“辽金古城”遗址空间数据模型构建与融合式检索研究.pdf

2023 年 29 期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application“辽金古城”遗址空间数据模型构建与融合式检索研究张宇，李远华*，刘嘉宸，徐达，蔡德森（吉林大学 地球探测科学与技术学院，长春 130026）辽金文化发源于东北地区，残留了众多辽金古城遗址，保存着上千年的历史，是极其宝贵的文化资源。对辽金古城遗址空间信息的研究和建设，对东北地区旅游资源的开发、增强文化自信具有积极作用。辽金古城遗址作为特色文化资源，其空间结构、文史信息都具有重要的文化价值。以往的学者在辽金古城遗址考古、空间数据调基金项目：吉林大学大学生创新创业训练计划国家级项目（202210183222）*通信作者：李远华（1979-），男，博士，讲师，系副主任。研究方向为遥感与地理信息科学。摘要：为了解决“辽金古城”遗址个性化的空间数据表达与管理问题，该文基于面向对象和空间数据库思想，在古城空间结构和拓扑关系分析的基础上，从空间特征、图形表达、属性结构和数据集组织层次等 4 个方面构建古城空间模型；然后，根据数据查询、修改和分析现实需求，设计相应的数据管理、数据查询、操纵和分析方案并采用 ArcGIS Geodatabase 空间数据库，以“C#+OLEDB+ArcEngine”编程模式，解决整体与个体古城空间数据间的联动管理问题，验证古城空间数据模型实例化和数据管理关键技术。研究结果表明，古城空间模型构建的关键是利用线图形、面图形反映古城主体框架和主体结构，点图形表示古城重点要素。图形间的空间拓扑要严谨，以反映地物之间的关系，每个要素类单独设计属性结构反映其主要文化内涵和空间信息，采用数据库封装方式管理古城要素；基于该文提出的空间数据模型将古城视作独立对象进行实例化，通过程序对文件、数据库、SQL 语言进行融合式算法设计，可实现个体、总体古城数据交互式查询和管理，并可利用 GIS 软件平台和二次开发技术解决古城空间数据空间显示与分析问题。该研究为古城空间数据建模与管理提供一种可行的方法，对其他有个性化空间信息管理需求的实体建模具有一定的借鉴意义。关键词：辽金古城；空间数据模型；面向对象；空间数据库；融合式检索中图分类号院TP79文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤29-0026-05Abstract:In order to solve the problem of personalized spatial data expression and management of the site of ancient city ofLiao and Jin dynasties,based on the idea of object-oriented and spatial database,and on the basis of the analysis of the spatialstructure and topological relationship of the ancient city,this paper constructs the spatial model of the ancient city from fouraspects:spatial characteristics,graphic expression,attribute structure and data set organization level.Then,according to the actualrequirements of data query,modification and analysis,the corresponding schemes of data management,data query,manipulationand analysis are designed,and the ArcGIS Geodatabase spatial database is adopted to solve the problem of linkage managementbetween the whole and individual ancient city spatial data with C#+OLEDB+ArcEngine programming mode,and the keytechnologies of instantiation of ancient city spatial data model and data management are verified.The results show that the key tothe construction of the spatial model of the ancient city is to use linear and area graphics to reflect the main frame and structureof the ancient city,and point graphics to represent the key elements of the ancient city.The spatial topology between drawingsshould be rigorous in order to reflect the relationship between features.Each feature class designs its attribute structure separatelyto reflect its main cultural connotation and spatial information,and database encapsulation is used to manage the elements of theancient city.Based on the spatial data model proposed in this paper,the ancient city is instantiated as an independent object,andthe integrated algorithm design of file,database and SQL language can realize the interactive query and management of individualand overall ancient city data,and the problem of spatial display and analysis of ancient city spatial data can be solved by usingGIS software platform and secondary development technology.This study provides afeasiblemethod for themodelingandmanagement of spatial data in ancient cities,and has a certain reference significance for other entities with personalized spatialinformation management requirements.Keywords:ancient city of Liao and Jin;spatial data model;object-oriented;spatial database;integrated retrievalDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.29.00626-众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 29 期查、文化信息挖掘方面开展了诸多研究1-5。但是由于东北辽金文化尚属小众文化，对古城遗址结构多为总结性研究，对离散分布古城主要采用简单的点状数据和结构素描图进行展示4，对每个古城的空间信息缺乏专业的 GIS表现技术和管理手段6，没有针对性的空间数据模型，影响了辽金古城遗址信息化建设和管理。因为辽金古城结构复杂，类型多样，其内部具有差异化的空间结构，对其进行个体化的展现就离不开有针对性的空间数据模型和空间管理技术。因此，如何根据古城特点，构建恰当的空间数据模型，并提出有针对性的古城信息管理与查询技术是一个值得研究的问题。空间数据模型的建立需要明确对象的空间拓扑关系、框架图形表达、属性结构和空间数据集的组织问题，因此，本文在古城空间特征分析的基础上，从以上几个方面构建古城空间数据模型。每个古城都由复杂多样的矢量图形构成，如果采用传统形式，文件杂乱且难以管理，空间数据库能将矢量图进行封闭式管理，因此，为每个古城构建一个空间数据库，即能解决上述问题，开展离散式的数据库技术研究，从而解决综合的管理与查询问题。本文即是围绕上述关键问题开展研究。1技术路线本文的技术思路：首先，收集辽金古城遗址遥感数据，为古城结构分析和空间提取奠定数据基础；其次，从空间结构、空间要素特性和数据管理需求等方面对古城要素进行分类，分析其空间结构；之后，以古城空间结构为依据，分析古城要素拓扑关系和对应的图形表达，并按照古城要素特性构建属性结构，结合古城空间结构层次组织各要素类，完成古城空间模型的构建；然后，对于古城空间模型的管理，建立个体和整体古城空间数据库，并分别设计属性查询、数据修改和空间显示与统计方案，将个体和整体古城空间数据实现联动管理；最后，基于古城空间模型实例化古城对象，对古城空间模型和古城管理系统进行应用与分析，实现对古城空间数据统一、集成式的管理（图 1）。2辽金古城的空间结构分析由于古城是一个要素众多的集合，需要对古城的结构进行分析，明确古城的空间结构，为古城空间数据模型的建立提供依据。从整体形态上看，辽金古城形态、种类多样，按面积大小可分为特大型、大型、中型和小型城址 4 种，依据平面形状不同可分为 4 个亚型：长方形、正方形、四边形和不规则形城址7。古城遗址四周被残缺的城墙环绕，多呈现“口”字形，部分古城具有“日”字形双城结构或“回”字形的内外城结构。从结构上看，辽金古城在水平方向主要由夯土、砌石构成防御城墙体，墙体上窄下宽，城门和城防设备镶嵌在城墙体之上或与之紧密结合；古城内部结构同样复杂，设施种类众多，城墙和交通设施构成了古城遗址的基本框架，残存的城墙分段离散，由内外城墙线包围封闭形成；古城交通设施包括城门和主干道路，城门嵌入城墙，表现为残存城墙的缺口，狭长的主干道路连接各城门。内城区被城墙环绕包围，并被主干道路分割。对于城防设施，马面、角台分别在城墙外围和拐角处，瓮城与城门位置重合，包含城门。古城内部建筑大多消失殆尽，被现代耕地和建筑替代8-9。图 1技术路线图3古城空间模型辽金古城遗址形态各异，但建筑布局具有共性。可以通过分析遗址要素之间的拓扑关系以及空间特征，结合要素之间的层次结构，从古城的空间图形结构、属性结构和数据组织结构 3 个方面构建古城空间模型，为集成式管理古城空间数据奠定理论基础。3.1古城空间图形结构古城范围数据标识古城存在的区域，以略大于古城面积的矩形面要素表示；古城位置以遗址中心为代表，在大范围展示古城遗址分布时，用点要素表示；城墙内外边界围绕古城，确定了古城形状和范围，为线要素；城墙面被城墙内外边界线包含，以面要素表示；城门、马面、角台及瓮城附着于城墙，以点要素分布在城墙不同位置；主干道路在古城内部，与城墙相交，端点连接城门，呈线状，有27-2023 年 29 期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application一定宽度，用面要素表示。城内各要素以不规则区域分布在内城区，用面要素表示（图 2）。图 2古城空间结构概念图3.2属性结构属性数据即非空间数据，是要素必要的空间特征描述。古城的共性信息（如古城名、坐标点等）通过古城范围要素的属性字段表示。然后，依据每一个古城矢量要素的文化内涵与空间图形特征设计相应的属性字段，并且每个要素用一个编号字段标志其所属的古城。例如古城范围要素集有古城区域（面状）和古城位置点（点状）2 个要素类，古城区域的属性字段有：古城编号（int）、古城名（char）、经度 Px（decimal）、纬度 Py（decimal）、古城类别（char）、残存度（%）（int）。3.3数据组织结构古城遗址各要素离散而有联系，需要对数据集成封装。可利用 ArcGIS Geodatabase 空间数据库实现古城空间数据模型。对单个古城对象，新建一个 Geodatabase 数据库，按照古城空间结构组织古城要素集和对应要素类，构建古城空间层次关系，并建立各要素类的属性结构。对古城遗址空间信息提取时，要素类保存提取的古城空间几何数据，并添加对应属性值。4古城空间数据集成管理与分析技术作为一个整体，古城可被视作独立的对象，而这些独立的对象又构成了新的数据集，可单独建立集成数据库存储管理整体古城信息，并分别设计数据库的属性查询、数据修改和空间显示与统计方案，从而实现个体和集成古城空间数据库的交互管理。4.1数据存储模式对于个体古城空间数据的存储，可将单个古城视作独立的对象。按照古城空间数据模型，古城提取的结果是一个独立的空间数据库，代替繁杂的图层文件，具有封装性和统一空间坐标系。数据库文件存储在程序指定的文件夹下，可通过文件名检索古城，便于管理、储存和共享古城遗址图层数据。由于古城数据之间相互独立，因此对单个古城数据库的操作不会影响其他数据库，从而实现了面向对象的古城空间数据管理。集成古城空间数据存储方案的关键在于提取古城遗址的共性特点，因此可以单独建立古城信息数据库，以管理古城遗址的相关描述和位置坐标等宏观属性信息。在初始化时，可通过循环连接个体古城数据库，导入对应古城属性信息，以此实现封装性和数据共享。4.2属性查询模式针对个体古城空间数据库的查询，个体古城空间数据库以一个 Geodatabase数据库文件形式存储，因此，打开古城数据库所在文件夹，通过古城名称检索数据库文件，运用 C#+OLEDB 空间数据库技术，连接古城空间数据库，访问其属性信息。每个要素类即是一张关系表，通过 Select 语句，可查询单个古城的空间数据。而对于集成空间数据库，古城信息数据库中记录古城宏观属性数据，与个体空间数据库中的空间数据分别存储，在不涉及古城空间几何数据时，不再逐一连接古城空间数据库，仅连接集成空间数据库，直接对信息表中的古城信息查询统计即可，从而提高程序运行效率。4.3空间数据修改策略个体古城数据的修改可以直接通过 ArcGIS 数据平台编辑，在要素类的编辑状态下手动修改属性表，部分属性值可通过几何计算自动更改，如面积、周长等几何属性；也可以在古城所在文件夹内，检索目标古城，通过OLEDB 语句连接古城数据库，运用 Update 语句修改其中的属性信息；修改后在集成数据库内部连接该古城空间数据库，将古城相应属性更新至集成数据库，实现与古城信息表的联动管理。集成数据库的数据修改可以通过连接古城信息表由程序直接进行，对各独立的古城空间数据库进行动态连接。连接集成数据库后，依据权限对古城信息进行访问修改。同时总库的修改也会涉及子库数据的更新，因此需要根据所修改的古城对应编号，访问该古城空间数据库，更新相应数据集下的空间数据。4.4空间查询与显示由于辽金古城遗址是空间化数据，因此需要考虑其空间特征。古城本身是具有独特空间结构和组成要素的实体。对于整体古城数据来说，由于其数量多、分布广泛，墙体外城墙线内城墙线北门居民点东门城门主干道路西门南门马面角台28-众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 29 期可以被视为空间中的点状数据。因此，在解决辽金古城遗址的空间查询和显示问题时，需要从个体和整体古城数据的角度进行考虑。本文基于 C#和 ArcGIS Engine 二次开发技术实现古城遗址的空间查询与显示。其中，查询系统中使用了地图控件（MapControl）用于空间图形和查询结果的显示，同时通过窗体中的 DataGridView、TextBox、Chart 等控件显示空间查询的数量和统计值。算法的具体实现思路如下：首先，运用 ArcGIS Engine 数据连接方法打开对应古城的 Geodatabase 空间数据库；然后，定义空间查询过滤器对象（ISpatialFilter），并为其设定WhereClause（sql 查询语句）、Geometry（查询的空间范围）、SpatialRel（给定范围与查询对象的空间关系）等参数；最后，执行的结果将存储在内存变量中，并通过地图控件与之关联和显示，从而实现空间数据的查询。整体空间查询对象和结果均为该古城的点状数据，个体查询结果将详细显示该古城的空间结构，并以高亮方式呈现查询结果。5应用与分析根据前期提取的古城信息，依据模型要求和建模步骤，完成了 6 个具有代表性的古城空间数据提取（图 3），并基于本文古城空间模型创建了空间数据库（图 4），形成了测试数据集；然后，用 C#+数据库技术，将 6 个独立的古城空间数据库进行逻辑连接，同时构建了古城信息总数据库（Total.mdb）用于管理所有古城的基本信息；最后，对于基本信息的查询与修改，通过 Select、Update 等 SQL语句实现，如果古城数据发生修改，采用 Update 方法更新相应个体古城数据库；针对个体古城进行详细的信息查询、属性修改、数据增加等操作，可通过循环连接数据库的 SQL 语句实现，其中涉及空间数据的修改可通过ArcGIS 等空间数据处理平台完成，初步实现了古城数据的一体化管理（图 5）。图 3提取效果图图 4古城空间数据库模型图 5程序运行图和龙市东古城城址129毅18忆15义 东129毅18忆30义 东129毅18忆45义 东129毅18忆15义 东129毅18忆30义 东129毅18忆45义 东0100200400m图例瓮城、城门马面角楼现代耕地现代建筑外城墙线内城墙线城墙面古城区域东城墙北城墙西城墙南城墙西北角楼东北角楼东城门东南角楼南城门东城门水渠西南角楼和龙市东古城城址29-2023 年 29 期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application6结论本文针对辽金古城空间信息的集成化管理，建立了古城空间数据模型，并提出了面向对象的古城空间数据管理方法，同时开展了古城空间数据模型实践和程序设计，取得了如下认识。其一，要想体现出古城的内涵与复杂的空间信息，需要构建如下空间模型：古城多为方形，城墙构成古城的中外层骨架，内城墙线是古城内部空间的边界线，角台等主要城防设施附着于城墙外沿；利用线图形反映古城主体框架，面图形表现墙体、建筑或大型城防设施等，可用点图形标志小型城防设施等重要部位，并为每种要素根据其内涵、文化描述构建相应属性结构。采用空间数据库多要素方法，集中管理数据，实现古城集成空间信息的管理。其二，对古城空间数据的集成管理可以利用面向对象的方法，将古城看作独立的对象，通过程序对文件、数据库、SQL 语言进行融合式算法设计可实现个体、总体古城数据交互式查询和管理。还可利用 Visual Stadio C#+OLEDB+ArcEngine 的编程模式将整体与个体古城空间数据联动，具体解决属性查询、数据修改和空间显示与统计分析问题。本文重点围绕“辽金古城”遗址空间数据模型和集成管理技术开展研究，构建了空间数据模型，并提出了集成式管理技术的解决方案。然而由于辽金古城相关文化底蕴深厚，对古城空间或属性信息的解读水平受历史、考古和文学等方面的知识、能力局限，因此在数据库优化、系统设计和算法优化方面还有待深入的研究和探索。参考文献院1赵里萌，孟庆旭.吉林省伊通河、饮马河下游地区辽金时期城址的调查J.边疆考古研究，2021（1）：69-113.2王禹浪，刘冠缨.黑龙江地区金代古城分布述略J.哈尔滨学院学报，2009，30（10）：1-26.3王禹浪，刘述欣.辽宁地区辽、金古城的分布概要（一）J.哈尔滨学院学报，2011，32（1）：1-19.4丁绍通，韩宾娜.辽宁地区辽金古城分布与环境关系研究J.佳木斯大学社会科学学报，2018，36（2）：149-154.5李影.辽宁地区辽金时期城址研究J.丝绸之路，2022，386（1）：45-48.6陈宇星，李远华.东北“辽金古城”遗址遥感识别技术研究J.科技创新与应用，2021，11（33）：18-22.7 王雪百.辽宁地区辽金时期城址初步研究D.长春：吉林大学，2018.8赵里萌.中国东北地区辽金元城址的考古学研究D.长春：吉林大学，2019.9陈彬彬.黑龙江地域古代都城空间形态研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2021.3IORDACHE M D，BIOUCAS-DIAS J，PLAZA A.Sparse un原mixing of hyperspectral data J.IEEE Trans.Geosci.RemoteSens，2011，46（6）：2014-2039.4IORDACHE M D，BIOUCAS-DIAS J，PLAZA A.Total varia原tion spatial regularization for sparse hyperspectral unmixingJ.IEEE Trans.Geosci.Remote Sens，2012，50（11）：4484-4502.5 WANG R，LI HC，PIZURICA A，et al.Hyperspectral un原mixing using double reweighted sparse 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