山东省基础地理信息数据库管理系统升级技术分析及关键点研究

平宗玮

(山东省国土测绘院，山东 济南 250013)

0 引言

基础地理信息数据是国家空间数据基础设施的重要组成部分，是国家信息化权威、统一的定位基准和空间载体，在国民经济建设、社会发展、国家安全和国防等方面发挥着十分重要的作用。随着山东省省级基础测绘工作的不断深化，大量的基础测绘数据逐步积累，已成为全面、准确、客观反映全省地表自然与人文地理的基础性、战略性信息，也是省政府科学管理决策的重要依据[1-4]。

为保证基础地理信息数据的有效管理、使用、分发和服务，2010年10月完成“十一五”数据库管理系统建设工作，系统基于客户端/服务器(C/S)相结合的系统运行模式，采用Oracle 10g和Arc SDE空间数据库引擎，基于ArcEngine开发完成。“十二五”期间，对系统进行了升级，初步形成山东全省框架统一、模式一致的数据库管理系统，显著提高山东省基础地理信息数据库管理和服务整体技术水平与性能[5-6]。

根据《全国基础测绘中长期规划纲要(2015—2030年)》，结合山东省基础测绘工作现状，《山东省“十三五”基础测绘规划》对省级基础地理信息资源建设也作出了新的部署。针对“十三五”时期丰富多样的基础测绘成果，包括2016—2018年新型基础测绘数据、潮间带及近海水下地形测绘数据、激光点云数据(DSM)、数字高程模型数据(DEM)、元数据及业务数据，这些数据迫切需要实现高效、合理的组织管理和开发利用。

因此，为保证山东省基础地理信息数据库稳定运行，提高数据存储、管理及应用效率，实现对历史、现状以及将来多版本数据的统一管理，以山东省国民经济、社会发展优势及信息化需求为基础，通过山东省基础地理信息数据库升级改造项目，依托全新架构的基础地理信息数据库管理系统，构建全省基础地理信息数据库，为山东省基础测绘事业建设提供有力技术支撑和资源保障。

1 建设内容

“十三五”山东省基础地理信息数据库管理系统升级建设主要完成以下内容(图1)：

图1 基础地理信息数据库管理系统升级内容

(1)基础架构升级：由传统架构向先进IT架构升级，面向基础库升级，按需将存储、计算框架部分能力实例化适配，全面提升业务支撑能力及功效指标。实现数据检查、存储、制图输出能力的提升。面向基础地理数据存储与管理等业务需求，面向混合存储框架，全新升级数据库管理引擎，可灵活接入空间数据库(含分布式数据库)、分布式NoSQL数据库、分布式文件系统，为基础库管理系统上层应用功能提供统一的数据存储访问接口。同时面向基础地理数据管理、预处理、服务发布等业务场景，以效率提升为根本出发点，依托并行处理技术，提供高效率的数据入库、数据检查、预处理、提取分发等能力。

(2)基础平台替换：山东省基础地理信息数据库管理系统升级项目将采用自主化底层平台(GEOWAY Spatial空间数据库平台)，取代国外商用数据库与GIS平台，实现基础平台的升级，进一步实现数据存储管理、时空化更新管理、制图输出及应用的能力提升。

(3)库体建设支撑：实现“十三五”时期，1∶1万新型基础测绘数据(2016—2018年)、潮间带及近海水下地形测绘数据、激光点云数据(DSM)、数字高程模型数据(DEM)、元数据及业务数据的建库管理。

(4)系统功能改造：创建时空化属性索引、矢量数据索引和栅格数据索引，提高多版本数据访问效率，加强数据的入库、提取、检索能力；提供精确的系统级过程监控、记录及提示功能，保障入库数据的准确性，并实现对入库记录和数据的可追溯查询；提升数据更新管理能力；提供面向时空数据模型进行的矢量历史数据管理功能。基于底层架构的全新换代升级，继承、优化、创新地分级实现系统功能改造。以易用、实用、稳定及高效率为原则，提供数据库管理平台、数据预处理、数据入库前检查、数据库入库与更新、数据提取、产品制作功能。

2 技术架构

“十三五”山东省基础地理信息数据库管理系统升级建设主要是在满足对历史数据管理应用的基础上，也能支持对2016—2018年度的1∶1万新型基础测绘数据、潮间带及近海水下地形测绘数据、激光点云数据(DSM)、数字高程模型数据(DEM)、元数据及业务数据等数据的质检、建库、更新、制图与对外服务。系统建设技术架构如图2所示。

图2 基础地理信息数据库管理系统总体技术架构

基础地理信息数据库总体框架由基础设施层、数据层、功能层、应用层和用户层构成，主要的组成框架包括：

(1)基础设施层：包括网络设施、存储设备、服务器、操作系统、GEOWAY Spatial自主化数据库平台、GEOWAY Mapware自主化GIS平台、应用程序服务器等环境。山东省基础地理信息数据库管理系统升级改造项目需要网络设备、服务器、存储设备、安全设备以及其他支撑设备符合先进性要求，要能支撑基础地理信息数据库管理系统安全稳定运行，随着数据体量的增加，存储设备能够随时扩展。为了降低建设成本，需要充分利用已有硬件设备，重新搭建硬件环境，建立满足软件平台和数据库需求的软硬件环境。基于主流空间数据库(含分布式数据库)、分布式NoSQL数据库、分布式文件系统及高可用GIS平台进行山东省基础地理信息数据库建库、数据库管理系统、地图制作系统、入库检查工具、预处理工具等的开发。

(2)数据层：分为新型基础测绘数据、潮间带及近海水下地形测绘数据、激光点云数据、数字高程模型数据(DEM)、元数据及业务数据等。数据资源体系建设是山东省基础地理信息数据库升级的建设重点，需要以基础地理信息数据应用服务为导向，梳理与分析山东省地理信息数据资源现状。按照标准规范，整理地理信息数据资源，实现地理信息资源数据的建库管理，确保数据的完整性、准确性和现势性，形成标准权威、内容完整、动态鲜活的基础地理信息数据库。为数据的开放共享、社会服务、政务决策提供有效支撑。

(3)功能层：包括数据库管理工具、数据预处理工具、数据库更新工具、数据检查工具、产品制作工具以及系统配置模块等功能。通过升级现有基础地理信息数据库管理系统，可为数据入库更新、数据快速查询提取、数据库快速制图等业务提供数据或服务支撑。

(4)应用层：分为数据查询、数据浏览、数据提取、数据预处理、数据入库检查、数据更新、产品制作等。基于基础地理信息数据库，面向实际的分发、制图、更新业务，由点及面的支撑起整个基础地理数据应用与服务场景。

(5)用户层：主要包括基础地理信息数据库管理系统的直接管理用户及其他间接用户等。

3 技术路线

数据库建设技术路线如图3所示：

图3 数据库建设技术路线

需求分析:系统建设之前需对现有数据情况进行整体的分析论证，项目建设过程中整体的业务需求、系统的功能及非功能性需求等也都需要预先进行分析、确认。

前期准备:在开展数据整理、建库之前需要收集项目相关资料，对于项目技术难点及主要数据类型进行分析，同时形成总体技术设计。

数据整理:数据整理包括文件组织调整，数据预处理及元数据处理等，数据预处理模块包含一系列建库数据预处理工具，用于对入库数据进行整理，包括矢量数据格式转换、栅格数据格式转换、坐标转换及数据空间化等。通过该模块，确保入库数据在格式、坐标参考等方面满足入库要求。

数据入库:通过创建矢量数据存储模型、栅格数据存储模型、表格数据存储模型，支持包括2016—2018年度的1∶1万新型基础测绘数据、潮间带及近海水下地形测绘数据、激光点云数据(DSM)、数字高程模型数据(DEM)、元数据及业务数据等数据的入库。

数据应用:基于入库完成的基础地理信息数据，提供数据的查询、提取、产品制作服务，可结合具体的应用场景实现基础地理信息数据的快速查询、提取和产品制作，满足对基础地理信息数据应用的需要。

3.1 数据建库技术路线

按照统一的时空框架、统一的信息资源目录体系，按照面向对象数据组织的基本原则进行基础地理信息数据库设计，并遵循以下技术路线要求：

(1)数据存储组织：采用混合的存储管理策略实现山东省基础地理信息数据的存储管理。矢量数据、空间范围信息存储空间数据库，业务数据、元数据、快视图等采用关系表进行存储，文件实体(含影像数据与地形数据)存储于文件系统。

(2)存储平台：基于SAN或者NAS虚拟化设备进行存储，结合存储软件，以在线、近线、离线的方式合理规划存储资源，保证存储效率。

(3)数据管理：省级地理信息资源数据采用地理坐标与投影坐标分别建库模式，满足浏览、分发、制图等不同数据应用需求。

3.2 系统设计与开发技术路线

山东省基础地理信息数据库管理系统开发技术路线如下：

(1)采用构件化的设计思想，在需求分析的基础上进行软件功能构件的设计，然后根据管理对象与业务场景，组装搭建不同的应用模块。

(2)数据库平台：基础地理信息采用自主数据库平台GEOWAY Spatial进行存储管理，GEOWAY Spatial基于先进开源数据库PostgreSQL并进行了企业级定制与空间化扩展。

(3)开发语言：采用统一建模语言UML 作为系统建模语言。基础地理信息数据库系统采用C/S 架构，以C#为开发语言，以.NET作为开发环境。

(4)组件GIS平台：采用自主组件GIS平台GEOWAY Mapware，由其提供数据建模、数据访问、地图控件、图层管理、符号系统更新等核心GIS能力。

(5)采用GEOWAY ADF作为平台开发功能组件，GEOWAY ADF是一套可配置的功能组件集合，可灵活的应用于各种项目的定制。

3.3 支撑环境建设技术路线

支撑环境建设总体目标是建设一个“高可靠性、高性能、高安全、可扩展”的支撑平台。使用服务器、光纤交换机、存储组建SAN存储网络，综合采用本地备份、异地容灾备份双重备份机制，确保数据安全。数据生产环境的每个出口通过综合安全网关设备实现网络的安全接入，通过网闸设备实现数据流向的安全管理。采用Windows Server系统，确保支撑环境稳定、高效、安全可靠。搭建数据库集群环境，确保数据库能够实现负载均衡及高可用。

4 关键技术难点及解决方案

4.1 基于混合更新模型的数据库更新管理

4.1.1 技术难点

1∶10000基础地理信息数据在不同时期、不同场景下更新模式会有一定差异，如针对不同更新场景会存在图层式更新与增量更新等，原有更新模型主体针对增量更新模式，无法同时兼顾多种更新模式。

原有数据库更新模型主体基于基态修正模型，采用现势库、工作库、历史库模式构建，针对日常时态化浏览管理需求由于结构复杂涉及大量现势库与历史库数据重组工作，效率低下且难度较大。

4.1.2 解决方案

兼顾当前常见更新模式，如图层更新、增量更新等，以满足日常基础测绘成果时态化管理需求为基准，综合连续快照模型、基态修正模型各自优势，设计时态数据存储模型。总体构建现势库、增量库与版本库，现势库中存储当前最新状态数据，增量库中存储通过图层更新或增量更新所获取的更新包数据、版本库中存储按固定时间序列(如按月、按年等)注册的版本快照[7-10]。在初期建库用唯一标识码对要素进行唯一性认定。在后续数据持续更新过程中，一方面严格约束待更新数据的来源—数据库，保证待更新数据与数据库内要素唯一标识码可匹配；另一方面约束更新平台能够对更新要素的更新时间、变化类型以及要素唯一标识码等字段信息进行实时维护。在更新入库过程中，以更新包的方式与库中原有区域数据基于唯一标识码进行匹配，将变化要素进行增量入库，从而实现数据库的增量更新。在增量更新技术支撑下，能够按照时间节点对数据集进行查询，对比数据在不同时间点的变化情况，实现对不同时期数据的查询、统计与分析(图4)[11-13]。

图4 时态数据存储模型

4.2 基于自主化制图平台的数据库快速制图

4.2.1 技术难点

(1)原有系统制图能力受制于ArcGIS平台

由于原系统是基于ArcGIS Engine底层开发的，制图子系统几乎所有功能的开发皆依赖其底层的已有能力。一方面，符号渲染和表达、标注避让、成果输出等一些核心制图能力研发受限，难以做到有效能力突破和灵活定制扩展。另一方面，制图子系统的稳定性也严重依赖于底层平台，一旦发现由于ArcGIS底层原因造成的软件缺陷，上层工具可能无能为力，导致部分功能无法正常运行且问题难以及时修复。这些问题在项目实施过程及后续维护中已有一定程度的显现[14-16]。

(2)图库一体化数据模型不够简洁，也难以支撑地图增量更新需求

原有图库一体数据模型受ArcGIS数据结构的限制，为了保持制图数据与地理数据的一致，以扩展辅助图层为代价，实现特殊制图效果的符号表达。这样做会导致2个问题：一是增加了数据体积和地图图层列表的数量，导致数据冗余和数据选择十分繁琐。二是辅助图层与原始图层的关联关系依靠属性字段链接，这种关联关系容易断裂，从而导致增量制图更新的失败。

(3)制图自动化水平及交互处理能力偏低

制图自动化水平有待提高，制图冲突处理、高级符号表达效果有待提升，产品制作过程中的交互体验有待提升。

4.2.2 解决方案

在继承原有制图系统已有制图能力和优点的基础之上，使用新的国产化底层平台和优化后数据存储模型，重新设计开发一套数据库制图系统产品。新系统在支撑已有产品制作业务的前提下，进一步进行能力的优化，提升制图表达能力，优化制图作业流程，提升交互操作体验，进而全方位提升产品制作的生产效率和成果质量[17-18]。核心改进体现在：

(1)底层开发平台

基于国产地理信息处理平台进行系统开发，重新进行数据库制图系统的架构、设计、研发。

(2)图库一体化数据模型

使用优化的图库一体化数据模型，将符号信息直接存储到要素对象属性内，实现地理数据和制图数据物理上保持紧密关联。基于新的图库一体模型，图库联动增量更新、符号精细化编辑等操作将会变得容易和高效。

(3)产品制作生产流程

通过对产品制作工艺流程的梳理优化，将确定性、规则化的操作交给程序自动化实现，进一步提升软件自动化能力和制图质量。

(4)功能和性能

符号表达能力：基于新平台的符号渲染能力，实现虚线虚实相交、折线曲线拟合、渐变符号、依比例尺复杂面符号绘制等高级符号效果。

编辑处理能力：通过采用新算法，提升河流、境界、路网、注记表达效果，提升冲突检测和处理、同色压盖检测和处理、制图综合能力。

成果输出能力：支持将制图成果一键输出为JPG、EPS、GeoPDF等格式，便于出版印刷和成果分发。

所见即所得能力：优化色彩管理模块，引入CMYK颜色模型和颜色空间转换算法，减少屏幕显示和印刷成品的色差。

5 结语

该文以山东省为例，介绍了山东省基础地理信息数据库管理系统升级的建设内容与技术架构，分析了其中的关键技术难点并总结了其对应的解决方案。山东省基础地理信息数据库管理系统数据库升级后，实现了数据存储管理、数据更新、产品制作及应用能力的全面提升，解决的历史管理软件的遗留问题，增强了测绘成果管理服务能力，提高了基础地理信息管理水平，为山东省基础测绘事业建设提供有力技术支撑和资源保障。