地理市情可視化分析系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張英棟，莊曉東，周圣川，喬新，王海銀

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032；2.山東省海陸地理信息集成與應(yīng)用工程研究中心，青島市海陸地理信息集成與應(yīng)用重點(diǎn)實驗室，山東 青島 266032)

1 引 言

地理市情是地理國情的重要延續(xù)和組成部分[1]，與人們?nèi)粘Ｉ詈蜕鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)，現(xiàn)已進(jìn)入常態(tài)化監(jiān)測階段，地理市情普查監(jiān)測成果數(shù)據(jù)可應(yīng)用于國土資源、城鄉(xiāng)規(guī)劃、林業(yè)、水利、農(nóng)業(yè)、統(tǒng)計等多個領(lǐng)域[2，3]。隨著地理市情監(jiān)測工作持續(xù)開展，監(jiān)測成果日益豐富，類型呈現(xiàn)多樣化，為地理市情信息深化應(yīng)用帶來了難題，可歸納為：①數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的信息價值需要專業(yè)的分析判讀才能夠有效發(fā)掘[4]，②每項成果具有各自的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示方法已不能完全適用于地理市情監(jiān)測信息的表達(dá)。

已有地理市情系統(tǒng)側(cè)重于數(shù)據(jù)的匯交管理、展示制圖和共享分發(fā)，在數(shù)據(jù)挖掘分析方面略顯不足，本文從地理市情監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析需求出發(fā)，基于地理空間信息技術(shù)開發(fā)實現(xiàn)了一個B/S架構(gòu)的地理市情可視化分析系統(tǒng)，系統(tǒng)中綜合利用多種空間可視化技術(shù)，著重對自然資源、公共服務(wù)、城市建設(shè)、環(huán)膠州灣這4個專題進(jìn)行空間和時間維度上的表達(dá)分析，同時基于科學(xué)規(guī)范的監(jiān)測指標(biāo)體系，結(jié)合社會、經(jīng)濟(jì)等專題數(shù)據(jù)對市情監(jiān)測要素進(jìn)行指標(biāo)統(tǒng)計和指數(shù)評價，最終形成專題地圖、統(tǒng)計圖表和評價指數(shù)等系列成果，實現(xiàn)地理市情監(jiān)測數(shù)據(jù)向地理市情服務(wù)信息的轉(zhuǎn)化和提升，支撐政府部門科學(xué)決策。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 功能需求

地理市情監(jiān)測具有數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛、專業(yè)性強(qiáng)等特點(diǎn)[5，6]，為有效發(fā)掘數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的信息價值，面向領(lǐng)導(dǎo)決策、行業(yè)應(yīng)用乃至社會公眾，提供綜合地理市情數(shù)據(jù)資源和數(shù)據(jù)分析服務(wù)。除提供瀏覽查詢、地圖展示、空間量測等基礎(chǔ)功能外，系統(tǒng)還應(yīng)滿足以下幾個要求：

(1)實現(xiàn)對各年度地理市情監(jiān)測成果的有效匯聚和合理表達(dá)，以支撐系統(tǒng)其他分析應(yīng)用功能。

(2)支持基于遙感影像的時空可視化分析，揭示自然人文地理要素的空間分布規(guī)律，實現(xiàn)對各項監(jiān)測要素的橫向區(qū)域?qū)Ρ扰c縱向歷史變化對比。

(3)可基于地理市情監(jiān)測指標(biāo)體系和社會經(jīng)濟(jì)專題數(shù)據(jù)，在線實時計算統(tǒng)計指標(biāo)和地理市情指數(shù)，客觀評測地理市情綜合情況。

(4)基于地理市情監(jiān)測大數(shù)據(jù)，提供具有針對性的應(yīng)用分析功能，輔助政府管理決策。

2.2 總體設(shè)計

系統(tǒng)采用面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA)，遵循數(shù)據(jù)與應(yīng)用分離原則，數(shù)據(jù)資源統(tǒng)一管理、集中維護(hù)和分布使用，模塊化開發(fā)業(yè)務(wù)功能，對軟件構(gòu)件靈活組裝構(gòu)建不同應(yīng)用系統(tǒng)。

系統(tǒng)架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)資源庫、服務(wù)層和應(yīng)用層組成，還包括相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全保障體系梳理和建設(shè)，如圖1所示。

基礎(chǔ)設(shè)施提供系統(tǒng)運(yùn)行所需的網(wǎng)絡(luò)、軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境，包括服務(wù)器、存儲設(shè)備、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、安全設(shè)備、GIS平臺等。

數(shù)據(jù)資源庫實現(xiàn)對基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、統(tǒng)計專題數(shù)據(jù)、地理市情監(jiān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織管理，形成覆蓋青島全市域的多比例尺、多數(shù)據(jù)源、多時相、無縫的空間數(shù)據(jù)庫。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

服務(wù)層提供支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及擴(kuò)展REST協(xié)議的服務(wù)接口，實現(xiàn)服務(wù)安全認(rèn)證、服務(wù)請求轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

應(yīng)用層是基于服務(wù)接口建立的數(shù)據(jù)資源管理、可視化分析、指標(biāo)統(tǒng)計評價等功能，以及結(jié)合實際場景搭建針對性應(yīng)用。

從技術(shù)和管理兩個角度，建立一套支撐系統(tǒng)建設(shè)和日常運(yùn)維所需的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全保障體系，涵蓋系統(tǒng)生命周期全過程。

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

針對多源、異構(gòu)、海量的地理市情監(jiān)測數(shù)據(jù)和其復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程[7]，本文設(shè)計了如圖2所示的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，并開發(fā)配套的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)來實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)成果的入庫管理，通過該空間數(shù)據(jù)庫，可實現(xiàn)對基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、統(tǒng)計專題數(shù)據(jù)、市情監(jiān)測專題數(shù)據(jù)及以上各類元數(shù)據(jù)的一體化組織管理，從而形成一個覆蓋全市域的多比例尺、多數(shù)據(jù)源、多時相、多分辨率、無縫的空間數(shù)據(jù)庫。

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)的空間參考和定位框架，提供全市域的電子地圖和遙感影像，作為專題數(shù)據(jù)和統(tǒng)計信息的展示載體，以緩存文件的形式存儲。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

市情專題數(shù)據(jù)存儲于空間數(shù)據(jù)庫中，按監(jiān)測時間、監(jiān)測主題進(jìn)行分級組織，分為基礎(chǔ)市情監(jiān)測數(shù)據(jù)集、公共服務(wù)監(jiān)測數(shù)據(jù)集、城市建設(shè)監(jiān)測數(shù)據(jù)集、環(huán)膠州灣監(jiān)測數(shù)據(jù)集，各數(shù)據(jù)集下包含若干要素圖層。

統(tǒng)計專題數(shù)據(jù)存儲于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，從市統(tǒng)計年鑒中提取，包含了主要的社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，主要有人口、生產(chǎn)總值、建成區(qū)面積、就業(yè)人數(shù)、醫(yī)院學(xué)校情況等。

業(yè)務(wù)信息存儲于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，用于支撐系統(tǒng)業(yè)務(wù)，包括用戶信息表、系統(tǒng)權(quán)限表、用戶角色表、角色權(quán)限表、系統(tǒng)日志表、數(shù)據(jù)字典表等。

2.4 技術(shù)選型

目前主流的WebGIS應(yīng)用開發(fā)技術(shù)有ArcGIS、SuperMap、OpenLayers、Leaflet和百度地圖等，經(jīng)過綜合比較，ArcGIS不僅具有配套的地圖服務(wù)器，可以支持多種數(shù)據(jù)類型，能夠很好地解決數(shù)據(jù)異構(gòu)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等問題，并且提供的API功能也最為強(qiáng)大，提供數(shù)據(jù)的空間展示、圖形繪制、符號渲染、查詢檢索、地理處理、網(wǎng)絡(luò)分析、在線編輯、時態(tài)感知等開發(fā)接口[8]，可以有效支撐地理市情可視化分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理、時空表達(dá)和空間分析等內(nèi)容的建設(shè)。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)資源整合

系統(tǒng)實時調(diào)取服務(wù)接口獲取數(shù)據(jù)資源的要素名稱、地理類型、服務(wù)地址等元數(shù)據(jù)信息，對信息進(jìn)行解析，按照“監(jiān)測時間-專題類別-要素圖層”進(jìn)行分級分層組織，形成時空數(shù)據(jù)列表，從而實現(xiàn)對多源、異構(gòu)、海量的地理市情監(jiān)測數(shù)據(jù)成果的有效整合以及系統(tǒng)化應(yīng)用，在一個信息化平臺上對各類自然人文要素信息、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展信息、空間規(guī)劃及城市運(yùn)行等相關(guān)信息進(jìn)行查詢與展示，服務(wù)于地理市情監(jiān)測成果的檢查和分析等工作。

3.2 時空可視化分析

應(yīng)用時空可視化技術(shù)對地理市情大數(shù)據(jù)進(jìn)行展示和分析，在空間和時間維度上交叉展現(xiàn)數(shù)據(jù)規(guī)律，揭示自然資源、公共服務(wù)設(shè)施、城市建設(shè)和環(huán)膠州灣等專題領(lǐng)域的現(xiàn)狀格局、變化趨勢及區(qū)域均衡情況。

(1)自然資源專題分析

以影像地圖為信息載體，采用分類、分級設(shè)色等渲染方式對山、水、地、林等自然要素進(jìn)行可視化表達(dá)，展現(xiàn)其類型、位置、范圍等基本情況，支持卷簾操作或多視窗同步功能實現(xiàn)對監(jiān)測要素進(jìn)行不同年度的變化比對分析。例如圖3，系統(tǒng)對2018年和2019年度局部區(qū)域內(nèi)的林地資源進(jìn)行卷簾對比。

圖3 林地資源空間分布及對比分析

(2)公共服務(wù)專題分析

通過空間聚合、熱力圖等方式對公共服務(wù)設(shè)施進(jìn)行可視化，同時以行政區(qū)劃為統(tǒng)計單元，結(jié)合社會經(jīng)濟(jì)專題數(shù)據(jù)，對單元內(nèi)設(shè)施的密度、人均擁有量、服務(wù)能力等進(jìn)行統(tǒng)計，并基于統(tǒng)計結(jié)果對行政區(qū)劃分級設(shè)色以反應(yīng)公共服務(wù)的區(qū)域差異性。例如圖4，系統(tǒng)對行政區(qū)劃內(nèi)鐵路路網(wǎng)密度進(jìn)行統(tǒng)計和分級色彩展示。

圖4 鐵路路網(wǎng)密度區(qū)域?qū)Ρ?/p>

(3)城市建設(shè)專題分析

基于電子地圖對不同監(jiān)測年內(nèi)建成區(qū)空間范圍、城市建設(shè)用地現(xiàn)狀、單體建筑物位置進(jìn)行疊加展示和套合分析，幫助管理者掌握城市發(fā)展動態(tài)，例如圖5，系統(tǒng)展示某監(jiān)測年城市建設(shè)用地現(xiàn)狀。

圖5 城市建設(shè)用地現(xiàn)狀

(4)環(huán)膠州灣專題分析

通過時間軸控件實現(xiàn)對環(huán)膠州灣多時相監(jiān)測數(shù)據(jù)的時序化對比分析，播放展示數(shù)據(jù)變化情況，結(jié)合現(xiàn)狀遙感影像，有效揭示數(shù)據(jù)時間變遷，在一定程度上預(yù)測未來發(fā)展情況。例如圖6，系統(tǒng)對1990年～2019年間環(huán)膠州灣坑塘水面、鹽田、灘涂、河流水面等不同濕地類型進(jìn)行動態(tài)展示和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為濕地保護(hù)提供參考。

圖6 膠州灣濕地歷史變化分析

3.3 指標(biāo)統(tǒng)計與評價

根據(jù)監(jiān)測要素的點(diǎn)、線、面幾何特征，以地理市情指標(biāo)體系和分析模型為依據(jù)，結(jié)合社會經(jīng)濟(jì)專題數(shù)據(jù)，在線進(jìn)行指標(biāo)統(tǒng)計和指數(shù)評價，為監(jiān)測工作提供豐富的數(shù)據(jù)資料。

(1)指標(biāo)統(tǒng)計

指標(biāo)統(tǒng)計分為基本統(tǒng)計和綜合統(tǒng)計，基本統(tǒng)計是對監(jiān)測要素的基本描述性內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)計，基于點(diǎn)、線、面等空間幾何特征，完成要素的基本數(shù)量、位置、密度、形態(tài)等內(nèi)容的統(tǒng)計匯總。綜合統(tǒng)計是在基本統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合社會經(jīng)濟(jì)專題數(shù)據(jù)，運(yùn)用分析模型和方法，對要素的物理結(jié)構(gòu)、空間關(guān)系及差異特性等內(nèi)容進(jìn)行綜合分析。例如圖7，系統(tǒng)對2018年度各地表覆蓋類型的面積、占比進(jìn)行基本統(tǒng)計，以及對2015年～2019年地表覆蓋變化信息進(jìn)行綜合統(tǒng)計。

圖7 地表覆蓋指標(biāo)統(tǒng)計

(2)指數(shù)評價

根據(jù)確定的權(quán)重矩陣和標(biāo)準(zhǔn)化因子計算地理市情指數(shù)，綜合量化分析各區(qū)市的城鎮(zhèn)發(fā)展水平、基本公共服務(wù)能力和生態(tài)環(huán)境水平等，實現(xiàn)地理市情狀況的客觀評價。例如圖8，系統(tǒng)對2015年～2019年青島各區(qū)市建成區(qū)的增長彈性系數(shù)和和空間緊湊度進(jìn)行量化，分析建成區(qū)的擴(kuò)展規(guī)律。

圖8 建成區(qū)發(fā)展相關(guān)指數(shù)

3.4 分析應(yīng)用

基于地理市情監(jiān)測大數(shù)據(jù)，系統(tǒng)面向輔助決策提供以下幾種應(yīng)用分析功能。

(1)資源空間布局分析

用戶可選擇地理市情要素或上傳本地數(shù)據(jù)，然后系統(tǒng)在線生成其空間分布熱力圖，同時針對多時相監(jiān)測數(shù)據(jù)可實現(xiàn)時序變化的熱力效果，從而幫助用戶分析空間格局及變化情況，例如評估各區(qū)市公共資源配置均衡性等。

(2)服務(wù)覆蓋能力分析

根據(jù)交通方式、時長等輸入?yún)?shù)，系統(tǒng)結(jié)合路網(wǎng)數(shù)據(jù)計算生成教育機(jī)構(gòu)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、社會福利機(jī)構(gòu)等設(shè)施的可達(dá)范圍并疊加展示，從而實現(xiàn)公共服務(wù)設(shè)施的覆蓋能力分析，可用于評估公共資源盲區(qū)，輔助規(guī)劃建設(shè)。

(3)影響區(qū)域分析

用戶可在線繪制影響源形狀和范圍，并可動態(tài)修改影響區(qū)域半徑，系統(tǒng)實時對影響區(qū)域范圍內(nèi)的市情監(jiān)測要素進(jìn)行統(tǒng)計，其典型應(yīng)用為：分析加油站、?；返仁欠窀采w到學(xué)校、醫(yī)院、小區(qū)等人口密集區(qū)域。例如圖9，系統(tǒng)根據(jù)施工道路位置和影響半徑對受影響的基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)計和展示，從而輔助規(guī)劃。

圖9 影響區(qū)域分析

4 總 結(jié)

本文基于WebGIS技術(shù)，設(shè)計和開發(fā)了地理市情可視化分析系統(tǒng)，實現(xiàn)對地理市情監(jiān)測成果的綜合管理、可視化分析、專題統(tǒng)計和分析應(yīng)用，通過引入青島市地理市情監(jiān)測指標(biāo)體系，實現(xiàn)對域情及區(qū)域發(fā)展等的定量化、動態(tài)化評價，為地理市情監(jiān)測成果的推廣應(yīng)用提供新思路。不足之處，系統(tǒng)在進(jìn)行全市域范圍空間統(tǒng)計時的運(yùn)算效率還有待提高。