地理市情可視化分析系統設計與實現

張英棟，莊曉東，周圣川，喬新，王海銀

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032；2.山東省海陸地理信息集成與應用工程研究中心，青島市海陸地理信息集成與應用重點實驗室，山東 青島 266032)

1 引 言

地理市情是地理國情的重要延續和組成部分[1]，與人們日常生活和社會經濟發展密切相關，現已進入常態化監測階段，地理市情普查監測成果數據可應用于國土資源、城鄉規劃、林業、水利、農業、統計等多個領域[2，3]。隨著地理市情監測工作持續開展，監測成果日益豐富，類型呈現多樣化，為地理市情信息深化應用帶來了難題，可歸納為：①數據中蘊含的信息價值需要專業的分析判讀才能夠有效發掘[4]，②每項成果具有各自的特點，傳統的數據展示方法已不能完全適用于地理市情監測信息的表達。

已有地理市情系統側重于數據的匯交管理、展示制圖和共享分發，在數據挖掘分析方面略顯不足，本文從地理市情監測數據的分析需求出發，基于地理空間信息技術開發實現了一個B/S架構的地理市情可視化分析系統，系統中綜合利用多種空間可視化技術，著重對自然資源、公共服務、城市建設、環膠州灣這4個專題進行空間和時間維度上的表達分析，同時基于科學規范的監測指標體系，結合社會、經濟等專題數據對市情監測要素進行指標統計和指數評價，最終形成專題地圖、統計圖表和評價指數等系列成果，實現地理市情監測數據向地理市情服務信息的轉化和提升，支撐政府部門科學決策。

2 系統設計

2.1 功能需求

地理市情監測具有數據內容豐富、應用領域廣泛、專業性強等特點[5，6]，為有效發掘數據中蘊含的信息價值，面向領導決策、行業應用乃至社會公眾，提供綜合地理市情數據資源和數據分析服務。除提供瀏覽查詢、地圖展示、空間量測等基礎功能外，系統還應滿足以下幾個要求：

(1)實現對各年度地理市情監測成果的有效匯聚和合理表達，以支撐系統其他分析應用功能。

(2)支持基于遙感影像的時空可視化分析，揭示自然人文地理要素的空間分布規律，實現對各項監測要素的橫向區域對比與縱向歷史變化對比。

(3)可基于地理市情監測指標體系和社會經濟專題數據，在線實時計算統計指標和地理市情指數，客觀評測地理市情綜合情況。

(4)基于地理市情監測大數據，提供具有針對性的應用分析功能，輔助政府管理決策。

2.2 總體設計

系統采用面向服務的架構(SOA)，遵循數據與應用分離原則，數據資源統一管理、集中維護和分布使用，模塊化開發業務功能，對軟件構件靈活組裝構建不同應用系統。

系統架構由基礎設施、數據資源庫、服務層和應用層組成，還包括相應的標準規范體系和安全保障體系梳理和建設，如圖1所示。

基礎設施提供系統運行所需的網絡、軟硬件基礎設施環境，包括服務器、存儲設備、操作系統、數據庫、安全設備、GIS平臺等。

數據資源庫實現對基礎地理數據、統計專題數據、地理市情監數據的統一組織管理，形成覆蓋青島全市域的多比例尺、多數據源、多時相、無縫的空間數據庫。

圖1 系統架構圖

服務層提供支持行業標準以及擴展REST協議的服務接口，實現服務安全認證、服務請求轉發等功能。

應用層是基于服務接口建立的數據資源管理、可視化分析、指標統計評價等功能，以及結合實際場景搭建針對性應用。

從技術和管理兩個角度，建立一套支撐系統建設和日常運維所需的標準規范體系和安全保障體系，涵蓋系統生命周期全過程。

2.3 數據庫設計

針對多源、異構、海量的地理市情監測數據和其復雜的業務流程[7]，本文設計了如圖2所示的數據庫結構，并開發配套的數據管理系統來實現原始數據成果的入庫管理，通過該空間數據庫，可實現對基礎地理數據、統計專題數據、市情監測專題數據及以上各類元數據的一體化組織管理，從而形成一個覆蓋全市域的多比例尺、多數據源、多時相、多分辨率、無縫的空間數據庫。

基礎地理數據提供基礎的空間參考和定位框架，提供全市域的電子地圖和遙感影像，作為專題數據和統計信息的展示載體，以緩存文件的形式存儲。

圖2 系統數據庫結構

市情專題數據存儲于空間數據庫中，按監測時間、監測主題進行分級組織，分為基礎市情監測數據集、公共服務監測數據集、城市建設監測數據集、環膠州灣監測數據集，各數據集下包含若干要素圖層。

統計專題數據存儲于關系型數據庫中，從市統計年鑒中提取，包含了主要的社會經濟指標，主要有人口、生產總值、建成區面積、就業人數、醫院學校情況等。

業務信息存儲于關系型數據庫中，用于支撐系統業務，包括用戶信息表、系統權限表、用戶角色表、角色權限表、系統日志表、數據字典表等。

2.4 技術選型

目前主流的WebGIS應用開發技術有ArcGIS、SuperMap、OpenLayers、Leaflet和百度地圖等，經過綜合比較，ArcGIS不僅具有配套的地圖服務器，可以支持多種數據類型，能夠很好地解決數據異構、坐標轉換等問題，并且提供的API功能也最為強大，提供數據的空間展示、圖形繪制、符號渲染、查詢檢索、地理處理、網絡分析、在線編輯、時態感知等開發接口[8]，可以有效支撐地理市情可視化分析系統的數據管理、時空表達和空間分析等內容的建設。

3 系統實現

3.1 數據資源整合

系統實時調取服務接口獲取數據資源的要素名稱、地理類型、服務地址等元數據信息，對信息進行解析，按照“監測時間-專題類別-要素圖層”進行分級分層組織，形成時空數據列表，從而實現對多源、異構、海量的地理市情監測數據成果的有效整合以及系統化應用，在一個信息化平臺上對各類自然人文要素信息、經濟社會發展信息、空間規劃及城市運行等相關信息進行查詢與展示，服務于地理市情監測成果的檢查和分析等工作。

3.2 時空可視化分析

應用時空可視化技術對地理市情大數據進行展示和分析，在空間和時間維度上交叉展現數據規律，揭示自然資源、公共服務設施、城市建設和環膠州灣等專題領域的現狀格局、變化趨勢及區域均衡情況。

(1)自然資源專題分析

以影像地圖為信息載體，采用分類、分級設色等渲染方式對山、水、地、林等自然要素進行可視化表達，展現其類型、位置、范圍等基本情況，支持卷簾操作或多視窗同步功能實現對監測要素進行不同年度的變化比對分析。例如圖3，系統對2018年和2019年度局部區域內的林地資源進行卷簾對比。

圖3 林地資源空間分布及對比分析

(2)公共服務專題分析

通過空間聚合、熱力圖等方式對公共服務設施進行可視化，同時以行政區劃為統計單元，結合社會經濟專題數據，對單元內設施的密度、人均擁有量、服務能力等進行統計，并基于統計結果對行政區劃分級設色以反應公共服務的區域差異性。例如圖4，系統對行政區劃內鐵路路網密度進行統計和分級色彩展示。

圖4 鐵路路網密度區域對比

(3)城市建設專題分析

基于電子地圖對不同監測年內建成區空間范圍、城市建設用地現狀、單體建筑物位置進行疊加展示和套合分析，幫助管理者掌握城市發展動態，例如圖5，系統展示某監測年城市建設用地現狀。

圖5 城市建設用地現狀

(4)環膠州灣專題分析

通過時間軸控件實現對環膠州灣多時相監測數據的時序化對比分析，播放展示數據變化情況，結合現狀遙感影像，有效揭示數據時間變遷，在一定程度上預測未來發展情況。例如圖6，系統對1990年～2019年間環膠州灣坑塘水面、鹽田、灘涂、河流水面等不同濕地類型進行動態展示和數據統計，為濕地保護提供參考。

圖6 膠州灣濕地歷史變化分析

3.3 指標統計與評價

根據監測要素的點、線、面幾何特征，以地理市情指標體系和分析模型為依據，結合社會經濟專題數據，在線進行指標統計和指數評價，為監測工作提供豐富的數據資料。

(1)指標統計

指標統計分為基本統計和綜合統計，基本統計是對監測要素的基本描述性內容進行統計，基于點、線、面等空間幾何特征，完成要素的基本數量、位置、密度、形態等內容的統計匯總。綜合統計是在基本統計的基礎上，結合社會經濟專題數據，運用分析模型和方法，對要素的物理結構、空間關系及差異特性等內容進行綜合分析。例如圖7，系統對2018年度各地表覆蓋類型的面積、占比進行基本統計，以及對2015年～2019年地表覆蓋變化信息進行綜合統計。

圖7 地表覆蓋指標統計

(2)指數評價

根據確定的權重矩陣和標準化因子計算地理市情指數，綜合量化分析各區市的城鎮發展水平、基本公共服務能力和生態環境水平等，實現地理市情狀況的客觀評價。例如圖8，系統對2015年～2019年青島各區市建成區的增長彈性系數和和空間緊湊度進行量化，分析建成區的擴展規律。

圖8 建成區發展相關指數

3.4 分析應用

基于地理市情監測大數據，系統面向輔助決策提供以下幾種應用分析功能。

(1)資源空間布局分析

用戶可選擇地理市情要素或上傳本地數據，然后系統在線生成其空間分布熱力圖，同時針對多時相監測數據可實現時序變化的熱力效果，從而幫助用戶分析空間格局及變化情況，例如評估各區市公共資源配置均衡性等。

(2)服務覆蓋能力分析

根據交通方式、時長等輸入參數，系統結合路網數據計算生成教育機構、醫療機構、社會福利機構等設施的可達范圍并疊加展示，從而實現公共服務設施的覆蓋能力分析，可用于評估公共資源盲區，輔助規劃建設。

(3)影響區域分析

用戶可在線繪制影響源形狀和范圍，并可動態修改影響區域半徑，系統實時對影響區域范圍內的市情監測要素進行統計，其典型應用為：分析加油站、危化品等是否覆蓋到學校、醫院、小區等人口密集區域。例如圖9，系統根據施工道路位置和影響半徑對受影響的基礎服務設施進行統計和展示，從而輔助規劃。

圖9 影響區域分析

4 總 結

本文基于WebGIS技術，設計和開發了地理市情可視化分析系統，實現對地理市情監測成果的綜合管理、可視化分析、專題統計和分析應用，通過引入青島市地理市情監測指標體系，實現對域情及區域發展等的定量化、動態化評價，為地理市情監測成果的推廣應用提供新思路。不足之處，系統在進行全市域范圍空間統計時的運算效率還有待提高。