移動(dòng)GIS數(shù)據(jù)集成管理技術(shù)研究與示范應(yīng)用

劉全海，羅迪，冉慧敏，羊鍇，李樓

(1.常州市測(cè)繪院，江蘇 常州 213003； 2.常州市地理信息智能技術(shù)中心，江蘇 常州 213003)

1 引 言

隨著智能移動(dòng)設(shè)備性能的提高以及移動(dòng)操作系統(tǒng)的日益成熟，移動(dòng)GIS在城市管理、交通導(dǎo)航、搶險(xiǎn)救災(zāi)、野外數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域以及人們?nèi)粘Ｉ钪卸嫉玫搅藦V泛應(yīng)用[1]。然而，在地理信息生產(chǎn)與應(yīng)用的主要領(lǐng)域，如規(guī)劃、國(guó)土等部門，雖積累了海量豐富的空間地理信息，但現(xiàn)有應(yīng)用多集中在PC端，甚至仍停留在地圖等紙質(zhì)數(shù)據(jù)的應(yīng)用層面。

造成該現(xiàn)象的主要原因是未解決數(shù)據(jù)安全和運(yùn)維管理的若干關(guān)鍵技術(shù)。首先，地理信息數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)據(jù)量大，給移動(dòng)地理信息數(shù)據(jù)的綜合管理帶來巨大挑戰(zhàn)。其次，不同于具有成熟網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的PC端，各類重要的地理信息數(shù)據(jù)承載在性能單薄、存儲(chǔ)有限的移動(dòng)終端，數(shù)據(jù)的安全性是一個(gè)關(guān)鍵性問題，如何解決數(shù)據(jù)的安全性，直接影響移動(dòng)地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用。此外，不同類型、多個(gè)專題數(shù)據(jù)的版本控制以及移動(dòng)端與服務(wù)后臺(tái)數(shù)據(jù)更新機(jī)制等，都是移動(dòng)地理信息系統(tǒng)發(fā)展所面臨的問題。因此，本文以常州市天寧區(qū)地理信息數(shù)據(jù)應(yīng)用為示范案例展開研究，研究移動(dòng)GIS數(shù)據(jù)集成管理技術(shù)，在充分挖掘地理數(shù)據(jù)價(jià)值的同時(shí)，保證移動(dòng)地理信息系統(tǒng)安全、高效地運(yùn)行，具有重大意義。

2 技術(shù)路線

在分析當(dāng)前移動(dòng)地理信息應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合城市規(guī)劃建設(shè)的應(yīng)用需求，研究移動(dòng)GIS數(shù)據(jù)集成管理技術(shù)，研發(fā)移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)，服務(wù)于規(guī)劃建設(shè)。項(xiàng)目總體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

首先根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)(包括基礎(chǔ)底圖數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、地名道路等)進(jìn)行處理和加工，采用數(shù)據(jù)安全和脫密技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行脫密處理后，從內(nèi)網(wǎng)同步至外網(wǎng)；通過后臺(tái)數(shù)據(jù)維護(hù)管理系統(tǒng)入庫(kù)，對(duì)專題數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)版本管理；然后移動(dòng)端檢測(cè)數(shù)據(jù)更新后，使用多線程并行下載、多線程斷點(diǎn)下載技術(shù)，將大數(shù)據(jù)量下載至本地運(yùn)行。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)安全和脫密技術(shù)

(1)用戶驗(yàn)證

用戶登錄系統(tǒng)必須進(jìn)過用戶名/密碼/設(shè)備進(jìn)行身份驗(yàn)證。用戶登錄信息記錄在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并對(duì)用戶登錄異常情況進(jìn)行分析，對(duì)異常設(shè)備和丟失設(shè)備，系統(tǒng)會(huì)將該設(shè)備設(shè)置為黑名單設(shè)備，并將該設(shè)備數(shù)據(jù)內(nèi)容清除。

(2)數(shù)據(jù)脫密

為保證空間位置脫密后無(wú)法精準(zhǔn)還原，并且達(dá)到降低精度的要求，算法采用多種空間加密算法疊加的形式，在確保數(shù)據(jù)空間拓?fù)潢P(guān)系不變的情況下，達(dá)到最佳脫密效果。

首先在江蘇省1∶25萬(wàn)地圖與常州市高精度地圖上選取一定數(shù)量、均勻分布的同名點(diǎn)，確定采用射影變換模型，計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)。隨后采用非線性扭曲模型對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行再次加密，最后對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行擾動(dòng)保證相對(duì)精度在一定范圍內(nèi)。通過該方法處理的坐標(biāo)精度達(dá)到了外網(wǎng)應(yīng)用要求。

同時(shí)，矢量空間數(shù)據(jù)往往帶有大量的涉密信息，需要經(jīng)過處理后方可展示在外網(wǎng)中?？臻g數(shù)據(jù)屬性的取舍通過配置表來實(shí)現(xiàn)，建立屬性表文件與配置表中可展示的公開圖層之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將不可公開的屬性數(shù)據(jù)刪除。

3.2 空間數(shù)據(jù)庫(kù)+文件系統(tǒng)的異構(gòu)數(shù)據(jù)管理術(shù)

本文采用空間數(shù)據(jù)庫(kù)+文件系統(tǒng)的異構(gòu)數(shù)據(jù)管理方式管理數(shù)據(jù)。在庫(kù)管平臺(tái)和移動(dòng)端分別采用Oracle Spatial和SpatiaLite存儲(chǔ)矢量數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，采用文件系統(tǒng)存儲(chǔ)柵格數(shù)據(jù)和其他文件數(shù)據(jù)。通過存儲(chǔ)網(wǎng)格管理分布式、異構(gòu)存儲(chǔ)資源，以服務(wù)的形式進(jìn)行組織，提高移動(dòng)地理信息資源利用率和管理效率。

3.3 數(shù)據(jù)制作規(guī)范與入庫(kù)規(guī)范的制定

為使數(shù)據(jù)管理高效化，需制定一套完整的數(shù)據(jù)制作與入庫(kù)規(guī)范流程。首先分析已有數(shù)據(jù)現(xiàn)狀，進(jìn)行數(shù)據(jù)歸類，按照制定的數(shù)據(jù)生產(chǎn)與建庫(kù)規(guī)范，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后依照建立的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，數(shù)據(jù)通過質(zhì)檢后再入庫(kù)管理。需要發(fā)布服務(wù)的數(shù)據(jù)按需求發(fā)布。數(shù)據(jù)制作與入庫(kù)規(guī)范流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)制作與入庫(kù)規(guī)范流程圖

3.4 數(shù)據(jù)版本管理技術(shù)

系統(tǒng)中需要一套版本管理系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)變化歷史的系統(tǒng)，方便用戶對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢和瀏覽。后臺(tái)數(shù)據(jù)維護(hù)管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)管理上主要解決兩個(gè)問題，首先是區(qū)分同一實(shí)體不同版本狀態(tài)，然后是分辨出多個(gè)不同版本中的同一實(shí)體，并自由地存取與提取。針對(duì)數(shù)據(jù)特點(diǎn)及應(yīng)用需求，采用兩種版本管理方法管理數(shù)據(jù)。

對(duì)于地圖切片tpk文件、視頻、壓縮包等文件數(shù)據(jù)，這些文件數(shù)據(jù)通常為單一實(shí)體文件，無(wú)法分割，因此該類數(shù)據(jù)的版本管理采用序列快照的方式對(duì)整個(gè)文件進(jìn)行拷貝備份管理，采用雙時(shí)間模型序列快照法進(jìn)行版本管理。雙時(shí)間模型序列快照方法按照有效時(shí)間和事務(wù)時(shí)間構(gòu)建的，保存一系列時(shí)間片段，記錄各個(gè)時(shí)間片段狀態(tài)的不同文件對(duì)象。雖然產(chǎn)生了很大的數(shù)據(jù)冗余量，但是該方法對(duì)硬件要求較低，比較適合在移動(dòng)設(shè)備中應(yīng)用。

對(duì)于矢量數(shù)據(jù)，為達(dá)到跟蹤專題數(shù)據(jù)中單個(gè)實(shí)體版本變化的能力，采用基態(tài)增量模型方法管理。其原理如下，數(shù)據(jù)的某次更新只影響到局部部分實(shí)體數(shù)據(jù)。該方法主要是通過建立增加數(shù)據(jù)表和刪除數(shù)據(jù)記錄管理每一個(gè)變化實(shí)體的更新狀態(tài)，其操作原理如表1所示。通過對(duì)復(fù)雜的操作進(jìn)行拆分，實(shí)現(xiàn)操作的自由組合，并以統(tǒng)一的方式進(jìn)行記錄，通過追蹤差量的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)版本提取。

地理實(shí)體行為抽象表 表1

3.5 移動(dòng)端大數(shù)據(jù)量在線更新

為了在移動(dòng)端上提供良好的應(yīng)用體驗(yàn)，某些更新周期較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)采用在線更新下載到本地離線應(yīng)用的應(yīng)用方式。通常這部分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較大，因此需要采用穩(wěn)定高效的下載方式。因此本文采用多線程斷點(diǎn)續(xù)傳下載方式實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的穩(wěn)定高效更新。斷點(diǎn)續(xù)傳是由客戶端告訴服務(wù)器已經(jīng)下載的大小，然后服務(wù)器會(huì)將指針移動(dòng)到相應(yīng)的position，繼續(xù)讀出，把文件返回給客戶端。為了下載更快，可以多線程下載，基本實(shí)現(xiàn)給每個(gè)線程分配固定的字節(jié)文件，分別去讀取。其原理如圖4所示。

圖3 多線程斷點(diǎn)續(xù)傳原理

4 應(yīng)用案例

本文結(jié)合常州市天寧區(qū)城市規(guī)劃的應(yīng)用需求，研制了常州市天寧區(qū)規(guī)劃輔助決策移動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)中心建設(shè)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以及移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)構(gòu)架圖

數(shù)據(jù)中心主要包含基礎(chǔ)底圖、總體規(guī)劃數(shù)據(jù)、控制性詳細(xì)規(guī)劃數(shù)據(jù)、公共設(shè)施、交通設(shè)施、土地利用總體規(guī)劃、土地利用現(xiàn)狀圖、生態(tài)紅線圖、可利用土地、重點(diǎn)項(xiàng)目、規(guī)劃編研成果等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采用空間數(shù)據(jù)庫(kù)+文件系統(tǒng)存儲(chǔ)管理。

數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)基于ArcSDE研發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)脫密、質(zhì)檢、入庫(kù)、版本管理以及移動(dòng)端數(shù)據(jù)更新推送等功能。

移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)是基于ArcGIS for android 10.2.4環(huán)境下開發(fā)的移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)是最終提交給用戶使用的終端系統(tǒng)，主要功能包含圖層瀏覽、多屏對(duì)比、圖層設(shè)置、重點(diǎn)項(xiàng)目、用地分析、宣傳成果數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)更新、量測(cè)等輔助功能，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖5所示，移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果如圖6所示。

圖5 移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

圖6 移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)移動(dòng)GIS數(shù)據(jù)集成管理的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并結(jié)合城市規(guī)劃的實(shí)際應(yīng)用需求，研制了常州市天寧區(qū)規(guī)劃輔助決策移動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)經(jīng)過多次更新仍保持安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行，在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用過程中發(fā)揮了良好的效果。然而，目前主要立足于移動(dòng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、維護(hù)、傳輸與展示技術(shù)，對(duì)于專題數(shù)據(jù)的分析和挖掘涉及不深，在后續(xù)的研究中，將引入大數(shù)據(jù)思維，進(jìn)一步研究基于移動(dòng)設(shè)備的大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析與展示技術(shù)，依托豐富的地理信息數(shù)據(jù)及規(guī)劃專題數(shù)據(jù)，為規(guī)劃決策者提供更有價(jià)值的技術(shù)輔助，使得移動(dòng)地理信息應(yīng)用系統(tǒng)從實(shí)用走向智能。