縣級基礎(chǔ)地理信息平臺建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究

張 璐，金 琳，顧 竹，王 璇

(江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇南京210013)

一、引 言

隨著信息化建設(shè)步伐的日益加快，集成化和智能化的信息管理模式備受地方政府的關(guān)注［1］?？h級基礎(chǔ)地理信息平臺的建設(shè)是“數(shù)字城市”的核心支撐和主要內(nèi)容之一?？h級基礎(chǔ)地理信息平臺的建設(shè)目標是以基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為管理對象，利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GIS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)［2-5］，建立全縣范圍內(nèi)準確、動態(tài)、高效的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，提高基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)、建庫與管理的科學化水平;提供一套靈活實用的數(shù)據(jù)更新機制，滿足對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的更新維護要求;提供精確的GIS分析和統(tǒng)計功能，為用戶充分使用數(shù)據(jù)提供技術(shù)手段;利用城市實體的空間信息和紋理信息通過計算機和虛擬現(xiàn)實技術(shù)再現(xiàn)城市特定場景三維景觀，向用戶立體展現(xiàn)地理空間現(xiàn)象;通過網(wǎng)絡(luò)模式為廣大公眾和企事業(yè)單位提供統(tǒng)一的、在線的、精準的、現(xiàn)勢性強的地理信息服務，提高地理信息公共服務的質(zhì)量和水平。

二、平臺建設(shè)內(nèi)容

1.數(shù)據(jù)庫設(shè)計

(1)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建模式

平臺的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫采用面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)模型(Geodatabase)設(shè)計，利用 Oracle+ArcSDE的數(shù)據(jù)庫物理架構(gòu)，通過ArcSDE應用服務器建立客戶端與數(shù)據(jù)庫的連接。

(2)數(shù)據(jù)庫子庫劃分

數(shù)據(jù)庫中子庫劃分的依據(jù)為數(shù)據(jù)的類型。主要包括。

1)數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)(DLG)子庫。包括大地測量控制點、水系及附屬設(shè)施、居民地和工礦設(shè)施、交通及其附屬設(shè)施、管線、地貌、行政區(qū)界線和地名、植被等內(nèi)容。

2)數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)(DOM)子庫。存儲不同比例尺的數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)。

3)元數(shù)據(jù)(Metadata)子庫。分別存儲圖幅級、圖層級和要素級元數(shù)據(jù)，包括標識信息、限制信息、數(shù)據(jù)質(zhì)量信息、參考系信息、內(nèi)容信息等。

4)發(fā)布數(shù)據(jù)子庫。由基礎(chǔ)類數(shù)據(jù)和POI服務類數(shù)據(jù)組成。基礎(chǔ)類數(shù)據(jù)即各級電子地圖數(shù)據(jù)庫。POI服務類數(shù)據(jù)一部分從基礎(chǔ)類數(shù)據(jù)中派生;另一部分從相關(guān)數(shù)據(jù)資源中獲取。

2.平臺總體架構(gòu)

平臺采用客戶機/服務器(C/S)和瀏覽器/服務器(B/S)的混合型系統(tǒng)架構(gòu)模式，充分吸收兩種運行模式的優(yōu)點，使得平臺設(shè)計更合理、更先進、更具效率和擴展性。

(1)C/S部分

采用3層C/S架構(gòu)，利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫Oracle和空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和管理。在數(shù)據(jù)層，系統(tǒng)從數(shù)據(jù)的存儲、運維、安全等方面設(shè)計，具體實現(xiàn)時，則采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，簡化對象間復雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過服務層封裝數(shù)據(jù)庫，提供操作接口，向各個應用系統(tǒng)提供服務。體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(2)B/S部分

采用B/S體系結(jié)構(gòu)，將不同的模塊、子系統(tǒng)集成到平臺主框架中。數(shù)據(jù)層通過服務層形成了應用集成層，應用集成層包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)發(fā)布應用子系統(tǒng)系統(tǒng)和三維場景瀏覽子系統(tǒng)。B/S體系結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.平臺設(shè)計

平臺分為C/S和B/S兩大塊。其中，C/S模式包括。

1)整合建庫子系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要提供對基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的建庫功能，包括對采集數(shù)據(jù)的分析轉(zhuǎn)換和對數(shù)據(jù)的加工處理，以及數(shù)據(jù)的整合入庫。

圖1 C/S體系結(jié)構(gòu)圖

圖2 B/S體系結(jié)構(gòu)圖

2)管理應用子系統(tǒng)。主要負責對基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)按圖幅、區(qū)域等方式的分層管理，并提供各種基本GIS功能，包括空間快速定位、查詢檢索、空間統(tǒng)計等功能。

3)數(shù)據(jù)更新子系統(tǒng)。主要提供對數(shù)據(jù)庫更新以及歷史庫的管理維護等功能，并可以選擇按圖幅、指定區(qū)域進行更新。

4)元數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)。主要負責對各類元數(shù)據(jù)進行管理，查詢，導出和打印的工作。

5)系統(tǒng)維護管理子系統(tǒng)。主要負責用戶管理、角色管理、權(quán)限設(shè)置、日志管理、要素初始化、符號庫管理和參數(shù)設(shè)置管理。

6)特定場景三維精細建模子系統(tǒng)。該系統(tǒng)以虛擬現(xiàn)實技術(shù)和GIS技術(shù)為核心，基于三維地理信息系統(tǒng)軟件平臺，綜合利用數(shù)字攝影測量、GIS、仿真等技術(shù)建立虛擬景觀仿真系統(tǒng)，提供對特定地點的虛擬三維場景的瀏覽和分析。

B/S模式包括。

1)三維場景瀏覽子系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用Terra-Builder和TerraExplorer Pro制作三維場景數(shù)據(jù)，以DEM的高程信息來精確描述區(qū)域的地形起伏，以DOM的影像紋理來描述區(qū)域地表真實狀況，實現(xiàn)了海量三維地形場景瀏覽、三維場景的測量、圖層管理、信息查詢和專題統(tǒng)計分析等功能。

2)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)發(fā)布應用子系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ArcGISAPIfor Flex開發(fā)的程序作為前端展現(xiàn)，后臺連接ArcGIS Server REST Service，采用Flex技術(shù)作為WebGIS的客戶端表現(xiàn)層，通過互聯(lián)網(wǎng)24 h在線向廣大公眾和企事業(yè)單位提供權(quán)威便捷的地理信息在線服務，包括定位查詢、行車導航、旅游指南、出版地圖瀏覽等日常生活所需地理信息服務。

三、關(guān)鍵技術(shù)

1.空間數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建模式

平臺采用空間數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建模式。從數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)集成的角度來看，其將空間數(shù)據(jù)按時態(tài)劃分為現(xiàn)勢數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和臨時工作數(shù)據(jù)。

按照入庫的要求經(jīng)過預處理但尚未正式導入現(xiàn)勢庫的數(shù)據(jù)，稱為臨時工作數(shù)據(jù)。

向用戶提供的現(xiàn)勢性最好的成果數(shù)據(jù)，即現(xiàn)勢數(shù)據(jù)?，F(xiàn)勢數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理和操作的主要數(shù)據(jù)，是向用戶提供的基本數(shù)據(jù)。它將各數(shù)據(jù)生產(chǎn)單位生產(chǎn)的原始采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過入庫檢查和整理，按照一定的地理單元，根據(jù)現(xiàn)勢數(shù)據(jù)管理的要求存儲在服務器的磁盤陣列中。

更新替換下來的成果數(shù)據(jù)，稱為歷史數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)庫與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)基本相同，只是所管理的數(shù)據(jù)是被更新下來的成果數(shù)據(jù)?，F(xiàn)狀數(shù)據(jù)被更新后，將原來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到歷史數(shù)據(jù)庫中，形成歷史數(shù)據(jù)。

2.多粒度更新機制

平臺設(shè)計了按圖幅、要素等多種更新機制，針對不同的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)特征采取覆蓋更新或要素更新的手段。覆蓋更新功能主要針對按圖幅生產(chǎn)數(shù)據(jù)的模式，實現(xiàn)批量圖幅的快速更新。該方法簡單便捷，但歷史數(shù)據(jù)冗余較大。要素更新針對局部范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的更新，實現(xiàn)小范圍的數(shù)據(jù)快速更新到基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫。該方法更新效率高，歷史數(shù)據(jù)冗余小，是一種增量的更新。

系統(tǒng)充分考慮這兩種更新方式的優(yōu)勢，實現(xiàn)了基于區(qū)域和實體的全生命周期管理，高效地記錄了數(shù)據(jù)在不同時期的狀態(tài)，為跟蹤數(shù)據(jù)的變化提供了強有力的保證。

3.面向GIS與制圖一體化存儲顯示

GIS數(shù)據(jù)注重對地理實體空間性、特征性的反映，側(cè)重于空間信息和屬性信息。而制圖數(shù)據(jù)則注重從形式上對地球表面的自然地理和社會人文各要素作形象、直觀的描述，側(cè)重于實體對象的幾何信息，其核心是實體的符號化表達，缺乏對屬性數(shù)據(jù)的支持。兩者的差異主要體現(xiàn)在以下3個方面：①數(shù)據(jù)連續(xù)性;②數(shù)據(jù)完整性;③數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同。

針對這種情況，平臺采用面向GIS與制圖的一體化存儲顯示策略。只建立一套基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，用于數(shù)字制圖。系統(tǒng)通過該數(shù)據(jù)庫派生制圖數(shù)據(jù)，基于GIS的制圖表達功能實現(xiàn)地理實體的符號化表達，達到制圖規(guī)范的要求。

4.元數(shù)據(jù)的同步更新

平臺采用的元數(shù)據(jù)是參考美國聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會(FGDC)的《地理空間元數(shù)據(jù)的內(nèi)容標準》和我國《地理信息元數(shù)據(jù)》(GB/T 19710—2005)國家標準進行構(gòu)建。在原有基礎(chǔ)上，細化了元數(shù)據(jù)的層次，將元數(shù)據(jù)分為圖幅級元數(shù)據(jù)、圖層級元數(shù)據(jù)以及要素級元數(shù)據(jù)。其中，要素級元數(shù)據(jù)針對交通、水系等基礎(chǔ)地理要素中的重要地理實體(高速公路、江河等)進行創(chuàng)建，并制定其相關(guān)標準，豐富了對特殊要素的元數(shù)據(jù)內(nèi)容，并采用XML來表達元數(shù)據(jù)，加強了元數(shù)據(jù)與地理信息數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，實現(xiàn)元數(shù)據(jù)同步更新。

5.基于皮膚的三維數(shù)據(jù)快速生成技術(shù)

傳統(tǒng)的GIS在不斷深入的應用中得到充分的發(fā)展，已經(jīng)形成了成熟的產(chǎn)品系列并積累了大量的應用數(shù)據(jù)。為了能夠充分的利用已有的GIS軟件模塊和應用數(shù)據(jù)，同時發(fā)揮三維真正的優(yōu)勢，平臺中的特定場景三維精細建模子系統(tǒng)采用了VRMap2.X基于皮膚的技術(shù)。在該技術(shù)里，二維GIS數(shù)據(jù)被看作骨架數(shù)據(jù)，而三維表現(xiàn)方式所涉及的數(shù)據(jù)作為皮膚數(shù)據(jù)。

皮膚技術(shù)將二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與表現(xiàn)模型分離出來，在瀏覽時刻動態(tài)合成，大大降低了資源消耗，提高了系統(tǒng)效率。它將抽象數(shù)據(jù)世界(二維)與多態(tài)的真實世界(三維)完美的結(jié)合起來，如抽象的二維點、線、面可以生成標志建筑物、河流、樹林等。VRMap支持如下的皮膚技術(shù)。

1)公路、鐵路、管線的自動生成。

2)公路、鐵路兩側(cè)景觀自動生成，如路燈、樹林、電線桿等。

3)樓房、建筑物自動生成，包括各種房型的選擇。

4)區(qū)域地塊生成，如草地、樹林、水域等。

6.三維高速渲染引擎

平臺中的特定場景三維精細建模子系統(tǒng)在開發(fā)時采用了VRMap的高速渲染引擎，通過該引擎，系統(tǒng)實現(xiàn)了以下功能。

1)統(tǒng)一驅(qū)動體系，集成DirextX9.0的最新技術(shù)，并對高、低端硬件同時保持兼容。

2)實現(xiàn)并行圖形優(yōu)化，對硬件提供的并行處理功能提供了最優(yōu)化的支持。

3)紋理/影像壓縮處理，該渲染引擎提供了基于當前圖形技術(shù)的最優(yōu)的渲染性能。引擎中引入了特殊的算法優(yōu)化渲染流程，可以最大限度的發(fā)揮硬件效能。

7.建立三維場景實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)瀏覽發(fā)布

基于TerraExplorer Pro二次開發(fā)組件開發(fā)三維場景瀏覽子系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于數(shù)字高程模型、遙感影像數(shù)據(jù)等，充分利用三維GIS技術(shù)，對重要區(qū)域建立三維場景飛行模擬，并提供三維場景的縮放、導航、漫游、飛行和俯瞰等瀏覽操作功能和三維查詢等功能。

8.三維場景中矢量專題數(shù)據(jù)的多級顯示

平臺中的三維場景瀏覽子系統(tǒng)采用電子地圖多級顯示技術(shù)，對矢量數(shù)據(jù)進行多級顯示。從小比例尺三維場景到大比例尺三維場景，實時加載和顯示的專題矢量數(shù)據(jù)隨著比例尺的變化而變化。同時，為了使三維場景中的專題信息顯示更加合理，對注記層也進行了多級顯示，使得在瀏覽任意一個比例尺的三維場景時，場景中的專題信息。

9.注記始終清楚地顯示

地圖切片預生成技術(shù)與動態(tài)實時繪制相結(jié)合。

與傳統(tǒng)的Web應用不同，WebGIS在生成地圖時需要消耗大量的資源。如果將所有的矢量數(shù)據(jù)都在運行時進行生成，將會嚴重影響服務器的并發(fā)量和吞吐量。因此，為每個客戶動態(tài)的生成地圖是不經(jīng)濟的，由于地圖生成速度慢，也會影響到用戶體驗。

平臺中的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)發(fā)布應用子系統(tǒng)使用地圖預生成技術(shù)，可以采取預先繪制好的數(shù)據(jù)直接響應地圖請求，提升了服務器效率，縮短了響應時間;切片技術(shù)則將地圖進行分塊，減少數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸量，有效節(jié)省了帶寬。

10.采用基于REST的ArcGISAPI for Flex開發(fā)Web應用

平臺中的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)發(fā)布應用子系統(tǒng)采用ArcGISAPI for Flex開發(fā)的程序作為前端展現(xiàn)，后臺連接ArcGIS Server REST Service，而且不需要在本機上安裝ArcGISServer，只要通過網(wǎng)絡(luò)能夠連接到其他機器上的ArcGIS Server即可訪問資源。采用Flex技術(shù)作為WebGIS的客戶端表現(xiàn)層，極大提高了WebGIS的表現(xiàn)力和用戶體驗，采用REST風格的架構(gòu)給WebGIS系統(tǒng)帶來了簡介和高伸縮性，并降低了服務器的負擔。

本系統(tǒng)使用ArcGISAPIfor Flex實現(xiàn)了以下功能。

1)基于自己的數(shù)據(jù)開發(fā)一個交互式的地圖。

2)在服務器上執(zhí)行一個GIS模型并顯示出結(jié)果。

3)在ArcGISOnline提供的地圖上疊加自己的數(shù)據(jù)。

4)搜索GIS數(shù)據(jù)的某些特征及屬性并展現(xiàn)出來。

5)定位地址并顯示結(jié)果。

6)創(chuàng)建Mashups(從多個網(wǎng)絡(luò)資源中整合信息)。

四、結(jié)束語

縣級基礎(chǔ)地理信息平臺對地理空間數(shù)據(jù)的管理、應用與共享起到技術(shù)載體的作用，可以大幅減少重復投資、重復建設(shè)，節(jié)省大量資源。應用這個平臺，更多專業(yè)、更多類型的空間數(shù)據(jù)將從更深、更廣的角度被利用，產(chǎn)生滾雪球的效應。公眾可以廣泛便捷地使用各種類型的空間數(shù)據(jù)，從而節(jié)省人力、物力和時間，提高工作質(zhì)量和效率，具有巨大的經(jīng)濟社會效益。

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