城市空間信息服務共享平臺研究與應用

羅雁，鄒夢秋，王剛，劉福成

(天津市測繪院，天津 300381)

1 引言

空間信息作為一種重要的基礎(chǔ)信息資源，隨著其應用領(lǐng)域的不斷擴大，應用程度不斷深入，也越來越受到人們關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計在人類活動所需的各類信息中有80%的信息與空間位置有關(guān)，由此可見，空間信息在人類生活中具有極其重要的作用，為了充分發(fā)揮空間信息的作用，我們必須整合各種空間信息資源，搭建一套資源豐富、使用靈活、高效的信息共享平臺，使之更好為社會經(jīng)濟和人們生活提供服務［1］。

2 平臺空間數(shù)據(jù)模型

空間數(shù)據(jù)作為空間信息傳播的載體，在城市空間信息服務共享中占據(jù)非常重要的地位，如何更為有效地組織空間數(shù)據(jù)，快速、高效地服務于城市空間信息服務共享平臺，這一難題一直困擾著城市空間信息服務共享平臺的建設工作。結(jié)合當前天津市城市空間信息服務平臺實際的建設情況，在建設中所采用的兩大主要的空間數(shù)據(jù)模型:金字塔唯一要素多比例尺模型和瓦片金字塔模型。

在這里結(jié)合實際應用的需要，我們將目前天津市的空間數(shù)據(jù)劃分為矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)兩類，上面提及的兩種空間數(shù)據(jù)模型就是針對這兩類數(shù)據(jù)而設計的。

2.1 金字塔唯一要素多比例尺模型

為滿足矢量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸需要，結(jié)合實際應用的需求，本文提出了一種矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，即金字塔唯一要素多比例尺模型，其目的就是在保留空間要素拓撲關(guān)系的同時，加速各種矢量數(shù)據(jù)在不同比例尺下的顯示和網(wǎng)絡傳輸，從根本上解決矢量數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡方面?zhèn)鬏斅膯栴}。

所謂金字塔唯一要素多比例尺模型，主要思路如下［6］:根據(jù)矢量數(shù)據(jù)的各類要素在不同比例尺下顯示，按類別和比例尺對各種地物要素在遵循空間規(guī)則格網(wǎng)索引的前提下進行組織，從而形成類似金字塔結(jié)構(gòu)的矢量數(shù)據(jù)模型。在這個模型中，所有的空間要素(點、線、面)只存在于一個數(shù)據(jù)文件，不會重復，從而減少了數(shù)據(jù)的冗余性。

2.2 瓦片金字塔模型

為了解決海量柵格數(shù)據(jù)存儲、顯示、傳輸，我們采用分片策略來儲存遙感圖像等柵格數(shù)據(jù)，即將非常大的柵格陣列分解為若干獨立數(shù)據(jù)片，采用線性四叉樹來調(diào)度和管理這些數(shù)據(jù)。

金字塔是一種多分辨率層次(multi－resolution hierarchy)模型［1］，準確意義上講，金字塔是一種連續(xù)分辨率模型，但在構(gòu)建金字塔時很難做到分辨率連續(xù)變化，并且這樣做也沒有實際意義。因此在構(gòu)建金字塔時總是采用倍率方法構(gòu)建，從而形成多個分辨率層次。從金字塔的底層到頂層，分辨率越來越低，但表示的范圍不變。

瓦片金字塔模型建立的思路如下:首先將原始地形數(shù)據(jù)作為金字塔的底層，即第0層，并對其進行分塊，形成第0級矩陣。在第0層的基礎(chǔ)上，按每2×2個像素合成為一個像素的方法生成第1層，并對其進行分塊，形成第1層瓦片矩陣。再在第1層的基礎(chǔ)上采用同樣的方法生成第2層瓦片矩陣，如此下去，構(gòu)成整個瓦片金字塔。

在建立瓦片金字塔模型中，值得注意的是如果建立高效的分塊規(guī)則，在天津城市空間信息服務共享平臺建設中，經(jīng)過實驗并結(jié)合實際我們建立了如下的分塊原則:

(1)等大小規(guī)則分塊。等大小是指塊與塊之間的寬、高分別相等;規(guī)則是指有規(guī)律的，而不是亂序的。

(2)數(shù)據(jù)塊大小為2的整數(shù)冪，即塊的寬、高為2的整數(shù)冪。

(3)建議數(shù)據(jù)塊大小限制為256×256個像素。

3 平臺的架構(gòu)(如圖1所示)

在城市GIS應用中，要求所有的GIS應用系統(tǒng)都采用統(tǒng)一操作系統(tǒng)和GIS平臺顯然是不現(xiàn)實的，因此必須利用先進的信息技術(shù)，建立良好的空間數(shù)據(jù)的采集、更新與共享機制，將已有的分散于各部門的空間數(shù)據(jù)進行整合與有效集成，建立互操作平臺，進行各種多源異構(gòu)的空間信息的動態(tài)訪問、查詢、空間分析與決策，以最終消滅“信息孤島”和“應用孤島”，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與信息服務的共享、實時交換與集成管理［1］。

圖1 城市空間信息服務共享平臺框架圖

隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、空間信息技術(shù)以及各方面硬件環(huán)境的改善與提高，在這些軟硬件因素推動下，使得城市空間信息服務共享平臺的建設成為可能。我們建設天津市空間信息服務共享平臺主要目的如下:

目的一:采用地理信息技術(shù)、遙感技術(shù)、計算機網(wǎng)絡技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等先進的技術(shù)手段，把各類基礎(chǔ)地理信息資源進行集成與整合，從而實現(xiàn)各部門信息的共享與互操作。

目的二:改變以往的地理信息系統(tǒng)開發(fā)模式，搭建一套基于互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下應用成本低、實用性強、快速高效、滿足天津市各個部門和行業(yè)對空間信息使用的需要。

目的三:建立地圖服務的應用模式，地圖服務是一個基于Web的地理信息數(shù)據(jù)快速發(fā)布和瀏覽查詢，集軟件和平臺為一體，能為政府部門、企事業(yè)單位、公眾及個人的應用系統(tǒng)提供快速開發(fā)支撐的軟件服務平臺。采用地圖服務與自建地理信息系統(tǒng)相比，具有技術(shù)先進，數(shù)據(jù)完善，資金投入少，管理維護便利等方面的優(yōu)勢;

目的四:建立一套高效的面向用戶提供地圖服務的最佳業(yè)務和技術(shù)解決方案運行機制。

4 平臺應用模式

平臺建設的最終目的是為了應用，對于城市空間信息服務共享平臺的建設而言，這一點尤為重要，因為目前我們提供的空間信息應用模式已經(jīng)滿足不了城市快速發(fā)展的要求，為了更有力地服務于天津市城市的發(fā)展，結(jié)合市場需求以及多年來我們實際開發(fā)經(jīng)驗。

從信息存放和維護的方式上講，分為三類［4］:

①信息集中存放和維護模式。

②信息集中存放和分布維護模式。

③信息分布存放和維護模式。

從用戶客戶端使用軟件角度來看，也分三類:

①Ie、Google Exploer瀏覽器。

②Flash、Silverlight等跨平臺的插件。

③自主的GIS智能客戶端。

下面我們將主要從空間信息存放和維護的角度來探討平臺應用的模式。

4.1 信息集中存放和維護模式

所謂信息集中存放和維護，是指將用戶專題空間數(shù)據(jù)的服務器和我們自己存放空間數(shù)據(jù)與服務的機器集中存放在一起，進行統(tǒng)一的管理。用戶經(jīng)過授權(quán)，通過互聯(lián)網(wǎng)或者專網(wǎng)等網(wǎng)絡環(huán)境，借助于我們空間信息服務共享平臺中的相關(guān)空間服務及數(shù)據(jù)來使用相關(guān)的數(shù)據(jù)和GIS功能。

這種應用模式優(yōu)勢在于能有效地保證空間數(shù)據(jù)的安全，便于空間數(shù)據(jù)和平臺功能的集中管理和維護，同時也為用戶提供了快捷的可視化服務，但這種模式存在的最大難題就是信息更新成本高，更新周期長，由此帶來的結(jié)果是圖上信息不能及時更新，地圖內(nèi)容與實際現(xiàn)狀差距日益增大。所以離開真實的信息，再強的功能、再好的表現(xiàn)方式也是徒勞。因此，在信息化建設遍地開花的今天，這種模式不適合于城市空間信息平臺的搭建。

4.2 信息集中存放和分布維護模式［4］

為了解決信息集中維護成本高、周期長的問題，我們可以采用信息集中存放，建立基于網(wǎng)絡環(huán)境下的分布維護模式。

(1)標注功能和糾錯

考慮到城市地圖上，信息點的主要維護工作是新增和修改屬性，因此為了解決城市信息點的更新，我們在網(wǎng)頁上設置了標注和糾錯功能。用戶可以根據(jù)自己了解的信息，通過網(wǎng)絡在圖上增加信息點，再通過對話輸入屬性，最后提交。若在地圖上發(fā)現(xiàn)信息有誤，可以通過網(wǎng)絡提交修改信息。

(2)屬性的分布式維護(如圖2所示)

屬性的分布式維護是隨數(shù)據(jù)庫發(fā)展產(chǎn)生的維護模式，是分布式數(shù)據(jù)庫在GIS中的應用，通過網(wǎng)絡，單位可以實時更新自己的屬性信息，從而保證信息的可靠性。

圖2 屬性信息的遠程維護

在這種模式下，首先用戶對數(shù)據(jù)的操作是有權(quán)限的，只有輸入正確的用戶名和密碼后才能登錄相應的管理界面，修改屬性數(shù)據(jù);其次，各個用戶只能瀏覽和修改所有權(quán)限下的數(shù)據(jù)，無權(quán)瀏覽和修改其他部門的數(shù)據(jù);再次，系統(tǒng)不開放幾何信息，因為幾何信息的修改需要專業(yè)人員或者后臺自動完成。

4.3 信息分布存放和維護模式(如圖3所示)

信息集中存放分布維護的模式可以解決部分服務領(lǐng)域中的信息維護問題，但在現(xiàn)行的體制下，一些行業(yè)出于信息安全等因素的考慮，不能將本部門的信息上傳到空間信息服務共享平臺集中存放，這種情況下，信息分布存放、分布維護的模式應運而生。

這種模式下，諸如燃氣、自來水等行業(yè)和部門，由于其空間信息數(shù)據(jù)與城市安全和人們的生活密切相關(guān)，因此這部分數(shù)據(jù)屬于保密狀態(tài)。對于這種情況，我們可以將他們自己的數(shù)據(jù)按照空間信息服務共享平臺的數(shù)據(jù)規(guī)范建立在他們自己的機房，同時將平臺的相關(guān)服務配置在他們的服務器上，通過VPN專網(wǎng)連接到我們的空間信息服務共享平臺，實行專業(yè)空間數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)的疊加，協(xié)同完成相應的空間數(shù)據(jù)處理及互操作。

圖3 信息分布存放分布維護的模式

5 關(guān)鍵技術(shù)及應用

在目前平臺建設中，結(jié)合上面提到的數(shù)據(jù)模型以及應用模式等相關(guān)理論，我們主要將以下幾種關(guān)鍵技術(shù)運用到實際開發(fā)工作中，初步完成了一些試驗性的成果，同時也解決了目前用戶關(guān)注的問題。

5.1 關(guān)鍵技術(shù)

(1)金字塔唯一要素多比例尺技術(shù)

此種技術(shù)是建立在金字塔唯一要素多比例尺模型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的，借助于該模型我們建立具有空間關(guān)系的適量數(shù)據(jù)規(guī)則塊的同時，保證無論在何種比例尺下，任何空間數(shù)據(jù)元素只儲存在一個數(shù)據(jù)塊內(nèi)，同時通過多線程技術(shù)，多級調(diào)度技術(shù)建立在互聯(lián)網(wǎng)快速瀏覽矢量數(shù)據(jù)的自主客戶端。

(2)金字塔模型多分辨率空間格網(wǎng)索引技術(shù)

此種技術(shù)是建立在瓦片金字塔模型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的，通過該模型建立相應的空間數(shù)據(jù)庫，同時通過線性四叉樹等算法在客戶端程序中建立相應數(shù)據(jù)調(diào)度機制和空間分析計算和傳輸機制。

(3)多級緩存技術(shù)

實現(xiàn)在Internet上海量空間數(shù)據(jù)發(fā)布的關(guān)鍵技術(shù)在于緩存，基于服務器模式的Internet GIS適應于低帶寬的網(wǎng)絡環(huán)境，其瓶頸不在于網(wǎng)絡帶寬，而是服務端的數(shù)據(jù)訪問(I/O操作)、查詢/空間分析計算以及制圖顯示。為了減少I/O操作和重復的計算過程，我們用到的多級緩存技術(shù)如下:應用實例緩存、數(shù)據(jù)引擎緩存、處理結(jié)果緩存、客戶端緩存。

①客戶端緩存:通過狀態(tài)維護策略，保存部分當前空間信息狀態(tài)參數(shù)，使一些運算直接在客戶端進行，減少與服務器交互，同時客戶端緩存服務器產(chǎn)生的空間數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)的重復傳輸，減輕服務器的負載壓力。

②服務器端緩存:進程池技術(shù)是服務應用實例緩存實現(xiàn)的關(guān)鍵，我們充分利用服務器多CPU和內(nèi)存容量巨大的特點，使用進程管理組件預先啟動多個應用服務器實例，裝載適當?shù)臄?shù)據(jù)，在構(gòu)建的進程池中預先存儲多個激活的工作進程，可以避免出現(xiàn)CGI方式的瓶頸，減少每次用戶請求都需要重新加載和卸載數(shù)據(jù)的時間，提高服務響應的效率，工作進程的選用由群集組件負責分配。多線程技術(shù)可以提高系統(tǒng)的響應能力，進程池技術(shù)進一步成倍提升系統(tǒng)的服務能力。

③數(shù)據(jù)引擎緩存是在應用實例緩存的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)引擎緩存的基礎(chǔ)是有限等級比例尺機制，一般來說，在互聯(lián)網(wǎng)上，GIS應用服務不需要提供任意比例的精確地圖，只需提供若干等級比例尺的近似地圖即可，將服務限制在有限比例尺級數(shù)的范圍內(nèi)，就可以充分利用數(shù)據(jù)訪問引擎具有的緩存和調(diào)度機能。

(4)異步回調(diào)技術(shù)

軟件模塊之間總是存在著一定的接口，從調(diào)用方式上，可以把他們分為三類:同步調(diào)用、回調(diào)和異步調(diào)用，如圖4所示。同步調(diào)用是一種阻塞式調(diào)用，調(diào)用方要等待對方執(zhí)行完畢才返回，它是一種單向調(diào)用;回調(diào)是一種雙向調(diào)用模式，也就是說，被調(diào)用方在接口被調(diào)用時也會調(diào)用對方的接口;異步調(diào)用是一種類似消息或事件的機制，不過它的調(diào)用方向剛好相反，接口的服務在收到某種信息或發(fā)生某種事件時，會主動通知客戶方(即調(diào)用客戶方的接口)。回調(diào)和異步調(diào)用的關(guān)系非常緊密，通常我們使用回調(diào)來實現(xiàn)異步消息的注冊，通過異步調(diào)用來實現(xiàn)消息的通知和數(shù)據(jù)的傳輸。

圖4 調(diào)用示意圖

從技術(shù)層面上講，平臺的搭建主要應用到了金字塔唯一要素多比例尺技術(shù)、規(guī)則空間格網(wǎng)索引技術(shù)、多級緩存技術(shù)、異步回調(diào)技術(shù)、虛擬技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、多媒體技術(shù)以及Ajax技術(shù)等，實現(xiàn)空間信息技術(shù)與眾多成熟技術(shù)的融合應用，從而讓空間信息應用到城市發(fā)展的各個領(lǐng)域。

5.2 應用

目前我們采用JavaScript、PHP5、ActionScript 3.0、VC++以及C#進行相關(guān)的開發(fā)工作并取得了一定的成果。

首先在矢量快速瀏覽方面，我們通過建立金字塔唯一要素多比例尺空間數(shù)據(jù)，通過自己開發(fā)客戶端，在互聯(lián)網(wǎng)上初步實現(xiàn)了對空間數(shù)據(jù)的快速調(diào)用與顯示，解決了空間矢量數(shù)據(jù)在一定帶寬的情況下傳輸與顯示的問題。

圖5 “天地圖·天津”地圖門戶網(wǎng)站

另外，采用瓦片金字塔模型，解決了柵格數(shù)據(jù)快速瀏覽的問題，響應天地圖國家建設的要求，搭建起了天津市公眾服務共享平臺——“天地圖·天津”地圖門戶網(wǎng)站，其效果如圖5所示，目前已經(jīng)提供給互聯(lián)網(wǎng)上的用戶使用，并開始為政府部門和企事業(yè)單位提供空間信息服務。在后臺服務建設方面，我們遵循了OGC國際標準規(guī)范，搭建了地圖圖片服務(WMTS)、Web要素服務(WFS)等服務接口，使得這些服務不僅能滿足“天地圖·天津”地圖門戶網(wǎng)站的需要，而且可以提供在線或者離線兩種模式下的手機地圖服務，如圖6所示。

圖6 “天地圖·天津”手機地圖

6 總結(jié)

減少空間信息重復性建設，降低建設成本，大力推廣空間信息服務，實行城市空間信息服務共享是國家信息化建設的重要組成部分。因此，城市空間信息服務共享已經(jīng)成為業(yè)界迫切需要解決的問題，分布式地理信息系統(tǒng)為解決該問題提供了強有力的技術(shù)支撐，但分布式地理信息系統(tǒng)面臨著多方面嚴峻的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的分布式地理信息系統(tǒng)解決方案無法解決異構(gòu)環(huán)境下的多源系統(tǒng)協(xié)作服務問題，基于網(wǎng)格技術(shù)的城市空間信息共享平臺的研究，解決了多源系統(tǒng)間的互操問題，實現(xiàn)了城市空間信息服務共享。

目前，隨著城市空間信息服務共享平臺的建設不斷深入，相關(guān)的理論和技術(shù)為我們的建設指明了一個明確方向，但技術(shù)距離應用和推廣還有一定距離。因此在實際工作中，我們需要從以下幾方面研究與實踐:

(1)進一步完善城市空間信息服務共享模型的研究，針對不同部門，對其空間信息應用模型以及訪問方式進一步深入和細致研究;

(2)進一步完善空間元數(shù)據(jù)研究，為用戶提供分類更齊全、更準確、實時性更強的數(shù)據(jù)訪問;

(3)面向空間特征要素的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(No-SQL)技術(shù);

(4)建立面向應用服務的互操作接口規(guī)范，為不同系統(tǒng)提供更完善的用戶操作依據(jù)。

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