地理市情可视化分析系统设计与实现

张英栋，庄晓东，周圣川，乔新，王海银

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032；2.山东省海陆地理信息集成与应用工程研究中心，青岛市海陆地理信息集成与应用重点实验室，山东 青岛 266032)

1 引 言

地理市情是地理国情的重要延续和组成部分[1]，与人们日常生活和社会经济发展密切相关，现已进入常态化监测阶段，地理市情普查监测成果数据可应用于国土资源、城乡规划、林业、水利、农业、统计等多个领域[2，3]。随着地理市情监测工作持续开展，监测成果日益丰富，类型呈现多样化，为地理市情信息深化应用带来了难题，可归纳为：①数据中蕴含的信息价值需要专业的分析判读才能够有效发掘[4]，②每项成果具有各自的特点，传统的数据展示方法已不能完全适用于地理市情监测信息的表达。

已有地理市情系统侧重于数据的汇交管理、展示制图和共享分发，在数据挖掘分析方面略显不足，本文从地理市情监测数据的分析需求出发，基于地理空间信息技术开发实现了一个B/S架构的地理市情可视化分析系统，系统中综合利用多种空间可视化技术，着重对自然资源、公共服务、城市建设、环胶州湾这4个专题进行空间和时间维度上的表达分析，同时基于科学规范的监测指标体系，结合社会、经济等专题数据对市情监测要素进行指标统计和指数评价，最终形成专题地图、统计图表和评价指数等系列成果，实现地理市情监测数据向地理市情服务信息的转化和提升，支撑政府部门科学决策。

2 系统设计

2.1 功能需求

地理市情监测具有数据内容丰富、应用领域广泛、专业性强等特点[5，6]，为有效发掘数据中蕴含的信息价值，面向领导决策、行业应用乃至社会公众，提供综合地理市情数据资源和数据分析服务。除提供浏览查询、地图展示、空间量测等基础功能外，系统还应满足以下几个要求：

(1)实现对各年度地理市情监测成果的有效汇聚和合理表达，以支撑系统其他分析应用功能。

(2)支持基于遥感影像的时空可视化分析，揭示自然人文地理要素的空间分布规律，实现对各项监测要素的横向区域对比与纵向历史变化对比。

(3)可基于地理市情监测指标体系和社会经济专题数据，在线实时计算统计指标和地理市情指数，客观评测地理市情综合情况。

(4)基于地理市情监测大数据，提供具有针对性的应用分析功能，辅助政府管理决策。

2.2 总体设计

系统采用面向服务的架构(SOA)，遵循数据与应用分离原则，数据资源统一管理、集中维护和分布使用，模块化开发业务功能，对软件构件灵活组装构建不同应用系统。

系统架构由基础设施、数据资源库、服务层和应用层组成，还包括相应的标准规范体系和安全保障体系梳理和建设，如图1所示。

基础设施提供系统运行所需的网络、软硬件基础设施环境，包括服务器、存储设备、操作系统、数据库、安全设备、GIS平台等。

数据资源库实现对基础地理数据、统计专题数据、地理市情监数据的统一组织管理，形成覆盖青岛全市域的多比例尺、多数据源、多时相、无缝的空间数据库。

图1 系统架构图

服务层提供支持行业标准以及扩展REST协议的服务接口，实现服务安全认证、服务请求转发等功能。

应用层是基于服务接口建立的数据资源管理、可视化分析、指标统计评价等功能，以及结合实际场景搭建针对性应用。

从技术和管理两个角度，建立一套支撑系统建设和日常运维所需的标准规范体系和安全保障体系，涵盖系统生命周期全过程。

2.3 数据库设计

针对多源、异构、海量的地理市情监测数据和其复杂的业务流程[7]，本文设计了如图2所示的数据库结构，并开发配套的数据管理系统来实现原始数据成果的入库管理，通过该空间数据库，可实现对基础地理数据、统计专题数据、市情监测专题数据及以上各类元数据的一体化组织管理，从而形成一个覆盖全市域的多比例尺、多数据源、多时相、多分辨率、无缝的空间数据库。

基础地理数据提供基础的空间参考和定位框架，提供全市域的电子地图和遥感影像，作为专题数据和统计信息的展示载体，以缓存文件的形式存储。

图2 系统数据库结构

市情专题数据存储于空间数据库中，按监测时间、监测主题进行分级组织，分为基础市情监测数据集、公共服务监测数据集、城市建设监测数据集、环胶州湾监测数据集，各数据集下包含若干要素图层。

统计专题数据存储于关系型数据库中，从市统计年鉴中提取，包含了主要的社会经济指标，主要有人口、生产总值、建成区面积、就业人数、医院学校情况等。

业务信息存储于关系型数据库中，用于支撑系统业务，包括用户信息表、系统权限表、用户角色表、角色权限表、系统日志表、数据字典表等。

2.4 技术选型

目前主流的WebGIS应用开发技术有ArcGIS、SuperMap、OpenLayers、Leaflet和百度地图等，经过综合比较，ArcGIS不仅具有配套的地图服务器，可以支持多种数据类型，能够很好地解决数据异构、坐标转换等问题，并且提供的API功能也最为强大，提供数据的空间展示、图形绘制、符号渲染、查询检索、地理处理、网络分析、在线编辑、时态感知等开发接口[8]，可以有效支撑地理市情可视化分析系统的数据管理、时空表达和空间分析等内容的建设。

3 系统实现

3.1 数据资源整合

系统实时调取服务接口获取数据资源的要素名称、地理类型、服务地址等元数据信息，对信息进行解析，按照“监测时间-专题类别-要素图层”进行分级分层组织，形成时空数据列表，从而实现对多源、异构、海量的地理市情监测数据成果的有效整合以及系统化应用，在一个信息化平台上对各类自然人文要素信息、经济社会发展信息、空间规划及城市运行等相关信息进行查询与展示，服务于地理市情监测成果的检查和分析等工作。

3.2 时空可视化分析

应用时空可视化技术对地理市情大数据进行展示和分析，在空间和时间维度上交叉展现数据规律，揭示自然资源、公共服务设施、城市建设和环胶州湾等专题领域的现状格局、变化趋势及区域均衡情况。

(1)自然资源专题分析

以影像地图为信息载体，采用分类、分级设色等渲染方式对山、水、地、林等自然要素进行可视化表达，展现其类型、位置、范围等基本情况，支持卷帘操作或多视窗同步功能实现对监测要素进行不同年度的变化比对分析。例如图3，系统对2018年和2019年度局部区域内的林地资源进行卷帘对比。

图3 林地资源空间分布及对比分析

(2)公共服务专题分析

通过空间聚合、热力图等方式对公共服务设施进行可视化，同时以行政区划为统计单元，结合社会经济专题数据，对单元内设施的密度、人均拥有量、服务能力等进行统计，并基于统计结果对行政区划分级设色以反应公共服务的区域差异性。例如图4，系统对行政区划内铁路路网密度进行统计和分级色彩展示。

图4 铁路路网密度区域对比

(3)城市建设专题分析

基于电子地图对不同监测年内建成区空间范围、城市建设用地现状、单体建筑物位置进行叠加展示和套合分析，帮助管理者掌握城市发展动态，例如图5，系统展示某监测年城市建设用地现状。

图5 城市建设用地现状

(4)环胶州湾专题分析

通过时间轴控件实现对环胶州湾多时相监测数据的时序化对比分析，播放展示数据变化情况，结合现状遥感影像，有效揭示数据时间变迁，在一定程度上预测未来发展情况。例如图6，系统对1990年～2019年间环胶州湾坑塘水面、盐田、滩涂、河流水面等不同湿地类型进行动态展示和数据统计，为湿地保护提供参考。

图6 胶州湾湿地历史变化分析

3.3 指标统计与评价

根据监测要素的点、线、面几何特征，以地理市情指标体系和分析模型为依据，结合社会经济专题数据，在线进行指标统计和指数评价，为监测工作提供丰富的数据资料。

(1)指标统计

指标统计分为基本统计和综合统计，基本统计是对监测要素的基本描述性内容进行统计，基于点、线、面等空间几何特征，完成要素的基本数量、位置、密度、形态等内容的统计汇总。综合统计是在基本统计的基础上，结合社会经济专题数据，运用分析模型和方法，对要素的物理结构、空间关系及差异特性等内容进行综合分析。例如图7，系统对2018年度各地表覆盖类型的面积、占比进行基本统计，以及对2015年～2019年地表覆盖变化信息进行综合统计。

图7 地表覆盖指标统计

(2)指数评价

根据确定的权重矩阵和标准化因子计算地理市情指数，综合量化分析各区市的城镇发展水平、基本公共服务能力和生态环境水平等，实现地理市情状况的客观评价。例如图8，系统对2015年～2019年青岛各区市建成区的增长弹性系数和和空间紧凑度进行量化，分析建成区的扩展规律。

图8 建成区发展相关指数

3.4 分析应用

基于地理市情监测大数据，系统面向辅助决策提供以下几种应用分析功能。

(1)资源空间布局分析

用户可选择地理市情要素或上传本地数据，然后系统在线生成其空间分布热力图，同时针对多时相监测数据可实现时序变化的热力效果，从而帮助用户分析空间格局及变化情况，例如评估各区市公共资源配置均衡性等。

(2)服务覆盖能力分析

根据交通方式、时长等输入参数，系统结合路网数据计算生成教育机构、医疗机构、社会福利机构等设施的可达范围并叠加展示，从而实现公共服务设施的覆盖能力分析，可用于评估公共资源盲区，辅助规划建设。

(3)影响区域分析

用户可在线绘制影响源形状和范围，并可动态修改影响区域半径，系统实时对影响区域范围内的市情监测要素进行统计，其典型应用为：分析加油站、危化品等是否覆盖到学校、医院、小区等人口密集区域。例如图9，系统根据施工道路位置和影响半径对受影响的基础服务设施进行统计和展示，从而辅助规划。

图9 影响区域分析

4 总 结

本文基于WebGIS技术，设计和开发了地理市情可视化分析系统，实现对地理市情监测成果的综合管理、可视化分析、专题统计和分析应用，通过引入青岛市地理市情监测指标体系，实现对域情及区域发展等的定量化、动态化评价，为地理市情监测成果的推广应用提供新思路。不足之处，系统在进行全市域范围空间统计时的运算效率还有待提高。