（地图学与地理信息系统专业论文）城市基础地理信息平台关键技术研究.pdf

摘要 城市基础地理信息平台以海量数据集成的方式来对城市情况进行数字化存 储和描述，为城市信息应用提供统一的基础数据框架，是数字城市建设的核心。 本文在阐述了城市基础地理信息平台的概念的基础上，对平台建设中所涉及到的 平台总体架构、平台基本功能、基础空间数据库、元数据和平台安全管理五个问 题和关键技术进行了研究和探讨。 文章中首先提出了平台中心节点和专业部门分节点相结合的分布式的网络 结构，这种结构有利于突破各职能部门之间的信息封闭，实现广泛的信息共享； 接下来分析了平台所应当具备基本功能，并用u m l 语言描述了整个平台的需求 用例和主要核心过程，从而方便了平台的实现和保证了平台软件的质量；随后探 讨了基础空间数据库建库问题，给出了基础地理信息数据组成，按照国家标准制 定了适合于平台数据库建设的数据分层和扩展编码标准，最终给出了利用空间数 据引擎实现图属一体化管理的城市基础地理信息数据库建库方案；文章还结合国 内外现有的元数据标准或草案提出了适合于中小城市基础地理信息数据的元数 据标准，并给出了在网络环境下利用x m l 语言和n e t 框架实现的分布式的元 数据平台的解决方案，因而实现了分布式元数据库的网络化管理和更新；在平台 理论的最后一部分我们给出了平台权限和安全管理机制，这为数据跨部门共享提 供了安全保障。 为了验证城市基础地理信息平台方案的可行性，在国家8 6 3 项目“重大行业 3 s 应用示范一中小城市”的支持下，我们在江苏省扬州经济开发区建立了一个 跨规划、土地和房产三个部门的平台原型( p r o t o t y p e ) 系统，并获得了成功。迄 今为止，该平台原型系统已经在江苏省扬州经济开发区稳定运行近一年。这说明 建立城市基础地理信息平台的思想是先进的，有关理论研究成果是有效的，并可 以为建设全市范围内的基础地理信息平台提供技术示范。 关键词：城市基础地理信息平台信息共享空间数据库标准元数据 u r b a nf u n d a m e n t a l g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o nf r a m e w o r k y u a n f e ic h a n g ( g i s ) d i r e c t e db yy a n y o uq i a o a b s t r a c t ：i n f o r m a t i o ns h a r i n gv i ad i f f e r e n ta g e n c i e si sak e yg o a lo ft h ed i g i t a lc i t y a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fu r b a n s p a t i a li n f o r m a t i o na n d i t sa p p l i c a t i o n s w e b r i n gf o r w a r do u rc o n c e p t i o na n dr e a l i z a t i o no fu r b a nf u n d a m e n t a lg e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o nf m m e w o n ( u f g i f ) i no u rp a p e r , w ef i r s ti n t r o d u c et h ed i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r e ( i n c l u d i n gb sa n dc s f r a m e w o r k ) a n dr u n n a b l em e c h a n i s mo fu f g i f t h e nw ed i s c u s st h ed a t as e r v i c e s s y s t e mo fu f g i f , d e s c r i b i n g i t su s ec a s ev i au m l l a n g u a g ea n da n a l y z i n gm a i n d a t a f l o w sm i dp r o c e s s e sw i t hs e q u e n c ed i a g r a ma n dc l a s sd i a g r a m i nt h en e x tc h a p t e r w ee l a r i f yt h ec o m p o s i t i o na n dd a t as t r u c t u r eo ft h ed i s t r i b u t e ds p a t i a ld b m s ，g i v i n g a ne x a m p l eo fh o wt ou s e s p a t i a l d a t a b a s e e n g i n e ( n a m e ds d x ) t om a n a g et h e r d b m s i nt h em e t a d a t a c h a p t e r , w ep u t f o r w a r do u rd r a f t o ff u n d a m e n t a l g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o nm e t a d a t af o rs m a l la n dm i d d l ec i t y u p o ni n t e r n a la n d i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d s ，a n dt h e ni m p l e m e n t i tw i t hx m la n dm i c r o s o f t n e t f r a m e w o r k i no u rl a s ti n t r o d u c t i o n p a r t ，w ep r e s e n tt h es e c u r i t y a r c h i t e c t u r eo f i i f g i f 7 h ec o n c e p t i o no fu f g i fw a sv a l i d a t e db ya p r o t o t y p ei nt h ey a n g z h o ud e v e l o p m e n t a d m i n i s t r a t i v ec o m m i t t e e ，w h i c hc o n n e c t e di n t b r m a t i o nc e n t e rw i t ht h r e ed i f f e r e n t g o v e r n m e n ta g e n c i e s a f t e rs t a b l yr u n n i n ga r o u n d a y e a r , t h ep r o t o t y p es y s t e ms h o w s i t ss u c c e s s k e yw o r d s ：u f g i f ，l n f o r m a t i o ns h a r i n g ，s p a t i a ld a t a b a s e ，s t a n d a r d s ，m e t a d a t a 0 引言 数字城市概念是随数字地球而出现的，也是数字地球的重要组成部分。与数 字地球的理想状态相比，它具有更强的现实性和可操作性，代表了城市信息化的 发展方向。“数字城市”的概念分广义和狭义两种。广义的“数字城市”概念， 即城市信息化，是指通过建设宽带多媒体信息网络、地理信息系统等基础设施平 台，整合城市信息资源，实现城市经济信息化，建立城市电子政府、电子商务企 业、电子社区；并通过发展信息家电、远程教育、网上医疗，建立信息化社区。 显然，这是一种理想状态，实际操作性较差。 狭义的“数字城市”工程是指：利用“数字城市”理论，基于3 s ( 地理信 息系统g i s 、全球定位系统g p s 、遥感系统r s ) 等关键技术，深入开发和应用 空间信息资源，建设服务于城市规划、城市建设和管理，服务于政府、企业、公 众，服务于入口、资源环境、经济社会的可持续发展的信息基础设施和信息系统。 这种定义实质上是城市地理信息系统( u g i s ) 概念的外延，它以整合各部门的 应用系统为具体目标，因而具有现实的可操作性，下文中的数字城市都指这种狭 义上的概念。 经过多年的努力，城市地理信息系统( u g i s ) 已经在城市规划、建设、管 理中的应用取得了较大的成绩，在一定程度上解决了城市发展控制( 如城市规划 申请、规划信息管理、规划方案的多维表达等) 中的信息处理、信息管理和辅助 决策问题。城市地理信息系统主要集中应用于城市规划、建设、土地、房产、交 通、环境、水利、综合管线、公安、交通、医疗卫生等业务管理部门。在实际的 应用中，地理信息数据是建立各部门地理信息系统的基础，一般占总经费投入的 8 0 以上。各部门在建立地理信息应用系统时，一般都是从数字化开始，分头采 集地理信息资料，进行数字化建库等工作，这不仅造成了宝贵资金的大量浪费， 还导致了数据的相互矛盾，使得不同部门的系统之间不能进行互连和共享，严重 阻碍着城市信息化的进一步发展。另一方面，在城市的信息活动中，有8 0 以上 的信息是与空间地理位置有关的信息，因此我们提出了城市基础地理信息平台的 概念。 城市基础地理信息平台是位于城市底层空间信息数据库和城市各部门( 企 业) 上层应用信息系统之间的一种中间件( m i d d l e w a r e ) ，它一方面通过空间数 据引擎( s d e ) 对城市基础地理信息数据进行统一采集、建库和维护更新，以便 为所有部门提供统一标准、统一内容的地理信息参考框架，另一方面又为城市各 部门和企业的上层应用系统提供统一的运行和开发环境，包括统一的访问平台基 础地理信息数据的接口。城市基础地理信息数据是指城市各部门都需要的数据。 在基础地理信息平台数据的框架体系结构之下，各部门的专业数据可以找到自己 的准确地理定位，从而在基础地理信息数据的基础上对专业数据进行管理、维护 和应用。 城市基础地理信息平台体现了第四代地理信息系统的“由以系统为中心向以 数据为中心、实现空间数据共享与服务的转变”的特点，是城市地理信息系统应 用的最新发展方向，也是数字城市的核心。城市基础地理信息平台包括海量地理 信息数据库、数据管理服务功能和应用服务接口等。在构建城市基础地理信息平 台过程中，要解决城市基础地理信息分类标准、数据库建库标准、元数据标准与 元数据平台、数据管理、数据发布、数据更新、数据服务、安全防护、应用服务 接口等一系列问题。本文将对这些问题进行论述，提出具体的解决方案，在此基 础上建立了一个运行于扬州经济开发区的试验地理信息平台，并通过应用示范系 统的开发验证了城市基础地理信息平台的广阔前景。 1 研究目的 随着地理信息系统应用的不断发展和城市信息化的日新月异，许多城市部门 都根据自己的业务需求开发了地理信息应用系统，在实际工作中发挥了很大的作 用。但是，随着应用程度的不断深入，也暴露出了许多问题。这些问题主要体现 在如下几个方面： 信息应用参差不齐 城市空间信息是城市信息的主要组成部分，它贯穿于整个城市活动的各个方 面。但是，相对来说，国土、规划、交通局、环保局、市政等部门对地理信息的 应用比较多，而其它大部分部门仍然比较落后，虽然已经认识到地理信息的重要 性，但是由于种种原因还没有开始利用数字化的地理信息。在已经开始应用地理 空间信息的有关部门，应用的深度和广度也大不相同。 标准不统一 由于知识产权保护和有关信息的法律和法规不健全等原因，部门、行业和单 位当中对信息共享还有不同的认识，相互之间信息封锁和禁镏还较严重，信息源 单位遭遇到来自强大的社会需求和信息权益得不到保障的双重压力。由于不同部 门和行业的数据标准和规范也不统一，数据质量得不到保障，严重影响了信息的 综合利用，制约了信息的共享。 地理空间参照系不统一 不同部门在进行空间信息采集时所采用的投影坐标系也不一样，从而使得来 自不同部门的数据不能进行综合集成，也不能进行叠加分析。 缺乏信息共享 各部门均积累了大量的地理基础数据和信息，部分数据还建成了数据库和信 息网络，但由于这些数据和信息主要是为专业领域的专门问题服务的，信息的标 准和平台往往是异构式的，造成跨行业和跨领域的信息无法在网络环境下转换和 叠加。 缺乏统一规划 部门之间各自为政，分别安排相应的经费，组织有关技术队伍进行地理信息 数据的生产和信息系统的建设。很多工作是低水平上的重复，不仅造成了经费资 源的巨大浪费，而且还分散了本来就十分有限的技术队伍。由于各个部门都是从 自身需要出发开展有关工作，所生成的数据产品难以被其它部门应用。 解决上述问题也是我们构建城市基础地理信息平台的目的。整个平台要为所 有城市部门提供统一的数据参考和数据访问服务，从而既避免了数据生产的重复 投资，又解决了数据之间的相互矛盾问题，而且还使得应用系统的构建有了共同 的基础，使实现城市空间信息数据共享成为可能。 2 研究内容 城市基础地理信息平台主要包括以下几方面内容： 城市基础地理信息平台的总体架构设计 由于城市基础地理信息平台涉及到了城市应用的方方面面，而这些应用，包 括政府部门、企业和公众个人用户，其空间位置是分布式的，这也决定了平台的 要采用分布式的物理架构。平台的这种分布式的服务框架体系将作为我们整个研 究的起点。 平台基本功能分析 平台提供的基本服务的应该包括数据访问服务、数据修改和更新服务以及一 部分像路径分析、专题制图之类的g i s 功能服务。平台价值的体现其实就是这些 服务的实现。另外，平台服务还包括元数据服务和安全验证服务，这两部分相对 比较独立，我们在下两把它们单独列出。 在这些服务之上，平台还要为上层的应用信息系统提供统一的运行和开发环 境，核心其实也是对这些系统提供访问平台数据访问服务的接口。 基础空间数据库建库方案 城市基础地理信息平台的核心是海量地理空间数据的集成，即要通过各种类 型空间数据和属性数据的有机组合来真实地描述城市，如高分辨率正射影像数 据、数字高程模型数据、城市基本要素矢量数据库、地名数据库、社会经济数据 库等，并且通过空间元数据库技术来实现对这些数据库的组织和索引，从而形成 统一的数据库系统。整个空间数据库的建库方案涉及到了众多城市基础地理信息 分层分类编码等等标准，以及空间数据引擎一体化存储管理空间和属性数据、分 布式空间数据库技术，是我们研究的核心内容。 元数据平台方案 为了提高数据共享和交换的效率，我们还需要采集上述基础地理信息数据 ( 特别是空间数据) 的元数据。元数据是对数据的描述，空问元数据用于描述空 间数据的内容、质量、表示方法、空间定位、管理方式及其他特征，它用来组织 和管理空间信息，挖掘空间信息资源，帮助数据使用者查询所需的空间信息，用 来建立空间信息的数据目录，提供数据转换方面的信息。为了科学的抽取基础空 间数据的元数据组织成元数据库，并建立相应的元数据平台来实现对该元数据库 进行集中管理和操作，元数据标准、分布式的元数据平台的结构和功能也就成为 我们所需要研究的关键技术之。 6 平台权限和安全管理机制 城市基础地理信息平台为城市各部门提供一个资源共享的框架。这个框架结 构在方便了部门间空间信息交换的同时，也带来了跨部门的用户管理和跨部门的 空间数据资源的管理的问题。原则上，各部门用户在未授权的情况下只能访问本 部门的数据，不同比例尺的图形数据的安全级别也不一样，等等。这一系列安全 机制都需要构建。此外，平台空间数据在万维网上的发布还涉及到了公共数据的 在i n t e r n e t 网络环境下的安全问题。这需要我们制定出跨部1 7 的数据安全和权限 的整体解决方案。 下面我们对以上研究内容做逐一介绍。 3 城市基础地理信息平台总体架构 城市基础地理信息平台用于存储各个部门公用的数据，并通过城域网与各个 职能部门的数据节点进行连接，形成一种分布式的空间数据共享应用环境。由于 基础地理信息平台中的数据是各部门都需要的数据，因此又称其所在的服务器为 数据中一i i , 节点，相应的其它专业部门的数据节点称为分节点。 整个基础地理信息平台的体系结构如图3 一l 所示： 图3 ，1 城市基础地理信息平台逻辑结构 从图3 1 我们可以看出基础地理信息平台的数据库是由中心节点和分节点组 成的分布式网络数据库结构，数据库之间通过城域网相互连接。平台数据的核心 是中心节点数据库，它存储着数字正射影像数据、数字高程模型数据、基本要素 矢量数据、地名数据和相应的属性数据等基础地理信息数据，并通过元数据库和 元数据平台来进行集成。这些数据是描述城市空间结构的框架数据，具有多尺度、 多比例尺、多源和多时相的特征。这些差异性通过平台的服务器软件的整合，中 心节点管理员可以相应的安全权限下对基础地理信息数据库进行统一管理和更 新。两分节点则存储着相应部门的专业数据库，并通过中心节点提供的应用系统 接口建立自身的上层部门应用系统来完成对中心节点的数据访问。 在管理基础地理信息数据库的功能之上，基础地理信息平台又是一个网络环 8 境下的地理信息系统，应当具有基本的数据管理与分析功能，如数据查询与检索、 数据叠加、空间数据分析、专题制图、数据更新等。另外，由于基础地理信息平 台的主要作用就是要为所有应用系统提供数据服务，因此必须具备在网络环境下 提供数据服务的有关功能，如数据服务标准接口程序、数据访问权限认证、数据 压缩传输、数据安全防护等。 基础地理信息平台除了要为各种应用系统提供数据接口以外，还要为电子政 务系统提供标准接口，以便在电子政务系统中也能随意调用地理信息数据，拓宽 电子政务系统的功能。 基础地理信息平台的用户包括政府部门和公众两种类型，而从应用途径上来 说又分为移动用户和固定用户两种。政府部门的用户可以采用超文本界面和图形 界面( ( 划i ) 两种方式来调用平台，而客户端用户，包括移动用户和固定用户， 则可以采用超文本界面来浏览和调用平台中的资源。 在各个分节点上都按统一的标准进行专题数据的集成，建立相应的元数据 库，并按与中心节点相似的方式进行数据管理和数据服务。分节点的数目可以预 留在5 0 个以上，任何一个分节点在建设好之后，均可通过向中心节点注册而成 为整个数据共享网络范围内的数据节点，从而在获得其它节点数据服务的同时， 向所有用户提供不同级别的数据服务。 4 平台基本功能分析 城市基础地理信息平台功能繁多，结构复杂，为了科学的搭建本基础信息平 台，我们采用软件工程的方法来系统的管理软件开发过程。在这里我们采用了 r a t i o n a l 公司的系统建模工具r o s e 对系统进行了设计，这种由用户需求驱动系 统设计模式可以保证我们精确的完成系统应有的各种功能，同时还可以保证我们 在开发底层开发平台环境发生更换时上层的软件设计模式可以得到复用。下面就 分阶段对本平台的设计进行叙述。 4 1 需求分析 需求分析阶段主要工作是找出所有的用户需求，并将需求用用例( u s e c a s e ) 图表示出来，从而为下一步的系统建设提供实现目标。本系统主要目的 是为了管理海量的空间数据，为上层的应用系统提供数据访问的平台以及将数据 发布从而达到信息共享。下面我们对三种需求进行详细分析： 4 1 1 用户分析 按照需求，用户大致分为三类，即管理空间数据的操作员、利用平台访问数 据的上层应用系统和浏览器端的用户。具体如下： a 操作员：操作员定义为系统各个级别的管理人员，包括服务器端和客户 端对系统操作的各种角色，按权限不同分为数据浏览用户( b r o w s e r ) 、 数据维护用户( o p e r a t o r ) 和系统管理员( a d m i n i s t r a t o r ) 。其中浏 览用户仅有数据浏览权限，不能更改系统数据，数据维护用户可以对数据 进行添加修改删除等操作，系统管理员除了拥有o p e r a t o r 所有的权限 外，还有添加更改用户属性和资源权限。另外，每种用户都有一个部门属 性( d e p a r t m e n t ) ，并且可以同时拥有多个部门的属性。本属性用于实 现不同部门间的数据安全；每种用户的另一个属性是安全级别( l e v e l ) ， 这个属性是用户访问资源时的权限标志，用户只能访问那些比自身安全级 别低的数据。 b 外部应用系统：定义为搭建于本平台上的各种专职应用系统，例如招商 引资系统等：此类系统不能直接访问数据，只能通过通过本平台定制的接 口向平台来访问数据。 c 浏览器端用户：定义为通过w e b 浏览器来访问本系统的各级用户。为了 安全，本系统不提供通过浏览器端操作来修改数据的接口，因此其权限相 当于操作员中的b r o w s e r 用户，同样也具有该种用户的各种属性。 经过需求调研和分析，我们抽取出了二十余个系统用例，并按照相关度组织 为六个包，如下： a 数据访问功能包：本包内包括各种用户对系统空间( 属性) 数据资源的使用 的基本操作，包括如下内容： 0 i 浏览数据：指用户对本系统空间数据的浏览( 包括放大、缩小、漫游等 基本图形操作) 和属性数据的测览。 i i 查询数据：包括属性数据查询、通过属性数据查询空间信息、通过空间 数据查询属性信息以及空间查询。 i i i 读取数据：指操作员读取数据库或文件中数据，包括外部系统通过本平 台读取数据的过程。 i v 打印地图：将电子格式的地图打印输出的操作。 v 下载地图：指浏览器端用户将所选择区域的地图按起选定格式下载的用 例。 b 扩展g i s 功能包：本包能包括g i s 特有的功能的基本用例，具体如下： i 专题制图：根据数据集中一个或多个字段进行统计分析制作不同用途的 专题地图的过程，包括地图的打开和保存。 u 地图量算：指用户在地图。h 进行距离或面积量算的操作。 i i i 缓冲区分析：指对基本几何对象如点、线、面、圆提供创建缓冲区多 边形来进行空间分析的方法。 i v 路径分析：包括网络层的最短路径分析等，如公交线路和公交换乘分析。 c ，数据修改和更新包：本包内是表现数据进行添加更改删除等维护更新操作时 的用例，包括数据存储入库和格式转换和基本的数据集操作，如下： i 数据存储入库：由于本系统空间数据和属性数据都统一的存储在数据库 中，因此，所有对数据的操作必须存储入库来保存修改，本c a s e 就是描述上述 需求；另外，本c a s e 也包括使用文件保存数据的功能。 i i 格式转换：由于各部门的g i s 和c a d 数据格式不尽相同，因此系统需要 完成不同格式数据之间的互相转换工作。 1 1 1 添加数据对象：数据集的基本操作，包括增加数据源、增加数据集以及 向相应格式的数据集所对应图层中增加相应空间对象和或文字注记的操作；在数 据集中对应增加记录。 l v 删除数据对象：上述各种数据对象的删除，对应数据集中的记录删除。 v 设置风格：包括设置图层或图层中选中对象的颜色、大小、线形纹理等 风格及其风格保存。 v 1 设置图层状态：包括设置图层的显隐状态、可编辑状态、可捕捉状态和 可选择状态等属性。 v i i 修改数据集结构：修改记录的数据结构，包括添加定义数据集字段和 删除数据集字段。 d 。元数据管理包：元数据的操作，如下： i 增加元数据：人工或自动的从数据集中提取数据的元数据信息并添加持 久性的元数据表中。 i i 查询元数据：即返回符合指定条件的元数据信息，包括浏览元数据：也 是对检索数据。 i i i 删除元数据：将元数据信息从元数据的存储介质中删除。 i v 修改元数据：根据关键字修改元数据的信息。 e 资源权限管理包：资源权限是数据集所对应的可操作信息的集合，例如可读 部门属性，读取级别等，该信息作为记录存储在数据库中的数据表里。资源权限 管理指的是操作员对资源权限表进行维护的用例，包括对资源权限的增、删、改 和查询浏览。用例具体如下： 1 添加资源权限：在数据库中为某一数据集合添加相应的操作权限。 i i 删除资源权限：在数据库中将某一数据集合相应的操作权限删除。 1 1 i 修改资源权限：同上，修改上述权限。 i v 查询资源权限：在数据库中查询上述权限。 f 操作员管理包：包括基本的操作员管理操作，如下： i 添加操作员：用于操作员在数据库中添加用户及其信息。 i i 删除操作员：把操作员帐户信息从用户数据库中删除。 【i i 查询操作员信息：查询操作员的等级级别及其它属性信息。 i v 设置操作员属性：修改操作员权限和其它信息，如操作员所在组和密码 等。 整个用例图如图41 所示： 设置瓷源权限删除瓷源权限外部系统 查询数据打印地圉 d 蹙嚣敷离瞥日00 m m 壹稚担皇警j b ( f r o m 咖唧( f | o m 稚皇请h 轴- 幻 a f 。mt 拦请h 功蛙) 图4 - - 1 系统用例图 专题制图 “聪ej s 聃睦包 4 2 平台初步设计 系统初步设计阶段我们设计了用例实现过程，通过顺序图( 动态) 表现出来； 并把系统对象以类的形式构造出来，通过类图( 静态) 来表现。有了系统的动态 流程和静态对象，系统的框架也就搭建了起来。由于用例很多，我们按用例对系 统的重要程度和实现难度作为参考，划分出6 个要优先实现的核心用例，即增加 元数据、查询数据、外部系统读取数据、数据格式转换、设置标注属性、增加操 作员和存储数据入库，下面我们从动态和静态的角度对核心用例进行描述。 i 增加元数据：流程如图4 - 2 要 oq 盎佳星 ：孟数据基厶显面；元数握鳘理盏盂熬握 如果增加豹元数据与 相血数据表相对应， 则返回j 蜕功；脊则返 回相应出错信息。 图4 2 顺序图一增加元数据 i i 套询数据：查询数据分4 类，即属性数据查询，由属性数据查询空闯数据， 由空间数据查询属性数据和空间查询，由于篇幅问题，这里仅列出空间数据查询 属性数据的顺序图： ，吴o 捶住虽 同 量全譬理舞 图4 3 顺序图一查询数据 t i i 外部系统读取数据：见图4 - 4 ，7 氐_ ，。、 ， 、 、二3 b 整薹缝：应用歪绮整握雎叠 ：数据匡；盍全譬理鑫 5 o 图4 - 4 顺序图一外部系统读取数据 i v 数据格式转换：分为转入和转出两种，转入流程如图4 5 ： 笑卜o oqo 撮住虽蛀搔式墨面 ：搔盎整捶鼙剑鑫i 岛时坑= 狂蛙结擅童全簋理盎 身份认证 、 t 、- 数选捶 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 一 l 传递各种控毒i 参数 、， 7 u 、 、 i j l 返回存储目标信息：( 非存f i 着对象本身 转出流程如下 精式转换 图4 - 5 顺序图一格式转换( 导入数据) 厄话函；飞、 攫蠢鬟i l 名称，转i 鬯竺一 晤雨藕r u 邕坚j 握住虽鞋出搔武是西拄蛙壁捶控制墨监吐拄二在韭董拉拉二魃握卫挂 7 1前人巷数 备种参数 读取数据 ， _矗转换 il ： u 存债目蒜文件 。l 耳标建肄信息 f 一 j ： ： 图4 。5 顺序图一格式转换( 导出数据) v 增加操作员：如图4 7 7 o - 芋 ( j ，一一、一j、 下h1j j 1 ， i、，f 、 1 7 ! 一 盥挂屋瞳查是歪亘咀磕拄擅自毖挂虽最面乱巳：盎佳虽苴理控劐器 ： 增加操作员； 旷t 讨 il ；增加 j 忙曼蠼；l 0；? 图4 7 顺序图一增加操作员 v i 存储数据入库：如图4 7 8 o i o i ( 溥 a | - ( 、_ i 。i (三)争 。i 弭 。杉7i i 凡 甘 鲞 蚤 * ， 錾 而 啦 _ 妊 岿 匣 主 州 捌 璺 螺1 撩、 黎 蛀 ，射 型 擎 啦 筷 埚 警 - _ ， 呻 _ 世 _ j 崩 - 刿 、 ：、 j、 ? ： | j 。 瓤 1 7 ， 。 t 、 酗 窭 笺 愁j 图4 - 8 顺序图一存储数据入库 经过对描述系统的数据流程的顺序进行分析后，我们抽取出了系统的对象， 将对象设计成分析类后。由于本系统是基于g i s 组件开发搭建起来的，因此利 用g i s 组件可以实现的用例( 包括数据访问包、数据修改和更新包和扩展g i s 功能包中各项用例) 我们就不再设计分析类模型，而剩余的需要自己从地层开发 完成用例，则按对象的功能耦合性将设计的分析类分成三个类图；另外对于整个 系统中的公用对象，我们也做出了它们活动图，如下： i 用户管理类图：如图4 - 9 所示 增加操作员界面操作员管理控制器 e 淑作员名称s 掘码 龟确认誉码 岛郁门s t r i n g e 泺作员级别 图4 - 9 分析类图一用户管理类图 其中核心的类是用户、增加操作员界面和操作员管理控制器。“用户”是一 个持久性数据，保存在数据库中，分析类“用户”需完成“操作员的添加，删除， 修改，查询。分析类“增加操作员界面”用于增加操作员，根据输入的操作员信 息，做权限检查，检查时根据当前操作员和被加操作员之间的信息决定是否可以 添加，如果可以添加，则把欲添加的操作员的信息传至控制器，完成添加操作。 瓣 “操作员管理控制器”完成以下功能：增加操作员：接受“增加操作员界面”传 来的操作员信息，连接到数据库增加数据；验证操作员是否存在；删除操作员： 接受边界类“删除操作员”传来的参数，连接到数据库，删除数据；修改操作员： 接受边界类“修改操作员密码界面”传来的参数，连接到数据库，修改数据。 i i 资源管理类图：如图4 1 0 所示，各分析类完成的工作和用户管理中的类 似，只不过资源的属性和用户的属性不同，详细情况见“系统权限安全设计”部 分。 删除_ 资源权限界面资源权限管理控制器 修改瓷源权限界面 图4 1 0 分析类图一资源管理类图 i i i 元数据管理类图：如图4 1 l ，元数据管理方案见元数据平台部分。 k 户 卜 删除元数据界面 元数据管理舞 修改元数据用户界面 图4 1 1 分析类图一元数据管理类图 v i 公共服务对象：对于一些公共服务对象，如数据库管理器、资源权限表 和安全管理器，它们是整个系统都要用到的，我们把它们放在服务子系统 里，安全检查流程的活动图如图4 1 2 所示： 图4 1 2 活动图一安全检查流程图 在设计模型阶段，我们对系统进行进一步的分解，参考了e s r i 和s u p e m l a p 公司的系统开发组件，设计出程序开发时实现时所需要的类对象和它的部分属性 和方法。元数据管理、用户和资源管理由于功能相对比较独立，我们对这几部分 将在后面章节详细叙述，这里仅列出数据访问操作、数据修改和更新操作和扩展 g i s 功能相关的设计类图，具体如下： i 通用对象类图：包括实现数据访问操作、数据修改和更新功能所涉及到 的类，如图4 1 3 所示： w o r k s p a c em a p v l 刚 ”1crea磷tedalasource江oopendatasource、 0 、。一 s a 垤0、 1 一二z 卢d a t a s o u r c e s r、) ， = 。! 7 d a 8 8 。“。 麓 1 、 d a t a p u m p ；酥p or t p a r a m s 。o b j e c t p m o o d p ar a m s o b j e c t i l m p 。们 e x p o f f o d a t a s e t v e c t o f q u 8 呵( ) i f t o m “o s n t q a c i i o n ln l e g e r 口s e l e c t i o n s o s e l e c t i o n ：j n1t r、 l 1 lj 叶j = - z i h s e l e c t i o n r e c o r d s e t g e t c - 自o m e i r y 0 a y e r e s t y l es t y l e d e l e t e t h e m a t i c m a f o 图4 1 3 设计类图一通用对象类图 如上图，类w o r k s p a c e ( 工作空间) 主要完成数据的组织、管理、处理， 包括打开、关闭、新建、保存工作空间文件，新建、打开数据源文件，修复、压 缩数据源文件；工作空间是一个工程项目( 同一个事务过程t r a n s a c t i o n ) 中所 有的数据源 量算的方法。 n e t w o r k a n a l y s t 称作网络分析对象。在远距离送货、物资派发、急救服务和 邮递等服务中，如何寻找到个最短和最经济的路径，最快最省地完成一次行程， 这是很多机构经常遇到的问题。网络系统是指由许多相互连接的线段构成的网状 系统，网络数据模型就是对现实世界中网络系统的抽象表达，其中，线段称为网 络连接或者边，而线段与线段的交点称为网络节点。在网络模型中，资源和信息 能够从个节点到达另一个节点。网络对象用于进行网络分析。网络分析是指在 网络模型的基础上进行的一系列的分析，如最佳路径分析、最短路径分析、邻近 节点的查找、节点问的关键点和关键边的查找以及旅行路径分析等等。在这些分 2 6 竖飘 嚣、 析的基础上寻找出一条最经济( 时间和费用等) 的运行路线。 i i i 专题制图类图：如图4 1 5 t h e m e 图4 1 5 设计类图一专题制图类图 专题图有不同的类型。 f h e m e u n i q u e 是单值专题图对象。单值专题图，在传统的专题地图学中属于 精确分区的质底法，将整个制图区域按照专题现象的某种指标划分区域或各类型 的分布范围，在各界线范围内涂以颜色或者填绘晕线、花纹( 7 5 至注以注、己) ， 以显示连续而布满全制图区域的现象的差别( 或各区域间的差别) ，可用于地质 图、地貌图、植被图、土地利用图、政治行政区划图、自然区划图、经济区划图 等。 t h e m e d o t d e n s i t y 是点密度专题图对象。点密度专题图用一定大小、形状相 同的点表示现象分布范围、数量特征和分布密度。点的多少和所代表的意义由地 图的内容确定。 qq f h e m e g r a d u a t e d s y m b o l 为等级符号专题图对象。等级符号专题图是采用不 同的形状、颜色和大小的符号，表示各自独立的、以整体概念显示的各个物体的 数量与质量特征。通常，以符号的形状、颜色和大小反映物体的特定属性；符号 的形状与颜色表示质量特征，符号的大小表示数量特征。 t h e m e g r a p h 称做分区统计图表专题图对象。分区统计图表专题图，把制图 区域分成几个区划单位( 通常是以行政区为区划单位) ，按其相应的统计数据， 描绘不同形式的统计图表，以表示并比较各个区划单位内现象的总和及其动态， 统计图通常绘制在地图上各相应的分区内。分级统计专题图和分区统计图表专题 图都属于统计制图的范畴。 t h e m e l a b e l 标签专题图对象，标签专题图是在各个分区上显示特定字段的 内容，例如显示各个省的名称等。 i v 标注管理：如图4 1 6 图4 1 6 设计类图一专题制图类图 在上图中，s t y l e 封装几何对象的风格对象。对于几何对象，除了注记对象 外，其风格设置都可通过s t y l e 对象来实现。s t y l e 对象属性包括线颜色、宽度、 填充模式等等。 5 基础空间数据库组织方案 5 _ 1 概述 数据是g i s 系统的“血液”i 同时，g i s 系统的数据主要是包含大量的图形的 空间数据，它包括栅格图形数据、矢量数据咀及关联的属性数据。城市基础地理 信息平台更是涉及到的多种空间数据库的管理和互操作问题，顾及空间数据本身 海量数据和复杂结构的特点，基础地理信息平台中数据组织的好坏直接关系到系 统的效率。另一方面，为了方便实现信息共享，按照各种国家信息分类和编码标 准，提出并实现了适合中小城市的采用空间数据引擎管理大型商用数据库来统一 存储不同类型的数据方案。 在空间数据引擎出现之前，g i s 系统的图形数据和属性数据是分开存放的； 图形数据以文件的形式存储，其对应的属性数据则存储在传统的关系数据库中， 上述特点决定了传统g i s 系统数据的完整性和一致性难以维护、检索和查询效 率低下的特点。 空间数据引擎出现后，g i s 系统中的图形数据和属性数据就可以通过引擎作 为一个整体单元存储在支持大型二进制数据结构的新一代关系型数据库中，如 o r a c l e 和d b 2 等，这使得系统对数据的管理和查询效率大幅提高。这类引擎 常见的有国外e s r i 公司的s d e 和国产s u p e r m a p 公司s d x 。 本章讨论的则是在空间数据引擎下，对于中小城市基础地理信息平台中数据 组织的方案。 5 2 城市基础地理信息数据 城市中的不同部门和不同企业涉及到了大量的空间数据，像规划部门的红线 图，土地部门的土地利用图和地籍图，还有我们很多部门都用的正射影像图等等。 为了方便建库和信息共享，我们把城市不同部门数字化建设都要用到的基础数据 称为基础地理信息数据，像正射影像图等；而像地籍图等部门的专业数据我们专 题地理信息数据。我们在实际的工作中发现以下五种城市基础地理信息数据： a 数字正射影像( o r t h o p h o t o ) 数字正射影像是由航空摄影或其他遥感数据经纠正和消除地形影响后形成 的数字图像，是地表信息的真实反映，信息量极其丰富。数字正射影像图叠加专 题信息之后，摆脱了传统专业线划图过于抽象，非专业人员不易理解的局限，使 城市信息更加直观、内容更加丰富多彩，便于政府对城市的管理。数字正射影像 数据库可以作为基础地理信息系统和各个地心业信息系统建设的重要的背景，可 供规划、设计和广大用户直接查询、量算使用。 b 数字高程模型数据( d e m ) 多比例尺的数字高程模型数据相当于覆盖全市范围的精细程度不同的巨大 的“电子沙盘”，是地表地形的真实再现。由此可生成等高线、点高程、三维透 视图等，可进行坡度、坡向计算分析剖面计算等。在许多领域有着广泛的应用， 如在工程建设上，可用于土方量计算、通视分析等；在防洪减灾方面，是进行汇 水区分析、水系网络分析、降水分析、蓄洪计算、淹没分析等的基础；在无线通 讯上，可用于蜂窝电话的基站分析等等。 c 基本要素矢量数据( v e c t o r ) 本数据是g i s 系统的核心数据，是各种空间分析的基本对象。基本要素矢量 数据包括：为所有地理空间数据提供共同的坐标参考系的大地控制数据，交通数 据，水文数据，行政境界数据，居民地数据，地名注记数据，地表覆盖数据以及 以上各种数据对应的属性数据等。矢量数据用空间坐标点、串表示，具有各自特 定的识别编码和对其特征的描述信息的属性数据。在空间数据库中分层存放，可 以任意取出某部分单独使用，也可以将若干层数据加在一起使用，便于数据的添 加、删除、更新。 d 数字栅格地图数据( r a s t e r ) 数字栅格地图是现有纸质地形图的数字形式。它是由纸质地形图经过扫描， 几何纠正及彩色归化后，形成在内容，几何精度和色彩等方面与地形图基本保持 一致的栅格数据文件。其主要作用有：在基础地理空间数据更新速度无法满足用 户对数字产品需求的情况下，为用户提供数字形式的一代图；可用于对地面信息 的变化分析，研究等。 e 地名数据( g e o n a m e ) 地名作为最直观、高度概括的信息，是自然和经济信息的特殊载体，是人们 生活、交往一：可缺少的工具，可为语言学、地理学、历史学、民族学等学科的研 究提供宝贵资料。地名数据库是一个空间定位型的关系数据库，它存储和管理各 类地名信息，包括行政区划、居民地、河流、湖泊、风景名胜、自然保护区的名 称、行政归属、沿革和历史、类别和级别、审定日期和坐标等。它是联系社会、 经济信息和空间信息的纽带，是空间数据基础设施建设的重要组成部分。 元数据是对数据的描述，空间数据的元数据是用于描述空间数据的内容、质 量、表示方法、空间定位、管理方式及其他特征的数据，它用来组织和管理空间 信息，挖掘空间信息资源，帮助数据使用者查询所需的空间信息，用来建立空间 信息的数据目录，提供数据转换方面的信息。元数据的发布可以极大的提高数据 共享和交换的效率。 5 3 数据存储方案 有了上节的城市基础地理信息数据的概念，我们设计出我们分布式数据库的 基本构架：即作为各部门公用的城市基础地理信息数据统一存储维护在中心节点 的数据库中，而各部门的专题数据则存放在各部门的分节点中。下面我们主要介 绍中心节点数据库的建库方案。在此之前我们先介绍一下空间数据引擎的概念。 空间数据引擎是一个使空间数据可在工业标准的数据库管理系统中存储、管 理和快速查询检索的客户服务器软件，这些工业标准的数据库管理系统包括： o r a c l e 、m i c r o s o f t s q ls e r v e r 、s y b a s e 、i b m d b 2 及i n f o r m i x 等，空间数据 在数据库中大都以二进制存储。空间数据引擎工作原理就是把用户对空间数据的 操作解释为s q l 语句并传输到大型关系数据库的s q l 引擎，当d b m s 处理完 s q l 语句后，将结果解释后返回给用户，显然，它完成的是一个中间件的工作， 这个中间件使得空间数据在后台数据库中的存储和操作透明化，而对用户仍保持 了传统上的操作界面。空间数据引擎s d e ( 左) 和s d x ( 右) 的体系结构如图 5 1 所示： k i 习 o 客 客 户 多格式