地理信息服务系统软件架构设计

王 颖，李 涛

（中国电子科技集团公司第二十八研究所，南京 210007）

地理信息服务系统软件架构设计

王 颖，李 涛

（中国电子科技集团公司第二十八研究所，南京 210007）

从目前我国指挥控制系统中地理信息使用存在的问题出发，结合指挥信息系统的实际工作需要和现代战争作战趋势与发展方向，应用服务化与网络化系统技术理念，提出了基于SOA的地理信息服务的软件架构，使部队现有的应用系统之间的地理信息协同与共享，为部队作战任务和决策提供地理信息的有力支撑，并给出了具体的软件模块设计。

指挥控制系统，地理信息，服务系统，软件架构

0 引言

伴随着互联网、网格和服务计算等一系列信息和网络技术为核心的新技术革命，以信息技术、精确制导技术等为核心，以大量高新技术武器使用为标志的新军事技术革命，使战争模式发生了深刻变化，不仅战场空间日益扩大，交战方式也呈现多样性。在现代信息化战争的背景下，谁拥有信息，谁就掌握战场的主动权。实时、高精度的地理信息获取、分析及应用能力已经成为现代军队作战能力的重要衡量指标。

随着卫星测绘、航空侦察手段的不断提升，作战范围日益扩大，战场要素越加复杂，日益先进的测绘手段提供了大量精确度高、信息含量大的海量测绘数据，如地球影像、地形高程、水文、道路以及各种地面军用民用设施等。同时我军现有的指挥系统在地理信息获取、处理、分发等工作方面积累了一大批成果，并形成了海量的军事和地理数据与信息。

1 我国地理信息服务现状与设计思路

目前，在各类指控系统中，地理信息数据的保障和管理主要采用各级用户独立建设和维护的“烟囱”模式，主要表现在地理数据由各级用户系统独立建设、维护和保障。但不同时期、不同用户在地理信息数据的受领、处理和管理上，如使用“烟囱”式的构建模式，在保障维护体制和规范方面缺少一致性，形成多个“数据孤岛”［1］。同时在系统的建设和运维过程中，主要依靠人工使用存储介质来进行地理数据的导入导出，各级指挥机构之间缺少地理信息的共享能力。地理空间的计算、分析和应用的基础支撑能力，主要通过本地席位的二/三维软件来提供，由于受限于本地数据存储能力、本地硬件计算能力等因素，缺少面向大区域、基于海量地形数据的分析计算能力，使得作战应用中对地理空间的计算分析功能受到限制，不能适应现代战争面向网络化、大规模作战趋势的发展需要。

由此，有必要针对现有的地理信息数据建立一系列数据组织规范和数据应用目录体系，开发相应的数据管理系统，提升地理信息数据的规范化组织管理和应用能力，实现数据的共享与服务，将海量军事地理数据和战场信息整合起来，建立常态化保障和应急保障机制，有效支撑指挥所等用户系统的作战应用，使用户具备掌握全面战场情况的能力，把过去由各个独立部门分别提供保障的军事战场测绘地图信息、军事目标影像判读信息和战场地理空间环境描述信息，凝聚为可以相互沟通、互为支援的综合情报信息，并与先进的导航和目标定位系统结合，为部队机动、精确作战及实施精确打击提供可靠保障，在未来战场下形成各种武器装备的一体化打击能力［2］。

2 基于SOA的地理信息服务系统体系结构

面向服务的体系结构（Service Oriented Architecture，SOA）是一个组件模型，它将应用程序的不同功能单元（称为服务）通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。所有的服务都是独立的，它们就像“黑匣子”一样运行，外部组件既不知道也不关心它们如何执行它们的功能，而仅仅关心它们是否返回期望的结果。在面向服务的体系结构下，所有的信息和能力都以服务的方式提供，面向服务的架构不仅是一种技术上的改变，而且是组织模式和任务执行方式上的改变。图1描绘了SOA体系结构下的生产者与消费者之间的交互关系。图的左边，生产者在网络上创建服务，该服务可以是一个原始地理数据源，也可以是对原始地理数据加工处理、对消费者有益的增值服务；图的右边，消费者既可以消费（使用）服务，也可以向生产者提供服务质量的反馈。消费者可以是指挥所中的终端用户，具有直接访问各种地理数据源或增值服务的能力。增值服务既是消费者又是生产者，作为消费者调用原始数据服务获取原始数据，作为生产者对原始数据作增值处理并以服务的方式提供。生产者和消费者服务模型利用公共基础服务实现消费者和生产者之间有效的交互［3］。

图1 生产者和消费者服务模型

地理信息服务系统设计基于面向服务的思路，参考生产者和消费者模型，采用分布式架构，依托军事信息基础设施，建设全国地理信息服务数据中心和若干个指挥所用户系统，面向全军形成规范、多层次、可靠、高效、网络化的地理信息数据保障和服务体系，其可以简单描述为按照自身日常任务或各指挥机构提出的影像数据申请，制定数据获取、处理计划，在计划时间内完成影像数据的获取、处理，并按照约定数据格式封包，将数据包发送给提出申请的指挥所。地理信息服务系统体系结构如图2所示。

图2 基于SOA的地理信息服务体系结构

地理信息服务系统所有服务接口都采用中立的接口协议，基于这个体系结构，可以实现各个子系统之间功能松耦合，保证系统的灵活性和扩展性，子系统可以采用不同的开发语言和平台进行开发，且子系统的升级和接入都不会影响整个体系的运行。

地理信息服务系统由地理信息服务数据中心和若干个指挥所用户系统组成，地理信息服务中心系统部署于虚拟服务器环境下，由数据库集群、核心服务集群、管理软件组成，中心服务器由多个虚拟服务器组成，每台服务器中的数据库系统通过O-racle RAC相连，组成数据库集权，提高数据库的并发访问和数据容灾保护能力。在数据库集群之上，部署数据共享核心服务，包括数据发布服务、目录服务、同步服务、订阅服务、推送服务、分析计算服务等。这些服务通过WebLogic软件，交叉部署在不同的实体服务器和虚拟服务器中，组成核心服务集群，提高了核心服务的并发访问率和服务容灾保护能力。管理软件提供对中心服务系统的管理，包括数据接收入库、数据审核、服务管理、权限管理、数据备份、服务部署等。

用户系统是部署在指挥所内，向指挥所各席位中的指挥系统提供数据服务的一个末端地理信息服务节点。用户系统通过网络在线调用地理信息服务系统提供的数据服务，并从地理信息服务中心系统获取该指挥所区域的地理信息数据，提供指挥所层级的数据服务能力，能够将指挥系统需要的地理数据推送到席位，也支持在线调用的方式访问地理信息数据。用户系统也能主动将数据推送到席位应用系统的缓存中［4］。

3 地理信息服务系统软件架构设计

地理信息服务系统软件架构主要由两部分组成——地理信息数据获取和地理信息数据服务。如图3所示。

图3 地理信息服务系统软件架构

地理信息数据获取确定了地理信息服务体系内的数据来源，主要具有海量数据获取、高速数据处理、数据任务单接收和数据传输等功能。获取过程将对数据按任务单进行获取下载并进行数据处理，形成成果数据，为地理信息数据服务系统提供数据支撑［5］。

地理信息数据服务是地理信息服务体系的核心，为整个体系提供了在线的地理信息服务，完成覆盖军事信息基础设施下的各级节点应用需要。主要提供数据输入与更新、数据管理、服务发布与运维管理、服务状态监控、服务中心数据同步、资源目录发布、数据与服务订阅审批、数据推送和服务应用授权等功能。

根据地理信息服务体系的软件体系架构，对体系内的功能按模块进行组织、设计，建立8个子模块：

3.1 任务单接收与管理模块

数据任务单接收与管理主要实现接收地理信息服务系统中心审批后的数据任务单，并对任务单进行浏览、统计、打印输出等管理。

3.2 数据获取与管理模块

数据获取模块分别运行在各数据采集服务器上，通过ADSL互联网宽带与谷歌数据源通信，并不断获取数据。同时，该模块通过局域网与数据获取管理功能通信，并不断接收数据、获取任务。系统可实时自动甄别地理数据的更新，并检测数据更新的具体区域；利用嵌入式数据库引擎，将采集的数据直接进行入库处理；数据获取管理软件能够汇总各采集服务器获取的数据，并集中拷贝到硬盘或磁盘阵列，传送到数据处理中心数据库；数据获取管理软件可以通过网络统一进行数据获取软件的升级和更新。

3.3 数据处理模块

数据处理模块主要实现对批量采集的地理数据进行切分、质量检查和数据融合等操作，自动加载数据任务申请单中的地理区域，生成数据处理任务；每台数据处理服务器在内存中完成原始数据读入、处理临时数据的读写、数据金字塔的建立和数据入库等步骤；汇总各处理服务器的成果数据，并集中拷贝到硬盘或磁盘阵列。

3.4 空间数据管理模块

空间数据管理模块围绕地理信息数据提供相关管理能力，主要负责地理信息数据的接收、输入、查询、导出、浏览、备份与恢复，接收从地理信息保障中心通过专网传输的原始数据和成果数据，网络传输软件为其提供数据传输服务；对接收完成后的数据进行输入，存储至数据库中对数据进行管理；提供影像、矢量、高程和瓦片数据的浏览能力，支持放大、缩小、漫游等基本浏览功能；支持对矢量、影像和高程在数据浏览的基础上进行查询；提供地理信息数据的备份方案与恢复机制等功能。

3.5 数据共享服务模块

数据共享服务模块采用J2EE体系框架，支持多种服务中间件和数据访问接口。包括影像瓦片服务、矢量要素服务、矢量瓦片服务、地形瓦片服务、三维模型服务、空间分析服务（在服务端提供矢量数据的空间分析与空间计算能力，包括：空间查询、缓冲分析、叠置分析等）和三维地形分析服务（在服务端提供高程模型的计算能力，包括航线分析、通视分析、坡度坡向分析、制高点查询、填挖方分析等），提供全方位在线的数据共享服务。

3.6 服务运维管理模块

服务运维管理模块使用成熟稳定的Oracle WebLogic服务中间件，支持软硬件集群的负载均衡和扩展，通过浏览器访问服务管理页面完成对服务节点的创建、配置和监控。服务运维管理模块包括用户管理、服务授权、服务管理、服务监控和日志管理。

3.7 数据目录服务中心模块

数据目录服务中心模块能够以图文结合的形式查询不同区域、不同精度、不同时间的数据信息和状态；能够对检索的数据和服务信息申请订阅，通过审批后，实现数据的推送和接收；能够在数据中心间进行数据同步，主要包括目录服务、目录检索、数据订阅、数据授权、数据同步和数据推送等一系列数据目录服务。

3.8 二/三维显示软件

二/三维显示软件是指挥员席位二/三维场景的人机交互显示界面，是应用软件和使用人员交互操作的中间媒体，是应用软件处理结果的二/三维展现。基于地球遥感、航拍影像、数字高程数据，建立的二/三维一体化显示，在三维下支持多视点、多角度、多分辨率的地形地貌显示，形成具备真实感受的三维数字地球；在二/三维下可以动态加载地球遥感、航拍影像，能够叠加显示矢量地图，矢量地图能够根据场景大小分层显示和隐藏；能够根据场景需要，基于模型构建二/三维虚拟场景，更加细致、直观地表现和关注场所的环境。

4 关键技术

4.1 虚拟服务器技术

虚拟服务器也称为VPS主机，相对于真实主机而言，采用特殊的软硬件技术把一台完整的服务器主机分成若干个主机。实际上是将真实的硬盘空间分成若干份，每一台被分割的主机都具有独立的域名和IP地址，但共享真实主机的CPU、RAM、操作系统和应用软件等。运行时由用户远程操作属于自己的那一块，而这一块对任何用户而言，就是一台“完整”的服务器，与真实独立的主机功能完全一样。用户只需对自己的信息进行远程维护，而无需对硬件、操作系统及通信线路进行维护。

4.2 服务中心资源发现与同步

服务中心设计并实现网格环境下的资源目录系统，系统实现了资源查询管理和数据管理两大服务功能，基于资源目录系统，实现多个服务中心之间、中心与指挥所之间的资源订阅、发现与同步。中心在数据更新以后，更新自己的资源目录信息，通过后台的资源目录服务，中心向其他相关的指挥所（订阅了更新范围数据的指挥所）推送数据更新信息，其他指挥所自动处理推送信息，建立数据连接更新数据。

4.3 高速数据处理技术

内存读写一般是硬盘速度的10 000倍，改变以前通过硬盘读取原始数据、存储处理临时数据等步骤，利用高速内存进行编程数据运算。如图4所示，首先原始数据库文件根据处理程序线程依次全部读入内存，而不是在硬盘数据库文件中提取数据条目，处理过程的临时数据也写入内存中，这样就大大减少了数据读取时间和CPU等待临时数据的时间，从而大幅提高数据处理速度［6］。

图4 充分利用内存的高速数据处理示意图

5 结束语

地理信息服务系统的核心内容就是把过去由各个独立部门分别提供保障的军事战场测绘地图信息、军事目标影像判读信息和战场地理空间环境描述信息，凝聚为可以相互沟通、互为支援的综合地理服务信息，推动军队应用系统之间的信息协同与共享，提供部队作战任务和决策的支撑。本文研究和分析了基于SOA服务体系下地理信息服务系统的体系结构和初步模块设计，为部队未来作战提供地理信息的有力支撑。

［1］张惠民，胡海荣.基于SOA数据共享技术在装备保障系统中的应用［J］.四川兵工学报，2013，34（7）：63-64.

［2］于渤，全吉成，吴婧文.地理空间情报在现代军事行动中的作用分析［J］.情报探索，2013（191）：36-37.

［3］蒋炜，崔自峰.网络中心信息服务环境及军事领域发展［J］.指挥信息系统与技术，2011，2（4）：12-13.

［4］王少林，王越，申斌.基于SOA的建筑设备物联网体系架构研究［J］.计算机技术与发展，2014，24（1）：197-198.

［5］郭中宁，谢德晓.面向服务军事信息系统动态集成框架［J］.指挥信息系统与技术，2014，5（4）：16-17.

［6］周松涛.三维环境下栅格数据的动态调度［J］.测绘信息与工程，2006，31（1）：40-41.

Software Architecture Design of Geospatial Information Service System

WANG Ying，LI Tao
（The 28th Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation，Nanjing 210007，China）

From the existing problems of geospatial information application in current command and control system，combined with the practical needs of command information systems and the trends and developing direction of operations in modern warfare，a SOA-based software architecture of geospatial information services is proposed based on the technology concepts of service and network systems，so that the geospatial information among existing application systems in the forces are collaborated and shared，the strong support of geospatial information are provided for the operational tasks and decision-making of the troops，and the specific software module design is given.

command and control system，geospatial information，service system，software architecture

P208

A

1002-0640（2015）07-0110-04

2014-05-08

2014-07-17

王 颖（1968- ），女，江苏南京人，硕士，高级工程师。研究方向：指控人机界面、地理信息系统。