在线地图服务中的地理信息价值提升研究

杨述伟

摘 要：多样化的获取能力、各行业的快速发展促进了地理信息数据的爆发式增长，也对其在线服务应用提出了挑战。目前，在线方式提供的地理信息数据应用主要是通过WMTS提供地图服务、通过WFS提供矢量服务，响应速度和数据量、服务器、网络环境相关性大，而且还存在事先切片费时费力，切片后属性信息缺失而无法支持空间分析和在线编辑两个主要问题，严重制约了地理信息数据价值的共享与应用。因此，如何提升在线地图的价值，发展快速、有效的海量地理信息数据在线服务模式，是最大化挖掘并发挥数据价值的关键。该文围绕海量地理信息数据在线服务的现状及需求，讨论一种无需切片、直接基于数据服务的GIS地图引擎，实现地理信息数据的快速发布、秒级响应、实时配图渲染、前端分析与运算等需求。

关键词：海量数据 在线地图 提升价值 不切片 司南超擎

中图分类号：TP701 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）06（c）-0028-03

在线方式提供的地理信息数据主要是通过WMTS提供地图服务、通过WFS提供矢量服务，响应速度和数据量、服务器、网络环境相关性大，而且地图服务还存在事先切片费时费力，切片后属性信息缺失而无法支持空间分析和在线编辑两个主要问题，严重制约了地理信息数据价值的共享与应用。因此，发展快速、有效的海量地理信息数据在线服务模式，是最大化发挥、挖掘其数据价值的关键途径。

该文主要围绕海量地理信息数据在线服务，针对存在的问题及需求，讨论地理信息数据快速发布、秒级响应、实时配图渲染、前端分析与运算等需求的服务模式，一方面，满足现有海量数据有效组织管理、快速查询检索的需求；另一方面实现地理信息价值的充分挖掘与共享。

1 在线地图服务

在线地图服务整合了网络搜索引擎和地图的优势，使人们摆脱了纸质地图时间和空间上的局限，通过自动搜索、人工查询、在线交流等方式为用户提供方便、快捷、准确的所需地图及出行交通指引服务。丰富的数据类型、复杂的数据结构以及海量数据内容，是影响在线地图服务响应速度的主要因素。地图切片作为解决海量地理数据与有限网络带宽之间矛盾的通用技术，虽然一定程度上满足了人们对地理信息数据浏览、查询和定位的需求，但是因为其提供的是固定化、基础性的数据服务，存在以下局限性。

1.1 数据发布准备工作费时费力

数据发布之前需要先将数据进行配图、切片、入库等工作。由于地理信息的范围广、数据量大，导致前期准备工作费时费力、成本颇高。以笔者所做的实验为例，数据量为6.3 T的影像数据，切片后数据量再增加6 T的切片数据，完成切片一般需要3～4个月的时间，再加上入库3～4周的时间；而且，一旦有区域更新服务时，还需要重新进行整合、配图、切片、入库。

1.2 时效性难以保证

用户客户端请求到的地图信息是预先生成的，考虑到地图服务更新区域大小、聚集程度、重新配图切片等因素的影响，用户查询到的信息不一定就是最新的地理信息。

1.3 前端无法编辑处理、分析计算

同样，由于用户客户端请求到的地图信息是预先生成的切片数据，已而非原始的矢量地图数据，除了空间信息以外，属性信息以及不同图层之间的关系信息已经丢失，无法再根据用户需求进行进一步的编辑处理、分析计算。例如：无法基于地图切片进行特征识别，提取用户感兴趣的农田、水域、城区、道路等，并生成专题图信息，以便进行农业估产、城市规划的应用；无法基于地图切片和其他业务数据叠加分析，服务于商业选址、配货调度到公路网，铁路网、电力网、市政管网等设施的优化管理调度等；无法进行时空数据分析计算，快速发现土地、建筑、气温、环境、水文的變化，从而积极响应并做出预防措施。

1.4 难以支持大数据量的应用

WFS矢量服务虽然一定程度上可以解决切片数据的弊端，支持对地理要素的编辑（插入、删除和更新）、检索和发现服务、支持基于空间几何关系的查询，基于属性域的查询，当然还包括基于空间关系和属性域的共同查询。但是，WFS服务的响应速度受到数据量的限制，难以支持大数据量应用。

1.5 数据安全

在线地图服务一方面需要考虑客户的需求，尽可能提供较高精度的地图数据；另一方面又需要考虑数据保密，做好数据安全维护工作。而如何将这两者兼得，即保证数据的精度，又确保数据安全，是目前在线地图服务难以兼顾的。

2 司南超擎

司南超擎地图将专业GIS和公众地图在体系架构、功能、性能上进行了取长补短的融合，是互联网化的GIS服务，实现互联网+GIS，既能实现专业GIS的功能，又能达到公众地图的性能（海量并发、秒级响应），开启了地信行业地图服务不切片新时代，提升了在线地图服务中海量地理信息数据的价值，通过构建数据服务（DaaS，Data-as-a-Service），来支撑软件服务（SaaS，Software-as-a-Service）。

2.1 技术架构

司南超擎整体技术架构由表现层、服务层和数据库层组成，表现层通过网页和移动端提供查询检索分析统计更新等功能，服务层基于GIS平台建立空间数据索引、发布服务以及生产缓存等，数据库层用来存储司南超擎格式的空间索引文件，具体如图1所示。

2.2 技术特点

司南超擎具有以下几个技术特点。

（1）数据直接发布，无需切片。

不用局限于数据量大小、服务器、网络等基础设施的限制，实现栅格、矢量地理信息数据不切片、直接发布。既节约了切片工作的时间人力，又解决了互联网上海量数据与有限带宽的问题，支持前端数据编辑处理、空间分析与运算，支持在线配图，直接配图，直接浏览。

（2）空间聚类索引。

首先，现有索引是通过矢量数据的外包矩形来构建，司南超擎的索引通过坐标点来构建，不仅能表达矢量数据内部的坐标信息，还能表达由此延伸的矢量数据之间空间关系，解决了现有索引“微观不够微观”的问题。

其次，司南超擎的索引解决了现有技术按照数据集来分别构建索引后，不能动态地将任意多个数据集的索引无缝融合的难题，也就是解决了现有索引“宏观不够宏观”的问题。

最后，目前的索引技术会使响应时间随着数据量的增长呈非线性指数级增长，严重影响数据应用，而司南超擎地图采用的索引技术，使数据响应时间不随原始数据量增长而成比例增长，而是近似趋向于无关，解决了现有索引的数据量大、效率低的问题。

（3）分布式索引技术。

采用分布式索引技术，真正实现数据的分布式存储，保证数据的单独唯一存储。同时，无需对数据进行切片预处理，一份数据即可满足不同显示级别下的应用需求，避免数据的多份重复储存，降低数据的存储空间及成本。

（4）化简压缩技术。

在不扰乱拓扑关系的前提下对原始采样数据进行合理的删减，实现对数据的无损压缩，既保证数据在传输过程中的效率，又保证数据显示绘制的质量。

（5）渐进传输技术。

在显示绘制的过程中，每一次的数据请求，通过增量数据标识，计算增量数据，并实现增量数据的查询、读取、传输和绘制，提高系统性能。

（6）数据加密与安全保护。

由于直接发布的是原始数据，司南超擎在数据传输、内容控制、加密算法等方面保证数据安全，通过传输二进制数据，需要通过司南超擎客户端解析，私有加密算法和加密秘钥，在内容和精度方面控制数据安全。

3 应用案例

目前，司南超擎已成功应用到多个部委级数据资源管理系统，下面分别举出两个有代表性的例子。案例1的应用特点在于海量多元数据的管理、查询及后续应用；案例2的应用特点在于实现前端空间分析与计算。

3.1 应用案例1

（1）数据内容。

案例1中主要包括影像和矢量数据两大类。其中，影像成果数据共涉及到91 919幅TIFF影像，总数据量达150 T。矢量数据共涉及到67个图层，要素数量334 921 309个，总数据量约290 G。如此巨大的数据量，是很难进行管理和调用的。

（2）司南超擎应用示例。

利用司南超擎管理数据，不但极大地提高了计算效率，而且极大地减少了读取、传输的数据量。表1是发布的矢量服务的要素和响应时间（单点式部署下的测试效果），图2是全国矢量数据在1：2 300万比例尺下的展示效果，数据量约290 G。

3.2 应用案例2

（1）数据内容。

案例2的数据包括基础地理信息矢量数据和专题矢量数据，共22个图层，图元数量110 263个，数据量为70 M。

（2）司南超擎应用示例。

案例2系统涉及到各省市多个用户，每个用户提出仅能显示各自管辖范围的数据，例如：北京市的用户只查询北京范围内的长城。如果采用传统切图方式，是不可能实现的，而WFS服务难以支持大数据量应用，司南超擎产品实现直接发布矢量服务，实时绘制。

4 结语

地理信息数据对经济社会发展的意义是不言而喻的，而深入发挥并挖掘其价值的服务模式，是行业内目前的工作重点。司南超擎地图能够快速、直接提供基于原始地图数据的服务（包括多尺度、多类型、多时相的影像和矢量数据），并且不受數据量剧增、硬件及网络环境的限制，除了支持浏览查询、导航定位外，还支持数据分析计算、增量更新、在线专题地图产品配置等，大大提高了地理信息价值的共享与应用，为城市规划、地形图更新、环境保护、智慧城市建设等方面提供数据支持和决策依据，具有非常重要的现实意义。

参考文献

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