信息化條件下地理信息框架生產管理技術探討

張紅波，于 清

(73603部隊，江蘇 南京210049)

一、引 言

隨著信息化進程的不斷推進，軍隊測繪部門和國家測繪部門已經組織生產了系列比例尺基礎地理信息數據，較好地滿足了許多實際應用需求。但隨著需求的不斷深入，更新的速度、信息的管理、數據的分析應用等越來越成為迫切需求，傳統的以“圖幅”為單位的GIS應用模式已滿足不了實際應用的需要，傳統的“入庫和出版兩條腿走路”的理念，已經無法滿足作戰部隊和其他應用單位的需要，主要表現在：

1)以圖幅為單位進行地理信息數據的生產、管理和更新，由于地理信息數據本身并沒有圖幅邊界，以圖幅為單位組織數據勢必導致數據有重疊或裂縫，而且增加了地理信息數據裁剪和接邊的工作。隨著多尺度、大范圍空間應用的逐步增加(如城市應急指揮、區域反恐等)，以圖幅為單位的數據組織方式越來越不能滿足信息化條件下地理信息數據應用需求。

2)數據更新采用批量周期更新方式，不便于多人協調更新作業，導致動態信息無法實時更新，信息現勢性不高。這種更新方式限制了空間信息應用的時效性，總的來講，在地理信息數據生產管理上缺乏整體解決方案。

3)出版和入庫數據一直不能實現真正意義上的一體化，導致入庫和出版的工作量幾乎是對等的，影響了成圖周期。

地理信息數據的生產更新是一項長期工程，需要投入大量的人力、物力和時間。但是，目前對于地理信息數據的生產、更新，軍內甚至國內還主要是以“圖幅”為單位進行的，采用單人、單機、單任務的作業模式，處理效率低下，數據處理周期漫長，不利于數據的整體維護。如果能夠采用網絡環境下的多任務聯合工作模式，基于地理信息數據庫實現地圖數據的快速生產和更新，必將大大提高地理信息數據生產和更新的效率，從而更加及時迅速地滿足用戶的用圖需求。為此，本文提出了基于統一的數學基礎、數據標準和管理更新機制建立一個無縫的基礎地理空間信息框架和服務平臺，全面維護地理信息數據的生產、更新、管理、發布和應用，提高測繪生產效率與質量和測繪成果的應用能力，從而為用戶提供更好的空間信息服務。

當前成熟的數據庫具有版本管理、長事務處理操作，但這些操作通常是針對數據表和記錄的，不能很好地針對地理信息數據進行處理。為此，可對現有地理信息數據結構和地理信息數據庫結構進行擴展，并增加地圖、要素集、要素的版本信息，從而實現分布式地理信息數據采集、編輯、管理、協調操作以及動態維護。系統的總體框架如圖1所示，建立一個全局唯一的地理信息數據庫，數據庫中按地圖、要素集、要素3個層次組織數據，基于網絡實現分布式協調編輯與更新，并提供版本檢查、對比和合并等操作，確保地理信息數據的一致性。

圖1 分布式無縫地理信息數據生產、更新管理框架

二、技術實現

1.數據庫設計

要實現對地理信息數據的一體化無縫管理及應用，數據庫是其核心組成部分。地理信息數據庫應至少符合兩點要求：①可將空間數據與屬性數據統一存儲，建立描述空間實體間關系的數據模型，應支持矢量數據結構和柵格數據結構等常用的地理信息數據結構，在設計時除軍用標準的屬性字段外，增加相應的屬性字段;②應具備海量數據的管理能力。

因此，本文采用地理信息數據數據庫和數據引擎存儲和管理地理信息數據，基于B/S和C/S相結合的模式，實現建庫與入庫、動態更新、綜合應用、網絡發布等功能。地理信息數據是通過地理信息數據引擎統一入庫，用戶通過地理信息數據引擎對數據庫進行數據訪問(如圖2所示)。

圖2 地理信息數據庫的系統結構

2.數據錄入

(1)設置公用圖層或要素

為了便于用戶使用，針對一些特殊的圖層或要素，可設置公用圖層或要素，如境界層數據、測量控制點、高等級道路數據、鄉鎮以上居民地名稱等。這些圖層或要素獨立于比例尺之上，可在任意比例尺下進行地理信息數據應用，減少數據更新時的重復性工作。

(2)設置專用圖層或要素

專用圖層或要素是針對不同的比例尺而設置的。將同一比例尺的各類數據存放在一個表空間中，包括1∶1萬數據表空間(主要是部分訓練場的數據或國家局提供的重點區域的圖幅)、1∶5萬數據表空間、1∶10萬數據表空間、1∶25萬數據表空間、1∶50萬數據表空間、1∶100萬數據表空間等。為了易于使用管理，在每個表空間下分別建立不同類型的表，對應不同的數據類型。

(3)設置多種數據接口

數據接口的設置，要利于數據更新、維護和管理。比如，軍用標準格式、影像、GPS、國標數據接口的設置，可以實現快速的地圖更新;商用數據格式如MapInfo、MapGIS明碼格式、ArcInfo交換格式，可以更好地實現軍地數據資源的共享等。

(4)地貌庫的導入

以系列比例尺數據的DEM數據構建地貌庫，以便下一步的工作中快速生成地貌暈渲，以滿足不同不同任務的需求。

3.構建拓撲

為了便于進行空間分析(如疊置分析、緩沖區分析、剖度分析和優化路徑分析等)，需要對入庫的地理信息數據構建拓撲關系。拓撲關系作為地理信息數據的一部分直接錄入，或者直接對入庫的地理信息數據進行拓撲關系的重建，建立一個戰區范圍的無縫GIS數據，逐漸弱化地圖分幅的概念。這項工作會很煩瑣，面域的合并、偽節點的處理、交通和水系的拓撲等，只有部分工作可以自動實現，還有部分工作需要人機交互。

4.骨干數據整理

1)鐵路和高等級公路。

鐵路：在戰區范圍內將鐵路名稱起止點、編號、單復線、電氣化等等屬性以及鐵路車站的軍供、裝卸、車站等級等依托原始數據和鐵路部門參考資料整理清楚，大型的鐵路橋梁和隧道、隘口的屬性表示清楚，以便用作統計和查詢使用。

高速公路：在戰區范圍內將高速橫線、縱線、發射線、并行線和道路的編號、重合路段、總名、分段名整理清楚，還有高速上的重要橋隧。

國道：將高速橫線、縱線、發射線、編號、重合路段、過境情況整理清楚，還有重要橋隧的屬性。

2)縣以上境界：整理成拓撲結構完全正確的、無縫的政區面，可用于政區范圍內的統計和查詢，還可用于輸出政區范圍內的系列比例尺分幅圖數據。

3)水系：依據水系流域圖、1∶25萬聯合作戰圖和國家提供的河流代碼等級等，將流域、水系、名稱、河流代碼、主支流、河流等級等區分整理清楚，主要是五萬數據庫，為下一步專題圖的快速輸出奠定基礎。

4)鄉鎮以上居民地。

5)戰區范圍內以經緯網分幅的系列比例尺圖幅號及圖名。

5.檢查驗收

檢查驗收內容包括空間圖形能否和原始圖形無縫疊加、空間要素入庫內容是否遺漏、圖形信息是否分層錯誤、空間要素是否重復入庫等。

三、主要功能設計

隨著信息技術的高速發展，計算機網格計算、云計算等新技術的不斷出現，空間地理信息的生產、存儲、管理和分發的技術手段也在不斷更新，測繪面臨著從以電子地圖為代表的數字化測繪向以空間信息服務為代表的信息化測繪的轉變。根據用戶對地理信息數據應用的不同需求(如范圍、比例尺、圖層、屬性項、坐標系等)，從中心數據庫中提取所需信息。為了實現地理信息數據的按需提取，系統需要提供實時裁剪、屬性信息和拓撲信息的按需提取、坐標系和格式的可定制轉換等功能，提供標準的在線分析和處理服務(如WebService、Grid-Service等)。系統需要按照用戶級別進行管理，通過逐級權限管理，對不同用戶提出請求作出回應，認證后方可進行相應的操作。根據以上情況，地理信息數據生產管理系統可設計以下主要功能：

1.數據庫更新維護

為了提高數據更新的效率，確保數據更新質量，可提供基于數據庫的數據全面更新服務和變量更新服務。即在數據庫更新過程中或之后，只記錄或提取新版數據中發生變化的特征及其信息，然后將這些信息以變量文件的方式提供給用戶，并集成到原來客戶數據文件中，同時記錄數據的更新時間、采集人員等元數據信息。這樣的更新方式便于用戶查看更新版本，發現更新錯誤便于彌補和查究責任。更新過程中，每名作業人員有各自不同的更新權限，只對負責的特定區域和特定要素的信息進行更新，將更新區域內的地圖數據文件從數據庫下載到個人電腦上，進行實時更新后將數據提交到數據庫，實行自動化的任務分發和管理。推薦按要素類別進行信息更新，例如A只更新發生變化的四級以上公路及附屬設施，B只根據影像更新真形居民地輪廓等，這樣可以實現技能專業化，大大提高工作效率。

數據更新應采用定期更新與動態更新相結合的方式。大批量數據采用定期更新，小范圍數據或重要要素采用動態更新，主要可以依靠現勢資料通報進行草繪或依據遙感站獲取的即時影像更新骨干數據(主要是交通)。數據更新應盡量利用已有數據庫成果，同時將原來的舊數據作為歷史數據存放到歷史庫中，更新后的數據需要與周圍的數據進行融合處理。

2.信息管理

1)存儲。地理信息數據以數據庫形式存儲，時刻保持最新的數據庫，克服了分幅管理的諸多不便。

2)發布。在以往領取數據的過程中，數據的整理、區域所涉及圖幅的計算等，都需要較大的工作量，而且有時現勢性難以保證。現在，可以設置按行政區域輸出圖幅，按經緯度范圍輸出圖幅等功能。

3.信息服務

1)常規地形圖服務。常規地形圖服務是最常用信息服務，按照圖式的要求設置符號和注記，加載坐標系的經緯網和方里網。常規地形圖可以按圖號顯示，也可以按照行政區域、作戰區域或經緯度范圍顯示，相當于快速實現之前分幅圖的裁切拼接。另外，可以通過加載不同坐標系的坐標網，實現不同坐標系的圖幅。

2)專題地圖或底圖服務。根據定制規則，比如選取鄉鎮以上居民地、縣級以上公路、縣級以上行政區等，快速生成專題底圖。還可以設置幾種不同的符號顯示方案，為專題圖制作提供不同的需求方案。

3)電子地圖服務。按照數據金字塔的形式以不同的窗口比例尺來顯示不同比例尺的數據庫，實現電子地圖服務功能。也可以提供以電子產品(例如MP4、電子詞典、手機存儲卡)形式存在的電子地圖。

4)電子沙盤服務。利用已建成的地貌庫，以貼紋理或貼影像的方式顯示三位地景，并配以某些要素和注記，根據用戶需求形成電子沙盤。也可在電子沙盤上實現態勢標繪。

5)導航圖服務。主要顯示交通和居民地關節點的拓撲關系，以電子導航圖的模式顯示，連接GPS或北斗定位系統后，便可進行導航。

6)單兵導航器服務。需要借助于導航器，數據服務器可以通過無線網絡將數據即時發送到導航器，依靠北斗即可實現導航功能。美軍早已經實現單兵GPS導航系統的配備，不久的將來，我軍也將配備單兵北斗導航系統。

4.數據查詢統計

這項功能設計主要基于SQL數據庫語言的擴展查詢。

1)按區域查詢、統計、定位。以往在制作圖集的過程中，往往碰到一處描述的道路關節點，很難定位它在那里，而現在可以根據此系統進行查詢定位。

2)按要素種類查詢、統計、定位。要統計戰區范圍內，庫容量在1億m3以上的水庫有多少，目前可以說很難實現;建成系統之后，只需用幾句數據庫語言就可以實現了。

5.成果檢查

程序自動檢查，主要指能夠利用現有的成果庫對即將入庫或更新的地理信息數據進行匹配檢查，包括坐標系的檢查、空間要素分布合理的驗證以及要素屬性項的比對等，從而對地理信息數據質量進行一個整體評價。

四、結束語

分布式地理信息數據組織、更新、管理主要是針對當前數據生產中存在的問題提出的，這與當前正在使用的成熟生產流程和操作相比雖有較大差異，但有利于打破以圖幅為單位數據組織的局限性，有利于提高數據的現勢性和數據生產更新的效率，確保地理信息數據的成圖速度和整體質量。但建立一個這樣的測繪產品生產體系是一項龐大的工程，需要經過長期的技術積累和生產實踐，相關技術需要通過不斷的試驗和論證。

(略)