2004-9-13 19:49:59 作者- 徐振宇1，婁徑1，馬眾模1，耿冬木2 來源- 安徽省農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所 閱讀1508次 [
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（1安徽省農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，安徽合肥230001；2安徽省發(fā)展計劃委員會，安徽合肥230001）
摘要：隨著全球環(huán)境的進一步惡化，各國政府越來越重視資源環(huán)境問題，如何科學地利用自然資源和保護環(huán)境是當前面臨的重大課題。各級政府部門已經(jīng)投入大量人力物力完成了各類資源環(huán)境工程項目和相關的研究工作，積累了大量的資源環(huán)境數(shù)據(jù)，如何科學有效地利用這些數(shù)據(jù)資源，是急需解決的現(xiàn)實問題。本文闡述了WebGIS功能特點，并結合安徽省資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫的建設，著重介紹了基于WebGIS的空間數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)設計方法、建立過程和應注意的問題。
關鍵詞：地理信息系統(tǒng)；網(wǎng)絡；空間數(shù)據(jù)庫；WebGIS；資源；環(huán)境；安徽
1 前言
自20世紀80年代以來，應政府工作和研究工作需要，安徽省曾開展了多次大規(guī)模的資源與環(huán)境調(diào)查，積累了大量資源環(huán)境數(shù)據(jù)，在當時為省委省政府的決策提供了科學依據(jù)，發(fā)揮了巨大社會效益。但這些調(diào)查因由不同部門組織，數(shù)據(jù)分散、標準不一、多以紙張為數(shù)據(jù)載體，信息檢索、數(shù)據(jù)共享難度大，隨時間的推移數(shù)據(jù)保存也成問題。另一方面，隨著計算機軟硬件及網(wǎng)絡技術的發(fā)展，建立一個實用的基于網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)（WebGIS）的空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)成為可能。
基于以上各種因素，安徽省于1998年開始實施"安徽省資源與環(huán)境遙感動態(tài)信息服務體系研究"項目。本文以該項目中資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫的建立為例，介紹基于WebGIS的資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫的建立方法和思路。
2 WebGIS的特點及思路的引出
地理信息系統(tǒng)（簡稱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(shù)據(jù)，適時提供各種空間的和動態(tài)的地理信息，用于管理和決策過程的計算機系統(tǒng)[1]。與傳統(tǒng)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的開放性。
（3）GIS應用的分布性?？梢愿鶕?jù)網(wǎng)絡帶寬、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(jié)點上，如分布到多臺服務器上或是將一部分簡單應用分布到客戶機上，復雜的應用仍交給服務器執(zhí)行，這樣可以大大提高GIS軟件的性能。
（4）空間數(shù)據(jù)的分布性?？臻g數(shù)據(jù)可以根據(jù)其本身具備的空間特征存儲在最適宜的位置上，從而大大簡化了對空間數(shù)據(jù)的管理[2]。
政府是資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施主體，資源環(huán)境問題始終是政府部門的關注的重點，涉及部門廣泛。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(shù)據(jù)發(fā)布的網(wǎng)絡瓶頸問題。政府部門的相關應用主要用于資源環(huán)境信息的查詢檢索、瀏覽、打印等，并不注重多種空間分析等對系統(tǒng)資源要求較高的功能，這有利于WebGIS的實現(xiàn)，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時，對于某些有保密要求的各類數(shù)據(jù)，在政府局域網(wǎng)內(nèi)部運行，其安全也是可以控制和可以保障的。一個基于WebGIS的資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的思路由此而來。
3 資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計
3．1 系統(tǒng)總體結構設計
系統(tǒng)建立以空間數(shù)據(jù)的發(fā)布為主要目的，同時也兼顧項目建設單位的自身應用和系統(tǒng)的維護。根據(jù)應用需求，系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)布、系統(tǒng)維護、內(nèi)部應用四個子系統(tǒng)。所有這些子系統(tǒng)都面向同一個數(shù)據(jù)庫，即安徽省資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫。其中，數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)維護和內(nèi)部應用子系統(tǒng)通過內(nèi)部辦公網(wǎng)與數(shù)據(jù)庫服務器相連，而通過1000M光纖向與安徽省政府局域網(wǎng)上用戶發(fā)布數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)安全，內(nèi)部數(shù)據(jù)庫服務器與外部應用服務器之間通過內(nèi)部網(wǎng)關相連并設有防火墻。其總體結構如圖1。
3．2 軟件體系結構選擇及關鍵技術
3．2．1 軟件體系結構的選擇
基于網(wǎng)絡的軟件體系結構主要有Client／Server（客戶機／服務器）和Browser／Server（瀏覽器／服務
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器）兩種。Client／Server體系結構，通過將任務合理分配到Client端和Server端，降低了系統(tǒng)的通訊開銷，可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢。但由于對客戶端的軟硬件和人員素質(zhì)要求較高，所以系統(tǒng)維護、升級難度大，使用也不方便。Browser／Server結構是隨著Internet技術的興起，對Client／Server結構的一種變化或者改進的結構。在這種結構下，用戶界面完全通過WWW瀏覽器實現(xiàn)，一部分事務邏輯在前端實現(xiàn)，但是主要事務邏輯在服務器端實現(xiàn)，客戶端只要有常用的Web瀏覽器即可，不需要安裝任何插件，對系統(tǒng)硬件資源沒有特別的要求[3]。
安徽省資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫主要面向省級各政府部門，用戶數(shù)據(jù)龐大，計算機基礎千差萬別，各部門的計算機系統(tǒng)的資源和性能也各不相同。所以選擇Browser／Server結構作為網(wǎng)絡系統(tǒng)結構。這為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的維護和升級改造打下了基礎。(Top)
3．2．2 關鍵技術
一般的數(shù)據(jù)庫管理和查詢檢索技術比較成熟，需要解決的關鍵技術是如何在網(wǎng)上發(fā)布海量空間信息。安徽省資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫地圖發(fā)布系統(tǒng)以SuperMap IS為基本平臺，分為服務器端、地圖引擎、管理器和客戶端（提供給用戶的頁面）。服務器端、地圖引擎和管理器由SuperMap IS提供，客戶端開發(fā)主要以頁面編輯為主。其工作原理見圖2。
數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)分為空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)發(fā)布兩個方面。非空間數(shù)據(jù)的發(fā)布主要利用Microsoft IIS Web服務器系統(tǒng)，直接獲得或通過SQLServer數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)獲得非空間數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)的發(fā)布分為兩個步驟：①SuperMap IS驅動SuperMap空間數(shù)據(jù)引擎（Spatial Data Engine）直接或間接（利用SQLServer數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）獲得各類矢量空間數(shù)據(jù)集（或地圖）。②SuperMap IS把獲得的矢量空間數(shù)據(jù)轉換為柵格圖，并對柵格數(shù)據(jù)進行空間索引與數(shù)據(jù)壓縮。同時，SuperMap IS與MicroSoft IIS可以協(xié)同工作，以解決空間數(shù)據(jù)與相關非空間數(shù)據(jù)（如屬性數(shù)據(jù)）的聯(lián)合使用問題。
以上解決了空間和非空間數(shù)據(jù)發(fā)布的分工和合作。另一方面，SuperMap IS采用先進的系統(tǒng)設計思路，為海量空間數(shù)據(jù)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，并減少服務器負擔；支持多臺服務器群集實現(xiàn)動態(tài)負載平衡，解決了WebGIS的瓶頸問題；通過建立高效的線性可排序四叉樹索引可以加快數(shù)據(jù)檢索的速度；通過對象級矢量數(shù)據(jù)壓縮和小波變換影像數(shù)據(jù)壓縮大大減少了數(shù)據(jù)訪問的時間，從而可以縮短在服務器端的數(shù)據(jù)處理的時間。(Top)
3．3 數(shù)據(jù)結構
經(jīng)典的地理信息系統(tǒng)采用"點－弧段－多邊形"拓撲空間數(shù)據(jù)結構，內(nèi)部存儲了拓撲關系，處理與拓撲相關的運算具有速度快、準確性高等特點；但是在地圖顯示和其他非拓撲運算方面速度較慢。面向實體的空間數(shù)據(jù)結構在顯示速度等方面具有優(yōu)勢，但是拓撲關系需要實時計算，性能較低①②。安徽省資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫對同一數(shù)據(jù)源，采用拓撲空間數(shù)據(jù)結構和面向實體空間數(shù)據(jù)結構兩種方式存儲，分別支持外部訪問和內(nèi)部應用服務。
3．4 軟、硬件配置
配置兩臺應用服務器，均采用HP－LC2000，并
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具相同的硬件和軟件結構（有兩個PⅢ933MHzCPU，1G內(nèi)存），形成服務器集群，向外部用戶發(fā)布數(shù)據(jù)。內(nèi)部數(shù)據(jù)庫服務器采用LH3000（兩個PIII933MHzCPU，1G內(nèi)存）。其中網(wǎng)絡服務系統(tǒng)通過1000M光纖與省政府網(wǎng)絡直接連接。GIS中心內(nèi)部網(wǎng)絡采用100M交換機進行連接，再通過內(nèi)部網(wǎng)關與外部服務器進行連接。
安徽省資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所采用操作系統(tǒng)軟件有：Windows98，WindowsNT4．0，Windows2000Professional，Windows2000Server；地理信息系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫軟件有MicrosoftSQLServer2000；其它應用軟件有：InternetExplorer5．5，Microsoft Frontpage2000；使用VisualBasic作為主要開發(fā)工具，并采用國產(chǎn)組件式GIS系統(tǒng)SuperMap3．0GIS作為開發(fā)組件。(Top)
3．5 功能設計
數(shù)據(jù)發(fā)布子系統(tǒng)的主要功能有：空間數(shù)據(jù)顯示（放大、縮小和漫游等）、屬性查詢、全局模糊搜索、在線訂單、各縣基本情況文檔查詢和瀏覽等。
內(nèi)部應用子系統(tǒng)主要用于項目建設單位的內(nèi)部工程和研究，在數(shù)據(jù)發(fā)布子系統(tǒng)的原有功能上，還增加了一些空間分析、緩沖區(qū)分析、疊加分析等功能。
系統(tǒng)維護子系統(tǒng)的主要功能有：數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)備份與恢復、空間數(shù)據(jù)管理和元數(shù)據(jù)管理、全局索引的建立與維護、用戶權限的維護等功能。
數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)其目的是生成對原始數(shù)據(jù)資料進行處理，生成較規(guī)范的數(shù)字化空間數(shù)據(jù)。主要功能有：掃描矢量化、矢量數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)分層、矢量或柵格數(shù)據(jù)的校正等。
4 安徽省資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫內(nèi)容
數(shù)據(jù)庫包含1∶50萬、1∶25萬、1∶5萬三個不同的比例尺矢量數(shù)據(jù)和1998年、2000年覆蓋安徽省全境的TM影像數(shù)據(jù)。其中1∶5萬資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)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km2，的這樣數(shù)據(jù)規(guī)模在全國是不多見的。本數(shù)據(jù)庫包括：水體、居民點、交通、行政境界、地表高程五類基礎地理空間數(shù)據(jù)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個類別資源與環(huán)境專題空間數(shù)據(jù)。
5 空間數(shù)據(jù)庫建立步驟和注意問題
5．1 空間數(shù)據(jù)庫建立步驟
如圖3。
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5．2 在建庫過程中注意的問題
5．2．1 數(shù)據(jù)標準
為了保證數(shù)據(jù)庫的一致性、可操作性，數(shù)據(jù)庫采用統(tǒng)一的坐標系、統(tǒng)一的編碼體系和統(tǒng)一的屬性數(shù)據(jù)。統(tǒng)一的坐標系是指，無論是地理坐標系還是平面坐標系都要求統(tǒng)一，以保證地物要素的連續(xù)。統(tǒng)一編碼體系是指，相同的地物要素用相同的編碼，否則數(shù)據(jù)庫間、圖幅間會出現(xiàn)無法接邊的邏輯錯誤。統(tǒng)一屬性數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫所有空間數(shù)據(jù)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，長半軸參數(shù)：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，沒有國家標準編碼的再考慮使用行業(yè)或部門編碼，沒有國家標準編碼和行業(yè)（部門）編碼，就按照規(guī)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(shù)據(jù)分類與代碼》（GB／T13923－92）、《行政區(qū)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(shù)據(jù)庫的建立
元數(shù)據(jù)（Metadata）是關于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，在地理空間數(shù)據(jù)中，元數(shù)據(jù)是說明數(shù)據(jù)內(nèi)容、質(zhì)量、表示方式、數(shù)據(jù)來源、空間參照系及其他有關特性的背景信息，是實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)共享的核心內(nèi)容之一。
其主要作用有：幫助數(shù)據(jù)生產(chǎn)單位有效地管理、組織和維護數(shù)據(jù)。提供有關數(shù)據(jù)內(nèi)容、質(zhì)量等方面的基礎信息，便于用戶比較不同的資料，確定所需用信息。便于用戶查詢和檢索信息，以及進行數(shù)據(jù)處理和轉換[5]。
安徽省資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫的元數(shù)據(jù)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、實體和屬性信息、發(fā)行信息、參考信息組成的。
另外，根據(jù)內(nèi)部系統(tǒng)維護和外部用戶需求分別建立內(nèi)部和外部元數(shù)據(jù)，設計不同的元數(shù)據(jù)內(nèi)容。內(nèi)部元數(shù)據(jù)兼有系統(tǒng)數(shù)據(jù)字典的作用，其內(nèi)容在外部元數(shù)據(jù)的基礎上，還增加數(shù)據(jù)字段描述、專題地圖描述、圖層風格描述等面向系統(tǒng)管理的內(nèi)容。
為了保證元數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和減少數(shù)據(jù)冗余，在元數(shù)據(jù)項的定義中增加類別定義，以便內(nèi)部和外部元數(shù)據(jù)共享相同的數(shù)據(jù)內(nèi)容。
5．2．3 質(zhì)量控制
數(shù)據(jù)質(zhì)量是建立空間數(shù)據(jù)庫成敗之關鍵，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是一項集管理和技術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)過程中的，為生產(chǎn)高質(zhì)量的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，就必須使影響產(chǎn)品質(zhì)量的全部因素，在生產(chǎn)全過程中始終處于受控狀態(tài)。同時，質(zhì)量的檢查和和評價是質(zhì)量控制的重要依據(jù)。
安徽省資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫主要采用人工實物核對檢查、人機交互檢查的作為質(zhì)量控制的主要方法，在標準和規(guī)范的制定、原始資料的選取、數(shù)字化、圖幅編輯和拼接、數(shù)據(jù)入庫等階段確定質(zhì)量控制標準和評價方式。在數(shù)據(jù)庫建立過程中，主要把位置精度、邏輯一致性、語義表示質(zhì)量和完備性等幾方面作為檢查目標，從而保證數(shù)據(jù)庫的整體質(zhì)量。
5．2．4 數(shù)據(jù)安全管理
在早期的大型GIS應用中，客戶端一般采用文件共享的方式訪問服務器上的空間數(shù)據(jù)文件。從客戶端極其容易盜取數(shù)據(jù)文件，帶來重大的安全隱患。安徽省資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫采用關系數(shù)據(jù)庫存儲空間數(shù)據(jù)，系統(tǒng)管理員可以在服務器端定義每一個客戶端的訪問賬號、密碼和權限，每個客戶端完全在服務器端定義好的權限下操作空間數(shù)據(jù)庫，而不是直接訪問服務器上共享的可能被隨時拷貝的文件夾?？蛻舳讼到y(tǒng)則只能按照規(guī)定的方式訪問空間數(shù)據(jù)庫，從根本上解決了傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)存取模式上的數(shù)據(jù)安全問題①②。另一方面，在網(wǎng)絡設計上較多采用網(wǎng)關和防火墻技術，盡力防止外部攻擊。
6 結論
通過一段時間的試運行，表明安徽省資源空間數(shù)據(jù)庫基本達到了預期目標，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、反應快捷，對政府有關資源環(huán)境決策具有一定的參考價值和支持作用。同時，作為一個實用的基于WebGIS的大型資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫，在全國也具有示范作用。
當然，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)只是數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)更新的問題，這也是一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能否長期生存下去的一個關鍵?？上驳氖牵卷椖繉嵤﹩挝灰苍谥纸⒖臻g信息更新系統(tǒng)，力求解決這一問題。
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注釋
①北京超圖地理信息技術有限公司．SuperMap2000開發(fā)教程
②北京超圖地理信息技術有限公司．SuperMap2000程序員手冊
