測繪地理信息系統(tǒng)的架構(gòu)與功能

劉慶，楊宇航，陳侃侃

（1.中國海警局東海分局，上海，200333；2.中國航海圖書出版社，天津，300450）

0 引言

地理信息是以地理科學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫和地理信息創(chuàng)建的一個系統(tǒng)，并使用計算機收集、處理和存儲系統(tǒng)的地理信息[1]。目前，GIS的應(yīng)用已融入城市規(guī)劃管理和建設(shè)的各個方面，系統(tǒng)本身的性能也在不斷提高，能夠處理復(fù)雜的地理信息。

1 測繪地理信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測繪地理信息系統(tǒng)的總體框架包括表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)情況，如圖1所示。數(shù)據(jù)層：測繪地理信息系統(tǒng)中獲取的數(shù)據(jù)來源于互聯(lián)網(wǎng)，如相關(guān)區(qū)域單位官網(wǎng)、測繪單位官網(wǎng)等[2]。業(yè)務(wù)邏輯層：主要業(yè)務(wù)包括查詢、顯示、分析、存儲等，信息收集子系統(tǒng)集成了業(yè)務(wù)功能，如設(shè)置、配置、存儲和分析業(yè)務(wù)邏輯層收集門戶，并使用C/S架構(gòu)開發(fā)，以捕獲互聯(lián)網(wǎng)測量和地理信息集成了業(yè)務(wù)邏輯層信息的業(yè)務(wù)功能查詢和顯示，采用B/S架構(gòu)開發(fā)，為公眾用戶提供地圖地理信息查詢功能[3]。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 測繪地理信息系統(tǒng)的設(shè)計

測繪在數(shù)字城市發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用。GIS在測繪中的應(yīng)用具有歷史必然性。但是，有必要改進測繪系統(tǒng)，并創(chuàng)建一個新的測繪系統(tǒng)。在創(chuàng)建數(shù)字城市的過程中，需要創(chuàng)建測繪的數(shù)據(jù)處理平臺，使其具有數(shù)據(jù)存儲和收集功能，并生成成品數(shù)據(jù)，由此可見數(shù)據(jù)庫是GIS的核心。它可以收集地理信息，完善基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫資源，創(chuàng)建數(shù)據(jù)處理平臺，通過圖形和表格統(tǒng)計顯示城市的空間分布。與地圖模型一樣，模型是系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分。地圖信息可通過地圖模型獲取，通過地圖模型采集的圖像數(shù)據(jù)顯示地理信息。在數(shù)據(jù)處理過程中，需要挖掘干擾信息，實現(xiàn)信息數(shù)字化，分析數(shù)據(jù)的價值，為數(shù)據(jù)配備適當?shù)墓δ?，實施?shù)據(jù)處理[4]，建立地理信息服務(wù)平臺。

2.1 軟件構(gòu)成

測繪系統(tǒng)主要由GIS平臺、操作平臺、應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成。系統(tǒng)的設(shè)計主要考慮上述的四個方面。

圖2 系統(tǒng)軟件體系

2.1.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

測繪系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要包括屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)。在早期的GIS系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲是通過文件實現(xiàn)的，非空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。但數(shù)據(jù)連接困難，這不僅增加了用戶操作的難度，在新一代商業(yè)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)過程中，所有數(shù)據(jù)都可以通過數(shù)據(jù)庫存儲，實現(xiàn)各系統(tǒng)的無縫連接。此外，還可以實現(xiàn)開放式GIS的跨平臺操作，服務(wù)功能優(yōu)化城市基礎(chǔ)信息系統(tǒng)。在建設(shè)新一代城市基礎(chǔ)信息系統(tǒng)時，使用空間商業(yè)數(shù)據(jù)庫是非常必要的。

2.1.2 操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)主要使用的是微軟的Windows系列。不過如今，Linux系統(tǒng)也得到了越來越多的使用。如果實際項目對系統(tǒng)安全性和系統(tǒng)性要求較高，可以使用UNIX操作系統(tǒng)。

2.1.3 GIS平臺

現(xiàn)代商業(yè)GIS軟件產(chǎn)品很多。通過相互整合和參照，它們在功能上趨于趨同。每個GIS軟件供應(yīng)商都提供獨立版本的GIS、網(wǎng)絡(luò)GIS和其他產(chǎn)品。不同的GSI平臺作用有所不同，但大量的GIS工程案例表明，GIS平臺并不是測繪系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)成敗的主要原因[5]。因此，GIS平臺的選擇應(yīng)充分考慮以下因素：（1）城市規(guī)模；（2）技術(shù)適用性；（3）開發(fā)成本；（4）GIS平臺的技術(shù)架構(gòu)和系統(tǒng)；（5）實用性。

2.1.4 應(yīng)用軟件開發(fā)

應(yīng)用軟件根據(jù)用戶需求開發(fā)，通過GIS空間和GIS平臺實現(xiàn)二次開發(fā)。開發(fā)工具不僅可以使用計算機的標準語言，大部分應(yīng)用軟件可以直接針對用戶，其主要功能有圖形操作、統(tǒng)計分析、查詢、輸入輸出、可視化顯示等。

2.2 地名地址匹配

從文本或主題中提取本地名稱和地址是無空間坐標的非結(jié)構(gòu)化地理信息的一部分，需要進行空間定位?？臻g數(shù)據(jù)收集的地理信息數(shù)據(jù)包含6*105條以上。存儲的數(shù)據(jù)包含地名、地址和地理坐標信息。它們被用作參考庫，用于定制位置名稱地址，并連接不同行業(yè)的數(shù)據(jù)屬性信息，以實現(xiàn)空間定位。

地名和地址的對應(yīng)方法主要有模糊匹配和精確匹配。精確匹配是指網(wǎng)站的空間定位具有詳細的地理信息；模糊匹配可以定位網(wǎng)站中不完整或粗糙的地理信息。分配位置名稱和地址時，網(wǎng)站中位置名稱和地址的描述與標準化描述不同，這增加了定位和調(diào)整地址的難度。因此，有必要對網(wǎng)頁中的位置名稱和地址進行標準化。在程序中將位置名稱地址描述為一個可擴展的模型，對網(wǎng)絡(luò)位置名稱地址進行分段，根據(jù)樹模型從上到下進行調(diào)整，然后搜索底部節(jié)點進行匹配，直到在地址參考庫中找不到本地地址描述為止。

2.3 數(shù)據(jù)挖掘

當多變量空間數(shù)據(jù)集中在一個位置時，它們會顯示不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、高維數(shù)據(jù)、測量設(shè)備和投影系統(tǒng)。記錄的網(wǎng)站文本數(shù)據(jù)內(nèi)容復(fù)雜，部分內(nèi)容是冗余數(shù)據(jù)，甚至完全無關(guān)，影響了有價值的信息。不同行業(yè)的數(shù)據(jù)特征不同，因此有必要對行業(yè)的信息特征進行分析，以找到行業(yè)數(shù)據(jù)的正確性。基于經(jīng)濟風險和統(tǒng)計學(xué)習(xí)最小化，可以解決數(shù)據(jù)識別問題。通過支持向量引擎功能創(chuàng)建區(qū)分不同行業(yè)的數(shù)據(jù)，隨機抽取10000多個行業(yè)記錄樣本，統(tǒng)計每個行業(yè)關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率；然后建立訓(xùn)練測試的詞庫特征；最后，為了對定位文本進行分類。中文分詞詞庫對照如表1所示。

表1 中文分詞詞庫對照（部分）

2.4 數(shù)據(jù)組織設(shè)計

屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的組織是系統(tǒng)設(shè)計的核心。有意義的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和適當?shù)臄?shù)據(jù)組織可以提高系統(tǒng)的運行效率，并促進系統(tǒng)的使用。應(yīng)用需求分析允許根據(jù)土壤特性對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行分層。因此，空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)必須以統(tǒng)一的大小存儲在同一關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。為了使數(shù)據(jù)的使用更加舒適，我們應(yīng)該充分利用城市中的空間數(shù)據(jù)。

2.4.1 數(shù)據(jù)分層

地形圖是空間定位最重要的工具，具有多種應(yīng)用。鑒于目前和未來的潛在應(yīng)用，需要根據(jù)物理分層和邏輯分類創(chuàng)建地形圖?？刂泣c、道路中心、線形特征和地圖；邏輯分層是指根據(jù)國家標準分類代碼對地圖進行分層。

2.4.2 庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計必須通過數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建表對象，存儲整型字段，然后添加圖形、屬性、顯示符號等信息。通過當?shù)貥藴屎拖到y(tǒng)的特殊業(yè)務(wù)進行補充和改進。

2.4.3 存儲方式

傳統(tǒng)的GIS是指通過文件存儲和快速檢索空間數(shù)據(jù)。因此，如果數(shù)據(jù)量很大，就會影響空間數(shù)據(jù)的檢索、顯示和檢索速度。為了提高系統(tǒng)的運行效率，有必要通過劃分單元和層來存儲數(shù)據(jù)。

2.5 數(shù)據(jù)處理

地理信息聚合系統(tǒng)需要計算機軟硬件的支持。數(shù)據(jù)采集后，面臨著專業(yè)數(shù)據(jù)處理，如果沒有相應(yīng)軟硬件支持，數(shù)據(jù)處理就難以實現(xiàn)。地理空間信息傳輸?shù)紾IS后不能直接使用。GIS在數(shù)據(jù)處理方面的主要優(yōu)勢在于，它可以利用其分析數(shù)據(jù)來獲得數(shù)據(jù)的相關(guān)性。如果收集的信息復(fù)雜且關(guān)系明顯，由于不同的城市有不同的測量和繪圖要求，在數(shù)據(jù)處理之前，應(yīng)根據(jù)不同的數(shù)據(jù)對模型進行分析[6]，以便測量和繪圖結(jié)果能夠滿足不同的實際需要。

2.6 空間分析

地理信息系統(tǒng)功能強大，軟件分析數(shù)據(jù)可以使用定性和定量的方法來描述空間位置，并將其集成到不同的學(xué)科中。除了地理學(xué)，它還包括物理學(xué)等知識和理論。地理描述還需要利用到統(tǒng)計學(xué)等學(xué)科。只有全面掌握相關(guān)知識，才能保證空間定位和測繪的準確性，為后續(xù)測繪工作奠定基礎(chǔ)。

2.7 空間組織設(shè)計

地形圖是空間定位最重要的工具，它反映了地物的空間分布，分布廣泛。物理層主要包括平面和線性特征、道路集中度、交叉點等。邏輯層根據(jù)國家標準分類代碼進行分類。