城市基礎地理信息與公共平臺數據差異與轉換

史先琳，楊武年

(成都理工大學 地學空間信息技術國土資源部重點實驗室，四川 成都 610059)

一、引 言

政府各部門在提供基礎地理數據的同時也是地理數據資源的共享使用者。構建一個緊密結合應用需求、能為用戶提供多種類型地圖服務的城市空間數據公共平臺，可實現基礎地理數據交換和共享。城市基礎地理數據作為基礎地理單元，是城市空間數據公共平臺系統的空間定位基礎，主要包括基本地理數據、行政區劃數據和地理編碼庫，具有通用性強、共享需求大、保密級別高的特點。而隨著數字城市建設的推進，城市基礎地理信息數據和城市空間數據公共平臺數據的差異日益明顯。

城市基礎地理數據用于統一的空間定位和空間分析，主要包括基本地形圖要素數據和影像數據，以及和位置信息相關的地名、地址數據及其屬性數據和地理元數據等。城市空間數據公共平臺中的數據由基礎地理數據生成，但又與基礎地理數據在地圖符號化表達、多尺度數據集成、地名空間信息、實時計算模式等方面存在不同。在城市空間數據公共平臺系統實現前，本文依照相關標準規范與依據，深入分析兩種空間數據資源的差異，并提出基礎數據向公共數據轉換的流程和方法，將基礎地理信息數據轉換成適合公共平臺的數據。

二、差異分析

1. 地圖符號化表達

基礎地理信息數據表現為點、線、面要素的組合，當非專業人員使用時需進行點狀符號、線型、面的填充操作等符號化和可視化的配置，最終形成視覺良好的地圖。與此同時，GIS數據和地圖制圖數據之間的差異導致基礎地理信息數據和公共數據平臺的數據模型存在本質的差異。

GIS數據主要應用于地理分析，因此重在表現出位置準確、要素完整與邏輯一致。而地圖主要用于信息傳輸，需對現實中的要素和屬性進行有用信息的提取和抽象，重在數據的表達形式和視覺感受性。

屏幕顯示，以及尺寸、色彩、紋理等視覺變量基礎被用戶選擇后，地理數據需按要求進行全要素、分圖層或分區域顯示，即GIS中的圖形表達。但是使用視覺變量區分不同屬性的地理數據的方法不易得到數據形象化的效果。因此GIS圖形表達只是對原始數據的可視化表達形式，其產品只是為了便于用戶對數據的理解而生成的數據科學可視化的圖形表示形式而不是地圖。

符號領域固有的復雜性導致實現地圖符號化表達也是復雜的，符號在描述點、線、面3種基本地理要素類型的同時還采用視覺變量對地理要素進行表達。地圖符號根據符號語言形象化對現實世界的典型特征進行圖型表達。地圖依靠一套完整科學的地圖符號系統表示各種復雜的自然或社會現象。

2. 多尺度無縫集成

依照人類推理習慣，空間數據的多尺度集成與表達是一種自然表達方式。作為一種分析和思想方法，它是一種更加有效的空間認知和空間分析方法，使地理信息自動、合理地實現多尺度空間數據可視化。基礎地理信息數據庫包括4個分庫，分別含有數字柵格數據(DRG)、數字線劃圖數據(DLG)、數字高程模型數據(DEM)和數字正射影像數據(DOM)。分庫建立后，還可再次依據比例尺和分辨率的不同細分為子庫，需要注意的是子庫之間一般沒有關聯。

多尺度數據在城市空間信息管理平臺的無縫集成使用戶對現實世界的空間狀況能夠流暢地感知，需解決以下幾個關鍵技術問題。

1) 比例尺變化粒度取值。多尺度表達中對“多”的含義是指比例尺變化軸對“刻度”或“粒度”的界定。比例尺變化粒度的取值取決于用戶興趣信息的層次結構。總體上，依照感興趣的信息內容層次比發生變化的對象層次高一級的原則對比例尺變化粒度進行劃分。

2) 地圖負載量合理。以地圖要素重要性為基礎而進行的圖形細節分層研究，需結合要素分級、地理位置及目標多樣性進行綜合評判。通過在相同和不同比例尺下分別進行多層次細節(LOD)表達，實現變焦式的縮放模式，即在用戶感興趣區域進行局部LOD表達的同時忽略不感興趣的區域。這既可給用戶帶來層次細節多變的立體感覺，也可在提高網絡響應速度的同時減少數據通信量。在數據組織的層次上，需建立不同地理目標層次細節之間的一對多的對應關系。

3) 要素自適應轉換與表達。應用自適應離散變和連續變比例尺可滿足自適應表達的需求，即可根據密度、范圍等重點要素的分布情況，自動調節多級比例尺地圖的比例尺范圍，以實現同屏多尺度顯示，使得屏幕顯示范圍得以擴大，從而解決固定屏幕顯示信息量不足的缺陷。

3. 地名擴充

可視化的空間分析要求具有空間坐標是城市政務信息與地理空間信息整合的前提條件，而現實中，政府各部門的數據幾乎都沒有空間坐標，因此無法建立非空間信息與空間信息之間的聯系。使用地名地址作為專題信息與地理空間信息的橋梁，是建立二者聯系的最必要、最實用的手段。

在城市信息管理公共平臺中，地名地址信息為主要內容之一。參照城市實際情況，按《數字城市地理空間信息公共平臺地名/地址分類、描述與編碼規則》(CH/Z 9002—2007)的要求，將地名地址信息分為行政區域名稱、街巷名稱、單位名稱等。

公共平臺中地名地址信息的采集方案如圖1所示，基于1∶500、1∶2000、1∶10 000數字線劃圖數據和正射影像圖數據，提取地名地址信息數據，通過外業進行調查、核對，最后形成地名地址數據。

圖1 地名地址信息采集方案

經過上述工作，公共平臺中具備了滿足如下技術要求的地名地址信息：

1) 地名地址以對應實體的中心點位置表示；

2) 坐標位置準確；

3) 屬性信息符合國家規范；

4) 地名信息覆蓋全市域，單位名信息覆蓋建成區。

4. 瓦片與地圖要素一體化組織

面對地理信息服務的在線處理的海量數據，過去一般采用客戶端/服務器(C/S)的實時計算模式，即對客戶端提交的參數統一交由服務器端進行圖形實時計算，將生成的圖形再分別反饋給客戶端。這種方法存在效率低下和圖形效果不足的問題，現今地圖預生成技術已取代C/S法，成為最常見的方式。

預生成思想是指預先在服務器端存放客戶端常用的數據。瓦片(tile)是指將指定范圍的地圖按照規定的尺寸和格式進行切割，分成若干行、列的矩形地圖切片。利用瓦片技術對地圖進行縱向分級和橫向分幅后得到等級不同的地圖。按照上述命名規則對瓦片進行自動命名和保存，實際使用時，瓦片的位置和對應地理坐標可通過公式正反算推導出。實踐證明，提前存儲在服務器端的虛擬目錄中的地圖瓦片明顯加快了客戶端的訪問速度。

在于客戶端發出地圖請求后，采用瓦片地圖技術的服務器快速的響應速度獲取了良好的用戶體驗。但囿于瓦片地圖作為圖片的實質，只能滿足用戶對地圖快速實現拖拽、縮放和漫游等簡單需求。而城市信息管理公共平臺發布的海量信息的形式較單一的圖片格式更復雜，而客戶端不但要求快速瀏覽數據，還需要進行準確的空間分析，通常采用瓦片與地圖要素一體化的數據結構解決這個問題。要素的類型、特性、數量等內容決定了地圖分層數目和不同等級的瓦片單元大小。通過建立動態格網空間索引實現內存單元的智能化分配，可高效調度空間數據并快速識別瓦片地圖上的地理要素，進而實現各種空間分析。

三、基于基礎地理信息的公共平臺數據制作

1. 系統功能

城市地理信息公共平臺數據制作系統可快速實現基礎地理信息數據到公共平臺數據的轉換。系統集數據整理、多尺度集成、地圖表達符號化、瓦片生成與輸出、地名地理編碼等功能于一身。利用系統可快捷方便地進行地圖可視化處理，并將成果直接輸出平臺進行網絡發布。數據制作系統實現了以下功能。

1) 為公共平臺數據配置美觀統一的地圖符號，并根據屬性對數據賦予不同的表達符號。

2) 多種比例尺的公共平臺數據也可在系統中進行集成配置，通過可視比例的調節來增強地圖可視效果。

3) 支持不同注記排列方式、有多種方便的注記設置。

4) 輸出的地圖配置文件可直接供公共平臺使用，并可直接適用于公共平臺的瓦片緩存；支持自定義數據包的輸出，輸出比例設置，可自定義輸出范圍和多種輸出格式。

數據制作系統從地理信息構件開發包中提取了數據管理、圖形顯示、符號配置、數據編輯、投影轉換、制圖輸出、工具集等功能構件。在上述基礎上組裝系統，實現數據的瀏覽、符號配置、多尺度數據關聯及自適應可視化、輸出等功能，另外在現有功能件的基礎上還擴展了符號制作模塊及符號庫。

2. 基本流程

城市地理信息公共平臺數據在非涉密的網絡環境下服務時，首先采用了國家規定的統一方法，對數據包含的涉密內容及空間位置精度進行處理，解決數據可公開使用的問題。數據在外網使用前，按《地圖審核管理規定》要求，需將數據及預生成的瓦片地圖送到省級測繪地理信息行政主管部門指定的地圖審核單位進行地圖內容審查，具體包括：

1) 保密審查；

2) 國界線、省、自治區、直轄市行政區域界線(包括歷史疆界)和特別行政區界線；

3) 重要地理要素及名稱等內容；

4) 國務院測繪行政主管部門規定需要審查的其他地圖內容。

審核通過，頒發審核批準書和地圖審圖號。最后按出版要求嚴格審查，合格產品頒發出版號。

3. 空間位置處理

空間位置處理由按照國家規定的方法用地形圖數據保密處理軟件完成。地形圖數據保密處理軟件簡單實用，可操作性強，可接收多種數據格式，數據處理實現批量自動化。主要功能包括多種常見GIS數據格式的導入和導出，數據瀏覽(放大、縮小、漫游)、查詢等管理，數據保密處理轉換，數據水印添加及檢驗和一些基本GIS軟件功能如距離量測、面積量測等。軟件還可以提供涉密內容方案的制定及要素字段或要素的刪除等功能，輔助內容刪減。

四、結束語

分析基礎地理信息數據與公共平臺數據之間的主要差異有利于使公共平臺提供在線的安全、高效、穩定服務。

根據國家相關政策和標準，應用具有空間位置處理、敏感內容刪除等功能的保密技術處理軟件，實現城市基礎地理信息到面向社會公眾服務的公共平臺數據的轉變。

完善并應用地理信息公共平臺數據制作系統，可以靈活地實現地圖符號定制、地圖顯示配置及城市地理信息公共平臺的數據發布等功能，在技術上為城市基礎地理信息數據和公共平臺數據之間搭建了便捷、暢通的橋梁。

參考文獻：

[1] 袁存忠.基礎地理信息公共平臺的設計和實現[J].地理空間信息，2009, 7(1)：22-24.

[2] 李軍, 陳桂紅, 田鵬, 等. 北京市政務地理空間信息資源共享服務平臺建設實踐[J]. 地理信息世界, 2009, 7(3): 20-25.

[3] 張永強, 孫燕, 易善楨, 等. 構建數字城市地理空間數據共享機制[J]. 計算機技術與發展, 2007, 17(3): 185-188.

[4] 萬林. 城市空間信息共享關鍵技術研究[J]. 軟件導刊, 2008(1): 42-44.

[5] 郭明武. 基于本體和SOA構建城市地理信息公共服務平臺的方法研究[D]. 武漢：武漢大學, 2010.

[6] 丁火平. 基于空間信息技術的城市應急管理系統研究[D]. 北京：中國地質大學, 2009.