基于GIS技術(shù)的河南省地質(zhì)遺跡信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

霍光杰田大永

（1.河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院 河南鄭州 450016 2.河南省地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南鄭州 450016 3.河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院 河南鄭州 450016）

1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和工具

1.1 網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)

系統(tǒng)應(yīng)用了ArcGIS for Server平臺(tái)提供的網(wǎng)絡(luò)GIS服務(wù)。ArcGIS for Server是基于SOA架構(gòu)的GIS服務(wù)器，通過(guò)它可以跨企業(yè)或跨互聯(lián)網(wǎng)以服務(wù)形式共享二三維地圖、地址定位器、空間數(shù)據(jù)庫(kù)和地理處理工具等GIS資源，并允許多種客戶(hù)端（如Web端、移動(dòng)端、桌面端等）使用這些資源創(chuàng)建GIS應(yīng)用[1]。網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)管理、空間可視化（制圖）、在線(xiàn)編輯空間分析和地理處理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理分析、以地圖為核心的內(nèi)容管理等方面的應(yīng)用，并且能夠?yàn)橛脩?hù)提供豐富的Web服務(wù)。

1.2 三維場(chǎng)景管理與可視化技術(shù)

隨著GIS理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，空間場(chǎng)景獲取的精度越來(lái)越高，數(shù)據(jù)量也呈TB級(jí)增長(zhǎng)趨勢(shì)。針對(duì)如此大規(guī)模的海量三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)，三維場(chǎng)景渲染系統(tǒng)的處理能力也需要成倍的增長(zhǎng)。當(dāng)前串行化三維場(chǎng)景渲染已不能滿(mǎn)足當(dāng)前大規(guī)模三維場(chǎng)景渲染的高效化、實(shí)時(shí)化需求。本次設(shè)計(jì)充分利用多核硬件的并行化處理能力，同時(shí)針對(duì)大規(guī)模三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)特點(diǎn)，從三維場(chǎng)景可視化流程上進(jìn)行分析，對(duì)可視化過(guò)程中的任務(wù)進(jìn)行有效分解，將傳統(tǒng)的三維可視化渲染流程分解為場(chǎng)景更新、數(shù)據(jù)加載和場(chǎng)景渲染三個(gè)主要的并行化模塊，以主線(xiàn)程、數(shù)據(jù)加載模塊和場(chǎng)景渲染模塊來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，結(jié)合可視對(duì)象查找機(jī)制，構(gòu)成三維場(chǎng)景繪制的整個(gè)過(guò)程。

1.3 MVC設(shè)計(jì)模式

MVC（ModelViewController）是一個(gè)設(shè)計(jì)模式，它強(qiáng)制性使應(yīng)用程序的輸入、處理和輸出分開(kāi)[2]。使用MVC應(yīng)用程序被分成三個(gè)核心部件：模型、視圖、控制器。MVC中的M是指數(shù)據(jù)模型，V是指用戶(hù)界面，C則是控制器。它們各自處理自己的任務(wù)。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用SSH框架實(shí)現(xiàn)MVC模式。SSH是struts+spring+hibernate的一個(gè)集成框架，是目前較流行的一種Web應(yīng)用程序開(kāi)源框架。

1.4 數(shù)據(jù)庫(kù)建模工具

在數(shù)據(jù)庫(kù)建模的過(guò)程中，運(yùn)用PowerDesigner進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)工具不但能讓人直觀的理解模型，而且可以充分的利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。PowerDesigner是Sybase公司的CASE工具集，使用它可以方便地對(duì)管理信息系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，它幾乎包括了數(shù)據(jù)庫(kù)模型設(shè)計(jì)過(guò)程所需的全部功能。使用PowerDesigner工具來(lái)建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)模型，可以使程序員很好的理解業(yè)務(wù)流程并掌握系統(tǒng)架構(gòu)者的架構(gòu)思想，因此可以更好地滿(mǎn)足客戶(hù)的功能需求。

1.5 第三方控件

此系統(tǒng)中使用了不少第三方控件，如ExtJS中的Ext表格控件、Fusion Charts等。其中，krpano是一種基于flash的三維全景播放器，它不僅體積小巧、靈活，而且性能良好，作為一款跨平臺(tái)的AdobeFlash播放器，它是當(dāng)今世界上最流行的互動(dòng)三維全景播放器[3]。Krpano擁有許多獨(dú)特性能，比如，可以通過(guò)調(diào)整“魚(yú)眼”視角來(lái)使用戶(hù)看到更大視野，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巨幅全景的支持（比如數(shù)十億像素的全景圖片）。另外，它還支持腳本控制，擁有豐富的插件可供選擇，而且用戶(hù)還可以根據(jù)需要開(kāi)發(fā)自己的插件。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)概述

河南省地質(zhì)遺跡信息系統(tǒng)的建設(shè)主要為了滿(mǎn)足河南省地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園數(shù)據(jù)信息化管理，方便各級(jí)用戶(hù)快速的了解和維護(hù)地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園數(shù)據(jù)。本次信息系統(tǒng)的建設(shè)以GIS為基礎(chǔ)，在地質(zhì)環(huán)境信息化建設(shè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合了無(wú)人機(jī)拍攝等先進(jìn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了易于管理的地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園信息系統(tǒng)。本系統(tǒng)將全省的地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園、相關(guān)多媒體資料、720°全景數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行建庫(kù)入庫(kù)，方便統(tǒng)一管理和后期更新。本系統(tǒng)的建設(shè)目的是要建設(shè)一個(gè)易于使用、管理的地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息系統(tǒng)平臺(tái)，以方便用戶(hù)對(duì)全省地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園信息快速查閱、維護(hù)、管理，同時(shí)可以為用戶(hù)提供部分地質(zhì)公園的720°全景展示，為用戶(hù)更加直觀、身臨其境的了解地質(zhì)公園現(xiàn)場(chǎng)提供平臺(tái)，并且為今后地質(zhì)環(huán)境信息化建設(shè)提供技術(shù)支撐。

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

河南省地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息系統(tǒng)基于SOA體系架構(gòu)，采用B/S模式，以地理信息系統(tǒng)（GIS）為基礎(chǔ)，通過(guò)空間數(shù)據(jù)引擎將空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中，建設(shè)面向各級(jí)用戶(hù)的地質(zhì)遺跡相關(guān)信息查詢(xún)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)資源和功能資源的統(tǒng)一組織和管理，在GIS支撐平臺(tái)基礎(chǔ)上，提供各類(lèi)WebService服務(wù)接口供各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用，同時(shí)針對(duì)宣傳、服務(wù)和管理不同業(yè)務(wù)的需求，分別建設(shè)地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息展示子系統(tǒng)和地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息管理子系統(tǒng)[4]。

整個(gè)地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息系統(tǒng)自下而上由產(chǎn)品與支撐、服務(wù)與邏輯、服務(wù)接口、客戶(hù)端組件、應(yīng)用子系統(tǒng)五大部分組成。按照這五大部分，并考慮到系統(tǒng)面向的用戶(hù)，可把地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息系統(tǒng)平臺(tái)分為六層，即基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)中心層、服務(wù)層、客戶(hù)端組件層、應(yīng)用層與用戶(hù)層。

2.3 地質(zhì)遺跡720°全景拍攝方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在建設(shè)的過(guò)程中，為了使用戶(hù)能夠身臨其境的體驗(yàn)河南省的地質(zhì)遺跡，采用720°全景拍攝技術(shù)對(duì)嵩山地質(zhì)公園13處地質(zhì)遺跡點(diǎn)和人文景點(diǎn)進(jìn)行了全景拍攝。全景拍攝具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：水平垂直各360°，全景720°視角，沒(méi)有任何視線(xiàn)盲點(diǎn)，想看哪里就看哪兒；全部是實(shí)景拍攝，真實(shí)立體，而且采用專(zhuān)業(yè)自改制高像素相機(jī)進(jìn)行拍攝，清晰度非常高；互動(dòng)性強(qiáng)，鼠標(biāo)隨意拉動(dòng)觀看，嵌入地圖，行走漫游；內(nèi)嵌內(nèi)容豐富，視頻廣告、圖片、文字、語(yǔ)音、動(dòng)畫(huà)等；用戶(hù)感受“身臨其境，觸手可及”。全景拍攝對(duì)天氣條件有特殊的要求，為了保證拍攝效果，天氣必須為多云或晴朗天氣，無(wú)人機(jī)起飛處地面風(fēng)力小于4級(jí)風(fēng)，空氣能見(jiàn)度必須要好。

2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

在本系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)包括行政區(qū)劃、地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園、多媒體資料、用戶(hù)信息等6大類(lèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。下文對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯模型、物理模型以及實(shí)體關(guān)系模型進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2.4.1 數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯模型

地質(zhì)遺跡數(shù)據(jù)庫(kù)按邏輯劃分可分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，其中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要用于完成系統(tǒng)的查詢(xún)統(tǒng)計(jì)業(yè)務(wù)，包括地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等，是系統(tǒng)內(nèi)最重要的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，此類(lèi)數(shù)據(jù)按照一定的關(guān)系模式存儲(chǔ)于Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要是與基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)相關(guān)的資料數(shù)據(jù)，包括與地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園相關(guān)的視頻、文檔、圖片等，此類(lèi)數(shù)據(jù)保存在服務(wù)器的磁盤(pán)空間中，以Web Service服務(wù)的形式供系統(tǒng)調(diào)用。

2.4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)物理模型

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的基礎(chǔ)元素包括地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園、行政區(qū)劃、多媒體資料以及用戶(hù)等[5]。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不使用外鍵進(jìn)行強(qiáng)制關(guān)聯(lián)，而是采用松耦合式關(guān)聯(lián)，這樣可以有效提升數(shù)據(jù)的容錯(cuò)性、可操作性和可維護(hù)性。另外，此系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)全部在數(shù)據(jù)層面進(jìn)行，可以有效提升系統(tǒng)的可移植性，本系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)物理模型如圖1所示。

圖1

2.4.3 數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體關(guān)系模型

本系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實(shí)體關(guān)系結(jié)構(gòu)較為清晰，不存在實(shí)體之間多對(duì)多的復(fù)雜邏輯關(guān)系。其中，一項(xiàng)地質(zhì)遺跡記錄雖然包含多個(gè)多媒體資料，但是只屬于一個(gè)地質(zhì)遺跡類(lèi)型和一個(gè)行政區(qū)劃區(qū)域；同樣，一項(xiàng)地質(zhì)公園記錄雖然包含多個(gè)多媒體資料和地質(zhì)遺跡，但是只屬于一個(gè)行政區(qū)劃區(qū)域；一項(xiàng)用戶(hù)記錄只屬于一個(gè)行政區(qū)劃區(qū)域。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

河南省地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息系統(tǒng)以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，取得了豐碩的成果。①收集了河南省全省的地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園數(shù)據(jù)及相關(guān)多媒體資料，包括大量的全景拍攝資料，并且統(tǒng)一將這些資料整理入庫(kù)。②開(kāi)發(fā)了河南省地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息展示子系統(tǒng)，通過(guò)Web端訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)了包括二三維電子地圖展示，全省地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、相關(guān)多媒體資料瀏覽下載、地質(zhì)公園720°全景漫游等功能。③開(kāi)發(fā)了河南省地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息管理子系統(tǒng)，通過(guò)Web端訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全省地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園的數(shù)據(jù)及相關(guān)多媒體資料的管理和維護(hù)工作，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)用戶(hù)的相關(guān)管理和維護(hù)。④形成了項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的成果文檔，包括需求說(shuō)明書(shū)、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、用戶(hù)操作手冊(cè)、系統(tǒng)部署手冊(cè)等。整個(gè)系統(tǒng)的建設(shè)情況，已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的系統(tǒng)功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系列按系統(tǒng)理論方法，充分運(yùn)用水文地質(zhì)學(xué)、環(huán)境地質(zhì)學(xué)、網(wǎng)絡(luò)工程、軟件工程、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的理論知識(shí)，結(jié)合地理信息技術(shù)、三維數(shù)字地球、衛(wèi)星遙感技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等高新技術(shù)，通過(guò)調(diào)研、反復(fù)論證研究、復(fù)雜的數(shù)據(jù)資源整合建設(shè)、軟硬件環(huán)境建設(shè)和大量的軟件開(kāi)發(fā)工作，河南省地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息系統(tǒng)建設(shè)取得了較為豐碩的成果。但是，在整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)的過(guò)程中仍舊存在著一些問(wèn)題，包括數(shù)據(jù)資源整合與入庫(kù)問(wèn)題、數(shù)據(jù)資源共享機(jī)制問(wèn)題、地質(zhì)公園地質(zhì)遺跡建設(shè)成果推廣應(yīng)用問(wèn)題以及后續(xù)經(jīng)費(fèi)問(wèn)題。這些問(wèn)題不僅需要開(kāi)發(fā)者進(jìn)行不斷的研究和改進(jìn)，而且需要相關(guān)部門(mén)提供必要的資金支持。