山東省基礎地理信息數據庫管理系統升級技術分析及關鍵點研究

平宗瑋

(山東省國土測繪院，山東 濟南 250013)

0 引言

基礎地理信息數據是國家空間數據基礎設施的重要組成部分，是國家信息化權威、統一的定位基準和空間載體，在國民經濟建設、社會發展、國家安全和國防等方面發揮著十分重要的作用。隨著山東省省級基礎測繪工作的不斷深化，大量的基礎測繪數據逐步積累，已成為全面、準確、客觀反映全省地表自然與人文地理的基礎性、戰略性信息，也是省政府科學管理決策的重要依據[1-4]。

為保證基礎地理信息數據的有效管理、使用、分發和服務，2010年10月完成“十一五”數據庫管理系統建設工作，系統基于客戶端/服務器(C/S)相結合的系統運行模式，采用Oracle 10g和Arc SDE空間數據庫引擎，基于ArcEngine開發完成。“十二五”期間，對系統進行了升級，初步形成山東全省框架統一、模式一致的數據庫管理系統，顯著提高山東省基礎地理信息數據庫管理和服務整體技術水平與性能[5-6]。

根據《全國基礎測繪中長期規劃綱要(2015—2030年)》，結合山東省基礎測繪工作現狀，《山東省“十三五”基礎測繪規劃》對省級基礎地理信息資源建設也作出了新的部署。針對“十三五”時期豐富多樣的基礎測繪成果，包括2016—2018年新型基礎測繪數據、潮間帶及近海水下地形測繪數據、激光點云數據(DSM)、數字高程模型數據(DEM)、元數據及業務數據，這些數據迫切需要實現高效、合理的組織管理和開發利用。

因此，為保證山東省基礎地理信息數據庫穩定運行，提高數據存儲、管理及應用效率，實現對歷史、現狀以及將來多版本數據的統一管理，以山東省國民經濟、社會發展優勢及信息化需求為基礎，通過山東省基礎地理信息數據庫升級改造項目，依托全新架構的基礎地理信息數據庫管理系統，構建全省基礎地理信息數據庫，為山東省基礎測繪事業建設提供有力技術支撐和資源保障。

1 建設內容

“十三五”山東省基礎地理信息數據庫管理系統升級建設主要完成以下內容(圖1)：

圖1 基礎地理信息數據庫管理系統升級內容

(1)基礎架構升級：由傳統架構向先進IT架構升級，面向基礎庫升級，按需將存儲、計算框架部分能力實例化適配，全面提升業務支撐能力及功效指標。實現數據檢查、存儲、制圖輸出能力的提升。面向基礎地理數據存儲與管理等業務需求，面向混合存儲框架，全新升級數據庫管理引擎，可靈活接入空間數據庫(含分布式數據庫)、分布式NoSQL數據庫、分布式文件系統，為基礎庫管理系統上層應用功能提供統一的數據存儲訪問接口。同時面向基礎地理數據管理、預處理、服務發布等業務場景，以效率提升為根本出發點，依托并行處理技術，提供高效率的數據入庫、數據檢查、預處理、提取分發等能力。

(2)基礎平臺替換：山東省基礎地理信息數據庫管理系統升級項目將采用自主化底層平臺(GEOWAY Spatial空間數據庫平臺)，取代國外商用數據庫與GIS平臺，實現基礎平臺的升級，進一步實現數據存儲管理、時空化更新管理、制圖輸出及應用的能力提升。

(3)庫體建設支撐：實現“十三五”時期，1∶1萬新型基礎測繪數據(2016—2018年)、潮間帶及近海水下地形測繪數據、激光點云數據(DSM)、數字高程模型數據(DEM)、元數據及業務數據的建庫管理。

(4)系統功能改造：創建時空化屬性索引、矢量數據索引和柵格數據索引，提高多版本數據訪問效率，加強數據的入庫、提取、檢索能力；提供精確的系統級過程監控、記錄及提示功能，保障入庫數據的準確性，并實現對入庫記錄和數據的可追溯查詢；提升數據更新管理能力；提供面向時空數據模型進行的矢量歷史數據管理功能。基于底層架構的全新換代升級，繼承、優化、創新地分級實現系統功能改造。以易用、實用、穩定及高效率為原則，提供數據庫管理平臺、數據預處理、數據入庫前檢查、數據庫入庫與更新、數據提取、產品制作功能。

2 技術架構

“十三五”山東省基礎地理信息數據庫管理系統升級建設主要是在滿足對歷史數據管理應用的基礎上，也能支持對2016—2018年度的1∶1萬新型基礎測繪數據、潮間帶及近海水下地形測繪數據、激光點云數據(DSM)、數字高程模型數據(DEM)、元數據及業務數據等數據的質檢、建庫、更新、制圖與對外服務。系統建設技術架構如圖2所示。

圖2 基礎地理信息數據庫管理系統總體技術架構

基礎地理信息數據庫總體框架由基礎設施層、數據層、功能層、應用層和用戶層構成，主要的組成框架包括：

(1)基礎設施層：包括網絡設施、存儲設備、服務器、操作系統、GEOWAY Spatial自主化數據庫平臺、GEOWAY Mapware自主化GIS平臺、應用程序服務器等環境。山東省基礎地理信息數據庫管理系統升級改造項目需要網絡設備、服務器、存儲設備、安全設備以及其他支撐設備符合先進性要求，要能支撐基礎地理信息數據庫管理系統安全穩定運行，隨著數據體量的增加，存儲設備能夠隨時擴展。為了降低建設成本，需要充分利用已有硬件設備，重新搭建硬件環境，建立滿足軟件平臺和數據庫需求的軟硬件環境。基于主流空間數據庫(含分布式數據庫)、分布式NoSQL數據庫、分布式文件系統及高可用GIS平臺進行山東省基礎地理信息數據庫建庫、數據庫管理系統、地圖制作系統、入庫檢查工具、預處理工具等的開發。

(2)數據層：分為新型基礎測繪數據、潮間帶及近海水下地形測繪數據、激光點云數據、數字高程模型數據(DEM)、元數據及業務數據等。數據資源體系建設是山東省基礎地理信息數據庫升級的建設重點，需要以基礎地理信息數據應用服務為導向，梳理與分析山東省地理信息數據資源現狀。按照標準規范，整理地理信息數據資源，實現地理信息資源數據的建庫管理，確保數據的完整性、準確性和現勢性，形成標準權威、內容完整、動態鮮活的基礎地理信息數據庫。為數據的開放共享、社會服務、政務決策提供有效支撐。

(3)功能層：包括數據庫管理工具、數據預處理工具、數據庫更新工具、數據檢查工具、產品制作工具以及系統配置模塊等功能。通過升級現有基礎地理信息數據庫管理系統，可為數據入庫更新、數據快速查詢提取、數據庫快速制圖等業務提供數據或服務支撐。

(4)應用層：分為數據查詢、數據瀏覽、數據提取、數據預處理、數據入庫檢查、數據更新、產品制作等。基于基礎地理信息數據庫，面向實際的分發、制圖、更新業務，由點及面的支撐起整個基礎地理數據應用與服務場景。

(5)用戶層：主要包括基礎地理信息數據庫管理系統的直接管理用戶及其他間接用戶等。

3 技術路線

數據庫建設技術路線如圖3所示：

圖3 數據庫建設技術路線

需求分析:系統建設之前需對現有數據情況進行整體的分析論證，項目建設過程中整體的業務需求、系統的功能及非功能性需求等也都需要預先進行分析、確認。

前期準備:在開展數據整理、建庫之前需要收集項目相關資料，對于項目技術難點及主要數據類型進行分析，同時形成總體技術設計。

數據整理:數據整理包括文件組織調整，數據預處理及元數據處理等，數據預處理模塊包含一系列建庫數據預處理工具，用于對入庫數據進行整理，包括矢量數據格式轉換、柵格數據格式轉換、坐標轉換及數據空間化等。通過該模塊，確保入庫數據在格式、坐標參考等方面滿足入庫要求。

數據入庫:通過創建矢量數據存儲模型、柵格數據存儲模型、表格數據存儲模型，支持包括2016—2018年度的1∶1萬新型基礎測繪數據、潮間帶及近海水下地形測繪數據、激光點云數據(DSM)、數字高程模型數據(DEM)、元數據及業務數據等數據的入庫。

數據應用:基于入庫完成的基礎地理信息數據，提供數據的查詢、提取、產品制作服務，可結合具體的應用場景實現基礎地理信息數據的快速查詢、提取和產品制作，滿足對基礎地理信息數據應用的需要。

3.1 數據建庫技術路線

按照統一的時空框架、統一的信息資源目錄體系，按照面向對象數據組織的基本原則進行基礎地理信息數據庫設計，并遵循以下技術路線要求：

(1)數據存儲組織：采用混合的存儲管理策略實現山東省基礎地理信息數據的存儲管理。矢量數據、空間范圍信息存儲空間數據庫，業務數據、元數據、快視圖等采用關系表進行存儲，文件實體(含影像數據與地形數據)存儲于文件系統。

(2)存儲平臺：基于SAN或者NAS虛擬化設備進行存儲，結合存儲軟件，以在線、近線、離線的方式合理規劃存儲資源，保證存儲效率。

(3)數據管理：省級地理信息資源數據采用地理坐標與投影坐標分別建庫模式，滿足瀏覽、分發、制圖等不同數據應用需求。

3.2 系統設計與開發技術路線

山東省基礎地理信息數據庫管理系統開發技術路線如下：

(1)采用構件化的設計思想，在需求分析的基礎上進行軟件功能構件的設計，然后根據管理對象與業務場景，組裝搭建不同的應用模塊。

(2)數據庫平臺：基礎地理信息采用自主數據庫平臺GEOWAY Spatial進行存儲管理，GEOWAY Spatial基于先進開源數據庫PostgreSQL并進行了企業級定制與空間化擴展。

(3)開發語言：采用統一建模語言UML 作為系統建模語言。基礎地理信息數據庫系統采用C/S 架構，以C#為開發語言，以.NET作為開發環境。

(4)組件GIS平臺：采用自主組件GIS平臺GEOWAY Mapware，由其提供數據建模、數據訪問、地圖控件、圖層管理、符號系統更新等核心GIS能力。

(5)采用GEOWAY ADF作為平臺開發功能組件，GEOWAY ADF是一套可配置的功能組件集合，可靈活的應用于各種項目的定制。

3.3 支撐環境建設技術路線

支撐環境建設總體目標是建設一個“高可靠性、高性能、高安全、可擴展”的支撐平臺。使用服務器、光纖交換機、存儲組建SAN存儲網絡，綜合采用本地備份、異地容災備份雙重備份機制，確保數據安全。數據生產環境的每個出口通過綜合安全網關設備實現網絡的安全接入，通過網閘設備實現數據流向的安全管理。采用Windows Server系統，確保支撐環境穩定、高效、安全可靠。搭建數據庫集群環境，確保數據庫能夠實現負載均衡及高可用。

4 關鍵技術難點及解決方案

4.1 基于混合更新模型的數據庫更新管理

4.1.1 技術難點

1∶10000基礎地理信息數據在不同時期、不同場景下更新模式會有一定差異，如針對不同更新場景會存在圖層式更新與增量更新等，原有更新模型主體針對增量更新模式，無法同時兼顧多種更新模式。

原有數據庫更新模型主體基于基態修正模型，采用現勢庫、工作庫、歷史庫模式構建，針對日常時態化瀏覽管理需求由于結構復雜涉及大量現勢庫與歷史庫數據重組工作，效率低下且難度較大。

4.1.2 解決方案

兼顧當前常見更新模式，如圖層更新、增量更新等，以滿足日常基礎測繪成果時態化管理需求為基準，綜合連續快照模型、基態修正模型各自優勢，設計時態數據存儲模型。總體構建現勢庫、增量庫與版本庫，現勢庫中存儲當前最新狀態數據，增量庫中存儲通過圖層更新或增量更新所獲取的更新包數據、版本庫中存儲按固定時間序列(如按月、按年等)注冊的版本快照[7-10]。在初期建庫用唯一標識碼對要素進行唯一性認定。在后續數據持續更新過程中，一方面嚴格約束待更新數據的來源—數據庫，保證待更新數據與數據庫內要素唯一標識碼可匹配；另一方面約束更新平臺能夠對更新要素的更新時間、變化類型以及要素唯一標識碼等字段信息進行實時維護。在更新入庫過程中，以更新包的方式與庫中原有區域數據基于唯一標識碼進行匹配，將變化要素進行增量入庫，從而實現數據庫的增量更新。在增量更新技術支撐下，能夠按照時間節點對數據集進行查詢，對比數據在不同時間點的變化情況，實現對不同時期數據的查詢、統計與分析(圖4)[11-13]。

圖4 時態數據存儲模型

4.2 基于自主化制圖平臺的數據庫快速制圖

4.2.1 技術難點

(1)原有系統制圖能力受制于ArcGIS平臺

由于原系統是基于ArcGIS Engine底層開發的，制圖子系統幾乎所有功能的開發皆依賴其底層的已有能力。一方面，符號渲染和表達、標注避讓、成果輸出等一些核心制圖能力研發受限，難以做到有效能力突破和靈活定制擴展。另一方面，制圖子系統的穩定性也嚴重依賴于底層平臺，一旦發現由于ArcGIS底層原因造成的軟件缺陷，上層工具可能無能為力，導致部分功能無法正常運行且問題難以及時修復。這些問題在項目實施過程及后續維護中已有一定程度的顯現[14-16]。

(2)圖庫一體化數據模型不夠簡潔，也難以支撐地圖增量更新需求

原有圖庫一體數據模型受ArcGIS數據結構的限制，為了保持制圖數據與地理數據的一致，以擴展輔助圖層為代價，實現特殊制圖效果的符號表達。這樣做會導致2個問題：一是增加了數據體積和地圖圖層列表的數量，導致數據冗余和數據選擇十分繁瑣。二是輔助圖層與原始圖層的關聯關系依靠屬性字段鏈接，這種關聯關系容易斷裂，從而導致增量制圖更新的失敗。

(3)制圖自動化水平及交互處理能力偏低

制圖自動化水平有待提高，制圖沖突處理、高級符號表達效果有待提升，產品制作過程中的交互體驗有待提升。

4.2.2 解決方案

在繼承原有制圖系統已有制圖能力和優點的基礎之上，使用新的國產化底層平臺和優化后數據存儲模型，重新設計開發一套數據庫制圖系統產品。新系統在支撐已有產品制作業務的前提下，進一步進行能力的優化，提升制圖表達能力，優化制圖作業流程，提升交互操作體驗，進而全方位提升產品制作的生產效率和成果質量[17-18]。核心改進體現在：

(1)底層開發平臺

基于國產地理信息處理平臺進行系統開發，重新進行數據庫制圖系統的架構、設計、研發。

(2)圖庫一體化數據模型

使用優化的圖庫一體化數據模型，將符號信息直接存儲到要素對象屬性內，實現地理數據和制圖數據物理上保持緊密關聯。基于新的圖庫一體模型，圖庫聯動增量更新、符號精細化編輯等操作將會變得容易和高效。

(3)產品制作生產流程

通過對產品制作工藝流程的梳理優化，將確定性、規則化的操作交給程序自動化實現，進一步提升軟件自動化能力和制圖質量。

(4)功能和性能

符號表達能力：基于新平臺的符號渲染能力，實現虛線虛實相交、折線曲線擬合、漸變符號、依比例尺復雜面符號繪制等高級符號效果。

編輯處理能力：通過采用新算法，提升河流、境界、路網、注記表達效果，提升沖突檢測和處理、同色壓蓋檢測和處理、制圖綜合能力。

成果輸出能力：支持將制圖成果一鍵輸出為JPG、EPS、GeoPDF等格式，便于出版印刷和成果分發。

所見即所得能力：優化色彩管理模塊，引入CMYK顏色模型和顏色空間轉換算法，減少屏幕顯示和印刷成品的色差。

5 結語

該文以山東省為例，介紹了山東省基礎地理信息數據庫管理系統升級的建設內容與技術架構，分析了其中的關鍵技術難點并總結了其對應的解決方案。山東省基礎地理信息數據庫管理系統數據庫升級后，實現了數據存儲管理、數據更新、產品制作及應用能力的全面提升，解決的歷史管理軟件的遺留問題，增強了測繪成果管理服務能力，提高了基礎地理信息管理水平，為山東省基礎測繪事業建設提供有力技術支撐和資源保障。