城市空间信息服务共享平台研究与应用

罗雁，邹梦秋，王刚，刘福成

(天津市测绘院，天津 300381)

1 引言

空间信息作为一种重要的基础信息资源，随着其应用领域的不断扩大，应用程度不断深入，也越来越受到人们关注。据统计在人类活动所需的各类信息中有80%的信息与空间位置有关，由此可见，空间信息在人类生活中具有极其重要的作用，为了充分发挥空间信息的作用，我们必须整合各种空间信息资源，搭建一套资源丰富、使用灵活、高效的信息共享平台，使之更好为社会经济和人们生活提供服务［1］。

2 平台空间数据模型

空间数据作为空间信息传播的载体，在城市空间信息服务共享中占据非常重要的地位，如何更为有效地组织空间数据，快速、高效地服务于城市空间信息服务共享平台，这一难题一直困扰着城市空间信息服务共享平台的建设工作。结合当前天津市城市空间信息服务平台实际的建设情况，在建设中所采用的两大主要的空间数据模型:金字塔唯一要素多比例尺模型和瓦片金字塔模型。

在这里结合实际应用的需要，我们将目前天津市的空间数据划分为矢量数据和栅格数据两类，上面提及的两种空间数据模型就是针对这两类数据而设计的。

2.1 金字塔唯一要素多比例尺模型

为满足矢量数据网络传输需要，结合实际应用的需求，本文提出了一种矢量数据结构模型，即金字塔唯一要素多比例尺模型，其目的就是在保留空间要素拓扑关系的同时，加速各种矢量数据在不同比例尺下的显示和网络传输，从根本上解决矢量数据在网络方面传输慢的问题。

所谓金字塔唯一要素多比例尺模型，主要思路如下［6］:根据矢量数据的各类要素在不同比例尺下显示，按类别和比例尺对各种地物要素在遵循空间规则格网索引的前提下进行组织，从而形成类似金字塔结构的矢量数据模型。在这个模型中，所有的空间要素(点、线、面)只存在于一个数据文件，不会重复，从而减少了数据的冗余性。

2.2 瓦片金字塔模型

为了解决海量栅格数据存储、显示、传输，我们采用分片策略来储存遥感图像等栅格数据，即将非常大的栅格阵列分解为若干独立数据片，采用线性四叉树来调度和管理这些数据。

金字塔是一种多分辨率层次(multi－resolution hierarchy)模型［1］，准确意义上讲，金字塔是一种连续分辨率模型，但在构建金字塔时很难做到分辨率连续变化，并且这样做也没有实际意义。因此在构建金字塔时总是采用倍率方法构建，从而形成多个分辨率层次。从金字塔的底层到顶层，分辨率越来越低，但表示的范围不变。

瓦片金字塔模型建立的思路如下:首先将原始地形数据作为金字塔的底层，即第0层，并对其进行分块，形成第0级矩阵。在第0层的基础上，按每2×2个像素合成为一个像素的方法生成第1层，并对其进行分块，形成第1层瓦片矩阵。再在第1层的基础上采用同样的方法生成第2层瓦片矩阵，如此下去，构成整个瓦片金字塔。

在建立瓦片金字塔模型中，值得注意的是如果建立高效的分块规则，在天津城市空间信息服务共享平台建设中，经过实验并结合实际我们建立了如下的分块原则:

(1)等大小规则分块。等大小是指块与块之间的宽、高分别相等;规则是指有规律的，而不是乱序的。

(2)数据块大小为2的整数幂，即块的宽、高为2的整数幂。

(3)建议数据块大小限制为256×256个像素。

3 平台的架构(如图1所示)

在城市GIS应用中，要求所有的GIS应用系统都采用统一操作系统和GIS平台显然是不现实的，因此必须利用先进的信息技术，建立良好的空间数据的采集、更新与共享机制，将已有的分散于各部门的空间数据进行整合与有效集成，建立互操作平台，进行各种多源异构的空间信息的动态访问、查询、空间分析与决策，以最终消灭“信息孤岛”和“应用孤岛”，实现空间数据与信息服务的共享、实时交换与集成管理［1］。

图1 城市空间信息服务共享平台框架图

随着计算机技术、网络技术、空间信息技术以及各方面硬件环境的改善与提高，在这些软硬件因素推动下，使得城市空间信息服务共享平台的建设成为可能。我们建设天津市空间信息服务共享平台主要目的如下:

目的一:采用地理信息技术、遥感技术、计算机网络技术、数据库技术等先进的技术手段，把各类基础地理信息资源进行集成与整合，从而实现各部门信息的共享与互操作。

目的二:改变以往的地理信息系统开发模式，搭建一套基于互联网环境下应用成本低、实用性强、快速高效、满足天津市各个部门和行业对空间信息使用的需要。

目的三:建立地图服务的应用模式，地图服务是一个基于Web的地理信息数据快速发布和浏览查询，集软件和平台为一体，能为政府部门、企事业单位、公众及个人的应用系统提供快速开发支撑的软件服务平台。采用地图服务与自建地理信息系统相比，具有技术先进，数据完善，资金投入少，管理维护便利等方面的优势;

目的四:建立一套高效的面向用户提供地图服务的最佳业务和技术解决方案运行机制。

4 平台应用模式

平台建设的最终目的是为了应用，对于城市空间信息服务共享平台的建设而言，这一点尤为重要，因为目前我们提供的空间信息应用模式已经满足不了城市快速发展的要求，为了更有力地服务于天津市城市的发展，结合市场需求以及多年来我们实际开发经验。

从信息存放和维护的方式上讲，分为三类［4］:

①信息集中存放和维护模式。

②信息集中存放和分布维护模式。

③信息分布存放和维护模式。

从用户客户端使用软件角度来看，也分三类:

①Ie、Google Exploer浏览器。

②Flash、Silverlight等跨平台的插件。

③自主的GIS智能客户端。

下面我们将主要从空间信息存放和维护的角度来探讨平台应用的模式。

4.1 信息集中存放和维护模式

所谓信息集中存放和维护，是指将用户专题空间数据的服务器和我们自己存放空间数据与服务的机器集中存放在一起，进行统一的管理。用户经过授权，通过互联网或者专网等网络环境，借助于我们空间信息服务共享平台中的相关空间服务及数据来使用相关的数据和GIS功能。

这种应用模式优势在于能有效地保证空间数据的安全，便于空间数据和平台功能的集中管理和维护，同时也为用户提供了快捷的可视化服务，但这种模式存在的最大难题就是信息更新成本高，更新周期长，由此带来的结果是图上信息不能及时更新，地图内容与实际现状差距日益增大。所以离开真实的信息，再强的功能、再好的表现方式也是徒劳。因此，在信息化建设遍地开花的今天，这种模式不适合于城市空间信息平台的搭建。

4.2 信息集中存放和分布维护模式［4］

为了解决信息集中维护成本高、周期长的问题，我们可以采用信息集中存放，建立基于网络环境下的分布维护模式。

(1)标注功能和纠错

考虑到城市地图上，信息点的主要维护工作是新增和修改属性，因此为了解决城市信息点的更新，我们在网页上设置了标注和纠错功能。用户可以根据自己了解的信息，通过网络在图上增加信息点，再通过对话输入属性，最后提交。若在地图上发现信息有误，可以通过网络提交修改信息。

(2)属性的分布式维护(如图2所示)

属性的分布式维护是随数据库发展产生的维护模式，是分布式数据库在GIS中的应用，通过网络，单位可以实时更新自己的属性信息，从而保证信息的可靠性。

图2 属性信息的远程维护

在这种模式下，首先用户对数据的操作是有权限的，只有输入正确的用户名和密码后才能登录相应的管理界面，修改属性数据;其次，各个用户只能浏览和修改所有权限下的数据，无权浏览和修改其他部门的数据;再次，系统不开放几何信息，因为几何信息的修改需要专业人员或者后台自动完成。

4.3 信息分布存放和维护模式(如图3所示)

信息集中存放分布维护的模式可以解决部分服务领域中的信息维护问题，但在现行的体制下，一些行业出于信息安全等因素的考虑，不能将本部门的信息上传到空间信息服务共享平台集中存放，这种情况下，信息分布存放、分布维护的模式应运而生。

这种模式下，诸如燃气、自来水等行业和部门，由于其空间信息数据与城市安全和人们的生活密切相关，因此这部分数据属于保密状态。对于这种情况，我们可以将他们自己的数据按照空间信息服务共享平台的数据规范建立在他们自己的机房，同时将平台的相关服务配置在他们的服务器上，通过VPN专网连接到我们的空间信息服务共享平台，实行专业空间数据与基础地理空间数据的叠加，协同完成相应的空间数据处理及互操作。

图3 信息分布存放分布维护的模式

5 关键技术及应用

在目前平台建设中，结合上面提到的数据模型以及应用模式等相关理论，我们主要将以下几种关键技术运用到实际开发工作中，初步完成了一些试验性的成果，同时也解决了目前用户关注的问题。

5.1 关键技术

(1)金字塔唯一要素多比例尺技术

此种技术是建立在金字塔唯一要素多比例尺模型的数据基础上的，借助于该模型我们建立具有空间关系的适量数据规则块的同时，保证无论在何种比例尺下，任何空间数据元素只储存在一个数据块内，同时通过多线程技术，多级调度技术建立在互联网快速浏览矢量数据的自主客户端。

(2)金字塔模型多分辨率空间格网索引技术

此种技术是建立在瓦片金字塔模型的数据基础上的，通过该模型建立相应的空间数据库，同时通过线性四叉树等算法在客户端程序中建立相应数据调度机制和空间分析计算和传输机制。

(3)多级缓存技术

实现在Internet上海量空间数据发布的关键技术在于缓存，基于服务器模式的Internet GIS适应于低带宽的网络环境，其瓶颈不在于网络带宽，而是服务端的数据访问(I/O操作)、查询/空间分析计算以及制图显示。为了减少I/O操作和重复的计算过程，我们用到的多级缓存技术如下:应用实例缓存、数据引擎缓存、处理结果缓存、客户端缓存。

①客户端缓存:通过状态维护策略，保存部分当前空间信息状态参数，使一些运算直接在客户端进行，减少与服务器交互，同时客户端缓存服务器产生的空间数据，避免数据的重复传输，减轻服务器的负载压力。

②服务器端缓存:进程池技术是服务应用实例缓存实现的关键，我们充分利用服务器多CPU和内存容量巨大的特点，使用进程管理组件预先启动多个应用服务器实例，装载适当的数据，在构建的进程池中预先存储多个激活的工作进程，可以避免出现CGI方式的瓶颈，减少每次用户请求都需要重新加载和卸载数据的时间，提高服务响应的效率，工作进程的选用由群集组件负责分配。多线程技术可以提高系统的响应能力，进程池技术进一步成倍提升系统的服务能力。

③数据引擎缓存是在应用实例缓存的基础上实现的，数据引擎缓存的基础是有限等级比例尺机制，一般来说，在互联网上，GIS应用服务不需要提供任意比例的精确地图，只需提供若干等级比例尺的近似地图即可，将服务限制在有限比例尺级数的范围内，就可以充分利用数据访问引擎具有的缓存和调度机能。

(4)异步回调技术

软件模块之间总是存在着一定的接口，从调用方式上，可以把他们分为三类:同步调用、回调和异步调用，如图4所示。同步调用是一种阻塞式调用，调用方要等待对方执行完毕才返回，它是一种单向调用;回调是一种双向调用模式，也就是说，被调用方在接口被调用时也会调用对方的接口;异步调用是一种类似消息或事件的机制，不过它的调用方向刚好相反，接口的服务在收到某种信息或发生某种事件时，会主动通知客户方(即调用客户方的接口)。回调和异步调用的关系非常紧密，通常我们使用回调来实现异步消息的注册，通过异步调用来实现消息的通知和数据的传输。

图4 调用示意图

从技术层面上讲，平台的搭建主要应用到了金字塔唯一要素多比例尺技术、规则空间格网索引技术、多级缓存技术、异步回调技术、虚拟技术、网络技术、多媒体技术以及Ajax技术等，实现空间信息技术与众多成熟技术的融合应用，从而让空间信息应用到城市发展的各个领域。

5.2 应用

目前我们采用JavaScript、PHP5、ActionScript 3.0、VC++以及C#进行相关的开发工作并取得了一定的成果。

首先在矢量快速浏览方面，我们通过建立金字塔唯一要素多比例尺空间数据，通过自己开发客户端，在互联网上初步实现了对空间数据的快速调用与显示，解决了空间矢量数据在一定带宽的情况下传输与显示的问题。

图5 “天地图·天津”地图门户网站

另外，采用瓦片金字塔模型，解决了栅格数据快速浏览的问题，响应天地图国家建设的要求，搭建起了天津市公众服务共享平台——“天地图·天津”地图门户网站，其效果如图5所示，目前已经提供给互联网上的用户使用，并开始为政府部门和企事业单位提供空间信息服务。在后台服务建设方面，我们遵循了OGC国际标准规范，搭建了地图图片服务(WMTS)、Web要素服务(WFS)等服务接口，使得这些服务不仅能满足“天地图·天津”地图门户网站的需要，而且可以提供在线或者离线两种模式下的手机地图服务，如图6所示。

图6 “天地图·天津”手机地图

6 总结

减少空间信息重复性建设，降低建设成本，大力推广空间信息服务，实行城市空间信息服务共享是国家信息化建设的重要组成部分。因此，城市空间信息服务共享已经成为业界迫切需要解决的问题，分布式地理信息系统为解决该问题提供了强有力的技术支撑，但分布式地理信息系统面临着多方面严峻的挑战，现有的分布式地理信息系统解决方案无法解决异构环境下的多源系统协作服务问题，基于网格技术的城市空间信息共享平台的研究，解决了多源系统间的互操问题，实现了城市空间信息服务共享。

目前，随着城市空间信息服务共享平台的建设不断深入，相关的理论和技术为我们的建设指明了一个明确方向，但技术距离应用和推广还有一定距离。因此在实际工作中，我们需要从以下几方面研究与实践:

(1)进一步完善城市空间信息服务共享模型的研究，针对不同部门，对其空间信息应用模型以及访问方式进一步深入和细致研究;

(2)进一步完善空间元数据研究，为用户提供分类更齐全、更准确、实时性更强的数据访问;

(3)面向空间特征要素的非关系型数据库(No-SQL)技术;

(4)建立面向应用服务的互操作接口规范，为不同系统提供更完善的用户操作依据。

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