浙中城市群地理空間框架建設(shè)模式及關(guān)鍵技術(shù)研究

葉遠(yuǎn)智，張朝忙，張 劍

(浙江省地理信息中心，浙江杭州310012)

一、引 言

城市群是指在特定的地域范圍內(nèi)具有相當(dāng)數(shù)量的不同性質(zhì)、類型和等級(jí)規(guī)模的城市，依托一定的自然環(huán)境條件，以一個(gè)或兩個(gè)超大或特大城市作為地區(qū)經(jīng)濟(jì)的核心，借助于現(xiàn)代化的交通工具和綜合運(yùn)輸網(wǎng)的通達(dá)性，以及高度發(fā)達(dá)的信息網(wǎng)絡(luò)，發(fā)生與發(fā)展著城市個(gè)體之間的內(nèi)在聯(lián)系，共同構(gòu)成一個(gè)相對(duì)完整的城市綜合體［1-2］。城市群是城市化達(dá)到一定階段的必然產(chǎn)物，其存在是區(qū)域城市化與城市區(qū)域化的重要表現(xiàn)。當(dāng)前，城市群已成為全新的國(guó)家參與全球競(jìng)爭(zhēng)與國(guó)際分工的基本地域單元，它的發(fā)展深刻影響著國(guó)家的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有重大意義［3］。基于城市群的建設(shè)模式可以有效地整合城市群異質(zhì)資源，優(yōu)化資源配置，促進(jìn)城市群的快速發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)基于城市群的研究多集中于輻射極化等效應(yīng)對(duì)區(qū)域發(fā)展的影響［1，4-6］，而對(duì)基于城市群的地理空間框架建設(shè)的研究相對(duì)較少。

地理空間框架由基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)體系、目錄與交換體系、公共服務(wù)體系、政策法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)體系和組織運(yùn)行體系構(gòu)成，是以公共服務(wù)為導(dǎo)向的國(guó)家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。浙中城市群在浙江地區(qū)及國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中起著重要作用，其區(qū)域經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、規(guī)劃、宏觀決策等都離不開地理空間框架的支持［7-9］。浙中城市群地理空間框架建設(shè)模式及關(guān)鍵技術(shù)研究有助于突破行政區(qū)域劃分的束縛，形成統(tǒng)一的信息基礎(chǔ)設(shè)施及平臺(tái)，促進(jìn)空間信息等生產(chǎn)要素跨行政區(qū)域的合理流動(dòng)。本文在廣泛總結(jié)前人研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，引出了浙中城市群地理空間框架建設(shè)模式，并重點(diǎn)探討了分布式動(dòng)態(tài)空間數(shù)據(jù)庫(kù)體系模型、網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)、瓦片服務(wù)動(dòng)態(tài)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、雙鏈路負(fù)載均衡等關(guān)鍵技術(shù)，為國(guó)內(nèi)其他基于城市群的建設(shè)模式及智慧城市相關(guān)建設(shè)提供借鑒和參考。

二、基于城市群的地理空間框架建設(shè)模式

1.浙中城市群概況

浙中城市群位于浙江省中部，金衢盆地以東，包括金華市域(金東區(qū)、婺城區(qū)、義烏市、東陽(yáng)市、永康市、蘭溪市、浦江縣、武義縣、磐安縣)，以及衢州市的龍游縣、麗水市的縉云縣和諸暨南部在內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)區(qū)，浙中城市群的位置與范圍如圖1所示，覆蓋總面積達(dá)1.36萬(wàn)km2，常住人口600萬(wàn)人。2011年，浙中城市群整個(gè)地區(qū)的城市化水平高達(dá)60.45%［4］。

圖1 浙中城市群位置與范圍示意圖

2.浙中城市群地理空間框架建設(shè)模式

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化水平較高的東部地區(qū)，城市群的發(fā)展和完善是推進(jìn)城市化的主要途徑［6］。我國(guó)目前的地理空間框架建設(shè)均是以單個(gè)完整的行政區(qū)域?yàn)榛締挝唬S著信息化、城市化的加速發(fā)展，城市的綜合發(fā)展受整個(gè)區(qū)域發(fā)展的影響越來(lái)越強(qiáng)烈，作為城市信息化基礎(chǔ)性信息資源的地理空間框架建設(shè)從單個(gè)城市的層面轉(zhuǎn)到城市群的層面加以統(tǒng)籌考慮變得十分必要。

在此背景下，浙中城市群地理空間框架建設(shè)在地理信息公共服務(wù)平臺(tái)方面提出并采用了基于城市群的建設(shè)模式。該模式以金華市為主中心，以義烏為副中心，以東陽(yáng)、永康等浙中城市群其他縣(市)為分中心。主中心負(fù)責(zé)地理信息資源和各類專題共享信息資源的集成、管理并統(tǒng)籌數(shù)據(jù)的共享和交換，同時(shí)承擔(dān)為各分中心和城市群內(nèi)政府部門提供服務(wù)及注冊(cè)管理工作;副中心實(shí)現(xiàn)共享交換數(shù)據(jù)的異地備份，同時(shí)在數(shù)據(jù)服務(wù)訪問(wèn)量激增時(shí)分擔(dān)主節(jié)點(diǎn)服務(wù)壓力;分中心負(fù)責(zé)維護(hù)各自行政區(qū)域內(nèi)的共享服務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，各分中心間相互獨(dú)立并通過(guò)主中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享;城市群內(nèi)各政府部門通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)和將本部門發(fā)布的服務(wù)注冊(cè)到共享服務(wù)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了星型分布的部門間的數(shù)據(jù)共享與交換。各中心通過(guò)服務(wù)權(quán)限控制保持對(duì)本單位共享服務(wù)數(shù)據(jù)的管理，不具備單獨(dú)建設(shè)地理信息資源數(shù)據(jù)庫(kù)及提供共享服務(wù)能力的部門采用數(shù)據(jù)前置交換、數(shù)據(jù)托管、服務(wù)器托管等形式將共享服務(wù)數(shù)據(jù)上載到主中心進(jìn)行集中管理，通過(guò)主中心進(jìn)行共享服務(wù)的發(fā)布;同時(shí)以數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)規(guī)程及質(zhì)量檢查規(guī)定為主線，規(guī)范城市群地理空間框架建設(shè)的全過(guò)程。

整體而言，基于城市群的地理空間框架建設(shè)模式以共享服務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯集中為主，突破了傳統(tǒng)行政區(qū)域劃分的束縛。城市群的發(fā)展本質(zhì)是信息網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)、資金網(wǎng)絡(luò)、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)等眾多網(wǎng)絡(luò)的形成及發(fā)展，基于城市群的地理空間框架建設(shè)為地理信息等生產(chǎn)要素跨行政區(qū)域的合理流動(dòng)提供了統(tǒng)一的、法定的信息基礎(chǔ)設(shè)施及平臺(tái)，對(duì)于城市群內(nèi)信息網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)等的建設(shè)具有積極的推動(dòng)作用。

三、浙中城市群地理空間框架建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

地理空間框架建設(shè)的核心是基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)體系，最終目的是實(shí)現(xiàn)共建共享，涉及空間數(shù)據(jù)模型、接口規(guī)范、集成規(guī)范等多種技術(shù)及技術(shù)體系。浙中城市群地理空間框架建設(shè)涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括分布式動(dòng)態(tài)空間數(shù)據(jù)庫(kù)體系模型、網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)、瓦片服務(wù)動(dòng)態(tài)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、雙鏈路負(fù)載均衡等。

1.分布式動(dòng)態(tài)空間數(shù)據(jù)庫(kù)體系模型

地理空間框架數(shù)據(jù)具備海量、多源異構(gòu)、多時(shí)相、多分辨率等特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)建庫(kù)及實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中面臨多重表達(dá)、持續(xù)協(xié)同更新、時(shí)空動(dòng)態(tài)顯示等諸多問(wèn)題，因此空間數(shù)據(jù)模型研究在地理空間框架建設(shè)中顯得十分重要。空間數(shù)據(jù)模型的發(fā)展經(jīng)歷了CAD數(shù)據(jù)模型、Coverage數(shù)據(jù)模型和面向?qū)嶓w的空間數(shù)據(jù)模型3個(gè)階段。浙中城市群地理空間框架建設(shè)針對(duì)共享服務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)采用的分布式動(dòng)態(tài)空間數(shù)據(jù)庫(kù)體系模型基于面向?qū)嶓w的空間數(shù)據(jù)模型提出，如圖2所示。

圖2 分布式動(dòng)態(tài)空間數(shù)據(jù)庫(kù)體系模型

通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將與浙中城市群相關(guān)聯(lián)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)和程序的分布式處理，其主要內(nèi)容包括空間數(shù)據(jù)的分布式查詢、分布式并發(fā)控制等，同時(shí)通過(guò)前置交換技術(shù)對(duì)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新(即分中心數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理)后，主中心相應(yīng)數(shù)據(jù)將動(dòng)態(tài)更新保持與分中心數(shù)據(jù)的一致，反之亦然。分布式動(dòng)態(tài)空間數(shù)據(jù)庫(kù)體系模型中的參與數(shù)據(jù)庫(kù)均具有獨(dú)立自治性，參與庫(kù)體均采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)將現(xiàn)實(shí)世界抽象為由若干對(duì)象類組成的數(shù)據(jù)模型，每個(gè)對(duì)象類有其屬性、行為和規(guī)則，對(duì)象類間又有一定的聯(lián)系;按層次將地理數(shù)據(jù)組織成數(shù)據(jù)對(duì)象，并存儲(chǔ)在要素類、對(duì)象類和要素集中［10-11］。該模型在空間數(shù)據(jù)庫(kù)體系之上為用戶提供了一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享交換環(huán)境，從而滿足了城市群間各城市共享交換數(shù)據(jù)庫(kù)的動(dòng)態(tài)共享與交換。

2.網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)

網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)(catalog service for the Web，CS/W)是開放式地理信息系統(tǒng)協(xié)會(huì)(Open Geospatial Consortium，OGC)制定的一套空間信息目錄服務(wù)規(guī)范，最新版本是 2007年 4月發(fā)布的 Version 2.0.2。網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)描述了地理空間數(shù)據(jù)和服務(wù)的發(fā)布，以及訪問(wèn)的框架原理及其標(biāo)準(zhǔn)，是檢索、管理與維護(hù)分布在不同地方的地理信息(包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、測(cè)繪檔案、地理信息應(yīng)用系統(tǒng)、地理信息服務(wù))的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)規(guī)定了目錄服務(wù)的接口、綁定的協(xié)議及框架結(jié)構(gòu)，并且設(shè)定了不同的用例模型來(lái)規(guī)劃如何具體實(shí)現(xiàn)對(duì)地理空間數(shù)據(jù)和服務(wù)的目錄發(fā)布、搜索和訪問(wèn)［12-14］。其中，網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)系統(tǒng)級(jí)用例如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)系統(tǒng)級(jí)用例

網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)規(guī)范中的用戶可以是與系統(tǒng)交互的個(gè)人、組織或其他軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)中包含4種類型的用戶角色:①信息發(fā)布者，向元數(shù)據(jù)庫(kù)提交元數(shù)據(jù)記錄，這樣，信息查詢者就可以檢索到相應(yīng)的信息，信息發(fā)布者通常也是元數(shù)據(jù)描述對(duì)象——地理信息資源的持有者;②中介/代理人，這是一種特殊的信息發(fā)布者，代理地理信息資源持有者發(fā)布元數(shù)據(jù)記錄;③信息查詢者，通過(guò)元數(shù)據(jù)服務(wù)查詢?cè)獢?shù)據(jù)記錄，了解相應(yīng)的信息資源的狀況;④元數(shù)據(jù)服務(wù)提供者:這是一個(gè)處理發(fā)布和查詢?cè)獢?shù)據(jù)的系統(tǒng)，同時(shí)，該系統(tǒng)還具有從其他元數(shù)據(jù)服務(wù)收集元數(shù)據(jù)記錄的功能。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)，各種客戶端應(yīng)用系統(tǒng)可以通過(guò)一致的方式(如標(biāo)準(zhǔn)接口和操作)對(duì)各種資源進(jìn)行搜索，而且理想情況下都基于統(tǒng)一的信息模型，即相同的目錄數(shù)據(jù)內(nèi)容和結(jié)構(gòu)，因此，客戶端應(yīng)用系統(tǒng)可以高效地搜索各種信息資源。OGC的網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)定義了一套接口和操作，但要建立一個(gè)滿足該規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)器，必須針對(duì)特定的需求建立相應(yīng)的信息模型，包括網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)可管理的元數(shù)據(jù)、支持的查詢語(yǔ)言、支持的檢索項(xiàng)、響應(yīng)的查詢結(jié)果集等，這對(duì)于保證不同網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)器之間的互操作性至關(guān)重要。浙中城市群地理空間框架建設(shè)涉及多個(gè)城市的元數(shù)據(jù)體系，網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)為保證城市間不同部門同構(gòu)及異構(gòu)數(shù)據(jù)體系之間的互操作提供了基礎(chǔ)支撐。

3.瓦片服務(wù)動(dòng)態(tài)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

空間信息服務(wù)的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換一直是地理信息共享交換的研究熱點(diǎn)，目前，矢量地圖服務(wù)動(dòng)態(tài)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但對(duì)瓦片服務(wù)動(dòng)態(tài)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的研究較少。瓦片服務(wù)是地圖服務(wù)中使用頻率最高的一種服務(wù)［15］，當(dāng)不同坐標(biāo)系之間的瓦片服務(wù)需要互操作時(shí)，瓦片服務(wù)固定投影技術(shù)就不能滿足實(shí)際需要。瓦片服務(wù)動(dòng)態(tài)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是指現(xiàn)有瓦片服務(wù)根據(jù)請(qǐng)求的空間參考信息自動(dòng)生成新的瓦片服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了一套瓦片即可滿足多個(gè)不同投影、不同坐標(biāo)系統(tǒng)的服務(wù)發(fā)布需求。

瓦片服務(wù)動(dòng)態(tài)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的邏輯流程如圖4所示。客戶端對(duì)原始瓦片發(fā)出瓦片請(qǐng)求，原始瓦片根據(jù)客戶端提供的空間參考信息。首先在瓦片緩存模塊中查找該參考信息下的瓦片是否動(dòng)態(tài)生成過(guò)，若已緩存，則直接將處理后的緩存瓦片直接返回給客戶端;若請(qǐng)求的參考信息下的瓦片尚未生成，則利用瓦片處理模塊對(duì)原始瓦片進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和圖像重采樣操作，并將實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換生成后的瓦片存入瓦片緩存模塊，同時(shí)將轉(zhuǎn)換后的瓦片返回給客戶端。

圖4 瓦片服務(wù)動(dòng)態(tài)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換邏輯流程

瓦片服務(wù)動(dòng)態(tài)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)支持標(biāo)準(zhǔn)及自定義投影的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，并能夠?qū)崿F(xiàn)不同橢球之間瓦片服務(wù)的七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等操作。

4.雙鏈路負(fù)載均衡

雙鏈路負(fù)載均衡技術(shù)根據(jù)主機(jī)連接請(qǐng)求自動(dòng)評(píng)估鏈路可用性，并將通信流量分配到該主機(jī)與服務(wù)器通信時(shí)間最小值的鏈路:在雙鏈路系統(tǒng)中主機(jī)與服務(wù)器存在兩條獨(dú)立鏈路，鏈路負(fù)載均衡技術(shù)根據(jù)主機(jī)IP地址將通信自動(dòng)分配到最適鏈路;而另一條鏈路則作為備份，在必要時(shí)分擔(dān)通信流量，解決流量峰值超出最適鏈路通信能力的問(wèn)題。更重要的是，當(dāng)最適鏈路連接發(fā)生故障時(shí)，數(shù)據(jù)流將平滑的轉(zhuǎn)向備份鏈路，保證了鏈路系統(tǒng)的高可用性，有效規(guī)避了單條鏈路故障帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)和網(wǎng)絡(luò)帶寬不足等諸多問(wèn)題。

浙中城市群的地理空間建設(shè)模式以金華、義烏為主，副中心統(tǒng)籌數(shù)據(jù)共享與交換，從而形成兩條獨(dú)立并通信的鏈路。雙鏈路負(fù)載均衡技術(shù)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)出口鏈路的自愈化、流量均衡化和訪問(wèn)快速化，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了通信鏈路的容災(zāi)備份，提高了鏈路系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證了基于城市群的地理空間框架建設(shè)的運(yùn)行。

四、總結(jié)與展望

隨著信息化、城市化的加速發(fā)展，以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化的趨勢(shì)，基于城市群的建設(shè)模式將成為未來(lái)城市相關(guān)建設(shè)的主要模式。本文以浙中城市群為例，介紹了基于城市群的地理空間框架建設(shè)模式，重點(diǎn)探討了分布式動(dòng)態(tài)空間數(shù)據(jù)庫(kù)體系模型、網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)、瓦片服務(wù)動(dòng)態(tài)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、雙鏈路負(fù)載均衡等關(guān)鍵技術(shù)。本研究是基于城市群相關(guān)建設(shè)的有益實(shí)踐，可拓展應(yīng)用于智慧城市的相關(guān)建設(shè);同時(shí)，筆者認(rèn)為以下幾個(gè)方面有待進(jìn)行深入研究。

1.時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究

地理信息數(shù)據(jù)具備隨時(shí)間變化的時(shí)空特性，時(shí)空數(shù)據(jù)的表達(dá)和處理，以及對(duì)復(fù)雜地理現(xiàn)象的描述是未來(lái)空間數(shù)據(jù)模型發(fā)展的必然趨勢(shì)。現(xiàn)有空間數(shù)據(jù)模型沒(méi)有引入時(shí)間維的概念，缺乏對(duì)于地理實(shí)體及地理事件的歷史狀態(tài)分析能力，后續(xù)應(yīng)深入時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究，使數(shù)據(jù)庫(kù)成為地理實(shí)體的歷史檔案庫(kù)，為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和決策分析提供詳實(shí)的時(shí)空數(shù)據(jù)支持。

2.基于城市群的智慧城市相關(guān)建設(shè)

基于城市群的建設(shè)模式研究是對(duì)傳統(tǒng)的按照行政區(qū)域劃分的突破。在智慧城市階段，基于城市群的智慧城市相關(guān)建設(shè)將是智慧城市、智慧省區(qū)間的重要補(bǔ)充和拓展。城市群實(shí)質(zhì)上是一個(gè)多重網(wǎng)絡(luò)的集合，從而擁有更多的異質(zhì)資源和動(dòng)態(tài)能力，為相關(guān)建設(shè)提供了根本性的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因此，有必要在基于城市群的智慧城市相關(guān)建設(shè)方面進(jìn)行深入研究和探索。

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