城市基础地理空间勘测数据共享平台设计

王晓明

(山东省地质测绘院, 山东 济南 250000)

0 引言

城市基础地理空间勘测数据共享平台是数据信息化的产物,能够简化城市基础地理空间勘测的流程,提升勘测效率。城市基础地理空间勘测数据共享平台的研究背景为：由于城市基础地理空间勘测需要多个单位与部门协同开展,导致各单位与部门的数据无法进行及时、有效地共享,系统与数据的重复构建情况也较为普遍,导致严重的资源浪费[1]。并且,各城市基础地理空间勘测数据系统的构建标准也有所不同,导致各系统之间往往无法实现数据的共享与交互,数据模型与数据来源的差异对数字城市的构建造成了严重的阻碍。因此,必须构建城市基础地理空间勘测数据共享平台,以实现城市基础地理空间勘测数据的实时共享。国内外对于城市基础地理空间勘测数据共享平台的开发与研究都非常重视[2]。美国于1994年首次提出空间国家数据基础设施的概念,国外于20世纪60年代开始正式开发与城市基础地理空间勘测数据相关的数据共享系统。美国有研究者设计了一种基于数字高程模型的城市基础地理空间勘测数据共享平台。在该平台上,公众能够下载、浏览、查询地理、地质、商业、生物、大气、农业等城市基础地理空间勘测数据[3]。国内的相关开发与研究工作则相对起步较晚,文献[2]中提出一种二三维一体化的城市基础地理空间勘测数据共享平台,能够实现二三维数据的共享。由于以上两种平台在进行城市基础地理空间勘测数据共享时,受到元数据数量过大的影响而无法对元数据进行管理,请求次数在160次范围内数据服务响应时间较长,因此需要设计一种新的城市基础地理空间勘测数据共享平台。

1 设计城市基础地理空间勘测数据共享平台

为实现各城市基础地理空间勘测数据系统间数据的实时共享与交互使用,改善系统与数据的重复构建情况,设计了城市基础地理空间勘测数据共享平台，其架构图如图1所示。

图1 城市基础地理空间勘测数据共享平台架构图

由图1可知,该平台共由八个模块构成,包括服务器模块、数据管理模块、数据处理模块、网络服务模块、地图操作模块、元数据管理模块、数据共享模块、用户需求描述模块。

1.1 设计服务器模块

服务器模块由数据库服务器和应用服务器与客户机设备构成,其中数据库服务器的具体配置如图2所示[4]。

图2 服务器模块网络部署图

其中,选取配置为硬盘360 G、双千兆网卡、SCSI Ultra型号磁盘内部驱动器的数据库服务器和应用服务器,百兆以太网自适应网卡、显示器分辨率为1024×1280的客户机设备。

硬件平台由网络、服务器和存储设备等构成。地理信息资源共享平台的网络环境,其主干为千兆光纤网。硬件平台建设的重点是在城市基础地理信息中心的核心节点配置数据库服务器和应用服务器等,提供数据的存储和应用服务,并通过网络与其他各部门专业系统建立联系。硬件平台由区级层面统一建设,各部门专业系统的硬件设备由各部门自行配置。为了充分利用已有的信息资源,设计的GIS软件具备良好的开放性,包括除支持多种硬件平台、操作系统、数据库以外,还能够将已有的各种格式的数据转换为目前可用的数据类型,并支持多种数据格式的相互转换。

1.2 设计数据管理模块

基础地理空间勘测数据管理模块主要通过ArcSDE空间数据引擎来实现基础地理空间勘测数据管理的功能[5-6]。该空间数据引擎的具体结构如图3所示。

图3 空间数据引擎的具体结构

其中客户端是一种应用程序,分为间接和直接类型的客户端。客户应用是一种程序设计接口,能够对客户端请求进行处理。应用服务器负责执行搜索空间与提取数据等工作,将与搜索条件相符的数据在服务器端缓冲,并向客户应用发送缓冲数据[7]。在该空间数据引擎中,ArcSDE充当了服务器端与客户端的中间件角色,能够实现空间勘测数据管理的相关技术,使各个客户端进行高效互操作与数据共享。除此之外,该空间数据引擎还提供了一种对空间数据库进行直接访问的连接机制,即使不直接安装应用服务器,也能通过客户端接口对空间请求进行转换,并将其转换为SQL命令向RDBMS发送然后反馈结果[8]。在该空间数据引擎中,还能够利用TCP/IP对所有异构网络与同构网络进行横跨,并通过API进行检索与查询函数的存取与开放,以及进行版本管理与长事务处理。

1.3 设计数据处理模块

基础地理空间勘测数据处理模块由三个单元组成,包括压缩数据单元、快速检索数据单元以及数据备份单元[9]。基础地理空间勘测数据处理模块中各单元的具体功能如表1所示。

表1 数据处理模块各单元的具体功能

上述表格中,所采用的实现技术具体解释如下:MrSID技术:MrSID(Multi-resolution Seamless Image Da-tabase)多分辨率无缝数据库是由美国Los Alamos国家实验室发明的新一代图像压缩、解压、存储和提取技术;ECW压缩技术作为一种基于小波的图像压缩开放标准,提供了较先进的大型/超大型图像压缩技术;DWT技术即离散小波变换技术,对基本小波的尺度和平移进行离散化;FTP技术即网络上广泛应用的文件传输技术;GF技术即数据的备份、管理技术。

1.4 设计网络服务模块

网络服务模块主要是通过网络服务模型来实现平台的网络服务功能,通过数据格式与网络协议进行通信[10]。网络服务模型是一种基于分布式网络的模块化组件,能够在网络中被调用、查找、发布以及描述。该模型的结构为面向服务式结构,包含了三种实体:服务代理、请求服务者以及提供服务者,以及三种基本操作,包括捆绑、查找以及发布。网络服务模型的具体构成如图4所示。

图4 网络服务模型的具体构成

在网络服务模型中,提供服务者需要注册成服务代理者以发布和配置服务,请求服务者则需要对服务代理者处发布的登记记录进行查找以找到服务,然后绑定提供服务者以使用可用服务。

网络服务模块所提供的网络服务具备通信的跨防火墙特点以及互操作性、普遍性和优良的封装性。

1.5 设计地图操作模块

地图操作模块的功能是平台用户通过该模块能够对地图进行一系列操作。地图操作模块由五个单元构成,包括搜索单元、功能列表单元、地图单元、功能操作单元、工具单元以及页脚单元[11]。各单元的具体功能如表2所示。

表2 地图操作模块各单元的具体功能

1.6 设计元数据管理模块

在地理空间信息中元数据是用于描述地理数据的内容、质量、表示方法、空间参照系及其他特征的,包括参考坐标系、航空摄影的对应航线号、各种符号、生产者、精度、比例尺、数据源、图名等,元数据管理模块的功能是对以上元数据进行管理[12]。该模块共由三个单元构成,包括元数据添加单元、元数据更新单元以及元数据浏览单元。

元数据添加单元的具体功能是在平台中的空间数据增加时,需要通过该单元在元数据库中添加其对应的元数据。通过该单元还可以对元数据的基本属性进行读取。

元数据更新单元主要是对元数据库中的元数据字段进行更新,包括元数据的更新日期与大小等,并保存其历史信息。

元数据浏览单元主要通过调动元数据来实现浏览元数据的功能。

1.7 设计数据共享模块

数据共享模块能够实现城市基础地理空间勘测数据的共享,共提供两种数据共享服务,包括离线共享服务与在线共享服务[13]。数据共享模块能够对共享数据进行分类以实现数据的分类共享,其具体分类如表3所示。

表3 共享数据具体分类

在线共享服务通过对外发布数据实现数据共享,其发布方式为在线发布,共包括三种方式:元数据发布、数据部分发布以及数据完全发布。数据共享模块的主要功能具体如表4所示。

表4 数据共享模块的主要功能

离线共享服务则不通过互联网对数据进行发布,而是利用互联网对数据目录或元数据进行发布,而用户可以通过传真、电邮、电话、信件等方式向建库单位或数据中心提出自身的数据服务请求,由建库单位或数据中心以纸质材料、磁盘、光盘等媒体形式对该用户实施数据分发,实现数据共享[14]。

1.8 设计用户需求描述模块

用户需求描述模块主要通过OWLS本体Web服务语言对用户需求进行定义与描述。对用户的城市基础地理空间勘测数据共享需求进行分解,将其分解为反映用户需求的多个请求[15]。将Ui设为用户的城市基础地理空间勘测数据共享需求集合,则该集合可以用下式来表达:

Ui=(Fi,Qi,Ci,…)

(1)

式中，Fi为用户的城市基础地理空间勘测数据功能特征请求;Qi为用户的城市基础地理空间勘测数据质量特征请求;Ci为用户的城市基础地理空间勘测数据成本特征请求。

城市基础地理空间勘测数据共享资源可以用下式来描述:

PSi=(Ni,Di,Ai,Ii,Oi,Ti)

(2)

式中，PSi为城市基础地理空间勘测数据共享资源;Ni为城市基础地理空间勘测数据共享服务名称;Di为共享服务描述;Ai为共享服务地址;Ii为共享服务参数输入集合;Oi为共享服务实际输出结果;Ti为共享服务特征要素集合。

2 平台测试

2.1 设计共享数据实验

利用设计的城市基础地理空间勘测数据共享平台进行某城市基础地理空间勘测数据的共享实验。实验中的共享数据共包括两种:栅格数据与矢量数据。根据数据应用种类可以将其划分为基础地理数据、公众地理数据。其中基础地理数据的信息分层如表5所示。公众地理数据的具体内容如表6所示。

表5 基础地理数据的信息分层

表6 公众地理数据的具体内容

将以上城市基础地理空间勘测数据录入城市基础地理空间勘测数据共享平台中,并对其进行共享。在共享过程中获取该平台请求次数在160次以内的数据服务响应时间数据作为实验数据。数据服务响应时间的计算公式如下:

T=W-K

(3)

式中,T为数据服务响应时间;W为终端获取时间;K为整体响应时间。

为了避免本次实验结果过于单一,缺乏对比性,将原有的城市基础地理空间勘测数据共享平台作为对比实验平台,包括基于数字高程模型的数据共享平台以及文献[2]中提出的数据共享平台。同样通过这两种数据共享平台对以上城市基础地理空间勘测数据进行共享,并获取这两种平台请求次数在160次以内的数据服务响应时间数据作为对比实验数据。对比几种实验平台的实验数据与对比实验数据。

2.2 结果分析

在请求次数为0～80次时,设计的城市基础地理空间勘测数据共享平台与基于数字高程模型的数据共享平台、文献[2]中提出的数据共享平台的数据服务响应时间对比实验结果如图5所示。

图5 请求次数为0～80次时的对比实验结果

图5显示,在请求次数为0～80次时,设计的城市基础地理空间勘测数据共享平台的数据服务响应时间比基于数字高程模型的数据共享平台、文献[2]中提出的数据共享平台的数据服务响应时间较短,并且其终端获取时间与整体响应时间也都较短。

在请求次数为81～160次时,设计的城市基础地理空间勘测数据共享平台的数据服务响应时间同样比其他两种原有数据共享平台的数据服务响应时间较短,并且其终端获取时间与整体响应时间也都较短。

3 结束语

城市基础地理空间勘测数据共享平台实现了请求次数在一定范围内的数据服务响应时间的缩短,方便了城市基础地理空间数据共享服务。