基于GIS技术的河南省地质遗迹信息系统设计与实现

霍光杰田大永

（1.河南省地质环境监测院 河南郑州 450016 2.河南省地质环境保护重点实验室 河南郑州 450016 3.河南省地矿局第二地质环境调查院 河南郑州 450016）

1 系统关键技术和工具

1.1 网络GIS技术

系统应用了ArcGIS for Server平台提供的网络GIS服务。ArcGIS for Server是基于SOA架构的GIS服务器，通过它可以跨企业或跨互联网以服务形式共享二三维地图、地址定位器、空间数据库和地理处理工具等GIS资源，并允许多种客户端（如Web端、移动端、桌面端等）使用这些资源创建GIS应用[1]。网络GIS技术可以实现空间数据管理、空间可视化（制图）、在线编辑空间分析和地理处理、实时数据处理分析、以地图为核心的内容管理等方面的应用，并且能够为用户提供丰富的Web服务。

1.2 三维场景管理与可视化技术

随着GIS理论和技术的不断发展，空间场景获取的精度越来越高，数据量也呈TB级增长趋势。针对如此大规模的海量三维场景数据，三维场景渲染系统的处理能力也需要成倍的增长。当前串行化三维场景渲染已不能满足当前大规模三维场景渲染的高效化、实时化需求。本次设计充分利用多核硬件的并行化处理能力，同时针对大规模三维场景数据特点，从三维场景可视化流程上进行分析，对可视化过程中的任务进行有效分解，将传统的三维可视化渲染流程分解为场景更新、数据加载和场景渲染三个主要的并行化模块，以主线程、数据加载模块和场景渲染模块来进行实现，结合可视对象查找机制，构成三维场景绘制的整个过程。

1.3 MVC设计模式

MVC（ModelViewController）是一个设计模式，它强制性使应用程序的输入、处理和输出分开[2]。使用MVC应用程序被分成三个核心部件：模型、视图、控制器。MVC中的M是指数据模型，V是指用户界面，C则是控制器。它们各自处理自己的任务。系统开发采用SSH框架实现MVC模式。SSH是struts+spring+hibernate的一个集成框架，是目前较流行的一种Web应用程序开源框架。

1.4 数据库建模工具

在数据库建模的过程中，运用PowerDesigner进行数据库设计，此设计工具不但能让人直观的理解模型，而且可以充分的利用数据库技术，对数据库进行优化设计。PowerDesigner是Sybase公司的CASE工具集，使用它可以方便地对管理信息系统进行分析设计，它几乎包括了数据库模型设计过程所需的全部功能。使用PowerDesigner工具来建立系统数据库模型，可以使程序员很好的理解业务流程并掌握系统架构者的架构思想，因此可以更好地满足客户的功能需求。

1.5 第三方控件

此系统中使用了不少第三方控件，如ExtJS中的Ext表格控件、Fusion Charts等。其中，krpano是一种基于flash的三维全景播放器，它不仅体积小巧、灵活，而且性能良好，作为一款跨平台的AdobeFlash播放器，它是当今世界上最流行的互动三维全景播放器[3]。Krpano拥有许多独特性能，比如，可以通过调整“鱼眼”视角来使用户看到更大视野，可以实现对巨幅全景的支持（比如数十亿像素的全景图片）。另外，它还支持脚本控制，拥有丰富的插件可供选择，而且用户还可以根据需要开发自己的插件。

2 系统设计

2.1 设计概述

河南省地质遗迹信息系统的建设主要为了满足河南省地质遗迹、地质公园数据信息化管理，方便各级用户快速的了解和维护地质遗迹、地质公园数据。本次信息系统的建设以GIS为基础，在地质环境信息化建设的基础上，结合了无人机拍摄等先进技术，开发出了易于管理的地质遗迹、地质公园信息系统。本系统将全省的地质遗迹、地质公园、相关多媒体资料、720°全景数据进行收集整理，对关系数据进行建库入库，方便统一管理和后期更新。本系统的建设目的是要建设一个易于使用、管理的地质遗迹地质公园信息系统平台，以方便用户对全省地质遗迹、地质公园信息快速查阅、维护、管理，同时可以为用户提供部分地质公园的720°全景展示，为用户更加直观、身临其境的了解地质公园现场提供平台，并且为今后地质环境信息化建设提供技术支撑。

2.2 系统总体结构

河南省地质遗迹地质公园信息系统基于SOA体系架构，采用B/S模式，以地理信息系统（GIS）为基础，通过空间数据引擎将空间数据和非空间数据统一存储于关系型数据库中，建设面向各级用户的地质遗迹相关信息查询平台，实现各种类型的数据资源和功能资源的统一组织和管理，在GIS支撑平台基础上，提供各类WebService服务接口供各个应用系统调用，同时针对宣传、服务和管理不同业务的需求，分别建设地质遗迹地质公园信息展示子系统和地质遗迹地质公园信息管理子系统[4]。

整个地质遗迹地质公园信息系统自下而上由产品与支撑、服务与逻辑、服务接口、客户端组件、应用子系统五大部分组成。按照这五大部分，并考虑到系统面向的用户，可把地质遗迹地质公园信息系统平台分为六层，即基础设施层、数据中心层、服务层、客户端组件层、应用层与用户层。

2.3 地质遗迹720°全景拍摄方案设计

本系统在建设的过程中，为了使用户能够身临其境的体验河南省的地质遗迹，采用720°全景拍摄技术对嵩山地质公园13处地质遗迹点和人文景点进行了全景拍摄。全景拍摄具有以下几个方面的特点：水平垂直各360°，全景720°视角，没有任何视线盲点，想看哪里就看哪儿；全部是实景拍摄，真实立体，而且采用专业自改制高像素相机进行拍摄，清晰度非常高；互动性强，鼠标随意拉动观看，嵌入地图，行走漫游；内嵌内容丰富，视频广告、图片、文字、语音、动画等；用户感受“身临其境，触手可及”。全景拍摄对天气条件有特殊的要求，为了保证拍摄效果，天气必须为多云或晴朗天气，无人机起飞处地面风力小于4级风，空气能见度必须要好。

2.4 数据库建设

在本系统的业务数据库包括行政区划、地质遗迹、地质公园、多媒体资料、用户信息等6大类业务数据。下文对数据库的逻辑模型、物理模型以及实体关系模型进行简要介绍。

2.4.1 数据库逻辑模型

地质遗迹数据库按逻辑划分可分为结构化数据和非结构化数据，其中结构化数据主要用于完成系统的查询统计业务，包括地质遗迹、地质公园基础数据等，是系统内最重要的业务数据，此类数据按照一定的关系模式存储于Oracle数据库中；非结构化数据主要是与基础业务数据相关的资料数据，包括与地质遗迹、地质公园相关的视频、文档、图片等，此类数据保存在服务器的磁盘空间中，以Web Service服务的形式供系统调用。

2.4.2 数据库物理模型

本系统设计所需的基础元素包括地质遗迹、地质公园、行政区划、多媒体资料以及用户等[5]。数据结构不使用外键进行强制关联，而是采用松耦合式关联，这样可以有效提升数据的容错性、可操作性和可维护性。另外，此系统中，数据之间的关联全部在数据层面进行，可以有效提升系统的可移植性，本系统业务数据库物理模型如图1所示。

图1

2.4.3 数据库实体关系模型

本系统业务数据实体关系结构较为清晰，不存在实体之间多对多的复杂逻辑关系。其中，一项地质遗迹记录虽然包含多个多媒体资料，但是只属于一个地质遗迹类型和一个行政区划区域；同样，一项地质公园记录虽然包含多个多媒体资料和地质遗迹，但是只属于一个行政区划区域；一项用户记录只属于一个行政区划区域。

3 系统实现

河南省地质遗迹地质公园信息系统以GIS技术为基础，取得了丰硕的成果。①收集了河南省全省的地质遗迹地质公园数据及相关多媒体资料，包括大量的全景拍摄资料，并且统一将这些资料整理入库。②开发了河南省地质遗迹地质公园信息展示子系统，通过Web端访问，实现了包括二三维电子地图展示，全省地质遗迹地质公园信息查询统计、相关多媒体资料浏览下载、地质公园720°全景漫游等功能。③开发了河南省地质遗迹地质公园信息管理子系统，通过Web端访问，实现对全省地质遗迹地质公园的数据及相关多媒体资料的管理和维护工作，同时也实现了对系统用户的相关管理和维护。④形成了项目实施过程中的成果文档，包括需求说明书、概要设计、详细设计、用户操作手册、系统部署手册等。整个系统的建设情况，已经部分实现了预期的系统功能。

4 结束语

本系列按系统理论方法，充分运用水文地质学、环境地质学、网络工程、软件工程、数据库技术的理论知识，结合地理信息技术、三维数字地球、卫星遥感技术、大数据技术等高新技术，通过调研、反复论证研究、复杂的数据资源整合建设、软硬件环境建设和大量的软件开发工作，河南省地质遗迹地质公园信息系统建设取得了较为丰硕的成果。但是，在整个系统建设的过程中仍旧存在着一些问题，包括数据资源整合与入库问题、数据资源共享机制问题、地质公园地质遗迹建设成果推广应用问题以及后续经费问题。这些问题不仅需要开发者进行不断的研究和改进，而且需要相关部门提供必要的资金支持。