举办了“数字地球”研讨会。专家一致认为，“数字地球”和国民经济建设紧密相关，它在我国目前的经济建设和未来的知识经济社会中将起重大作用，“数字地球”是实施国家可持续发展战略的重要手段，它所提供的数据和信息将在农业、全球变化、环境、资源、人口、灾害、城市建设以及军事领域产生广阔的社会和经济效益，将推动各种科学事业的发展。“数宇地球”的实施必将促进地理信息系统的迅速发展和进一步完善。1.3.2 数字地形图信息管理系统需要解决的问题a、国内基础地理数据存在问题，主要有如下几点：（1）数据形式多样、标准不一各测绘、国土、规划局拥有不同年代、不同方式获取的部分基础数据。这些数据格式不同、来源各异，有CAD格式的数据也有其他格式的数据，有经过编码的也有还没有编码的数据等等。这些信息难以满足系统对数据的要求，必须对现有的数据进行相应的转换、编辑、整理等预处理工作。数据存储的方式也各不相同，有的采用传统的图纸保存，有的采用文件方式保持，有的以数据库表的方式保存等。这些杂乱的数据不仅占用大量的空间，还需要大量的人力和财力去管理，且管理效率低，容易损坏丢失。图形数据采用的坐标也不一致，有地方独立坐标系，有54北京坐标系，也有80国家坐标系，需要解决这几种坐标系的相互转换问题。（2）数据更新不力、现势性差数据的现势性是数据的生命力所在，为了保证数据的现势性必须要有有效的更新机制。以前所采用的数据更新方式比较零散，更新速度慢，难以保证数据的现势性。（3）管理手段落后、数据安全性难保由于多采用传统的文件、图纸的方式管理空间图形数据，数据容易丢失、损坏和泄密，数据的安全得不到保证。随着图纸年久损坏，这些宝贵的历史资料将难恢复。（4）分析手段单一、信息利用率低大量的基础数据的分析目前所采用的方法与手段较为单一。而随着数据库技术的发展，以及数据仓库和数据挖掘等新技术的应用，给空间分析带来了新的方法；特别是在地理信息的支撑下，实现多种信息的结合，通过各种专题图进行表达和分析。（5）难以深层次利用、难以社会化服务信息的利用仅停留在原始信息的提供阶段，没有进一步的深层次的挖掘，这就难以满足社会、企业和个人对城市信息的需求。随着科技的发展，应能通过多信息的综合分析，为制定21世纪初期经济社会发展规划和发展战略，为城市制定社会、经济、科教等各项发展政策提供决策支持。b、数字地形图信息的管理存在如下问题：地形图数据采用文件管理方式，导致数据不安全、查找难、不便于应用、不便于与其它数据的接口等方面的问题。从以上现状分析可以看出，本系统建设的提出是及时的，也是必要的，且已具备良好的基础。上述问题正是本系统建设需要解决的基本问题，城市地理信息系统的建设首先要弥补目前基础地理数据平台的不足。1.4 数字地形图的概念凡是图上既表示出道路、河流、居民地等一系列固定物体的平面位置，又表示出地面各种高低起伏形态，并经过综合取舍，按比例缩小后用规定的符号和一定的表示方法描绘在图纸上的正形投影图，都可称为地形图8。地形图的内容：1、图框：图框的方向，通常上面表示北方，下面表示南方，左边是西方，右边是东方。图上还应有比例尺、坐标系、高程系及施测日期。 2、地物：凡地面各种固定性的物体，除上述各种物体外，还有江河、湖泊、森林、草地及其他各种人工建筑物等，均称之为地物。3、地貌：有时为了表示地面高低起伏，在若干点位上注明点的高程，还有用一些规定符号来表示。这种起伏主要是自然形成的，如高山、深谷、陡坎、悬崖峭壁及雨裂冲沟等，都称之为地貌。地形图的比例尺：地面上各种地物不可能按真实的大小描绘在图纸上，通常总是将实地尺寸缩小为若干分之一来描绘的。图上某直线的长度与地面上相应线段实际的水平长度之比，称为图的比例尺。实有的比例尺有：1/500、1/1000、1/2000、1/5000、1/10000、1/25000等等。数字地形图是指矢量数据形式的地形图，是空间实体的符号化模型，它遵循一定的数学法则，将现实世界所传递的地理信息通过概括总结，并运用特定的符号表示在计算机显示器上，用以传递地理空间中地物实体集合的质量、数量和时空特征及其发展变化的规律7。1.5 本文的主要研究工作本文的研究工作是在开发招商局漳州开发区规划局规划管理信息系统的基础上进行的。通过计算机辅助设计CAD、数据库技术、计算机网络技术，借助ArcGIS功能强大的地理信息平台达到CAD&数据库的整合运用，数字地形图数据无缝进入空间数据库管理与应用。具体研究工作如下：（1）通过大量阅读国内外的参考文献，了解GIS的发展现状来研究系统开发需要解决的问题，明确研究方向；（2）本文对数字地形图信息（主要是DWG图形）入库技术进行研究；（3）数字地形图信息包含空间信息与属性信息，数字地形图信息要进入数据库管理，本文对地形图的空间数据结构与属性数据结构进行研究；（4）数字地形图信息管理系统是面向用户的，本文对系统的需求进行了分析研究；（5）作为管理系统，本文对系统的体系结构与运行环境进行了研究；（6）数据的管理必须保证数据的安全，本文对数据的安全管理进行了研究；1.6 本论文的章节安排本论文总共分为六章，各章节内容安排如下：第一章：绪论，阐述了数字地形图信息管理系统的应用背景、研究意义、以及国内外的发展状况，详细分析了系统建设需要解决的主要问题，同时介绍了数字地形图的概念。第二章：数字地形图信息入库技术的研究，针对数字地形图信息入库要求，提出并研究了实现以GIS为核心的数据采集、面向要素模型的数据转换技术、数据质量监理体系的建立三方面成果。第三章：数字地形图信息管理系统功能分析与结构设计，本章对系统建设的功能需求进行了详细的分析，根据系统的功能需求对系统的体系结构设计实现进行了阐述。第四章：系统数据结构设计，本章根据系统建设的特点及功能需求，对系统基础空间数据结构（包括空间数据结构、属性数据结构）的设计需求、原则、参考标准与方法进行了详细的分析，完成了数据结构的设计与实现。第五章：数字地形图信息管理系统功能实现，功能划分为数据整理、数据质量监理入库、数据浏览、数据应用、数据库扩充、数据库版本管理、数据安全管理、元数据管理、对外服务九大功能模块。本章主要对数据质量监理入库、数据应用、数据库扩充、数据安全管理功能实现进行介绍。第六章：总结了本文的工作及存在的不足并讨论了今后的努力方向。1.7 小 结本章阐述了数字地形图信息管理系统的应用背景、研究意义、以及国内外的发展状况。提出了本系统建设需要解决的问题，主要解决的问题是数据采集方法、数据转换方式、数据质量监理，对数字地形图的概念作了简要的介绍，同时对本文的主要研究工作进行了概括，最后对本文的章节安排也作了简要的介绍。692 数字地形图信息入库技术研究2 数字地形图信息入库技术的研究2.1 引 言数字地形图信息管理系统作为空间信息管理系统，与空间数据相关的采集、检查、转换、入库等问题是系统建设的核心问题，其主要表现在：a、现有数据大部分仅满足图纸需求，不重视图形拓扑关系；b、数据转换过程中有用的信息会丢失；c、空间数据库中数据更新流程不畅通（数据采集不直接针对入库格式）；d、空间数据质量检查效率低（空间数据是真正的海量数据）。一幅数字地形图要进入GIS，首先必须保证信息的完整性，包括空间信息和属性信息，二者缺一不可。早期的电子地图实际上只能称之为机助制图，只有空间信息而没有编码属性信息，当然不能直接入库，后来的地图中图形实体加入了地物编码，虽然是一个进步，但仍远远不够，因为GIS数据的属性信息非常丰富，不是仅仅一个地物编码那么简单。随着时代的发展，一些电子地图也包含GIS需要的属性信息了，但这并不能完全达到入库要求，因为这些属性信息必须要与空间信息紧密地结合起来，而且要有条理地存放，以便达到易于检索、易于编辑的目的。只是有编码和属性信息还不够，在入库前还要保证这些信息的正确性，常见的错误有编码值错误，即编码不合理、编码为空等；属性错误或不合理，如房屋层数为0等；属性类型不正确，如要求整型却写成字符型等。传统的面向成图的电子地图只注重出图打印的效果，数据本身存在诸多错误，常见的有：面状地物不封闭；同类线划断为多条，即图形含有伪结点、重复实体；复合线含有重复结点；线状实体自相交；等高线高程与注记不相符等。现阶段的数据采集、检查和转换都要为数据入库服务，数据入库指在信息系统的建设前期即数据准备时期，将信息系统所必需的各类地理要素数据经过修测维护后转入到符合信息系统要求的地理要素数据库中。数字测图系统所提供的电子数据与GIS数据之间的无缝接轨是当前亟须解决的难题之一。但目前在我国大多数单位测图方法和绘图软件主要还是面向传统图形应用，数字测图成果与GIS数据要求还存在一定的差距。基础空间数据入库是建立系统的一个重要环节。数据入库工作如何合理有效科学地保证源数据的质量，保证系统功能得以正确和充分地发挥，是目前我们应该首先重点解决的问题。2.2 实现以GIS为核心的数据采集现在的GIS数据采集的软件基本上是基于CAD平台，CAD平台易于操作但不利于数据的管理，而GIS系统对数据的要求过于复杂，不利于直接作为数据采集的平台，比如在生产单位，如果每一步都要考虑实体的拓扑特征，空间信息与属性信息的关联的话，势必会造成数据采集工作的效率大大降低，甚至连以外挂数据库存储属性内容这种看似完美的方式也会因为图形与属性不能同步而遭到生产单位的诟病。国内的生产单位基本上都选择了基于CAD平台开发的成图软件，但这样得来的数据都是以图形的方式存在，属性数据则作为图形实体的扩展属性来存储。扩展属性可存储地物编码和大量的属性信息。采用这种方式，扩展属性与图形对象能紧密地结合在一起，有利于图形和属性的一体化操作，维护数据逻辑一致性。AutoCAD中实体扩展属性的写入和读出可以通过对对象（Object）分别用SetXdata和GetXData方法得到（如图2-1所示）。图形属性数据图2-1 以扩展属性组织数据通过这种方式实现了属性数据和图形的紧密结合，符合数字地形图信息管理系统的数据采集要求。另外AutoCAD的扩展数据可以通过应用名APPNAME划分为多个区块，分门别类地存放，查找方便，不易混淆。数字地形图信息管理系统就是要求数据采集采用这种方法来存储各种各样的属性信息的，例如，控制点点名存放在“CNAME”应用下的字符串里、点位等级存放在“CGRADE”应用下的字符串里（这些应用名可以由用户定制）。有些成图软件虽然也采用了扩展数据来存储属性信息，但是没有将多个属性分开存储，而是将多个属性信息不分类型地放在一起，用逗号或空格隔开，放在同一个应用名下，这样不能直接识别某一属性段的属性名称和数据类型，会严重影响查找、检索、编辑效率，例如，要修改第五个属性段则要从头开始数四次逗号才能进行操作等等。在数据入库时，通过生成中间格式如E00/SHP（针对ArcGIS平台）等来实行转换入库。这个转换过程基本上不需要数据生产单位和数据管理单位作太多的干预，只要在数据采集软件中通过简单的命令就可以完成。数字地形图信息管理系统通过面向要素模型的数据转换技术可以方便地与GIS系统进行无损数据转换。面向要素模型的数据转换技术是数字地图导入GIS的一种概念性数据结构和支撑技术。同时，也是DTMIMS的一种底层数据结构。这种数据结构使得DTMIMS的地图编辑可以直接针对要素模型进行。任何线状地物或面状地物，只要要素模型的数据（位置等）发生改变，与要素模型相关的所有符号也会发生相应的改变。2.3 面向要素模型的数据转换技术实现2.3.1 几种常见数据转换方式a、直接应用对象特征方式AutoCAD已经全面采用了面向对象的思想，每一个制图元素都视为一个对象，如文字、标注、直线等，AutoCAD称为图元，每个图元都有相应的操作方法与特征。每个图元的特性可以看成图形数据的属性数据。这样图形数据就和属性数据结合在一起了（如图2-2所示）。图形属性数据图2-2 图形和属性紧密的联接 图2-3 图元的特性图2-3所示为多义线（Polyline）的“特性”窗口。厚度（Thickness）和标高（Evaluation）是图元的特性。一些数字测图软件就是利用二维图形的这两个特殊属性来存储专有属性的，即把地理要素的代码等放到厚度或标高特性中。这种方法在初步数字地形成图时期较好解决了图形代码识别的问题，但是有个弊端，图形只能为二维平面图，随着图形对三维要求的提高，这种方法会产生很大的隐患，如在厚度属性中写入编码，到三维空间中就变成了实体的真实厚度，不利于数据在以后三维空间的使用。特别是GIS系统不仅需要图形，同时需要在图形上附加大量的非空间属性，而DWG实体的对象特性存储空间是有限的，不能写入大量的属性信息。这种图形在转换进入GIS平台难度不大，但其图形本身无法附加大量的属性信息，其属性信息必须通过其他方式来存储，不利于转换过程中的控制。b、外挂数据库方式AutoCAD可以将其图形对象和外部数据库表中的数据相联接。联接是应用一个或多个记录的数据库表的指针（如图2-4所示）。图形属性数据库图2-4 外挂数据库这种方式适合组织数据量很大的属性数据，直接以MDB文件方式存储属性数据，这样，数据转换和共享起来比较方便，但是，这种方法很容易出现图形与属性数据之间的不一致性，一般测量单位在实际生产过程中要求快捷方便，每次数据一个细微的变化要反映到数据库中，两者之间要保持严格的一致，而外挂的形式很难做到图形属性的统一与互动，这种方式在试行过一段时间后也被淘汰。c、实体扩展属性方式在AutoCAD中，图元对象不仅有自身的对象特性，还可以有单向指针指向扩展属性（Xdata）（如图2-5所示）。AutoCAD中扩展属性的写入和读出可以通过对对象（object）分别用SetXdata和GetXData得到。图形属性数据图2-5 以扩展属性组织数据这种方法与前一种方法相比，适合组织数据量大的属性。并且这种方式下扩展属性与图形对象紧密结合，有利于图形和属性的一体化操作，维护数据逻辑一致性，这与GIS系统中，空间数据和属性数据要能使用共同的数据库进行存储的理念与要求是一致的。很明显有两个优点：（1）图形和数据紧密结合，操作简单快捷，查询直观。（2）在数据入库的过程中，直接读取其扩展属性，标准统一，效率较高。故对于AUTOCAD图形平台而言，这是目前最好的方法。2.3.2 面向要素模型数据转换思想在AUTOCAD平台的DWG文件向GIS平台数据转换的过程中，不管是直接应用实体特性或者使用外挂数据库还是使用扩展属性都可以将图形和属性转换过去，但如果要和数据生产过程和地物实体组织方式结合起来，考虑到数据转换效率则有很大的差异。在数据采集过程中要求快捷方便，在数据管理中又强调规范和统一，如果在数据采集中要严格考虑图形的拓扑特征的话，其效率就会大打折扣。比如相邻共边的两个房屋，在GIS系统中要求重合部分是一条线，若采集过程中也要这样要求的话，则要分别打断重合边，保留一条线，这样形成两个相邻的面域。但在数据采集中则是针对单个房屋进行的，分别将其看成独立的对象，在采集过程中分别构面，在数据入库时再进行拓扑重构。这样再图形平台中直接对独立对象进行操作，既直观又快捷。另外，在DWG中对实体的组织也会影响到生产和转换的效率。实际的地物中，有很多地物的构成是很复杂的，比如斜坡、陡坎、公路桥等，其地物代码只有一个，但按照点、线、面处理的方式则会变成多个实体，在数据库中不好管理，故在很多软件中将这样的实体做成一个图块，虽然这样可以一一对应，但在实体编辑或更新时却多有不便，多半要删除原来的实体重画。目前最好的方法是引入要素模型结构，即一个实体的主要特征用要素模型表示，其他的辅助线用辅助编码表示，利用编组功能将其组织成一个整体，编辑时将编组功能关闭即可独立处理，在数据转换时只针对要素模型处理，其他的辅助线只需依要素模型即可重构。这样，数据采集中就可以非常灵活，转换入库中又可以保持主编码和实体一一对应。依照数据入库的过程，数据入库应该分外三个步骤：数据的标准化、数据转换、图形数据入库和属性数据入库9（如图2-6所示）。图2-6数据的入库过程a、数据的标准化由于数据采集的过程不规范或成图过程中误操作，测量成果往往存在很多数据质量问题，比如房屋没有封闭，房屋与房屋中间有重复多余线，实体没有属性或者属性错误，以及存在没有属性的实体等等，这些将严重影响基于基础数据的GIS空间分析的可信度，甚至不能进行空间信息分析。数据采集系统中应该提供大批量修改和编辑实体的命令来进行数据标准化工作。b、图形数据的入库在图形转换过程中，可以通过定制不同的编码对照表就可以将DWG的图形要素转入到GIS系统中去。当然，在转换中还要考虑很多细节问题。比如AutoCAD与ArcInfo两者之间的图形要素并不是一一对应的关系，AutoCAD中可以包括点、线、面、矩形、弧线等，但是在ArcInfo中只有基本的点、线、面三类元素。所以在建立两者的图形要素的对应关系的时候进行技术上的处理，使的空间数据在输入到GIS后能和属性数据正确的连接起来。c、属性数据的入库在入库时，根据定义文件从各个图形实体的扩展数据中读出各种属性数据，并填写到SHP格式、MIF/MID格式、VCT格式的相应属性数据位置，由于空间数据和属性数据是同步输出的，所以这样也保证了两者之间的关联性。2.3.3 面向要素模型数据转换实现这里以DWG格式转换到ArcInfo通用标准格式文件SHP(shapefile)为例来说明数据转换入库的过程。 SHP(shapefile)文件的格式说明在SHP中的信息可以分成两种类型：一种与数据有关，如：主文件的记录信息，主文件文件头有关数据描述的字段（特征类型，围矩等）；一种与数据的组织管理有关，如：文件和记录的长度，记录的偏移等。这些信息是以二进制的方式存储在SHP的（.shp，.shx）中。每个SHP是由固定的3个文件组成：主文件（.shp文件），索引文件（.shx文件），dBase表文件（.dbf文件）。主文件（.Shp）主文件（.shp）主要存储的是SHP的图形数据，每个主文件包括一个固定长度的文件头和不定长度的记录组成（见表2-1所示）。表2-1 Shapefile主文件结构在主文件中，文件头和记录信息是由整型和双精度的整型以由小到大的字节顺序组成的数据描述字段，其余的有关文件和文件组织管理的信息是由整型和双精度浮点型以由大到小的字节顺序组成的数据描述字段。1）文件头整个文件头长度为100字节（见表2-2所示）。表2-2 Shapefile主文件头结构字节起始位置字段名数值类型字节顺序Byte 0文件码9 994Integer大小Byte 4未用0Integer大小Byte 8未用0Integer大小Byte 12未用0Integer大小Byte 16未用0Integer大小Byte 20未用0Integer大小Byte 24文件长度文件长度Integer大小Byte 28版本1 000Integer小大Byte 32图形类型图形类型Integer小大Byte 36围矩X 最小值小大Byte 44围矩X 最大值小大Byte 52围矩Y 最小值小大Byte 60围矩Y 最大值小大Byte 68围矩Z 最小值小大Byte 76围矩Z 最大值小大Byte 84围矩M 最小值小大Byte 92围矩M 最大值小大注释：文件长度的值以16bit为单位。如：文件头是由50个16bit组成的。关于图形类型的描述0:Null Shape、1:Point、3:PolyLine、5:Polygon、8:Mutipoint、11:PointZ、13:PolyLineZ、15:PolygonZ、18:MultiPointZ、21:PointM、23:PolyLineM、25:PolygonM、28:MultiPointM、31:MutiPatch关于围矩的描述在文件头中的围矩存储的是图形真正的范围，是在xy坐标系（特殊时有m轴和z轴）包含所有图形的最小直角矩形。如果shapefile是空的，围矩的x最小值，y最小值，x最大值，y最大值是不确定的。2）记录头主要存储了每条记录的记录号和记录信息的长度（见表2-3所示）。表2-3字节起始位置字段名值类型字节顺序Byte 0记录号记录号Integer大小Byte 4信息长度信息长度Integer大小注释：字节的起始位置是以记录的起始为参考的，记录号是从 1开始的。信息的长度是以 16bit为单位的。3）记录信息shapefile的记录信息由图形类型和图形的空间数据组成。记录的长度由段的数目和图形节点数目决定。对于每一个图形类型，首先描述图形特征，然后再依据记录信息将其成像存储在硬盘中。字节的起始位置以记录信息的起始位置为参考（见表2-4所示）。面文件的数据结构描述如下：l个多边形由1个或多个环组成。每个环是由4个或更多的点组成的闭合的自相交的1个环。每个可以含有多重外环，每个环称为多边形的一部分。每个环节点的顺序和方向决定了是多边形的内环或者外环。沿着节点的方向行进右侧称为多边形的内部，因此，多边形的内岛的节点的方向是逆时针的，单个的多边形一般是顺时针的。PolygonDouble4Box peffiInteger NumParts 块的数量Integer NumPoints节点的数量IntegerNumPartsParts 每块的第一个节点的索引Point NumPartsPoints 所有块的节点表2-4 Shapefile 主文件的记录信息结构字节起始位置字段名值类型字节顺序Byte 0记录号记录号Integer大小Byte 4信息长度信息长度Integer大小索引文件（.shx）索引文件（.shx）由100byte的文件头和长度为8byte的记录组成（见表2-5所示）。表2-5 Shapefile 索引文件结构库文件（.dbf）库文件（.dbf）库文件由两部分组成，第一部分是文件头，其前32个字节是文件的整体描述，接着每32个字节定义1个字段，直到碰到一个0DH（字段描述结束符或称为文件头结束标志）为止；第二部分是实际存放每一个记录的数据部分。从第32个字节开始到0DH为止是字段描述区，每32个字节定义1个字段，包括字段名、字段类型、字段长度、小数位数等。紧接着存放数据记录。记录以定长格式顺序存贮，每个记录的第一个字节是删除标识，有删除标记的记录，该字节是2AH（对应符号“*”），无删除标记的记录，该字节为空格（20H）。每个记录的各字段之间没有分隔符，记录无终止符，各种类型的数据均以ASCII码存放。数据记录之后为1个字节的文尾标识（1AH）。 有关DWG格式数据定义文件格式说明符号定义文件WORK.DEF该文件将所有的符号划分为20个类别，按统一的格式记录定义各个符号，是绘图部分的核心文件，格式如下：编码，符号所在图层，符号类别，第一参数，第二参数，符号说明END图2-7 符号定义文件WORK.DEF格式该文件每行代表一个符号，最后一行以“END”结束，用户可编辑这个文件，修改现有符号或加入新的符号（如图2-7所示）。图元索引文件INDEX.INI该文件记录每个图元的信息，不管这个图元是不是主符号（要素模型），所谓图元是图形的最小单位，一个复杂符号可以含有多个图元，文件格式如下：编码，主参数，附属参数，图元说明，用户编码，GIS表名例1：131100,gc113,0,三角点,111100,T_ReferencePnt_H例2：143140-1,x5,0,悬空通廊边线,123152,T_Assistant图元只有点状和线状两种，如果是点状图元，主参数代表图块名，附属参数代表图块放大率；如果是线状图元，主参数代表线型名，附属参数代表线宽（如图2-8所示）。“用户编码”提供给定义了自己的编码的用户，可用“数据处理”下的“生成用户编码”功能将“用户编码”写入每个图元的“厚度”属性。图2-8 图元索引文件INDEX.INI格式与SHP格式进行格式转换的过程中，INDEX.INI文件的作用至关重要，故对其格式的每一位做详细的说明：第一位：131100为图形的内部编码，由野外操作码演变而来，而143140-1则代表辅助编码，一般来说边线、横线都属于此类。对于出现的复杂地籍要素，就是依靠这个辅助编码来实现的，辅助编码就是简单的在主编码的后面加上“-”，再接上一个数字，一般从1开始，地籍要素越复杂，需要的辅助编码越多。第二位：gc113为图形在绘图时调用的图块名或线形名。第三位：0为该符号（地物、地籍）的面积分数，范围为0-1。第四位：“三角点”为该符号（地物、地籍）的说明。第五位：111100，用户编码，用于和其他编码标准进行对应。第六位：“T_ReferPnt_H”，是符号（地物、地籍）所属层名，对应到数据库中，就是该数据库的表名（该表名可根据实际的建库标准进行修改）。AttriBute.def文件作用： SHP文件格式定义文件。例：*T_ReferPoint,1,A01,测量控制点FeatureID,100,6,0,要素代码ReferPointID,12,20,0,内部编号PntName,0,24,0,点名PntNo,0,16,0,点号 说明：AttriBute.def文件中有所有的表及字段名（见表2-6所示）。表2-6 数据类型表：标示符具体类型注释标示符具体类型注释0VarcharChar字符串30文本注记字体Char1短整33文字符号大小2Numeric长整43X坐标3DecimalDate浮点53Y坐标54坐标200地籍名称Data时间203宗地面积5Blob影象数据210权利人11颜色213建筑占地面积12内部编号220地类13高程223界址线图形长度20文本注记内容230界址线起始点名23文字符号旋转240界址线终止点名说明：对于200即地籍名称应该包括“界址线、界址点、宗地号、本宗地号”等。Feature.txt文件作用：通用文件，提供一些辅助信息。例1：110000,控制点,Point,T_ReferPoint例2：T_ReferPoint,22FeatureID,Varchar,6ReferPointID,Integer,20格式说明：1、在建库标准中会提供一个空间矢量数据交换格式。这部分内容组成Feature.txt的主要内容。2、第一部分为要素类型参数，在该部分主要描述系统数据的分层数据表信息，用FeatureCodeBegin开始，以FeatureCodeEnd结尾，各独占一行，所有的内容包括在里面。3、从第二行开始到FeatureCodeEnd上一行，每一行的格式相同。4、第一位“110000”为大类编码，也就是层编码，即数据组织表中的表编号。我们可以通过查询数据组织表来获得。5、第二位“控制点”为说明文字，通过数据组织表和数据分层表可以获得。6、第三位“Point”，描述的是该大类的几何类型。几何类型见前面的几何类型表。7、第四位“T_ReferPoint”，是相对应的层名，也就是表名。8、对于第二部分，此部分为属性数据结构，按照标准中的要素属性结构定义的属性表结构及相应的扩展属性表结构进行描述。用TableStructureBegin开始，以TableStructureEnd，各占一行，所有的内容包括在里面。9、第一行，“T_ReferPoint,22”，“T_ReferPoint”为表名，后面的“22”为标示符，表示从下行开始共有22行是属于这个表的属性数据结果描述。10、第二行共有三个部分，“FeatureID”为第一行所定义的表中的字段名，“Varchar”，描述的是这个字段的数据类型，主要的数据类型（见表2-7所示）。表2-7 数据类型表：数据类型描述Integer整型值类型（包括短整型及长整型）；后面跟长度值Float浮点数值类型（包括单精度、多精度）；后面跟长度及精度值Char定长字符类型VarChar变长字符类型Date日期型值11、第三位为字长，第四位为可选，如果小数点位数为0，则省略，注意要最后是不能有小数点的。12、所有的内容都填写完，最后另起一行，用“END”作为结束标志。lstitems.mdb数据库文件在入库要求的属性代码标准表中，包含了权属性质代码表、单位属性代码表等，这些表中一般有两部分内容，代码和该代码所代表的含义的文字描述。这些信息是用数据库来保存的，各表中字段的类型描述所使用的数据库由用户指定。可以用Access来建立这个数据库，建立每个表。1、每个表的结构相同。2、建立两个字段，code和value。数据类型都为“文本”。3、code字段大小为4，value字段大小为36。4、代码和该代码所代表的含义的文字描述内容分别添加到code和value字段中。5、数据库名为lstitems.mdb，放在系统安装路径下system目录下。 数据转换过程虽然以上介绍的文件格式较多，但在实际的转换中，操作起来非常简单。对于任何一个建库单位，首先要建立空间数据建库标准，确定空间数据分层标准、属性表名、属性代码标准等。首先根据数据分层标准，将每个要素都要对应准确的几何类型中，几何类型划分见表2-8所示的几何类型表。表2-8 几何类型表点线面复合注记栅格PointLine/PolylinePolygonComplexAnnotationRaster每个要素除对应到相应几何类型中外，还要对应到相应的类别中，类别有：控制点、水系等，比如“T_ReferPnt_H”，类别为控制点，几何类型为点。一旦确定了每个要素的几何类型和类别，则可直接将该要素的编码和属性表名写入INIDEX.INI中相对应的用户编码和GIS表。而其属性表的结构则写入AttriBute.def文件中。然后用Access来建立入库要求的属性代码标准表，这些表中一般有两部分内容，代码和该代码所代表的含义的文字描述。这些信息是用数据库来保存的，各表中字段的类型描述所使用的数据库由用户指定。若要增加符号或其他地物，则可通过WORK.DEF文件来添加。以上的这些操作都可以方便的在属性结构表中进行（见表2-9所示）。表2-9 属性结构表左边一栏对应的是属性表名（几何类型），中间上部是要素类别，下部是属性结构字段，右边是修改后的要素全体。实体的属性录入可以添加到实体附加属性中。如房屋的附加属性添加：点击屏幕下拉菜单“数据实体附加属性修改附加属性”后选择要加属性的实体，弹出如图29所示对话框，上面各属性项为设置附加属性时添加字段。图2-9 附加属性修改 在各属性项后添加上实际的属性值后点击“确定”，则自动保存该实体的附加属，如图2-10所示。该属性进入GIS后可以更方便地查看和识别实体类型和性质。图2-10 修改实体附加属性依照建库标准确定了系统中的属性结构后，对数据进行必要的质量监理，就可以进行数据转换到SHP格式的操作。下面将一幅DWG格式（如图2-11所示）的地形图转换到SHP格式，如图2-12所示（点击“数据/图形数据格式转换/ARC/INFO SHP格式”，则系统将DWG格式数据转换为一系列SHP文件*.shp,*.shx,*.dbf）。图2-11 DWG格式数据图2-12 ARCINFO读入SHP格式 由于该成图软件系统的实体采用面向要素模型技术构建，无论简单实体还是复杂地物，通过面向要素模型进行组织，使得所有实体操作可以直接针对要素模型进行，特别是在数据转换中，面向要素模型技术有力保证了数据的完整性，避免数据丢失的现象。2.4 数据质量监理体系的建立2.4.1 有效的数据质量控制平台在数据搜集并将其数字化录入到数据库系统时，不可避免会产生这样那样的误差。空间数据误差主要来源于地图误差和数据采集误差。地图误差包括测量误差、绘图误差、图纸伸缩变形误差；数据采集误差包括数字化误差、不一致性和不完整性误差、格式转换和数据交换误差。在这些误差中，有粗差、系统误差和偶然误差。对于粗差，主要通过逻辑一致性检查和比较分析方法，由人机交互发现并修改，消除矛盾现象。由于系统误差和偶然误差是有规律可寻的，可以通过建立一定的条件对系统误差进行改正，对偶然误差进行合理的分配，从而保证空间数据的质量。除了数据生产过程中严格执行规范要求外，这里的质量控制主要是要方便地对数据粗差进行检查，故需要一个方便实用的人机交互的数据质量监理平台（如图2-13所示）。图2-13 质量控制示意图a、图形实体检查（如图2-14所示）图2-14 图形实体检查图“图形实体检查”可以对图面相关实体进行编码正确性、属性完整性、面状地物封闭、高程注记、建筑物注记等进行检查，既可以批量修改也可以用逐个提示的方式修改；“过滤无属性实体”可将没有属性编码的实体集中到另一个图形文件中去；“删除伪结点”功能可检查图上存在的伪结点并自动做出纠正；“删除重复实体”可自动查找图面上重合在一起的地物实体并删除多余的实体；“等高线穿越地物检查”可检查等高线穿越建筑物、道路的情况。选定某些检查项目后，程序自动对当前文件中的图形进行检查，并将检查出来的错误写入文件返回，如属性完整性检查后返回检查结果（如图2-15所示）。图2-15 属性完整性检查后返回检查结果图文件中信息错误类型有未定义表错误和属性不完整的错误等，并记下出错实体所在的位置坐标，若是线类地物，则位置坐标表示该线状地物的起点。b、等高线检查等高线高程注记检查等高线高程拉线检查等高线自相交检查等高线减肥处理c、点位中误差检查（如图2-16所示）图2-16 点位中误差检查图d、边长中误差检查（如图2-17所示）图2-17 边长中误差检查图2.4.2 数据无缝进入空间数据库目前，测绘界中大多数图形正是采用CAD的DWG格式存储，所以数据建库过程中要进行CADGIS的数据相互转换，这也是数据建库的基础。按照转换方式的不同，可以分为直接转换和间接转换两种方法。数据直接转换要求CAD与GIS二者之间不通过特制的程序接口就能够相互转换或者直接读写。由于CAD和GIS 系统描述同一空间对象的数据模型与语义存在一定的差别，以上的方法虽然可以实现数据交换，但是在转换过程中容易导致信息丢失。例如，当数据从AutoCAD转换到ESRI的shape文件或者Coverage时，就会丢失AutoCAD中定义的图形对象扩展属性。因此，直接转换难以顾及GIS中的属性数据，无法实现数据无损转换。同时，在AutoCAD端直接利用ArcSDE数据引擎来访问和操作数据库虽可顾及GIS的属性数据，但是既不方便又不安全，让外业小组可以直接更新GIS数据库缺乏了必要的中间过程。数据间接转换就是在CAD与GIS间定制专用的数据读