基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)設(shè)計

摘" 要：該文設(shè)計一款基于“微服務(wù)+平臺”架構(gòu)的基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性強、支持?jǐn)?shù)據(jù)種類多、檢查功能完備、系統(tǒng)運行速度快及檢查流程圖形化簡單可控的特點，有效地提高基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查速度與精度。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查；系統(tǒng)設(shè)計；微服務(wù)+平臺；地理信息數(shù)據(jù)；速度與精度

中圖分類號：P208" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）17-0102-06

Abstract： A basic geographic information product quality control system based on \"Micro Service plus Platform\" architecture is designed. This system has the characteristics of strong expansibility， many kinds of supporting data， complete inspection function， fast running speed of the system and simple and controllable graphical inspection flow， which effectively improves the quality inspection speed and accuracy of basic geographic information data.

Keywords： data quality check; system design; Micro Service plus Platform; geographic information data; speed and accuracy

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要可分為4大類：數(shù)字劃線地圖（Digital Line Graphic，DLG）、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、數(shù)字柵格地圖（Digital Raster Graphic，DRG）及數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）[1]。在基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的采集、處理及應(yīng)用過程中不可避免地會出現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，如：數(shù)據(jù)精度誤差過大、元數(shù)據(jù)文件缺失或空間關(guān)系混亂等?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接影響著GIS應(yīng)用、分析、決策的正確性和可靠性，所以對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查對于確保數(shù)據(jù)實用性具有極其重要意義[2]。目前國內(nèi)常用的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查軟件主要有QGIS、ArcGIS及MapCheck軟件，相較于前兩者而言，作為國產(chǎn)軟件的MapCheck軟件對國內(nèi)基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品的質(zhì)量檢查具有獨特的優(yōu)勢，其檢測項和檢測標(biāo)準(zhǔn)完全遵循中國的國家標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)規(guī)定，與國產(chǎn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)產(chǎn)品的匹配度遠(yuǎn)高于其他軟件。

但MapCheck軟件存在部分問題，系統(tǒng)架構(gòu)屬于較為陳舊的單體式架構(gòu)，該架構(gòu)可擴(kuò)展性較差，對檢查項進(jìn)行增加或者改動時需要改動底層代碼，在數(shù)據(jù)種類方面僅支持?jǐn)?shù)字劃線地圖的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，缺少對數(shù)字高程模型、數(shù)字柵格地圖及數(shù)字正射影像圖的支持，軟件僅支持單幅數(shù)據(jù)的檢查，檢查效率較低。本文針對以上問題，以MapChack作為參考提出了新一代國產(chǎn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查系統(tǒng)，該系統(tǒng)摒棄了MapCheck單體式開發(fā)的架構(gòu)，采用“微服務(wù)+平臺”的全新架構(gòu)，具有擴(kuò)展性強、運行效率高、穩(wěn)定性強及維護(hù)簡單的特點，后端數(shù)據(jù)庫將MapCheck部分優(yōu)秀的檢查項與算法重新進(jìn)行移植分類，采用基于模型庫、模板庫、算法庫和規(guī)則庫的模塊化設(shè)計，大大減小了檢查項更新所需工作量。在易用性方面，采用BPMN2.0標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)流程，操作人員可以利用可視化窗口對檢查項及流程順序進(jìn)行自定義更改，使得整個基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查流程更加靈活多變。

1" 地理信息空間數(shù)據(jù)檢查軟件現(xiàn)狀

2002年，中國人民解放軍信息工程大學(xué)開發(fā)了基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查軟件MapCheck，該系統(tǒng)的檢查項與檢查算法遵循已頒布的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)及實際生產(chǎn)應(yīng)用過程中的細(xì)則要求，可以對地理空間矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行包括空間參考、數(shù)據(jù)精度、文件完整性等方面的檢查[3]，該軟件是國內(nèi)首個檢查體系完整有序且算法快速高效的矢量數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查系統(tǒng)[4]。2004年武漢大學(xué)的測繪遙感信息工程國家重點實驗室開發(fā)了“空間數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與評價系統(tǒng)”，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對地理矢量數(shù)據(jù)的完全自動化檢查的同時也可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯并提供了定制化的數(shù)據(jù)檢查方案[5]。同年陜西測繪地理信息局的產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站設(shè)計并開發(fā)了4D Checker軟件，該軟件首次實現(xiàn)了對4D（DLG、DEM、DOM、DRG）的質(zhì)量功能檢查[6]。2009年湖北省基礎(chǔ)地理信息中心研發(fā)了基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)檢查軟件，該軟件能接收多種地理信息數(shù)據(jù)產(chǎn)品并實現(xiàn)自動或輔助人工檢查。此后國內(nèi)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查軟件體系逐漸成熟，涌現(xiàn)了一大批基礎(chǔ)地理信息質(zhì)量檢查軟件。目前行業(yè)內(nèi)最新產(chǎn)品為2021年由自然資源部測繪標(biāo)準(zhǔn)化研究所研發(fā)的AutoChecker，國內(nèi)主要矢量數(shù)據(jù)軟件見表1。

2" 基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)

2.1" 系統(tǒng)總體設(shè)計思想

系統(tǒng)總體設(shè)計遵循以下原則。

1）實用性原則?；A(chǔ)地理信息產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)的設(shè)計要優(yōu)先考慮系統(tǒng)的實用性，設(shè)計能否為數(shù)據(jù)生產(chǎn)單位、數(shù)據(jù)驗收單位和數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)督檢查單位提供切實可行的功能。

2）高效性原則。系統(tǒng)應(yīng)具有較高的自動化水平，包括檢查規(guī)則的自動設(shè)置和評估的自動化等，具備優(yōu)秀的并行處理能力且具備多幅快速處理能力。

3）標(biāo)準(zhǔn)化原則。系統(tǒng)檢查方案定制的過程中，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行國家、行業(yè)最新標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范[7-13]。

4）易用性原則。設(shè)計的軟件簡單易用，將用戶復(fù)雜度降到最低。

5）擴(kuò)展性原則。系統(tǒng)需具有優(yōu)秀的功能擴(kuò)展性，針對不同的數(shù)據(jù)類型、質(zhì)檢規(guī)則和質(zhì)檢工具集可以快速有效添加或更改功能。

6）易維護(hù)性原則。系統(tǒng)應(yīng)具有良好的運維設(shè)計，維護(hù)簡單方便且具有版本控制能力。

2.2" 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.2.1" “微服務(wù)+平臺”架構(gòu)設(shè)計

新的基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)采用“微服務(wù)+平臺”的全新系統(tǒng)架構(gòu)。平臺采用“向下適配、向上支撐”的分層設(shè)計，面向多元、多類型數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查時，上層應(yīng)用屏蔽各類操作系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)資源、計算資源與儲存資源之間的差異性，提供必須的處理框架與運行環(huán)境，提供高效的計算資源動態(tài)分配與管理能力，同時為質(zhì)檢任務(wù)專業(yè)處理插件提供標(biāo)準(zhǔn)化、組件化及流程化的集成框架，并且平臺具備支撐多源多類型數(shù)據(jù)質(zhì)檢算法插件的繼承與運行環(huán)境的能力。微服務(wù)的架構(gòu)方式將系統(tǒng)內(nèi)各個復(fù)雜的業(yè)務(wù)處理流程拆分為多個服務(wù)化的功能，每個功能經(jīng)過去耦合處理變成一個獨立的微服務(wù)配置項，當(dāng)需要增加或更改流程時，可以便捷地創(chuàng)建新的微服務(wù)配置項或?qū)σ延信渲庙椷M(jìn)行修改，避免了更改系統(tǒng)時復(fù)雜的解耦合過程。

“微服務(wù)+平臺”的架構(gòu)方式帶來了新的可擴(kuò)展性方案，如圖1所示。新的基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)將可擴(kuò)展性分為功能擴(kuò)展、性能擴(kuò)展和數(shù)據(jù)擴(kuò)展3部分。

功能擴(kuò)展的本質(zhì)是豐富和完善質(zhì)檢功能插件，微服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計使得系統(tǒng)可以輕松實現(xiàn)功能的服務(wù)化，模塊化分解，各微服務(wù)之間采用REST接口互相連接，耦合性較小，只要單獨寫新的服務(wù)功能插件即可實現(xiàn)系統(tǒng)功能的快速擴(kuò)展。

性能擴(kuò)展是通過增加硬件節(jié)點數(shù)量，將某一服務(wù)進(jìn)行多副本部署實現(xiàn)整體計算性能的增加，性能擴(kuò)展基于Docker及Kubernetes的容量云架構(gòu)模式，微服務(wù)全部采用容器模式進(jìn)行托管，借助容量云服務(wù)管理能力實現(xiàn)對微服務(wù)的副本數(shù)量和負(fù)載節(jié)點進(jìn)行調(diào)度管理，實現(xiàn)微服務(wù)整體性能的快速伸縮和平滑擴(kuò)展。

數(shù)據(jù)擴(kuò)展是利用數(shù)據(jù)分區(qū)設(shè)計，使得原本集中一處的大規(guī)模數(shù)據(jù)，按照一定原則分散至不同的承載環(huán)境中，實現(xiàn)系統(tǒng)整體管理能力的擴(kuò)展。對于基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品系統(tǒng)而言，最大的數(shù)據(jù)對象是各類待檢地理信息數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)量大幅增加后，通過增加承載節(jié)點實現(xiàn)系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)的管理能力。

2.2.2" 拖拽可視化業(yè)務(wù)流程

新的基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)采用BPMN 2.0標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)流程建模規(guī)范作為主體架構(gòu)以增加整個系統(tǒng)的易用性，運用拖拽可視化編輯工具實現(xiàn)質(zhì)檢業(yè)務(wù)流程的快速定義，采用工作流并行處理引擎實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程自動完成相應(yīng)算法的處理與電鍍，具備流程可描述、流程可視化、流程標(biāo)準(zhǔn)化、流程可定制、流程可擴(kuò)展及流程可共享的能力。該種設(shè)計可以顯著提高業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成化、自動化和智能化。

2.3" 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

綜合考慮地理信息產(chǎn)品質(zhì)量系統(tǒng)的發(fā)展和數(shù)據(jù)生成單位的實際需要，新系統(tǒng)采用了基于4種數(shù)據(jù)庫（算法庫、模板庫、規(guī)則庫及模型庫）設(shè)計，既能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化使用，同時也支持單機(jī)操作。該設(shè)計具有迭代更新的功能，可在生產(chǎn)過程中“試用—反饋—改進(jìn)—更新”以不斷完善質(zhì)量檢查功能。新基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查系統(tǒng)在矢量數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查基礎(chǔ)上增加了對數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）及正射影像的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查。

2.3.1" 模型庫設(shè)計

模型的作用就是表達(dá)各類質(zhì)量缺陷識別的概念性質(zhì)，對研究的對象進(jìn)行必要的建模，并用適當(dāng)?shù)囊?guī)則把其主要特征描述出來。面向矢量數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)及正射影像數(shù)據(jù)的檢查項，構(gòu)建數(shù)據(jù)質(zhì)量評價模型，通過各種元素共同評價加數(shù)據(jù)的質(zhì)量，形成質(zhì)量評價模型庫。如針對矢量數(shù)據(jù)評價模型，一級質(zhì)量元素包括形式檢查、邏輯一致性、屬性精度、坐標(biāo)檢查、拓?fù)錂z查及接邊檢查等。各質(zhì)量元素最終評價的結(jié)果采用權(quán)重系數(shù)表示，并且面對不同種類數(shù)據(jù)或同一種類不同需求的檢查，均可對質(zhì)量檢查元素的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以使得檢查具有不同方向的側(cè)重點，最后采用累加元素評價得分的方式得到最終的評價結(jié)果。表1為矢量數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量評估元素及其默認(rèn)權(quán)值。

2.3.2" 規(guī)則庫設(shè)計

基礎(chǔ)規(guī)則一般是指數(shù)據(jù)的本質(zhì)特征，是通過沉淀、抽象和總結(jié)多類型、多格式、海量空間數(shù)據(jù)的內(nèi)在邏輯關(guān)系而形成的，基礎(chǔ)規(guī)則主要可分為屬性質(zhì)量規(guī)則和圖形質(zhì)檢規(guī)則。其中屬性質(zhì)量規(guī)則包括屬性空值檢查規(guī)則、屬性值域檢查規(guī)則及屬性值邏輯正確性檢驗規(guī)則等。圖形質(zhì)檢規(guī)則包括點點、點線、線線、線面、面面及點面等拓?fù)滟|(zhì)檢規(guī)則和微短線、線打折等其他圖形質(zhì)檢規(guī)則及圖形接邊檢查規(guī)則等。部分規(guī)則庫檢查規(guī)則見表2。

2.3.3" 模板庫設(shè)計

針對不同檢查項設(shè)計特定的檢查模板形成模板庫，檢查算法只有結(jié)合相應(yīng)的模板才能實現(xiàn)某一特定的檢查功能。通過界面化的操作，用戶可以通過檢查項快速找到相應(yīng)的模板文件，根據(jù)模板文件的修改說明自行增加、刪除和改變模板信息，以滿足相應(yīng)的檢查需求，表3為部分入庫檢查模板。

2.3.4" 算法庫設(shè)計

按照基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品質(zhì)量檢查算法進(jìn)行分類歸納形成算法庫，主要分為拓?fù)潢P(guān)系檢查、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)檢查、屬性數(shù)據(jù)檢查、接邊檢查和空間相關(guān)合理性檢查等。基本算子是各種地圖缺陷尤其是空間關(guān)系缺陷識別算法建立的基礎(chǔ)，新系統(tǒng)按照粒度適宜與個數(shù)有限的原則對識別算法進(jìn)行系統(tǒng)剖分，盡可能得到全面準(zhǔn)確的基本算子完成算法庫的設(shè)計，部分檢查算子見表4。

3" 功能界面設(shè)計

軟件基于VC++編寫，整體功能界面遵循易用性設(shè)計，保證每一項功能使用不超過3級菜單并且盡可能地減少用戶的界面適應(yīng)期。一級菜單包括：文件、數(shù)據(jù)自動檢查、查看、圖形操作、系統(tǒng)設(shè)置、檢查項設(shè)置、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)編輯、地圖匹配、一致性檢查和幫助。如圖2與圖3所示，文件菜單主要實現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的打開、新建和輸出功能，數(shù)據(jù)檢查菜單涵蓋基本的數(shù)據(jù)檢查參數(shù)設(shè)置，如格式轉(zhuǎn)換、權(quán)值設(shè)定、模板設(shè)定及多幅或單幅的檢查設(shè)定等內(nèi)容，圖4為自動檢查項設(shè)置打開界面。

4" 應(yīng)用實例

以南京市一幅矢量地圖數(shù)據(jù)為例進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，權(quán)值及模板等設(shè)置信息采用系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置，層完整性檢查結(jié)果如圖5所示，錯誤項檢查結(jié)果如圖6所示。

5" 結(jié)束語

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查是數(shù)據(jù)生產(chǎn)更新工作的重要環(huán)節(jié)，對于保證數(shù)據(jù)的實用性具有極其重要的意義。本文以“地圖數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查與控制軟件”MapCheck作為參考設(shè)計了一款全新國產(chǎn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查系統(tǒng)，詳細(xì)地介紹了系統(tǒng)的設(shè)計思想、架構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)庫設(shè)計與功能設(shè)計并給出了應(yīng)用實例。該系統(tǒng)以“微服務(wù)+平臺”作為基礎(chǔ)架構(gòu)，采取了基于“四庫”的柔性功能模塊管理設(shè)計方案并使用可視化業(yè)務(wù)流程。系統(tǒng)已部署于中國人民解放軍某部隊，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中取得了良好的效果。

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