城市空間信息服務共享平臺研究與應用

羅雁，鄒夢秋，王剛，劉福成

(天津市測繪院，天津 300381)

1 引言

空間信息作為一種重要的基礎信息資源，隨著其應用領域的不斷擴大，應用程度不斷深入，也越來越受到人們關注。據統計在人類活動所需的各類信息中有80%的信息與空間位置有關，由此可見，空間信息在人類生活中具有極其重要的作用，為了充分發揮空間信息的作用，我們必須整合各種空間信息資源，搭建一套資源豐富、使用靈活、高效的信息共享平臺，使之更好為社會經濟和人們生活提供服務［1］。

2 平臺空間數據模型

空間數據作為空間信息傳播的載體，在城市空間信息服務共享中占據非常重要的地位，如何更為有效地組織空間數據，快速、高效地服務于城市空間信息服務共享平臺，這一難題一直困擾著城市空間信息服務共享平臺的建設工作。結合當前天津市城市空間信息服務平臺實際的建設情況，在建設中所采用的兩大主要的空間數據模型:金字塔唯一要素多比例尺模型和瓦片金字塔模型。

在這里結合實際應用的需要，我們將目前天津市的空間數據劃分為矢量數據和柵格數據兩類，上面提及的兩種空間數據模型就是針對這兩類數據而設計的。

2.1 金字塔唯一要素多比例尺模型

為滿足矢量數據網絡傳輸需要，結合實際應用的需求，本文提出了一種矢量數據結構模型，即金字塔唯一要素多比例尺模型，其目的就是在保留空間要素拓撲關系的同時，加速各種矢量數據在不同比例尺下的顯示和網絡傳輸，從根本上解決矢量數據在網絡方面傳輸慢的問題。

所謂金字塔唯一要素多比例尺模型，主要思路如下［6］:根據矢量數據的各類要素在不同比例尺下顯示，按類別和比例尺對各種地物要素在遵循空間規則格網索引的前提下進行組織，從而形成類似金字塔結構的矢量數據模型。在這個模型中，所有的空間要素(點、線、面)只存在于一個數據文件，不會重復，從而減少了數據的冗余性。

2.2 瓦片金字塔模型

為了解決海量柵格數據存儲、顯示、傳輸，我們采用分片策略來儲存遙感圖像等柵格數據，即將非常大的柵格陣列分解為若干獨立數據片，采用線性四叉樹來調度和管理這些數據。

金字塔是一種多分辨率層次(multi－resolution hierarchy)模型［1］，準確意義上講，金字塔是一種連續分辨率模型，但在構建金字塔時很難做到分辨率連續變化，并且這樣做也沒有實際意義。因此在構建金字塔時總是采用倍率方法構建，從而形成多個分辨率層次。從金字塔的底層到頂層，分辨率越來越低，但表示的范圍不變。

瓦片金字塔模型建立的思路如下:首先將原始地形數據作為金字塔的底層，即第0層，并對其進行分塊，形成第0級矩陣。在第0層的基礎上，按每2×2個像素合成為一個像素的方法生成第1層，并對其進行分塊，形成第1層瓦片矩陣。再在第1層的基礎上采用同樣的方法生成第2層瓦片矩陣，如此下去，構成整個瓦片金字塔。

在建立瓦片金字塔模型中，值得注意的是如果建立高效的分塊規則，在天津城市空間信息服務共享平臺建設中，經過實驗并結合實際我們建立了如下的分塊原則:

(1)等大小規則分塊。等大小是指塊與塊之間的寬、高分別相等;規則是指有規律的，而不是亂序的。

(2)數據塊大小為2的整數冪，即塊的寬、高為2的整數冪。

(3)建議數據塊大小限制為256×256個像素。

3 平臺的架構(如圖1所示)

在城市GIS應用中，要求所有的GIS應用系統都采用統一操作系統和GIS平臺顯然是不現實的，因此必須利用先進的信息技術，建立良好的空間數據的采集、更新與共享機制，將已有的分散于各部門的空間數據進行整合與有效集成，建立互操作平臺，進行各種多源異構的空間信息的動態訪問、查詢、空間分析與決策，以最終消滅“信息孤島”和“應用孤島”，實現空間數據與信息服務的共享、實時交換與集成管理［1］。

圖1 城市空間信息服務共享平臺框架圖

隨著計算機技術、網絡技術、空間信息技術以及各方面硬件環境的改善與提高，在這些軟硬件因素推動下，使得城市空間信息服務共享平臺的建設成為可能。我們建設天津市空間信息服務共享平臺主要目的如下:

目的一:采用地理信息技術、遙感技術、計算機網絡技術、數據庫技術等先進的技術手段，把各類基礎地理信息資源進行集成與整合，從而實現各部門信息的共享與互操作。

目的二:改變以往的地理信息系統開發模式，搭建一套基于互聯網環境下應用成本低、實用性強、快速高效、滿足天津市各個部門和行業對空間信息使用的需要。

目的三:建立地圖服務的應用模式，地圖服務是一個基于Web的地理信息數據快速發布和瀏覽查詢，集軟件和平臺為一體，能為政府部門、企事業單位、公眾及個人的應用系統提供快速開發支撐的軟件服務平臺。采用地圖服務與自建地理信息系統相比，具有技術先進，數據完善，資金投入少，管理維護便利等方面的優勢;

目的四:建立一套高效的面向用戶提供地圖服務的最佳業務和技術解決方案運行機制。

4 平臺應用模式

平臺建設的最終目的是為了應用，對于城市空間信息服務共享平臺的建設而言，這一點尤為重要，因為目前我們提供的空間信息應用模式已經滿足不了城市快速發展的要求，為了更有力地服務于天津市城市的發展，結合市場需求以及多年來我們實際開發經驗。

從信息存放和維護的方式上講，分為三類［4］:

①信息集中存放和維護模式。

②信息集中存放和分布維護模式。

③信息分布存放和維護模式。

從用戶客戶端使用軟件角度來看，也分三類:

①Ie、Google Exploer瀏覽器。

②Flash、Silverlight等跨平臺的插件。

③自主的GIS智能客戶端。

下面我們將主要從空間信息存放和維護的角度來探討平臺應用的模式。

4.1 信息集中存放和維護模式

所謂信息集中存放和維護，是指將用戶專題空間數據的服務器和我們自己存放空間數據與服務的機器集中存放在一起，進行統一的管理。用戶經過授權，通過互聯網或者專網等網絡環境，借助于我們空間信息服務共享平臺中的相關空間服務及數據來使用相關的數據和GIS功能。

這種應用模式優勢在于能有效地保證空間數據的安全，便于空間數據和平臺功能的集中管理和維護，同時也為用戶提供了快捷的可視化服務，但這種模式存在的最大難題就是信息更新成本高，更新周期長，由此帶來的結果是圖上信息不能及時更新，地圖內容與實際現狀差距日益增大。所以離開真實的信息，再強的功能、再好的表現方式也是徒勞。因此，在信息化建設遍地開花的今天，這種模式不適合于城市空間信息平臺的搭建。

4.2 信息集中存放和分布維護模式［4］

為了解決信息集中維護成本高、周期長的問題，我們可以采用信息集中存放，建立基于網絡環境下的分布維護模式。

(1)標注功能和糾錯

考慮到城市地圖上，信息點的主要維護工作是新增和修改屬性，因此為了解決城市信息點的更新，我們在網頁上設置了標注和糾錯功能。用戶可以根據自己了解的信息，通過網絡在圖上增加信息點，再通過對話輸入屬性，最后提交。若在地圖上發現信息有誤，可以通過網絡提交修改信息。

(2)屬性的分布式維護(如圖2所示)

屬性的分布式維護是隨數據庫發展產生的維護模式，是分布式數據庫在GIS中的應用，通過網絡，單位可以實時更新自己的屬性信息，從而保證信息的可靠性。

圖2 屬性信息的遠程維護

在這種模式下，首先用戶對數據的操作是有權限的，只有輸入正確的用戶名和密碼后才能登錄相應的管理界面，修改屬性數據;其次，各個用戶只能瀏覽和修改所有權限下的數據，無權瀏覽和修改其他部門的數據;再次，系統不開放幾何信息，因為幾何信息的修改需要專業人員或者后臺自動完成。

4.3 信息分布存放和維護模式(如圖3所示)

信息集中存放分布維護的模式可以解決部分服務領域中的信息維護問題，但在現行的體制下，一些行業出于信息安全等因素的考慮，不能將本部門的信息上傳到空間信息服務共享平臺集中存放，這種情況下，信息分布存放、分布維護的模式應運而生。

這種模式下，諸如燃氣、自來水等行業和部門，由于其空間信息數據與城市安全和人們的生活密切相關，因此這部分數據屬于保密狀態。對于這種情況，我們可以將他們自己的數據按照空間信息服務共享平臺的數據規范建立在他們自己的機房，同時將平臺的相關服務配置在他們的服務器上，通過VPN專網連接到我們的空間信息服務共享平臺，實行專業空間數據與基礎地理空間數據的疊加，協同完成相應的空間數據處理及互操作。

圖3 信息分布存放分布維護的模式

5 關鍵技術及應用

在目前平臺建設中，結合上面提到的數據模型以及應用模式等相關理論，我們主要將以下幾種關鍵技術運用到實際開發工作中，初步完成了一些試驗性的成果，同時也解決了目前用戶關注的問題。

5.1 關鍵技術

(1)金字塔唯一要素多比例尺技術

此種技術是建立在金字塔唯一要素多比例尺模型的數據基礎上的，借助于該模型我們建立具有空間關系的適量數據規則塊的同時，保證無論在何種比例尺下，任何空間數據元素只儲存在一個數據塊內，同時通過多線程技術，多級調度技術建立在互聯網快速瀏覽矢量數據的自主客戶端。

(2)金字塔模型多分辨率空間格網索引技術

此種技術是建立在瓦片金字塔模型的數據基礎上的，通過該模型建立相應的空間數據庫，同時通過線性四叉樹等算法在客戶端程序中建立相應數據調度機制和空間分析計算和傳輸機制。

(3)多級緩存技術

實現在Internet上海量空間數據發布的關鍵技術在于緩存，基于服務器模式的Internet GIS適應于低帶寬的網絡環境，其瓶頸不在于網絡帶寬，而是服務端的數據訪問(I/O操作)、查詢/空間分析計算以及制圖顯示。為了減少I/O操作和重復的計算過程，我們用到的多級緩存技術如下:應用實例緩存、數據引擎緩存、處理結果緩存、客戶端緩存。

①客戶端緩存:通過狀態維護策略，保存部分當前空間信息狀態參數，使一些運算直接在客戶端進行，減少與服務器交互，同時客戶端緩存服務器產生的空間數據，避免數據的重復傳輸，減輕服務器的負載壓力。

②服務器端緩存:進程池技術是服務應用實例緩存實現的關鍵，我們充分利用服務器多CPU和內存容量巨大的特點，使用進程管理組件預先啟動多個應用服務器實例，裝載適當的數據，在構建的進程池中預先存儲多個激活的工作進程，可以避免出現CGI方式的瓶頸，減少每次用戶請求都需要重新加載和卸載數據的時間，提高服務響應的效率，工作進程的選用由群集組件負責分配。多線程技術可以提高系統的響應能力，進程池技術進一步成倍提升系統的服務能力。

③數據引擎緩存是在應用實例緩存的基礎上實現的，數據引擎緩存的基礎是有限等級比例尺機制，一般來說，在互聯網上，GIS應用服務不需要提供任意比例的精確地圖，只需提供若干等級比例尺的近似地圖即可，將服務限制在有限比例尺級數的范圍內，就可以充分利用數據訪問引擎具有的緩存和調度機能。

(4)異步回調技術

軟件模塊之間總是存在著一定的接口，從調用方式上，可以把他們分為三類:同步調用、回調和異步調用，如圖4所示。同步調用是一種阻塞式調用，調用方要等待對方執行完畢才返回，它是一種單向調用;回調是一種雙向調用模式，也就是說，被調用方在接口被調用時也會調用對方的接口;異步調用是一種類似消息或事件的機制，不過它的調用方向剛好相反，接口的服務在收到某種信息或發生某種事件時，會主動通知客戶方(即調用客戶方的接口)。回調和異步調用的關系非常緊密，通常我們使用回調來實現異步消息的注冊，通過異步調用來實現消息的通知和數據的傳輸。

圖4 調用示意圖

從技術層面上講，平臺的搭建主要應用到了金字塔唯一要素多比例尺技術、規則空間格網索引技術、多級緩存技術、異步回調技術、虛擬技術、網絡技術、多媒體技術以及Ajax技術等，實現空間信息技術與眾多成熟技術的融合應用，從而讓空間信息應用到城市發展的各個領域。

5.2 應用

目前我們采用JavaScript、PHP5、ActionScript 3.0、VC++以及C#進行相關的開發工作并取得了一定的成果。

首先在矢量快速瀏覽方面，我們通過建立金字塔唯一要素多比例尺空間數據，通過自己開發客戶端，在互聯網上初步實現了對空間數據的快速調用與顯示，解決了空間矢量數據在一定帶寬的情況下傳輸與顯示的問題。

圖5 “天地圖·天津”地圖門戶網站

另外，采用瓦片金字塔模型，解決了柵格數據快速瀏覽的問題，響應天地圖國家建設的要求，搭建起了天津市公眾服務共享平臺——“天地圖·天津”地圖門戶網站，其效果如圖5所示，目前已經提供給互聯網上的用戶使用，并開始為政府部門和企事業單位提供空間信息服務。在后臺服務建設方面，我們遵循了OGC國際標準規范，搭建了地圖圖片服務(WMTS)、Web要素服務(WFS)等服務接口，使得這些服務不僅能滿足“天地圖·天津”地圖門戶網站的需要，而且可以提供在線或者離線兩種模式下的手機地圖服務，如圖6所示。

圖6 “天地圖·天津”手機地圖

6 總結

減少空間信息重復性建設，降低建設成本，大力推廣空間信息服務，實行城市空間信息服務共享是國家信息化建設的重要組成部分。因此，城市空間信息服務共享已經成為業界迫切需要解決的問題，分布式地理信息系統為解決該問題提供了強有力的技術支撐，但分布式地理信息系統面臨著多方面嚴峻的挑戰，現有的分布式地理信息系統解決方案無法解決異構環境下的多源系統協作服務問題，基于網格技術的城市空間信息共享平臺的研究，解決了多源系統間的互操問題，實現了城市空間信息服務共享。

目前，隨著城市空間信息服務共享平臺的建設不斷深入，相關的理論和技術為我們的建設指明了一個明確方向，但技術距離應用和推廣還有一定距離。因此在實際工作中，我們需要從以下幾方面研究與實踐:

(1)進一步完善城市空間信息服務共享模型的研究，針對不同部門，對其空間信息應用模型以及訪問方式進一步深入和細致研究;

(2)進一步完善空間元數據研究，為用戶提供分類更齊全、更準確、實時性更強的數據訪問;

(3)面向空間特征要素的非關系型數據庫(No-SQL)技術;

(4)建立面向應用服務的互操作接口規范，為不同系統提供更完善的用戶操作依據。

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