縣級基礎地理信息平臺建設關鍵技術研究

張 璐，金 琳，顧 竹，王 璇

(江蘇省基礎地理信息中心，江蘇南京210013)

一、引 言

隨著信息化建設步伐的日益加快，集成化和智能化的信息管理模式備受地方政府的關注［1］。縣級基礎地理信息平臺的建設是“數字城市”的核心支撐和主要內容之一。縣級基礎地理信息平臺的建設目標是以基礎地理信息數據為管理對象，利用先進的計算機技術、網絡技術、GIS技術和數據庫技術［2-5］，建立全縣范圍內準確、動態、高效的基礎地理信息數據庫，提高基礎地理信息數據生產、建庫與管理的科學化水平;提供一套靈活實用的數據更新機制，滿足對基礎數據的更新維護要求;提供精確的GIS分析和統計功能，為用戶充分使用數據提供技術手段;利用城市實體的空間信息和紋理信息通過計算機和虛擬現實技術再現城市特定場景三維景觀，向用戶立體展現地理空間現象;通過網絡模式為廣大公眾和企事業單位提供統一的、在線的、精準的、現勢性強的地理信息服務，提高地理信息公共服務的質量和水平。

二、平臺建設內容

1.數據庫設計

(1)數據庫構建模式

平臺的基礎地理信息數據庫采用面向對象的空間數據模型(Geodatabase)設計，利用 Oracle+ArcSDE的數據庫物理架構，通過ArcSDE應用服務器建立客戶端與數據庫的連接。

(2)數據庫子庫劃分

數據庫中子庫劃分的依據為數據的類型。主要包括。

1)數字線劃圖數據(DLG)子庫。包括大地測量控制點、水系及附屬設施、居民地和工礦設施、交通及其附屬設施、管線、地貌、行政區界線和地名、植被等內容。

2)數字正射影像數據(DOM)子庫。存儲不同比例尺的數字正射影像數據。

3)元數據(Metadata)子庫。分別存儲圖幅級、圖層級和要素級元數據，包括標識信息、限制信息、數據質量信息、參考系信息、內容信息等。

4)發布數據子庫。由基礎類數據和POI服務類數據組成。基礎類數據即各級電子地圖數據庫。POI服務類數據一部分從基礎類數據中派生;另一部分從相關數據資源中獲取。

2.平臺總體架構

平臺采用客戶機/服務器(C/S)和瀏覽器/服務器(B/S)的混合型系統架構模式，充分吸收兩種運行模式的優點，使得平臺設計更合理、更先進、更具效率和擴展性。

(1)C/S部分

采用3層C/S架構，利用關系數據庫Oracle和空間數據引擎ArcSDE實現數據存儲和管理。在數據層，系統從數據的存儲、運維、安全等方面設計，具體實現時，則采用面向對象技術，簡化對象間復雜的關聯關系，通過服務層封裝數據庫，提供操作接口，向各個應用系統提供服務。體系結構如圖1所示。

(2)B/S部分

采用B/S體系結構，將不同的模塊、子系統集成到平臺主框架中。數據層通過服務層形成了應用集成層，應用集成層包括基礎地理數據發布應用子系統系統和三維場景瀏覽子系統。B/S體系結構圖如圖2所示。

3.平臺設計

平臺分為C/S和B/S兩大塊。其中，C/S模式包括。

1)整合建庫子系統。該系統主要提供對基礎地理數據的建庫功能，包括對采集數據的分析轉換和對數據的加工處理，以及數據的整合入庫。

圖1 C/S體系結構圖

圖2 B/S體系結構圖

2)管理應用子系統。主要負責對基礎地理數據按圖幅、區域等方式的分層管理，并提供各種基本GIS功能，包括空間快速定位、查詢檢索、空間統計等功能。

3)數據更新子系統。主要提供對數據庫更新以及歷史庫的管理維護等功能，并可以選擇按圖幅、指定區域進行更新。

4)元數據庫管理子系統。主要負責對各類元數據進行管理，查詢，導出和打印的工作。

5)系統維護管理子系統。主要負責用戶管理、角色管理、權限設置、日志管理、要素初始化、符號庫管理和參數設置管理。

6)特定場景三維精細建模子系統。該系統以虛擬現實技術和GIS技術為核心，基于三維地理信息系統軟件平臺，綜合利用數字攝影測量、GIS、仿真等技術建立虛擬景觀仿真系統，提供對特定地點的虛擬三維場景的瀏覽和分析。

B/S模式包括。

1)三維場景瀏覽子系統。該系統利用Terra-Builder和TerraExplorer Pro制作三維場景數據，以DEM的高程信息來精確描述區域的地形起伏，以DOM的影像紋理來描述區域地表真實狀況，實現了海量三維地形場景瀏覽、三維場景的測量、圖層管理、信息查詢和專題統計分析等功能。

2)基礎地理數據發布應用子系統。該系統采用ArcGISAPIfor Flex開發的程序作為前端展現，后臺連接ArcGIS Server REST Service，采用Flex技術作為WebGIS的客戶端表現層，通過互聯網24 h在線向廣大公眾和企事業單位提供權威便捷的地理信息在線服務，包括定位查詢、行車導航、旅游指南、出版地圖瀏覽等日常生活所需地理信息服務。

三、關鍵技術

1.空間數據庫的構建模式

平臺采用空間數據庫的構建模式。從數據管理和數據集成的角度來看，其將空間數據按時態劃分為現勢數據、歷史數據和臨時工作數據。

按照入庫的要求經過預處理但尚未正式導入現勢庫的數據，稱為臨時工作數據。

向用戶提供的現勢性最好的成果數據，即現勢數據。現勢數據是數據庫系統管理和操作的主要數據，是向用戶提供的基本數據。它將各數據生產單位生產的原始采集數據，經過入庫檢查和整理，按照一定的地理單元，根據現勢數據管理的要求存儲在服務器的磁盤陣列中。

更新替換下來的成果數據，稱為歷史數據。歷史數據庫與現狀數據庫的結構基本相同，只是所管理的數據是被更新下來的成果數據。現狀數據被更新后，將原來的數據轉移到歷史數據庫中，形成歷史數據。

2.多粒度更新機制

平臺設計了按圖幅、要素等多種更新機制，針對不同的數據類型和數據特征采取覆蓋更新或要素更新的手段。覆蓋更新功能主要針對按圖幅生產數據的模式，實現批量圖幅的快速更新。該方法簡單便捷，但歷史數據冗余較大。要素更新針對局部范圍內數據的更新，實現小范圍的數據快速更新到基礎地理空間數據庫。該方法更新效率高，歷史數據冗余小，是一種增量的更新。

系統充分考慮這兩種更新方式的優勢，實現了基于區域和實體的全生命周期管理，高效地記錄了數據在不同時期的狀態，為跟蹤數據的變化提供了強有力的保證。

3.面向GIS與制圖一體化存儲顯示

GIS數據注重對地理實體空間性、特征性的反映，側重于空間信息和屬性信息。而制圖數據則注重從形式上對地球表面的自然地理和社會人文各要素作形象、直觀的描述，側重于實體對象的幾何信息，其核心是實體的符號化表達，缺乏對屬性數據的支持。兩者的差異主要體現在以下3個方面：①數據連續性;②數據完整性;③數據結構不同。

針對這種情況，平臺采用面向GIS與制圖的一體化存儲顯示策略。只建立一套基礎地理信息數據庫，用于數字制圖。系統通過該數據庫派生制圖數據，基于GIS的制圖表達功能實現地理實體的符號化表達，達到制圖規范的要求。

4.元數據的同步更新

平臺采用的元數據是參考美國聯邦地理數據委員會(FGDC)的《地理空間元數據的內容標準》和我國《地理信息元數據》(GB/T 19710—2005)國家標準進行構建。在原有基礎上，細化了元數據的層次，將元數據分為圖幅級元數據、圖層級元數據以及要素級元數據。其中，要素級元數據針對交通、水系等基礎地理要素中的重要地理實體(高速公路、江河等)進行創建，并制定其相關標準，豐富了對特殊要素的元數據內容，并采用XML來表達元數據，加強了元數據與地理信息數據之間的聯系，實現元數據同步更新。

5.基于皮膚的三維數據快速生成技術

傳統的GIS在不斷深入的應用中得到充分的發展，已經形成了成熟的產品系列并積累了大量的應用數據。為了能夠充分的利用已有的GIS軟件模塊和應用數據，同時發揮三維真正的優勢，平臺中的特定場景三維精細建模子系統采用了VRMap2.X基于皮膚的技術。在該技術里，二維GIS數據被看作骨架數據，而三維表現方式所涉及的數據作為皮膚數據。

皮膚技術將二維基礎數據與表現模型分離出來，在瀏覽時刻動態合成，大大降低了資源消耗，提高了系統效率。它將抽象數據世界(二維)與多態的真實世界(三維)完美的結合起來，如抽象的二維點、線、面可以生成標志建筑物、河流、樹林等。VRMap支持如下的皮膚技術。

1)公路、鐵路、管線的自動生成。

2)公路、鐵路兩側景觀自動生成，如路燈、樹林、電線桿等。

3)樓房、建筑物自動生成，包括各種房型的選擇。

4)區域地塊生成，如草地、樹林、水域等。

6.三維高速渲染引擎

平臺中的特定場景三維精細建模子系統在開發時采用了VRMap的高速渲染引擎，通過該引擎，系統實現了以下功能。

1)統一驅動體系，集成DirextX9.0的最新技術，并對高、低端硬件同時保持兼容。

2)實現并行圖形優化，對硬件提供的并行處理功能提供了最優化的支持。

3)紋理/影像壓縮處理，該渲染引擎提供了基于當前圖形技術的最優的渲染性能。引擎中引入了特殊的算法優化渲染流程，可以最大限度的發揮硬件效能。

7.建立三維場景實現海量數據瀏覽發布

基于TerraExplorer Pro二次開發組件開發三維場景瀏覽子系統。該系統基于數字高程模型、遙感影像數據等，充分利用三維GIS技術，對重要區域建立三維場景飛行模擬，并提供三維場景的縮放、導航、漫游、飛行和俯瞰等瀏覽操作功能和三維查詢等功能。

8.三維場景中矢量專題數據的多級顯示

平臺中的三維場景瀏覽子系統采用電子地圖多級顯示技術，對矢量數據進行多級顯示。從小比例尺三維場景到大比例尺三維場景，實時加載和顯示的專題矢量數據隨著比例尺的變化而變化。同時，為了使三維場景中的專題信息顯示更加合理，對注記層也進行了多級顯示，使得在瀏覽任意一個比例尺的三維場景時，場景中的專題信息。

9.注記始終清楚地顯示

地圖切片預生成技術與動態實時繪制相結合。

與傳統的Web應用不同，WebGIS在生成地圖時需要消耗大量的資源。如果將所有的矢量數據都在運行時進行生成，將會嚴重影響服務器的并發量和吞吐量。因此，為每個客戶動態的生成地圖是不經濟的，由于地圖生成速度慢，也會影響到用戶體驗。

平臺中的基礎地理數據發布應用子系統使用地圖預生成技術，可以采取預先繪制好的數據直接響應地圖請求，提升了服務器效率，縮短了響應時間;切片技術則將地圖進行分塊，減少數據在網絡上的傳輸量，有效節省了帶寬。

10.采用基于REST的ArcGISAPI for Flex開發Web應用

平臺中的基礎地理數據發布應用子系統采用ArcGISAPI for Flex開發的程序作為前端展現，后臺連接ArcGIS Server REST Service，而且不需要在本機上安裝ArcGISServer，只要通過網絡能夠連接到其他機器上的ArcGIS Server即可訪問資源。采用Flex技術作為WebGIS的客戶端表現層，極大提高了WebGIS的表現力和用戶體驗，采用REST風格的架構給WebGIS系統帶來了簡介和高伸縮性，并降低了服務器的負擔。

本系統使用ArcGISAPIfor Flex實現了以下功能。

1)基于自己的數據開發一個交互式的地圖。

2)在服務器上執行一個GIS模型并顯示出結果。

3)在ArcGISOnline提供的地圖上疊加自己的數據。

4)搜索GIS數據的某些特征及屬性并展現出來。

5)定位地址并顯示結果。

6)創建Mashups(從多個網絡資源中整合信息)。

四、結束語

縣級基礎地理信息平臺對地理空間數據的管理、應用與共享起到技術載體的作用，可以大幅減少重復投資、重復建設，節省大量資源。應用這個平臺，更多專業、更多類型的空間數據將從更深、更廣的角度被利用，產生滾雪球的效應。公眾可以廣泛便捷地使用各種類型的空間數據，從而節省人力、物力和時間，提高工作質量和效率，具有巨大的經濟社會效益。

［1］龔健雅，杜道生，李清泉，等.當代地理信息技術［M］.北京：科學出版社，2004.

［2］胡智仁.城市基礎地理信息系統的建設與數據共享探討［J］.江西科學，2007，25(3)：338-340.

［3］林向軍.數字吳忠地理空間信息系統的設計與實現［J］.現代測繪，2011，34(6)：48-50.

［4］李香清.市縣級基礎地理信息系統設計思路探討［J］.測繪通報，2012(6)：93-95.

［5］朱振華，侯敏.基于ArcEngine的基礎地理信息系統的設計與實現［J］.地理空間信息，2011，9(1)：87-90.