海量動態(tài)異構(gòu)空間標(biāo)繪信息實時接入技術(shù)

倪金生， 劉翔， 楊勁林， 李瑩， 蘇曉玉， 朱學(xué)山

(北京航天泰坦科技股份有限公司，北京 100070)

海量動態(tài)異構(gòu)空間標(biāo)繪信息實時接入技術(shù)

倪金生， 劉翔， 楊勁林， 李瑩， 蘇曉玉， 朱學(xué)山

(北京航天泰坦科技股份有限公司，北京 100070)

隨著全球經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展，社會各界對互聯(lián)網(wǎng)空間信息的需求日益廣泛。通過分析動態(tài)異構(gòu)空間信息特征及來源，建立空間數(shù)據(jù)自組織規(guī)則，采用互聯(lián)網(wǎng)信息地名識別與內(nèi)容整合技術(shù)、萬個級用戶協(xié)同標(biāo)繪技術(shù)、基于虛擬資源池的動態(tài)異構(gòu)空間信息存儲技術(shù)、空間數(shù)據(jù)的自適應(yīng)顯示技術(shù)和斷點續(xù)傳的要素級數(shù)據(jù)更新機制，對海量全球動態(tài)異構(gòu)空間信息實時接入方法進(jìn)行原型設(shè)計。結(jié)果表明： 海量動態(tài)異構(gòu)空間信息實時接入技術(shù)解決了標(biāo)繪信息的實時傳輸，實現(xiàn)了多尺度下的標(biāo)繪數(shù)據(jù)的實時/準(zhǔn)實時顯示，確保了海量空間信息資源服務(wù)的實時性和可讀性。

動態(tài)異構(gòu)； 空間標(biāo)繪信息； 動態(tài)接入

0 引言

協(xié)同交互工作于1984年由Irene Greif和Paul Cashman等提出，當(dāng)時是為了描述他們所組織的有關(guān)如何用計算機支持來自不同領(lǐng)域與學(xué)科的共同工作的課題。隨著計算機技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，協(xié)同交互技術(shù)的研究適應(yīng)了信息化社會中人們工作方式的群體性、交互性、分布性和協(xié)作性特點，因此該技術(shù)被認(rèn)為是未來社會中廣泛采用的技術(shù)[1]。隨著對協(xié)同交互技術(shù)研究的日益深入，研究人員對協(xié)同交互系統(tǒng)的概念越來越趨于一致。Ellis在1991年提出“協(xié)同交互系統(tǒng)可以定義為這樣的計算機系統(tǒng)，它支持一組用戶參與一個共同的任務(wù)，并提供給他們共享環(huán)境的接口”。協(xié)同交互技術(shù)的實質(zhì)是通過計算機網(wǎng)絡(luò)為用戶建立一個共享環(huán)境，在這個環(huán)境下，用戶可以相互合作來共同完成一項工作[2]。

目前協(xié)同交互系統(tǒng)非常多，如桌面會議系統(tǒng)、遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程實時軍事指揮、分布式虛擬環(huán)境、協(xié)同寫作與編著系統(tǒng)、工作流系統(tǒng)等?；跀?shù)據(jù)庫的協(xié)同標(biāo)繪系統(tǒng)同樣屬于協(xié)同交互系統(tǒng)，它體現(xiàn)了協(xié)同交互工作的2個基本特征： 多協(xié)作對象和共享信息協(xié)同交互。協(xié)同標(biāo)繪最多也最早運用于軍事指揮上，目前在國際上，外軍已將一些較為優(yōu)秀、實用的系統(tǒng)用于軍隊作戰(zhàn)和指揮。以美軍為例： 20世紀(jì)70年代末開始研究計算機輔助標(biāo)圖(以下簡稱機助標(biāo)圖)的方法； 80年代初初具規(guī)模，80年代末進(jìn)入成熟階段； 90年代后，美軍已在多次局部戰(zhàn)爭和軍事演習(xí)中使用機助協(xié)同標(biāo)圖系統(tǒng)，協(xié)同標(biāo)圖系統(tǒng)提供在地理信息基礎(chǔ)上疊加顯示來自戰(zhàn)場空間相關(guān)的各種實體信息的能力[3]。在國內(nèi)，計算機標(biāo)圖工作起步較晚。目前，已經(jīng)開發(fā)出成熟、實用的單機標(biāo)繪系統(tǒng)，其中不乏一些優(yōu)秀之作，如相關(guān)單位開發(fā)的標(biāo)圖系統(tǒng)、參謀系統(tǒng)等。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的協(xié)同標(biāo)繪也已經(jīng)有不少研究，比如信息工程大學(xué)測繪學(xué)院已經(jīng)做出了原型系統(tǒng)，但是離真正實用還是有一定的距離。

雖然許多因素制約了協(xié)同標(biāo)繪在實際中的應(yīng)用，但是國內(nèi)外學(xué)者近年來對協(xié)同技術(shù)研究的深入，尤其是協(xié)同編輯和工作流等相關(guān)技術(shù)及理論研究的深入，為解決GIS協(xié)同標(biāo)繪問題提供了解決思路，使得GIS協(xié)同標(biāo)繪的實現(xiàn)成為可能。本文在綜合以往研究工作基礎(chǔ)上，針對目前國內(nèi)外發(fā)展的需求，提出了基于萬級用戶的全球系統(tǒng)標(biāo)繪技術(shù)的研究方法和思路，并對其進(jìn)行了原型設(shè)計。

1 研究內(nèi)容

全球動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息實時/準(zhǔn)實時接入的技術(shù)難點包括基于網(wǎng)絡(luò)信息的地名自動識別及空間定位、基于虛擬資源池的全球動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息接入、標(biāo)繪信息自適應(yīng)實時/準(zhǔn)實時顯示、動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息的更新等?；诰W(wǎng)絡(luò)信息的地名自動識別及空間定位通過建立全球范圍內(nèi)的地名索引庫，利用地名自動識別，從相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)文本中提取地名，從空間數(shù)據(jù)庫中獲取地名坐標(biāo)，目的是實現(xiàn)地名的自動識別和空間信息的定位； 基于虛擬資源池的全球動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息接入實現(xiàn)標(biāo)繪信息在服務(wù)器端和客戶端的傳輸和客戶端快速定位，還原展示標(biāo)繪數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)繪信息，是標(biāo)繪信息的再現(xiàn)； 標(biāo)繪信息自適應(yīng)實時/準(zhǔn)實時顯示基于細(xì)節(jié)層次(levels of detail，LOD)、影像金字塔和GIS符號化，建立不同尺度下空間標(biāo)繪數(shù)據(jù)的顯示規(guī)則，為后續(xù)的數(shù)據(jù)實時顯示、動態(tài)發(fā)布提供基礎(chǔ)； 標(biāo)繪信息的更新采用斷點續(xù)傳的要素級數(shù)據(jù)更新機制，確保遙感應(yīng)用資源元數(shù)據(jù)信息的實時性和唯一性。

2 技術(shù)路線及原型設(shè)計

全球海量動態(tài)異構(gòu)空間信息實時/準(zhǔn)實時接入技術(shù)是全球動態(tài)異構(gòu)空間信息協(xié)同標(biāo)繪的重要組成部分，主要包括動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息的獲取與接入。

針對動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息實時/準(zhǔn)實時載入的主要任務(wù)，結(jié)合標(biāo)繪信息的自身特點，進(jìn)行動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息的來源分析，對標(biāo)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫，利用標(biāo)繪信息內(nèi)容整合技術(shù)生成標(biāo)繪知識，采用基于多維數(shù)據(jù)索引結(jié)構(gòu)實現(xiàn)動態(tài)異構(gòu)數(shù)據(jù)的接入，基于時空關(guān)聯(lián)規(guī)則的標(biāo)繪數(shù)據(jù)的更新，實現(xiàn)全球動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息實時/準(zhǔn)實時接入，具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 全球動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息實時/準(zhǔn)實時接入技術(shù)路線圖

2.1 動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息的獲取

首先分析動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息的特征，建立標(biāo)繪數(shù)據(jù)組織規(guī)則； 再針對數(shù)據(jù)的來源，通過人民搜索引擎、人工標(biāo)繪以及數(shù)據(jù)截取等方式，獲取動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行地名自動識別，進(jìn)行標(biāo)繪數(shù)據(jù)的入庫； 最后對標(biāo)繪數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合(參見多尺度空間標(biāo)繪數(shù)據(jù)內(nèi)容整合與實時動態(tài)發(fā)布)，獲取標(biāo)繪知識數(shù)據(jù)。圖2為動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息獲取的技術(shù)流程圖。

圖2 動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息獲取的技術(shù)流程圖

2.1.1動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息的分類

動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息的是指多形態(tài)、多結(jié)構(gòu)化的標(biāo)繪數(shù)據(jù)，按其表現(xiàn)形式及其屬性特征劃分，主要包括文字、圖片、視頻/音頻、矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)以及三維模型等數(shù)據(jù)類別。

2.1.2 動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息的來源

基于數(shù)據(jù)獲取的途徑，動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息可以通過人工標(biāo)繪以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的截獲獲取。人工標(biāo)繪數(shù)據(jù)是指人工手動標(biāo)繪的數(shù)據(jù)，包括文字、文本、圖片、視頻/音頻、空間矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)以及三維模型等形式，這些數(shù)據(jù)都以統(tǒng)一的規(guī)則存放于標(biāo)繪知識庫中，并具有時空屬性特征； 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)截獲主要利用系統(tǒng)提供的協(xié)議編程接口來實現(xiàn)，通信時，數(shù)據(jù)首先被寫入本地主機的socket中，然后該socket通過網(wǎng)絡(luò)接口卡(network interface card，NIC)的傳輸介質(zhì)將傳來的信息發(fā)送到另一臺主機的socket中，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的截獲。

2.1.3 基于網(wǎng)絡(luò)信息的地名自動識別及空間定位

通過對GIS地名庫及專題地名庫進(jìn)行整合處理，構(gòu)建比較完整的城市地名詞典和地名索引庫； 通過地名自動識別，從相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)文本中提取地名，從空間數(shù)據(jù)庫中獲取地名坐標(biāo)，最終將具有空間屬性的數(shù)據(jù)存入標(biāo)繪信息數(shù)據(jù)庫。圖3為該流程的技術(shù)框圖。

圖3 基于網(wǎng)絡(luò)信息的地名自動識別及空間定位技術(shù)流程圖

基于網(wǎng)絡(luò)信息的地名自動識別及空間定位關(guān)鍵技術(shù)主要包括地名詞典的數(shù)據(jù)組織、地名詞典空間索引的構(gòu)建和單句地名的自動識別。

1)地名詞典的數(shù)據(jù)組織。要實現(xiàn)對任意文本和任意形式的地名都能自動識別出來，地名詞典應(yīng)具備地名完備性。詞典越完整，地名識別的效果就越好。采用“分層分塊”的地名數(shù)據(jù)組織方式構(gòu)建地名詞典，根據(jù)不同類型和不同區(qū)域?qū)ｎ}數(shù)據(jù)，提取相應(yīng)層和相應(yīng)區(qū)域的地名作為地名詞典。這樣既保證了詞典的數(shù)據(jù)完整性，又提高了識別效率。

2)地名詞典索引庫的建立。構(gòu)建地名詞典索引庫的目的主要有2個： 一是提高對地名詞典的檢索效率，類似于普通詞典中的檢索目錄，同時這也是借鑒了GIS中對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行索引的思想； 二是從地名詞典中提取相關(guān)特征字和特征參數(shù)，為快速地名識別做好相關(guān)準(zhǔn)備工作。地名詞典索引庫的構(gòu)建過程如圖4所示。

圖4 地名詞典索引庫的建立流程圖

首先遍歷地名詞典，將所有地名首字去重后排序； 然后構(gòu)建全局單字索引，并在索引中存儲對應(yīng)的所有地名記錄ID和最大地名長度。

3)單句地名的自動識別。單句地名自動識別可分為2步進(jìn)行： 一是地名單元切分，二是編碼分析和單元合并，具體的切分算法流程如圖5所示。圖中S1表示待切分的地名字符串，S2表示經(jīng)過單句地名識別后輸出的字符串結(jié)果，H表示從待切分的地名字符串左起選取的首單字，MaxLength和L分別表示遍歷地名詞典索引庫得到的單字的最大長度及對應(yīng)詞典的地名鏈表；W=S1·Left(MaxLength)為一個字符串截取函數(shù)(W，S1及MaxLength均為變量)，表示從左起截取S1字符串的MaxLength個字符，函數(shù)返回的結(jié)果存儲在W字符串中。圖中DI表示地名詞典索引庫，C表示地名單元對應(yīng)的行政區(qū)劃編碼，P表示地名單元到句首的相對距離。

圖5 單句地名自動識別方法流程圖

2.2 基于虛擬資源池的動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息接入

動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息的接入主要解決標(biāo)繪信息怎么在服務(wù)器端和客戶端傳輸，并在客戶端如何快速定位還原展示標(biāo)繪數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)繪信息。

建立在標(biāo)繪數(shù)據(jù)自組織模型和互操作模型之上，針對不同類型標(biāo)繪數(shù)據(jù)的特點，將已存在于分布式數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)繪知識數(shù)據(jù)(經(jīng)整合后的標(biāo)繪數(shù)據(jù))，依據(jù)數(shù)據(jù)的存儲機制，實現(xiàn)分析、提取和轉(zhuǎn)換等預(yù)處理操作，對外提供動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息的快速訪問能力，并且將標(biāo)繪信息快速定位還原顯示。圖6為該流程的技術(shù)框圖。

圖6 基于虛擬資源池的全球動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息接入技術(shù)流程圖

2.2.1數(shù)據(jù)的傳輸方式

數(shù)據(jù)的傳輸方式主要包括端/端發(fā)送方式、多播發(fā)送方式和廣播方式[4]。端/端發(fā)送方式主要用于客戶端與服務(wù)器建立連接后，客戶端標(biāo)繪的數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器端； 多播發(fā)送方式是針對不同層面級別的用戶，從“控制層面”和“數(shù)據(jù)層面”2個方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)載入的控制； 而廣播方式是主機之間一對所有的通訊模式，網(wǎng)絡(luò)對其中每一臺主機發(fā)出的信號都進(jìn)行無條件復(fù)制并轉(zhuǎn)發(fā)，所有主機都可以接收到所有信息。

數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)繪信息數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報才能在服務(wù)器端和客戶端進(jìn)行傳輸，接收端收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報后再進(jìn)行還原，因此網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報是整個數(shù)據(jù)的傳輸基礎(chǔ)，具體表現(xiàn)形式為XML。

2.2.2 標(biāo)繪信息映射

基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報的傳輸技術(shù)，針對計算資源、I/O資源分布不均衡以及服務(wù)器節(jié)點存在異構(gòu)性的特點[5]，采用虛擬資源池和虛擬映射的技術(shù)，將每一個服務(wù)器按照其處理能力計算資源數(shù)量，并將計算出的資源加入資源池中，進(jìn)行統(tǒng)一的分配與調(diào)度，從而實現(xiàn)異構(gòu)環(huán)境下混合負(fù)載的均衡分布，采用保證數(shù)據(jù)的快速傳輸。其技術(shù)流程如圖7所示。為了加快系統(tǒng)的處理速度，可以按區(qū)域?qū)⒖臻g標(biāo)繪信息從服務(wù)器傳送到某一虛擬的資源池中，當(dāng)用戶鼠標(biāo)點擊某一區(qū)域范圍時，直接將需要顯示的標(biāo)繪信息指向該區(qū)域所對應(yīng)的虛擬資源池，再將其映射到實際用戶的操作界面。

圖7 基于虛擬資源池的全球動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息的映射技術(shù)流程圖

2.3 標(biāo)繪信息自適應(yīng)實時/準(zhǔn)實時顯示

基于LOD、影像金字塔和GIS符號化，建立不同尺度下空間標(biāo)繪數(shù)據(jù)的顯示規(guī)則，突破標(biāo)繪數(shù)據(jù)的自適應(yīng)顯示技術(shù)，實現(xiàn)多尺度下的標(biāo)繪數(shù)據(jù)的實時/準(zhǔn)實時顯示，主要工作包括標(biāo)繪數(shù)據(jù)的顯示規(guī)則的建立和標(biāo)繪數(shù)據(jù)的實時/準(zhǔn)實時顯示[9]。數(shù)據(jù)實時顯示的機制如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)實時顯示機制

2.4 動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息更新

基于“分布式文件系統(tǒng)+數(shù)據(jù)庫”的存儲機制，采用斷點續(xù)傳的要素級數(shù)據(jù)更新機制實現(xiàn)動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息的更新。

動態(tài)異構(gòu)標(biāo)繪信息的更新包括搜索引擎數(shù)據(jù)的更新和協(xié)同標(biāo)繪數(shù)據(jù)的更新[7]。搜索引擎數(shù)據(jù)的更新是指由搜索引擎獲取的數(shù)據(jù)利用基于網(wǎng)絡(luò)信息的地名自動識別及空間定位技術(shù)對搜索引擎獲取的數(shù)據(jù)(網(wǎng)頁)進(jìn)行處理，并存入標(biāo)繪信息數(shù)據(jù)庫； 標(biāo)繪數(shù)據(jù)的更新是指對實時標(biāo)繪的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合后，存入標(biāo)繪信息數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進(jìn)行更新的過程。

3 結(jié)論

本研究取得的主要技術(shù)成果有： 在動態(tài)載入中解決了標(biāo)繪信息的實時傳輸； 突破了標(biāo)繪數(shù)據(jù)的自適應(yīng)顯示技術(shù)，實現(xiàn)了多尺度下的標(biāo)繪數(shù)據(jù)的實時/準(zhǔn)實時顯示問題； 在協(xié)同標(biāo)繪模型中解決了萬級用戶協(xié)同標(biāo)繪角色訪問控制和沖突消解機制，從而實現(xiàn)兆字節(jié)級動態(tài)數(shù)據(jù)實時或準(zhǔn)實時接入連接，以及萬個用戶級的協(xié)同標(biāo)繪。

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(責(zé)任編輯： 邢宇)

A real-time access technology for massive dynamic heterogeneous spatial information

NI Jinsheng, LIU Xiang, YANG Jinlin, LI Ying, SU Xiaoyu， ZHU Xueshan

(BeijingAerospaceTitanTechnologyCo,LTD,Beijing100070,China)

With the development of global economy and society, international spatial information is needed by community increasingly. The features and sources of dynamic heterogeneous space information are analyzed and, on such a basis, organizational rules of spatial data are established. Using international place names identification and content integration technology, tens of thousands of users’ collaboration plotting, dynamic heterogeneous spatial information storage technology based on virtual resource pool, adaptive display of spatial data and mechanism of breakpoint continuingly element level data updating, the authors prototyped the method of massive global dynamic heterogeneous spatial information real-time/near real-time access. The design and research results show that the real-time access technology for massive dynamic heterogeneous spatial information solves real-time transmission of plotted information, realizes the real-time/near real-time display of plotting data on multiple scales and ensures the real-time and readability of massive spatial information resources and services.

dynamic heterogeneous； space plotting information； dynamic access

10.6046/gtzyyg.2017.02.32

倪金生,劉翔,楊勁林,等.海量動態(tài)異構(gòu)空間標(biāo)繪信息實時接入技術(shù)[J].國土資源遙感,2017,29(2):221-225.(Ni J S,Liu X,Yang J L,et al.A real-time access technology for massive dynamic heterogeneous spatial information[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(2):221-225.)

2015-09-17；

2015-12-15

國家“863”計劃項目“星機地綜合定量遙感系統(tǒng)與應(yīng)用示范” (編號： 2013AA12A303)和“全球海量空間信息更新關(guān)聯(lián)與主動服務(wù)系統(tǒng)”(編號： 2013AA12A402)共同資助。

倪金生(1964-)，男，博士，主要從事空間信息處理與行業(yè)應(yīng)用服務(wù)等方面的研究。Email： jasonni@apollotg.com。

TP 722.6

A

1001-070X(2017)02-0221-05