羅雪茹

（重慶市勘測(cè)院，重慶 401121）

0.引言

城市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)在城市空間資源管理與綜合利用方面有著重要意義。隨著近年來GIS技術(shù)的興起，以GIS算法為核心的GIS技術(shù)能夠?qū)⒊鞘械缆焚Y源以及山川、河流等自然資源有機(jī)整合，通過空間布局管理與城市管理信息有機(jī)結(jié)合，為城市規(guī)劃、管理提供地理空間數(shù)據(jù)服務(wù)，促進(jìn)城市建設(shè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但是，受地域差異的影響，導(dǎo)致平臺(tái)查詢到的相關(guān)信息面與信息精準(zhǔn)度有所降低。以重慶市為例，當(dāng)GIS地理信息庫(kù)中以山地資源為主的自然資源數(shù)據(jù)超過城市應(yīng)用地理信息資源閾值時(shí)[1,2]，傳統(tǒng)的服務(wù)平臺(tái)會(huì)將GIS地理信息數(shù)據(jù)由一級(jí)服務(wù)項(xiàng)降維成二級(jí)服務(wù)項(xiàng)，一定程度上限制了GIS技術(shù)在平臺(tái)應(yīng)用上的適應(yīng)性[3,4]?；诖祟悊栴}，有必要提出一種基于GIS技術(shù)的新城市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)，以解決傳統(tǒng)平臺(tái)的不足。

1.平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)主體根據(jù)GIS地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)，按照硬件開放、多組件集成、多服務(wù)融合的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件總體結(jié)構(gòu)可分為三部分，按照功能實(shí)現(xiàn)的時(shí)間順序依次為應(yīng)用交互硬件層（AIHL）、注冊(cè)信息管理硬件層（RIMH）、地理信息資源管理硬件層（GIRMHL），3層硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用獨(dú)立板載結(jié)構(gòu)[5]，將每一功能硬件層設(shè)計(jì)為一塊功能板，通過BTB數(shù)據(jù)接口連接，最大程度保證每一功能硬件的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 功能硬件模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)硬件層的對(duì)應(yīng)功能模塊設(shè)計(jì)如下：

（1）地理信息資源管理硬件層（GIRMHL）

設(shè)計(jì)位置位于整體硬件設(shè)計(jì)的第三層，是整個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)硬件的核心，其構(gòu)成器件包括收發(fā)信號(hào)傳感器、分布式交互電感、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)調(diào)制器等數(shù)據(jù)處理元件。地理信息資源管理硬件層設(shè)計(jì)模塊功能為：地理信息資源的外部共享數(shù)據(jù)管理與地理資源接入過程的服務(wù)管理。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)上，采用網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)分布式存儲(chǔ)方案，利用分布式交互電感，對(duì)地理信息數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行空間劃分，按照地理信息坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的維度，分別存儲(chǔ)于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之上，方便不同信息點(diǎn)位置用戶的調(diào)取與維護(hù)。在數(shù)據(jù)運(yùn)算方面，該層設(shè)有2顆具有獨(dú)立運(yùn)算功能的GIS運(yùn)算芯片，支持地理信息數(shù)據(jù)資源庫(kù)的數(shù)據(jù)提取、空間分析、地理劃分、地址匹配等運(yùn)算。

（2）注冊(cè)信息管理硬件層（RIMH）

注冊(cè)信息管理硬件層是保證設(shè)計(jì)平臺(tái)硬件與軟件算法及其服務(wù)能夠正確運(yùn)行的關(guān)鍵。硬件層級(jí)上設(shè)計(jì)有多重?cái)?shù)據(jù)交互協(xié)議接口，能夠支持全局語義的分析處理。當(dāng)板載數(shù)據(jù)接收接口收到指令語句時(shí)，會(huì)動(dòng)態(tài)向上發(fā)出地理資源請(qǐng)求，此時(shí)需要完成對(duì)其請(qǐng)求語句的分析注冊(cè)，根據(jù)請(qǐng)求資源對(duì)應(yīng)調(diào)動(dòng)平臺(tái)內(nèi)部資源與服務(wù)模塊，同時(shí)發(fā)出反饋語義信息，完成一次地理信息的交互注冊(cè)?；谏鲜龉δ芰鞒?，注冊(cè)信息管理硬件層除多種協(xié)議接口設(shè)計(jì)外，還包含大量指令集處理器件以及信號(hào)傳感器。

（3）應(yīng)用交互硬件層（AIHL）

該層由多組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器構(gòu)成，其中包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與緩存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩大類。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為地理資源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、邏輯數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、語句定義數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與指令集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，分別對(duì)應(yīng)GIS城市地理信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（如，重慶市城市地理信息數(shù)據(jù)）、平臺(tái)資源調(diào)度算法服務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、GIS架構(gòu)策略數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)運(yùn)算過程中替換數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。緩存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器主要用于上述各類數(shù)據(jù)之間運(yùn)算過程中瞬態(tài)數(shù)據(jù)交換空間的提供。

2.平臺(tái)軟件功能設(shè)計(jì)

完成硬件設(shè)計(jì)后，根據(jù)設(shè)計(jì)硬件功能與設(shè)計(jì)平臺(tái)功能之間的驅(qū)動(dòng)關(guān)系，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)軟件功能。軟件部分包含GIS地理平臺(tái)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、GIS算法底層嵌入設(shè)計(jì)、平臺(tái)服務(wù)流程設(shè)計(jì)3部分，下面對(duì)各部分設(shè)計(jì)詳細(xì)描述。

2.1 GIS地理平臺(tái)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

GIS地理平臺(tái)子系統(tǒng)用于城市地理信息資源架構(gòu)劃分，GIS地理信息空間劃分與地理數(shù)據(jù)調(diào)度、分析處理；下屬功能分為地理空間劃分系統(tǒng)、地理信息共享系統(tǒng)、GIS服務(wù)系統(tǒng)與地址數(shù)據(jù)編碼系統(tǒng)。

（1）地理空間劃分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用資源存儲(chǔ)空間與地理信息資源互補(bǔ)構(gòu)成尺度空間，根據(jù)不同地理信息對(duì)應(yīng)尺度的不同，按照一定時(shí)域排列數(shù)據(jù)管理模塊，獲得移動(dòng)多尺度時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，即地理空間劃分系統(tǒng)。其可實(shí)現(xiàn)功能包括：管轄城市地理信息用戶的識(shí)別、GIS地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)訪問、地理信息數(shù)據(jù)的發(fā)布及歷史地理信息數(shù)據(jù)的管理。每種功能服務(wù)的實(shí)現(xiàn)皆基于GIS算法及GIS技術(shù)硬件獲得的城市地理數(shù)據(jù)資源。

（2）地理信息共享系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到地理信息資源的空間特征，在信息數(shù)據(jù)交換過程中，需要將傳統(tǒng)的二維空間轉(zhuǎn)換為三維空間，在網(wǎng)絡(luò)空間中，每一數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)上都具有三維空間屬性，通過對(duì)GIS時(shí)域與空間值開放共享，可獲得網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端的CA認(rèn)證，再認(rèn)證共享服務(wù)可支持地理信息數(shù)據(jù)的個(gè)人共享，其中包括單位或個(gè)人地理信息數(shù)據(jù)的申請(qǐng)、地理數(shù)據(jù)的層級(jí)劃分及新功能的圖形化管理。

（3）GIS服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

即在GIS服務(wù)系統(tǒng)上設(shè)計(jì)城市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)的核心服務(wù)系統(tǒng)。其核心功能主要對(duì)城市地理信息資源數(shù)據(jù)提供通信接口與子接口，搭建各個(gè)用戶之間的業(yè)務(wù)交互通道。按照平臺(tái)設(shè)計(jì)需要，GIS服務(wù)系統(tǒng)內(nèi)部接口設(shè)計(jì)包括：資源認(rèn)證授權(quán)檢驗(yàn)、資源目錄與數(shù)據(jù)庫(kù)資源服務(wù)、城市地理信息要素服務(wù)、GIS城市地圖服務(wù)及共享資源信息的接口輔助應(yīng)用。

（4）地址數(shù)據(jù)編碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作為電子信息數(shù)據(jù)的一種，GIS城市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)在地址管理功能設(shè)計(jì)上采用自由空間分布匹配的設(shè)計(jì)方案。將數(shù)據(jù)庫(kù)地理信息資源作為初始數(shù)據(jù)源，把地址拆分后分別完成標(biāo)準(zhǔn)化、池化處理，獲得地址匹配分布空間規(guī)則，在相關(guān)資源自服務(wù)的配合下，完成地理信息地址的編碼匹配，同時(shí)完成空間信息與非空間信息之間的地址池轉(zhuǎn)化。

考慮到在地址匹配過程中會(huì)遇到多個(gè)用戶同時(shí)指向帶有專題地址屬性的GIS地理信息數(shù)據(jù)的情況，為了不造成專題地理信息圖層格式與分配地址池權(quán)重誤差，設(shè)計(jì)將GIS專題地址屬性對(duì)應(yīng)GIS格式設(shè)定為SHP格式，并同時(shí)自建專題屬性地址，自建數(shù)量與用戶數(shù)量保持一致。以此保證原有地址池不變的前提下，動(dòng)態(tài)劃分用戶的專題屬性地理信息資源地址，方便了解用戶對(duì)地理信息資源的需求。

2.2 GIS算法底層嵌入設(shè)計(jì)

完成GIS地理平臺(tái)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，為保證平臺(tái)服務(wù)組件、算法、注冊(cè)封裝的一致性，需要將GIS算法嵌入平臺(tái)服務(wù)底層，使其擁有最高的管理權(quán)限。設(shè)計(jì)采用.net服務(wù)構(gòu)建平臺(tái)創(chuàng)建算法服務(wù)，在保證平臺(tái)地理信息Web處理服務(wù)不變的前提下，對(duì)其空間分析與處理算法適應(yīng)系數(shù)優(yōu)化，在平臺(tái)服務(wù)底層建立注冊(cè)邏輯表，鍵值指向GIS算法注冊(cè)封裝權(quán)限。當(dāng)權(quán)限系數(shù)為0時(shí)，GIS封裝服務(wù)與原始地理信息庫(kù)資源保持一致，在此狀態(tài)下，可以在平臺(tái)Web第一層級(jí)、第二層級(jí)進(jìn)行地理信息資源的查詢、申請(qǐng)與共享；當(dāng)權(quán)限系數(shù)為1時(shí)，平臺(tái)開啟超級(jí)用戶權(quán)限，滿足算法權(quán)限的每個(gè)GIS算法標(biāo)識(shí)符、QualifiesName鍵值表都可注冊(cè)到底層算法注冊(cè)中心，憑此權(quán)限可修改。輸入平臺(tái)相關(guān)參量。為保證GIS算法嵌入成功，設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)模塊作為注冊(cè)表加載容器，在算法服務(wù)啟動(dòng)瞬間將其權(quán)限及其進(jìn)程釋放到底層注冊(cè)中心，實(shí)現(xiàn)最高權(quán)限的獲取。其過程對(duì)應(yīng)算法如下：

根據(jù)算法嵌入式容器注冊(cè)閾值對(duì)應(yīng)的第一、二層級(jí)權(quán)限，可得到函數(shù)計(jì)算，如式（1）所示：

將理想閾值狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的GIS算法嵌入鍵值擁有一般用戶權(quán)限，為避免容器嵌入計(jì)算過程模塊誤差較大，設(shè)計(jì)將6×6算法嵌入式容器對(duì)應(yīng)的理想閾值增大，閾值調(diào)整后的大小取x1=6＇b1100_0011，x2=6＇b1111_1011，此時(shí)得到的容器閾值誤差量即為調(diào)整優(yōu)化容器系數(shù)。容器閾值優(yōu)化過程如式（2）所示：

為保證優(yōu)化后容器閾值與注冊(cè)中心權(quán)限系數(shù)保持一致，將容器閾值修正值的約束定義為2n-1，6×6，嵌入式容器閾值注冊(cè)約束為Th=28=6＇b1110_1111。GIS算法底層嵌入設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 GIS算法底層嵌入設(shè)計(jì)原理

2.3 平臺(tái)服務(wù)流程設(shè)計(jì)

為更好實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)功能的目的，對(duì)平臺(tái)服務(wù)流程展開設(shè)計(jì)。根據(jù)平臺(tái)Web服務(wù)參量的耦合性與離散性，采用服務(wù)異構(gòu)分布的編排方式，將其按照流程順序編排成組，使其構(gòu)成可反復(fù)調(diào)用的流程服務(wù)，實(shí)現(xiàn)功能服務(wù)的靈活交互及可視化服務(wù)定制。

在平臺(tái)服務(wù)流程設(shè)計(jì)過程中，按照服務(wù)優(yōu)先級(jí)別可將服務(wù)劃分為前臺(tái)服務(wù)流程與后臺(tái)服務(wù)流程兩種。前臺(tái)服務(wù)流程編排設(shè)計(jì)上，主要針對(duì)服務(wù)運(yùn)行所需資源、關(guān)聯(lián)參量、地理信息鍵值等信息數(shù)據(jù)展開量化；后臺(tái)服務(wù)流程設(shè)計(jì)主要對(duì)前臺(tái)服務(wù)流程對(duì)應(yīng)參量系數(shù)進(jìn)行部署優(yōu)化。整個(gè)平臺(tái)服務(wù)流程設(shè)計(jì)首先由平臺(tái)用戶通過前臺(tái)服務(wù)流程創(chuàng)建服務(wù)流，然后根據(jù)創(chuàng)建服務(wù)流判斷服務(wù)資源等相關(guān)參量是否開始部署，并按照部署參量對(duì)其前臺(tái)服務(wù)流程對(duì)應(yīng)的后臺(tái)服務(wù)流程數(shù)據(jù)完成修正，同時(shí)根據(jù)修正后的后臺(tái)服務(wù)流程數(shù)據(jù)生成新的部署文件，并將其存儲(chǔ)于地理信息部署，完成一次服務(wù)流程的編排。

3.應(yīng)用測(cè)試

為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)平臺(tái)功能，選取重慶市地理信息數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本，通過引入另一種城市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)作為對(duì)比平臺(tái)，對(duì)兩種服務(wù)平臺(tái)功能進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析。

3.1 GIS地理信息生成

將重慶市城市地理信息數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入設(shè)計(jì)平臺(tái)地理信息庫(kù)與對(duì)比平臺(tái)地理信息庫(kù)，設(shè)定主城區(qū)地理信息為生成目標(biāo)，分別生成重慶市主城區(qū)地理信息圖，如圖2所示。

由圖2可知：兩種平臺(tái)生成的地理信息圖有所差異，經(jīng)過與重慶市主城區(qū)數(shù)據(jù)碰撞發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)平臺(tái)生成圖2（a）的精度為準(zhǔn)確值，對(duì)比平臺(tái)生成圖2（b）的河谷地區(qū)精度存在一定誤差。相比之下，設(shè)計(jì)平臺(tái)生成圖更準(zhǔn)確。

圖2 重慶市主城區(qū)地理信息圖

3.2 地理信息關(guān)聯(lián)服務(wù)測(cè)試

在正確的主城區(qū)圖中隨機(jī)抽取10個(gè)位置點(diǎn)，將其設(shè)定為隨機(jī)樣本，如圖3所示。10個(gè)位置點(diǎn)設(shè)計(jì)如下：3組山地地理信息，對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)分別記作SD；3組河流地理信息，對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)分別記作HL；2組林地地理信息，對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)分別記作LD；2組街區(qū)地理信息，對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)分別記作JQ。詳情如表1所示。

圖3 隨機(jī)樣本位置點(diǎn)分布

將表1數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入設(shè)計(jì)平臺(tái)與對(duì)比平臺(tái)，對(duì)其10組樣本相關(guān)信息執(zhí)行信息查詢服務(wù)，得到查詢結(jié)果如表2所示。

表1 隨機(jī)樣本參量對(duì)照表

由表2可知：在相同查詢?nèi)蝿?wù)下，對(duì)比平臺(tái)查詢到的詞條量較提出設(shè)計(jì)平臺(tái)的查詢?cè)~條數(shù)量多，但從詞條有效率上看，提出設(shè)計(jì)平臺(tái)的詞條有效率明顯高于對(duì)比平臺(tái)，說明提出設(shè)計(jì)平臺(tái)查詢服務(wù)的關(guān)聯(lián)精度較對(duì)比平臺(tái)的查詢服務(wù)更高。

表2 隨機(jī)樣本地理信息查詢服務(wù)結(jié)果

3.3 地理資源服務(wù)開銷測(cè)試

通過能耗采集工具LCB對(duì)設(shè)計(jì)平臺(tái)與對(duì)比平臺(tái)的地理信息圖生成過程與查詢服務(wù)過程的資源開銷數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如表3所示。通過對(duì)比分析資源開銷數(shù)值，得出測(cè)試結(jié)論。

由表3可知：數(shù)據(jù)可得到兩種城市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)服務(wù)的資源總開銷分別為80.4%、36.3%。從數(shù)值上可以看出，提出設(shè)計(jì)平臺(tái)的資源開銷更小，說明GIS技術(shù)在城市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)中起到優(yōu)化平臺(tái)服務(wù)結(jié)構(gòu)、降低平臺(tái)資源開銷、提升數(shù)據(jù)查詢服務(wù)準(zhǔn)確度的效果。

表3 城市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)服務(wù)開銷比率 單位：%

4.結(jié)束語

基于GIS技術(shù)的城市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)，從硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩部分入手，通過設(shè)計(jì)功能服務(wù)硬件，解決平臺(tái)服務(wù)與數(shù)據(jù)處理問題。在硬件基礎(chǔ)上，軟件對(duì)平臺(tái)地理信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)服務(wù)針對(duì)性設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過服務(wù)項(xiàng)及其相關(guān)參量的優(yōu)化，使GIS算法與平臺(tái)服務(wù)融合效果達(dá)到最佳。對(duì)GIS地理信息平臺(tái)建設(shè)與后期開發(fā)研究，提供參量標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用規(guī)范。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，提出平臺(tái)在查詢數(shù)據(jù)面上存在過窄問題，因此需要在后期應(yīng)用中通過不斷更新GIS城市地理信息庫(kù)的方式，擴(kuò)展查詢信息關(guān)聯(lián)范圍，完善平臺(tái)功能。