浙中城市群地理空間框架建設模式及關鍵技術研究

葉遠智，張朝忙，張 劍

(浙江省地理信息中心，浙江杭州310012)

一、引 言

城市群是指在特定的地域范圍內具有相當數量的不同性質、類型和等級規模的城市，依托一定的自然環境條件，以一個或兩個超大或特大城市作為地區經濟的核心，借助于現代化的交通工具和綜合運輸網的通達性，以及高度發達的信息網絡，發生與發展著城市個體之間的內在聯系，共同構成一個相對完整的城市綜合體［1-2］。城市群是城市化達到一定階段的必然產物，其存在是區域城市化與城市區域化的重要表現。當前，城市群已成為全新的國家參與全球競爭與國際分工的基本地域單元，它的發展深刻影響著國家的國際競爭力，對國家經濟的持續穩定發展具有重大意義［3］。基于城市群的建設模式可以有效地整合城市群異質資源，優化資源配置，促進城市群的快速發展。目前國內基于城市群的研究多集中于輻射極化等效應對區域發展的影響［1，4-6］，而對基于城市群的地理空間框架建設的研究相對較少。

地理空間框架由基礎地理信息數據庫體系、目錄與交換體系、公共服務體系、政策法規與標準體系和組織運行體系構成，是以公共服務為導向的國家空間信息基礎設施。浙中城市群在浙江地區及國家經濟社會發展中起著重要作用，其區域經濟持續發展、規劃、宏觀決策等都離不開地理空間框架的支持［7-9］。浙中城市群地理空間框架建設模式及關鍵技術研究有助于突破行政區域劃分的束縛，形成統一的信息基礎設施及平臺，促進空間信息等生產要素跨行政區域的合理流動。本文在廣泛總結前人研究結果的基礎上，引出了浙中城市群地理空間框架建設模式，并重點探討了分布式動態空間數據庫體系模型、網絡目錄服務、瓦片服務動態坐標轉換、雙鏈路負載均衡等關鍵技術，為國內其他基于城市群的建設模式及智慧城市相關建設提供借鑒和參考。

二、基于城市群的地理空間框架建設模式

1.浙中城市群概況

浙中城市群位于浙江省中部，金衢盆地以東，包括金華市域(金東區、婺城區、義烏市、東陽市、永康市、蘭溪市、浦江縣、武義縣、磐安縣)，以及衢州市的龍游縣、麗水市的縉云縣和諸暨南部在內的經濟發展協調區，浙中城市群的位置與范圍如圖1所示，覆蓋總面積達1.36萬km2，常住人口600萬人。2011年，浙中城市群整個地區的城市化水平高達60.45%［4］。

圖1 浙中城市群位置與范圍示意圖

2.浙中城市群地理空間框架建設模式

在我國經濟發展和城市化水平較高的東部地區，城市群的發展和完善是推進城市化的主要途徑［6］。我國目前的地理空間框架建設均是以單個完整的行政區域為基本單位，但隨著信息化、城市化的加速發展，城市的綜合發展受整個區域發展的影響越來越強烈，作為城市信息化基礎性信息資源的地理空間框架建設從單個城市的層面轉到城市群的層面加以統籌考慮變得十分必要。

在此背景下，浙中城市群地理空間框架建設在地理信息公共服務平臺方面提出并采用了基于城市群的建設模式。該模式以金華市為主中心，以義烏為副中心，以東陽、永康等浙中城市群其他縣(市)為分中心。主中心負責地理信息資源和各類專題共享信息資源的集成、管理并統籌數據的共享和交換，同時承擔為各分中心和城市群內政府部門提供服務及注冊管理工作;副中心實現共享交換數據的異地備份，同時在數據服務訪問量激增時分擔主節點服務壓力;分中心負責維護各自行政區域內的共享服務數據庫建設，各分中心間相互獨立并通過主中心實現數據共享;城市群內各政府部門通過訪問服務和將本部門發布的服務注冊到共享服務區域實現了星型分布的部門間的數據共享與交換。各中心通過服務權限控制保持對本單位共享服務數據的管理，不具備單獨建設地理信息資源數據庫及提供共享服務能力的部門采用數據前置交換、數據托管、服務器托管等形式將共享服務數據上載到主中心進行集中管理，通過主中心進行共享服務的發布;同時以數據標準、數據庫標準、元數據標準、數據管理技術規程及質量檢查規定為主線，規范城市群地理空間框架建設的全過程。

整體而言，基于城市群的地理空間框架建設模式以共享服務數據庫邏輯集中為主，突破了傳統行政區域劃分的束縛。城市群的發展本質是信息網絡、交通網絡、資金網絡、社會網絡等眾多網絡的形成及發展，基于城市群的地理空間框架建設為地理信息等生產要素跨行政區域的合理流動提供了統一的、法定的信息基礎設施及平臺，對于城市群內信息網絡、交通網絡等的建設具有積極的推動作用。

三、浙中城市群地理空間框架建設關鍵技術

地理空間框架建設的核心是基礎地理信息數據庫體系，最終目的是實現共建共享，涉及空間數據模型、接口規范、集成規范等多種技術及技術體系。浙中城市群地理空間框架建設涉及的關鍵技術包括分布式動態空間數據庫體系模型、網絡目錄服務、瓦片服務動態坐標轉換、雙鏈路負載均衡等。

1.分布式動態空間數據庫體系模型

地理空間框架數據具備海量、多源異構、多時相、多分辨率等特點，在數據建庫及實際應用過程中面臨多重表達、持續協同更新、時空動態顯示等諸多問題，因此空間數據模型研究在地理空間框架建設中顯得十分重要。空間數據模型的發展經歷了CAD數據模型、Coverage數據模型和面向實體的空間數據模型3個階段。浙中城市群地理空間框架建設針對共享服務數據庫采用的分布式動態空間數據庫體系模型基于面向實體的空間數據模型提出，如圖2所示。

圖2 分布式動態空間數據庫體系模型

通過計算機網絡將與浙中城市群相關聯的空間數據庫進行數據和程序的分布式處理，其主要內容包括空間數據的分布式查詢、分布式并發控制等，同時通過前置交換技術對關聯數據庫進行動態更新(即分中心數據進行編輯處理)后，主中心相應數據將動態更新保持與分中心數據的一致，反之亦然。分布式動態空間數據庫體系模型中的參與數據庫均具有獨立自治性，參與庫體均采用面向對象技術將現實世界抽象為由若干對象類組成的數據模型，每個對象類有其屬性、行為和規則，對象類間又有一定的聯系;按層次將地理數據組織成數據對象，并存儲在要素類、對象類和要素集中［10-11］。該模型在空間數據庫體系之上為用戶提供了一個統一的數據共享交換環境，從而滿足了城市群間各城市共享交換數據庫的動態共享與交換。

2.網絡目錄服務

網絡目錄服務(catalog service for the Web，CS/W)是開放式地理信息系統協會(Open Geospatial Consortium，OGC)制定的一套空間信息目錄服務規范，最新版本是 2007年 4月發布的 Version 2.0.2。網絡目錄服務描述了地理空間數據和服務的發布，以及訪問的框架原理及其標準，是檢索、管理與維護分布在不同地方的地理信息(包括基礎地理信息數據、測繪檔案、地理信息應用系統、地理信息服務)的一項關鍵技術。網絡目錄服務規定了目錄服務的接口、綁定的協議及框架結構，并且設定了不同的用例模型來規劃如何具體實現對地理空間數據和服務的目錄發布、搜索和訪問［12-14］。其中，網絡目錄服務系統級用例如圖3所示。

圖3 網絡目錄服務系統級用例

網絡目錄服務規范中的用戶可以是與系統交互的個人、組織或其他軟件系統。系統中包含4種類型的用戶角色:①信息發布者，向元數據庫提交元數據記錄，這樣，信息查詢者就可以檢索到相應的信息，信息發布者通常也是元數據描述對象——地理信息資源的持有者;②中介/代理人，這是一種特殊的信息發布者，代理地理信息資源持有者發布元數據記錄;③信息查詢者，通過元數據服務查詢元數據記錄，了解相應的信息資源的狀況;④元數據服務提供者:這是一個處理發布和查詢元數據的系統，同時，該系統還具有從其他元數據服務收集元數據記錄的功能。

通過網絡目錄服務，各種客戶端應用系統可以通過一致的方式(如標準接口和操作)對各種資源進行搜索，而且理想情況下都基于統一的信息模型，即相同的目錄數據內容和結構，因此，客戶端應用系統可以高效地搜索各種信息資源。OGC的網絡目錄服務定義了一套接口和操作，但要建立一個滿足該規范的網絡目錄服務器，必須針對特定的需求建立相應的信息模型，包括網絡目錄服務可管理的元數據、支持的查詢語言、支持的檢索項、響應的查詢結果集等，這對于保證不同網絡目錄服務器之間的互操作性至關重要。浙中城市群地理空間框架建設涉及多個城市的元數據體系，網絡目錄服務為保證城市間不同部門同構及異構數據體系之間的互操作提供了基礎支撐。

3.瓦片服務動態坐標轉換

空間信息服務的動態坐標轉換一直是地理信息共享交換的研究熱點，目前，矢量地圖服務動態坐標轉換技術已經實現，但對瓦片服務動態坐標轉換的研究較少。瓦片服務是地圖服務中使用頻率最高的一種服務［15］，當不同坐標系之間的瓦片服務需要互操作時，瓦片服務固定投影技術就不能滿足實際需要。瓦片服務動態坐標轉換是指現有瓦片服務根據請求的空間參考信息自動生成新的瓦片服務，實現了一套瓦片即可滿足多個不同投影、不同坐標系統的服務發布需求。

瓦片服務動態坐標轉換的邏輯流程如圖4所示。客戶端對原始瓦片發出瓦片請求，原始瓦片根據客戶端提供的空間參考信息。首先在瓦片緩存模塊中查找該參考信息下的瓦片是否動態生成過，若已緩存，則直接將處理后的緩存瓦片直接返回給客戶端;若請求的參考信息下的瓦片尚未生成，則利用瓦片處理模塊對原始瓦片進行坐標轉換和圖像重采樣操作，并將實時轉換生成后的瓦片存入瓦片緩存模塊，同時將轉換后的瓦片返回給客戶端。

圖4 瓦片服務動態坐標轉換邏輯流程

瓦片服務動態坐標轉換技術支持標準及自定義投影的動態轉換，并能夠實現不同橢球之間瓦片服務的七參數坐標轉換等操作。

4.雙鏈路負載均衡

雙鏈路負載均衡技術根據主機連接請求自動評估鏈路可用性，并將通信流量分配到該主機與服務器通信時間最小值的鏈路:在雙鏈路系統中主機與服務器存在兩條獨立鏈路，鏈路負載均衡技術根據主機IP地址將通信自動分配到最適鏈路;而另一條鏈路則作為備份，在必要時分擔通信流量，解決流量峰值超出最適鏈路通信能力的問題。更重要的是，當最適鏈路連接發生故障時，數據流將平滑的轉向備份鏈路，保證了鏈路系統的高可用性，有效規避了單條鏈路故障帶來的網絡風險和網絡帶寬不足等諸多問題。

浙中城市群的地理空間建設模式以金華、義烏為主，副中心統籌數據共享與交換，從而形成兩條獨立并通信的鏈路。雙鏈路負載均衡技術的開發實現了網絡出口鏈路的自愈化、流量均衡化和訪問快速化，同時也實現了通信鏈路的容災備份，提高了鏈路系統的穩定性，保證了基于城市群的地理空間框架建設的運行。

四、總結與展望

隨著信息化、城市化的加速發展，以及區域經濟一體化的趨勢，基于城市群的建設模式將成為未來城市相關建設的主要模式。本文以浙中城市群為例，介紹了基于城市群的地理空間框架建設模式，重點探討了分布式動態空間數據庫體系模型、網絡目錄服務、瓦片服務動態坐標轉換、雙鏈路負載均衡等關鍵技術。本研究是基于城市群相關建設的有益實踐，可拓展應用于智慧城市的相關建設;同時，筆者認為以下幾個方面有待進行深入研究。

1.時空數據模型研究

地理信息數據具備隨時間變化的時空特性，時空數據的表達和處理，以及對復雜地理現象的描述是未來空間數據模型發展的必然趨勢。現有空間數據模型沒有引入時間維的概念，缺乏對于地理實體及地理事件的歷史狀態分析能力，后續應深入時空數據模型研究，使數據庫成為地理實體的歷史檔案庫，為動態監測和決策分析提供詳實的時空數據支持。

2.基于城市群的智慧城市相關建設

基于城市群的建設模式研究是對傳統的按照行政區域劃分的突破。在智慧城市階段，基于城市群的智慧城市相關建設將是智慧城市、智慧省區間的重要補充和拓展。城市群實質上是一個多重網絡的集合，從而擁有更多的異質資源和動態能力，為相關建設提供了根本性的競爭優勢，因此，有必要在基于城市群的智慧城市相關建設方面進行深入研究和探索。

［1］方創琳，宋吉濤，張薔，等.中國城市群結構體系的組成與空間分異格局［J］.地理學報，2005，60(5):827-840.

［2］林先揚，陳忠暖，蔡國田.國內外城市群研究的回顧與展望［J］.熱帶地理，2003，23(1):44-49.

［3］ALLEN J S.Global City-regions:Trends，Theory，Policy［M］.Oxford:Oxford University Press，2001:78-87.

［4］李王鳴，柴舟躍，江佳遙.基于城市空間要素分析的浙中城市群結構特征研究［J］.經濟地理，2011，31(3):295-301.

［5］李瑞，冰河.快速城市化背景下城市群和城市群脈的空間發展模式［J］.武漢大學學報:工學版，2005，38(1):148-152.

［6］蘇雪串.城市化進程中的要素集聚、產業集群和城市群發展［J］.中央財經大學學報，2004(1):49-52.

［7］YANG C，RASKIN R.Introduction to Distributed Geographic Information Processing Research［J］.International Journal of Geographical Information Science，2009，23(5):553-560.

［8］陸立軍，唐耀林.浙中城市群綜合集聚度及核心城市［J］.經濟地理，2008，28(4):552-556.

［9］PENG Z R.A Proposed Framework for Feature-level Geospatial Data Sharing:A Case Study for Transportation Network Data［J］.International Journal of Geographical Information Science，2005，19(4):459-481.

［10］陳換新，孫群，肖強，等.空間數據融合技術在空間數據生產及更新中的應用［J］.武漢大學學報:信息科學版，2014，39(1):117-122.

［11］曹志月，劉岳.一種面向對象的時空數據模型［J］.測繪學報，2002，31(1):87-92.

［12］王艷軍，邵振峰.面向服務的地理信息公共平臺關鍵技術研究［J］.測繪科學，2012，37(3):160-162

［13］胡承芳，狄黎平，楊文立.THREDDS與CS/W地理空間目錄服務的互操作研究［J］.計算機工程與應用，2008，44(23):14-18.

［14］李德仁，黃俊華，邵振峰.面向服務的數字城市共享平臺框架的設計與實現［J］.武漢大學學報:信息科學版，2008，33(9):881-885.

［15］蘇鐵柱，宋奇海，王見兵.基于AutoCAD的動態坐標轉換的快速實現［J］.測繪通報，2010(11):46-47，53.