基于GIS技術的城市地理信息公共服務平臺設計

羅雪茹

（重慶市勘測院，重慶 401121）

0.引言

城市地理信息公共服務平臺在城市空間資源管理與綜合利用方面有著重要意義。隨著近年來GIS技術的興起，以GIS算法為核心的GIS技術能夠將城市道路資源以及山川、河流等自然資源有機整合，通過空間布局管理與城市管理信息有機結合，為城市規(guī)劃、管理提供地理空間數(shù)據(jù)服務，促進城市建設與經濟發(fā)展。但是，受地域差異的影響，導致平臺查詢到的相關信息面與信息精準度有所降低。以重慶市為例，當GIS地理信息庫中以山地資源為主的自然資源數(shù)據(jù)超過城市應用地理信息資源閾值時[1,2]，傳統(tǒng)的服務平臺會將GIS地理信息數(shù)據(jù)由一級服務項降維成二級服務項，一定程度上限制了GIS技術在平臺應用上的適應性[3,4]。基于此類問題，有必要提出一種基于GIS技術的新城市地理信息公共服務平臺，以解決傳統(tǒng)平臺的不足。

1.平臺硬件設計

1.1 硬件總體結構設計

設計硬件結構主體根據(jù)GIS地理信息數(shù)據(jù)庫構建標準，按照硬件開放、多組件集成、多服務融合的設計理念進行設計。硬件總體結構可分為三部分，按照功能實現(xiàn)的時間順序依次為應用交互硬件層（AIHL）、注冊信息管理硬件層（RIMH）、地理信息資源管理硬件層（GIRMHL），3層硬件結構設計采用獨立板載結構[5]，將每一功能硬件層設計為一塊功能板，通過BTB數(shù)據(jù)接口連接，最大程度保證每一功能硬件的穩(wěn)定運行。

1.2 功能硬件模塊設計

設計硬件層的對應功能模塊設計如下：

（1）地理信息資源管理硬件層（GIRMHL）

設計位置位于整體硬件設計的第三層，是整個設計平臺硬件的核心，其構成器件包括收發(fā)信號傳感器、分布式交互電感、網(wǎng)絡信號調制器等數(shù)據(jù)處理元件。地理信息資源管理硬件層設計模塊功能為：地理信息資源的外部共享數(shù)據(jù)管理與地理資源接入過程的服務管理。在數(shù)據(jù)存儲設計上，采用網(wǎng)絡多節(jié)點分布式存儲方案，利用分布式交互電感，對地理信息數(shù)據(jù)信號進行空間劃分，按照地理信息坐標對應的維度，分別存儲于網(wǎng)絡節(jié)點之上，方便不同信息點位置用戶的調取與維護。在數(shù)據(jù)運算方面，該層設有2顆具有獨立運算功能的GIS運算芯片，支持地理信息數(shù)據(jù)資源庫的數(shù)據(jù)提取、空間分析、地理劃分、地址匹配等運算。

（2）注冊信息管理硬件層（RIMH）

注冊信息管理硬件層是保證設計平臺硬件與軟件算法及其服務能夠正確運行的關鍵。硬件層級上設計有多重數(shù)據(jù)交互協(xié)議接口，能夠支持全局語義的分析處理。當板載數(shù)據(jù)接收接口收到指令語句時，會動態(tài)向上發(fā)出地理資源請求，此時需要完成對其請求語句的分析注冊，根據(jù)請求資源對應調動平臺內部資源與服務模塊，同時發(fā)出反饋語義信息，完成一次地理信息的交互注冊。基于上述功能流程，注冊信息管理硬件層除多種協(xié)議接口設計外，還包含大量指令集處理器件以及信號傳感器。

（3）應用交互硬件層（AIHL）

該層由多組數(shù)據(jù)存儲器構成，其中包括數(shù)據(jù)存儲器與緩存數(shù)據(jù)存儲器兩大類。數(shù)據(jù)存儲器分為地理資源數(shù)據(jù)存儲器、邏輯數(shù)據(jù)存儲、語句定義數(shù)據(jù)存儲與指令集數(shù)據(jù)存儲器，分別對應GIS城市地理信息數(shù)據(jù)存儲（如，重慶市城市地理信息數(shù)據(jù)）、平臺資源調度算法服務數(shù)據(jù)存儲、GIS架構策略數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)運算過程中替換數(shù)據(jù)的存儲。緩存數(shù)據(jù)存儲器主要用于上述各類數(shù)據(jù)之間運算過程中瞬態(tài)數(shù)據(jù)交換空間的提供。

2.平臺軟件功能設計

完成硬件設計后，根據(jù)設計硬件功能與設計平臺功能之間的驅動關系，對應設計軟件功能。軟件部分包含GIS地理平臺子系統(tǒng)設計、GIS算法底層嵌入設計、平臺服務流程設計3部分，下面對各部分設計詳細描述。

2.1 GIS地理平臺子系統(tǒng)設計

GIS地理平臺子系統(tǒng)用于城市地理信息資源架構劃分，GIS地理信息空間劃分與地理數(shù)據(jù)調度、分析處理；下屬功能分為地理空間劃分系統(tǒng)、地理信息共享系統(tǒng)、GIS服務系統(tǒng)與地址數(shù)據(jù)編碼系統(tǒng)。

（1）地理空間劃分系統(tǒng)設計

利用資源存儲空間與地理信息資源互補構成尺度空間，根據(jù)不同地理信息對應尺度的不同，按照一定時域排列數(shù)據(jù)管理模塊，獲得移動多尺度時態(tài)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，即地理空間劃分系統(tǒng)。其可實現(xiàn)功能包括：管轄城市地理信息用戶的識別、GIS地理信息數(shù)據(jù)庫訪問、地理信息數(shù)據(jù)的發(fā)布及歷史地理信息數(shù)據(jù)的管理。每種功能服務的實現(xiàn)皆基于GIS算法及GIS技術硬件獲得的城市地理數(shù)據(jù)資源。

（2）地理信息共享系統(tǒng)設計

考慮到地理信息資源的空間特征，在信息數(shù)據(jù)交換過程中，需要將傳統(tǒng)的二維空間轉換為三維空間，在網(wǎng)絡空間中，每一數(shù)據(jù)節(jié)點上都具有三維空間屬性，通過對GIS時域與空間值開放共享，可獲得網(wǎng)絡服務端的CA認證，再認證共享服務可支持地理信息數(shù)據(jù)的個人共享，其中包括單位或個人地理信息數(shù)據(jù)的申請、地理數(shù)據(jù)的層級劃分及新功能的圖形化管理。

（3）GIS服務系統(tǒng)設計

即在GIS服務系統(tǒng)上設計城市地理信息公共服務平臺的核心服務系統(tǒng)。其核心功能主要對城市地理信息資源數(shù)據(jù)提供通信接口與子接口，搭建各個用戶之間的業(yè)務交互通道。按照平臺設計需要，GIS服務系統(tǒng)內部接口設計包括：資源認證授權檢驗、資源目錄與數(shù)據(jù)庫資源服務、城市地理信息要素服務、GIS城市地圖服務及共享資源信息的接口輔助應用。

（4）地址數(shù)據(jù)編碼系統(tǒng)設計

作為電子信息數(shù)據(jù)的一種，GIS城市地理信息公共服務平臺在地址管理功能設計上采用自由空間分布匹配的設計方案。將數(shù)據(jù)庫地理信息資源作為初始數(shù)據(jù)源，把地址拆分后分別完成標準化、池化處理，獲得地址匹配分布空間規(guī)則，在相關資源自服務的配合下，完成地理信息地址的編碼匹配，同時完成空間信息與非空間信息之間的地址池轉化。

考慮到在地址匹配過程中會遇到多個用戶同時指向帶有專題地址屬性的GIS地理信息數(shù)據(jù)的情況，為了不造成專題地理信息圖層格式與分配地址池權重誤差，設計將GIS專題地址屬性對應GIS格式設定為SHP格式，并同時自建專題屬性地址，自建數(shù)量與用戶數(shù)量保持一致。以此保證原有地址池不變的前提下，動態(tài)劃分用戶的專題屬性地理信息資源地址，方便了解用戶對地理信息資源的需求。

2.2 GIS算法底層嵌入設計

完成GIS地理平臺子系統(tǒng)設計后，為保證平臺服務組件、算法、注冊封裝的一致性，需要將GIS算法嵌入平臺服務底層，使其擁有最高的管理權限。設計采用.net服務構建平臺創(chuàng)建算法服務，在保證平臺地理信息Web處理服務不變的前提下，對其空間分析與處理算法適應系數(shù)優(yōu)化，在平臺服務底層建立注冊邏輯表，鍵值指向GIS算法注冊封裝權限。當權限系數(shù)為0時，GIS封裝服務與原始地理信息庫資源保持一致，在此狀態(tài)下，可以在平臺Web第一層級、第二層級進行地理信息資源的查詢、申請與共享；當權限系數(shù)為1時，平臺開啟超級用戶權限，滿足算法權限的每個GIS算法標識符、QualifiesName鍵值表都可注冊到底層算法注冊中心，憑此權限可修改。輸入平臺相關參量。為保證GIS算法嵌入成功，設計采用動態(tài)模塊作為注冊表加載容器，在算法服務啟動瞬間將其權限及其進程釋放到底層注冊中心，實現(xiàn)最高權限的獲取。其過程對應算法如下：

根據(jù)算法嵌入式容器注冊閾值對應的第一、二層級權限，可得到函數(shù)計算，如式（1）所示：

將理想閾值狀態(tài)下對應的GIS算法嵌入鍵值擁有一般用戶權限，為避免容器嵌入計算過程模塊誤差較大，設計將6×6算法嵌入式容器對應的理想閾值增大，閾值調整后的大小取x1=6＇b1100_0011，x2=6＇b1111_1011，此時得到的容器閾值誤差量即為調整優(yōu)化容器系數(shù)。容器閾值優(yōu)化過程如式（2）所示：

為保證優(yōu)化后容器閾值與注冊中心權限系數(shù)保持一致，將容器閾值修正值的約束定義為2n-1，6×6，嵌入式容器閾值注冊約束為Th=28=6＇b1110_1111。GIS算法底層嵌入設計原理如圖1所示。

圖1 GIS算法底層嵌入設計原理

2.3 平臺服務流程設計

為更好實現(xiàn)上述設計功能的目的，對平臺服務流程展開設計。根據(jù)平臺Web服務參量的耦合性與離散性，采用服務異構分布的編排方式，將其按照流程順序編排成組，使其構成可反復調用的流程服務，實現(xiàn)功能服務的靈活交互及可視化服務定制。

在平臺服務流程設計過程中，按照服務優(yōu)先級別可將服務劃分為前臺服務流程與后臺服務流程兩種。前臺服務流程編排設計上，主要針對服務運行所需資源、關聯(lián)參量、地理信息鍵值等信息數(shù)據(jù)展開量化；后臺服務流程設計主要對前臺服務流程對應參量系數(shù)進行部署優(yōu)化。整個平臺服務流程設計首先由平臺用戶通過前臺服務流程創(chuàng)建服務流，然后根據(jù)創(chuàng)建服務流判斷服務資源等相關參量是否開始部署，并按照部署參量對其前臺服務流程對應的后臺服務流程數(shù)據(jù)完成修正，同時根據(jù)修正后的后臺服務流程數(shù)據(jù)生成新的部署文件，并將其存儲于地理信息部署，完成一次服務流程的編排。

3.應用測試

為了檢驗設計平臺功能，選取重慶市地理信息數(shù)據(jù)作為測試樣本，通過引入另一種城市地理信息公共服務平臺作為對比平臺，對兩種服務平臺功能進行數(shù)據(jù)對比分析。

3.1 GIS地理信息生成

將重慶市城市地理信息數(shù)據(jù)分別導入設計平臺地理信息庫與對比平臺地理信息庫，設定主城區(qū)地理信息為生成目標，分別生成重慶市主城區(qū)地理信息圖，如圖2所示。

由圖2可知：兩種平臺生成的地理信息圖有所差異，經過與重慶市主城區(qū)數(shù)據(jù)碰撞發(fā)現(xiàn)，設計平臺生成圖2（a）的精度為準確值，對比平臺生成圖2（b）的河谷地區(qū)精度存在一定誤差。相比之下，設計平臺生成圖更準確。

圖2 重慶市主城區(qū)地理信息圖

3.2 地理信息關聯(lián)服務測試

在正確的主城區(qū)圖中隨機抽取10個位置點，將其設定為隨機樣本，如圖3所示。10個位置點設計如下：3組山地地理信息，對應位置點分別記作SD；3組河流地理信息，對應位置點分別記作HL；2組林地地理信息，對應位置點分別記作LD；2組街區(qū)地理信息，對應位置點分別記作JQ。詳情如表1所示。

圖3 隨機樣本位置點分布

將表1數(shù)據(jù)分別導入設計平臺與對比平臺，對其10組樣本相關信息執(zhí)行信息查詢服務，得到查詢結果如表2所示。

表1 隨機樣本參量對照表

由表2可知：在相同查詢任務下，對比平臺查詢到的詞條量較提出設計平臺的查詢詞條數(shù)量多，但從詞條有效率上看，提出設計平臺的詞條有效率明顯高于對比平臺，說明提出設計平臺查詢服務的關聯(lián)精度較對比平臺的查詢服務更高。

表2 隨機樣本地理信息查詢服務結果

3.3 地理資源服務開銷測試

通過能耗采集工具LCB對設計平臺與對比平臺的地理信息圖生成過程與查詢服務過程的資源開銷數(shù)據(jù)進行采集，如表3所示。通過對比分析資源開銷數(shù)值，得出測試結論。

由表3可知：數(shù)據(jù)可得到兩種城市地理信息公共服務平臺服務的資源總開銷分別為80.4%、36.3%。從數(shù)值上可以看出，提出設計平臺的資源開銷更小，說明GIS技術在城市地理信息公共服務平臺設計中起到優(yōu)化平臺服務結構、降低平臺資源開銷、提升數(shù)據(jù)查詢服務準確度的效果。

表3 城市地理信息公共服務平臺服務開銷比率 單位：%

4.結束語

基于GIS技術的城市地理信息公共服務平臺設計，從硬件設計與軟件設計兩部分入手，通過設計功能服務硬件，解決平臺服務與數(shù)據(jù)處理問題。在硬件基礎上，軟件對平臺地理信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)服務針對性設計優(yōu)化，通過服務項及其相關參量的優(yōu)化，使GIS算法與平臺服務融合效果達到最佳。對GIS地理信息平臺建設與后期開發(fā)研究，提供參量標準與應用規(guī)范。測試發(fā)現(xiàn)，提出平臺在查詢數(shù)據(jù)面上存在過窄問題，因此需要在后期應用中通過不斷更新GIS城市地理信息庫的方式，擴展查詢信息關聯(lián)范圍，完善平臺功能。