多源異構(gòu)國(guó)土規(guī)劃空間數(shù)據(jù)集成技術(shù)

繆謹(jǐn)勵(lì)，陶留鋒，尹兆峰

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 發(fā)展研究中心，北京 100037；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

編制國(guó)土規(guī)劃需要實(shí)現(xiàn)水、土地、礦產(chǎn)、人口、經(jīng)濟(jì)等海量、多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成與共享，多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集成技術(shù)及其應(yīng)用研究，對(duì)國(guó)土規(guī)劃理論、技術(shù)方法研究具有重要支撐作用，對(duì)新一輪國(guó)土規(guī)劃的大規(guī)模編制具有重要的實(shí)踐意義。

1 多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集成概述

多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集成指的是將來源不同、性質(zhì)不同、格式不同，分散在不同地方的空間數(shù)據(jù)，通過技術(shù)手段進(jìn)行整合，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，在統(tǒng)一的環(huán)境條件下，透明、協(xié)調(diào)一致地供其他軟件使用[1-4]。當(dāng)前，多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集成技術(shù)主要包括：數(shù)據(jù)源格式轉(zhuǎn)換方法、數(shù)據(jù)之間互操作方法和直接數(shù)據(jù)訪問方法等3種途徑。

1）數(shù)據(jù)源格式轉(zhuǎn)換方法是將多種來源的空間數(shù)據(jù)格式，通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換軟件，實(shí)現(xiàn)源數(shù)據(jù)格式和目標(biāo)數(shù)據(jù)格式之間的無損轉(zhuǎn)換。這是當(dāng)前地理信息系統(tǒng)軟件共享與集成多種格式數(shù)據(jù)的主要方法[5]。

2）數(shù)據(jù)之間互操作方法是指不同的數(shù)據(jù)，在遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的前提下，相互操作數(shù)據(jù)的方法，如開放地理空間信息聯(lián)盟Open GIS Consortium（OGC），為實(shí)現(xiàn)分布式環(huán)境下空間數(shù)據(jù)之間的互操作，制定了一套全面的規(guī)范，包括開放式地理空間數(shù)據(jù)模型（Open Geodata Model）、OGIS服務(wù)模型（OGIS Service Model）、信息團(tuán)體模型（Information Comunities Model）抽象規(guī)范和實(shí)現(xiàn)規(guī)范等。各廠商按遵照這些規(guī)范開發(fā)的GIS軟件，就能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)之間的互操作[6]。

3）直接數(shù)據(jù)訪問方法指的是一個(gè)GIS軟件支持多種數(shù)據(jù)格式，能夠在不改變?cè)磾?shù)據(jù)任何信息的情況下，直接訪問其他格式的數(shù)據(jù)。該方法不僅避免了頻繁的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，而且在一個(gè)GIS軟件中訪問其他格式的數(shù)據(jù)時(shí)，不要求用戶擁有該數(shù)據(jù)格式的源軟件，減少了用戶購(gòu)買軟件的費(fèi)用，提供了一種更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的多格式數(shù)據(jù)集成模式[7]。

根據(jù)國(guó)土規(guī)劃數(shù)據(jù)現(xiàn)有的管理方式，以及數(shù)據(jù)格式的特點(diǎn)，本文采用數(shù)據(jù)直接訪問模式下的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中間件技術(shù)實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)國(guó)土規(guī)劃數(shù)據(jù)的直接訪問。

2 國(guó)土規(guī)劃空間數(shù)據(jù)集成方法

2.1 國(guó)土規(guī)劃數(shù)據(jù)組成

與城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃、土地利用規(guī)劃、礦產(chǎn)資源利用規(guī)劃等專項(xiàng)規(guī)劃相比，國(guó)土規(guī)劃具有綜合性、戰(zhàn)略性、宏觀性等特征，其內(nèi)容不僅涉及陸海空資源統(tǒng)籌，地上、地表、地下資源統(tǒng)籌，還涉及自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)資源的統(tǒng)籌。國(guó)土規(guī)劃任務(wù)的多樣化，決定了國(guó)土規(guī)劃數(shù)據(jù)內(nèi)容的復(fù)雜性。總體來說，國(guó)土規(guī)劃數(shù)據(jù)主要包括：基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)、自然資源數(shù)據(jù)、環(huán)境與生態(tài)數(shù)據(jù)、災(zāi)害與災(zāi)難數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)等。

2.2 國(guó)土規(guī)劃數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

國(guó)土規(guī)劃編制需測(cè)繪、土地、地質(zhì)、水利、民政、環(huán)保等部門協(xié)同工作。2010年開始編制的《全國(guó)國(guó)土規(guī)劃綱要》，由國(guó)土資源部和發(fā)改委牽頭，財(cái)政部、環(huán)保部、住建部等共28個(gè)部委參與聯(lián)合完成[8]。國(guó)土規(guī)劃編制所需的數(shù)據(jù)，除了來源于國(guó)家測(cè)繪部門的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)之外，還包括土地、礦產(chǎn)、氣象、林業(yè)、生態(tài)環(huán)境等業(yè)務(wù)部門的專業(yè)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通常是由各部門負(fù)責(zé)收集、整理、管理和維護(hù)的，具有明顯的地域性、權(quán)屬性。另外，各業(yè)務(wù)部門信息化水平不同，其數(shù)據(jù)管理方式和數(shù)據(jù)管理軟件不同，造成數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、投影方式等不同，進(jìn)而使得國(guó)土規(guī)劃數(shù)據(jù)具有多來源、多格式、多投影方式等特點(diǎn)，這些差異和沖突給數(shù)據(jù)集成帶來了很大的困難。

2.3 國(guó)土規(guī)劃空間數(shù)據(jù)集成方法

為實(shí)現(xiàn)國(guó)土規(guī)劃多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的一體化集成，本文對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中間件技術(shù)和動(dòng)態(tài)投影技術(shù)進(jìn)行研究，并對(duì)其可行性進(jìn)行分析，其中針對(duì)數(shù)據(jù)格式多樣性的問題，采用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中間件技術(shù)解決；針對(duì)數(shù)據(jù)多投影方式的問題，采用動(dòng)態(tài)投影技術(shù)解決。

2.3.1 格式多樣化數(shù)據(jù)集成方法

GIS中間件是指在遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的前提下，能夠嵌入各類GIS系統(tǒng)的軟件[9]。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中間件是GIS中間件的一種，遵循OGC制定的地理數(shù)據(jù)互操作規(guī)范，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種格式數(shù)據(jù)源的直接訪問和操作。

OGC地理數(shù)據(jù)互操作規(guī)范，基于對(duì)象管理組織（Object Management Group，OMG）的CORBA、Microsoft的OLE/COM以及結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言（Structured Query Language，SQL）等技術(shù)，為不同平臺(tái)間服務(wù)器和客戶端之間數(shù)據(jù)請(qǐng)求和服務(wù)請(qǐng)求跨平臺(tái)調(diào)用，提供了統(tǒng)一的協(xié)議[10]。

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中間件實(shí)現(xiàn)了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)模型之間的映射，進(jìn)而在語(yǔ)義層面統(tǒng)一了對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的描述。它允許用戶在訪問過程中重新構(gòu)造數(shù)據(jù)，使得用戶可以根據(jù)特定要求，按需提取相同數(shù)據(jù)源中不同層面的數(shù)據(jù)內(nèi)容，而不必以單一的格式輸入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的重新構(gòu)造，避免語(yǔ)義不同造成的信息丟失[11]。

借鑒操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)思想，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中間件為兩層[12]（如圖1所示），一個(gè)數(shù)據(jù)源驅(qū)動(dòng)管理器對(duì)應(yīng)N個(gè)異構(gòu)數(shù)據(jù)源驅(qū)動(dòng)程序。客戶端應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)讀取接口直接訪問數(shù)據(jù)源驅(qū)動(dòng)管理器提供的統(tǒng)一操作界面，負(fù)責(zé)與多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中間件進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互，把客戶端軟件請(qǐng)求的數(shù)據(jù)源類型和操作動(dòng)作傳遞給多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中間件。另外，還負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)結(jié)果返回到客戶端軟件。

圖1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中間件框架圖

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中間件工作的具體流程如下：

1）客戶端軟件創(chuàng)建異構(gòu)數(shù)據(jù)源信息，并將數(shù)據(jù)源相關(guān)信息發(fā)送給數(shù)據(jù)源驅(qū)動(dòng)管理器。具體包括客戶端軟件在創(chuàng)建數(shù)據(jù)源信息之前，先判斷所請(qǐng)求加載的數(shù)據(jù)源是否為異構(gòu)數(shù)據(jù)；如果是多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，則客戶端軟件就創(chuàng)建數(shù)據(jù)源信息，并傳送給數(shù)據(jù)源驅(qū)動(dòng)管理器；否則就由客戶端軟件直接處理數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

2）數(shù)據(jù)源驅(qū)動(dòng)管理器根據(jù)異構(gòu)數(shù)據(jù)源的相關(guān)信息，加載對(duì)應(yīng)的異構(gòu)數(shù)據(jù)源驅(qū)動(dòng)程序，即異構(gòu)數(shù)據(jù)中間件。數(shù)據(jù)源驅(qū)動(dòng)管理器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)源信息，自動(dòng)匹配異構(gòu)數(shù)據(jù)源驅(qū)動(dòng)。

3）異構(gòu)數(shù)據(jù)源驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)具體的數(shù)據(jù)源訪問操作，然后將訪問結(jié)果返回到數(shù)據(jù)源驅(qū)動(dòng)管理器。

4）客戶端軟件發(fā)出查詢、檢索、修改、刪除請(qǐng)求，數(shù)據(jù)源驅(qū)動(dòng)管理器負(fù)責(zé)響應(yīng)，并負(fù)責(zé)完成對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)際處理，然后將結(jié)果返回給客戶端軟件。

5）客戶端軟件進(jìn)行結(jié)果數(shù)據(jù)顯示。

2.3.2 投影方式多樣化數(shù)據(jù)集成方法

動(dòng)態(tài)投影技術(shù)是一個(gè)實(shí)時(shí)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程，能夠根據(jù)處理分析或顯示的需要，實(shí)時(shí)變換坐標(biāo)系統(tǒng)。新投影坐標(biāo)系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)只用于顯示、查詢分析或結(jié)果輸出，實(shí)際的數(shù)據(jù)并未發(fā)生任何改變[13]。其核心思想是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)表現(xiàn)相分離[14]。

動(dòng)態(tài)投影技術(shù)能夠在不改變?cè)紨?shù)據(jù)投影方式的情況下，根據(jù)數(shù)據(jù)分析或顯示的需要，動(dòng)態(tài)調(diào)整后續(xù)圖層的投影方式，以實(shí)現(xiàn)多基準(zhǔn)國(guó)土規(guī)劃數(shù)據(jù)的無縫疊加。國(guó)土規(guī)劃數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)投影技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)投影流程

在國(guó)土規(guī)劃信息服務(wù)中，國(guó)土規(guī)劃數(shù)據(jù)的投影方式是可以動(dòng)態(tài)變化的。坐標(biāo)系統(tǒng)是以第一個(gè)加載到工作區(qū)中的圖層的坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，當(dāng)后加入圖層數(shù)據(jù)時(shí)，如果該圖層和當(dāng)前工作區(qū)的坐標(biāo)系統(tǒng)不同，則動(dòng)態(tài)進(jìn)行投影變換，把后加入的圖層數(shù)據(jù)投影變換到當(dāng)前工作區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理分析或顯示，而原始數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)則保持不變。

3 原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 多源異構(gòu)國(guó)土規(guī)劃數(shù)據(jù)集成技術(shù)

在具體實(shí)現(xiàn)過程中，對(duì)于不同來源的國(guó)土規(guī)劃數(shù)據(jù)，采用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中間件技術(shù)和動(dòng)態(tài)投影技術(shù)進(jìn)行集成。主要操作步驟包括：①在MapGIS的企業(yè)管理器目錄樹（Catalog）框架內(nèi)，右鍵單擊“GDBConnection標(biāo)簽”，在“MapGIS客戶端配置管理”對(duì)話框中點(diǎn)擊“MapGIS中間件”標(biāo)簽，進(jìn)行異構(gòu)數(shù)據(jù)中間件的配置和管理，并完成數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)庫(kù)添加等工作，實(shí)現(xiàn)在不改變?cè)紨?shù)據(jù)格式的前提下，對(duì)多源異構(gòu)國(guó)土規(guī)劃數(shù)據(jù)的集成，包括ArcGIS的Shape格式、Coverage格式和GeoDataBase格式以及MapGIS的6x、7.0、K9等格式。②根據(jù)數(shù)據(jù)訪問的實(shí)際需要，進(jìn)行動(dòng)態(tài)投影變換，將不同投影方式的國(guó)土規(guī)劃數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和操作、顯示相分離，在不改變?cè)紨?shù)據(jù)投影方式的情況下，實(shí)現(xiàn)多投影數(shù)據(jù)無縫疊加和混合處理分析。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能

原型系統(tǒng)以“宏觀尺度國(guó)土空間信息一體化集成技術(shù)”為研究背景，借鑒空間信息領(lǐng)域多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集成技術(shù)和方法，根據(jù)國(guó)土規(guī)劃數(shù)據(jù)組成和數(shù)據(jù)特點(diǎn)，以多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集成、管理與共享為目標(biāo)，以多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中間件技術(shù)和動(dòng)態(tài)投影技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了國(guó)土規(guī)劃多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集成原型系統(tǒng)，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案綜合考慮海量空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的集成管理、負(fù)載均衡、高并發(fā)訪問等問題。

原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能包括：①多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成管理功能；②海量空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理與索引功能；③實(shí)現(xiàn)對(duì)土地、礦產(chǎn)、水資源、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等國(guó)土規(guī)劃數(shù)據(jù)的集中管理與維護(hù)；④全面的數(shù)據(jù)檢查功能；⑤數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)分發(fā)、日志管理等功能；⑥專題數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)分析功能等。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中間件技術(shù)和動(dòng)態(tài)投影技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)國(guó)土規(guī)劃數(shù)據(jù)集成，能夠在不改變?cè)紨?shù)據(jù)存儲(chǔ)格式、投影方式的基礎(chǔ)上，滿足國(guó)土規(guī)劃編制信息服務(wù)的應(yīng)用需求，進(jìn)而保證各業(yè)務(wù)部門原有信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，系統(tǒng)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的支持，取決于異構(gòu)數(shù)據(jù)源驅(qū)動(dòng)的數(shù)量，為更廣泛地支持多種數(shù)據(jù)，需要開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)源驅(qū)動(dòng)，開發(fā)工作量較大。動(dòng)態(tài)投影的過程實(shí)質(zhì)上是實(shí)時(shí)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程，該過程計(jì)算復(fù)雜，運(yùn)算量大，對(duì)系統(tǒng)硬件配置要求相對(duì)較高。

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