地理国情监测数据规范化设计研究*

陈文彬

(95956部队，陕西 西安 710061)

地理国情监测数据规范化设计研究*

陈文彬

(95956部队，陕西 西安 710061)

文章对地理国情监测的内容、方法、特点进行分析，探讨要素的分类体系。通过对监测数据的提取和处理方法的研究，提出了数据标准化设计的方案，并基于UML构建了地理国情监测数据库。

地理国情监测；数据规范化；要素分类

0 引言

地理国情监测是以地球表面自然物体、生物体和人文现象的空间分布规律、相互关系及其特征为研究内容的一项国家基本情况调查评估活动。主要意义是从地理空间的角度客观综合的展现国情国力[1-2]。地理国情监测关键是对历史测绘成果档案数据、现势数据的整理、采集、分析，目的是形成反映各类资源、环境、生态、经济要素空间分布及其发展变化规律的监测数据、图件和研究报告，为决策提供支撑，同时为地理空间数据的共享和交换提供技术保证[3]。

中国的地理国情监测工作开始于2012年，与美国、欧洲、日本等国家相比，起步较晚，由于中国特殊的地理空间分布和广阔的国土面积，使得地理国情监测工作的难度更大[4]。同时，由于缺乏统一的、有效的监测数据的规范化体系支撑，进一步加大了监测结果分析和呈现的难度[6]。因此，地理国情监测工作的首要任务是根据监测的范围、内容、指标、分类体系等建立数据标准和目录体系，强化数据的组织形式和呈现方式，采用规范化的数据管理体系，使地理空间信息和地理国情监测数据的管理、存储、检索更加便捷、高效、快速，为监测数据的应用提供支撑。

为此，本文对地理国情监测的内容、方法、特点进行分析，探讨要素的分类体系。通过对监测数据的提取和处理方法的研究，提出数据标准化设计与实现的方案，并基于UML构建了地理国情监测数据库，以促进监测数据的分发、共享和应用，引领与推进地理国情监测工作。

1 地理国情概述

1.1 地理国情的概念

地理国情是指地表自然和人文地理要素的空间分布、特征及其相互关系，是基本国情的重要组成部分。是从地理的角度分析、研究和描述国情，是空间化、可视化的国情信息。地理国情信息的基本内容包括地球表层自然、生物和人文现象的空间变化，以及三者之间的相互关系和相互特征，充分调查、分析和描述国家自然物质的组成基础以及各种条件和因素，使其内容具有宏观性、整体性、综合性等特点[7]。

1.2 地理国情数据特征

1.2.1 数据源多样

地理国情数据包括各种来源的遥感影像、基础测绘资料、数字高程模型、各级控制点资料、行业专题资料、统计年鉴、专业档案等。

1.2.2 数据海量性

地理国情监测数据不仅包括基础地理信息数据还包括专题数据。基础地理信息数据根据不同的尺度构成上TB的数据内容；专题数据内容涉及各行各业，范围广泛，获取方式多样。目前我国已建成的基础地理空间数据库有1∶1 000 000，1∶250 000，1∶50 000等，部分省建成1∶10 000基础地理空间数据库，地理国情普查数据依托于各级各类基础地理信息数据进行采集和整合处理。

1.2.3 时序性强

地理国情动态监测数据具有时序性的特点，按照自然现象或人文现象的活动周期或发展规律制定地理国情监测周期，使影像数据获取周期x最大限度满足对象周期T(nx)函数，由于现有的数据获取手段采用集天地空一体化的方式，可以满足地理国情监测时序性需求，从而达到监测的目的。时序性特点贯穿于地理国情监测的每一个数据要素，有效处理时序性问题才能体现地理国情监测特点[8]。

2 地理国情监测信息分类体系分析

2.1 地理国情监测内容和方法

从地理学的角度，地理国情是国家的自然地理和人文地理国情信息的总和。而从测绘学的基本理论和研究方向出发，地理国情监测的主要内容涵盖基础地理国情和专题地理国情两个方面。基础地理国情主要反映的是地球表面真实客观存在自然要素的空间分布关系和基于时间序列的特征及趋势；专题地理国情监测是针对地表专题应用和人为的自然改造工程而开展的专题监测活动[9-10]。

地理国情监测的技术路线是利用陆地分辨率大于1 m遥感影像数据为主数据源，以资源三号卫星等卫星影像数据为辅助数据支撑，通过社会调查和历史数据整理的方式获取多行业的专题属性信息[1]。综合利用全自动和半自动遥感影像自动识别和提取技术、空间数据建模技术、多源数据融合、空间格网技术、空间数据挖掘等技术手段和方法，内外业结合，传统和新型测绘设备并重，开展全国地形地貌、地表覆盖、 重要地理国情要素、专题空间地理信息的普查与建库，通过搭建统一高效的统计分析专用平台，对收集、整理的地理国情信息进行统计分析，实现全国地理国情监测成果的管理、 发布和应用。

2.2 地理国情监测的特点

地理国情监测从空间的维度反映了我国的基本国情，是政府决策的立足点和重要依据，同时，也是对传统的地理空间信息的汇集和整合，在大数据时代可进一步发挥地理空间数据的价值，推动测绘服务领域的拓展和延伸。地理国情监测的特点主要体现在以下几个方面：

1)多样性。无论是从数据源的获取方式、数据的处理方式、资源的应用方式还是从服务的对象、服务的方式等维度上，地理国情监测都存在多样性。

2)体系化。从地理国情监测的范围、参与主体、应用主体以及监测的内容和技术路线上，都要体现为一个完整的体系结构，形成完善的结构。

3)规范性。地理国情监测是一项全国性的综合国情普查工作，必须从顶层加强规划编制和方案设计，同时制定标准规范，强化统一验收和监管，以保证普查工作的整体性。

2.3 地理国情监测要素的分类体系

地理空间信息要素的类型、属性、关系和作用是地理信息分类基本因素，数据的分类必须遵循科学性、系统性、可延续性、兼容性和综合实用性原则。通过对大量分类体系的分析比较，其中基础地理信息要素分类和土地利用与土地覆盖分类与地理国情监测的分类体系较为稳合[2]。按照国家测绘局GB/T 13923-2006《基础地理信息要素分类与代码》的分类标准，基础地理空间信息包括为各类应用提供空间集成的地理定位基准要素和地表形态(地形、地貌)、主要的地物(水系、交通、管线、居民地等)和境界(海陆、政区等)等基础地理要素类型，具体如表1所示。

表1 地理国情监测要素分类Tab.1 The elements classification of geographic national conditions monitoring

3 地理国情监测数据规范化设计

3.1 地理国情监测数据获取与处理关键技术

3.1.1 遥感影像解译技术

对于不同历史时期区域影像，采用人工目视解译的方法，可获取区域动态变化信息，通过对影像进行分类，人工目视解译土地利用和土地覆盖的不同地物类。对于光谱特征和地物的聚类性质明显的遥感影像可通过数据采集、地形模型开发、实地核查与编辑；结构确认、精度评估等流程自动获取地物的空间分布和变化规律信息。同时，半自动化的影像识别分类技术也是较为常用的数据获取方式。

3.1.2 InSAR 技术

InSAR 技术是根据复雷达图像的相位数据来提取地面目标三维空间信息的技术。地理国情监测中采用InSAR技术对大范围区域的地面沉降进行监测，探测厘米至毫米级的地表形变，是进行区域性地表形变灾害监测的重要技术手段。

3.1.3 内外业一体化调查技术

内外业一体化调查和信息统计与分析技术主要用于空间地理信息的属性数据的获取，以及对遥感影像的目视解译，测量信息实地检验以及野外踏勘，可以对遥感影像信息提取的准确度进行核查和检验，同时收集和获取属性信息。

3.2 地理国情监测数据标准化设计

在地理国情监测数据的数据获取技术的支持下，通过规范化的数据分类体系，对数据进行处理、分析、整合，形成标准的地理国情专题应用综合数据库，通过建立标准化的地理国情产品模式，使得成果的应用更加灵活高效。地理国情监测数据规范化设计框架，如图1所示。

图1 地理国情监测数据规范化设计框架Fig.1 Frame of data normalization design of geographic national conditions monitoring

3.2.1 统一的多源数据库建立

由于数据的获取方式不同，地理国情监测对象的表现形式也不同，因此，监测数据的类型也存在差别，影像数据、矢量数据、文本数据、多媒体数据的存在要求制定统一的数据存储标准，以便数据间的关联分析。针对多时态影像数据根据数据量大、冗余度高特点，建立数据的存储和读取机制，形成元数据表，采用瓦片技术和压缩算法，提升数据的读写利用效率；针对文本格式和多媒体格式的专题应用数据，按照文件型数据库和关系型数据库相结合的方式，即提升数据分析能力，同时又保证了数据的完整性和统一性。

3.2.2 建立标准化的地理国情产品模式

统一标准化的数据库和规范的数据分类体系是实现地理国情产业化的前提和基础，同时，标准化的地理国情产品又有力推动了地理国情监测成果效益的最大化。基于统一标准体系的地理国情监测云平台、全国各类生态系统空间分布数据人口调查空间分布数据等标准化的地理国情产品，为城市管理、应急指挥、产业布局、环保监测等行业应用提供了通用的数据和应用产品。

3.3 基于UML的地理国情监测数据库的建设

UML(Unified Modeling Language)是一种应用广泛的面向对象建模方法和工具。通常基于关系型数据库的数据模型建立常使用UML技术。使用UML实现空间数据模型到关系型数据库的平滑转换，既能够降低建模难度，又能够保证数据库设计的质量和效率，使地理国情监测开发设计具有规模化、统一化的标准。

应用 UML 建模语言，通过建模工程创建多个图表，建立图表间的关系。主要流程是UML 数据模型→数据逻辑模型→数据物理模型→数据库描述语言→关系型数据库。同时，为保证数据库的高效稳定性，本文提出采用统一建模语言实现数据管理平台设计与实现。通过收集和分析用户需求信息，采用设计用例图、活动图、以及层图等实现平台的概念设计；然后从应用结构中提取系统对象结构及其关系、流程，完成类图、顺序图等逻辑关系设计；最后将逻辑设计结果转换为数据库设计方案，并通过组件图显示不同的类、接口、页面以及可执行文件等打包成可调用的组件，实现平台的物理设计。平台设计完成后，可自动对多源空间数据进行统一的编码管理、空间坐标关系管理，并根据模型规则，建立统一的空间基础数据库平台，同时通过监测平台的 UML 数据管理，实现数据的业务流管理自动化能力。

3.3.1 数据库监测平台总体架构

地理国情监测数据库平台是面向政府、行业和社会公众提供地理国情监测的复杂应用系统，其整体架构设计的好坏不仅影响到平台建设的速度和成本，而且影响到平台服务的运行、应用和管理。根据平台的建设目标、软硬件环境、资源获取实际状况及未来发展趋势，参考国内外相关研究成果，整个监测平台基于UML架构体系，通过集成使用网络、数据库、集群、服务、RIA等多种信息技术，采用集中与分散相结合、支持横纵监测信息共享服务和松耦合高内聚的设计思想，融网络设施层、软硬件平台层、数据集成层、系统支撑层、服务层、认证层、用户层等多层结构为一体，按照长、中、短周期和大、中、小不同尺度及省、市、县或区域等不同范围进行设计构建，在标准规范支持及探索下，有效整合、集成各类基础测绘成果、监测专题及变化信息，构建集快速获取、数据库构建、统计分析、成果发布及长效运行等为一体的陕西省地理国(省)情信息监测平台，定期或不定期进行监测信息的服务发布，为政府的宏观决策、政策制定提供客观依据，也为相关部门的专业监测及应用推广提供有力的服务和基础保障。图2为地理国情监测数据库平台的总体架构。

图2 地理国情监测数据库平台总体架构图Fig.2 The main framwork of geographic national conditions monitoring database platform

3.3.2 海量数据建库流程

海量数据信息存储是地理国情监测数据库平台构建的核心环节。基于UML数据库格式，按“建库试验→完善方案→试建库→重新完善方案→规模建库”的流程进行海量数据入库。其中，基础测绘成果、监测专题、变化专题等矢量数据，根据数据类型、尺度、时间、图层等类型通过程序实现数据自动入库；航空像片、遥感影像、数字高程模型等栅格数据则根据数据类型、尺度、时相等类型通过栅格目录实现数据自动入库；社会经济、人口等相关属性信息则通过手工或导入方式直接入库存储管理。另外，为提高系统访问效率和检索速度，根据数据情况及数据活动性能对矢量、栅格数据分类、分级别构建空间索引，其中栅格数据通过构建多级金字塔结构，牺牲数据存贮空间以提高系统响应速度；矢量数据采用格网索引方式并通过试验确定合适的格网级数和单元大小以提高系统响应速度。海量数据建库流程，如图3所示。

图3 海量数据建库流程Fig.3 The eastiblishing process of database for mass data

4 结论

本文对地理国情监测的内容、方法、特点进行分析，探讨要素的分类体系。通过对监测数据的提取和处理方法的研究，提出数据标准化设计与实现的方案，并通过UML统一建模语言构建地理国情监测数据库，这对促进地理国情监测数据的分发、共享和应用，引领与推进地理国情监测工作，实现标准化具有重要意义，同时也为我国地理国情监测事业的发展提供重要的信息基础。

[1] 张继贤，刘纪平.关于地理国情监测的若干思考[J].中国测绘学报，2011(12)：33-37.

[2] 邓晓光，吴华意，李德仁.基于特征的基础地理信息分类编码方法研究[J].测绘通报，2011(4)：56-57.

[3] 刘若梅，陈新湖.测绘部门开展地理国情监测工作的定位思考[J].中国测绘报，2011(3)：67-68.

[4] 张雪英，张春菊，闾国年.地理命名实体分类体系的设计与应用分析[J].地球信息科学学报，2010(2)：62-65.

[5] 马胜男，魏宏，刘碧松.地理信息标准研制的国内外进展及思考[J].武汉大学学报：信息科学版，2012(9)：73-78.

[6] 邓晓光，吴华意，李德仁，章汉武.基于特征的基础地理信息分类编码方法研究[J].测绘通报，2012(4)：28-33.

[7] 李辉，吴功和.流域基础地理信息分类编码研究与实施[J].地理信息世界，2011(5)：101-107.

[8] 刘芳，王玲.基于动态规划思想求解关键路径的算法[J].计算机学报，2012(6)：67-73.

[9] 郭黎，崔铁军，王豪，郭健.基于面状要素拓扑关系的数据匹配技术研究[J].测绘科学，2010(1)：38-43.

[10] 刘荣，周宏军，田为春.两种空间索引结构在供水信息系统中的应用和对比[J].东华理工大学学报：自然科学版，2008(4)：82-87.

Normalization Design of Geographic National Conditions Monitoring Data

CHEN Wen-bin

(95956Troops，Xi’anShanxi710061，China)

By analyzing the contents,methods and characteristics of geographic national conditions monitoring,this article discusses its element classification systems.Through research on the method of processing and extraction of the monitoring data,a scheme about the data normalization design is proposed.And based on this,the geographic national conditions monitoring database with UML is established.

geographic national conditions monitoring;data normalization;element classifications

2015-08-14

P 208

B

1007-9394(2015)04-0043-04

陈文彬(1968～)，男，陕西咸阳人，本科，工程师，研究方向：地理信息系统技术的应用与研究。