MAPGIS在空间数据共享与交换中的应用研究

qiang

摘 要：本文在分析了地理空间数据的特点和共享问题的前提下，讨论了空间数据共享与交换平台的建设，具体分析了系统建设的目标、系统设计、系统的功能与特点，为将GIS技术与房地产估价这两者的结合提供了一个新的实例。
关键词：空间数据管理数据共享 GIS mapgis
0 引言
地理空间数据是GIS的血液，构建和维护空间数据库是一项复杂、工作量巨大的工程[1]，它包括：数据的获取、校验和规范化、结构化处理、数据维护等过程。在过去的二十年间，国家有关部委和行业部门已经积累了大量原始数字化数据和相应资料，建立了1100多个大、中型数据库以及大量的各类数字化地理基础图、专题图、城市地籍图等。国家测绘局已经完成了全国l：100万、 1：25万基础地理空间数据库以及全国七大江河数字地形模型的建设，并启动了全国l：5万，部分省份1：1万基础地理空间数据库的建设。这些基础数据有力促进了GIS技术的广泛应用，进而产生了大量的GIS数据。
随着GIS的社会化发展，空间数据共享成为一种必然要求，然而要充分利用已有的数据资源，真正实现空间数据共享，必须解决多种格式的地理信息数据集成这一问题。近年来，随着数字城市、数字区域和电子政务等跨部门和跨行业综合性地理信息系统的纷纷上马，异构数据集成能力在GIS平台选型中变得越来越重要[5，6]。
但由于大多GIS平台软件采用不同的空间数据模型，以及它们在地理实体上的认识差异，使得所积累的数据难以转换和共享（即使能够数据转换，也会产生信息的丢失），从而形成一个个新的数据孤岛。如何提供有效的空间数据的共享与交换是当前GIS应用面临的一个主要问题。
1 现状
空间数据共享与交换虽然取得了一定的成果，但还是存在以下几方面问题：
(1)、信息孤岛问题
现有的GIS应用软件都致力于解决一个方面的问题，系统之间数据互访、业务互通困难，无法使信息得到及时和最大程度的共享和利用。
(2)、多级数据交换问题
行业管理采用的是集中式的管理模式，大量的管理业务集中在行业管理上一级部门。集中式的管理模式要求实时、准确地获取下一级的业务数据，如何通过省级数据中心集成应用，实时获取这些数据将表现得非常重要。[2]
行业管理普遍采用的是国家、省、地市、县四级管理工作机制。县（市）级管理部门是行业管理中最基础的部分。
(3)、内外网数据交换问题
空间数据的特殊性要求各职能部门办公内外网严格进行分离。因此，内网上的需要发布的办公数据需要及时地发布到外网上，外网上的用户申请等数据也要及时进入内部办公系统进行处理。
(4)、政务办公、空间图形数据融合问题
行业管理部门办公所涉及的政务数据、事务性数据和空间图形数据，如何进行有效的融合、管理，是空间数据管理与交换解决的主要问题。
2空间数据交换共享平台设计策略
2.1平台总体目标
·       建立统一的空间信息管理平台：通过建立统一的电子地图信息管理平台，对基础电子地图数据、业务电子地图数据等进行统一的采集、入库、更新和维护。
·       实现统一的可视化综合空间信息服务：将图片数据、遥感影像数据、地址数据、矢量电子地图数据等进行有效的集成，建设空间信息服务系统，并为其它业务部门的应用系统提供统一的空间信息服务和应用体系，包括电子地图访问服务、地理空间坐标转换服务、图片服务、遥感影像的可视化服务、地址编码服务、基于位置的相关服务、空间信息查询和分析服务等。
·       实现电子地图信息共享：为其它业务部门的应用系统提供高效的、统一的电子地图访问接口，实现电子地图信息的共享和交换，达到综合利用的建设目标。
2.2逻辑结构设计
从总体上看，空间数据管理与交换平台是以计算机硬件与网络通信平台为依托，以政策、法规、规范、标准、信息化机构以及安全体系为保障，以GIS平台为枢纽，构建各行业空间数据管理与交换平台。
空间数据管理平台主要包含涉及六个部分：网络系统、数据存贮系统、空间数据管理平台、数据服务系统、数据挖掘支持系统和数据交换系统。组成结构如下:

图2-1 空间数据管理平台逻辑结构图
网络系统提供网络接入、本级核心网络管理功能。
数据存贮系统包括数据库管理系统和文件管理系统，提供对各类数据的存贮、备份、恢复、迁移等基础功能。
空间数据管理平台提供数据的检查、整合、数据入库、数据的更新维护、数据清理等功能。
数据服务系统提供数据目录、数据服务目录、元数据、数据搜索引擎、数据加工、服务计费等功能。
数据挖掘支持系统完成数据的主题分析，主题统计，数据挖掘、输出，决策服务等功能。
数据交换系统提供数据提取、数据发送、数据接收、数据转换、数据传输方面的功能。
2.3物理结构设计

空间数据管理平台配备包括支撑以上功能的硬件基础设施、大型外部设备、数据库管理商用软件、数据处理专业商用软件、数据管理应用软件、数据服务应用软件、数据交换系统，以及相应的专业人员。
空间数据管理平台硬件配置一般包括：服务器（业务应用服务器、数据库服务器、、交换服务器）；存储系统（SAN 光纤交换机、磁盘阵列、NAS文件存贮）；交换机（核心交换机、服务器群子网交换机、部门接入子网交换机）；大型外设。
空间数据管理平台软件配置一般包括：网管软件；应用服务器软件；数据库管理系统；GIS软件；数据备份软件；目录服务及元数据发布软件；LDAP服务器；安全管理软件；消息中间件；内容管理软件；门户软件；应用系统软件。
2.4框架与插件
空间数据管理与交换平台软件主要由框架容器和各个专题业务插件组成：
空间数据管理平台框架，采用C/S结构，制定标准接口，该框架可以调用业务插件。同时该框架基于GIS功能，集成通用GIS调用插件，可以做到与GIS平台无关性，可以调用MAPGIS数据，也可以调用ARCGIS数据，也可以调用Oracle Special数据。该框架中集成了GIS数据的展示，通用编辑，查询等功能。
业务插件，业务插件是为了满足各个业务的专题数据的特殊功能而定制的插件，通过标准接口，由数据管理平台框架调用。这些插件关注于与业务关联紧密的特色功能，对于框架中有的功能不需要另外设计。使得软件的重用度大大加强，同时BUG率也大大降低。
采用框架与插件的模式，还有一个好处就是，可以将信息化实行分步实施的策略，大大延长软件使用周期。
2.5与电子政务的关系
根据国内各行业管理部门的信息化现状，将信息化工作分为深度和广度两个方向：在深度方向，建立了各个专业业务系统，取得一定的成绩；在广度方向，建立了电子政务，覆盖全局信息化业务范围，形成网上办公的办公模式。[3]
但是建立专业的GIS应用系统，已经不能满足行业信息化的需要，不能实现有效的数据共享，形成了一个个的信息孤岛。不利于信息化的进一步实施。而建立的电子政务或者网络办公（OA）部分，由于大部分没有和实际的空间业务数据结合起来，使得办公过程中的审批业务不但没有简化，反而在一定程度上增加了工作量。怎样将现有的信息化成果的基础上，将数据整合集成，充分利用现有的业务系统和办公系统，又能做到空间数据的有效共享。
经过深入的调查研究，建立统一的空间数据管理与交换平台，是解决这个问题的关键。以框架加插件的方式管理多专题，多源数据，管理维护专业的空间信息和与之相关的非空间信息，并以此为基础为行政审批提供坚实的事实依据。
3空间数据交换共享平台主要功能
3.1空间数据管理
空间数据管理具有以下功能和特点[4]：
(1)    面向实体的空间数据模型
以地理实体及其关系的描述为核心，具有2维和3维的空间表达能力，同时支持基于结构和基于空间规则的空间拓扑关系，全面支持继承﹑组合等非空间关系，适应复杂地学应用，同时兼顾制图和CAD方面的需求。
(2)具有面向网络的分布式数据管理机制
提供符合国际标准的数据服务，具有多级服务器体系结构。
(3)多源数据集成管理
不同格式﹑不同尺度﹑不同类型（矢量﹑影像﹑网格﹑数字高程模型）间空间实体数据一体化存储﹑管理和调度；互动﹑派生﹑更新；转换﹑分析﹑查询与融合。
(4)针对海量空间数据管理的设计
TB级的空间数据管理设计能力。
(5)数据存储﹑查询管理
提供对要素类等十余种空间数据类的高效存储和目录管理功能；建立基于R树﹑四叉树﹑网格分割索引等方法的多级索引；提供高效的查询功能，包括：SQL属性条件查询﹑空间条件查询﹑综合查询。
(6)空间数据安全管理
空间数据安全管理涵盖使用空间数据的用户﹑角色以及权限的管理。
(7)空间数据备份与恢复管理
空间数据备份与恢复机制保证了空间数据库在遭受偶然故障时，将损失将至最小。空间数据库管理系统提供完备的数据备份与恢复手段，包括完全备份﹑增量备份﹑定期备份等功能。
3.2空间信息应用服务
空间信息应用服务，主要是提供基于SOAP和XML的空间信息Web Services，包含空间数据的存取﹑交换﹑空间分析和空间运算﹑空间信息查询等空间信息服务。
空间应用服务器是Web Services中操作数据的中心，负责响应数据访问请求并将结果以合适的数据格式返回到浏览器端。空间应用服务器可以将地理数据翻译成不同形式的可视数据，如栅格﹑矢量﹑属性表﹑地理元数据等。
空间信息应用服务遵循OpenGIS规范，支持WMS﹑WFS﹑WCS等信息服务标准，以及XML和GML3标准。
支持互联网和无线互联网，支持各种智能移动终端。提供各类高速缓存﹑无状态的负载平衡策略，满足高速度访问的需要。根据用户权限的控制和安全策略，提供用户数据库访问﹑分析﹑以及应用逻辑分析等服务，满足对空间数据库的专业查询和分析，完成系统的各类空间信息服务。
3.3空间元数据管理
空间元数据是地理空间数据的描述信息，主要用于海量﹑分布式信息数据的检索。空间元数据系统主要由元数据采集器和元数据服务器组成，其设计面向元数据的建库管理﹑网络发布及分布式检索，基于XML和J2EE技术构建，具有分布式﹑跨平台﹑能兼容异构数据源等特点，提供如下主要功能：
(1)元数据模式管理：元数据的标准由元数据模式来描述；系统提供元数据模式的注册﹑注销及根据模式校验元数据有效性等功能。
(2)元数据建库：元数据库的基本数据组织单位是符合某一元数据模式的元数据集合；系统提供元数据库的创建﹑删除﹑备份及导出等功能。
(3)元数据录入编辑：通过元数据采集器可对元数据进行编辑，根据元数据模式动态调整录入界面，确保数据与模式的一致性。
(4)数据缓冲管理：元数据服务器提供元数据及其摘要的缓冲管理，提高元数据查询和Web发布等操作的性能。
(5)分布式检索支持：支持新一代Z3950协议(ZING)的检索服务SRW(Search/Retrieve  Web Service)，实现分布式检索。
3.4时态数据管理
通过对历史数据建立可追溯到的机制，实现时态数据管理，其原理可以简单地称为“元组级基态修正法”，具有以下特点：
(1)历史数据记录的粒度可达元组级
历史数据的粒度可分为数据集﹑实体﹑元组﹑字段这四个级别，粒度越小，历史数据的冗余也越小，但技术难度越大，历史数据管理成本(如历史数据索引)越大。
历史数据管理建立在元组级，既能够有效控制和减少历史数据的冗余，又不会使历史数据管理太复杂。
(2)       基态+增量修正法
记录发生变化的元组的历史数据，对空间数据集而言，是局部增量。
在初始时刻记录完整的历史数据集，通过初始状态和元组级历史数据正向推演出任意历史时刻的数据集。完整的历史数据集是数据集在某一历史时刻的快照，为了不使任意时刻数据状态的推演过程太长，MAPGIS在历史数据记录累计到一定程度时，自动建立一个数据快照。
(3)单个实体历史演变可追踪
通过在历史数据中记录新的空间实体的父实体标识。实现正向和反向追踪单个实体的历史演变过程。引发实体演变的原子操作包括添加﹑修改﹑删除﹑分解﹑合并。
(4)“历史事件”作为历史追踪的参照点
历史数据管理建立在“历史事件”和“历史动作”这两个基本概念之上，历史动作产生历史数据，历史事件以历史动作为标志，从而得到任意时刻的数据。
3.5版本与长事务处理
GIS的许多应用都涉及长期的设计工作，许多人需要并发地编辑地理数据。采用商业数据库提供的短事务模型不能满足这种长时间并发访问的要求。
数据模型通过一个称为版本化的数据管理框架，提供长事务处理机制来满足这些应用需要。在长事务处理期间，可以自由地添加设计的要素﹑执行地理分析﹑编辑地图，所有这些都不影响正常的地理数据库。当设计完成时，如果设计被实施，则把变更更新到地理数据库中，否则丢弃变更。
在实际应用中，相对于海量地理数据，编辑的量很小，所以新一代MAPGIS使用乐观的并发性访问控制技术实现长事务机制，即一个长事务开始时，没有任何锁加到要素上。这种方式允许产生编辑冲突，当提交事务时，检测冲突，并协调解决冲突。在实际的工作流程实践中，编辑冲突并不经常发生，并且比起长事务期间锁住要素来说，协调冲突的代价比较小。
版本控制长事务的实现机制，它使多个用户可直接编辑某个地理数据库而不用明确地锁定要素或复制数据。
版本管理具有版本创建﹑删除﹑归并﹑冲突解决等功能和机制。
3.6跨平台数据访问
由于现有的专业系统基于的GIS平台不一致，如果需要将现有系统进行整合，就必须解决跨平台访问的关键问题。空间数据管理平台采用中间件的模式，实现GIS数据的跨平台访问， 跨GIS平台中间件模型也是基于统一的空间要素实体模型基础上，进而从功能语义上最终分派给某类格式插件进行直接处理，直接保存。该模型还考虑了结合数据库的一些智能特性，原始格式对于属性和图形的编辑约束也都可以直接起作用。如图3-3所示。

图3-1 跨GIS平台中间件模型：基于功能服务的直接互操作
4结束语
本文对新一代MAPGIS 空间数据共享与交换平台作了简要的介绍，目的是与读者交流空间数据共享与交换平台的设计思想，以此促进我国GIS在各行业中的发展，同时也期望关心GIS应用的读者能够给我们指正和提出建议。

参考文献
[1] 邬伦，张晶，赵伟.地理信息系统.电子工业出版社，2002.5
[2] 王丹，数字城市空间数据获取与应用服务的几个问题，数字城市的理论与实践（赖明、王蒙徽主编），世界图书出版公司，2001，pp591-595。
[3] 张清浦. 电子政务与数字中国地理空间基础框架[J]. 测绘科学, 2005 , (1) .
[4] 吴信才.新一代MAPGIS.知识产权出版社，2006.6
[5] David A., David H.,George T.,etc, Issues and prospects for the next generation of the spatial data transfer standard(SDTS),Geographical Information Science,1998, 12(4).
[6]Clinton W.J., Coordinating Geographic Data Acquisition and Access, The National Spatial data Infrastructure, federal Register, April 13,1994, Vol.59, No.71, Executive order 12906, pp17671-17674.

天蓝3

来看看，学习学习

行者——洲

继续学习   继续进步