楊述偉

摘 要：多樣化的獲取能力、各行業(yè)的快速發(fā)展促進(jìn)了地理信息數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長，也對其在線服務(wù)應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。目前，在線方式提供的地理信息數(shù)據(jù)應(yīng)用主要是通過WMTS提供地圖服務(wù)、通過WFS提供矢量服務(wù)，響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)量、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相關(guān)性大，而且還存在事先切片費(fèi)時(shí)費(fèi)力，切片后屬性信息缺失而無法支持空間分析和在線編輯兩個(gè)主要問題，嚴(yán)重制約了地理信息數(shù)據(jù)價(jià)值的共享與應(yīng)用。因此，如何提升在線地圖的價(jià)值，發(fā)展快速、有效的海量地理信息數(shù)據(jù)在線服務(wù)模式，是最大化挖掘并發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值的關(guān)鍵。該文圍繞海量地理信息數(shù)據(jù)在線服務(wù)的現(xiàn)狀及需求，討論一種無需切片、直接基于數(shù)據(jù)服務(wù)的GIS地圖引擎，實(shí)現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)的快速發(fā)布、秒級響應(yīng)、實(shí)時(shí)配圖渲染、前端分析與運(yùn)算等需求。

關(guān)鍵詞：海量數(shù)據(jù) 在線地圖 提升價(jià)值 不切片 司南超擎

中圖分類號：TP701 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）06（c）-0028-03

在線方式提供的地理信息數(shù)據(jù)主要是通過WMTS提供地圖服務(wù)、通過WFS提供矢量服務(wù)，響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)量、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相關(guān)性大，而且地圖服務(wù)還存在事先切片費(fèi)時(shí)費(fèi)力，切片后屬性信息缺失而無法支持空間分析和在線編輯兩個(gè)主要問題，嚴(yán)重制約了地理信息數(shù)據(jù)價(jià)值的共享與應(yīng)用。因此，發(fā)展快速、有效的海量地理信息數(shù)據(jù)在線服務(wù)模式，是最大化發(fā)揮、挖掘其數(shù)據(jù)價(jià)值的關(guān)鍵途徑。

該文主要圍繞海量地理信息數(shù)據(jù)在線服務(wù)，針對存在的問題及需求，討論地理信息數(shù)據(jù)快速發(fā)布、秒級響應(yīng)、實(shí)時(shí)配圖渲染、前端分析與運(yùn)算等需求的服務(wù)模式，一方面，滿足現(xiàn)有海量數(shù)據(jù)有效組織管理、快速查詢檢索的需求；另一方面實(shí)現(xiàn)地理信息價(jià)值的充分挖掘與共享。

1 在線地圖服務(wù)

在線地圖服務(wù)整合了網(wǎng)絡(luò)搜索引擎和地圖的優(yōu)勢，使人們擺脫了紙質(zhì)地圖時(shí)間和空間上的局限，通過自動搜索、人工查詢、在線交流等方式為用戶提供方便、快捷、準(zhǔn)確的所需地圖及出行交通指引服務(wù)。豐富的數(shù)據(jù)類型、復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及海量數(shù)據(jù)內(nèi)容，是影響在線地圖服務(wù)響應(yīng)速度的主要因素。地圖切片作為解決海量地理數(shù)據(jù)與有限網(wǎng)絡(luò)帶寬之間矛盾的通用技術(shù)，雖然一定程度上滿足了人們對地理信息數(shù)據(jù)瀏覽、查詢和定位的需求，但是因?yàn)槠涮峁┑氖枪潭ɑ⒒A(chǔ)性的數(shù)據(jù)服務(wù)，存在以下局限性。

1.1 數(shù)據(jù)發(fā)布準(zhǔn)備工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力

數(shù)據(jù)發(fā)布之前需要先將數(shù)據(jù)進(jìn)行配圖、切片、入庫等工作。由于地理信息的范圍廣、數(shù)據(jù)量大，導(dǎo)致前期準(zhǔn)備工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本頗高。以筆者所做的實(shí)驗(yàn)為例，數(shù)據(jù)量為6.3 T的影像數(shù)據(jù)，切片后數(shù)據(jù)量再增加6 T的切片數(shù)據(jù)，完成切片一般需要3～4個(gè)月的時(shí)間，再加上入庫3～4周的時(shí)間；而且，一旦有區(qū)域更新服務(wù)時(shí)，還需要重新進(jìn)行整合、配圖、切片、入庫。

1.2 時(shí)效性難以保證

用戶客戶端請求到的地圖信息是預(yù)先生成的，考慮到地圖服務(wù)更新區(qū)域大小、聚集程度、重新配圖切片等因素的影響，用戶查詢到的信息不一定就是最新的地理信息。

1.3 前端無法編輯處理、分析計(jì)算

同樣，由于用戶客戶端請求到的地圖信息是預(yù)先生成的切片數(shù)據(jù)，已而非原始的矢量地圖數(shù)據(jù)，除了空間信息以外，屬性信息以及不同圖層之間的關(guān)系信息已經(jīng)丟失，無法再根據(jù)用戶需求進(jìn)行進(jìn)一步的編輯處理、分析計(jì)算。例如：無法基于地圖切片進(jìn)行特征識別，提取用戶感興趣的農(nóng)田、水域、城區(qū)、道路等，并生成專題圖信息，以便進(jìn)行農(nóng)業(yè)估產(chǎn)、城市規(guī)劃的應(yīng)用；無法基于地圖切片和其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)疊加分析，服務(wù)于商業(yè)選址、配貨調(diào)度到公路網(wǎng)，鐵路網(wǎng)、電力網(wǎng)、市政管網(wǎng)等設(shè)施的優(yōu)化管理調(diào)度等；無法進(jìn)行時(shí)空數(shù)據(jù)分析計(jì)算，快速發(fā)現(xiàn)土地、建筑、氣溫、環(huán)境、水文的變化，從而積極響應(yīng)并做出預(yù)防措施。

1.4 難以支持大數(shù)據(jù)量的應(yīng)用

WFS矢量服務(wù)雖然一定程度上可以解決切片數(shù)據(jù)的弊端，支持對地理要素的編輯（插入、刪除和更新）、檢索和發(fā)現(xiàn)服務(wù)、支持基于空間幾何關(guān)系的查詢，基于屬性域的查詢，當(dāng)然還包括基于空間關(guān)系和屬性域的共同查詢。但是，WFS服務(wù)的響應(yīng)速度受到數(shù)據(jù)量的限制，難以支持大數(shù)據(jù)量應(yīng)用。

1.5 數(shù)據(jù)安全

在線地圖服務(wù)一方面需要考慮客戶的需求，盡可能提供較高精度的地圖數(shù)據(jù)；另一方面又需要考慮數(shù)據(jù)保密，做好數(shù)據(jù)安全維護(hù)工作。而如何將這兩者兼得，即保證數(shù)據(jù)的精度，又確保數(shù)據(jù)安全，是目前在線地圖服務(wù)難以兼顧的。

2 司南超擎

司南超擎地圖將專業(yè)GIS和公眾地圖在體系架構(gòu)、功能、性能上進(jìn)行了取長補(bǔ)短的融合，是互聯(lián)網(wǎng)化的GIS服務(wù)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+GIS，既能實(shí)現(xiàn)專業(yè)GIS的功能，又能達(dá)到公眾地圖的性能（海量并發(fā)、秒級響應(yīng)），開啟了地信行業(yè)地圖服務(wù)不切片新時(shí)代，提升了在線地圖服務(wù)中海量地理信息數(shù)據(jù)的價(jià)值，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)服務(wù)（DaaS，Data-as-a-Service），來支撐軟件服務(wù)（SaaS，Software-as-a-Service）。

2.1 技術(shù)架構(gòu)

司南超擎整體技術(shù)架構(gòu)由表現(xiàn)層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)庫層組成，表現(xiàn)層通過網(wǎng)頁和移動端提供查詢檢索分析統(tǒng)計(jì)更新等功能，服務(wù)層基于GIS平臺建立空間數(shù)據(jù)索引、發(fā)布服務(wù)以及生產(chǎn)緩存等，數(shù)據(jù)庫層用來存儲司南超擎格式的空間索引文件，具體如圖1所示。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

司南超擎具有以下幾個(gè)技術(shù)特點(diǎn)。

（1）數(shù)據(jù)直接發(fā)布，無需切片。

不用局限于數(shù)據(jù)量大小、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施的限制，實(shí)現(xiàn)柵格、矢量地理信息數(shù)據(jù)不切片、直接發(fā)布。既節(jié)約了切片工作的時(shí)間人力，又解決了互聯(lián)網(wǎng)上海量數(shù)據(jù)與有限帶寬的問題，支持前端數(shù)據(jù)編輯處理、空間分析與運(yùn)算，支持在線配圖，直接配圖，直接瀏覽。

（2）空間聚類索引。

首先，現(xiàn)有索引是通過矢量數(shù)據(jù)的外包矩形來構(gòu)建，司南超擎的索引通過坐標(biāo)點(diǎn)來構(gòu)建，不僅能表達(dá)矢量數(shù)據(jù)內(nèi)部的坐標(biāo)信息，還能表達(dá)由此延伸的矢量數(shù)據(jù)之間空間關(guān)系，解決了現(xiàn)有索引“微觀不夠微觀”的問題。

其次，司南超擎的索引解決了現(xiàn)有技術(shù)按照數(shù)據(jù)集來分別構(gòu)建索引后，不能動態(tài)地將任意多個(gè)數(shù)據(jù)集的索引無縫融合的難題，也就是解決了現(xiàn)有索引“宏觀不夠宏觀”的問題。

最后，目前的索引技術(shù)會使響應(yīng)時(shí)間隨著數(shù)據(jù)量的增長呈非線性指數(shù)級增長，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)應(yīng)用，而司南超擎地圖采用的索引技術(shù)，使數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間不隨原始數(shù)據(jù)量增長而成比例增長，而是近似趨向于無關(guān)，解決了現(xiàn)有索引的數(shù)據(jù)量大、效率低的問題。

（3）分布式索引技術(shù)。

采用分布式索引技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式存儲，保證數(shù)據(jù)的單獨(dú)唯一存儲。同時(shí)，無需對數(shù)據(jù)進(jìn)行切片預(yù)處理，一份數(shù)據(jù)即可滿足不同顯示級別下的應(yīng)用需求，避免數(shù)據(jù)的多份重復(fù)儲存，降低數(shù)據(jù)的存儲空間及成本。

（4）化簡壓縮技術(shù)。

在不擾亂拓?fù)潢P(guān)系的前提下對原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的刪減，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的無損壓縮，既保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的效率，又保證數(shù)據(jù)顯示繪制的質(zhì)量。

（5）漸進(jìn)傳輸技術(shù)。

在顯示繪制的過程中，每一次的數(shù)據(jù)請求，通過增量數(shù)據(jù)標(biāo)識，計(jì)算增量數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)增量數(shù)據(jù)的查詢、讀取、傳輸和繪制，提高系統(tǒng)性能。

（6）數(shù)據(jù)加密與安全保護(hù)。

由于直接發(fā)布的是原始數(shù)據(jù)，司南超擎在數(shù)據(jù)傳輸、內(nèi)容控制、加密算法等方面保證數(shù)據(jù)安全，通過傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)，需要通過司南超擎客戶端解析，私有加密算法和加密秘鑰，在內(nèi)容和精度方面控制數(shù)據(jù)安全。

3 應(yīng)用案例

目前，司南超擎已成功應(yīng)用到多個(gè)部委級數(shù)據(jù)資源管理系統(tǒng)，下面分別舉出兩個(gè)有代表性的例子。案例1的應(yīng)用特點(diǎn)在于海量多元數(shù)據(jù)的管理、查詢及后續(xù)應(yīng)用；案例2的應(yīng)用特點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)前端空間分析與計(jì)算。

3.1 應(yīng)用案例1

（1）數(shù)據(jù)內(nèi)容。

案例1中主要包括影像和矢量數(shù)據(jù)兩大類。其中，影像成果數(shù)據(jù)共涉及到91 919幅TIFF影像，總數(shù)據(jù)量達(dá)150 T。矢量數(shù)據(jù)共涉及到67個(gè)圖層，要素?cái)?shù)量334 921 309個(gè)，總數(shù)據(jù)量約290 G。如此巨大的數(shù)據(jù)量，是很難進(jìn)行管理和調(diào)用的。

（2）司南超擎應(yīng)用示例。

利用司南超擎管理數(shù)據(jù)，不但極大地提高了計(jì)算效率，而且極大地減少了讀取、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。表1是發(fā)布的矢量服務(wù)的要素和響應(yīng)時(shí)間（單點(diǎn)式部署下的測試效果），圖2是全國矢量數(shù)據(jù)在1：2 300萬比例尺下的展示效果，數(shù)據(jù)量約290 G。

3.2 應(yīng)用案例2

（1）數(shù)據(jù)內(nèi)容。

案例2的數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理信息矢量數(shù)據(jù)和專題矢量數(shù)據(jù)，共22個(gè)圖層，圖元數(shù)量110 263個(gè)，數(shù)據(jù)量為70 M。

（2）司南超擎應(yīng)用示例。

案例2系統(tǒng)涉及到各省市多個(gè)用戶，每個(gè)用戶提出僅能顯示各自管轄范圍的數(shù)據(jù)，例如：北京市的用戶只查詢北京范圍內(nèi)的長城。如果采用傳統(tǒng)切圖方式，是不可能實(shí)現(xiàn)的，而WFS服務(wù)難以支持大數(shù)據(jù)量應(yīng)用，司南超擎產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)直接發(fā)布矢量服務(wù)，實(shí)時(shí)繪制。

4 結(jié)語

地理信息數(shù)據(jù)對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的意義是不言而喻的，而深入發(fā)揮并挖掘其價(jià)值的服務(wù)模式，是行業(yè)內(nèi)目前的工作重點(diǎn)。司南超擎地圖能夠快速、直接提供基于原始地圖數(shù)據(jù)的服務(wù)（包括多尺度、多類型、多時(shí)相的影像和矢量數(shù)據(jù)），并且不受數(shù)據(jù)量劇增、硬件及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的限制，除了支持瀏覽查詢、導(dǎo)航定位外，還支持?jǐn)?shù)據(jù)分析計(jì)算、增量更新、在線專題地圖產(chǎn)品配置等，大大提高了地理信息價(jià)值的共享與應(yīng)用，為城市規(guī)劃、地形圖更新、環(huán)境保護(hù)、智慧城市建設(shè)等方面提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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