應(yīng)急地理信息數(shù)據(jù)共享關(guān)鍵技術(shù)研究*

福建省基礎(chǔ)地理信息中心 吳飛

應(yīng)急地理信息數(shù)據(jù)共享關(guān)鍵技術(shù)研究*

福建省基礎(chǔ)地理信息中心 吳飛

異構(gòu)數(shù)據(jù)的共享是應(yīng)急地理信息服務(wù)平臺需要重點解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。該文從共享模式、集成技術(shù)、數(shù)據(jù)組織等三個方面對應(yīng)急地理信息數(shù)據(jù)共享進行研究探討，選擇了基于Web服務(wù)的數(shù)據(jù)共享模式、虛擬數(shù)據(jù)庫法的集成技術(shù)，并結(jié)合地理空間數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征和使用特點設(shè)計了數(shù)據(jù)組織方式，最后結(jié)合地震應(yīng)急案例，建設(shè)了用于地震應(yīng)急的輔助決策綜合庫，可為地震應(yīng)急指揮提供輔助決策支持。

異構(gòu)數(shù)據(jù) 共享模式 數(shù)據(jù)集成技術(shù) 應(yīng)急地理信息服務(wù)

1 概述

開展省級應(yīng)急平臺的技術(shù)研究是當前國家應(yīng)急指揮系統(tǒng)建設(shè)重要而迫切的任務(wù)之一。在應(yīng)急信息管理和分析的過程中，應(yīng)急地理信息服務(wù)平臺起到基礎(chǔ)作用，它與應(yīng)急平臺中其它系統(tǒng)密切相關(guān)，并融合于聯(lián)動處理的各個環(huán)節(jié)，隨時為應(yīng)急指揮提供空間基礎(chǔ)地理信息服務(wù)，因此應(yīng)急地理信息服務(wù)平臺的設(shè)計顯得尤為重要[1]。由于應(yīng)急處理往往需要多個部門聯(lián)合參與，不同部門間的空間數(shù)據(jù)往往建立在不同時期、不同系統(tǒng)、適用于不同部門，會存在較大的差異，這也是通常所說的數(shù)據(jù)異構(gòu)性，如何高效解決異構(gòu)數(shù)據(jù)共享的難題，是應(yīng)急地理信息服務(wù)平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間共享的難點。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

要解決異構(gòu)數(shù)據(jù)共享，需要重點解決三個關(guān)鍵問題[2]：第一，如何進行數(shù)據(jù)的共享，數(shù)據(jù)的共享模式是什么？第二，面對來源眾多、格式不一的異構(gòu)空間數(shù)據(jù)，如何對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換和集成？第三，如何異構(gòu)數(shù)據(jù)進行組織，設(shè)計出合理的存儲邏輯結(jié)構(gòu)？基于此，本文從以下幾個方面進行研究和設(shè)計。

2.1 數(shù)據(jù)共享模式設(shè)計

目前，解決異構(gòu)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享的常用方法有三種[3]：

（1）統(tǒng)一軟件平臺的方式：應(yīng)用部門與基礎(chǔ)地理信息提供部門使用相同的GIS平臺或數(shù)據(jù)管理軟件。這種方式要求不同部門之間在軟件配置層面絕對統(tǒng)一，既不經(jīng)濟也不現(xiàn)實，可操作性極低，在實際中幾乎不能實現(xiàn)。

（2）共享底圖數(shù)據(jù)的方式：地理空間數(shù)據(jù)配置成地圖后，通過工具軟件按照一定的網(wǎng)格切分生成多級圖片，并采用金字塔結(jié)構(gòu)存儲在服務(wù)器上，通過Web服務(wù)向客戶端發(fā)布。這種方式實現(xiàn)了簡單的底圖服務(wù)的輸出，但不能有效滿足異構(gòu)數(shù)據(jù)真正的共享要求。

（3）基于Web服務(wù)的方式：采用基于Web服務(wù)的地理信息共享技術(shù)，以SOAP(簡單對象訪問協(xié)議)的形式封裝服務(wù)器端與客戶端之間的服務(wù)請求和數(shù)據(jù)結(jié)果，以HTTP的形式實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的傳輸，實現(xiàn)異構(gòu)GIS的互操作以及異構(gòu)數(shù)據(jù)的共享。

本平臺采用第三種共享方式，開發(fā)包括地理信息服務(wù)描述、發(fā)布和調(diào)用的接口，與省級地理信息公共平臺對接，實現(xiàn)跨地區(qū)和跨部門的地理信息資源的松耦集成與動態(tài)裝配，提供分布式地理信息共享與應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。根據(jù)平臺的建設(shè)目標，在數(shù)據(jù)共享層面依據(jù)統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范構(gòu)建一體化的應(yīng)急地理空間信息資源體系，按照數(shù)據(jù)中心模式和分布式遠程調(diào)用模式建設(shè)應(yīng)急資源數(shù)據(jù)中心。

2.1.1 分布式遠程調(diào)用模式

該模式邏輯上分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和表示層三層架構(gòu)，見圖1。其中，數(shù)據(jù)層主要是為業(yè)務(wù)服務(wù)層提供數(shù)據(jù)，不同部門的空間數(shù)據(jù)進行標準化改造并各自發(fā)布為符合標準的地理信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在服務(wù)層通過集成和使用發(fā)布在不同服務(wù)器上的地理信息Web服務(wù)，實現(xiàn)分布式的WebGIS邏輯，服務(wù)層是客戶端和數(shù)據(jù)層的橋梁，負責接收客戶端請求，進行邏輯處理，調(diào)取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將處理結(jié)果返回給客戶端。表示層一般是瀏覽器或者是基于其他客戶端的應(yīng)用程序。客戶請求通過表示層提交給Web服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器，由Web服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器調(diào)用相關(guān)服務(wù)，將結(jié)果返回給客戶。

圖1 分布式遠程調(diào)用模式

2.1.2 數(shù)據(jù)中心模式

基于數(shù)據(jù)中心的共享模式也分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和表示層三層架構(gòu)，見圖2。在表示層和服務(wù)層，與分布式遠程調(diào)用模式類似，數(shù)據(jù)層則采用數(shù)據(jù)中心模式，將各個部門的異構(gòu)空間數(shù)據(jù)通過空間數(shù)據(jù)交換工具抽取到數(shù)據(jù)中心。在中心數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，統(tǒng)一發(fā)布地理信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，集中供其他部門共享。這種模式實現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，統(tǒng)一發(fā)布，能夠有效減少數(shù)據(jù)冗余，實現(xiàn)部門間信息互通。

圖2 數(shù)據(jù)中心模式

在本平臺中，對于實時動態(tài)變化的數(shù)據(jù)采用遠程調(diào)用模式，如氣象預(yù)報與實時交通等；對于變化頻率慢、相對比較固定的數(shù)據(jù)，采用共享、匯交、交換等方式集中到統(tǒng)一的應(yīng)急數(shù)據(jù)庫中，二者形成統(tǒng)一的應(yīng)急地理信息數(shù)據(jù)資源池。

2.2 數(shù)據(jù)集成設(shè)計

目前，關(guān)于數(shù)據(jù)集成方案的研究很多，各不相同，但就其基本方法來說，大體上可歸為如下三類：

聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫法[4]是異構(gòu)數(shù)據(jù)集成中最簡單的一種方式。它的構(gòu)成方法是將所有數(shù)據(jù)源通過數(shù)據(jù)交互接口進行一對一的連接。各個數(shù)據(jù)源之間使用數(shù)據(jù)交互接口互相訪問，通過這種方法，一個數(shù)據(jù)源就能夠訪問任何其它數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)交互接口太多是聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫法的弱點，如果有n個異構(gòu)數(shù)據(jù)源，那么就需要n(n-1)個數(shù)據(jù)交互接口。一般來說這種方法實際中很少使用。

數(shù)據(jù)倉庫法[5]是一種異構(gòu)數(shù)據(jù)集成方式。它將來自幾個異構(gòu)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)抽取出來，按照全局模式的要求存儲在數(shù)據(jù)倉庫中。用戶使用時，就像使用一個本地數(shù)據(jù)庫一樣。數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)不能得到實時地更新是該方法的弱點。這就有可能導致某一時段，數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)與異構(gòu)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)不一致。

虛擬數(shù)據(jù)庫法[6]是一種重要的數(shù)據(jù)集成方式。它與數(shù)據(jù)倉庫法不一樣，能夠?qū)崟r反映異構(gòu)數(shù)據(jù)源中所更新的數(shù)據(jù)。在虛擬數(shù)據(jù)庫法中，用戶查詢將分解成對各個異構(gòu)數(shù)據(jù)源的子查詢。所有子查詢的結(jié)果在它們的局部模式被映射成全局模式后集成在一起，并以虛擬視圖的方式呈現(xiàn)在用戶面前。這樣，系統(tǒng)無須保存數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，并能保證查詢的數(shù)據(jù)是實時的。

目前應(yīng)用較多的是數(shù)據(jù)倉庫法和虛擬數(shù)據(jù)庫法，前者采用的技術(shù)更多涉及到查詢上的代數(shù)操作；后者采用的技術(shù)大部分集中在查詢計算以及與存儲有關(guān)的問題上(如數(shù)據(jù)的聚類、索引等)。根據(jù)對以上兩種集成方案的分析，綜合考慮數(shù)據(jù)倉庫和虛擬法方式的優(yōu)缺點[7]，結(jié)合目前狀況和需求，本文采用虛擬數(shù)據(jù)庫法進行。該方法安全性好，靈活度高，性能穩(wěn)定，對系統(tǒng)資源的要求也更低，能夠從根本上解決其他兩種方式在實際應(yīng)用中的不足，有較高的實用價值。

該方法實現(xiàn)的技術(shù)路線如圖3所示，包括三層架構(gòu)：用戶信息抽取層、中介層和應(yīng)用層。信息抽取層包括各異構(gòu)數(shù)據(jù)源；中介層包括查詢引擎、數(shù)據(jù)清洗、中間數(shù)據(jù)庫和XML文檔；用戶層主要是用戶提出查詢。這樣，通過中介層以XML的中間格式將匯集分布在各個異構(gòu)信息抽取層的信息進行清洗、轉(zhuǎn)換和加載；用戶通過網(wǎng)絡(luò)連接到系統(tǒng)中，即進行查詢操作。

圖3 虛擬數(shù)據(jù)庫法

2.3 數(shù)據(jù)組織設(shè)計

遵照國家和地方應(yīng)急地理信息系統(tǒng)建設(shè)的相關(guān)標準規(guī)范，本文結(jié)合福建省實際，建立全省應(yīng)急基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和應(yīng)急專題信息數(shù)據(jù)，其中，基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)包括電子地圖、實體數(shù)據(jù)、地名數(shù)據(jù)等；應(yīng)急專題數(shù)據(jù)根據(jù)應(yīng)急實際需求，集成加油站、學校、公安、消防、醫(yī)院等專題數(shù)據(jù)，并分類整理出重點防護目標、危險源、公眾聚集場所、救援資源等專題數(shù)據(jù)。除此之外，平臺還應(yīng)包括國民經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)、文本、影像、多媒體、專業(yè)圖形等非空間的輔助決策類的數(shù)據(jù)。

根據(jù)地理空間數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征和使用特點，在數(shù)據(jù)組織上采用如下方法[1]：

（1）基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)以及與空間相關(guān)的應(yīng)急專題數(shù)據(jù)，統(tǒng)一采用大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫（如Oracle、Sqlserver等）存儲。采用政府部門應(yīng)用的數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)多尺度海量空間數(shù)據(jù)和多類型關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的管理。在此基礎(chǔ)上，以現(xiàn)有基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對應(yīng)急專題數(shù)據(jù)進行實體化、分層細化、簡潔化等處理，設(shè)計和加工制作出能滿足應(yīng)急指揮用戶基本需求的多尺度地理信息數(shù)據(jù)[8]。

（2）非空間數(shù)據(jù)庫具有全局性、綜合性、實時性等特點，因此宜采用非關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲，這些存儲在不同數(shù)據(jù)庫中不同類型的數(shù)據(jù)存在時態(tài)差異、不同的數(shù)據(jù)編碼體系、不同的地圖投影，以及不同的空間抽象程度，因此需要對這些數(shù)據(jù)進行協(xié)調(diào)處理與集成，通過地理編碼建立索引，使其與空間數(shù)據(jù)在一定程度上相關(guān)接。

（3）采用分布與集中相結(jié)合的數(shù)據(jù)存儲方式，在每層數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中存放本地數(shù)據(jù)，同時將本地區(qū)的數(shù)據(jù)上傳到上級單位。這種存儲方式可以體現(xiàn)專業(yè)部門的自主性，減少網(wǎng)絡(luò)流量，提高系統(tǒng)響應(yīng)能力，同時由于數(shù)據(jù)冗余存儲保證數(shù)據(jù)的安全性。

3 應(yīng)用案例

目前，福建省地震局正在構(gòu)建基于“地震預(yù)警與烈度速報產(chǎn)出結(jié)果系統(tǒng)”的地震輔助決策管理體系，按計劃需要建成“一庫一服務(wù)兩系統(tǒng)”，其中“一庫”指的是建設(shè)一個用于地震應(yīng)急的輔助決策綜合庫，包含基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、輔助決策數(shù)據(jù)等以及包含預(yù)警與烈度速報產(chǎn)出庫、災(zāi)情上報庫、震災(zāi)預(yù)測庫在內(nèi)的地震應(yīng)急專題數(shù)據(jù)以及輔助決策數(shù)據(jù)等?？紤]到地震應(yīng)急是全省應(yīng)急平臺重要的組成部分，因此在數(shù)據(jù)設(shè)計時應(yīng)盡量考慮到異構(gòu)數(shù)據(jù)共享以及與應(yīng)急地理信息服務(wù)平臺實現(xiàn)對接。具體建設(shè)內(nèi)容見圖4。其中地震輔助決策庫包含交通數(shù)據(jù)、重大生命線工程數(shù)據(jù)、應(yīng)急人員及水庫水系等數(shù)據(jù)，預(yù)警與烈度速報產(chǎn)出庫包含地震三要素、預(yù)警信息、儀器烈度、PGA/PGV/PGD、反應(yīng)譜0.3/1.0/3.0等數(shù)據(jù)，災(zāi)情上報庫來自輔助決策移動終端采集的數(shù)據(jù)，包含照片、短片及災(zāi)情簡要描述等數(shù)據(jù)，震災(zāi)預(yù)測庫包含由損失快速評估服務(wù)計算得出的人員傷亡、房屋倒毀、經(jīng)濟損失等數(shù)據(jù)。

圖4 地震應(yīng)急數(shù)據(jù)內(nèi)容

按照上文的設(shè)計思路，這些數(shù)據(jù)中，應(yīng)急公共數(shù)據(jù)應(yīng)以數(shù)據(jù)中心模式由應(yīng)急地理信息平臺集中存儲管理和發(fā)布服務(wù)，這些數(shù)據(jù)都通過Oracle數(shù)據(jù)進行管理。而其他專題數(shù)據(jù)則以分布式遠程調(diào)用模式進行管理。建成的地震應(yīng)急數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)層結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)層結(jié)構(gòu)圖

當?shù)卣饝?yīng)急數(shù)據(jù)和應(yīng)急地理信息服務(wù)平臺集成共享之后，在發(fā)生地震時，以應(yīng)急地理信息服務(wù)平臺為支撐的高度智能化的地震應(yīng)急指揮輔助決策支持系統(tǒng)能夠在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的支持下，迅速判斷災(zāi)情規(guī)模、影響范圍、損失評估，并結(jié)合現(xiàn)狀提出一系列科學的救災(zāi)方案和調(diào)度方案，協(xié)助指揮人員實施各種地震救災(zāi)行為。

4 結(jié)束語

本文介紹了基于Web服務(wù)的方式，按照數(shù)據(jù)中心模式和分布式遠程調(diào)用模式，建設(shè)應(yīng)急資源數(shù)據(jù)中心的應(yīng)急地理空間信息資源體系的技術(shù)路線，將分散在全省各應(yīng)急相關(guān)部門的應(yīng)急專題空間資源有效整合，形成了“集中+分布”的應(yīng)急地理信息數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了以空間信息為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)共享，可為福建省應(yīng)急地理信息公共平臺的建成提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。

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福建省工業(yè)引導性(重點)項目(編號：2014H0011)。