基礎(chǔ)地理信息共享平臺設(shè)計與實現(xiàn)

程 盼， 姚春雨

(中煤航測遙感集團有限公司，西安 710054)

基礎(chǔ)地理信息是對有關(guān)地理實體的性質(zhì)、特征和狀態(tài)的表征[1]，主要用來表達(dá)地形地貌地物信息。作為“數(shù)字城市”建設(shè)框架的支撐基礎(chǔ)及“智慧城市”運行的載體，基礎(chǔ)地理信息越來越受到各部門行業(yè)的關(guān)注，并在政府服務(wù)、城市建設(shè)、社會發(fā)展等方面有著廣泛的應(yīng)用[2-4]。而實現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息在機構(gòu)和部門之間的共享和交流，對于減少數(shù)據(jù)的重復(fù)建設(shè)，節(jié)約數(shù)據(jù)存儲資源，消除“信息孤島”有著重要的作用。為此，必須建設(shè)相應(yīng)的基礎(chǔ)地理信息共享平臺。

國內(nèi)很多學(xué)者對基礎(chǔ)地理信息共享平臺的建設(shè)進(jìn)行了大量的研究。王旭紅、周明全等對基于Oracle和ArcSDE的分布式數(shù)據(jù)庫的建庫方案進(jìn)行了總體設(shè)計與實現(xiàn)[5]，提高了數(shù)據(jù)的訪問速度與海量數(shù)據(jù)管理。盧亞輝等對基于Web Service的WebGIS應(yīng)用模型進(jìn)行了研究，很好的解決了跨平臺問題[6]。李德仁等對面向數(shù)據(jù)到面向服務(wù)的數(shù)據(jù)共享模式、發(fā)展歷程進(jìn)行了探討[7]。這些研究對于推動基礎(chǔ)地理信息共享平臺的建設(shè)都有積極的作用。

結(jié)合包頭市石拐區(qū)數(shù)據(jù)分散、信息孤立、共享困難的實際情況，對石拐區(qū)基礎(chǔ)地理信息共享平臺從數(shù)據(jù)庫設(shè)計、建庫技術(shù)方案、數(shù)據(jù)共享方式等方面進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計，最終以Web服務(wù)的方式實現(xiàn)了地理信息的共享，消除了石拐區(qū)“信息孤島”的現(xiàn)狀，促進(jìn)了部門之間的信息交流，提高了政府的管理與服務(wù)能力。

1 基礎(chǔ)地理信息共享平臺概述

基礎(chǔ)地理信息共享平臺是“數(shù)字城市”建設(shè)的核心，也是“智慧城市”建設(shè)的基礎(chǔ)。一方面，平臺通過對基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、建庫和更新為相關(guān)部門提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的地理信息參考框架[7-8]。另一方面又為各部門和企業(yè)提供統(tǒng)一的運行環(huán)境和開發(fā)環(huán)境，包括統(tǒng)一的訪問基礎(chǔ)地理信息的數(shù)據(jù)接口或Web服務(wù)接口[9]?；A(chǔ)地理信息共享平臺是各行業(yè)、單位和部門進(jìn)行數(shù)據(jù)共享、交換的公共平臺，能夠突破各職能部門之間的信息封閉，消除“信息孤島”，實現(xiàn)信息共享，使地理信息數(shù)據(jù)與功能在更多的行業(yè)得到應(yīng)用[10-12]。

2 平臺建設(shè)內(nèi)容設(shè)計

基礎(chǔ)地理信息共享平臺的核心內(nèi)容即為一個數(shù)據(jù)庫平臺和一個信息共享平臺，數(shù)據(jù)庫平臺包含了數(shù)據(jù)入庫、管理、更新等一系列內(nèi)容；信息共享平臺主要用來為政府部門或企業(yè)提供地理信息目錄及服務(wù)接口。以包頭市石拐區(qū)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)為研究背景，將石拐區(qū)基礎(chǔ)地理信息共享平臺總體建設(shè)內(nèi)容分為六大模塊：數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、建庫技術(shù)方案、地理信息共享方式、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開發(fā)以及門戶網(wǎng)站的搭建(圖1)。

圖1 總體建設(shè)內(nèi)容結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

平臺建設(shè)必須保證數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)性與一致性。入庫前首先需要對數(shù)據(jù)質(zhì)量與數(shù)據(jù)格式進(jìn)行檢查。一般而言，基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)主要由柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)組成。常用的柵格數(shù)據(jù)如DOM、DEM、遙感影像等經(jīng)過影像基本處理后可以直接存入空間數(shù)據(jù)庫中；而采集的矢量數(shù)據(jù)大多為基于AutoCAD 軟件繪制的dwg格式數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)化為SHP格式，成為標(biāo)準(zhǔn)的GIS數(shù)據(jù)才能入庫。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

石拐區(qū)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫主要由矢量數(shù)據(jù)庫、柵格數(shù)據(jù)庫、地名地址數(shù)據(jù)庫和元數(shù)據(jù)庫組成。①矢量數(shù)據(jù)庫包括了不同比例尺的水系、居民地、交通、管線、行政境界、地形地貌、植被等基礎(chǔ)地理要素集。②柵格數(shù)據(jù)庫主要包括不同分辨率不同時相的DOM、DEM以及遙感影像數(shù)據(jù)等。③地名地址數(shù)據(jù)庫主要包含不同比例尺的矢量數(shù)據(jù)中的居民地、河流、湖泊、道路等地名對象及其相關(guān)信息(如漢語拼音、類別、政區(qū)代碼、歸屬等)。地名地址信息以地址位置標(biāo)識點要素來表達(dá)，是實現(xiàn)地理定位必不可少的數(shù)據(jù)[13]。④元數(shù)據(jù)庫主要用于對地理數(shù)據(jù)及相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的描述信息進(jìn)行存儲。通過對地理空間數(shù)據(jù)的內(nèi)容、質(zhì)量、表示方法、空間定位、管理方式及其他特征進(jìn)行描述和說明[9]，幫助用戶有效定位、評價、比較、獲取和使用相關(guān)地理數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)的管理和共享。

2.3 建庫技術(shù)方案

1)對于矢量數(shù)據(jù)庫及地名地址數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)采用大型對象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫 Oracle結(jié)合ArcSDE的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲與管理。這種管理方案不僅吸收了Oracle的海量數(shù)據(jù)存儲維護能力及多用戶的并發(fā)訪問管理能力，同時又能利用ArcSDE為用戶提供一系列API，便于用戶進(jìn)行二次開發(fā)，最終實現(xiàn)圖文一體化存儲[13]。

2)對于柵格數(shù)據(jù)的存儲與管理，系統(tǒng)采用鑲嵌數(shù)據(jù)集(Mosaic Dataset)的技術(shù)方案。鑲嵌數(shù)據(jù)集是ArcGIS中一項由柵格數(shù)據(jù)集和柵格目錄相結(jié)合的混合技術(shù)，用于管理一組以目錄形式存儲并以鑲嵌影像方式查看的柵格數(shù)據(jù)集。影像生成鑲嵌數(shù)據(jù)集時，也可以在空間數(shù)據(jù)庫中建立影像索引，以便用戶進(jìn)行索引查詢[14-15]。這種影像管理模式的優(yōu)勢在于可管理海量多分辨率、多時相、多傳感器大規(guī)模影像，也便于數(shù)據(jù)查詢和使用，還可用來提供影像服務(wù)。

3)元數(shù)據(jù)庫無空間屬性，利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Oracle存儲即可，每一種數(shù)據(jù)類別是一張單獨的表。對于地理數(shù)據(jù)，元數(shù)據(jù)表中需包含數(shù)據(jù)名稱，數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)質(zhì)量，比例尺或分辨率，生產(chǎn)日期，更新日期，所屬部門等基本數(shù)據(jù)描述信息。

2.4 地理信息共享方式

平臺利用WebService技術(shù)，以Web服務(wù)的形式實現(xiàn)地理信息的共享。WebService是一種由統(tǒng)一資源定位符URI(Uniform Resource Identifier)表示的軟件應(yīng)用系統(tǒng)，是建立互操作的分布式應(yīng)用的最優(yōu)方案[1]。如果所提供的WebService具有地理空間特征，那么可將這種服務(wù)定義為地理信息Web服務(wù)。地理信息Web服務(wù)(GIS WebService)是在WebService技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上實現(xiàn)的地理信息在線服務(wù)，是WebService技術(shù)在GIS領(lǐng)域的應(yīng)用[16]。

在地理信息Web服務(wù)的發(fā)布與管理上，平臺利用ArcGIS Server軟件進(jìn)行管理。ArcGIS Server是一個基于WebService 技術(shù)構(gòu)建的GIS 應(yīng)用平臺，發(fā)布的服務(wù)符合OGC(Open Geospatial Consortium，開放地理信息聯(lián)盟)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，也能對服務(wù)進(jìn)行修改、刪除、更新等基本操作，同時能對服務(wù)進(jìn)行用戶角色權(quán)限設(shè)置以保證指定服務(wù)的保密性，并且支持多用戶負(fù)載均衡、大數(shù)據(jù)量通信的情況[17]，非常適用于企業(yè)級服務(wù)的管理。ArcGIS Server支持的服務(wù)類型主要有地圖服務(wù)(WMS)、要素服務(wù)(WFS)、覆蓋服務(wù)(WCS)、地理編碼服務(wù)等，以及一些進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的工具服務(wù)(功能服務(wù))，如緩沖區(qū)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)分析服務(wù)等，服務(wù)類型涵蓋面較廣，基本上能解決平臺建設(shè)中所需的所有服務(wù)問題。

2.5 門戶網(wǎng)站

門戶網(wǎng)站是面向用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)資源可視化展示與服務(wù)共享的應(yīng)用平臺，也是地理信息共享平臺的核心部分。結(jié)合基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫內(nèi)容與地理信息共享平臺的一般需求，門戶網(wǎng)站應(yīng)包含以下基本功能：①基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)(DEM，DLG，DOM等)、服務(wù)資源以及相關(guān)專題應(yīng)用系統(tǒng)元數(shù)據(jù)目錄的展示，并能查看指定數(shù)據(jù)的具體元數(shù)據(jù)信息。②為用戶提供快捷便利的多方式查詢功能，比如關(guān)鍵詞查詢，條件查詢等。條件查詢可針對不同的展示項列出不同的條件，如服務(wù)資源部分可指定服務(wù)類型，注冊日期，主題分類等，基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)可指定坐標(biāo)系，比例尺，高程基準(zhǔn)等檢索條件。③在線地圖主要包含矢量圖與影像圖兩種地圖內(nèi)容，矢量圖包含了基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)中的道路，區(qū)劃圖等基本要素的瀏覽查詢。在線地圖模塊需要提供基本的地圖操作功能(量距、測量面積、縮放漫游等)，也需要提供查詢定位，屬性查看等功能。④服務(wù)申請調(diào)用與共享功能是平臺建設(shè)的最終目的。用戶在瀏覽服務(wù)資源目錄時，可以對感興趣的服務(wù)進(jìn)行申請調(diào)用，審核方批準(zhǔn)后，將服務(wù)地址與令牌回饋給申請者，從而實現(xiàn)服務(wù)的共享。

2.6 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要用來對元數(shù)據(jù)及元數(shù)據(jù)目錄進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)集、服務(wù)資源元數(shù)據(jù)、專題應(yīng)用元數(shù)據(jù)及相關(guān)業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)的注冊、多方式查詢、修改、刪除等基本功能。同時，也包含了門戶網(wǎng)站中用戶進(jìn)行服務(wù)申請、不同用戶之間進(jìn)行服務(wù)共享交換的管理。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)作為門戶網(wǎng)站的支撐平臺，同時也是元數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的可視化展示與管理系統(tǒng)，在地理信息共享平臺中起著關(guān)鍵作用。

3 平臺架構(gòu)與實現(xiàn)

3.1 平臺架構(gòu)

結(jié)合平臺建設(shè)內(nèi)容，在各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系與安全保障體系的支撐下，最終搭建的石拐區(qū)基礎(chǔ)地理信息共享平臺，在架構(gòu)上由運行支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、管理層、應(yīng)用層五層體系組成(圖2)。

1)運行支撐層包含了網(wǎng)絡(luò)安全保障、政策法規(guī)體系及基本的軟硬件設(shè)施。在軟件設(shè)施上，開發(fā)過程中需要Oracle數(shù)據(jù)庫軟件，ArcGIS地圖軟件，ArcGIS Server服務(wù)管理器軟件，服務(wù)器軟件Tomcat，后臺開發(fā)框架Spring，前端集成開發(fā)環(huán)境Visio Studio等的支撐。

2)數(shù)據(jù)層包含了數(shù)據(jù)庫中基礎(chǔ)的地理信息數(shù)據(jù)。

3)服務(wù)層主要由地圖服務(wù)、功能服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)組成。地圖服務(wù)與功能服務(wù)是平臺用于共享的Web服務(wù)，由ArcGIS Server發(fā)布與管理。數(shù)據(jù)服務(wù)主要是指以json格式返回的用于響應(yīng)瀏覽器端請求的相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

4)管理層由數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與服務(wù)管理兩部分組成。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)基于B/S模式開發(fā)，服務(wù)管理由ArcGIS Server管理器完成。

5)應(yīng)用層主要是指門戶網(wǎng)站部分。門戶網(wǎng)站基于B/S模式開發(fā)，在基本的前端開發(fā)技術(shù)上，引入ArcGIS API for JavaScript地圖引擎實現(xiàn)地圖的加載與查詢。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 平臺實現(xiàn)

按照系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容設(shè)計，平臺完成了以下工作。

1)完成了數(shù)據(jù)的入庫工作，服務(wù)發(fā)布與管理工作。

2)完成了數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的開發(fā)工作。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)目錄可視化展示，元數(shù)據(jù)管理，“服務(wù)申請”審批三部分組成。元數(shù)據(jù)管理模塊包括數(shù)據(jù)檢索，詳情瀏覽、數(shù)據(jù)修改、注冊及刪除等主要功能。

3)完成了門戶網(wǎng)站的開發(fā)工作。其中，門戶網(wǎng)站包含了網(wǎng)站首頁、地理數(shù)據(jù)編目、服務(wù)資源、專題應(yīng)用、在線地圖、個人中心等主要模塊；網(wǎng)站首頁主要用來展示數(shù)據(jù)資源總體情況，包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、服務(wù)資源、專題應(yīng)用類別下的元數(shù)據(jù)部分目錄。地理數(shù)據(jù)編目模塊，主要是對基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的展示與檢索。服務(wù)資源模塊主要是對共享服務(wù)資源的目錄與元數(shù)據(jù)展示，同時用戶能對感興趣的服務(wù)進(jìn)行“申請調(diào)用”；專題應(yīng)用模塊主要是對相關(guān)專題應(yīng)用元數(shù)據(jù)進(jìn)行展示；在線地圖模塊，主要是對地圖數(shù)據(jù)的瀏覽檢索；個人中心模塊用于用戶的“自我管理”，用戶可以在網(wǎng)站中注冊自己的數(shù)據(jù)集、服務(wù)資源或?qū)ｎ}應(yīng)用元數(shù)據(jù)，經(jīng)過管理員審核通過后，便可以更新到系統(tǒng)元數(shù)據(jù)庫并展示在門戶網(wǎng)站中，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享(圖3)。

a.網(wǎng)站首頁 b.服務(wù)資源模塊圖3 門戶網(wǎng)站部分截圖

4 結(jié)論

結(jié)合基礎(chǔ)地理信息共享平臺的一般需求，對包頭市石拐區(qū)基礎(chǔ)地理信息共享平臺進(jìn)行了總體設(shè)計與平臺搭建。在數(shù)據(jù)入庫工作中，對矢量數(shù)據(jù)庫的管理采用大型分布式軟件Oracle與ArcSDE結(jié)合的方式，對柵格數(shù)據(jù)的管理采用鑲嵌數(shù)據(jù)集的技術(shù)方案實現(xiàn)了多源多時相海量數(shù)據(jù)的集中管理。在數(shù)據(jù)共享方式上，以標(biāo)準(zhǔn)的地理信息Web服務(wù)方式實現(xiàn)了不同機構(gòu)與部門之間的信息共享，改善了石拐區(qū)的數(shù)據(jù)分散孤立狀況，并為相關(guān)專題系統(tǒng)的開發(fā)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。