山東省地理國情普查數據庫系統的設計與實現

劉現印，曹新國，宋擁軍，張金盈

(山東省國土測繪院，山東 濟南 250013)

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山東省地理國情普查數據庫系統的設計與實現

劉現印，曹新國，宋擁軍，張金盈

(山東省國土測繪院，山東 濟南 250013)

地理國情普查是一項重大的國情國力調查。地理國情普查數據庫系統建設是地理國情普查工作的重要組成部分。為了實現地理國情普查成果的科學有效管理以及普查成果的高效應用，山東省開展了地理國情普查數據庫系統建設。根據山東省地理國情普查待建庫數據的類型、用途及其之間的相互關系進行了科學細致的數據庫設計；根據地理國情普查數據管理、應用與服務的相關需求，將地理國情普查數據庫管理與應用服務系統劃分為質檢與預處理工具、數據庫集成管理、統計分析、普查圖制作、普查成果展示和成果應用服務6個子系統。通過該系統的建設山東省建立了完整的、空間連續、主要要素時點統一的省級地理國情普查數據庫，實現了地理國情普查成果的集成管理與集成展示、統計分析應用，并為今后的地理國情監測提供了有力支撐。該文從系統總體架構、數據庫設計、系統功能設計及實現等方面介紹了山東省地理國情普查數據庫系統的設計及實現情況。

地理國情普查；數據庫管理；應用服務；山東省

0 引言

地理國情普查是一項重大的國情國力調查，它從地理的角度分析、研究和描述國情，以地球表層自然、生物和人文現象的空間變化和它們之間的相互關系、特征等為基本內容，對構成國家物質基礎的各種條件因素做出宏觀性、整體性、綜合性的調查、分析和描述，并形成空間化和可視化的國情信息[1-2]。摸清地理國情家底，對于了解國情、把握國勢、制定國策具有重要意義[3-4]。我國在2013—2015年開展了第一次全國地理國情普查工作[5]。

地理國情普查數據庫系統建設是地理國情普查工作的重要組成部分[6]。山東省通過地理國情普查數據庫系統的建設，建立了完整的、空間連續、主要要素時點統一的省級地理國情普查數據庫[7-9]，并建成了地理國情普查數據庫管理和應用服務系統。實現了地理國情普查成果的集成管理與集成展示、統計分析應用，并為今后的地理國情監測提供了有力支撐。該文結合實際建設工作，從系統的總體架構設計、數據庫設計、系統設計與實現、系統特色等方面進行論述。

1 系統的總體架構設計

山東省的地理國情普查數據庫管理軟件采用關系型數據庫Oracle，通過功能組件和服務接口實現數據庫存儲與訪問。整個數據庫系統由支撐層、數據資源層、組件服務層和應用層構成[9-16]。山東省地理國情普查數據庫系統總體技術架構如圖1所示：

(1)支撐層：是保障系統正常運行的支撐環境，由基礎軟件環境、硬件環境及網絡環境組成。山東省建設了云計算管理平臺，以便為普查數據庫及管理系統提供高性能的軟硬件支撐環境。

圖1 山東省地理國情普查數據庫系統總體技術架構圖

(2)數據資源層：是經過科學組織管理的地理國情普查數據，它是應用層的操作對象。數據類型包括地表覆蓋、地理國情要素、元數據、路網和水網數據、遙感影像數據、地形地貌數據、遙感影像解譯樣本、專題數據、統計分析成果和瓦片數據(矢量瓦片、影像瓦片)。

(3)組件服務層：提供功能組件和服務接口，以便于更加方便、靈活、高效地搭建應用服務系統。

(4)應用層：實現數據入庫檢查和預處理、數據庫集成管理、普查成果展示、統計分析、普查圖制作、應用服務等功能。

2 入庫數據分析及數據庫設計

2.1 入庫數據分析

山東省地理國情普查數據成果主要包括：地形地貌數據、遙感影像數據、遙感影像解譯樣本數據、地表覆蓋數據、地理國情要素數據、道路與水系網絡數據、專題數據、地理國情統計分析成果[7-16]。另外，從數據庫管理角度，數據庫中還包括元數據、相關技術文檔、歷史數據、系統管理數據等[7-8]。

(1)地形地貌數據。地形地貌數據包括多尺度DEM數據(覆蓋全省的1∶1萬比例尺2m格網DEM和1∶5萬比例尺10m格網DEM)，以及由DEM數據派生出來的坡度與坡向數據、高程與坡度分帶數據等。

(2)遙感影像數據。山東省在地理國情普查過程中使用了多種類型的遙感影像數據。影像種類包括WorldView、QuickBird、航攝影像以及資源一號等，數據時相從2013年4月至2015年4月。正射影像數據包括1∶2.5萬分幅DOM數據和整景DOM數據。

(3)遙感影像解譯樣本數據。遙感影像解譯樣本采集的數據包括2類：一是地面照片；二是遙感影像實例數據[17]。全省共采集10.6萬個解譯樣本點。

(4)地表覆蓋數據。地表覆蓋數據由耕地、園地、林地、草地、房屋建筑(區)、道路、構筑物、人工堆掘地、荒漠與裸露地表、水域10種地表覆蓋類型的空間范圍和屬性信息組成，該數據在普查區范圍內全覆蓋[1]。全省共采集地表覆蓋圖斑1237.8萬個。

(5)地理國情要素數據。地理國情要素數據包括道路、水域、構筑物和地理單元等要素[1]。全省共采集地理國情要素164.7萬個。

(6)道路與水系網絡數據。山東省基于山東省地理國情普查要素數據，提取所有起連通作用的公路、城市道路、鄉村道路構建山東省路網。提取連通作用的、所有等級的河流及溝渠進行構網[7-9]。山東省的網絡數據與國家級的網絡數據相比要更加精細和真實。

(7)專題數據。專題數據指收集整理的各類與地理國情普查相關的專題資料數據，包括社會經濟統計數據和行業專題數據[7-9]。根據地理國情普查以及統計分析的需要，山東省共從27個省直有關部門收集了各部門主管相關的資料。主要包括：國土部門的第二次全國土地調查數據、水利部門的第一次全國水利普查資料、交通部門提供的道路信息、海洋部門提供的海岸線信息、林業部門提供的林業數據、省公安廳提供的地名地址數據以及統計部門提供的統計年鑒等。

(8)統計分析成果數據。統計分析成果數據指在地理國情普查成果數據及專題數據基礎上按照地理國情統計分析技術方法，經地理國情統計分析軟件形成的包括國家級、省級、縣級、自然或自定義區域等為單元的統計分析結果[18]。

(9)其他數據。其他數據包括在普查數據生產、普查數據庫建設與管理過程中形成的元數據、相關技術文檔、歷史數據、系統管理數據等。

2.2 數據庫設計

從山東省地理國情普查成果數據分析可以看出，山東省普查數據成果在數據模型上涵蓋矢量數據、柵格數據、表格數據、文檔數據等多種類型；在數據時態上包括現勢數據庫、歷史數據庫和歸檔數據庫[7-10]。

(1)數據庫邏輯結構設計。由于國家測繪地理信息局要求省級地理國情普查數據庫的邏輯設計模型應與全國地理國情普查數據庫保持一致，因此，山東省地理國情普查數據庫需要參照《第一次全國地理國情普查數據庫建設技術設計》[11]。根據國家測繪地理信息局的要求結合山東省地理國情普查數據的類型和特點，數據庫中綜合使用矢量數據集、柵格數據集、表格數據、文檔資料數據等形式對數據進行存儲管理。其中矢量數據集包括地表覆蓋、道路網絡、水系網絡、構筑物要素、地理單元、元數據、地理國情概況、專題數據、統計分析成果數據等9個數據集，柵格數據包括DEM、坡度、坡向、地表覆蓋柵格化數據、DOM等5類數據，表格數據包括遙感影像解譯樣本數據、社會經濟統計數據、網絡關系表、其它表格數據等；文檔數據包括遙感影像解譯樣本以及普查相關技術文檔[7-9]。山東省地理國情普查數據庫總體邏輯結構如圖2所示。

(2)數據庫表空間設計。針對地理國情普查數據量大的特點，為方便數據庫數據備份和遷移，地理國情普查數據庫采用小文件表空間進行管理，并允許自動分配。考慮每種數據的數據量，將地理國情普查數據庫劃分為9個表空間(表1)，分別為：不需分區的地理國情矢量數據、需分區的地理國情矢量數據、正射影像數據表空間、地形柵格數據表空間、地表覆蓋柵格數據表空間、網絡數據表空間、社會經濟統計數據表空間、以及數據庫空間索引和屬性索引數據表空間等[7-9]。

表1 數據庫表空間設計

3 系統設計與實現

山東省地理國情普查數據庫系統基于云架構進行設計和開發，包含質檢與預處理工具、數據庫集成管理系統、地理國情統計分析系統、地理國情普查圖制作系統、普查成果展示系統和成果應用服務系統[7-9]。對于數據處理和計算密集型的質檢與預處理工具、數據庫集成管理系統、地理國情統計分析系統、地理國情普查圖制作系統采用C/S架構，基于ArcEngine10.3，利用C#語言構建系統；普查成果展示系統采用C/S架構，基于ArcEngine10.3和DirectX，利用C#語言進行構建；對于查詢瀏覽為主的成果應用服務系統，采用B/S架構，基于OpenLayers，利用JAVA語言構建系統。

3.1 云計算管理平臺

為了給山東省地理國情普查數據庫系統提供高效穩定的軟硬件支撐環境，山東省建設了地理國情普查云計算管理平臺。它采用私有云模式，通過云平臺管理軟件，將計算、存儲、網絡等資源虛擬化，并進一步池化管理。用戶通過云主機構建統計分析計算服務器集群、Web服務器集群、應用服務器集群、文件服務器等。

其設計與搭建充分考慮了地理國情普查數據類型及格式多樣、數據結構復雜、數據量巨大、查詢瀏覽速度要求高、安全性要求高等特點，實現了云平臺與數據存儲管理、系統運行的有機結合，具有高性能、高可靠性、擴展能力高等特點。

3.2 質檢與預處理工具

主要用來對通過“二級檢查、一級驗收”后的地理國情普查各種數據(包括精細化DEM、地表覆蓋分類數據、地理國情要素數據、遙感影像解譯樣本數據、遙感影像數據等)，進行入庫前的檢查及預處理工作。質檢工具包括：任務管理、數據檢查、數據審核和系統設置等功能[7-9](圖3)。預處理工具包括：地形地貌、地表覆蓋、普查要素、解譯樣本、正射影像處理功能以及輔助工具[7-9](圖4)。

圖3 入庫質檢工具示意圖

圖4 預處理工具示意圖

3.3 數據庫集成管理系統

3.3.1 功能設計

該系統用來實現地理國情普查數據的入庫、管理、查詢瀏覽、使用等。包括數據入庫、數據查詢瀏覽與統計、數據提取、數據庫更新、數據交換、數據變化檢測以及運維管理等功能[7-9](圖5)。

圖5 數據庫集成管理系統

3.3.2 創新點

在該系統建設過程中進行了以下技術創新：

(1)矢量數據分布式并行入庫技術。地理國情普查矢量數據成果具有圖層多、部分圖層要素數量巨大、要素精度高等特點，傳統模式下該類數據入庫暴露出入庫時間長、入庫過程不穩定、出錯后重新入庫代價高、圖層鎖使得計算機資源無法充分利用和提升入庫效率困難等問題[10]。

為了解決上述問題，該系統采用基于分布式的高性能并行入庫技術。具體通過任務拆分、高速緩存、智能故障修復3個要點來實現。該項技術保障了地理國情矢量數據正確、穩定和高效的入庫。經實際驗證，在采用該技術后，全省矢量數據入庫整體穩定性和效率得到極大提升。

(2)海量矢量數據分級索引與動態渲染技術。由于地理國情普查矢量數據數量龐大，部分圖層要素數量和單要素節點數量都非常大。按照目前常規的矢量渲染瀏覽和柵格切片瀏覽2種方式，在效果、效率和可查詢性方面都存在不少的缺陷。

為滿足國情海量矢量數據的動態符號化、瀏覽效率高、實時查詢檢索等方面的需求，該系統采用了含矢量分級切片索引、數據高速切割、高效渲染技術在內的一整套矢量分級索引與動態渲染技術體系，實現了在一套數據前提下，國情普查大體量矢量數據在大中小比例尺區間內的全程高效瀏覽和實時查詢[10]。

3.4 地理國情統計分析系統

該系統基于地理國情普查數據進行統計分析計算，得到各類地理國情普查數據并自動生成基本統計分析報告。包括數據處理、統計配置、分類統計、結果查看、報表生成等功能模塊[18-19](圖6)。

圖6 地理國情統計分析系統

3.5 地理國情普查圖制作系統

該系統基于地理國情普查數據庫制作地理國情普查圖件成果。依據地理國情普查圖制作規范進行符號庫制作及符號化配置，并制作成制圖模板。基于地理國情普查數據及統計分析成果快速生成地理國情普查標準圖件，并開展圖面的整飾及圖件輸出。包括基礎制圖功能、自動化制圖功能、交互式制圖處理和制圖整飾等功能[9](圖7)。

圖7 地理國情普查圖制作系統

3.6 普查成果展示系統

3.6.1 功能設計

該系統以二三維一體化的形式實現地理國情數據的展示，包括對地理國情數據進行提取處理，形成展示發布庫，然后將國情數據發布為標準的地理信息服務，通過調用服務接口，實現普查成果分布范圍展示、統計分析成果展示、二三維一體化展示、單項數據產品展示等功能。包括全局視圖展示、數據分類視圖展示、多維度數據的關聯展示、綜合查詢檢索、快速定位等功能[19](圖8)。

圖8 普查成果展示系統

3.6.2 創新點

混合金字塔二三維數據一體化組織與渲染技術是該系統建設過程中進行的技術創新。地理國情數據成果包含地形、影像、國情要素、地表覆蓋等多種類型。由于這些數據各有特點，在進行成果展示時，需要根據其不同的展示需求，采用不同的展示方式和技術路線。例如，地形與影像多以切片后疊加的方式進行三維地形地貌集成展示，采用了該系統的三維平臺按金字塔標準進行切片。國情要素等矢量數據，由于單圖層體量不大且有查詢需求，需要以實時地圖服務方式展示，采用了成熟的ArcGIS配圖并發布地圖服務的方式接入展示。而地表覆蓋數據由于體量大、要素復雜，采用了矢量分級索引和動態渲染的方式實現。但是，當這些數據在同一平臺中集成展示時，面臨著同一個三維場景中需接入ArcGIS Server、天地圖和三維平臺自定義等多種金字塔標準混合接入和集成展示的問題。

針對上述問題，該系統設計了混合金字塔數據組織與一體化渲染技術，通過一種虛擬金字塔數據組織模型以及圖層數據分離、邏輯耦合的技術，解決上述問題(圖9)。通過該技術的使用，實現了各類地理國情數據成果ArcGIS Server、天地圖和自定義3種金字塔標準展示數據的混合接入和集成展示，并且在全省任意區域、三維場景任意高度和傾斜視角下，場景內各數據均達到無延遲、集成瀏覽[10]。

圖9 混合金字塔數據組織與一體化渲染技術示意圖

3.7 成果應用服務系統

該系統依托于地理國情普查數據庫，通過拓展服務形式提供成果目錄服務、面向天地圖·山東的在線數據服務等多種在線服務以及數據分發等離線服務來提升地理國情普查成果綜合應用服務能力的共享服務系統(圖10)。包括成果發布、成果概況展示、成果綜合查詢、目錄管理和系統運維等功能模塊[19]。

圖10 成果應用服務系統

4 結語

山東省地理國情普查數據庫系統的建成，實現了對全省地形地貌、遙感影像、遙感影像解譯樣本、地表覆蓋、地理國情要素、專題數據、地理國情統計分析等7大類地理國情普查成果的高效管理，提供了數據制圖、變化檢測、統計分析、成果展示、面向公眾的應用服務等特色功能，為地理國情基本統計以及應用服務、數據分發和信息發布等提供了有利條件，也為后期的普查成果深度開發應用以及今后的地理國情監測奠定了堅實基礎。

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Design and Implementation of General SurveyDatabase System of National Geographic Condition

LIU Xianyin, CAO Xinguo, SONG Yongjun, ZHANG Jinying

(Shandong Land Surveying and Mapping Institute, Shandong Jinna 250013, China)

s: The construction of database system on national geographic condition is a significant national condition and power investigation. It is an important part in learing national geographic condition. In order to realize scientific management and effective application of general survey ahcievement of national geographic condition, the construction of national geographic condition database system has been carried out in Shandong province. The database has been designed scientifically and meticulously as to type, usage and correlation of to-be-built bases on Shandong national geographic condition. The national geographic condition database management and application service system consists of quality control and preprocess tool, database integrated management system, national geographic statistics analysis system, national geographic condition mapping system, results presentation system and results application service system according to the needs of national geographic condition data management, application and service. Through the construction of this system, provincial level national geographic condition database has been built up, featured with completion, continuation in space, unity of principal factors in time and spot, which has achieved integrated management and presentation, statistics analysis application of national geographic census results and supported convincingly national geographic monitoring in the future. From the aspects of overall structure, database design, design and realization of system function , design and the implemention of the database system on national geographic condition in Shandong province has been introduced.

National geographical national condition; database management; application and service

2017-03-03；

2017-05-14；編輯：王敏

山東省國土資源廳，山東省地理國情數據庫建設,項目編號：LDYG2015046

劉現印(1982—)，男，山東濟南人，工程師，主要從事地理國情普查、測繪等方面的工作；E-mail：xianyin05@163.com

P208

B

劉現印，曹新國，宋擁軍，等.山東省地理國情普查數據庫系統的設計與實現[J].山東國土資源，2017,33(8)：85-91. LIU Xianyin, CAO Xinguo, SONG Yongjun,etc. Design and Implementation of General Survey Database System of National Geographic Condition[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(8)：85-91.