上海城市多尺度時空地理信息大數據庫研究和應用*

毛煒青

0 引言

上海城市多尺度時空地理信息大數據的建設是在國家推進地理信息公共服務平臺以及上海智慧城市3年行動計劃大背景下開展建設的，其主要目標就是構建一個真正意義上的地理數據庫，從而滿足地理信息網絡化服務的需求，以更好地為社會服務。用數據庫

管理空間數據早在本世紀初就已經有所研究和成果，一般都是按照原有地形圖的比例尺分類分別構建多個空間數據庫[1]，這已經為城市規劃、建設與管理，城市信息化，社會經濟發展做出了很大貢獻。應該說早期的空間數據庫的建設和應用是基礎測繪從數字化到信息化的巨大飛躍，但我們必須看到大多數人對于空間數據庫的理解還是沒有脫離數字化地形圖的概念，無論是作業部門還是質檢部門一般看重的是數據的圖形表現，比較容易忽視數據空間關系和屬性信息的生產和檢查。這一方面在于地理信息的采集和應用長期以來都是以用圖為主要目的，更重要的還在于由于技術條件的限制無法對具體的地理要素高度抽象，即為了滿足國家地形圖的制圖規范要求，通常采用很多輔助空間實體來表達某一類地物，往往導致信息的重復加工和轉換的困難。這樣的空間數據庫并不是真正意義上的“地理數據庫”[2]。

當前的社會發展對地理信息的需求更為廣泛，特別隨著是網絡技術的發展，各政府部門對基礎地理數據的需求更加迫切，對地理信息服務提出了數據權威、服務實時、接口標準、內容全面、更新快速的新要求[3]。構建多尺度時空地理信息大數據庫，提供不同比例、時態和級別的地理信息服務是技術發展的必然選擇。

圖1 地理要素的骨架線（抽象化）和符號化表達

圖2 連續空間庫不同比例尺區域的無縫拼接可視化效果

1 多尺度時空地理信息大數據庫的構建

多尺度時空地理信息大數據庫（以下簡稱“地理數據庫”）的構建不是簡單對原有分比例尺的空間數據庫進行技術升級，也不是增加幾個圖層或擴充幾項屬性。地理數據庫的構建的一個核心問題就是解決地理信息面向對象方式的采集和表達，即地形要素的骨架線存儲（抽象化）和多應用的符號化表達，如圖1所示。

用特定的符號來表達地形和地貌是地圖的基本功能，從而形成了由各種符號、色彩與文字構成表示空間信息的一種圖形視覺語言，即地圖語言。不同比例尺和專題的地圖所采用的地圖語言是不同的，正如不同國家的文化交流需要翻譯一樣，在傳統的地圖制圖過程中，不同地圖語言的轉換“翻譯”是通過人工實現的，而不是通過計算機去自動實現。雖然我們已經在使用計算機進行數字化測圖，但大多數情況下這個過程僅僅只是把鉛筆換成鼠標，把白紙換成屏幕，輸出的成果仍然以人能夠讀懂為標準。在地理信息廣為應用的今天，地圖語言的表達更為豐富，地圖語言轉換的計算機自動化實現無疑是能夠提高各類地理信息加工效率和質量的有效手段。面向對象是軟件開發方法的主流，但面向對象的概念和應用已超越了程序設計和軟件開發，擴展到很寬的范圍，比如人工智能等等，面向對象的概念同樣適用于測繪工作。地圖語言計算機自動化轉換的實現依賴于如何定義一個被描述的對象，例如要表述現實世界中的電力線，以往通常是采用一個點表示電桿，并在同樣的位置用若干個帶有方向的的光芒線點符號表示電力線的走向。這樣的對象定義不需要額外的計算方法，但是一旦需要進行地圖語言轉換，如大比例尺地圖到小比例尺地圖的綜合，則只能通過人工進行。從面向對象的角度考慮，電力線的定義應該是一根連續的折線，同樣對于大比例尺地形圖中常見的樓梯臺階也是如此。地理數據庫只存儲要素的骨架線和相應屬性信息，不保存任何輔助線劃與制圖要素，由動態符號化機制實現圖形可視化顯示，將徹底解決GIS信息與地形圖制圖的一致性問題。圖2所示為不同比例尺之間的無縫接邊效果，其主要特點可以歸納如下：

在地理數據庫中，不再有“比例尺”的概念，其所存儲的信息不僅包含傳統的地形要素，還包含其他專業領域所需要的專題空間要素。

地理數據庫中不存儲無意義的輔助空間實體，比如僅為特定比例尺制圖使用的輔助線等等。

地理數據庫可以有區域的概念,有面積的概念，但不一定有分幅的概念。

地理數據庫的另一重要特征是它內部的信息是完整、不間斷的。理論上，一條地理信息應該作為一條記錄保存在數據庫內。

地理數據庫能夠保留歷史信息，采用長事務機制形成版本管理和歷史回溯[1]。

通過統一數據結構來支持空間數據的多級表達，包括運用面向對象方法，語義數據模型等技術，可以把原有的分別用1:500、1:1000、1:2000比例尺表達的空間數據三庫合一，有機融合，建立真正意義上的地理數據庫。這樣可以更加有效地從地理數據庫中產生出多種專題、多種比例尺的可視化表達和空間信息產品，不但可以節省數據庫建設費用，方便數據維護，還能夠大大縮短數據生產周期，實現地理數據庫多層次高效的網絡服務。

地理信息大數據庫在建設過程中充分吸收了社會應用的需求，在原有的國家基礎測繪標準的基礎上擴充了大量的符合上海市規劃以及其他多個行業可用的專題空間圖層和屬性字段，共計88個大類九百多個專題，例如道路面（圖3），建筑物高度（圖4），城市框架（圖5），街坊面（圖6），門牌號（圖7）。

其中道路面中包含了獨立的十字路口面；建筑物高度分別存儲了建筑對應地面高程、樓頂高程以及樓頂障礙物高程；城市框架數據蘊含了道路，鐵路、河流中心線；街坊面根據城市形態形成了獨立封閉區劃面和道路面等相關面狀數據，形成了覆蓋上海市域的面狀空間數據；門牌號則囊括上海市所有道路和樓宇的門牌號。這些數據的采集和數據庫管理的實現極大地擴大了地理信息數據庫的應用廣度和深度，使基礎測繪向信息化服務邁出了堅實的一步。

圖3 道路面

圖4 建筑高度

圖5 城市框架

2 多尺度時空地理信息大數據庫的維護體系

地理數據庫的構建是否成功，最終還是要看維護體系是否有效。高度對象化測繪方式對生產環節中的各級人員都是一次全新認識和挑戰。對于測圖人員來說需要建立面向對象的概念；對于質檢人員來說除了要求檢查圖面的完整性，還要求檢查數據的拓撲性，符號表達完整性等等；對于數據庫維護人員來說要求考慮高效的同步更新過程，滿足網絡服務的數據要求。據此，在圖8中描述了一套比較可行的，以地理數據庫為核心的維護和應用流程。

在上述流程中首先是研究和定制了數據采集編輯平臺，編輯平臺應該能夠實現空間實體骨架線編輯和符號化顯示；其次是需要考慮的是地理數據庫的接邊問題，傳統的不同比例尺間的地形圖以圖幅為單位進行接邊。“三庫合一”后存儲不同比例尺地理空間數據，不同比例尺間的地理數據不能再以圖幅為單位進行接邊。在這一區域應當以街坊為界，以保持空間數據的完整和連續。盡管這一變化非常小，但對于習慣傳統生產管理方法，仍然需要通過相應技術手段滿足要求[4]。第三是初步實現地形要素的自動縮編技術。通過自動縮編技術的實現，多尺度時空地理信息大數據庫可以派生出多種專題子庫，其更新方式則可以采用“級聯更新”的模式，即在原有數據基礎上，只對發生變化的數據進行相應更新，并將這些變化更新傳遞到其派生數據庫上，以實現多系列數據的級聯更新。第四是空間數據元數據的應用。利用增量數據進行更新，關鍵是建立有效的增量數據的獲取、管理和控制機制，這就需要充分考慮元數據的應用。元數據在整個多尺度地理數據庫更新流程上繼續發揮了重要作用[5]。元數據是數據的一種，是結合整個數據生產不斷完善和優化的。隨著多尺度時空地理信息大數據庫建設的完成，一個顯著特點就是矢量地理信息在一個統一的架構體系下實現了綜合管理，但又必須面對不同的地理信息的應用方式和更新方式，例如三維地理數據庫，地下綜合管線庫，因此元數據在數據的快速統計分析以及可追溯等方面必然發揮新的作用。

圖6 街坊面

圖7 門牌號

圖8 以地理數據庫為核心滿足網絡服務需要的級聯更新流程

3 多尺度時空地理信息大數據庫多領域應用實現

數據庫建設的最終目的是為了應用，地理數據庫的建設為基于在線的地理信息服務的實現打下了堅實的基礎。由于采用了面向對象高度信息化存儲方式，空間數據的提取和擴充變得異常容易。常規的地圖編制和發布有了更靈活的手段（圖9），通過全自動的信息表達，同一個區域的空間數據可以靈活自由地進行配置，既可以滿足專業的地形用圖需要，也可以滿足普通用戶對地理信息的需求，特別是地理信息在線服務技術的發展，用戶可以第一時間獲得最新的地理信息，并且無需購買專用的地理信息軟件，直接接入常用業務系統中。基于網絡使用地理數據庫一般可以按照應用環境分為兩種類型，即瀏覽器應用和桌面應用兩種方式。

圖9 靈活高效的地理信息可視化轉換

所謂瀏覽器應用，即用戶通過瀏覽器在線獲取地理信息服務，前提是用戶自有的系統也是在瀏覽器上使用。目前這種應用方式已經成為信息化系統的主流。地理信息服務同其他網絡服務（Web Services）一樣是采用HTTP和FTP等標準協議和其他互聯網通用標準，使用者可以在不同的地方通過不同的終端設備訪問WEB上的數據并集成到瀏覽器。區別于直接訪問地理數據庫，通過網絡服務訪問地理數據庫的信息，能夠在一定程度上保障地理數據庫的安全，另外也能夠通過數據的組合提供多類型服務，這些服務可以滿足用戶部門對基礎地理信息的一般性需求，如地圖可視化、地名查詢等，也包括WMF、WFS的應用。一般來說基于瀏覽器的地理信息應用主要以看圖為主，輔助以一定的位置定位和路徑分析，通過和其他專業數據綜合利用地理數據庫強大的空間分析功能完成基于瀏覽器的專題圖顯示，查詢和統計，如圖10所示把原有只有地址文本的應急避險場所通過地址定位“落地”到地圖上直觀可視，進一步可以進行空間統計分析，對其他行業例如規劃來說都極具參考價值。

除了信息瀏覽以外，基于瀏覽器的應用還可以進一步拓展簡單的畫點畫線或畫面等繪圖功能，相比較專業的桌面應用系統在空間圖形編輯上無法完成更復雜的功能，此時就需要在常用的桌面軟件中實現在線地理信息服務的調入，完成基于空間庫的分布式調入應用。本文通過常用桌面軟件，如AutoCAD、ArcMap，實現了地理數據庫網絡服務的桌面應用。主要考慮這一類用戶往往需要在專業的軟件上編輯和制作自己的專題信息，如規劃部門需要對道路數據進行高效的空間圖形捕捉獲取道路邊線的節點坐標等在桌面軟件上才能使用的功能。以往的做法一般是通過購買DWG圖以后直接放入到規劃師的CAD環境下進行，現在在一定的安全策略下直接通過網絡分層即可獲取規劃所需的矢量數據，也可以載入影像等其他空間地理信息，如圖11所示的數據獲取界面。實現這一策略有以下幾個步驟：一是在桌面軟件上實現圖形特征讀寫和符號化解釋等地理數據庫基本接口。二是通過網絡服務獲取授權用戶所能獲得的地理數據庫骨架數據。三是在桌面客戶端利用符合化接口進行骨架線的可視化，可視化方法根據用戶權限分為兩種，一種是動態可視化，一種是靜態可視化。前者可以在骨架顯示和符號顯示之間自由切換，同時保留了空間實體的其他屬性，后者是不保留骨架線，骨架線在符號化后打散，形成一組沒有特別意義只能表達一定地圖語義的點線。四是在桌面軟件上實現其他以瓦片格式發布的地理信息服務的調用，例如影像，全要素矢量地形服務等等，以彌補由于數據安全原因無法獲取高精度矢量圖形信息帶來的參照要素缺失的不足。

圖10 基于瀏覽器應急疏散場所地圖表達

圖11 AutoCAD環境下地理信息服務的直接鏈入

綜合上述地理數據庫的網絡服務的應用可以是多環境、多級別、多形式的。所謂多環境就是實現在AutoCAD和ArcMap等常用桌面環境下的網絡服務的調用，而不僅局限于瀏覽器；多級別就是指多安全級別的數據獲取，我們可以設定用戶只獲取瓦片服務也可以設定用戶獲取部門矢量圖形，在矢量圖形獲取過程中還可以區分是否提供信息齊全的骨架數據還是符號化后的圖形數據；多種類就是能夠讓用戶在統一環境下獲取多種類型的基礎地理信息，不同級類別的信息都可以在一個坐標參照系下疊置使用。上海城市多尺度時空地理信息大數據庫建設的主要目標就是要為上海智慧城市建設構建統一的時空信息基礎平臺，實現政府信息資源共享，避免信息孤島和重復建設，為政府決策服務，為社會公眾服務。通過地理數據庫目前已經形成以下幾方面專題應用。

（1）服務政府管理：最直接的就是服務規劃土地管理等，例如根據規劃用地匯總圖與地理數據庫的建筑物數據疊加，對各現狀用地或規劃用地地塊進行用地面積及建筑量的統計，包括建筑基地面積、建筑面積、建筑密度等統計，在臨港、虹橋商務、迪斯尼等新開發區域都采用了地理信息服務的方式實現了各自土地批租和用地規劃。在其他領域，還可以對戶外廣告，架空管線，道路規劃，不可移動文物管理方面等提供強大的數據服務。

（2）服務企業發展：地理數據庫中的地下管線以及地面架空管線信息可以為管線公司的管線建設、管理與維護提供很好的服務。例如架空管線長度的統計隨著地理數據庫存儲方式的改變，從原有的點狀要素表達電桿的方式進化到以連續的線狀實體存儲，使得管線長度的計算非常容易。

（3）服務社會民生：通過地理數據庫中的門址數據、道路數據POI數據形成強大的地址定位和出行規劃等在線服務，接入“12345”市民熱線、應急指揮等專業的平臺；通過不同種類的地理信息組合形成種類多樣的專題地圖等直接為社會大眾提供豐富的地理信息服務。

（4）服務領導決策：通過在線方式或者移動載體，把地理數據庫的內容形成多種專題利用空間計算分析等功能實現定位、瀏覽、標注、空間分析等多項功能。為領導及時了解情況，做出科學決策服務。

以地理信息公共服務平臺為前端應用的多尺度時空地理信息大數據庫自運行以來，受到政府及社會的廣泛關注，目前已經實現了如消防地理信息平臺、不可移動文物管理、戶外廣告管理、民防應急管理（圖11）等40多個應用，發揮了較好的經濟和社會效益。

4 結語

地理數據庫的建設是數字中國和數字城市研究和建設中最基礎的一項工作，隨著近年來測繪技術的飛躍發展和地理數據庫的建立，測繪服務能力顯著提高，服務形式也呈現多樣化。本文全面圍繞網絡服務的內涵對構建真正意義的地理數據庫做了實踐性的研究，完成了上海城市多尺度時空地理信息大數據庫的構建和運維體系，并在提高基礎地理信息質量、轉換效率以及最終的服務能力等方面做了積極的嘗試。地理數據庫的建設是一項長期艱巨的工作，只有在實踐中不斷總結才能不斷得到提高。在地理信息的應用日益廣泛的今天，服務是測繪地理信息發展的生命線，也是測繪地理信息工作價值的體現，地理數據庫以及配套服務平臺的建設適應了社會發展的需求，地理信息的更新周期也從原有的中心城區半年，郊區重點城鎮一年，全市其他區域二年提速到中心城區半年，其他區域一年，即“0511”的節奏。隨著上海智慧城市建設的推進，地理數據庫中類型的擴充和動態更新也勢在必行，地理信息的按需測繪以及快速提供不僅依賴于技術的發展，更需要多方一起合作共同構建信息共享的環境，把地理信息的作用最大程度發揮出來。

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