城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享平臺設(shè)計

王曉明

(山東省地質(zhì)測繪院, 山東 濟南 250000)

0 引言

城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享平臺是數(shù)據(jù)信息化的產(chǎn)物,能夠簡化城市基礎(chǔ)地理空間勘測的流程,提升勘測效率。城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享平臺的研究背景為：由于城市基礎(chǔ)地理空間勘測需要多個單位與部門協(xié)同開展,導(dǎo)致各單位與部門的數(shù)據(jù)無法進行及時、有效地共享,系統(tǒng)與數(shù)據(jù)的重復(fù)構(gòu)建情況也較為普遍,導(dǎo)致嚴重的資源浪費[1]。并且,各城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)系統(tǒng)的構(gòu)建標準也有所不同,導(dǎo)致各系統(tǒng)之間往往無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與交互,數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)來源的差異對數(shù)字城市的構(gòu)建造成了嚴重的阻礙。因此,必須構(gòu)建城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享平臺,以實現(xiàn)城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)的實時共享。國內(nèi)外對于城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享平臺的開發(fā)與研究都非常重視[2]。美國于1994年首次提出空間國家數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的概念,國外于20世紀60年代開始正式開發(fā)與城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)。美國有研究者設(shè)計了一種基于數(shù)字高程模型的城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享平臺。在該平臺上,公眾能夠下載、瀏覽、查詢地理、地質(zhì)、商業(yè)、生物、大氣、農(nóng)業(yè)等城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)[3]。國內(nèi)的相關(guān)開發(fā)與研究工作則相對起步較晚,文獻[2]中提出一種二三維一體化的城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享平臺,能夠?qū)崿F(xiàn)二三維數(shù)據(jù)的共享。由于以上兩種平臺在進行城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享時,受到元數(shù)據(jù)數(shù)量過大的影響而無法對元數(shù)據(jù)進行管理,請求次數(shù)在160次范圍內(nèi)數(shù)據(jù)服務(wù)響應(yīng)時間較長,因此需要設(shè)計一種新的城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享平臺。

1 設(shè)計城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享平臺

為實現(xiàn)各城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的實時共享與交互使用,改善系統(tǒng)與數(shù)據(jù)的重復(fù)構(gòu)建情況,設(shè)計了城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享平臺，其架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享平臺架構(gòu)圖

由圖1可知,該平臺共由八個模塊構(gòu)成,包括服務(wù)器模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模塊、地圖操作模塊、元數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)共享模塊、用戶需求描述模塊。

1.1 設(shè)計服務(wù)器模塊

服務(wù)器模塊由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器與客戶機設(shè)備構(gòu)成,其中數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的具體配置如圖2所示[4]。

圖2 服務(wù)器模塊網(wǎng)絡(luò)部署圖

其中,選取配置為硬盤360 G、雙千兆網(wǎng)卡、SCSI Ultra型號磁盤內(nèi)部驅(qū)動器的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器,百兆以太網(wǎng)自適應(yīng)網(wǎng)卡、顯示器分辨率為1024×1280的客戶機設(shè)備。

硬件平臺由網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和存儲設(shè)備等構(gòu)成。地理信息資源共享平臺的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,其主干為千兆光纖網(wǎng)。硬件平臺建設(shè)的重點是在城市基礎(chǔ)地理信息中心的核心節(jié)點配置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器等,提供數(shù)據(jù)的存儲和應(yīng)用服務(wù),并通過網(wǎng)絡(luò)與其他各部門專業(yè)系統(tǒng)建立聯(lián)系。硬件平臺由區(qū)級層面統(tǒng)一建設(shè),各部門專業(yè)系統(tǒng)的硬件設(shè)備由各部門自行配置。為了充分利用已有的信息資源,設(shè)計的GIS軟件具備良好的開放性,包括除支持多種硬件平臺、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫以外,還能夠?qū)⒁延械母鞣N格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為目前可用的數(shù)據(jù)類型,并支持多種數(shù)據(jù)格式的相互轉(zhuǎn)換。

1.2 設(shè)計數(shù)據(jù)管理模塊

基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)管理模塊主要通過ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎來實現(xiàn)基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)管理的功能[5-6]。該空間數(shù)據(jù)引擎的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 空間數(shù)據(jù)引擎的具體結(jié)構(gòu)

其中客戶端是一種應(yīng)用程序,分為間接和直接類型的客戶端?？蛻魬?yīng)用是一種程序設(shè)計接口,能夠?qū)蛻舳苏埱筮M行處理。應(yīng)用服務(wù)器負責執(zhí)行搜索空間與提取數(shù)據(jù)等工作,將與搜索條件相符的數(shù)據(jù)在服務(wù)器端緩沖,并向客戶應(yīng)用發(fā)送緩沖數(shù)據(jù)[7]。在該空間數(shù)據(jù)引擎中,ArcSDE充當了服務(wù)器端與客戶端的中間件角色,能夠?qū)崿F(xiàn)空間勘測數(shù)據(jù)管理的相關(guān)技術(shù),使各個客戶端進行高效互操作與數(shù)據(jù)共享。除此之外,該空間數(shù)據(jù)引擎還提供了一種對空間數(shù)據(jù)庫進行直接訪問的連接機制,即使不直接安裝應(yīng)用服務(wù)器,也能通過客戶端接口對空間請求進行轉(zhuǎn)換,并將其轉(zhuǎn)換為SQL命令向RDBMS發(fā)送然后反饋結(jié)果[8]。在該空間數(shù)據(jù)引擎中,還能夠利用TCP/IP對所有異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進行橫跨,并通過API進行檢索與查詢函數(shù)的存取與開放,以及進行版本管理與長事務(wù)處理。

1.3 設(shè)計數(shù)據(jù)處理模塊

基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)處理模塊由三個單元組成,包括壓縮數(shù)據(jù)單元、快速檢索數(shù)據(jù)單元以及數(shù)據(jù)備份單元[9]。基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)處理模塊中各單元的具體功能如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)處理模塊各單元的具體功能

上述表格中,所采用的實現(xiàn)技術(shù)具體解釋如下:MrSID技術(shù):MrSID(Multi-resolution Seamless Image Da-tabase)多分辨率無縫數(shù)據(jù)庫是由美國Los Alamos國家實驗室發(fā)明的新一代圖像壓縮、解壓、存儲和提取技術(shù);ECW壓縮技術(shù)作為一種基于小波的圖像壓縮開放標準,提供了較先進的大型/超大型圖像壓縮技術(shù);DWT技術(shù)即離散小波變換技術(shù),對基本小波的尺度和平移進行離散化;FTP技術(shù)即網(wǎng)絡(luò)上廣泛應(yīng)用的文件傳輸技術(shù);GF技術(shù)即數(shù)據(jù)的備份、管理技術(shù)。

1.4 設(shè)計網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模塊

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模塊主要是通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模型來實現(xiàn)平臺的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能,通過數(shù)據(jù)格式與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行通信[10]。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模型是一種基于分布式網(wǎng)絡(luò)的模塊化組件,能夠在網(wǎng)絡(luò)中被調(diào)用、查找、發(fā)布以及描述。該模型的結(jié)構(gòu)為面向服務(wù)式結(jié)構(gòu),包含了三種實體:服務(wù)代理、請求服務(wù)者以及提供服務(wù)者,以及三種基本操作,包括捆綁、查找以及發(fā)布。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模型的具體構(gòu)成如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模型的具體構(gòu)成

在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模型中,提供服務(wù)者需要注冊成服務(wù)代理者以發(fā)布和配置服務(wù),請求服務(wù)者則需要對服務(wù)代理者處發(fā)布的登記記錄進行查找以找到服務(wù),然后綁定提供服務(wù)者以使用可用服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模塊所提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)具備通信的跨防火墻特點以及互操作性、普遍性和優(yōu)良的封裝性。

1.5 設(shè)計地圖操作模塊

地圖操作模塊的功能是平臺用戶通過該模塊能夠?qū)Φ貓D進行一系列操作。地圖操作模塊由五個單元構(gòu)成,包括搜索單元、功能列表單元、地圖單元、功能操作單元、工具單元以及頁腳單元[11]。各單元的具體功能如表2所示。

表2 地圖操作模塊各單元的具體功能

1.6 設(shè)計元數(shù)據(jù)管理模塊

在地理空間信息中元數(shù)據(jù)是用于描述地理數(shù)據(jù)的內(nèi)容、質(zhì)量、表示方法、空間參照系及其他特征的,包括參考坐標系、航空攝影的對應(yīng)航線號、各種符號、生產(chǎn)者、精度、比例尺、數(shù)據(jù)源、圖名等,元數(shù)據(jù)管理模塊的功能是對以上元數(shù)據(jù)進行管理[12]。該模塊共由三個單元構(gòu)成,包括元數(shù)據(jù)添加單元、元數(shù)據(jù)更新單元以及元數(shù)據(jù)瀏覽單元。

元數(shù)據(jù)添加單元的具體功能是在平臺中的空間數(shù)據(jù)增加時,需要通過該單元在元數(shù)據(jù)庫中添加其對應(yīng)的元數(shù)據(jù)。通過該單元還可以對元數(shù)據(jù)的基本屬性進行讀取。

元數(shù)據(jù)更新單元主要是對元數(shù)據(jù)庫中的元數(shù)據(jù)字段進行更新,包括元數(shù)據(jù)的更新日期與大小等,并保存其歷史信息。

元數(shù)據(jù)瀏覽單元主要通過調(diào)動元數(shù)據(jù)來實現(xiàn)瀏覽元數(shù)據(jù)的功能。

1.7 設(shè)計數(shù)據(jù)共享模塊

數(shù)據(jù)共享模塊能夠?qū)崿F(xiàn)城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)的共享,共提供兩種數(shù)據(jù)共享服務(wù),包括離線共享服務(wù)與在線共享服務(wù)[13]。數(shù)據(jù)共享模塊能夠?qū)蚕頂?shù)據(jù)進行分類以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類共享,其具體分類如表3所示。

表3 共享數(shù)據(jù)具體分類

在線共享服務(wù)通過對外發(fā)布數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,其發(fā)布方式為在線發(fā)布,共包括三種方式:元數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)部分發(fā)布以及數(shù)據(jù)完全發(fā)布。數(shù)據(jù)共享模塊的主要功能具體如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)共享模塊的主要功能

離線共享服務(wù)則不通過互聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)進行發(fā)布,而是利用互聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)目錄或元數(shù)據(jù)進行發(fā)布,而用戶可以通過傳真、電郵、電話、信件等方式向建庫單位或數(shù)據(jù)中心提出自身的數(shù)據(jù)服務(wù)請求,由建庫單位或數(shù)據(jù)中心以紙質(zhì)材料、磁盤、光盤等媒體形式對該用戶實施數(shù)據(jù)分發(fā),實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享[14]。

1.8 設(shè)計用戶需求描述模塊

用戶需求描述模塊主要通過OWLS本體Web服務(wù)語言對用戶需求進行定義與描述。對用戶的城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享需求進行分解,將其分解為反映用戶需求的多個請求[15]。將Ui設(shè)為用戶的城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享需求集合,則該集合可以用下式來表達:

Ui=(Fi,Qi,Ci,…)

(1)

式中，F(xiàn)i為用戶的城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)功能特征請求;Qi為用戶的城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)質(zhì)量特征請求;Ci為用戶的城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)成本特征請求。

城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享資源可以用下式來描述:

PSi=(Ni,Di,Ai,Ii,Oi,Ti)

(2)

式中，PSi為城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享資源;Ni為城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享服務(wù)名稱;Di為共享服務(wù)描述;Ai為共享服務(wù)地址;Ii為共享服務(wù)參數(shù)輸入集合;Oi為共享服務(wù)實際輸出結(jié)果;Ti為共享服務(wù)特征要素集合。

2 平臺測試

2.1 設(shè)計共享數(shù)據(jù)實驗

利用設(shè)計的城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享平臺進行某城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)的共享實驗。實驗中的共享數(shù)據(jù)共包括兩種:柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)應(yīng)用種類可以將其劃分為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、公眾地理數(shù)據(jù)。其中基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的信息分層如表5所示。公眾地理數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容如表6所示。

表5 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的信息分層

表6 公眾地理數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容

將以上城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)錄入城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享平臺中,并對其進行共享。在共享過程中獲取該平臺請求次數(shù)在160次以內(nèi)的數(shù)據(jù)服務(wù)響應(yīng)時間數(shù)據(jù)作為實驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)服務(wù)響應(yīng)時間的計算公式如下:

T=W-K

(3)

式中,T為數(shù)據(jù)服務(wù)響應(yīng)時間;W為終端獲取時間;K為整體響應(yīng)時間。

為了避免本次實驗結(jié)果過于單一,缺乏對比性,將原有的城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享平臺作為對比實驗平臺,包括基于數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)共享平臺以及文獻[2]中提出的數(shù)據(jù)共享平臺。同樣通過這兩種數(shù)據(jù)共享平臺對以上城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)進行共享,并獲取這兩種平臺請求次數(shù)在160次以內(nèi)的數(shù)據(jù)服務(wù)響應(yīng)時間數(shù)據(jù)作為對比實驗數(shù)據(jù)。對比幾種實驗平臺的實驗數(shù)據(jù)與對比實驗數(shù)據(jù)。

2.2 結(jié)果分析

在請求次數(shù)為0～80次時,設(shè)計的城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享平臺與基于數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)共享平臺、文獻[2]中提出的數(shù)據(jù)共享平臺的數(shù)據(jù)服務(wù)響應(yīng)時間對比實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 請求次數(shù)為0～80次時的對比實驗結(jié)果

圖5顯示,在請求次數(shù)為0～80次時,設(shè)計的城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享平臺的數(shù)據(jù)服務(wù)響應(yīng)時間比基于數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)共享平臺、文獻[2]中提出的數(shù)據(jù)共享平臺的數(shù)據(jù)服務(wù)響應(yīng)時間較短,并且其終端獲取時間與整體響應(yīng)時間也都較短。

在請求次數(shù)為81～160次時,設(shè)計的城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享平臺的數(shù)據(jù)服務(wù)響應(yīng)時間同樣比其他兩種原有數(shù)據(jù)共享平臺的數(shù)據(jù)服務(wù)響應(yīng)時間較短,并且其終端獲取時間與整體響應(yīng)時間也都較短。

3 結(jié)束語

城市基礎(chǔ)地理空間勘測數(shù)據(jù)共享平臺實現(xiàn)了請求次數(shù)在一定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)服務(wù)響應(yīng)時間的縮短,方便了城市基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)共享服務(wù)。