上海城市多尺度時空地理信息大數(shù)據(jù)庫研究和應用*

毛煒青

0 引言

上海城市多尺度時空地理信息大數(shù)據(jù)的建設是在國家推進地理信息公共服務平臺以及上海智慧城市3年行動計劃大背景下開展建設的，其主要目標就是構建一個真正意義上的地理數(shù)據(jù)庫，從而滿足地理信息網(wǎng)絡化服務的需求，以更好地為社會服務。用數(shù)據(jù)庫

管理空間數(shù)據(jù)早在本世紀初就已經(jīng)有所研究和成果，一般都是按照原有地形圖的比例尺分類分別構建多個空間數(shù)據(jù)庫[1]，這已經(jīng)為城市規(guī)劃、建設與管理，城市信息化，社會經(jīng)濟發(fā)展做出了很大貢獻。應該說早期的空間數(shù)據(jù)庫的建設和應用是基礎測繪從數(shù)字化到信息化的巨大飛躍，但我們必須看到大多數(shù)人對于空間數(shù)據(jù)庫的理解還是沒有脫離數(shù)字化地形圖的概念，無論是作業(yè)部門還是質檢部門一般看重的是數(shù)據(jù)的圖形表現(xiàn)，比較容易忽視數(shù)據(jù)空間關系和屬性信息的生產(chǎn)和檢查。這一方面在于地理信息的采集和應用長期以來都是以用圖為主要目的，更重要的還在于由于技術條件的限制無法對具體的地理要素高度抽象，即為了滿足國家地形圖的制圖規(guī)范要求，通常采用很多輔助空間實體來表達某一類地物，往往導致信息的重復加工和轉換的困難。這樣的空間數(shù)據(jù)庫并不是真正意義上的“地理數(shù)據(jù)庫”[2]。

當前的社會發(fā)展對地理信息的需求更為廣泛，特別隨著是網(wǎng)絡技術的發(fā)展，各政府部門對基礎地理數(shù)據(jù)的需求更加迫切，對地理信息服務提出了數(shù)據(jù)權威、服務實時、接口標準、內(nèi)容全面、更新快速的新要求[3]。構建多尺度時空地理信息大數(shù)據(jù)庫，提供不同比例、時態(tài)和級別的地理信息服務是技術發(fā)展的必然選擇。

圖1 地理要素的骨架線（抽象化）和符號化表達

圖2 連續(xù)空間庫不同比例尺區(qū)域的無縫拼接可視化效果

1 多尺度時空地理信息大數(shù)據(jù)庫的構建

多尺度時空地理信息大數(shù)據(jù)庫（以下簡稱“地理數(shù)據(jù)庫”）的構建不是簡單對原有分比例尺的空間數(shù)據(jù)庫進行技術升級，也不是增加幾個圖層或擴充幾項屬性。地理數(shù)據(jù)庫的構建的一個核心問題就是解決地理信息面向對象方式的采集和表達，即地形要素的骨架線存儲（抽象化）和多應用的符號化表達，如圖1所示。

用特定的符號來表達地形和地貌是地圖的基本功能，從而形成了由各種符號、色彩與文字構成表示空間信息的一種圖形視覺語言，即地圖語言。不同比例尺和專題的地圖所采用的地圖語言是不同的，正如不同國家的文化交流需要翻譯一樣，在傳統(tǒng)的地圖制圖過程中，不同地圖語言的轉換“翻譯”是通過人工實現(xiàn)的，而不是通過計算機去自動實現(xiàn)。雖然我們已經(jīng)在使用計算機進行數(shù)字化測圖，但大多數(shù)情況下這個過程僅僅只是把鉛筆換成鼠標，把白紙換成屏幕，輸出的成果仍然以人能夠讀懂為標準。在地理信息廣為應用的今天，地圖語言的表達更為豐富，地圖語言轉換的計算機自動化實現(xiàn)無疑是能夠提高各類地理信息加工效率和質量的有效手段。面向對象是軟件開發(fā)方法的主流，但面向對象的概念和應用已超越了程序設計和軟件開發(fā)，擴展到很寬的范圍，比如人工智能等等，面向對象的概念同樣適用于測繪工作。地圖語言計算機自動化轉換的實現(xiàn)依賴于如何定義一個被描述的對象，例如要表述現(xiàn)實世界中的電力線，以往通常是采用一個點表示電桿，并在同樣的位置用若干個帶有方向的的光芒線點符號表示電力線的走向。這樣的對象定義不需要額外的計算方法，但是一旦需要進行地圖語言轉換，如大比例尺地圖到小比例尺地圖的綜合，則只能通過人工進行。從面向對象的角度考慮，電力線的定義應該是一根連續(xù)的折線，同樣對于大比例尺地形圖中常見的樓梯臺階也是如此。地理數(shù)據(jù)庫只存儲要素的骨架線和相應屬性信息，不保存任何輔助線劃與制圖要素，由動態(tài)符號化機制實現(xiàn)圖形可視化顯示，將徹底解決GIS信息與地形圖制圖的一致性問題。圖2所示為不同比例尺之間的無縫接邊效果，其主要特點可以歸納如下：

在地理數(shù)據(jù)庫中，不再有“比例尺”的概念，其所存儲的信息不僅包含傳統(tǒng)的地形要素，還包含其他專業(yè)領域所需要的專題空間要素。

地理數(shù)據(jù)庫中不存儲無意義的輔助空間實體，比如僅為特定比例尺制圖使用的輔助線等等。

地理數(shù)據(jù)庫可以有區(qū)域的概念,有面積的概念，但不一定有分幅的概念。

地理數(shù)據(jù)庫的另一重要特征是它內(nèi)部的信息是完整、不間斷的。理論上，一條地理信息應該作為一條記錄保存在數(shù)據(jù)庫內(nèi)。

地理數(shù)據(jù)庫能夠保留歷史信息，采用長事務機制形成版本管理和歷史回溯[1]。

通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)結構來支持空間數(shù)據(jù)的多級表達，包括運用面向對象方法，語義數(shù)據(jù)模型等技術，可以把原有的分別用1:500、1:1000、1:2000比例尺表達的空間數(shù)據(jù)三庫合一，有機融合，建立真正意義上的地理數(shù)據(jù)庫。這樣可以更加有效地從地理數(shù)據(jù)庫中產(chǎn)生出多種專題、多種比例尺的可視化表達和空間信息產(chǎn)品，不但可以節(jié)省數(shù)據(jù)庫建設費用，方便數(shù)據(jù)維護，還能夠大大縮短數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期，實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)庫多層次高效的網(wǎng)絡服務。

地理信息大數(shù)據(jù)庫在建設過程中充分吸收了社會應用的需求，在原有的國家基礎測繪標準的基礎上擴充了大量的符合上海市規(guī)劃以及其他多個行業(yè)可用的專題空間圖層和屬性字段，共計88個大類九百多個專題，例如道路面（圖3），建筑物高度（圖4），城市框架（圖5），街坊面（圖6），門牌號（圖7）。

其中道路面中包含了獨立的十字路口面；建筑物高度分別存儲了建筑對應地面高程、樓頂高程以及樓頂障礙物高程；城市框架數(shù)據(jù)蘊含了道路，鐵路、河流中心線；街坊面根據(jù)城市形態(tài)形成了獨立封閉區(qū)劃面和道路面等相關面狀數(shù)據(jù)，形成了覆蓋上海市域的面狀空間數(shù)據(jù)；門牌號則囊括上海市所有道路和樓宇的門牌號。這些數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)庫管理的實現(xiàn)極大地擴大了地理信息數(shù)據(jù)庫的應用廣度和深度，使基礎測繪向信息化服務邁出了堅實的一步。

圖3 道路面

圖4 建筑高度

圖5 城市框架

2 多尺度時空地理信息大數(shù)據(jù)庫的維護體系

地理數(shù)據(jù)庫的構建是否成功，最終還是要看維護體系是否有效。高度對象化測繪方式對生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的各級人員都是一次全新認識和挑戰(zhàn)。對于測圖人員來說需要建立面向對象的概念；對于質檢人員來說除了要求檢查圖面的完整性，還要求檢查數(shù)據(jù)的拓撲性，符號表達完整性等等；對于數(shù)據(jù)庫維護人員來說要求考慮高效的同步更新過程，滿足網(wǎng)絡服務的數(shù)據(jù)要求。據(jù)此，在圖8中描述了一套比較可行的，以地理數(shù)據(jù)庫為核心的維護和應用流程。

在上述流程中首先是研究和定制了數(shù)據(jù)采集編輯平臺，編輯平臺應該能夠實現(xiàn)空間實體骨架線編輯和符號化顯示；其次是需要考慮的是地理數(shù)據(jù)庫的接邊問題，傳統(tǒng)的不同比例尺間的地形圖以圖幅為單位進行接邊。“三庫合一”后存儲不同比例尺地理空間數(shù)據(jù)，不同比例尺間的地理數(shù)據(jù)不能再以圖幅為單位進行接邊。在這一區(qū)域應當以街坊為界，以保持空間數(shù)據(jù)的完整和連續(xù)。盡管這一變化非常小，但對于習慣傳統(tǒng)生產(chǎn)管理方法，仍然需要通過相應技術手段滿足要求[4]。第三是初步實現(xiàn)地形要素的自動縮編技術。通過自動縮編技術的實現(xiàn)，多尺度時空地理信息大數(shù)據(jù)庫可以派生出多種專題子庫，其更新方式則可以采用“級聯(lián)更新”的模式，即在原有數(shù)據(jù)基礎上，只對發(fā)生變化的數(shù)據(jù)進行相應更新，并將這些變化更新傳遞到其派生數(shù)據(jù)庫上，以實現(xiàn)多系列數(shù)據(jù)的級聯(lián)更新。第四是空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的應用。利用增量數(shù)據(jù)進行更新，關鍵是建立有效的增量數(shù)據(jù)的獲取、管理和控制機制，這就需要充分考慮元數(shù)據(jù)的應用。元數(shù)據(jù)在整個多尺度地理數(shù)據(jù)庫更新流程上繼續(xù)發(fā)揮了重要作用[5]。元數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)的一種，是結合整個數(shù)據(jù)生產(chǎn)不斷完善和優(yōu)化的。隨著多尺度時空地理信息大數(shù)據(jù)庫建設的完成，一個顯著特點就是矢量地理信息在一個統(tǒng)一的架構體系下實現(xiàn)了綜合管理，但又必須面對不同的地理信息的應用方式和更新方式，例如三維地理數(shù)據(jù)庫，地下綜合管線庫，因此元數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)的快速統(tǒng)計分析以及可追溯等方面必然發(fā)揮新的作用。

圖6 街坊面

圖7 門牌號

圖8 以地理數(shù)據(jù)庫為核心滿足網(wǎng)絡服務需要的級聯(lián)更新流程

3 多尺度時空地理信息大數(shù)據(jù)庫多領域應用實現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫建設的最終目的是為了應用，地理數(shù)據(jù)庫的建設為基于在線的地理信息服務的實現(xiàn)打下了堅實的基礎。由于采用了面向對象高度信息化存儲方式，空間數(shù)據(jù)的提取和擴充變得異常容易。常規(guī)的地圖編制和發(fā)布有了更靈活的手段（圖9），通過全自動的信息表達，同一個區(qū)域的空間數(shù)據(jù)可以靈活自由地進行配置，既可以滿足專業(yè)的地形用圖需要，也可以滿足普通用戶對地理信息的需求，特別是地理信息在線服務技術的發(fā)展，用戶可以第一時間獲得最新的地理信息，并且無需購買專用的地理信息軟件，直接接入常用業(yè)務系統(tǒng)中。基于網(wǎng)絡使用地理數(shù)據(jù)庫一般可以按照應用環(huán)境分為兩種類型，即瀏覽器應用和桌面應用兩種方式。

圖9 靈活高效的地理信息可視化轉換

所謂瀏覽器應用，即用戶通過瀏覽器在線獲取地理信息服務，前提是用戶自有的系統(tǒng)也是在瀏覽器上使用。目前這種應用方式已經(jīng)成為信息化系統(tǒng)的主流。地理信息服務同其他網(wǎng)絡服務（Web Services）一樣是采用HTTP和FTP等標準協(xié)議和其他互聯(lián)網(wǎng)通用標準，使用者可以在不同的地方通過不同的終端設備訪問WEB上的數(shù)據(jù)并集成到瀏覽器。區(qū)別于直接訪問地理數(shù)據(jù)庫，通過網(wǎng)絡服務訪問地理數(shù)據(jù)庫的信息，能夠在一定程度上保障地理數(shù)據(jù)庫的安全，另外也能夠通過數(shù)據(jù)的組合提供多類型服務，這些服務可以滿足用戶部門對基礎地理信息的一般性需求，如地圖可視化、地名查詢等，也包括WMF、WFS的應用。一般來說基于瀏覽器的地理信息應用主要以看圖為主，輔助以一定的位置定位和路徑分析，通過和其他專業(yè)數(shù)據(jù)綜合利用地理數(shù)據(jù)庫強大的空間分析功能完成基于瀏覽器的專題圖顯示，查詢和統(tǒng)計，如圖10所示把原有只有地址文本的應急避險場所通過地址定位“落地”到地圖上直觀可視，進一步可以進行空間統(tǒng)計分析，對其他行業(yè)例如規(guī)劃來說都極具參考價值。

除了信息瀏覽以外，基于瀏覽器的應用還可以進一步拓展簡單的畫點畫線或畫面等繪圖功能，相比較專業(yè)的桌面應用系統(tǒng)在空間圖形編輯上無法完成更復雜的功能，此時就需要在常用的桌面軟件中實現(xiàn)在線地理信息服務的調入，完成基于空間庫的分布式調入應用。本文通過常用桌面軟件，如AutoCAD、ArcMap，實現(xiàn)了地理數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡服務的桌面應用。主要考慮這一類用戶往往需要在專業(yè)的軟件上編輯和制作自己的專題信息，如規(guī)劃部門需要對道路數(shù)據(jù)進行高效的空間圖形捕捉獲取道路邊線的節(jié)點坐標等在桌面軟件上才能使用的功能。以往的做法一般是通過購買DWG圖以后直接放入到規(guī)劃師的CAD環(huán)境下進行，現(xiàn)在在一定的安全策略下直接通過網(wǎng)絡分層即可獲取規(guī)劃所需的矢量數(shù)據(jù)，也可以載入影像等其他空間地理信息，如圖11所示的數(shù)據(jù)獲取界面。實現(xiàn)這一策略有以下幾個步驟：一是在桌面軟件上實現(xiàn)圖形特征讀寫和符號化解釋等地理數(shù)據(jù)庫基本接口。二是通過網(wǎng)絡服務獲取授權用戶所能獲得的地理數(shù)據(jù)庫骨架數(shù)據(jù)。三是在桌面客戶端利用符合化接口進行骨架線的可視化，可視化方法根據(jù)用戶權限分為兩種，一種是動態(tài)可視化，一種是靜態(tài)可視化。前者可以在骨架顯示和符號顯示之間自由切換，同時保留了空間實體的其他屬性，后者是不保留骨架線，骨架線在符號化后打散，形成一組沒有特別意義只能表達一定地圖語義的點線。四是在桌面軟件上實現(xiàn)其他以瓦片格式發(fā)布的地理信息服務的調用，例如影像，全要素矢量地形服務等等，以彌補由于數(shù)據(jù)安全原因無法獲取高精度矢量圖形信息帶來的參照要素缺失的不足。

圖10 基于瀏覽器應急疏散場所地圖表達

圖11 AutoCAD環(huán)境下地理信息服務的直接鏈入

綜合上述地理數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡服務的應用可以是多環(huán)境、多級別、多形式的。所謂多環(huán)境就是實現(xiàn)在AutoCAD和ArcMap等常用桌面環(huán)境下的網(wǎng)絡服務的調用，而不僅局限于瀏覽器；多級別就是指多安全級別的數(shù)據(jù)獲取，我們可以設定用戶只獲取瓦片服務也可以設定用戶獲取部門矢量圖形，在矢量圖形獲取過程中還可以區(qū)分是否提供信息齊全的骨架數(shù)據(jù)還是符號化后的圖形數(shù)據(jù)；多種類就是能夠讓用戶在統(tǒng)一環(huán)境下獲取多種類型的基礎地理信息，不同級類別的信息都可以在一個坐標參照系下疊置使用。上海城市多尺度時空地理信息大數(shù)據(jù)庫建設的主要目標就是要為上海智慧城市建設構建統(tǒng)一的時空信息基礎平臺，實現(xiàn)政府信息資源共享，避免信息孤島和重復建設，為政府決策服務，為社會公眾服務。通過地理數(shù)據(jù)庫目前已經(jīng)形成以下幾方面專題應用。

（1）服務政府管理：最直接的就是服務規(guī)劃土地管理等，例如根據(jù)規(guī)劃用地匯總圖與地理數(shù)據(jù)庫的建筑物數(shù)據(jù)疊加，對各現(xiàn)狀用地或規(guī)劃用地地塊進行用地面積及建筑量的統(tǒng)計，包括建筑基地面積、建筑面積、建筑密度等統(tǒng)計，在臨港、虹橋商務、迪斯尼等新開發(fā)區(qū)域都采用了地理信息服務的方式實現(xiàn)了各自土地批租和用地規(guī)劃。在其他領域，還可以對戶外廣告，架空管線，道路規(guī)劃，不可移動文物管理方面等提供強大的數(shù)據(jù)服務。

（2）服務企業(yè)發(fā)展：地理數(shù)據(jù)庫中的地下管線以及地面架空管線信息可以為管線公司的管線建設、管理與維護提供很好的服務。例如架空管線長度的統(tǒng)計隨著地理數(shù)據(jù)庫存儲方式的改變，從原有的點狀要素表達電桿的方式進化到以連續(xù)的線狀實體存儲，使得管線長度的計算非常容易。

（3）服務社會民生：通過地理數(shù)據(jù)庫中的門址數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)POI數(shù)據(jù)形成強大的地址定位和出行規(guī)劃等在線服務，接入“12345”市民熱線、應急指揮等專業(yè)的平臺；通過不同種類的地理信息組合形成種類多樣的專題地圖等直接為社會大眾提供豐富的地理信息服務。

（4）服務領導決策：通過在線方式或者移動載體，把地理數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容形成多種專題利用空間計算分析等功能實現(xiàn)定位、瀏覽、標注、空間分析等多項功能。為領導及時了解情況，做出科學決策服務。

以地理信息公共服務平臺為前端應用的多尺度時空地理信息大數(shù)據(jù)庫自運行以來，受到政府及社會的廣泛關注，目前已經(jīng)實現(xiàn)了如消防地理信息平臺、不可移動文物管理、戶外廣告管理、民防應急管理（圖11）等40多個應用，發(fā)揮了較好的經(jīng)濟和社會效益。

4 結語

地理數(shù)據(jù)庫的建設是數(shù)字中國和數(shù)字城市研究和建設中最基礎的一項工作，隨著近年來測繪技術的飛躍發(fā)展和地理數(shù)據(jù)庫的建立，測繪服務能力顯著提高，服務形式也呈現(xiàn)多樣化。本文全面圍繞網(wǎng)絡服務的內(nèi)涵對構建真正意義的地理數(shù)據(jù)庫做了實踐性的研究，完成了上海城市多尺度時空地理信息大數(shù)據(jù)庫的構建和運維體系，并在提高基礎地理信息質量、轉換效率以及最終的服務能力等方面做了積極的嘗試。地理數(shù)據(jù)庫的建設是一項長期艱巨的工作，只有在實踐中不斷總結才能不斷得到提高。在地理信息的應用日益廣泛的今天，服務是測繪地理信息發(fā)展的生命線，也是測繪地理信息工作價值的體現(xiàn)，地理數(shù)據(jù)庫以及配套服務平臺的建設適應了社會發(fā)展的需求，地理信息的更新周期也從原有的中心城區(qū)半年，郊區(qū)重點城鎮(zhèn)一年，全市其他區(qū)域二年提速到中心城區(qū)半年，其他區(qū)域一年，即“0511”的節(jié)奏。隨著上海智慧城市建設的推進，地理數(shù)據(jù)庫中類型的擴充和動態(tài)更新也勢在必行，地理信息的按需測繪以及快速提供不僅依賴于技術的發(fā)展，更需要多方一起合作共同構建信息共享的環(huán)境，把地理信息的作用最大程度發(fā)揮出來。

References

[1]石憶邵. 土地集約利用再思考[N]. 東方早報，2013-06-25.SHI Yishao. Rethinking of Intensive Land Use [N].Oriental Morning Post，2013-06-25.

[2]金忠民. 上海節(jié)約集約土地資源的生態(tài)思考[J].上海城市規(guī)劃，2011（1）：33-39.JIN Zhongmin. Ecological Perspective on Economical and Intensive Use of Land Resources Planning of Shanghai[J]. Shanghai Urban Planning Review，2011（1）：33-39.

[3]Ebenezer Howard. Garden Cities of Tomorrow[M].London：S. Sonnenschein& Co.，Ltd. 1902.

[4]柯布西耶. 明日之城市[M]. 李浩，譯. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.Le Coubusier. Cities of Tomorrow[M]. LI Hao，translate. Beijing：China Building & Architecture Press，2009.

[5]George B.Dantzig，Thomas L.Saaty. Compact City：a Plan for a Liveable Urban Environment[M].San Francisco：W. H. Freeman，1973.

[6]GerritKnaap，AuthurC.Nelson. The Regulated Landscape：Lessons on State Land Use Planning from Oregon[M]. Cambridge：Lincoln Institute of Land Policy，1992.

[7]陳彥光，劉繼生. 城市土地利用結構和形態(tài)的定量描述：從信息熵到分數(shù)維[J]. 地理研究，2001（2）：146-152.CHEN Yanguang，LIU Jisheng. An Index of Equilibrium of Urban Land-use Structure and Information Dimension of Urban Form[J].Geographical Research，2001（2）：146-152.

[8]鄭新奇，王筱明. 城鎮(zhèn)土地利用結構效率的數(shù)據(jù)包絡分析[J]. 中國土地科學，2004（2）：34-39.ZHENG Xinqi，WANG Xiaoming. DEA Analysis for the Efficiency of Land Use Structure in Cities and Towns[J]. China Land Science, ，2004（2）：34-39.

[9]余德貴，吳群. 基于碳排放約束的土地利用結構優(yōu)化模型研究及其應用[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2011（8）：911-917.YU Degui，WU Qun. Application of the Model of Land Used Structure Optimization Based on Lowcarbon Limited[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin，2011（8）：911-917.

[10]馬安勝. 基于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的城市土地協(xié)調利用研究[D]. 長春：東北師范大學，2013.MA Ansheng. Study on the Coordinated Use of City Land Based on the Industry Development[D].Changchun：Northeast Normal University，2013.

[11]蘇海龍，譚迎輝，周銳，等. 基于規(guī)劃過程的我國土地使用與交通一體化規(guī)劃研究展望[J]. 城市發(fā)展研究，2013（9）：66-72.SU Hailong，TAN Yinghui，ZHOU Rui，et al. The Prospect of China Integrated Planning Research of Land Use and Transportation Systems Based on the Planning Process[J]. Urban Studies，