基于服務式GIS建設“一張圖”系統的關鍵技術

甘宗平

（1.中山市基礎地理信息中心，廣東 中山 528400）

基于服務式GIS建設“一張圖”系統的關鍵技術

甘宗平1

（1.中山市基礎地理信息中心，廣東 中山 528400）

設計了基于服務式GIS建設國土資源“一張圖”系統的總體架構；并從區域權限、地圖服務設計、加密數據空間計算、數據庫動態更新和地圖瓦片管理等方面探討了其中涉及的關鍵技術，為其他類似系統的建設提供技術參考。

一張圖；服務式GIS；信息共享

國土資源“一張圖”系統是由國土部門主導建設的，對國土資源的行政活動進行實現與管理的綜合性GIS平臺。它以國土部門多源地理數據服務為依托，按照國土資源業務需求對地圖服務進行組合，并為其提供數據基礎。該系統的建設就是要搭建國土資源數據交換平臺，實現包括異構GIS平臺在內的國土資源信息共享應用。隨著GIS技術的發展，一種全新的基于服務的GIS技術為建設“一張圖”系統提供了好的解決方案[1]。該技術可將國土資源系統中所有數據和功能在適當的粒度下進行分解并封裝為GIS服務，以實現降低開發難度、數據共享與功能共享并舉、一次開發多次利用的目的。基于服務式GIS技術開發的中山市國土資源“一張圖”系統在實際運用中效果顯著，極大地提高了對各類數據的管理與相關業務的處理能力。

1 面向服務的系統架構設計

服務式GIS，就是把SOA架構、Web Services等相關理念和技術應用到GIS中，形成Services GIS[2]。面向服務的GIS架構設計相對于傳統的面向系統的體系架構（EOA）來說，在GIS設計中主要有兩方面積極作用：①對外提供符合OGC標準的服務接口可對各種GIS功能進行封裝，簡化模塊的實現；②降低各GIS基本功能模塊間的耦合性，提高組合性和移植性，可形成更豐富的復雜功能[3]。本文采用SOA模式和分層思想對國土資源“一張圖”系統進行分層，其架構如圖1所示[4]。應用層主要是國土資源“一張圖”軟件平臺及運行維護支持系統。網絡服務層包含兩大類，數據服務和業務模型服務采用Web Services技術封裝發布的Web服務；地圖服務利用GIS平臺發布符合OGC標準的地理信息數據服務，包括切片地圖服務（WMTS）、WMS、Web要素服務（WFS）等。GIS組件層是網絡服務封裝中所用到的專業地圖數據處理組件，包含投影轉換、空間分析、地圖渲染等。數據層包含基礎測繪地理數據和國土資源專題數據。國土資源專題數據主要作為底圖，可由公共服務平臺提供服務，主要包括矢量電子地圖、影像地圖、地勢圖、地名地址和POI等。它是和“一張圖”業務管理相關的數據，經過專業化的處理入庫，符合各業務科室對地理數據空間位置和屬性的需求。

2 關鍵技術

2.1 區域權限

在國土部門業務處理過程中，為實現數據安全，一般要求各行政區只對其管轄區域具有操作權限。傳統的地圖區域權限設計中，都是以地圖圖層與權限列表相結合的方式實現，過程較為復雜且易出錯。在服務式GIS基礎上實現空間區域權限，只需直接將區域訪問權限與地圖服務綁定即可，但需要對各行政區的主要數據增加“行政區代碼”字段，并單獨發布為服務，其關鍵步驟為：

1）在加密后的國土專題數據中增加“行政區代碼”字段，值為該集合實體空間位置所在行政區的行政區代碼，數據以行政區為單位控制訪問。

2）在ArcMap中按照建庫標準配置輸出專題圖，通過行政區代碼過濾數據，以行政區為單位輸出專題圖mxd文件。

3）在服務發布系統中按行政區創建用戶，用戶訪問的發布數據設置為行政區專題mxd文件。

4）在展示系統中通過對角色訪問數據源的控制實現用戶按行政區訪問數據的控制。

2.2 地圖服務

以OGC協議為標準，服務器端負責各類地圖服務的發布，客戶端向服務器端發送特定請求，以獲取所需的地圖和GIS功能。“一張圖”系統利用這種方式調用地圖，可以屏蔽平臺間的差異，便于服務聚合和數據共享與互操作，利于將服務分布在不同服務器上進行分布式計算。為實現數據共享和綜合管理，根據各類地理數據特點，在國土資源“一張圖”系統中，數據可由WMTS、地名地址要素服務（WFS-G）和WFS服務接口提供。

圖1 國土資源“一張圖”系統架構圖

WMTS是OGC在WMS的基礎上支持RESTful訪問的，提供獲取分塊地圖功能的服務。該服務通過多種協議獲取地圖瓦片，可提高服務的性能和收縮性。矢量電子地圖和遙感電子地圖由于數據量大，只作為底圖使用，所以將其發布為WMTS服務，請求返回為不同級別的地圖瓦片，可明顯提高系統獲取數據的性能。WFS-G以XML的形式返回地名地址的要素結構，客戶端利用地名地址的XML信息可實現地名、地址數據的查詢、檢索、定位等功能。在“一張圖”系統中，將根據相關地名地址規范建立的地名地址數據庫發布為WFS-G服務，可為整個系統提供與地名地址相關的功能。WFS以GML編碼的形式返回客戶端通過http向服務器端請求的要素，并提供對要素的插入、更新、刪除、檢索和發現等事務操作，能夠實現服務器端和客戶端在要素層面的“通信”。系統將諸如土地利用數據、基準房地價數據、宗地產權數據等需要經常查詢、更新的數據發布為WFS服務，可提高數據的利用價值，增強系統的管理能力。 系統中的圖形數據地圖服務如表1所示。

表1 國土資源“一張圖”系統服務列表

2.3 加密數據空間計算

國土專題數據是國家空間信息資源的重要組成部分，具有一定的敏感性，對于國土安全具有重要意義。因此在系統建設中，涉密數據必須經過保密處理，保密內容主要包括地圖數學基礎、位置精度、要素等方面。其中地圖數學基礎和要素的保密屬于嚴格保密內容，有相關法律法規進行約束，一般不對外發布。位置精度的保密可通過仿射變換對空間數據加入誤差進行多次變換的方式達到保密要求[5]。

但是，幾何實體坐標經過加密處理后會產生一定的變形，易對空間計算造成影響。大部分傳統的GIS系統都是直接將加密后的數據進行計算，得到一個不是很精確的值。但在“一張圖”系統中，諸如房產面積、產權紅線定位等都需要精確的空間計算值，因此系統在進行空間計算時設計了特殊的策略。對于精度要求不高的空間計算需求，直接使用加密后的數據進行計算并返回；對于精度要求高的空間計算需求，使用未加密坐標的原始數據進行空間計算，再將計算結果疊加到當前可視的數據源上，這樣可以同時滿足估算與精確計算的雙重需求，提高了系統的實用性。需要注意的是，在進行空間計算前應對數據源進行處理和轉換，只有在同一個坐標系下進行計算得到的結果才有意義。例如，“一張圖”系統中野外執法利用GPS采集的數據是WGS84坐標系，只有與常用的地圖坐標系匹配后，才能將誤差減為最小[6]。

2.4 空間數據庫動態更新

國土資源“一張圖”系統集成了大量國土部門的相關業務，其中面向公眾的窗口業務處理的都是和公民財產相關的工作，要求相關的專題數據庫能實時更新，以保證系統現狀數據庫中存儲的空間信息的現勢性。不同于關系數據庫實時更新的模式，空間數據庫無法直接實現空間數據的動態更新，需要設計其他的策略。對于并發用戶少，空間編輯簡單，耗時較少的情況，可將專題數據發布為WFS來完成。WFS具有插入、更新、刪除、查詢和發現操作的特性，事務型WFS還支持事務操作。利用這種模式就可以完成對地理要素的動態增刪改，達到客戶端操作與數據庫更新的同步性[7]。當多用戶同時對同一空間數據庫進行操作時，則不能簡單地通過鎖定訪問對象的方式實現，否則容易造成系統響應慢、處理時間長等弊端。此時，系統為各需對數據庫進行編輯的用戶臨時建立一個專屬的數據版本。每個用戶只需在自己的數據版本上進行增刪改等操作并記錄在對應的數據表中，當所有操作提交后，系統將用戶專屬的版本進行一致性處理后合并到主數據的原始信息表中，最后更新數據庫。由于國土業務數據的復雜性和多態性，無法用統一標準進行一致性處理，因此系統采用人機交互的方式。該更新方式可以避免數據更新過程中的長時間鎖定[8]，詳細流程如圖2所示。

圖2 空間數據庫動態更新流程

2.5 地圖瓦片的存儲與緩存

目前瓦片地圖服務都是基于文件方式進行圖片緩存。該方式實現簡單，但因瓦片集一般都是由海量小文件組成，對其進行遷移和備份都非常耗時，且嚴重影響服務器的IO性能。為避免此弊端，可借助分布式緩存系統Memcached構建一種瓦片存儲方案。在瓦片存儲時，按照“數據庫－圖層”方式設計庫結構，每個瓦片圖層都獨立存儲，地圖顯示時再按統一的拼接算法，多圖層即可實現任意疊加組合。由于對瓦片查詢的要求較低，每個瓦片集只需對應一個包含級別、瓦片定位點和數據實體二進制值的存儲表即可，其結構如圖3所示。此外，還應采用雙重緩存機制來避免頻繁地與數據庫交互，客戶端緩存可利用客戶端開發實現，服務器端借助Memcached分布式緩存系統來縮短地圖服務響應時間。這種瓦片存儲與緩存方案在不影響并發性能的前提下可以節約存儲空間，提升編碼重構速度和數據遷移速度[9]。

圖3 地圖瓦片的存儲與緩存

3 結 語

在基于服務式GIS建設中山市國土資源“一張圖”系統的實踐過程中，本文就其中涉及的區域權限、地圖服務設計、保密數據空間計算、數據動態更新和地圖瓦片的存儲與緩存等關鍵技術進行了研究，解決了系統建設中遇到的若干實際問題，希望對類似系統的建設提供借鑒。

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[2] 李圣文,龔君芳,吳信才.基于SOA 的GIS 應用框架[J].地球科學(中國地質大學學報),2010,35(3):480-484

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[6] 王占杰,曹江波,劉勇峰.空間計算中坐標計算的研究[J].微計算機信息,2006(13):284-286

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1672-4623（2016）07-0020-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.07.006

甘宗平，碩士，高級工程師，主要從事GIS開發與應用研究。

2014-11-26。

項目來源：國家自然科學基金重點項目資助項目（41431178）。