多源异构国土规划空间数据集成技术

2014-02-19缪谨励陶留锋尹兆峰

地理空间信息 2014年6期

缪谨励，陶留锋，尹兆峰

（1.中国地质调查局发展研究中心，北京 100037；2.中国地质大学（武汉）信息工程学院，湖北武汉 430074）

编制国土规划需要实现水、土地、矿产、人口、经济等海量、多源、异构数据的集成与共享，多源异构空间数据集成技术及其应用研究，对国土规划理论、技术方法研究具有重要支撑作用，对新一轮国土规划的大规模编制具有重要的实践意义。

1 多源异构空间数据集成概述

多源异构空间数据集成指的是将来源不同、性质不同、格式不同，分散在不同地方的空间数据，通过技术手段进行整合，形成一个统一的整体，在统一的环境条件下，透明、协调一致地供其他软件使用[1-4]。当前，多源异构空间数据集成技术主要包括：数据源格式转换方法、数据之间互操作方法和直接数据访问方法等3种途径。

1）数据源格式转换方法是将多种来源的空间数据格式，通过数据格式转换软件，实现源数据格式和目标数据格式之间的无损转换。这是当前地理信息系统软件共享与集成多种格式数据的主要方法[5]。

2）数据之间互操作方法是指不同的数据，在遵循统一的标准规范的前提下，相互操作数据的方法，如开放地理空间信息联盟Open GIS Consortium（OGC），为实现分布式环境下空间数据之间的互操作，制定了一套全面的规范，包括开放式地理空间数据模型（Open Geodata Model）、OGIS服务模型（OGIS Service Model）、信息团体模型（Information Comunities Model）抽象规范和实现规范等。各厂商按遵照这些规范开发的GIS软件，就能够实现数据之间的互操作[6]。

3）直接数据访问方法指的是一个GIS软件支持多种数据格式，能够在不改变源数据任何信息的情况下，直接访问其他格式的数据。该方法不仅避免了频繁的数据转换，而且在一个GIS软件中访问其他格式的数据时，不要求用户拥有该数据格式的源软件，减少了用户购买软件的费用，提供了一种更为经济实用的多格式数据集成模式[7]。

根据国土规划数据现有的管理方式，以及数据格式的特点，本文采用数据直接访问模式下的多源异构数据中间件技术实现多源异构国土规划数据的直接访问。

2 国土规划空间数据集成方法

2.1 国土规划数据组成

与城乡建设规划、土地利用规划、矿产资源利用规划等专项规划相比，国土规划具有综合性、战略性、宏观性等特征，其内容不仅涉及陆海空资源统筹，地上、地表、地下资源统筹，还涉及自然、经济和社会资源的统筹。国土规划任务的多样化，决定了国土规划数据内容的复杂性。总体来说，国土规划数据主要包括：基础地理数据、基础地质数据、自然资源数据、环境与生态数据、灾害与灾难数据、经济与社会数据、基础设施数据等。

2.2 国土规划数据的特点

国土规划编制需测绘、土地、地质、水利、民政、环保等部门协同工作。2010年开始编制的《全国国土规划纲要》，由国土资源部和发改委牵头，财政部、环保部、住建部等共28个部委参与联合完成[8]。国土规划编制所需的数据，除了来源于国家测绘部门的基础地理信息数据之外，还包括土地、矿产、气象、林业、生态环境等业务部门的专业数据。这些数据通常是由各部门负责收集、整理、管理和维护的，具有明显的地域性、权属性。另外，各业务部门信息化水平不同，其数据管理方式和数据管理软件不同，造成数据模型、数据结构、投影方式等不同，进而使得国土规划数据具有多来源、多格式、多投影方式等特点，这些差异和冲突给数据集成带来了很大的困难。

2.3 国土规划空间数据集成方法

为实现国土规划多源异构空间数据的一体化集成，本文对多源异构数据中间件技术和动态投影技术进行研究，并对其可行性进行分析，其中针对数据格式多样性的问题，采用多源异构数据中间件技术解决；针对数据多投影方式的问题，采用动态投影技术解决。

2.3.1 格式多样化数据集成方法

GIS中间件是指在遵循统一标准的前提下，能够嵌入各类GIS系统的软件[9]。多源异构数据中间件是GIS中间件的一种，遵循OGC制定的地理数据互操作规范，实现对多种格式数据源的直接访问和操作。

OGC地理数据互操作规范，基于对象管理组织（Object Management Group，OMG）的CORBA、Microsoft的OLE/COM以及结构化查询语言（Structured Query Language，SQL）等技术，为不同平台间服务器和客户端之间数据请求和服务请求跨平台调用，提供了统一的协议[10]。

多源异构数据中间件实现了多源异构数据模型之间的映射，进而在语义层面统一了对多源异构数据的描述。它允许用户在访问过程中重新构造数据，使得用户可以根据特定要求，按需提取相同数据源中不同层面的数据内容，而不必以单一的格式输入数据，实现空间数据和属性数据的重新构造，避免语义不同造成的信息丢失[11]。

借鉴操作系统与硬件设备驱动程序的设计思想，多源异构数据中间件为两层[12]（如图1所示），一个数据源驱动管理器对应N个异构数据源驱动程序。客户端应用软件的数据读取接口直接访问数据源驱动管理器提供的统一操作界面，负责与多源异构数据中间件进行数据信息交互，把客户端软件请求的数据源类型和操作动作传递给多源异构数据中间件。另外，还负责将数据结果返回到客户端软件。

图1 多源异构数据中间件框架图

多源异构数据中间件工作的具体流程如下：

1）客户端软件创建异构数据源信息，并将数据源相关信息发送给数据源驱动管理器。具体包括客户端软件在创建数据源信息之前，先判断所请求加载的数据源是否为异构数据；如果是多源异构数据，则客户端软件就创建数据源信息，并传送给数据源驱动管理器；否则就由客户端软件直接处理数据请求。

2）数据源驱动管理器根据异构数据源的相关信息，加载对应的异构数据源驱动程序，即异构数据中间件。数据源驱动管理器根据接收到的数据源信息，自动匹配异构数据源驱动。

3）异构数据源驱动程序负责实现具体的数据源访问操作，然后将访问结果返回到数据源驱动管理器。

4）客户端软件发出查询、检索、修改、删除请求，数据源驱动管理器负责响应，并负责完成对数据的实际处理，然后将结果返回给客户端软件。

5）客户端软件进行结果数据显示。

2.3.2 投影方式多样化数据集成方法

动态投影技术是一个实时的坐标转换过程，能够根据处理分析或显示的需要，实时变换坐标系统。新投影坐标系统下的数据只用于显示、查询分析或结果输出，实际的数据并未发生任何改变[13]。其核心思想是将数据存储与数据表现相分离[14]。

动态投影技术能够在不改变原始数据投影方式的情况下，根据数据分析或显示的需要，动态调整后续图层的投影方式，以实现多基准国土规划数据的无缝叠加。国土规划数据动态投影技术流程如图2所示。

图2 动态投影流程

在国土规划信息服务中，国土规划数据的投影方式是可以动态变化的。坐标系统是以第一个加载到工作区中的图层的坐标系为基准，当后加入图层数据时，如果该图层和当前工作区的坐标系统不同，则动态进行投影变换，把后加入的图层数据投影变换到当前工作区坐标系统，以便进行数据融合处理分析或显示，而原始数据的坐标系统则保持不变。

3 原型系统设计及实现

3.1 多源异构国土规划数据集成技术

在具体实现过程中，对于不同来源的国土规划数据，采用多源异构数据中间件技术和动态投影技术进行集成。主要操作步骤包括：①在MapGIS的企业管理器目录树（Catalog）框架内，右键单击“GDBConnection标签”，在“MapGIS客户端配置管理”对话框中点击“MapGIS中间件”标签，进行异构数据中间件的配置和管理，并完成数据源、数据库添加等工作，实现在不改变原始数据格式的前提下，对多源异构国土规划数据的集成，包括ArcGIS的Shape格式、Coverage格式和GeoDataBase格式以及MapGIS的6x、7.0、K9等格式。②根据数据访问的实际需要，进行动态投影变换，将不同投影方式的国土规划数据转换到统一的坐标系统，数据存储和操作、显示相分离，在不改变原始数据投影方式的情况下，实现多投影数据无缝叠加和混合处理分析。

3.2 系统设计与功能

原型系统以“宏观尺度国土空间信息一体化集成技术”为研究背景，借鉴空间信息领域多源异构空间数据集成技术和方法，根据国土规划数据组成和数据特点，以多源异构空间数据集成、管理与共享为目标，以多源异构数据中间件技术和动态投影技术为基础，设计并实现了国土规划多源异构空间数据集成原型系统，系统总体设计方案综合考虑海量空间数据和属性数据的集成管理、负载均衡、高并发访问等问题。

原型系统实现的功能包括：①多源异构数据集成管理功能；②海量空间数据的存储、处理与索引功能；③实现对土地、矿产、水资源、生态环境、社会经济等国土规划数据的集中管理与维护；④全面的数据检查功能；⑤数据备份、数据下载、数据分发、日志管理等功能；⑥专题数据查询、统计分析功能等。

4 结语

利用多源异构数据中间件技术和动态投影技术，实现多源异构国土规划数据集成，能够在不改变原始数据存储格式、投影方式的基础上，满足国土规划编制信息服务的应用需求，进而保证各业务部门原有信息系统的稳定性。另外，系统对多源异构数据的支持，取决于异构数据源驱动的数量，为更广泛地支持多种数据，需要开发相应的数据源驱动，开发工作量较大。动态投影的过程实质上是实时的坐标转换过程，该过程计算复杂，运算量大，对系统硬件配置要求相对较高。

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