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基于WebGIS的空间数据库的建立

2018-02-24 20:08

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徐振宇1,娄径1,马众模1,耿冬木2
(1安徽省农业区划研究所,安徽合肥230001;2安徽省发展计划委员会,安徽合肥230001)

摘要:随着全球环境的进一步恶化,各国政府越来越重视资源环境问题,如何科学地利用自然资源和保护环境是当前面临的重大课题。各级政府部门已经投入大量人力物力完成了各类资源环境工程项目和相关的研究工作,积累了大量的资源环境数据,如何科学有效地利用这些数据资源,是急需解决的现实问题。本文阐述了WebGIS功能特点,并结合安徽省资源环境空间数据库的建设,着重介绍了基于WebGIS的空间数据库的系统设计方法、建立过程和应注意的问题。
关键词:地理信息系统;网络;空间数据库;WebGIS;资源;环境;安徽
1 前言
  自20世纪80年代以来,应政府工作和研究工作需要,安徽省曾开展了多次大规模的资源与环境调查,积累了大量资源环境数据,在当时为省委省政府的决策提供了科学依据,发挥了巨大社会效益。但这些调查因由不同部门组织,数据分散、标准不一、多以纸张为数据载体,信息检索、数据共享难度大,随时间的推移数据保存也成问题。另一方面,随着计算机软硬件及网络技术的发展,建立一个实用的基于网络地理信息系统(WebGIS)的空间数据库系统成为可能。
  基于以上各种因素,安徽省于1998年开始实施"安徽省资源与环境遥感动态信息服务体系研究"项目。本文以该项目中资源环境空间数据库的建立为例,介绍基于WebGIS的资源环境空间数据库的建立方法和思路。
2 WebGIS的特点及思路的引出
  地理信息系统(简称GIS)是在计算机软硬件支持下,采集、存储、管理、检索、分析和描述地理空间数据,适时提供各种空间的和动态的地理信息,用于管理和决策过程的计算机系统[1]。与传统的GIS软件相比,WebGIS在体系结构上有了根本的转变。主要有以下几部分:(Top)
  (1)基于Internet/Intranet环境,采用了TCP/IP通信协议,大大扩展了空间信息共享范围。
  (2)在应用层采用了HTTP协议,客户端只需要有通用的浏览器即可,不需要有特殊的GIS软件,大大增强了GIS的开放性。
  (3)GIS应用的分布性。可以根据网络带宽、计算机性能等一系列资源状况,将GIS应用按照功能分布到不同的节点上,如分布到多台服务器上或是将一部分简单应用分布到客户机上,复杂的应用仍交给服务器执行,这样可以大大提高GIS软件的性能。
  (4)空间数据的分布性。空间数据可以根据其本身具备的空间特征存储在最适宜的位置上,从而大大简化了对空间数据的管理[2]。
  政府是资源环境可持续发展战略的实施主体,资源环境问题始终是政府部门的关注的重点,涉及部门广泛。目前安徽省的政府局域网已经建成,其主干带宽为1000M,这突破了海量数据发布的网络瓶颈问题。政府部门的相关应用主要用于资源环境信息的查询检索、浏览、打印等,并不注重多种空间分析等对系统资源要求较高的功能,这有利于WebGIS的实现,确保了系统的稳定性。同时,对于某些有保密要求的各类数据,在政府局域网内部运行,其安全也是可以控制和可以保障的。一个基于WebGIS的资源环境空间数据库系统的思路由此而来。
3 资源环境空间数据库系统设计
3.1 系统总体结构设计
  系统建立以空间数据的发布为主要目的,同时也兼顾项目建设单位的自身应用和系统的维护。根据应用需求,系统分为数据处理、数据发布、系统维护、内部应用四个子系统。所有这些子系统都面向同一个数据库,即安徽省资源环境空间数据库。其中,数据处理、系统维护和内部应用子系统通过内部办公网与数据库服务器相连,而通过1000M光纤向与安徽省政府局域网上用户发布数据。为了保证数据安全,内部数据库服务器与外部应用服务器之间通过内部网关相连并设有防火墙。其总体结构如图1。
3.2 软件体系结构选择及关键技术
3.2.1 软件体系结构的选择
  基于网络的软件体系结构主要有Client/Server(客户机/服务器)和Browser/Server(浏览器/服务器)两种。Client/Server体系结构,通过将任务合理分配到Client端和Server端,降低了系统的通讯开销,可以充分利用两端硬件环境的优势。但由于对客户端的软硬件和人员素质要求较高,所以系统维护、升级难度大,使用也不方便。Browser/Server结构是随着Internet技术的兴起,对Client/Server结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下,用户界面完全通过WWW浏览器实现,一部分事务逻辑在前端实现,但是主要事务逻辑在服务器端实现,客户端只要有常用的Web浏览器即可,不需要安装任何插件,对系统硬件资源没有特别的要求[3]。
  安徽省资源环境空间数据库主要面向省级各政府部门,用户数据庞大,计算机基础千差万别,各部门的计算机系统的资源和性能也各不相同。所以选择Browser/Server结构作为网络系统结构。这为数据库系统的维护和升级改造打下了基础。(Top)
3.2.2 关键技术
  一般的数据库管理和查询检索技术比较成熟,需要解决的关键技术是如何在网上发布海量空间信息。安徽省资源环境空间数据库地图发布系统以SuperMap IS为基本平台,分为服务器端、地图引擎、管理器和客户端(提供给用户的页面)。服务器端、地图引擎和管理器由SuperMap IS提供,客户端开发主要以页面编辑为主。其工作原理见图2。
  数据发布系统分为空间数据和非空间数据发布两个方面。非空间数据的发布主要利用Microsoft IIS Web服务器系统,直接获得或通过SQLServer数据库管理系统获得非空间数据。空间数据的发布分为两个步骤:①SuperMap IS驱动SuperMap空间数据引擎(Spatial Data Engine)直接或间接(利用SQLServer数据库管理系统)获得各类矢量空间数据集(或地图)。②SuperMap IS把获得的矢量空间数据转换为栅格图,并对栅格数据进行空间索引与数据压缩。同时,SuperMap IS与MicroSoft IIS可以协同工作,以解决空间数据与相关非空间数据(如属性数据)的联合使用问题。
  以上解决了空间和非空间数据发布的分工和合作。另一方面,SuperMap IS采用先进的系统设计思路,为海量空间数据网上发布创造了条件。SuperMap IS具有多级缓存结构,大大加快地址定位和地图浏览的速度,并减少服务器负担;支持多台服务器群集实现动态负载平衡,解决了WebGIS的瓶颈问题;通过建立高效的线性可排序四叉树索引可以加快数据检索的速度;通过对象级矢量数据压缩和小波变换影像数据压缩大大减少了数据访问的时间,从而可以缩短在服务器端的数据处理的时间。(Top)
3.3 数据结构
  经典的地理信息系统采用"点-弧段-多边形"拓扑空间数据结构,内部存储了拓扑关系,处理与拓扑相关的运算具有速度快、准确性高等特点;但是在地图显示和其他非拓扑运算方面速度较慢。面向实体的空间数据结构在显示速度等方面具有优势,但是拓扑关系需要实时计算,性能较低①②。安徽省资源环境空间数据库对同一数据源,采用拓扑空间数据结构和面向实体空间数据结构两种方式存储,分别支持外部访问和内部应用服务。
3.4 软、硬件配置
  配置两台应用服务器,均采用HP-LC2000,并具相同的硬件和软件结构(有两个PⅢ933MHzCPU,1G内存),形成服务器集群,向外部用户发布数据。内部数据库服务器采用LH3000(两个PIII933MHzCPU,1G内存)。其中网络服务系统通过1000M光纤与省政府网络直接连接。GIS中心内部网络采用100M交换机进行连接,再通过内部网关与外部服务器进行连接。
  安徽省资源环境空间数据库系统所采用操作系统软件有:Windows98,WindowsNT4.0,Windows2000Professional,Windows2000Server;地理信息系统工具软件有:ARC/INFONT7.1,GeoScan5.9,GeowayDRG,SuperMapDeskpro3.0;空间信息发布引擎:SuperMapIS2.0;数据库软件有MicrosoftSQLServer2000;其它应用软件有:InternetExplorer5.5,Microsoft Frontpage2000;使用VisualBasic作为主要开发工具,并采用国产组件式GIS系统SuperMap3.0GIS作为开发组件。(Top)
3.5 功能设计
  数据发布子系统的主要功能有:空间数据显示(放大、缩小和漫游等)、属性查询、全局模糊搜索、在线订单、各县基本情况文档查询和浏览等。
  内部应用子系统主要用于项目建设单位的内部工程和研究,在数据发布子系统的原有功能上,还增加了一些空间分析、缓冲区分析、叠加分析等功能。
  系统维护子系统的主要功能有:数据转换、数据备份与恢复、空间数据管理和元数据管理、全局索引的建立与维护、用户权限的维护等功能。
  数据处理子系统其目的是生成对原始数据资料进行处理,生成较规范的数字化空间数据。主要功能有:扫描矢量化、矢量数据编辑、数据分层、矢量或栅格数据的校正等。
4 安徽省资源环境空间数据库内容
  数据库包含1∶50万、1∶25万、1∶5万三个不同的比例尺矢量数据和1998年、2000年覆盖安徽省全境的TM影像数据。其中1∶5万资源环境空间数据库大约包含360幅标准分幅地图,范围覆盖安徽省全境,面积达13.9万km2,的这样数据规模在全国是不多见的。本数据库包括:水体、居民点、交通、行政境界、地表高程五类基础地理空间数据及土地资源、水资源、生物资源、旅游资源、矿产资源、气候、水环境、水利设施、地质断裂带、灾害等22个类别资源与环境专题空间数据。
5 空间数据库建立步骤和注意问题
5.1 空间数据库建立步骤
  如图3。























5.2 在建库过程中注意的问题
5.2.1 数据标准
  为了保证数据库的一致性、可操作性,数据库采用统一的坐标系、统一的编码体系和统一的属性数据。统一的坐标系是指,无论是地理坐标系还是平面坐标系都要求统一,以保证地物要素的连续。统一编码体系是指,相同的地物要素用相同的编码,否则数据库间、图幅间会出现无法接边的逻辑错误。统一属性数据是指,相同的地物要素在不同比例尺上有不同的表示方法,但应有相同的属性[4]。
  数据库所有空间数据采用高斯-克吕格投影,1954年北京坐标系、1956年黄海高程系。大地模型采用克拉索夫斯基椭球,长半轴参数:6378245.0,扁率分母为:298.3。
  编码采用原则是:优先采用国家标准编码,没有国家标准编码的再考虑使用行业或部门编码,没有国家标准编码和行业(部门)编码,就按照规范格式自定义编码。采用的主要标准有:国家标准《国土基础信息数据分类与代码》(GB/T13923-92)、《行政区划国家标准代码》(中华人民共和国国家标准GB/T2260-1995)GB/T13989-92、《国家基本比例尺地形图分幅和编号》(GB/T13989-92)等。(Top)
5.2.2 元数据库的建立
  元数据(Metadata)是关于数据的数据,在地理空间数据中,元数据是说明数据内容、质量、表示方式、数据来源、空间参照系及其他有关特性的背景信息,是实现空间数据共享的核心内容之一。
  其主要作用有:帮助数据生产单位有效地管理、组织和维护数据。提供有关数据内容、质量等方面的基础信息,便于用户比较不同的资料,确定所需用信息。便于用户查询和检索信息,以及进行数据处理和转换[5]。
  安徽省资源环境空间数据库的元数据是由基本信息、质量信息、继承信息、空间表示信息、空间参照系信息、实体和属性信息、发行信息、参考信息组成的。
  另外,根据内部系统维护和外部用户需求分别建立内部和外部元数据,设计不同的元数据内容。内部元数据兼有系统数据字典的作用,其内容在外部元数据的基础上,还增加数据字段描述、专题地图描述、图层风格描述等面向系统管理的内容。
  为了保证元数据的统一性和减少数据冗余,在元数据项的定义中增加类别定义,以便内部和外部元数据共享相同的数据内容。
5.2.3 质量控制
  数据质量是建立空间数据库成败之关键,数据质量控制是一项集管理和技术于一体的综合性工作。质量是产品的属性,但质量是形成于产品的生产过程中的,为生产高质量的数据产品,就必须使影响产品质量的全部因素,在生产全过程中始终处于受控状态。同时,质量的检查和和评价是质量控制的重要依据。
  安徽省资源环境空间数据库主要采用人工实物核对检查、人机交互检查的作为质量控制的主要方法,在标准和规范的制定、原始资料的选取、数字化、图幅编辑和拼接、数据入库等阶段确定质量控制标准和评价方式。在数据库建立过程中,主要把位置精度、逻辑一致性、语义表示质量和完备性等几方面作为检查目标,从而保证数据库的整体质量。
5.2.4 数据安全管理
  在早期的大型GIS应用中,客户端一般采用文件共享的方式访问服务器上的空间数据文件。从客户端极其容易盗取数据文件,带来重大的安全隐患。安徽省资源环境空间数据库采用关系数据库存储空间数据,系统管理员可以在服务器端定义每一个客户端的访问账号、密码和权限,每个客户端完全在服务器端定义好的权限下操作空间数据库,而不是直接访问服务器上共享的可能被随时拷贝的文件夹。客户端系统则只能按照规定的方式访问空间数据库,从根本上解决了传统GIS数据存取模式上的数据安全问题①②。另一方面,在网络设计上较多采用网关和防火墙技术,尽力防止外部攻击。
6 结论
  通过一段时间的试运行,表明安徽省资源空间数据库基本达到了预期目标,系统稳定可靠、反应快捷,对政府有关资源环境决策具有一定的参考价值和支持作用。同时,作为一个实用的基于WebGIS的大型资源环境空间数据库,在全国也具有示范作用。
  当然,数据库系统只是数据的载体和共享方式,资源环境状况是不断变化的,如果要真正做到信息发布的有效性,必须解决数据源和数据更新的问题,这也是一个数据库系统能否长期生存下去的一个关键。可喜的是,本项目实施单位也在着手建立空间信息更新系统,力求解决这一问题。
参考文献:
[1]朱光,季晓燕,戎兵.地理信息系统基本原理及应用[m].北京:测绘出版社,1997
[2]赵霈生,杨崇俊.Web-GIS的设计与实现[J]中国图象图形学报,2000,5(a1)
[3]刘中伟,刘中宏.WebGIS的解决方案及开发方法[J].长春科技大学学报,2000,30(1)
[4]田增平,周傲英,施伯乐.地理信息系统中的数据库技术[J].计算机科学,1995,22(6)
[5]赵永平,David M Danko.地理空间元数据标准研究[J].信息技术标准化,1998,(1)