罗雪茹
(重庆市勘测院,重庆 401121)
城市地理信息公共服务平台在城市空间资源管理与综合利用方面有着重要意义。随着近年来GIS技术的兴起,以GIS算法为核心的GIS技术能够将城市道路资源以及山川、河流等自然资源有机整合,通过空间布局管理与城市管理信息有机结合,为城市规划、管理提供地理空间数据服务,促进城市建设与经济发展。但是,受地域差异的影响,导致平台查询到的相关信息面与信息精准度有所降低。以重庆市为例,当GIS地理信息库中以山地资源为主的自然资源数据超过城市应用地理信息资源阈值时[1,2],传统的服务平台会将GIS地理信息数据由一级服务项降维成二级服务项,一定程度上限制了GIS技术在平台应用上的适应性[3,4]。基于此类问题,有必要提出一种基于GIS技术的新城市地理信息公共服务平台,以解决传统平台的不足。
设计硬件结构主体根据GIS地理信息数据库构建标准,按照硬件开放、多组件集成、多服务融合的设计理念进行设计。硬件总体结构可分为三部分,按照功能实现的时间顺序依次为应用交互硬件层(AIHL)、注册信息管理硬件层(RIMH)、地理信息资源管理硬件层(GIRMHL),3层硬件结构设计采用独立板载结构[5],将每一功能硬件层设计为一块功能板,通过BTB数据接口连接,最大程度保证每一功能硬件的稳定运行。
设计硬件层的对应功能模块设计如下:
(1)地理信息资源管理硬件层(GIRMHL)
设计位置位于整体硬件设计的第三层,是整个设计平台硬件的核心,其构成器件包括收发信号传感器、分布式交互电感、网络信号调制器等数据处理元件。地理信息资源管理硬件层设计模块功能为:地理信息资源的外部共享数据管理与地理资源接入过程的服务管理。在数据存储设计上,采用网络多节点分布式存储方案,利用分布式交互电感,对地理信息数据信号进行空间划分,按照地理信息坐标对应的维度,分别存储于网络节点之上,方便不同信息点位置用户的调取与维护。在数据运算方面,该层设有2颗具有独立运算功能的GIS运算芯片,支持地理信息数据资源库的数据提取、空间分析、地理划分、地址匹配等运算。
(2)注册信息管理硬件层(RIMH)
注册信息管理硬件层是保证设计平台硬件与软件算法及其服务能够正确运行的关键。硬件层级上设计有多重数据交互协议接口,能够支持全局语义的分析处理。当板载数据接收接口收到指令语句时,会动态向上发出地理资源请求,此时需要完成对其请求语句的分析注册,根据请求资源对应调动平台内部资源与服务模块,同时发出反馈语义信息,完成一次地理信息的交互注册。基于上述功能流程,注册信息管理硬件层除多种协议接口设计外,还包含大量指令集处理器件以及信号传感器。
(3)应用交互硬件层(AIHL)
该层由多组数据存储器构成,其中包括数据存储器与缓存数据存储器两大类。数据存储器分为地理资源数据存储器、逻辑数据存储、语句定义数据存储与指令集数据存储器,分别对应GIS城市地理信息数据存储(如,重庆市城市地理信息数据)、平台资源调度算法服务数据存储、GIS架构策略数据存储与数据运算过程中替换数据的存储。缓存数据存储器主要用于上述各类数据之间运算过程中瞬态数据交换空间的提供。
完成硬件设计后,根据设计硬件功能与设计平台功能之间的驱动关系,对应设计软件功能。软件部分包含GIS地理平台子系统设计、GIS算法底层嵌入设计、平台服务流程设计3部分,下面对各部分设计详细描述。
GIS地理平台子系统用于城市地理信息资源架构划分,GIS地理信息空间划分与地理数据调度、分析处理;下属功能分为地理空间划分系统、地理信息共享系统、GIS服务系统与地址数据编码系统。
(1)地理空间划分系统设计
利用资源存储空间与地理信息资源互补构成尺度空间,根据不同地理信息对应尺度的不同,按照一定时域排列数据管理模块,获得移动多尺度时态数据管理系统,即地理空间划分系统。其可实现功能包括:管辖城市地理信息用户的识别、GIS地理信息数据库访问、地理信息数据的发布及历史地理信息数据的管理。每种功能服务的实现皆基于GIS算法及GIS技术硬件获得的城市地理数据资源。
(2)地理信息共享系统设计
考虑到地理信息资源的空间特征,在信息数据交换过程中,需要将传统的二维空间转换为三维空间,在网络空间中,每一数据节点上都具有三维空间属性,通过对GIS时域与空间值开放共享,可获得网络服务端的CA认证,再认证共享服务可支持地理信息数据的个人共享,其中包括单位或个人地理信息数据的申请、地理数据的层级划分及新功能的图形化管理。
(3)GIS服务系统设计
即在GIS服务系统上设计城市地理信息公共服务平台的核心服务系统。其核心功能主要对城市地理信息资源数据提供通信接口与子接口,搭建各个用户之间的业务交互通道。按照平台设计需要,GIS服务系统内部接口设计包括:资源认证授权检验、资源目录与数据库资源服务、城市地理信息要素服务、GIS城市地图服务及共享资源信息的接口辅助应用。
(4)地址数据编码系统设计
作为电子信息数据的一种,GIS城市地理信息公共服务平台在地址管理功能设计上采用自由空间分布匹配的设计方案。将数据库地理信息资源作为初始数据源,把地址拆分后分别完成标准化、池化处理,获得地址匹配分布空间规则,在相关资源自服务的配合下,完成地理信息地址的编码匹配,同时完成空间信息与非空间信息之间的地址池转化。
考虑到在地址匹配过程中会遇到多个用户同时指向带有专题地址属性的GIS地理信息数据的情况,为了不造成专题地理信息图层格式与分配地址池权重误差,设计将GIS专题地址属性对应GIS格式设定为SHP格式,并同时自建专题属性地址,自建数量与用户数量保持一致。以此保证原有地址池不变的前提下,动态划分用户的专题属性地理信息资源地址,方便了解用户对地理信息资源的需求。
完成GIS地理平台子系统设计后,为保证平台服务组件、算法、注册封装的一致性,需要将GIS算法嵌入平台服务底层,使其拥有最高的管理权限。设计采用.net服务构建平台创建算法服务,在保证平台地理信息Web处理服务不变的前提下,对其空间分析与处理算法适应系数优化,在平台服务底层建立注册逻辑表,键值指向GIS算法注册封装权限。当权限系数为0时,GIS封装服务与原始地理信息库资源保持一致,在此状态下,可以在平台Web第一层级、第二层级进行地理信息资源的查询、申请与共享;当权限系数为1时,平台开启超级用户权限,满足算法权限的每个GIS算法标识符、QualifiesName键值表都可注册到底层算法注册中心,凭此权限可修改。输入平台相关参量。为保证GIS算法嵌入成功,设计采用动态模块作为注册表加载容器,在算法服务启动瞬间将其权限及其进程释放到底层注册中心,实现最高权限的获取。其过程对应算法如下:
根据算法嵌入式容器注册阈值对应的第一、二层级权限,可得到函数计算,如式(1)所示:
将理想阈值状态下对应的GIS算法嵌入键值拥有一般用户权限,为避免容器嵌入计算过程模块误差较大,设计将6×6算法嵌入式容器对应的理想阈值增大,阈值调整后的大小取x1=6'b1100_0011,x2=6'b1111_1011,此时得到的容器阈值误差量即为调整优化容器系数。容器阈值优化过程如式(2)所示:
为保证优化后容器阈值与注册中心权限系数保持一致,将容器阈值修正值的约束定义为2n-1,6×6,嵌入式容器阈值注册约束为Th=28=6'b1110_1111。GIS算法底层嵌入设计原理如图1所示。
图1 GIS算法底层嵌入设计原理
为更好实现上述设计功能的目的,对平台服务流程展开设计。根据平台Web服务参量的耦合性与离散性,采用服务异构分布的编排方式,将其按照流程顺序编排成组,使其构成可反复调用的流程服务,实现功能服务的灵活交互及可视化服务定制。
在平台服务流程设计过程中,按照服务优先级别可将服务划分为前台服务流程与后台服务流程两种。前台服务流程编排设计上,主要针对服务运行所需资源、关联参量、地理信息键值等信息数据展开量化;后台服务流程设计主要对前台服务流程对应参量系数进行部署优化。整个平台服务流程设计首先由平台用户通过前台服务流程创建服务流,然后根据创建服务流判断服务资源等相关参量是否开始部署,并按照部署参量对其前台服务流程对应的后台服务流程数据完成修正,同时根据修正后的后台服务流程数据生成新的部署文件,并将其存储于地理信息部署,完成一次服务流程的编排。
为了检验设计平台功能,选取重庆市地理信息数据作为测试样本,通过引入另一种城市地理信息公共服务平台作为对比平台,对两种服务平台功能进行数据对比分析。
将重庆市城市地理信息数据分别导入设计平台地理信息库与对比平台地理信息库,设定主城区地理信息为生成目标,分别生成重庆市主城区地理信息图,如图2所示。
由图2可知:两种平台生成的地理信息图有所差异,经过与重庆市主城区数据碰撞发现,设计平台生成图2(a)的精度为准确值,对比平台生成图2(b)的河谷地区精度存在一定误差。相比之下,设计平台生成图更准确。
图2 重庆市主城区地理信息图
在正确的主城区图中随机抽取10个位置点,将其设定为随机样本,如图3所示。10个位置点设计如下:3组山地地理信息,对应位置点分别记作SD;3组河流地理信息,对应位置点分别记作HL;2组林地地理信息,对应位置点分别记作LD;2组街区地理信息,对应位置点分别记作JQ。详情如表1所示。
图3 随机样本位置点分布
将表1数据分别导入设计平台与对比平台,对其10组样本相关信息执行信息查询服务,得到查询结果如表2所示。
表1 随机样本参量对照表
由表2可知:在相同查询任务下,对比平台查询到的词条量较提出设计平台的查询词条数量多,但从词条有效率上看,提出设计平台的词条有效率明显高于对比平台,说明提出设计平台查询服务的关联精度较对比平台的查询服务更高。
表2 随机样本地理信息查询服务结果
通过能耗采集工具LCB对设计平台与对比平台的地理信息图生成过程与查询服务过程的资源开销数据进行采集,如表3所示。通过对比分析资源开销数值,得出测试结论。
由表3可知:数据可得到两种城市地理信息公共服务平台服务的资源总开销分别为80.4%、36.3%。从数值上可以看出,提出设计平台的资源开销更小,说明GIS技术在城市地理信息公共服务平台设计中起到优化平台服务结构、降低平台资源开销、提升数据查询服务准确度的效果。
表3 城市地理信息公共服务平台服务开销比率 单位:%
基于GIS技术的城市地理信息公共服务平台设计,从硬件设计与软件设计两部分入手,通过设计功能服务硬件,解决平台服务与数据处理问题。在硬件基础上,软件对平台地理信息数据系统及数据服务针对性设计优化,通过服务项及其相关参量的优化,使GIS算法与平台服务融合效果达到最佳。对GIS地理信息平台建设与后期开发研究,提供参量标准与应用规范。测试发现,提出平台在查询数据面上存在过窄问题,因此需要在后期应用中通过不断更新GIS城市地理信息库的方式,扩展查询信息关联范围,完善平台功能。