蘭志武

(福州市勘測院,福建福州 350003)

城市空間資源數(shù)據(jù)庫同步技術(shù)研究

蘭志武?

(福州市勘測院,福建福州 350003)

城市空間資源數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)同步問題,是當(dāng)前城市空間信息資源開發(fā)與應(yīng)用亟待解決的問題,它對于提高地理空間信息現(xiàn)勢性與應(yīng)用水平具有重要的理論和實(shí)踐意義。通過分析空間信息資源同步技術(shù)需求和現(xiàn)有技術(shù)的不足,提出了基于空間匹配分類更新模式的同步技術(shù)方案,重點(diǎn)探討了“空間要素快速匹配技術(shù)”、“基于WCF信息快速傳輸技術(shù)”、“ArcSDE版本管理”、“原子鐘授時(shí)同步控制技術(shù)”等關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。技術(shù)方案在ArcEngine10.1+ VS.NET 2010平臺上實(shí)現(xiàn),并經(jīng)過福州市勘測院生產(chǎn)實(shí)踐的檢驗(yàn),證明其可行性實(shí)用性。

空間信息同步;要素匹配;信息傳輸

1 引 言

目前,反映地理空間環(huán)境的城市空間資源數(shù)據(jù)庫處于不斷變化之中,單一空間資源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)難以同時(shí)滿足生產(chǎn)與應(yīng)用雙重要求,給日常應(yīng)用帶來很大壓力。為此大多數(shù)城市勘測院采用空間信息“生產(chǎn)庫”與空間信息“應(yīng)用庫”相互分離的模式[1]。此外、目前政府部門大多也是采用“應(yīng)用庫”(即生產(chǎn)庫副本)模式共享空間信息資源。

如何將“生產(chǎn)庫”中的變化信息及時(shí)反映到“應(yīng)用庫”中,即所謂空間資源數(shù)據(jù)庫同步問題。由于技術(shù)上的原因,目前解決同步問題主要依靠簡單替代法,也就是用“生產(chǎn)庫”中某區(qū)域的數(shù)據(jù)直接替換“應(yīng)用庫”中同區(qū)域的數(shù)據(jù)。這種方法雖然簡單實(shí)用,但需要人工操作完成,不僅影響“應(yīng)用庫”的更新效率,造成“應(yīng)用庫”現(xiàn)勢性的嚴(yán)重滯后,而且嚴(yán)重?fù)p害空間信息變化的真實(shí)性,應(yīng)用上造成非空間信息失去空間關(guān)聯(lián)。

可見,在空間信息快速獲取能力足以保障空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)實(shí)時(shí)響應(yīng)地理環(huán)境變化的情況下,如何為“應(yīng)用空間數(shù)據(jù)庫”實(shí)時(shí)分發(fā)變化信息,解決“生產(chǎn)庫”與“應(yīng)用庫”之間同步問題,是當(dāng)前城市空間資源數(shù)據(jù)庫維護(hù)更新亟待解決的問題。

1.1 城市空間資源數(shù)據(jù)庫同步技術(shù)需求分析

通過對福州市空間資源數(shù)據(jù)庫實(shí)例的深入分析,可概括為如下三類同步問題:

(1)適應(yīng)城市空間環(huán)境的快速變化

福州市勘測院在2009年建立覆蓋全市800 km2的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫生產(chǎn)系統(tǒng)之后,利用竣工測量、規(guī)劃修測任務(wù)、航空遙感等對1∶500數(shù)據(jù)進(jìn)行不間斷的修測,這些任務(wù)雖然范圍不大,但數(shù)目眾多,幾乎每天有數(shù)十件,基本上只能采用離線作業(yè)方式(因外業(yè)特點(diǎn)或所用技術(shù)的關(guān)系)。而離線作業(yè)產(chǎn)生的變化信息需要及時(shí)合并到生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫中,才能保證前臺售圖業(yè)務(wù)(帶有政府職能性質(zhì))滿足用戶要求。

(2)適應(yīng)城市空間信息更新區(qū)域化

隨著福州市勘測院業(yè)務(wù)的拓展,先后組建了平潭、福清、長樂、閩侯、永泰等分院,以滿足空間生產(chǎn)更新區(qū)域化需要。這些區(qū)域子庫的變化信息需要盡快同步到總院中心數(shù)據(jù)庫。

(3)解決應(yīng)用庫現(xiàn)勢性滯后的問題

目前福州市規(guī)劃局、國土局等單位采用“應(yīng)用庫”形式共享福州市空間資源數(shù)據(jù)庫的信息,勘測院采用定期(通常一個(gè)月)區(qū)域簡單替代方法對各應(yīng)用庫進(jìn)行更新,這種方法雖然簡單易行,但人工管理工作量大,更新周期長,而且嚴(yán)重?fù)p害了空間數(shù)據(jù)庫變化的真實(shí)性,應(yīng)用上造成非空間信息失去空間關(guān)聯(lián)?？陀^上迫切需要解決這類問題的新技術(shù)新方法。

1.2 現(xiàn)有空間數(shù)據(jù)庫同步技術(shù)分析

為解決數(shù)據(jù)維護(hù)更新的同步問題,GIS業(yè)界做出了許多嘗試,總體來說,可歸納為兩類更新模式:“區(qū)域整體更新”模式、“區(qū)域增量更新”模式[1],增量更新模式可細(xì)分為:基于全球GloblID模式、基于時(shí)間軸模式、空間匹配分類三類。下面就其優(yōu)缺點(diǎn)分別進(jìn)行分析:

(1)區(qū)域整體更新模式分析

區(qū)域整體更新就是將空間數(shù)據(jù)庫中某區(qū)域的數(shù)據(jù)全部替換,這種方法簡單實(shí)用,對于更新周期為2年～3年甚至更長的情況是合適的,它是大多數(shù)空間數(shù)據(jù)庫常用方法。主要問題是:

①必須有清晰的區(qū)域邊界;

②沒有顧及空間信息數(shù)據(jù)庫變化的真實(shí)性;

③非空間信息將全部失去空間關(guān)聯(lián)。

(2)基于GloblID增量更新模式分析:

ArcGIS 9.2版本后,提供了基于【GloblID】同步復(fù)制功能,包括三種方式[2]:

簽入簽出方式:數(shù)據(jù)check out為gdb格式,離線編輯完成后,再check in,實(shí)質(zhì)上是使用ArcSDE版本管理功能。

One Way:兩個(gè)SDE數(shù)據(jù)庫之間建立單向同步復(fù)制關(guān)系。

Two Way:兩個(gè)SDE數(shù)據(jù)庫之間建立雙向同步復(fù)制關(guān)系。

ArcGIS三種方式局限性在于:

①每一個(gè)數(shù)據(jù)集必須支持【GloblID】字段,以標(biāo)識每條記錄在該gdb內(nèi)或gdb之間的唯一性。數(shù)據(jù)編輯處理強(qiáng)烈依賴ArcGIS軟件,否則將造成GloblID混亂。但目前大多單位都采用國產(chǎn)地理信息編輯處理軟件。

②只適合同構(gòu)SDE數(shù)據(jù)庫,對于異構(gòu)空間數(shù)據(jù)庫更新則不適用。

③每種方式對操作人員的要求很高。

(3)基于時(shí)間軸的增量更新模式分析

清華三維EPS 2008軟件推出了基于時(shí)間軸的數(shù)據(jù)庫離線更新方式,支持【修改時(shí)間】字段等表述要素更新時(shí)間的信息,以此判斷哪些信息被修改,哪些信息被刪除等等。該技術(shù)主要局限在于:

①數(shù)據(jù)生產(chǎn)軟件必須嚴(yán)格支持時(shí)間特性,即對任何要素的修改變化,添加,刪除等都能夠準(zhǔn)確記錄發(fā)生的時(shí)間。除EPS軟件外,尚未發(fā)現(xiàn)其他軟件支持這種時(shí)間特性。

②此外、如果計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘收到某種干擾,時(shí)間發(fā)生紊亂,數(shù)據(jù)變化信息將出現(xiàn)嚴(yán)重混亂。EPS軟件為解決此問題加密狗配備了專用授時(shí)的原子鐘。

(4)空間匹配分類更新模式分析

上述模式還存在相同缺陷:它們僅從“數(shù)據(jù)編輯”的角度考察空間信息的變化,信息變化真實(shí)性依賴操作員的作業(yè)習(xí)慣。例如,一個(gè)空間目標(biāo)幾何形態(tài)發(fā)生少許變化,如果采取刪除原來、創(chuàng)建新目標(biāo)的方式,則事物變化的真實(shí)性被破壞。

武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院,吳建華,傅仲良在《數(shù)據(jù)更新中要素變化檢測與匹配方法》一文中,提出在要素類之間缺乏同名實(shí)體關(guān)聯(lián)關(guān)系的情況下,基于權(quán)重的空間要素相似性計(jì)算模型,并基于該模型對復(fù)雜空間關(guān)系下的要素進(jìn)行了匹配[3],取得一定效果,尚處于理論研究階段,實(shí)用性不強(qiáng)。

2 總體技術(shù)路線

2.1 技術(shù)目標(biāo)與要求

(1)準(zhǔn)實(shí)時(shí)、可定制

考慮到將來應(yīng)用庫越來越多,應(yīng)用庫現(xiàn)勢性要求各不相同,可考慮5個(gè)等級同步周期,最快每天同步一次,同步時(shí)間安排在晚上12點(diǎn),基本上不影響信息的使用。

應(yīng)用庫同步更新周期表 表1

(2)無人值守,全自動控制;

(3)支持多對一同步更新模式,即多個(gè)區(qū)域“生產(chǎn)庫”更新一個(gè)“中心庫”;一對多分發(fā)模式,一個(gè)“生產(chǎn)庫”服務(wù)多個(gè)“應(yīng)用庫”;

(4)采用空間匹配分類更新模式,不依賴任何特定軟件,避免非空間信息關(guān)聯(lián)失效;

(5)安全、可靠、快速。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用“3+1”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如圖1所示),由3個(gè)子系統(tǒng)(“信息提取子系統(tǒng)”、“數(shù)據(jù)更新子系統(tǒng)”、“信息傳輸子系統(tǒng)”),和一個(gè)“管理網(wǎng)站”4個(gè)部分組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

(2)系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)采用“推拉式”工作方式協(xié)同工作,即:“信息提取子系統(tǒng)”定時(shí)提取生產(chǎn)庫中變化信息,并上傳至“Web服務(wù)器”,稱為“推”;“數(shù)據(jù)更新子系統(tǒng)”定時(shí)查看Web服務(wù)器是否存在最新更新信息,如果存在,則下載更新信息并更新應(yīng)用數(shù)據(jù)庫,稱為“拉”。

以上過程由原子鐘觸發(fā)(同時(shí)支持人工觸發(fā),以解決特殊需要),觸發(fā)時(shí)間根據(jù)更新周期要求在管理網(wǎng)站中配置;“信息傳輸子系統(tǒng)”提供信息傳輸?shù)耐ǖ?“管理網(wǎng)站”提供配置管理和信息發(fā)布功能。

2.3 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)信息提取子系統(tǒng)

部署在生產(chǎn)服務(wù)器端,包括以下3個(gè)模塊,采用Oracle 10g+ArcEngine 10.1+Visual Studio 2010開發(fā)。

①數(shù)據(jù)提取模塊;

②數(shù)據(jù)打包模塊;

③調(diào)度控制模塊(原子鐘同步控制,信息上傳,過程監(jiān)視)。

(2)數(shù)據(jù)更新子系統(tǒng)

部署在應(yīng)用服務(wù)器端,包括以下5個(gè)模塊,采用Oracle 10g+ArcEngine 10.1+Visual Studio 2010開發(fā)。

①調(diào)度控制模塊(原子鐘同步控制,信息下載接口,過程監(jiān)視);

②信息校驗(yàn)?zāi)K(完成解密、一致性檢查);

③信息匹配模塊(圖形匹配、屬性匹配);

④信息更新模塊(版本管理、信息更新);

⑤異常處理模塊(異常捕獲、異常記錄、異常處理操作)。

(3)信息傳輸子系統(tǒng)與管理網(wǎng)站

部署在Web服務(wù)器端,提供信息中轉(zhuǎn)服務(wù)(接收信息提取子系統(tǒng)上傳信息,響應(yīng)信息更新子系統(tǒng)的下載請求)?！靶畔鬏斪酉到y(tǒng)”采用寄宿方式(在IIS中)與“管理網(wǎng)站”相互集成,共包括以下4個(gè)模塊:

①信息傳輸模塊:采用WCF+Visual Studio 2010開發(fā);

②信息中轉(zhuǎn)服務(wù)模塊:采用SQL Server 2008+Visual Studio 2010開發(fā);

③權(quán)限管理模塊:采用Website+Visual Studio 2010開發(fā);

④信息管理模塊(信息查詢,統(tǒng)計(jì)等):采用Website+Visual Studio 2010開發(fā)。

3 主要關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)有:

①空間目標(biāo)快速匹配技術(shù);

②基于WCF信息快速傳輸技術(shù);

③原子鐘授時(shí)同步控制技術(shù);

④ArcSDE版本管理技術(shù)。

3.1 空間目標(biāo)快速匹配技術(shù)

地理要素匹配其本質(zhì)是通過分析兩個(gè)數(shù)據(jù)集(新舊版本)中空間目標(biāo)的差異與相似性,識別出不同數(shù)據(jù)集中表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界同一地理要素的空間目標(biāo),目的是使計(jì)算機(jī)具備確定同名地物是否發(fā)生變化的人機(jī)智能[1]。

(1)現(xiàn)有匹配技術(shù)的不足

就明確定義的點(diǎn)、線、面要素而言,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入的探討與研究,提出了許多方法(Hausdorff, Fourier,夾角鏈碼法等)[4,5],主要涉及形狀相似度。不足之處在于:

①形狀相似度匹配可能與事實(shí)相背離,在空間數(shù)據(jù)庫更新過程中,不相似的地物未必不匹配。例如:一些人工地物的修改后(例如:建筑物的改建擴(kuò)建,道路延伸,土地地塊用途的改變等)和原來的形狀可能完全不相似。

②屬性變化作用被忽視。在空間數(shù)據(jù)庫更新過程中關(guān)鍵屬性的變化可能起到?jīng)Q定性作用,一些很相似的地物未必匹配,例如:在原址上建筑物重建(平房變?yōu)楦邩?,新舊地物空間相似度可能很高,但和原來的地物已經(jīng)沒有關(guān)系。

③計(jì)算效率太低失去實(shí)用性。有些算法理論上嚴(yán)密,但計(jì)算太復(fù)雜,例如Walter&Fritsch概率統(tǒng)計(jì)的匹配法[6]。

(2)漸進(jìn)式匹配模型

針對空間數(shù)據(jù)庫更新的特點(diǎn),系統(tǒng)采用兼顧匹配準(zhǔn)確率和匹配效率的漸進(jìn)式匹配模型,如圖2所示:

圖2 漸進(jìn)式匹配流程示意圖

①先采用以重疊度計(jì)算為依據(jù)的簡化識別模型[7],新舊要素重疊度大于85%識別為同名要素,新舊要素重疊度小于50%識別為不同名要素,在50%～85%之間為待定。實(shí)驗(yàn)表明:簡化模型可解決80%以上識別問題。

②對剩余15%待定空間目標(biāo)進(jìn)行第二次匹配。采用兩種策略,對于自然變遷要素?cái)?shù)據(jù)層采用Fourier描述子進(jìn)行相似匹配,分別將新舊地物輪廓線進(jìn)行Fourier數(shù)值積分變換,利用Fourier變換能量集中的性質(zhì),將前20階系數(shù)進(jìn)行比對,得出形狀相似度。

對于人工地物數(shù)據(jù)層,采用“最大基因組比對法”(GeneCompare)進(jìn)行相似匹配,將新舊地物輪廓線分解為一系列等長線段,看作生物基因鏈,通過平移旋轉(zhuǎn)操作使新舊地物盡量對齊,然后根據(jù)對齊后相互重疊的最大基因組數(shù),計(jì)算形狀相似度。

③在空間匹配計(jì)算不能判定之后進(jìn)行“語義相似度”計(jì)算,作為最后決策的參考。計(jì)算未變化字段與總屬性字段的數(shù)量比例,剔除大于85%(標(biāo)記為匹配)和小于50%(標(biāo)記為不匹配)情況。對剩余情形,先采用基于分詞的中文文本相似度計(jì)算法(對文本型字段),或采用差異距離法(對數(shù)值型字段)計(jì)算單個(gè)字段相似度,再將所有字段相似度進(jìn)行綜合求得整體語義相似度。

3.2 基于WCF信息傳輸技術(shù)

由于空間要素信息大,往往達(dá)到幾百兆甚至很多(幾個(gè)G);要求信息傳輸可支撐大數(shù)據(jù)量的訪問負(fù)荷,傳輸速度要求快,傳輸安全級別高,穩(wěn)定性要求高。

(1)高壓縮比壓縮算法

壓縮技術(shù)是有效減少網(wǎng)絡(luò)信息傳輸量的關(guān)鍵技術(shù),系統(tǒng)采用LZMA算法將ArcSDE導(dǎo)出的gdb數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮,然后再送入傳輸通道。經(jīng)試驗(yàn)研究表明:比Zip壓縮的數(shù)據(jù)量小30%～70%,極大減少信息傳輸流量。

(2)WCF信息傳輸通道

WCF(Windows Communication Foundation)是Microsoft為構(gòu)建面向服務(wù)的應(yīng)用程序而提供的統(tǒng)一信息傳輸編程模型[8]。WCF采用最基本的SOAP通信機(jī)制保證了信息傳輸?shù)母咝?在一般網(wǎng)絡(luò)條件下可達(dá)到20-100兆/秒,與其他技術(shù)相比傳輸速度更快。同時(shí)具有CIA特性(機(jī)密性、完整性、可驗(yàn)證性),極大地強(qiáng)化了安全控制。

WCF以契約(Contract)來定義雙方通信的協(xié)議,契約必須以接口的方式來體現(xiàn),本文采用C#面向?qū)ο笳Z言實(shí)現(xiàn)。契約通過綁定機(jī)制(Binding)連接到具體通信地址(Address),可以采用編程方式和配置方式,本系統(tǒng)采用配置方式實(shí)現(xiàn),以提供更好靈活性。

由于WCF集合了幾乎由.NET Framework所提供的通信方法,因此駕馭曲線非常陡峭。為獲得安全快速的傳輸效果,本系統(tǒng)最終決定采用技術(shù)先進(jìn)但開發(fā)難度很大的WCF技術(shù)。

3.3 ArcSDE版本管理技術(shù)

ArSDE版本管理技術(shù)使得一個(gè)GeoDatabase能夠有很多Version,用戶可以創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)GeoDatabase版本進(jìn)行編輯操作。本系統(tǒng)為確保應(yīng)用數(shù)據(jù)更新安全,更新時(shí)先利用ArcSDE版本管理建立“緩沖版本”進(jìn)行更新操作,不直接修改數(shù)據(jù)庫;待更新過程成功后再提交給最終版本[9]。

(1)建立緩沖版本(長事務(wù));

(2)根據(jù)更新信息,采用匹配算法提取變化信息;

(3)編輯修改緩沖版本中的要素;

(4)版本提交(更新數(shù)據(jù)庫)。

3.4 同步控制技術(shù)

(1)時(shí)間同步器

受到不明原因的干擾致使計(jì)算機(jī)時(shí)間錯(cuò)亂的現(xiàn)象常有發(fā)生。因此,為避免計(jì)算機(jī)自帶時(shí)鐘穩(wěn)定性問題可能導(dǎo)致的更新信息和操作順序的紊亂,在各服務(wù)器端部署基于“外部時(shí)間源”的時(shí)間同步器接管服務(wù)器時(shí)鐘控制器:“外部時(shí)間源”采用不受軟件干擾的原子鐘。主要作用是:為服務(wù)器提供高精度、高穩(wěn)定性的時(shí)間計(jì)數(shù),提供時(shí)間參數(shù)配置、時(shí)間校準(zhǔn)等。

(2)調(diào)度控制器

調(diào)度控制器設(shè)計(jì)為連續(xù)運(yùn)行的Windows Service程序,部署在生產(chǎn)服務(wù)器(調(diào)度提取子系統(tǒng))或應(yīng)用服務(wù)器(控制更新子系統(tǒng)),如圖3所示:其工作過程如下:

圖3 調(diào)度控制器工作原理示意圖

①定期激活更新任務(wù)(提取上傳或下載更新);

②將“更新任務(wù)”按先后順序放入“任務(wù)隊(duì)列”排隊(duì)等候執(zhí)行;

③執(zhí)行應(yīng)用程序;

④監(jiān)控應(yīng)用程序;

⑤異常處理。

4 結(jié)論與展望

本文技術(shù)方案采用ArcGIS Engine 10.1+Visual C#開發(fā)實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)完成后在福州市勘測院1∶500資源空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:本文提出設(shè)計(jì)開發(fā)的同步技術(shù),針對性強(qiáng),運(yùn)算速度快,目前已成為福州市空間資源數(shù)據(jù)庫重要組成部分。

主要結(jié)論可歸納如下:

(1)同步技術(shù)的使用,極大提高空間信息自動化和智能化水平,省去了許多麻煩的人工操作工作量并保證工作質(zhì)量。

(2)系統(tǒng)采用空間匹配分類模型,做到不管數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式如何,作業(yè)員的作業(yè)習(xí)慣如何,都可準(zhǔn)確判別要素的變化類型,對于維護(hù)空間信息數(shù)據(jù)庫變化的真實(shí)性(最大限度保障非空間信息不失去關(guān)聯(lián))提供了技術(shù)保障。

(3)研究成果應(yīng)用于“應(yīng)用空間數(shù)據(jù)庫”的實(shí)時(shí)分發(fā),有利于提高“數(shù)字城市”空間數(shù)據(jù)框架現(xiàn)勢性,契合當(dāng)代智慧城市發(fā)展的迫切需要,研究成果可為同類型城市空間數(shù)據(jù)庫更新維護(hù)、應(yīng)用分發(fā)等借鑒和參考。

[1] 白立舜.空數(shù)據(jù)庫更新模式、技術(shù)與方法[J].城市勘測, 2012(6).

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Research on Synchronization Technology of Urban Spatial Resource Database

Lan Zhiwu
(Fuzhou Investigation and Surveying Institute,Fuzhou 350003,China)

Urban spatial resource database real-time synchronization problems,is the current development and application of urban spatial information resource problems,it has important theoretical and practical significance to improve the currency of geospatial information and application level.This paper analyzes the spatial information resources deeply synchronization technology needs and the deficiency of existing technology.puts forward a synchronization scheme based on spatial matching classification update mode,focusing on the“spatial feature fast matching technology”,“fast information transmission technology based on WCF”,“ArcSDE version management”,“atomic clock timing synchronous control technology”and soon on key technology development and application.Technical proposal on“ArcEngine10.1+2010 VS.NET”platform implementation,by the production test of Fuzhou Survey&Mapping Institute has proved it’feasibility& Practicability.Research results can provide reference for the same type urban to spatial database update maintenance.

spatial Information synchronous;feature matching;information transmission

1672-8262(2014)06-40-05

P208.1

A

2014—06—22

蘭志武(1967—),男,高級工程師,主要從事測繪生產(chǎn)與技術(shù)管理工作。