基于網(wǎng)絡(luò)GIS的精測(cè)網(wǎng)成果管理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

張盧奔

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

1 概述

鐵路測(cè)繪精測(cè)網(wǎng)成果主要包括國(guó)家平面和高程點(diǎn)資料、框架控制網(wǎng)(CP0)、基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPⅠ)、線路平面控制網(wǎng)(CPⅡ)和高程控制網(wǎng)這幾大類成果數(shù)據(jù)[1]。目前，在許多測(cè)繪工程的實(shí)際應(yīng)用中，精測(cè)網(wǎng)成果數(shù)據(jù)的管理還是以單獨(dú)的紙質(zhì)或者數(shù)字文件存儲(chǔ)為主，數(shù)據(jù)的可管理性、共享性與流通性較低[2]，存在著點(diǎn)之記管理和測(cè)量專冊(cè)調(diào)整困難、測(cè)量成果更新不及時(shí)、數(shù)據(jù)成果權(quán)限不清和保密工作難以到位等問(wèn)題。傳統(tǒng)的成果管理方式已經(jīng)無(wú)法實(shí)時(shí)且迅速地滿足工程對(duì)于數(shù)據(jù)資源管理、共享與保密的需要。并且，傳統(tǒng)的測(cè)量成果管理方法也難以直觀地表現(xiàn)控制點(diǎn)的空間分布位置以及與周圍其他控制點(diǎn)的相關(guān)情況，這給測(cè)量工作的開(kāi)展帶來(lái)一定的不便。

近年來(lái)，測(cè)繪工作者通過(guò)各種方式方法探索提高管理測(cè)量控制成果的效率[3-6]，但是這些方法在用戶界面的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、跨平臺(tái)應(yīng)用等方面存在一些缺陷，如UCDOS、Oracle Spatial平臺(tái)下的系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)地圖瀏覽，而Google和傳統(tǒng)ArcGIS平臺(tái)下的成果信息發(fā)布網(wǎng)絡(luò)化與電子化功能不夠強(qiáng)大。以下所述系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用網(wǎng)絡(luò)GIS的精測(cè)網(wǎng)成果管理信息系統(tǒng)來(lái)達(dá)到網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和精測(cè)網(wǎng)信息管理技術(shù)的集成創(chuàng)新，通過(guò)這些技術(shù)的有機(jī)結(jié)合與互補(bǔ)，探索一種新的精測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息管理模式和技術(shù)支撐框架，并通過(guò)具體實(shí)踐應(yīng)用，探討這種技術(shù)框架的可行性與可運(yùn)用性。

2 網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)[7]是在GIS的基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行拓展與補(bǔ)充，提供在線空間分析和管理功能的空間信息管理和服務(wù)平臺(tái)，使得GIS的功能不再局限于單個(gè)用戶端，而是可以同時(shí)給予多個(gè)用戶提供功能服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)本身具有以下特點(diǎn)：(1)數(shù)據(jù)成果(包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)等)都以空間數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)形式放置在唯一的后臺(tái)服務(wù)框架之上，使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)具有統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)[8]；(2)客戶端用戶通過(guò)特定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議向網(wǎng)絡(luò)GIS平臺(tái)發(fā)出數(shù)據(jù)和功能請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)GIS平臺(tái)收到請(qǐng)求后經(jīng)過(guò)計(jì)算和分析，再將數(shù)據(jù)和分析結(jié)果返回給客戶端，大量的數(shù)據(jù)分析和計(jì)算任務(wù)由后臺(tái)服務(wù)端來(lái)完成，這樣既能減輕客戶端硬件壓力，又能夠保證GIS服務(wù)的及時(shí)性；(3)網(wǎng)絡(luò)GIS系統(tǒng)的客戶端對(duì)于平臺(tái)的依賴性較低，通常客戶端只需通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器就可使用網(wǎng)絡(luò)GIS系統(tǒng)提供的功能，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)GIS系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

3 精測(cè)網(wǎng)成果管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的定位與目標(biāo)

建設(shè)基于網(wǎng)絡(luò)GIS的精測(cè)網(wǎng)成果管理信息系統(tǒng)，提供精測(cè)網(wǎng)成果的綜合集成化管理及資源整合與共享相應(yīng)功能，主要內(nèi)容包括：綜合電子地圖、測(cè)量數(shù)據(jù)入庫(kù)與導(dǎo)出的測(cè)量數(shù)據(jù)管理、成果數(shù)據(jù)瀏覽查詢與編輯共享、成果信息統(tǒng)計(jì)與分析等。通過(guò)該系統(tǒng)可達(dá)到如下目的：

(1)實(shí)現(xiàn)對(duì)精測(cè)網(wǎng)成果的綜合統(tǒng)一集成化管理；(2)實(shí)現(xiàn)精測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)成果信息發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)化與電子化。

3.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

基于網(wǎng)絡(luò)GIS的精測(cè)網(wǎng)成果管理信息系統(tǒng)利用Web GIS、空間數(shù)據(jù)庫(kù)[9]、網(wǎng)絡(luò)通信等信息技術(shù)，根據(jù)鐵路測(cè)繪工程的需要，將這些技術(shù)與精測(cè)網(wǎng)成果的管理與共享工作相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)精測(cè)網(wǎng)成果的數(shù)據(jù)庫(kù)管理、電子地圖瀏覽查看、網(wǎng)絡(luò)分發(fā)與共享等功能。

在系統(tǒng)硬件方面，將系統(tǒng)后臺(tái)集中布置在統(tǒng)一的服務(wù)端，以保證系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)行的穩(wěn)定性和易管理性。在軟件開(kāi)發(fā)方面，利用成熟可靠的地理信息平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)等框架為基礎(chǔ)，根據(jù)精測(cè)網(wǎng)成果管理成果的需要，開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的功能模塊。在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方面，采用內(nèi)網(wǎng)與公用外網(wǎng)相結(jié)合的方式，重要的保密數(shù)據(jù)在內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行傳輸，而公開(kāi)數(shù)據(jù)則可以通過(guò)公網(wǎng)發(fā)布，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性、保密性和穩(wěn)定性。

3.3 系統(tǒng)的總體框架

在系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上，建立應(yīng)用軟件層/信息處理層/數(shù)據(jù)支撐層的多層結(jié)構(gòu)，不同的服務(wù)層具有不同的應(yīng)用特點(diǎn)。數(shù)據(jù)層支持空間和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的讀取和存儲(chǔ)，業(yè)務(wù)層通過(guò)對(duì)組件層的應(yīng)用封裝，提供簡(jiǎn)潔實(shí)用的業(yè)務(wù)操作服務(wù)，表現(xiàn)層以地圖和圖形菜單等形式表現(xiàn)，提供可視化的操作方式。

數(shù)據(jù)層：主要提供整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以及各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。這一層的服務(wù)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)分為空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)等。空間數(shù)據(jù)包含了地理信息數(shù)據(jù)以及入庫(kù)的測(cè)量數(shù)據(jù)；屬性數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)著每個(gè)測(cè)量點(diǎn)等的相關(guān)說(shuō)明；元數(shù)據(jù)為描述數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)”。

業(yè)務(wù)層：業(yè)務(wù)層主要提供面向最終用戶使用的各類服務(wù)，其內(nèi)容包括綜合地圖子系統(tǒng)，測(cè)量數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，成果管理子系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)與分析子系統(tǒng)，用戶管理子系統(tǒng)。

表現(xiàn)層：表現(xiàn)層主要包括人機(jī)交互服務(wù)和輸入輸出服務(wù)等。這一層次的服務(wù)和其它服務(wù)都有一定的相關(guān)性，主要采用HTML5技術(shù)和JavaScript技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

基于網(wǎng)絡(luò)GIS的精測(cè)網(wǎng)成果管理信息系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)示意

4 精測(cè)網(wǎng)成果管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 開(kāi)發(fā)與支撐環(huán)境

系統(tǒng)采用目前Web系統(tǒng)較為成熟的Spring MVC框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，服務(wù)端采用組件式開(kāi)發(fā)，所有功能封裝為低耦合模塊，以達(dá)到較好的通用性。

系統(tǒng)以PostgreSQL+PostGIS[10]作為空間數(shù)據(jù)庫(kù)支持，以實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)和快速檢索查詢。地理服務(wù)器采用GeoServer[11]，支持并提供各類標(biāo)準(zhǔn)的地圖服務(wù)，能夠?qū)ο到y(tǒng)的電子地圖瀏覽功能提供穩(wěn)定可靠的服務(wù)支撐。該系統(tǒng)將空間數(shù)據(jù)庫(kù)和地理服務(wù)器與系統(tǒng)框架進(jìn)行融合對(duì)接，以形成一個(gè)統(tǒng)一完整的Web GIS系統(tǒng)平臺(tái)。

4.2 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

(1)系統(tǒng)功能的劃分

將精測(cè)網(wǎng)成果管理平臺(tái)分為五個(gè)功能子系統(tǒng)：綜合地圖、測(cè)量數(shù)據(jù)管理、成果管理、統(tǒng)計(jì)與分析、用戶管理[12]。以上功能子系統(tǒng)建立在統(tǒng)一的軟件平臺(tái)之上，軟件平臺(tái)是各子系統(tǒng)共同的基礎(chǔ)平臺(tái)，主要包括統(tǒng)一認(rèn)證單點(diǎn)登錄、數(shù)據(jù)信息標(biāo)準(zhǔn)、角色權(quán)限分配[13]等，功能劃分如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能的劃分

(2)綜合地圖子系統(tǒng)

將遙感影像、行政區(qū)劃、道路水系等多種基礎(chǔ)地理信息與測(cè)繪成果數(shù)據(jù)相結(jié)合，集成到一個(gè)地圖之上，達(dá)到直觀清楚和成果融合的效果。提供地圖的瀏覽、放大、縮小、圖層加載等功能(如圖3)。

圖3 電子地圖瀏覽

(3)測(cè)量數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

提供對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的上傳、信息查閱、下載和修改刪除等管理功能，通過(guò)“項(xiàng)目負(fù)責(zé)人”欄對(duì)已上傳的數(shù)據(jù)查看后，決定該數(shù)據(jù)是否合格，如果合格，則對(duì)該測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析及入庫(kù)，作為該項(xiàng)目的正式項(xiàng)目數(shù)據(jù)永久保存，否則將該數(shù)據(jù)移除(如圖4)。

圖4 測(cè)量數(shù)據(jù)管理

(4)成果管理子系統(tǒng)

提供了對(duì)測(cè)量成果服務(wù)發(fā)布、公開(kāi)共享和使用者權(quán)限等功能，該子系統(tǒng)能夠?qū)σ呀?jīng)入庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行服務(wù)發(fā)布，能夠在地圖中查看數(shù)據(jù)，并且提供了對(duì)數(shù)據(jù)使用權(quán)限的限制功能(如圖5)。

圖5 成果管理

(5)統(tǒng)計(jì)與分析子系統(tǒng)

提供了對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)成果的空間查詢、空間分析、統(tǒng)計(jì)分析等功能。空間查詢：用戶在綜合地圖中對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行查詢，并將結(jié)果展現(xiàn)在地圖上，查詢的方式包括地圖點(diǎn)選取和空間范圍篩選、空間條件查詢[14]等。空間分析：用戶在綜合地圖中對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行空間類型分析。統(tǒng)計(jì)分析：通過(guò)數(shù)據(jù)表對(duì)特定數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并以圖表的形式展現(xiàn)。

(6)用戶管理子系統(tǒng)

主要包括用戶對(duì)自己的基本信息進(jìn)行修改，以及登陸平臺(tái)的認(rèn)證安全等相關(guān)功能[15]。對(duì)不同的人員(單位總工、技術(shù)負(fù)責(zé)人、測(cè)量專冊(cè)、外業(yè)隊(duì)技術(shù)員)開(kāi)放不同的查看和編輯權(quán)限(如圖6)。

圖6 用戶管理

4.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)

基于網(wǎng)絡(luò)GIS的精測(cè)網(wǎng)成果管理信息系統(tǒng)涉及兩種類型的數(shù)據(jù)庫(kù)—空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。精測(cè)網(wǎng)成果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，而系統(tǒng)其他非地理數(shù)據(jù)則存儲(chǔ)在屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中。

空間數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)在于支持點(diǎn)、折線、多邊形等復(fù)雜空間矢量對(duì)象的存儲(chǔ)和特定空間求交，而且對(duì)于海量空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索有著特定優(yōu)化的效率。在系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)中，會(huì)將用戶上傳的精測(cè)網(wǎng)成果數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)處理成符合PostGIS要求的數(shù)據(jù)形式，并且指定空間參考系和編碼形式，存儲(chǔ)在空間數(shù)據(jù)庫(kù)中。對(duì)于成果數(shù)據(jù)中的每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，都會(huì)建立唯一的空間索引，對(duì)應(yīng)著具體的坐標(biāo)值和附加字段量。以這些坐標(biāo)點(diǎn)索引為基礎(chǔ)，構(gòu)成線路、網(wǎng)、多邊形等復(fù)雜空間實(shí)體，建立空間邏輯關(guān)系。

系統(tǒng)項(xiàng)目?jī)?nèi)容、用戶信息等非空間屬性數(shù)據(jù)則以二維表的形式存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中。對(duì)于用戶的每一個(gè)特定項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，都有一個(gè)特定的項(xiàng)目?jī)?nèi)部編號(hào)。該編號(hào)作為項(xiàng)目管理的核心，是其他屬性數(shù)據(jù)的關(guān)鍵索引，對(duì)項(xiàng)目中的特定信息內(nèi)容，都是通過(guò)項(xiàng)目編號(hào)索引找到檢索信息的數(shù)據(jù)表，從而進(jìn)一步提取具體數(shù)據(jù)。通過(guò)項(xiàng)目編號(hào)就可建立所有屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息的統(tǒng)一便捷管理。