县级基础地理信息平台建设关键技术研究

张 璐，金 琳，顾 竹，王 璇

(江苏省基础地理信息中心，江苏南京210013)

一、引 言

随着信息化建设步伐的日益加快，集成化和智能化的信息管理模式备受地方政府的关注［1］。县级基础地理信息平台的建设是“数字城市”的核心支撑和主要内容之一。县级基础地理信息平台的建设目标是以基础地理信息数据为管理对象，利用先进的计算机技术、网络技术、GIS技术和数据库技术［2-5］，建立全县范围内准确、动态、高效的基础地理信息数据库，提高基础地理信息数据生产、建库与管理的科学化水平;提供一套灵活实用的数据更新机制，满足对基础数据的更新维护要求;提供精确的GIS分析和统计功能，为用户充分使用数据提供技术手段;利用城市实体的空间信息和纹理信息通过计算机和虚拟现实技术再现城市特定场景三维景观，向用户立体展现地理空间现象;通过网络模式为广大公众和企事业单位提供统一的、在线的、精准的、现势性强的地理信息服务，提高地理信息公共服务的质量和水平。

二、平台建设内容

1.数据库设计

(1)数据库构建模式

平台的基础地理信息数据库采用面向对象的空间数据模型(Geodatabase)设计，利用 Oracle+ArcSDE的数据库物理架构，通过ArcSDE应用服务器建立客户端与数据库的连接。

(2)数据库子库划分

数据库中子库划分的依据为数据的类型。主要包括。

1)数字线划图数据(DLG)子库。包括大地测量控制点、水系及附属设施、居民地和工矿设施、交通及其附属设施、管线、地貌、行政区界线和地名、植被等内容。

2)数字正射影像数据(DOM)子库。存储不同比例尺的数字正射影像数据。

3)元数据(Metadata)子库。分别存储图幅级、图层级和要素级元数据，包括标识信息、限制信息、数据质量信息、参考系信息、内容信息等。

4)发布数据子库。由基础类数据和POI服务类数据组成。基础类数据即各级电子地图数据库。POI服务类数据一部分从基础类数据中派生;另一部分从相关数据资源中获取。

2.平台总体架构

平台采用客户机/服务器(C/S)和浏览器/服务器(B/S)的混合型系统架构模式，充分吸收两种运行模式的优点，使得平台设计更合理、更先进、更具效率和扩展性。

(1)C/S部分

采用3层C/S架构，利用关系数据库Oracle和空间数据引擎ArcSDE实现数据存储和管理。在数据层，系统从数据的存储、运维、安全等方面设计，具体实现时，则采用面向对象技术，简化对象间复杂的关联关系，通过服务层封装数据库，提供操作接口，向各个应用系统提供服务。体系结构如图1所示。

(2)B/S部分

采用B/S体系结构，将不同的模块、子系统集成到平台主框架中。数据层通过服务层形成了应用集成层，应用集成层包括基础地理数据发布应用子系统系统和三维场景浏览子系统。B/S体系结构图如图2所示。

3.平台设计

平台分为C/S和B/S两大块。其中，C/S模式包括。

1)整合建库子系统。该系统主要提供对基础地理数据的建库功能，包括对采集数据的分析转换和对数据的加工处理，以及数据的整合入库。

图1 C/S体系结构图

图2 B/S体系结构图

2)管理应用子系统。主要负责对基础地理数据按图幅、区域等方式的分层管理，并提供各种基本GIS功能，包括空间快速定位、查询检索、空间统计等功能。

3)数据更新子系统。主要提供对数据库更新以及历史库的管理维护等功能，并可以选择按图幅、指定区域进行更新。

4)元数据库管理子系统。主要负责对各类元数据进行管理，查询，导出和打印的工作。

5)系统维护管理子系统。主要负责用户管理、角色管理、权限设置、日志管理、要素初始化、符号库管理和参数设置管理。

6)特定场景三维精细建模子系统。该系统以虚拟现实技术和GIS技术为核心，基于三维地理信息系统软件平台，综合利用数字摄影测量、GIS、仿真等技术建立虚拟景观仿真系统，提供对特定地点的虚拟三维场景的浏览和分析。

B/S模式包括。

1)三维场景浏览子系统。该系统利用Terra-Builder和TerraExplorer Pro制作三维场景数据，以DEM的高程信息来精确描述区域的地形起伏，以DOM的影像纹理来描述区域地表真实状况，实现了海量三维地形场景浏览、三维场景的测量、图层管理、信息查询和专题统计分析等功能。

2)基础地理数据发布应用子系统。该系统采用ArcGISAPIfor Flex开发的程序作为前端展现，后台连接ArcGIS Server REST Service，采用Flex技术作为WebGIS的客户端表现层，通过互联网24 h在线向广大公众和企事业单位提供权威便捷的地理信息在线服务，包括定位查询、行车导航、旅游指南、出版地图浏览等日常生活所需地理信息服务。

三、关键技术

1.空间数据库的构建模式

平台采用空间数据库的构建模式。从数据管理和数据集成的角度来看，其将空间数据按时态划分为现势数据、历史数据和临时工作数据。

按照入库的要求经过预处理但尚未正式导入现势库的数据，称为临时工作数据。

向用户提供的现势性最好的成果数据，即现势数据。现势数据是数据库系统管理和操作的主要数据，是向用户提供的基本数据。它将各数据生产单位生产的原始采集数据，经过入库检查和整理，按照一定的地理单元，根据现势数据管理的要求存储在服务器的磁盘阵列中。

更新替换下来的成果数据，称为历史数据。历史数据库与现状数据库的结构基本相同，只是所管理的数据是被更新下来的成果数据。现状数据被更新后，将原来的数据转移到历史数据库中，形成历史数据。

2.多粒度更新机制

平台设计了按图幅、要素等多种更新机制，针对不同的数据类型和数据特征采取覆盖更新或要素更新的手段。覆盖更新功能主要针对按图幅生产数据的模式，实现批量图幅的快速更新。该方法简单便捷，但历史数据冗余较大。要素更新针对局部范围内数据的更新，实现小范围的数据快速更新到基础地理空间数据库。该方法更新效率高，历史数据冗余小，是一种增量的更新。

系统充分考虑这两种更新方式的优势，实现了基于区域和实体的全生命周期管理，高效地记录了数据在不同时期的状态，为跟踪数据的变化提供了强有力的保证。

3.面向GIS与制图一体化存储显示

GIS数据注重对地理实体空间性、特征性的反映，侧重于空间信息和属性信息。而制图数据则注重从形式上对地球表面的自然地理和社会人文各要素作形象、直观的描述，侧重于实体对象的几何信息，其核心是实体的符号化表达，缺乏对属性数据的支持。两者的差异主要体现在以下3个方面：①数据连续性;②数据完整性;③数据结构不同。

针对这种情况，平台采用面向GIS与制图的一体化存储显示策略。只建立一套基础地理信息数据库，用于数字制图。系统通过该数据库派生制图数据，基于GIS的制图表达功能实现地理实体的符号化表达，达到制图规范的要求。

4.元数据的同步更新

平台采用的元数据是参考美国联邦地理数据委员会(FGDC)的《地理空间元数据的内容标准》和我国《地理信息元数据》(GB/T 19710—2005)国家标准进行构建。在原有基础上，细化了元数据的层次，将元数据分为图幅级元数据、图层级元数据以及要素级元数据。其中，要素级元数据针对交通、水系等基础地理要素中的重要地理实体(高速公路、江河等)进行创建，并制定其相关标准，丰富了对特殊要素的元数据内容，并采用XML来表达元数据，加强了元数据与地理信息数据之间的联系，实现元数据同步更新。

5.基于皮肤的三维数据快速生成技术

传统的GIS在不断深入的应用中得到充分的发展，已经形成了成熟的产品系列并积累了大量的应用数据。为了能够充分的利用已有的GIS软件模块和应用数据，同时发挥三维真正的优势，平台中的特定场景三维精细建模子系统采用了VRMap2.X基于皮肤的技术。在该技术里，二维GIS数据被看作骨架数据，而三维表现方式所涉及的数据作为皮肤数据。

皮肤技术将二维基础数据与表现模型分离出来，在浏览时刻动态合成，大大降低了资源消耗，提高了系统效率。它将抽象数据世界(二维)与多态的真实世界(三维)完美的结合起来，如抽象的二维点、线、面可以生成标志建筑物、河流、树林等。VRMap支持如下的皮肤技术。

1)公路、铁路、管线的自动生成。

2)公路、铁路两侧景观自动生成，如路灯、树林、电线杆等。

3)楼房、建筑物自动生成，包括各种房型的选择。

4)区域地块生成，如草地、树林、水域等。

6.三维高速渲染引擎

平台中的特定场景三维精细建模子系统在开发时采用了VRMap的高速渲染引擎，通过该引擎，系统实现了以下功能。

1)统一驱动体系，集成DirextX9.0的最新技术，并对高、低端硬件同时保持兼容。

2)实现并行图形优化，对硬件提供的并行处理功能提供了最优化的支持。

3)纹理/影像压缩处理，该渲染引擎提供了基于当前图形技术的最优的渲染性能。引擎中引入了特殊的算法优化渲染流程，可以最大限度的发挥硬件效能。

7.建立三维场景实现海量数据浏览发布

基于TerraExplorer Pro二次开发组件开发三维场景浏览子系统。该系统基于数字高程模型、遥感影像数据等，充分利用三维GIS技术，对重要区域建立三维场景飞行模拟，并提供三维场景的缩放、导航、漫游、飞行和俯瞰等浏览操作功能和三维查询等功能。

8.三维场景中矢量专题数据的多级显示

平台中的三维场景浏览子系统采用电子地图多级显示技术，对矢量数据进行多级显示。从小比例尺三维场景到大比例尺三维场景，实时加载和显示的专题矢量数据随着比例尺的变化而变化。同时，为了使三维场景中的专题信息显示更加合理，对注记层也进行了多级显示，使得在浏览任意一个比例尺的三维场景时，场景中的专题信息。

9.注记始终清楚地显示

地图切片预生成技术与动态实时绘制相结合。

与传统的Web应用不同，WebGIS在生成地图时需要消耗大量的资源。如果将所有的矢量数据都在运行时进行生成，将会严重影响服务器的并发量和吞吐量。因此，为每个客户动态的生成地图是不经济的，由于地图生成速度慢，也会影响到用户体验。

平台中的基础地理数据发布应用子系统使用地图预生成技术，可以采取预先绘制好的数据直接响应地图请求，提升了服务器效率，缩短了响应时间;切片技术则将地图进行分块，减少数据在网络上的传输量，有效节省了带宽。

10.采用基于REST的ArcGISAPI for Flex开发Web应用

平台中的基础地理数据发布应用子系统采用ArcGISAPI for Flex开发的程序作为前端展现，后台连接ArcGIS Server REST Service，而且不需要在本机上安装ArcGISServer，只要通过网络能够连接到其他机器上的ArcGIS Server即可访问资源。采用Flex技术作为WebGIS的客户端表现层，极大提高了WebGIS的表现力和用户体验，采用REST风格的架构给WebGIS系统带来了简介和高伸缩性，并降低了服务器的负担。

本系统使用ArcGISAPIfor Flex实现了以下功能。

1)基于自己的数据开发一个交互式的地图。

2)在服务器上执行一个GIS模型并显示出结果。

3)在ArcGISOnline提供的地图上叠加自己的数据。

4)搜索GIS数据的某些特征及属性并展现出来。

5)定位地址并显示结果。

6)创建Mashups(从多个网络资源中整合信息)。

四、结束语

县级基础地理信息平台对地理空间数据的管理、应用与共享起到技术载体的作用，可以大幅减少重复投资、重复建设，节省大量资源。应用这个平台，更多专业、更多类型的空间数据将从更深、更广的角度被利用，产生滚雪球的效应。公众可以广泛便捷地使用各种类型的空间数据，从而节省人力、物力和时间，提高工作质量和效率，具有巨大的经济社会效益。

［1］龚健雅，杜道生，李清泉，等.当代地理信息技术［M］.北京：科学出版社，2004.

［2］胡智仁.城市基础地理信息系统的建设与数据共享探讨［J］.江西科学，2007，25(3)：338-340.

［3］林向军.数字吴忠地理空间信息系统的设计与实现［J］.现代测绘，2011，34(6)：48-50.

［4］李香清.市县级基础地理信息系统设计思路探讨［J］.测绘通报，2012(6)：93-95.

［5］朱振华，侯敏.基于ArcEngine的基础地理信息系统的设计与实现［J］.地理空间信息，2011，9(1)：87-90.