2004-9-13 19:49:59 作者- 徐振宇1，婁徑1，馬眾模1，耿冬木2 來(lái)源- 安徽省農業(yè)區劃研究所 閱讀1508次 [
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（1安徽省農業(yè)區劃研究所，安徽合肥230001；2安徽省發(fā)展計劃委員會(huì )，安徽合肥230001）
摘要：隨著(zhù)全球環(huán)境的進(jìn)一步惡化，各國政府越來(lái)越重視資源環(huán)境問(wèn)題，如何科學(xué)地利用自然資源和保護環(huán)境是當前面臨的重大課題。各級政府部門(mén)已經(jīng)投入大量人力物力完成了各類(lèi)資源環(huán)境工程項目和相關(guān)的研究工作，積累了大量的資源環(huán)境數據，如何科學(xué)有效地利用這些數據資源，是急需解決的現實(shí)問(wèn)題。本文闡述了WebGIS功能特點(diǎn)，并結合安徽省資源環(huán)境空間數據庫的建設，著(zhù)重介紹了基于WebGIS的空間數據庫的系統設計方法、建立過(guò)程和應注意的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：地理信息系統；網(wǎng)絡(luò )；空間數據庫；WebGIS；資源；環(huán)境；安徽
1 前言
自20世紀80年代以來(lái)，應政府工作和研究工作需要，安徽省曾開(kāi)展了多次大規模的資源與環(huán)境調查，積累了大量資源環(huán)境數據，在當時(shí)為省委省政府的決策提供了科學(xué)依據，發(fā)揮了巨大社會(huì )效益。但這些調查因由不同部門(mén)組織，數據分散、標準不一、多以紙張為數據載體，信息檢索、數據共享難度大，隨時(shí)間的推移數據保存也成問(wèn)題。另一方面，隨著(zhù)計算機軟硬件及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，建立一個(gè)實(shí)用的基于網(wǎng)絡(luò )地理信息系統（WebGIS）的空間數據庫系統成為可能。
基于以上各種因素，安徽省于1998年開(kāi)始實(shí)施"安徽省資源與環(huán)境遙感動(dòng)態(tài)信息服務(wù)體系研究"項目。本文以該項目中資源環(huán)境空間數據庫的建立為例，介紹基于WebGIS的資源環(huán)境空間數據庫的建立方法和思路。
2 WebGIS的特點(diǎn)及思路的引出
地理信息系統（簡(jiǎn)稱(chēng)GIS）是在計算機軟硬件支持下，采集、存儲、管理、檢索、分析和描述地理空間數據，適時(shí)提供各種空間的和動(dòng)態(tài)的地理信息，用于管理和決策過(guò)程的計算機系統[1]。與傳統的GIS軟件相比，WebGIS在體系結構上有了根本的轉變。主要有以下幾部分：(Top)
（1）基于Internet／Intranet環(huán)境，采用了TCP／IP通信協(xié)議，大大擴展了空間信息共享范圍。
（2）在應用層采用了HTTP協(xié)議，客戶(hù)端只需要有通用的瀏覽器即可，不需要有特殊的GIS軟件，大大增強了GIS的開(kāi)放性。
（3）GIS應用的分布性?？梢愿鶕W(wǎng)絡(luò )帶寬、計算機性能等一系列資源狀況，將GIS應用按照功能分布到不同的節點(diǎn)上，如分布到多臺服務(wù)器上或是將一部分簡(jiǎn)單應用分布到客戶(hù)機上，復雜的應用仍交給服務(wù)器執行，這樣可以大大提高GIS軟件的性能。
（4）空間數據的分布性?？臻g數據可以根據其本身具備的空間特征存儲在最適宜的位置上，從而大大簡(jiǎn)化了對空間數據的管理[2]。
政府是資源環(huán)境可持續發(fā)展戰略的實(shí)施主體，資源環(huán)境問(wèn)題始終是政府部門(mén)的關(guān)注的重點(diǎn)，涉及部門(mén)廣泛。目前安徽省的政府局域網(wǎng)已經(jīng)建成，其主干帶寬為1000M，這突破了海量數據發(fā)布的網(wǎng)絡(luò )瓶頸問(wèn)題。政府部門(mén)的相關(guān)應用主要用于資源環(huán)境信息的查詢(xún)檢索、瀏覽、打印等，并不注重多種空間分析等對系統資源要求較高的功能，這有利于WebGIS的實(shí)現，確保了系統的穩定性。同時(shí)，對于某些有保密要求的各類(lèi)數據，在政府局域網(wǎng)內部運行，其安全也是可以控制和可以保障的。一個(gè)基于WebGIS的資源環(huán)境空間數據庫系統的思路由此而來(lái)。
3 資源環(huán)境空間數據庫系統設計
3．1 系統總體結構設計
系統建立以空間數據的發(fā)布為主要目的，同時(shí)也兼顧項目建設單位的自身應用和系統的維護。根據應用需求，系統分為數據處理、數據發(fā)布、系統維護、內部應用四個(gè)子系統。所有這些子系統都面向同一個(gè)數據庫，即安徽省資源環(huán)境空間數據庫。其中，數據處理、系統維護和內部應用子系統通過(guò)內部辦公網(wǎng)與數據庫服務(wù)器相連，而通過(guò)1000M光纖向與安徽省政府局域網(wǎng)上用戶(hù)發(fā)布數據。為了保證數據安全，內部數據庫服務(wù)器與外部應用服務(wù)器之間通過(guò)內部網(wǎng)關(guān)相連并設有防火墻。其總體結構如圖1。
3．2 軟件體系結構選擇及關(guān)鍵技術(shù)
3．2．1 軟件體系結構的選擇
基于網(wǎng)絡(luò )的軟件體系結構主要有Client／Server（客戶(hù)機／服務(wù)器）和Browser／Server（瀏覽器／服務(wù)
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器）兩種。Client／Server體系結構，通過(guò)將任務(wù)合理分配到Client端和Server端，降低了系統的通訊開(kāi)銷(xiāo)，可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢。但由于對客戶(hù)端的軟硬件和人員素質(zhì)要求較高，所以系統維護、升級難度大，使用也不方便。Browser／Server結構是隨著(zhù)Internet技術(shù)的興起，對Client／Server結構的一種變化或者改進(jìn)的結構。在這種結構下，用戶(hù)界面完全通過(guò)WWW瀏覽器實(shí)現，一部分事務(wù)邏輯在前端實(shí)現，但是主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端實(shí)現，客戶(hù)端只要有常用的Web瀏覽器即可，不需要安裝任何插件，對系統硬件資源沒(méi)有特別的要求[3]。
安徽省資源環(huán)境空間數據庫主要面向省級各政府部門(mén)，用戶(hù)數據龐大，計算機基礎千差萬(wàn)別，各部門(mén)的計算機系統的資源和性能也各不相同。所以選擇Browser／Server結構作為網(wǎng)絡(luò )系統結構。這為數據庫系統的維護和升級改造打下了基礎。(Top)
3．2．2 關(guān)鍵技術(shù)
一般的數據庫管理和查詢(xún)檢索技術(shù)比較成熟，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)是如何在網(wǎng)上發(fā)布海量空間信息。安徽省資源環(huán)境空間數據庫地圖發(fā)布系統以SuperMap IS為基本平臺，分為服務(wù)器端、地圖引擎、管理器和客戶(hù)端（提供給用戶(hù)的頁(yè)面）。服務(wù)器端、地圖引擎和管理器由SuperMap IS提供，客戶(hù)端開(kāi)發(fā)主要以頁(yè)面編輯為主。其工作原理見(jiàn)圖2。
數據發(fā)布系統分為空間數據和非空間數據發(fā)布兩個(gè)方面。非空間數據的發(fā)布主要利用Microsoft IIS Web服務(wù)器系統，直接獲得或通過(guò)SQLServer數據庫管理系統獲得非空間數據?？臻g數據的發(fā)布分為兩個(gè)步驟：①SuperMap IS驅動(dòng)SuperMap空間數據引擎（Spatial Data Engine）直接或間接（利用SQLServer數據庫管理系統）獲得各類(lèi)矢量空間數據集（或地圖）。②SuperMap IS把獲得的矢量空間數據轉換為柵格圖，并對柵格數據進(jìn)行空間索引與數據壓縮。同時(shí)，SuperMap IS與MicroSoft IIS可以協(xié)同工作，以解決空間數據與相關(guān)非空間數據（如屬性數據）的聯(lián)合使用問(wèn)題。
以上解決了空間和非空間數據發(fā)布的分工和合作。另一方面，SuperMap IS采用先進(jìn)的系統設計思路，為海量空間數據網(wǎng)上發(fā)布創(chuàng )造了條件。SuperMap IS具有多級緩存結構，大大加快地址定位和地圖瀏覽的速度，并減少服務(wù)器負擔；支持多臺服務(wù)器群集實(shí)現動(dòng)態(tài)負載平衡，解決了WebGIS的瓶頸問(wèn)題；通過(guò)建立高效的線(xiàn)性可排序四叉樹(shù)索引可以加快數據檢索的速度；通過(guò)對象級矢量數據壓縮和小波變換影像數據壓縮大大減少了數據訪(fǎng)問(wèn)的時(shí)間，從而可以縮短在服務(wù)器端的數據處理的時(shí)間。(Top)
3．3 數據結構
經(jīng)典的地理信息系統采用"點(diǎn)－弧段－多邊形"拓撲空間數據結構，內部存儲了拓撲關(guān)系，處理與拓撲相關(guān)的運算具有速度快、準確性高等特點(diǎn)；但是在地圖顯示和其他非拓撲運算方面速度較慢。面向實(shí)體的空間數據結構在顯示速度等方面具有優(yōu)勢，但是拓撲關(guān)系需要實(shí)時(shí)計算，性能較低①②。安徽省資源環(huán)境空間數據庫對同一數據源，采用拓撲空間數據結構和面向實(shí)體空間數據結構兩種方式存儲，分別支持外部訪(fǎng)問(wèn)和內部應用服務(wù)。
3．4 軟、硬件配置
配置兩臺應用服務(wù)器，均采用HP－LC2000，并
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具相同的硬件和軟件結構（有兩個(gè)PⅢ933MHzCPU，1G內存），形成服務(wù)器集群，向外部用戶(hù)發(fā)布數據。內部數據庫服務(wù)器采用LH3000（兩個(gè)PIII933MHzCPU，1G內存）。其中網(wǎng)絡(luò )服務(wù)系統通過(guò)1000M光纖與省政府網(wǎng)絡(luò )直接連接。GIS中心內部網(wǎng)絡(luò )采用100M交換機進(jìn)行連接，再通過(guò)內部網(wǎng)關(guān)與外部服務(wù)器進(jìn)行連接。
安徽省資源環(huán)境空間數據庫系統所采用操作系統軟件有：Windows98，WindowsNT4．0，Windows2000Professional，Windows2000Server；地理信息系統工具軟件有：ARC／INFONT7．1，GeoScan5．9，GeowayDRG，SuperMapDeskpro3．0；空間信息發(fā)布引擎：SuperMapIS2．0；數據庫軟件有MicrosoftSQLServer2000；其它應用軟件有：InternetExplorer5．5，Microsoft Frontpage2000；使用VisualBasic作為主要開(kāi)發(fā)工具，并采用國產(chǎn)組件式GIS系統SuperMap3．0GIS作為開(kāi)發(fā)組件。(Top)
3．5 功能設計
數據發(fā)布子系統的主要功能有：空間數據顯示（放大、縮小和漫游等）、屬性查詢(xún)、全局模糊搜索、在線(xiàn)訂單、各縣基本情況文檔查詢(xún)和瀏覽等。
內部應用子系統主要用于項目建設單位的內部工程和研究，在數據發(fā)布子系統的原有功能上，還增加了一些空間分析、緩沖區分析、疊加分析等功能。
系統維護子系統的主要功能有：數據轉換、數據備份與恢復、空間數據管理和元數據管理、全局索引的建立與維護、用戶(hù)權限的維護等功能。
數據處理子系統其目的是生成對原始數據資料進(jìn)行處理，生成較規范的數字化空間數據。主要功能有：掃描矢量化、矢量數據編輯、數據分層、矢量或柵格數據的校正等。
4 安徽省資源環(huán)境空間數據庫內容
數據庫包含1∶50萬(wàn)、1∶25萬(wàn)、1∶5萬(wàn)三個(gè)不同的比例尺矢量數據和1998年、2000年覆蓋安徽省全境的TM影像數據。其中1∶5萬(wàn)資源環(huán)境空間數據庫大約包含360幅標準分幅地圖，范圍覆蓋安徽省全境，面積達13.9萬(wàn)km2，的這樣數據規模在全國是不多見(jiàn)的。本數據庫包括：水體、居民點(diǎn)、交通、行政境界、地表高程五類(lèi)基礎地理空間數據及土地資源、水資源、生物資源、旅游資源、礦產(chǎn)資源、氣候、水環(huán)境、水利設施、地質(zhì)斷裂帶、災害等22個(gè)類(lèi)別資源與環(huán)境專(zhuān)題空間數據。
5 空間數據庫建立步驟和注意問(wèn)題
5．1 空間數據庫建立步驟
如圖3。
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5．2 在建庫過(guò)程中注意的問(wèn)題
5．2．1 數據標準
為了保證數據庫的一致性、可操作性，數據庫采用統一的坐標系、統一的編碼體系和統一的屬性數據。統一的坐標系是指，無(wú)論是地理坐標系還是平面坐標系都要求統一，以保證地物要素的連續。統一編碼體系是指，相同的地物要素用相同的編碼，否則數據庫間、圖幅間會(huì )出現無(wú)法接邊的邏輯錯誤。統一屬性數據是指，相同的地物要素在不同比例尺上有不同的表示方法，但應有相同的屬性[4]。
數據庫所有空間數據采用高斯－克呂格投影，1954年北京坐標系、1956年黃海高程系。大地模型采用克拉索夫斯基橢球，長(cháng)半軸參數：6378245.0，扁率分母為：298.3。
編碼采用原則是：優(yōu)先采用國家標準編碼，沒(méi)有國家標準編碼的再考慮使用行業(yè)或部門(mén)編碼，沒(méi)有國家標準編碼和行業(yè)（部門(mén)）編碼，就按照規范格式自定義編碼。采用的主要標準有：國家標準《國土基礎信息數據分類(lèi)與代碼》（GB／T13923－92）、《行政區劃國家標準代碼》（中華人民共和國國家標準GB／T2260－1995）GB／T13989－92、《國家基本比例尺地形圖分幅和編號》（GB／T13989－92）等。(Top)
5．2．2 元數據庫的建立
元數據（Metadata）是關(guān)于數據的數據，在地理空間數據中，元數據是說(shuō)明數據內容、質(zhì)量、表示方式、數據來(lái)源、空間參照系及其他有關(guān)特性的背景信息，是實(shí)現空間數據共享的核心內容之一。
其主要作用有：幫助數據生產(chǎn)單位有效地管理、組織和維護數據。提供有關(guān)數據內容、質(zhì)量等方面的基礎信息，便于用戶(hù)比較不同的資料，確定所需用信息。便于用戶(hù)查詢(xún)和檢索信息，以及進(jìn)行數據處理和轉換[5]。
安徽省資源環(huán)境空間數據庫的元數據是由基本信息、質(zhì)量信息、繼承信息、空間表示信息、空間參照系信息、實(shí)體和屬性信息、發(fā)行信息、參考信息組成的。
另外，根據內部系統維護和外部用戶(hù)需求分別建立內部和外部元數據，設計不同的元數據內容。內部元數據兼有系統數據字典的作用，其內容在外部元數據的基礎上，還增加數據字段描述、專(zhuān)題地圖描述、圖層風(fēng)格描述等面向系統管理的內容。
為了保證元數據的統一性和減少數據冗余，在元數據項的定義中增加類(lèi)別定義，以便內部和外部元數據共享相同的數據內容。
5．2．3 質(zhì)量控制
數據質(zhì)量是建立空間數據庫成敗之關(guān)鍵，數據質(zhì)量控制是一項集管理和技術(shù)于一體的綜合性工作。質(zhì)量是產(chǎn)品的屬性，但質(zhì)量是形成于產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中的，為生產(chǎn)高質(zhì)量的數據產(chǎn)品，就必須使影響產(chǎn)品質(zhì)量的全部因素，在生產(chǎn)全過(guò)程中始終處于受控狀態(tài)。同時(shí)，質(zhì)量的檢查和和評價(jià)是質(zhì)量控制的重要依據。
安徽省資源環(huán)境空間數據庫主要采用人工實(shí)物核對檢查、人機交互檢查的作為質(zhì)量控制的主要方法，在標準和規范的制定、原始資料的選取、數字化、圖幅編輯和拼接、數據入庫等階段確定質(zhì)量控制標準和評價(jià)方式。在數據庫建立過(guò)程中，主要把位置精度、邏輯一致性、語(yǔ)義表示質(zhì)量和完備性等幾方面作為檢查目標，從而保證數據庫的整體質(zhì)量。
5．2．4 數據安全管理
在早期的大型GIS應用中，客戶(hù)端一般采用文件共享的方式訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器上的空間數據文件。從客戶(hù)端極其容易盜取數據文件，帶來(lái)重大的安全隱患。安徽省資源環(huán)境空間數據庫采用關(guān)系數據庫存儲空間數據，系統管理員可以在服務(wù)器端定義每一個(gè)客戶(hù)端的訪(fǎng)問(wèn)賬號、密碼和權限，每個(gè)客戶(hù)端完全在服務(wù)器端定義好的權限下操作空間數據庫，而不是直接訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器上共享的可能被隨時(shí)拷貝的文件夾?？蛻?hù)端系統則只能按照規定的方式訪(fǎng)問(wèn)空間數據庫，從根本上解決了傳統GIS數據存取模式上的數據安全問(wèn)題①②。另一方面，在網(wǎng)絡(luò )設計上較多采用網(wǎng)關(guān)和防火墻技術(shù)，盡力防止外部攻擊。
6 結論
通過(guò)一段時(shí)間的試運行，表明安徽省資源空間數據庫基本達到了預期目標，系統穩定可靠、反應快捷，對政府有關(guān)資源環(huán)境決策具有一定的參考價(jià)值和支持作用。同時(shí)，作為一個(gè)實(shí)用的基于WebGIS的大型資源環(huán)境空間數據庫，在全國也具有示范作用。
當然，數據庫系統只是數據的載體和共享方式，資源環(huán)境狀況是不斷變化的，如果要真正做到信息發(fā)布的有效性，必須解決數據源和數據更新的問(wèn)題，這也是一個(gè)數據庫系統能否長(cháng)期生存下去的一個(gè)關(guān)鍵?？上驳氖?，本項目實(shí)施單位也在著(zhù)手建立空間信息更新系統，力求解決這一問(wèn)題。
參考文獻：
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[2]趙霈生，楊崇?。甒eb－GIS的設計與實(shí)現[J]中國圖象圖形學(xué)報，2000，5（a1）
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[5]趙永平，David M Danko．地理空間元數據標準研究[J]．信息技術(shù)標準化，1998，（1）
注釋
①北京超圖地理信息技術(shù)有限公司．SuperMap2000開(kāi)發(fā)教程
②北京超圖地理信息技術(shù)有限公司．SuperMap2000程序員手冊
