城市基礎地理空間勘測數據共享平臺設計

王曉明

(山東省地質測繪院, 山東 濟南 250000)

0 引言

城市基礎地理空間勘測數據共享平臺是數據信息化的產物,能夠簡化城市基礎地理空間勘測的流程,提升勘測效率。城市基礎地理空間勘測數據共享平臺的研究背景為：由于城市基礎地理空間勘測需要多個單位與部門協同開展,導致各單位與部門的數據無法進行及時、有效地共享,系統與數據的重復構建情況也較為普遍,導致嚴重的資源浪費[1]。并且,各城市基礎地理空間勘測數據系統的構建標準也有所不同,導致各系統之間往往無法實現數據的共享與交互,數據模型與數據來源的差異對數字城市的構建造成了嚴重的阻礙。因此,必須構建城市基礎地理空間勘測數據共享平臺,以實現城市基礎地理空間勘測數據的實時共享。國內外對于城市基礎地理空間勘測數據共享平臺的開發與研究都非常重視[2]。美國于1994年首次提出空間國家數據基礎設施的概念,國外于20世紀60年代開始正式開發與城市基礎地理空間勘測數據相關的數據共享系統。美國有研究者設計了一種基于數字高程模型的城市基礎地理空間勘測數據共享平臺。在該平臺上,公眾能夠下載、瀏覽、查詢地理、地質、商業、生物、大氣、農業等城市基礎地理空間勘測數據[3]。國內的相關開發與研究工作則相對起步較晚,文獻[2]中提出一種二三維一體化的城市基礎地理空間勘測數據共享平臺,能夠實現二三維數據的共享。由于以上兩種平臺在進行城市基礎地理空間勘測數據共享時,受到元數據數量過大的影響而無法對元數據進行管理,請求次數在160次范圍內數據服務響應時間較長,因此需要設計一種新的城市基礎地理空間勘測數據共享平臺。

1 設計城市基礎地理空間勘測數據共享平臺

為實現各城市基礎地理空間勘測數據系統間數據的實時共享與交互使用,改善系統與數據的重復構建情況,設計了城市基礎地理空間勘測數據共享平臺，其架構圖如圖1所示。

圖1 城市基礎地理空間勘測數據共享平臺架構圖

由圖1可知,該平臺共由八個模塊構成,包括服務器模塊、數據管理模塊、數據處理模塊、網絡服務模塊、地圖操作模塊、元數據管理模塊、數據共享模塊、用戶需求描述模塊。

1.1 設計服務器模塊

服務器模塊由數據庫服務器和應用服務器與客戶機設備構成,其中數據庫服務器的具體配置如圖2所示[4]。

圖2 服務器模塊網絡部署圖

其中,選取配置為硬盤360 G、雙千兆網卡、SCSI Ultra型號磁盤內部驅動器的數據庫服務器和應用服務器,百兆以太網自適應網卡、顯示器分辨率為1024×1280的客戶機設備。

硬件平臺由網絡、服務器和存儲設備等構成。地理信息資源共享平臺的網絡環境,其主干為千兆光纖網。硬件平臺建設的重點是在城市基礎地理信息中心的核心節點配置數據庫服務器和應用服務器等,提供數據的存儲和應用服務,并通過網絡與其他各部門專業系統建立聯系。硬件平臺由區級層面統一建設,各部門專業系統的硬件設備由各部門自行配置。為了充分利用已有的信息資源,設計的GIS軟件具備良好的開放性,包括除支持多種硬件平臺、操作系統、數據庫以外,還能夠將已有的各種格式的數據轉換為目前可用的數據類型,并支持多種數據格式的相互轉換。

1.2 設計數據管理模塊

基礎地理空間勘測數據管理模塊主要通過ArcSDE空間數據引擎來實現基礎地理空間勘測數據管理的功能[5-6]。該空間數據引擎的具體結構如圖3所示。

圖3 空間數據引擎的具體結構

其中客戶端是一種應用程序,分為間接和直接類型的客戶端。客戶應用是一種程序設計接口,能夠對客戶端請求進行處理。應用服務器負責執行搜索空間與提取數據等工作,將與搜索條件相符的數據在服務器端緩沖,并向客戶應用發送緩沖數據[7]。在該空間數據引擎中,ArcSDE充當了服務器端與客戶端的中間件角色,能夠實現空間勘測數據管理的相關技術,使各個客戶端進行高效互操作與數據共享。除此之外,該空間數據引擎還提供了一種對空間數據庫進行直接訪問的連接機制,即使不直接安裝應用服務器,也能通過客戶端接口對空間請求進行轉換,并將其轉換為SQL命令向RDBMS發送然后反饋結果[8]。在該空間數據引擎中,還能夠利用TCP/IP對所有異構網絡與同構網絡進行橫跨,并通過API進行檢索與查詢函數的存取與開放,以及進行版本管理與長事務處理。

1.3 設計數據處理模塊

基礎地理空間勘測數據處理模塊由三個單元組成,包括壓縮數據單元、快速檢索數據單元以及數據備份單元[9]。基礎地理空間勘測數據處理模塊中各單元的具體功能如表1所示。

表1 數據處理模塊各單元的具體功能

上述表格中,所采用的實現技術具體解釋如下:MrSID技術:MrSID(Multi-resolution Seamless Image Da-tabase)多分辨率無縫數據庫是由美國Los Alamos國家實驗室發明的新一代圖像壓縮、解壓、存儲和提取技術;ECW壓縮技術作為一種基于小波的圖像壓縮開放標準,提供了較先進的大型/超大型圖像壓縮技術;DWT技術即離散小波變換技術,對基本小波的尺度和平移進行離散化;FTP技術即網絡上廣泛應用的文件傳輸技術;GF技術即數據的備份、管理技術。

1.4 設計網絡服務模塊

網絡服務模塊主要是通過網絡服務模型來實現平臺的網絡服務功能,通過數據格式與網絡協議進行通信[10]。網絡服務模型是一種基于分布式網絡的模塊化組件,能夠在網絡中被調用、查找、發布以及描述。該模型的結構為面向服務式結構,包含了三種實體:服務代理、請求服務者以及提供服務者,以及三種基本操作,包括捆綁、查找以及發布。網絡服務模型的具體構成如圖4所示。

圖4 網絡服務模型的具體構成

在網絡服務模型中,提供服務者需要注冊成服務代理者以發布和配置服務,請求服務者則需要對服務代理者處發布的登記記錄進行查找以找到服務,然后綁定提供服務者以使用可用服務。

網絡服務模塊所提供的網絡服務具備通信的跨防火墻特點以及互操作性、普遍性和優良的封裝性。

1.5 設計地圖操作模塊

地圖操作模塊的功能是平臺用戶通過該模塊能夠對地圖進行一系列操作。地圖操作模塊由五個單元構成,包括搜索單元、功能列表單元、地圖單元、功能操作單元、工具單元以及頁腳單元[11]。各單元的具體功能如表2所示。

表2 地圖操作模塊各單元的具體功能

1.6 設計元數據管理模塊

在地理空間信息中元數據是用于描述地理數據的內容、質量、表示方法、空間參照系及其他特征的,包括參考坐標系、航空攝影的對應航線號、各種符號、生產者、精度、比例尺、數據源、圖名等,元數據管理模塊的功能是對以上元數據進行管理[12]。該模塊共由三個單元構成,包括元數據添加單元、元數據更新單元以及元數據瀏覽單元。

元數據添加單元的具體功能是在平臺中的空間數據增加時,需要通過該單元在元數據庫中添加其對應的元數據。通過該單元還可以對元數據的基本屬性進行讀取。

元數據更新單元主要是對元數據庫中的元數據字段進行更新,包括元數據的更新日期與大小等,并保存其歷史信息。

元數據瀏覽單元主要通過調動元數據來實現瀏覽元數據的功能。

1.7 設計數據共享模塊

數據共享模塊能夠實現城市基礎地理空間勘測數據的共享,共提供兩種數據共享服務,包括離線共享服務與在線共享服務[13]。數據共享模塊能夠對共享數據進行分類以實現數據的分類共享,其具體分類如表3所示。

表3 共享數據具體分類

在線共享服務通過對外發布數據實現數據共享,其發布方式為在線發布,共包括三種方式:元數據發布、數據部分發布以及數據完全發布。數據共享模塊的主要功能具體如表4所示。

表4 數據共享模塊的主要功能

離線共享服務則不通過互聯網對數據進行發布,而是利用互聯網對數據目錄或元數據進行發布,而用戶可以通過傳真、電郵、電話、信件等方式向建庫單位或數據中心提出自身的數據服務請求,由建庫單位或數據中心以紙質材料、磁盤、光盤等媒體形式對該用戶實施數據分發,實現數據共享[14]。

1.8 設計用戶需求描述模塊

用戶需求描述模塊主要通過OWLS本體Web服務語言對用戶需求進行定義與描述。對用戶的城市基礎地理空間勘測數據共享需求進行分解,將其分解為反映用戶需求的多個請求[15]。將Ui設為用戶的城市基礎地理空間勘測數據共享需求集合,則該集合可以用下式來表達:

Ui=(Fi,Qi,Ci,…)

(1)

式中，Fi為用戶的城市基礎地理空間勘測數據功能特征請求;Qi為用戶的城市基礎地理空間勘測數據質量特征請求;Ci為用戶的城市基礎地理空間勘測數據成本特征請求。

城市基礎地理空間勘測數據共享資源可以用下式來描述:

PSi=(Ni,Di,Ai,Ii,Oi,Ti)

(2)

式中，PSi為城市基礎地理空間勘測數據共享資源;Ni為城市基礎地理空間勘測數據共享服務名稱;Di為共享服務描述;Ai為共享服務地址;Ii為共享服務參數輸入集合;Oi為共享服務實際輸出結果;Ti為共享服務特征要素集合。

2 平臺測試

2.1 設計共享數據實驗

利用設計的城市基礎地理空間勘測數據共享平臺進行某城市基礎地理空間勘測數據的共享實驗。實驗中的共享數據共包括兩種:柵格數據與矢量數據。根據數據應用種類可以將其劃分為基礎地理數據、公眾地理數據。其中基礎地理數據的信息分層如表5所示。公眾地理數據的具體內容如表6所示。

表5 基礎地理數據的信息分層

表6 公眾地理數據的具體內容

將以上城市基礎地理空間勘測數據錄入城市基礎地理空間勘測數據共享平臺中,并對其進行共享。在共享過程中獲取該平臺請求次數在160次以內的數據服務響應時間數據作為實驗數據。數據服務響應時間的計算公式如下:

T=W-K

(3)

式中,T為數據服務響應時間;W為終端獲取時間;K為整體響應時間。

為了避免本次實驗結果過于單一,缺乏對比性,將原有的城市基礎地理空間勘測數據共享平臺作為對比實驗平臺,包括基于數字高程模型的數據共享平臺以及文獻[2]中提出的數據共享平臺。同樣通過這兩種數據共享平臺對以上城市基礎地理空間勘測數據進行共享,并獲取這兩種平臺請求次數在160次以內的數據服務響應時間數據作為對比實驗數據。對比幾種實驗平臺的實驗數據與對比實驗數據。

2.2 結果分析

在請求次數為0～80次時,設計的城市基礎地理空間勘測數據共享平臺與基于數字高程模型的數據共享平臺、文獻[2]中提出的數據共享平臺的數據服務響應時間對比實驗結果如圖5所示。

圖5 請求次數為0～80次時的對比實驗結果

圖5顯示,在請求次數為0～80次時,設計的城市基礎地理空間勘測數據共享平臺的數據服務響應時間比基于數字高程模型的數據共享平臺、文獻[2]中提出的數據共享平臺的數據服務響應時間較短,并且其終端獲取時間與整體響應時間也都較短。

在請求次數為81～160次時,設計的城市基礎地理空間勘測數據共享平臺的數據服務響應時間同樣比其他兩種原有數據共享平臺的數據服務響應時間較短,并且其終端獲取時間與整體響應時間也都較短。

3 結束語

城市基礎地理空間勘測數據共享平臺實現了請求次數在一定范圍內的數據服務響應時間的縮短,方便了城市基礎地理空間數據共享服務。