基于服务式GIS建设“一张图”系统的关键技术

甘宗平

（1.中山市基础地理信息中心，广东 中山 528400）

基于服务式GIS建设“一张图”系统的关键技术

甘宗平1

（1.中山市基础地理信息中心，广东 中山 528400）

设计了基于服务式GIS建设国土资源“一张图”系统的总体架构；并从区域权限、地图服务设计、加密数据空间计算、数据库动态更新和地图瓦片管理等方面探讨了其中涉及的关键技术，为其他类似系统的建设提供技术参考。

一张图；服务式GIS；信息共享

国土资源“一张图”系统是由国土部门主导建设的，对国土资源的行政活动进行实现与管理的综合性GIS平台。它以国土部门多源地理数据服务为依托，按照国土资源业务需求对地图服务进行组合，并为其提供数据基础。该系统的建设就是要搭建国土资源数据交换平台，实现包括异构GIS平台在内的国土资源信息共享应用。随着GIS技术的发展，一种全新的基于服务的GIS技术为建设“一张图”系统提供了好的解决方案[1]。该技术可将国土资源系统中所有数据和功能在适当的粒度下进行分解并封装为GIS服务，以实现降低开发难度、数据共享与功能共享并举、一次开发多次利用的目的。基于服务式GIS技术开发的中山市国土资源“一张图”系统在实际运用中效果显著，极大地提高了对各类数据的管理与相关业务的处理能力。

1 面向服务的系统架构设计

服务式GIS，就是把SOA架构、Web Services等相关理念和技术应用到GIS中，形成Services GIS[2]。面向服务的GIS架构设计相对于传统的面向系统的体系架构（EOA）来说，在GIS设计中主要有两方面积极作用：①对外提供符合OGC标准的服务接口可对各种GIS功能进行封装，简化模块的实现；②降低各GIS基本功能模块间的耦合性，提高组合性和移植性，可形成更丰富的复杂功能[3]。本文采用SOA模式和分层思想对国土资源“一张图”系统进行分层，其架构如图1所示[4]。应用层主要是国土资源“一张图”软件平台及运行维护支持系统。网络服务层包含两大类，数据服务和业务模型服务采用Web Services技术封装发布的Web服务；地图服务利用GIS平台发布符合OGC标准的地理信息数据服务，包括切片地图服务（WMTS）、WMS、Web要素服务（WFS）等。GIS组件层是网络服务封装中所用到的专业地图数据处理组件，包含投影转换、空间分析、地图渲染等。数据层包含基础测绘地理数据和国土资源专题数据。国土资源专题数据主要作为底图，可由公共服务平台提供服务，主要包括矢量电子地图、影像地图、地势图、地名地址和POI等。它是和“一张图”业务管理相关的数据，经过专业化的处理入库，符合各业务科室对地理数据空间位置和属性的需求。

2 关键技术

2.1 区域权限

在国土部门业务处理过程中，为实现数据安全，一般要求各行政区只对其管辖区域具有操作权限。传统的地图区域权限设计中，都是以地图图层与权限列表相结合的方式实现，过程较为复杂且易出错。在服务式GIS基础上实现空间区域权限，只需直接将区域访问权限与地图服务绑定即可，但需要对各行政区的主要数据增加“行政区代码”字段，并单独发布为服务，其关键步骤为：

1）在加密后的国土专题数据中增加“行政区代码”字段，值为该集合实体空间位置所在行政区的行政区代码，数据以行政区为单位控制访问。

2）在ArcMap中按照建库标准配置输出专题图，通过行政区代码过滤数据，以行政区为单位输出专题图mxd文件。

3）在服务发布系统中按行政区创建用户，用户访问的发布数据设置为行政区专题mxd文件。

4）在展示系统中通过对角色访问数据源的控制实现用户按行政区访问数据的控制。

2.2 地图服务

以OGC协议为标准，服务器端负责各类地图服务的发布，客户端向服务器端发送特定请求，以获取所需的地图和GIS功能。“一张图”系统利用这种方式调用地图，可以屏蔽平台间的差异，便于服务聚合和数据共享与互操作，利于将服务分布在不同服务器上进行分布式计算。为实现数据共享和综合管理，根据各类地理数据特点，在国土资源“一张图”系统中，数据可由WMTS、地名地址要素服务（WFS-G）和WFS服务接口提供。

图1 国土资源“一张图”系统架构图

WMTS是OGC在WMS的基础上支持RESTful访问的，提供获取分块地图功能的服务。该服务通过多种协议获取地图瓦片，可提高服务的性能和收缩性。矢量电子地图和遥感电子地图由于数据量大，只作为底图使用，所以将其发布为WMTS服务，请求返回为不同级别的地图瓦片，可明显提高系统获取数据的性能。WFS-G以XML的形式返回地名地址的要素结构，客户端利用地名地址的XML信息可实现地名、地址数据的查询、检索、定位等功能。在“一张图”系统中，将根据相关地名地址规范建立的地名地址数据库发布为WFS-G服务，可为整个系统提供与地名地址相关的功能。WFS以GML编码的形式返回客户端通过http向服务器端请求的要素，并提供对要素的插入、更新、删除、检索和发现等事务操作，能够实现服务器端和客户端在要素层面的“通信”。系统将诸如土地利用数据、基准房地价数据、宗地产权数据等需要经常查询、更新的数据发布为WFS服务，可提高数据的利用价值，增强系统的管理能力。 系统中的图形数据地图服务如表1所示。

表1 国土资源“一张图”系统服务列表

2.3 加密数据空间计算

国土专题数据是国家空间信息资源的重要组成部分，具有一定的敏感性，对于国土安全具有重要意义。因此在系统建设中，涉密数据必须经过保密处理，保密内容主要包括地图数学基础、位置精度、要素等方面。其中地图数学基础和要素的保密属于严格保密内容，有相关法律法规进行约束，一般不对外发布。位置精度的保密可通过仿射变换对空间数据加入误差进行多次变换的方式达到保密要求[5]。

但是，几何实体坐标经过加密处理后会产生一定的变形，易对空间计算造成影响。大部分传统的GIS系统都是直接将加密后的数据进行计算，得到一个不是很精确的值。但在“一张图”系统中，诸如房产面积、产权红线定位等都需要精确的空间计算值，因此系统在进行空间计算时设计了特殊的策略。对于精度要求不高的空间计算需求，直接使用加密后的数据进行计算并返回；对于精度要求高的空间计算需求，使用未加密坐标的原始数据进行空间计算，再将计算结果叠加到当前可视的数据源上，这样可以同时满足估算与精确计算的双重需求，提高了系统的实用性。需要注意的是，在进行空间计算前应对数据源进行处理和转换，只有在同一个坐标系下进行计算得到的结果才有意义。例如，“一张图”系统中野外执法利用GPS采集的数据是WGS84坐标系，只有与常用的地图坐标系匹配后，才能将误差减为最小[6]。

2.4 空间数据库动态更新

国土资源“一张图”系统集成了大量国土部门的相关业务，其中面向公众的窗口业务处理的都是和公民财产相关的工作，要求相关的专题数据库能实时更新，以保证系统现状数据库中存储的空间信息的现势性。不同于关系数据库实时更新的模式，空间数据库无法直接实现空间数据的动态更新，需要设计其他的策略。对于并发用户少，空间编辑简单，耗时较少的情况，可将专题数据发布为WFS来完成。WFS具有插入、更新、删除、查询和发现操作的特性，事务型WFS还支持事务操作。利用这种模式就可以完成对地理要素的动态增删改，达到客户端操作与数据库更新的同步性[7]。当多用户同时对同一空间数据库进行操作时，则不能简单地通过锁定访问对象的方式实现，否则容易造成系统响应慢、处理时间长等弊端。此时，系统为各需对数据库进行编辑的用户临时建立一个专属的数据版本。每个用户只需在自己的数据版本上进行增删改等操作并记录在对应的数据表中，当所有操作提交后，系统将用户专属的版本进行一致性处理后合并到主数据的原始信息表中，最后更新数据库。由于国土业务数据的复杂性和多态性，无法用统一标准进行一致性处理，因此系统采用人机交互的方式。该更新方式可以避免数据更新过程中的长时间锁定[8]，详细流程如图2所示。

图2 空间数据库动态更新流程

2.5 地图瓦片的存储与缓存

目前瓦片地图服务都是基于文件方式进行图片缓存。该方式实现简单，但因瓦片集一般都是由海量小文件组成，对其进行迁移和备份都非常耗时，且严重影响服务器的IO性能。为避免此弊端，可借助分布式缓存系统Memcached构建一种瓦片存储方案。在瓦片存储时，按照“数据库－图层”方式设计库结构，每个瓦片图层都独立存储，地图显示时再按统一的拼接算法，多图层即可实现任意叠加组合。由于对瓦片查询的要求较低，每个瓦片集只需对应一个包含级别、瓦片定位点和数据实体二进制值的存储表即可，其结构如图3所示。此外，还应采用双重缓存机制来避免频繁地与数据库交互，客户端缓存可利用客户端开发实现，服务器端借助Memcached分布式缓存系统来缩短地图服务响应时间。这种瓦片存储与缓存方案在不影响并发性能的前提下可以节约存储空间，提升编码重构速度和数据迁移速度[9]。

图3 地图瓦片的存储与缓存

3 结 语

在基于服务式GIS建设中山市国土资源“一张图”系统的实践过程中，本文就其中涉及的区域权限、地图服务设计、保密数据空间计算、数据动态更新和地图瓦片的存储与缓存等关键技术进行了研究，解决了系统建设中遇到的若干实际问题，希望对类似系统的建设提供借鉴。

[1] 龚健雅.GIS的发展:从系统到服务 从静态到动态[J].地理信息世界,2013,20(6):3-4

[2] 李圣文,龚君芳,吴信才.基于SOA 的GIS 应用框架[J].地球科学(中国地质大学学报),2010,35(3):480-484

[3] 汪小林,庞潇,王海波,等.基于SOA 的GIS 应用设计与实现[J].地理信息世界,2010,17(2):58-67

[4] 陈旭,毕军芳,仇天月,等.基于共享服务模式的农业资源管理WebGIS系统构建[J].中国农学通报,2013,29(11):115-120

[5] 秦李颗. 互联网环境下地理空间数据的保密技术研究[D].西安:长安大学,2007

[6] 王占杰,曹江波,刘勇峰.空间计算中坐标计算的研究[J].微计算机信息,2006(13):284-286

[7] 李广宇,周可法,王金林,等.利用WFS实现对象关系空间数据库更新[J].测绘科学,2012,37(1):177-178

[8] 操振洲,李清泉.空间数据库的更新技术研究[J].测绘通报,2007(11):23-35

[9] 罗智勇,黎小东.基于数据库存储方案的高性能瓦片地图服务研究[J].地理与地理信息科学,2013,29(3):48-51

P208

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1672-4623（2016）07-0020-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.07.006

甘宗平，硕士，高级工程师，主要从事GIS开发与应用研究。

2014-11-26。

项目来源：国家自然科学基金重点项目资助项目（41431178）。