在線地圖集發(fā)布與服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 琨，周 啟，任 福，任東宇，杜清運(yùn)，魯月新

(1. 武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079; 2. 四川省第二測繪地理信息工程院，四川 成都 610100)

0 引 言

測繪地理信息的社會化應(yīng)用是當(dāng)前測繪地理信息行業(yè)的工作重點(diǎn)，地圖集通過對一個(gè)區(qū)域進(jìn)行系統(tǒng)化和集成化的匯編，反映了該地區(qū)的地理、經(jīng)濟(jì)或其他方面的特點(diǎn)，是測繪地理信息社會化應(yīng)用的重要組成部分。傳統(tǒng)的地圖集編制要求作業(yè)人員具備扎實(shí)的專業(yè)知識，編制地圖集需要收集大量不同的空間數(shù)據(jù)與專題統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。編制人員需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理工作，再根據(jù)圖集用途以及數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行地圖集設(shè)計(jì)與編制[1]，生產(chǎn)效率較低。在信息化時(shí)代，如何面向互聯(lián)網(wǎng)高效的進(jìn)行在線地圖集產(chǎn)品一體化編制成為了當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)話題。

目前，國內(nèi)外地圖集編制與發(fā)布的相關(guān)技術(shù)研究較多，如注記自動配置技術(shù)[2-3]、基于模板的快速制圖技術(shù)[4-6]、專題地圖智能化設(shè)計(jì)技術(shù)等[7-9]。但這些技術(shù)研究相對零散，只涉及地圖集生產(chǎn)的某一環(huán)節(jié)。關(guān)于地圖集在線一體化編制、發(fā)布與服務(wù)平臺相對較少，主要集中在網(wǎng)絡(luò)專題地圖發(fā)布與制圖服務(wù)方面，如武漢大學(xué)杜清運(yùn)教授所帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研究的在線地圖服務(wù)技術(shù)[8-11]、北京超圖軟件公司發(fā)布的“地圖慧”等[12]。這些研究對網(wǎng)絡(luò)地圖集與地圖在線服務(wù)技術(shù)進(jìn)行了探索與嘗試，但是由于缺乏地圖集與在線地圖服務(wù)的集成，還不能最有效地利用已有基礎(chǔ)測繪地理信息成果，在一定情況下也影響了地圖發(fā)布與服務(wù)的質(zhì)量。論文對在線地圖集發(fā)布與服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與開發(fā)，旨在對地圖集與在線地圖服務(wù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)在線地圖集及地圖產(chǎn)品一體化的編制，形成一套完備的地圖集產(chǎn)品編制、發(fā)布與服務(wù)軟件一體化體系。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體框架

在線地圖集發(fā)布與服務(wù)系統(tǒng)是在專家知識庫、專題數(shù)據(jù)庫、標(biāo)準(zhǔn)底圖數(shù)據(jù)庫等的基礎(chǔ)上，使用交互引導(dǎo)的方式輔助用戶進(jìn)行地圖集的制作與展示。用戶通過瀏覽器訪問“在線地圖集發(fā)布與服務(wù)系統(tǒng)”的表現(xiàn)層，通過系統(tǒng)頁面生成請求，將請求提交到業(yè)務(wù)層中對應(yīng)的邏輯處理模塊，邏輯處理模塊通過訪問調(diào)用數(shù)據(jù)層中相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理，并將處理結(jié)果反饋至表現(xiàn)層，用戶獲得最終成果。總體框架自下而上包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層、表現(xiàn)層以及用戶層5個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)框架Fig.1 General technical framework

1）基礎(chǔ)設(shè)施層：主要包括軟硬件設(shè)施及相關(guān)的安全、穩(wěn)定性等基礎(chǔ)設(shè)施，用以支撐系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。

2）數(shù)據(jù)層：包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)層與專家知識庫兩部分。系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)層主要包括標(biāo)準(zhǔn)底圖數(shù)據(jù)庫、專題信息數(shù)據(jù)庫、發(fā)布產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫等。標(biāo)準(zhǔn)底圖數(shù)據(jù)庫存儲管理路網(wǎng)、地貌、水系、境界、居民地等基礎(chǔ)地理底圖要素。將標(biāo)準(zhǔn)地理底圖數(shù)據(jù)在ArcGIS 上發(fā)布成地圖服務(wù)，采用系統(tǒng)直接調(diào)用地圖服務(wù)的形式進(jìn)行訪問；專題信息數(shù)據(jù)庫采用Oracle 存儲管理點(diǎn)、線、面、統(tǒng)計(jì)圖表等多種形式的社會經(jīng)濟(jì)專題信息要素，為專題符號的生成提供數(shù)據(jù)支持；發(fā)布產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫存儲用戶已經(jīng)發(fā)布的專題圖產(chǎn)品，以及系統(tǒng)中已有的地圖集產(chǎn)品。專家知識庫存儲管理知識規(guī)則庫、地圖定義文件庫、符號庫、顏色庫和地圖模板庫，將其與系統(tǒng)無縫集成，有效應(yīng)用于專題地圖設(shè)計(jì)與實(shí)施過程，可以在提高用戶制圖效率的同時(shí)降低系統(tǒng)對用戶專業(yè)知識的需求。

3）業(yè)務(wù)層：接收用戶從表現(xiàn)層傳遞過來的請求，對請求進(jìn)行分析，分配到各個(gè)業(yè)務(wù)處理模塊。然后從數(shù)據(jù)層調(diào)用需要的數(shù)據(jù)，在對應(yīng)業(yè)務(wù)模塊中進(jìn)行計(jì)算分析，并將最終處理結(jié)果返回給表現(xiàn)層，展現(xiàn)給用戶。各個(gè)模塊之間相互銜接，高內(nèi)聚，低耦合，從而方便應(yīng)用層的復(fù)用以及系統(tǒng)的維護(hù)。

4）表現(xiàn)層：即面向用戶的系統(tǒng)平臺界面，采用圖形界面交互接口供用戶使用，通過調(diào)用邏輯層的相關(guān)功能接口實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的具體業(yè)務(wù)功能。最終將專題地圖及專題數(shù)據(jù)通過瀏覽器的平臺展示給用戶，支持HTML +JavaScript 方式下的純B/S 架構(gòu)，表現(xiàn)形式主要為以網(wǎng)頁形式組織起來的專題地圖、表格、圖表、圖片和文字等。

5）用戶層：系統(tǒng)的用戶集可以對系統(tǒng)進(jìn)行如下操作：通過瀏覽器就可以訪問制作完成的地圖集產(chǎn)品；利用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)制作地圖集產(chǎn)品，基于專家知識庫制作專題圖；對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的維護(hù)與更新以及監(jiān)控各類數(shù)據(jù)的瀏覽、下載和使用等情況，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 物理結(jié)構(gòu)

在線地圖集發(fā)布與服務(wù)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)規(guī)定了組成軟件系統(tǒng)的物理元素（包括進(jìn)程、線程及作為類運(yùn)行的實(shí)例對象等）、各物理元素之間的關(guān)系及其硬件部署策略，通過進(jìn)程調(diào)度、線程同步、進(jìn)程或線程通信等反映系統(tǒng)平臺動態(tài)運(yùn)行時(shí)的組織情況，包括數(shù)據(jù)產(chǎn)生的運(yùn)行單元、數(shù)據(jù)的存儲及使用方式、跨網(wǎng)絡(luò)復(fù)制和共享等。

在線地圖集發(fā)布與服務(wù)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)基于B/S 結(jié)構(gòu)開發(fā)，通過客戶端瀏覽器連接到Web 服務(wù)器上即可使用相關(guān)功能，系統(tǒng)可以直接連接到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，請求其中的地理底圖數(shù)據(jù)、專題信息數(shù)據(jù)、用戶信息數(shù)據(jù)等，結(jié)合建立的專家知識庫，引導(dǎo)用戶在瀏覽器端制作出地圖集產(chǎn)品。系統(tǒng)接受用戶上傳數(shù)據(jù)及地圖產(chǎn)品，根據(jù)編碼規(guī)則編號入庫，實(shí)現(xiàn)對地理信息數(shù)據(jù)和地圖產(chǎn)品的上傳和對地圖集產(chǎn)品的瀏覽和發(fā)布。

圖2 物理結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Physical structure

1.3 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

系統(tǒng)中涉及的數(shù)據(jù)庫主要為專題數(shù)據(jù)庫，包括社會經(jīng)濟(jì)等各領(lǐng)域?qū)ｎ}點(diǎn)位數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，按照系統(tǒng)要求的格式進(jìn)行存儲和組織。根據(jù)系統(tǒng)的需要，選用Oracle 11g數(shù)據(jù)庫為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)庫的建設(shè)主要包含以下內(nèi)容。

1）數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

存儲在Oracle 數(shù)據(jù)庫中的主要有3類數(shù)據(jù)：地圖集產(chǎn)品數(shù)據(jù)、專題統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、專題符號參數(shù)數(shù)據(jù)。各類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡要設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡要設(shè)計(jì)Fig.3 Brief design of data structure

2）數(shù)據(jù)庫存儲、訪問設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫存儲、訪問涉及到三層結(jié)構(gòu)（如圖4所示）。數(shù)據(jù)服務(wù)器層即數(shù)據(jù)庫層：系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分兩種方式存儲，數(shù)據(jù)文件存儲和數(shù)據(jù)庫存儲；應(yīng)用服務(wù)器層：系統(tǒng)采用Tomcat 服務(wù)器對應(yīng)用程序部署和數(shù)據(jù)庫連接池實(shí)施部署；客戶端訪問：客戶端采用B/S 模式架構(gòu)，用戶通過Web Browser 訪問應(yīng)用軟件，達(dá)到瀏覽、查詢和分析數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的目的。

圖4 數(shù)據(jù)庫存儲、訪問設(shè)計(jì)Fig.4 Design of the database storage and access

3）數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)

存儲在Oracle 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)主要有以下幾種：地圖產(chǎn)品數(shù)據(jù)、專題統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、專題符號參數(shù)數(shù)據(jù)，以及點(diǎn)、線、面狀分布的專題數(shù)據(jù)。部分?jǐn)?shù)據(jù)的表結(jié)構(gòu)字段設(shè)計(jì)，見表1、表2、表3。

表1 專題統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表Tab.1 Thematic statistical data

表2 專題符號參數(shù)表Tab.2 Thematic symbol parameters

表3 地圖產(chǎn)品參數(shù)表Tab.3 Map product parameters

1.4 主要功能

在線地圖集發(fā)布與服務(wù)系統(tǒng)的功能包括地圖管理、地圖操作、底圖定制與專題圖定制4個(gè)大模塊，主要功能列表如圖5所示。地圖管理是管理在線動態(tài)地圖集的模塊，實(shí)現(xiàn)對地圖集產(chǎn)品的新建、上傳、保存等操作；底圖定制、專題圖定制、地圖操作是使用在線地圖服務(wù)的模塊，主要實(shí)現(xiàn)專題地圖產(chǎn)品的定制、編輯等操作。

圖5 系統(tǒng)主要功能Fig.5 Main function of the system

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于制圖模板發(fā)布專題圖技術(shù)

制圖模板是指導(dǎo)用戶如何在在線地圖集發(fā)布與服務(wù)系統(tǒng)上完成一幅相關(guān)的專題地圖制作方案。模板將大量復(fù)雜的專題地圖制作過程封裝在一個(gè)模板中，采用交互引導(dǎo)的方式引導(dǎo)用戶在每個(gè)階段選擇出適當(dāng)?shù)哪０暹x項(xiàng)，傳遞不同的制圖參數(shù)，由系統(tǒng)自動完成數(shù)據(jù)處理、符號化，以及地圖整飾過程，完成一幅專題地圖的制作[14]。使用ArcGIS 軟件將制圖模板存儲為 mxd 文件，系統(tǒng)通過調(diào)用該mxd 文件實(shí)現(xiàn)制圖模板功能。模板文件中包含上述基本背景數(shù)據(jù)、整飾要素和制圖框架等。為便于調(diào)用，按照模板樣式、紙張類別、紙張方向等要素對模板進(jìn)行分類制作，存儲于模板庫中。

2.2 地圖集設(shè)計(jì)流程專家知識庫構(gòu)建技術(shù)

知識庫屬于知識工程的范疇，表現(xiàn)為可以存儲于計(jì)算機(jī)中的結(jié)構(gòu)化、組織化的互相聯(lián)系的知識集群[14]。在線地圖集發(fā)布與服務(wù)系統(tǒng)將地圖集設(shè)計(jì)流程結(jié)構(gòu)化與模型化，用信息化的語言描述地圖集設(shè)計(jì)和制作的各個(gè)過程，并總結(jié)以往地圖集設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)與常用設(shè)計(jì)方案形成多個(gè)專家模板。將這些專家模板進(jìn)行總結(jié)與結(jié)構(gòu)化，構(gòu)建出地圖集設(shè)計(jì)流程專家知識庫，實(shí)現(xiàn)地圖集設(shè)計(jì)流程的系統(tǒng)化與工程化，滿足地圖集設(shè)計(jì)過程的向?qū)Щc智能化。專家知識系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)地圖集設(shè)計(jì)向?qū)У暮诵模瑧?yīng)包含地圖集設(shè)計(jì)的常用模板。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)構(gòu)建的專家知識庫內(nèi)容包括知識規(guī)則庫、地圖定義文件庫、符號庫、顏色庫和地圖模板庫五部分，覆蓋地圖集設(shè)計(jì)過程中包括內(nèi)容設(shè)計(jì)、版式設(shè)計(jì)、圖幅設(shè)計(jì)、符號設(shè)計(jì)、色彩設(shè)計(jì)，裝幀設(shè)計(jì)等的主要流程。專家知識庫參與引導(dǎo)的制圖流程如圖6所示。

圖6 專家知識庫參與引導(dǎo)的制圖流程Fig.6 Mapping process using expert knowledge base

3 系統(tǒng)展示

在線地圖集發(fā)布與服務(wù)系統(tǒng)通過客戶端瀏覽器連接到Web服務(wù)器上即可使用系統(tǒng)的全部功能。系統(tǒng)可以直接連接到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，請求其中的地理底圖數(shù)據(jù)、專題信息數(shù)據(jù)、用戶信息數(shù)據(jù)等，結(jié)合建立的專家知識庫，生成專題地圖。系統(tǒng)支持用戶使用專家知識，引導(dǎo)用戶在頁面中制作出地圖集產(chǎn)品，以及對地圖集產(chǎn)品進(jìn)行瀏覽和發(fā)布。主要制圖界面如圖7所示。

圖7 專題地圖制圖界面Fig.7 Thematic mapping interface

4 結(jié)束語

本文對在線地圖集發(fā)布與服務(wù)系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到開發(fā)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)探討與研究。同時(shí)，文章對在線地圖集發(fā)布與服務(wù)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論，包括基于制圖模板發(fā)布專題圖技術(shù)、地圖集設(shè)計(jì)流程專家知識庫構(gòu)建技術(shù)、統(tǒng)計(jì)符號引擎構(gòu)建技術(shù)、交互式網(wǎng)頁應(yīng)用的網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)，這些技術(shù)對在線地圖集發(fā)布與服務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)與集成具有極為關(guān)鍵的作用。相對傳統(tǒng)地圖集而言，該系統(tǒng)具有更快的制圖與發(fā)布速度與更高的現(xiàn)勢性。在線地圖集發(fā)布與服務(wù)系統(tǒng)對用戶的專業(yè)技能要求不高，集地圖集發(fā)布與在線動態(tài)專題制圖于一身，具有在線專題圖定制、地圖集瀏覽與上傳、在線統(tǒng)計(jì)圖表生成等主要功能，實(shí)現(xiàn)了地圖集編制與發(fā)布一體化的設(shè)想。在下一步工作中將對地圖專家知識庫的知識規(guī)則機(jī)制、在線地圖集發(fā)布與服務(wù)系統(tǒng)的移動端應(yīng)用等方面開展進(jìn)一步的探索與研究。