基于WebGIS的“三经普”边界划分系统设计与实现

2014-02-19蒋陈纯

地理空间信息 2014年4期

丁忆，蒋陈纯，周建

（1.重庆市地理信息中心，重庆 401121）

第三次全国经济普查要求利用统计电子地理信息系统，全面建立普查区电子地图，以确保普查区全域覆盖，普查对象不重不漏，并且普查小区界是在行政区划的基础上再划分普查小区，这就需要以最新的高清影像或现势性强的线划地形图作为底图参考，由分布在各地的基层单位熟悉行政区划边界的工作人员来负责实施划分工作。为充分利用网络信息技术，将分散在基层的信息源有效集中，并快速、准确地确定普查区界线，本文提出了“基于WebGIS的第三次经济普查边界划分系统”的设计方案。在重庆市的经济普查区划分工作中以此方案为基础开发业务应用系统，配合自上而下的工作组织模式，在短时间内高效、高质量地完成了全市8.24万km2的普查区划分任务。

1 系统分析[1,2]

1.1 总体需求

对于重庆市来说，第三次经济普查区划分工作时间紧、任务重，按照“地方分级负责”原则，在规定的20 d内需要将全省市的几十个区县界、几千个镇（街、乡）界、上万个社区（村）界、几万个普查小区界全部矢量化，工作量相当大。鉴于此次任务矢量化数据多、时间短且普查人员对行政区划边界不熟悉等因素，利用镇（街、乡）以及社区（村）工作人员熟悉自己管辖区域边界的优势，采取由市级统计部门统筹安排，区县级统计部门组织镇（街、乡）人员以及社区（村）人员完成行政区划的矢量化工作，最后再由普查人员在行政区划界的基础上划分普查小区的工作组织模式，以提高工作效率和边界准确性。采用这种模式，工作人员分散，需要解决集中编辑的问题，这就需要开发出一个基于Web的在线、高效矢量编辑系统。

1.2 功能需求

为了满足经济普查区划分人员对地图查看、操作等用户体验服务的需求，满足用户对系统的可操作性要求。在线划分系统除需实现地图浏览、放大缩小、全图等基本功能外，还需实现：①矢量数据的编辑功能，包括面要素的切割、合并功能和点要素的移动、修改、删除、增加功能。②属性信息修改和显示功能，包括区县、镇（街、乡）、社区（村）、普查小区名称和代码的填写及显示、查看功能。③程序自动检查功能，包括同一层级内的界线和驻地在数量、名称、代码的逻辑一致性，以及无压盖、无缝隙等拓扑检查功能。④权限设置，包括对区县级、镇（街、乡）级、社区（村）级、普查小区级4个不同级别登录后，显示和修改信息的权限进行分别设置。

1.3 性能需求

为了保障用户操作的连续性、应用的可靠性，本系统最重要的性能指标是在一定的负载条件下的响应时间（包括最短响应时间、平均响应时间和最大响应时间）。在客户端连接数确定的情况下，该指标与客户端当前的网络情况、操作次数、编辑地图的复杂程度、切割和融合面要素的大小、服务器和网络设备以及投入成本等条件有关系。

通过分析和整合现有数据，重庆市最大社区数约1万个，假设每个社区有1个用户在此系统进行操作，最大在线人数约为1万个，在操作面要素切割以及面要素合并时需满足最短响应时间为2 s，平均响应时间为7 s，最大响应时间为15 s的要求。为了满足性能上的需求，并降低成本，要求服务器和网络设备可及时扩展，并在适当的时候释放服务器和关闭服务器，以达到收缩和收回服务器资源的能力。

2 系统设计

2.1 功能设计

2.1.1 系统框架[3-5]

WebGIS第三次经济普查边界划分系统采用的是基于Net3.5平台与ServLight技术的3层结构，虽然Servlight技术为富客户端模式，但是Servlight可以更好地控制和渲染地图，有利于地图在线编辑的开发与实现。本系统的3层结构包括客户机、应用服务器与Web服务器、数据服务器与瓦片地图服务器。系统以B/S方式为主，后台数据加载备份以C/S方式实现。图1为系统软件总框架。

图1 系统总框架设计图

表现层：实现了客户端开发的相对独立。在ArcGIS Server 中，连接器能够处理ASPX、JSP、ArcXML和Coldfusion式的请求，因此可根据自己的实际情况选择ASPX、JSP等开发方式，不再局限于某一具体开发工具。本系统采用Servlight + ASPX模式开发。

逻辑层：连接器与应用服务器、应用服务器与空间服务器之间利用ArcXML进行通讯，不管客户端是以何种方式提供请求，应用服务器和空间服务器都是处理ArcXML式的请求，减小了应用服务器和空间服务器的负担。ArcXML是ESRI公司根据XML标准开发的。XML具有良好的数据描述方法、可扩展性、半结构化、跨平台等特点，使得不同的WebGIS系统能够借助XML实现通讯而不需要数据转换。

数据层：采用大型数据库存储网络资源数据和空间数据，利用高性能的空间数据引擎ArcSDE支持海量数据的高效存储与检索，ArcGIS Server还可以针对应用需求提供地图服务。

硬件层：包括服务器、网络传输设备以及存储设备，采用分布式模式，可动态添加服务器设备，提高服务端的服务能力。

2.1.2 功能开发

本系统是基于ArcGIS Servlight API开发的WebGIS在线编辑系统，利用ArcGIS Server、ArcGIS SDE、Oracle、IIS作为服务端，利用ArcGIS Servlight API提供的接口开发出以下功能以满足系统的需求。

1）矢量数据的编辑功能开发。此系统首先需考虑网络情况、用户识图能力、用户操作能力等因素；其次需重点考虑面要素的压盖、缝隙等拓扑关系处理问题。因此，系统在开发面要素的处理时，只对用户提供面要素的切割、合并功能，而不提供删除、移动、重构功能。这样用户在对面要素进行操作时，系统就不需要关注面要素的拓扑问题。由于点要素的编辑不用考虑压盖等拓扑问题，所以对点要素提供移动、删除、添加功能，以确保点位的准确性。

2）属性信息修改和显示功能开发。在属性信息处理中，本系统只对普查边界和驻地点必要字段进行修改和显示，主要字段为区县、镇（街、乡）、社区（村）、普查小区名称和代码，但是不同的层级改动的信息不同。

区县界：只有区县界面要素层，不可修改，含区县名称、代码字段。

镇（街、乡）界：包括镇（街、乡）面要素、驻地点2层，可修改区县和镇（街、乡）的名称、代码字段。

社区（村）界：包括社区（村）界面要素、驻地点2层，可修改区县、镇（街、乡）、社区（村）的名称和代码字段。

普查小区：只有普查小区面要素层，可修改区县、镇（街、乡）、社区（村）、普查小区的名称和代码字段。

3）程序自动检查功能开发。系统根据需求设计自动检查功能，主要实现的功能有：同一层级内的界线和驻地在数量、名称、代码的逻辑一致性检查；普查边界不压盖、无缝隙等拓扑检查；统计不同层级下的普查区个数。

4）权限设置开发。系统实现了不同层级拥有不同的权限，上一级对下一级数据有修改、管理的权限。

管理员权限：可修改所有数据，由系统维护人员掌握。

区县层级权限：可修改镇（街、乡）界、政府驻地矢量和属性信息，由区县统计局人员使用。

镇（街、乡）层级权限：可修改社区（村）界、政府驻地矢量和属性信息，由镇（街、乡）人员使用。

社区（村）层级权限：可修改普查小区界矢量和属性信息，由社区（村）人员使用。

5）用户监控开发。本系统对用户登录、矢量数据修改、属性修改以及退出等操作全程监控，如果有需要可根据用户需求以及日志情况进行恢复。此功能也可实现对服务器动态分配与添加等操作，以满足性能需求。

在服务器架设方面，为了满足低成本、高性能、临时性的需求，本系统采用短期租用“阿里云”虚拟服务主机模式，在并发用户数多、服务器压力过大的情况下，可以根据用户数量，增加虚拟主机的数量和资源配置，并对用户连接进行分流，以保障服务能力和服务效率。

2.2 数据库设计[6]

2.2.1 数据构成

系统数据构成主要包含现有区县、镇（街、乡）、社区（村）界与行政驻地矢量数据，以及重庆市1︰ 2 000的影像底图和线划地形图。

先对现有边界数据内容进行分层分类，建立空间数据集，初始化边界矢量数据。将现有镇（街、乡）界、社区（村）界和驻地作为初始化图层，在数据层级方面是以6位代码、区县身份对镇（街、乡）界以及驻地进行相应的修改。以9位代码、镇（街、乡）身份对社区（村）界以及驻地进行修改。以12位代码、社区（村）身份对普查小区进行划定与修改，如图2所示。

图2 第三次经济普查编码

本系统底图包括影像底图和线划地形图，通过调用天地图·重庆底图服务以确保底图数据的权威性与稳定性。用户可以根据底图获取相对位置以确保切割与合并面要素时的准确性与完整性。

2.2.2 系统空间数据及属性数据存储[7]

通过对现有基础数据进行预处理后将空间数据和属性数据导入到Oracle数据，建立初始化矢量数据，然后进行存储。针对空间数据与属性数据的存储主要有以下3种方案：数据库混合结构模型；数据库扩展结构模型；数据库统一数据模型。

本系统采用数据库扩展模型统一存储空间数据与属性数据，这种模式只是在标准的数据库上添加1个空间数据管理层。相对于其他2种模式优点在于省去了空间数据与属性数据之间的连接关系，提高了空间数据存取速度，保证了空间数据与属性数据的完整性和关联性。结构如图3所示。

图3 数据库扩展结构图

本系统数据库采用的是ESRI ArcSDE空间数据库引擎 + Oracle的空间数据库技术，通过Oracle数据库系统存储与管理空间数据，可确保空间数据和属性数据的统一管理与统一修改更新。

2.3 系统开发与部署

本系统必须满足单一Web站点配合多地图编辑服务站点配置的分布式配置，这样设计优点在于可以减少单个地图点击服务器的压力以提高地图操作时的响应速度。

在系统软硬件运行环境方面，第一，在满足多用户在线的情况下，最短时间响应用户操作需求；第二，在服务器响应不够情况下，能添加服务器以及添加其他配套设备；第三，能快速处理用户编辑数据以及大用户量并发操作；第四，在稳定性方面具备7×23 h无故障高效运行（其中每天00：00～01：00服务器停机，做数据备份、缓存清理、部分服务器重启等操作）。因此，系统硬件设计应具备高可靠性、高可用性、数据保密、数据保护、可维护性、可扩充性等性能；在软件方面应支撑Windows环境和集群能力。

本系统采用政务网瓦片地图服务器与地图编辑服务器结合方式，形成一个完善的服务器集群，可提高服务能力，解决单一服务压力的问题。可以对在线用户数以及每个服务器在线人数进行实时监控，并动态分配和添加服务器以满足需求。地图编辑服务器主要采用本地服务器与租用“阿里云”服务结合，提供快速的响应速度和良好的用户体验。图4为系统总体部署结构图。

图4 系统总体部署结构图

3 应用效果

该系统应用于重庆市第三次经济普查区划分工作中，在短时间内按时保质保量地完成了重庆市经济普查小区的划分工作，验证了系统的可行性和稳定性。该系统可保障全市最大257人在线，最多152人同时操作，平均9 s的系统响应时间进行划分工作，完成了重庆市38个区县界、1 017个镇（街、乡）界、11 014个社区（村）界、15 371个普查小区界线划分工作，为第三次全国经济普查工作顺利开展奠定了基础。系统操作界面如图5、图6所示。