数字城市地理空间框架建设项目技术介绍

2010-10-27 来源:中国测绘宣传中心搜集整理

    早在2006年,国家测绘局就首先在经济最发达、人口最密集、设施最集中的城市地区,启动了“数字城市地理空间框架建设”工作。截止到2010年底,全国将有29个省的150个城市经遴选成为试点或推广城市。其中,太原、潜江、嘉兴等城市已经顺利通过了国家级验收。北京西城、通州、郑州、西安等近30个城市现已全面完成了框架建设。
    这些城市通过国家、省和地市三级之间共建共享机制,建成了1:25万、1:5万、1:1万或1:5千、1:2千、1:500数字线划图数据,2.5米、1米、0.5米遥感影像数据,以及相应精度的数字高程模型数据。还通过低空遥感、车载激光雷达等高新测量技术,获取了优于0.1米的高分辨率遥感影像、每栋建筑物的精细三维模型、沿道路立面街景数据以及标志性建筑物的360度全景影像,真正形成了市域覆盖横向到边、数据尺度纵向到底、信息内容深入到点的完备基础地理信息数据资源体系。
    框架建设显著提升了我国在地理信息领域的自主创新能力。依托NewMap等自主知识产权软件建立的地理信息公共平台,通过网络提供在线调用、零码组装、标准服务和二次开发四种应用模式,建立了300多个专题应用系统,很好地满足了政府及部门、企事业单位和社会公众不同层次的需求。为当地经济社会发展提供坚实的支撑。
    对下一步工作,国家测绘局徐德明局长在2010年之初就提出了十分具体的要求:“2015年前,要完成全国地级市和有条件县级市的框架建设,力争将2020年初步建成数字中国地理空间框架的目标提前5年实现!”

1.技术背景

    二十一世纪初,Web2.0的问世,迅速带动Web Service、地图混搭(Mashup)等新技术在地理信息领域的应用,使基于网络的地理信息服务不仅成为可能,更成为社会公众衣食住行不可或缺、灵活便捷的基本工具,导致人类对地理信息以及相关的在线发布软件和技术需求空前迫切。
    然而,以文件和数据库为基础的传统架构地理信息软件,很难适应以服务为核心的应用要求,如ArcGIS、MapInfo等,面对数据即服务、功能即服务、处理即服务、工作流即服务、资源即服务等以服务为核心的新体系架构,存在效率不高、互操作性不强、跨平台性不够等诸多不适应。
    在需求牵引和技术拉动的双重动力驱使下,以文件和数据库为基础的传统架构的GIS软件向以服务为核心的GIS软件过渡发展端倪渐现。
    GIS软件源于美国、加拿大等发达国家,于上世纪八九十年代引入我国并在众多领域得到广泛应用。尽管后期出现了国产化的软件,但一直以来处于模仿与跟踪的发展状态。
    因此,为彻底改变传统架构GIS软件时代我国落后的被动局面,紧紧抓住转型升级这一历史机遇,自2001年始就积极向科技部、信息产业部、国家测绘局等部门争取973基础研究前期、863计划、国家科技支撑计划、电子创新基金等理论与技术研究开发项目,项目率先开始并多年来坚持不懈地研制完全自主知识产权的全新架构的服务型GIS软件,旨在发挥后发优势,迎头赶上,实现GIS软件的跨越式发展,助推我国地理信息应用从数据提供发展到服务提供的新的历史阶段。

2.技术内容

    1)总体思路
    随着Web技术的普及和升级换代,近十年内已从“静态、单向应用”的1.0发展到了“资源自由整合与有效聚合”的3.0时代,带动了地理信息应用从数据提供阶段进入到在线服务这样一个全新的历史阶段。以文件和数据库为基础的传统架构地理信息软件,如ArcGIS、MapInfo等,面对数据即服务、功能即服务、处理即服务、工作流即服务、资源即服务等以服务为核心的新体系架构,存在效率不高、互操作性不强、跨平台性不够等诸多不适应。
    为此,项目采用SOA架构的先进理念,面向地理信息资源分布式存储、逻辑式集中的需求,提出并建立服务型地理信息公共平台软件的四层体系架构:数据层、GIS服务层、Web服务层和应用层,完全从底层研制自主知识产权的Newmap原子级底层核心,具有长期稳定、联动更新、细颗粒度、环境普适、服务高效和公共性的特质。
    针对地理信息大数据量、快速处理的需求,基于Newmap原子级底层核心,遵循COM技术规范,封装全组件式开发控件包Newmap Objects,提供部件化、标准化、工业化的GIS功能模块,并搭建Newmap DMP GIS系统,实现空间数据的加工、建库、管理、配置、制图、分析与输出等功能。
    针对新历史阶段下提供地理信息在线服务的需求,基于Newmap原子级底层核心,遵循WebService标准,封装Newmap Server:“云”(服务器端)的服务接口和“端”(客户端)的二次开发接口,并搭建Newmap PLAT Portal系统,实现在线的服务提供、发现、注册、聚合以及安全认证、实时监控和运维管理等功能。
    Newmap原子级底层核心以及Newmap Objects、Newmap Server,连同Newmap DMP GIS系统和Newmap PLAT Portal系统,共同构成服务型地理信息公共平台完整的软件技术体系。该体系可以提供多种类型的地理信息服务,具有服务丰富、管理便捷、经济实用、性能高效的特点,能够全面满足数字城市、数字区域、数字中国以及数字行业建设和应用的需要。
    2)技术方案
    (1)整体架构
    秉承面向服务架构(SOA,Service Oriented Architecture)的设计思想和理念,项目提出了服务型地理信息公共平台软件Newmap的整体架构,由数据层、GIS服务层、Web服务层和应用层四层体系构成。
    ·数据层,提供在线地理信息服务的数据集合,包括地图数据、要素数据、影像数据、三维数据等,支持shp、mif、dxf、dwg、dgn、img、tif、3ds、x等20种文件格式,以及Oracle、SQLServer等常用大型数据库;
    ·GIS服务层,实现多种类型、多种功能的地理信息服务的发布与管理,支持目录服务、地图服务、要素服务、网络服务、功能服务、标准服务、地理编码服务、三维服务等,以及第三方服务的聚合及再发布;
    ·Web服务层,实现基于标准协议(HTTP/TCP)的服务请求的接收、分发、处理及结果返回,支持基于Apache、IIS、Nginx、Lighttpd等常用Web服务的部署;
    ·应用层,实现客户端在线应用、第三方软件接口调用、专题系统定制应用等多种模式的地理信息服务访问和调用,支持IE、FireFox、Chrome等多浏览器、跨平台客户端应用。
    (2)原子级底层核心
    计算机技术的发展一方面推动了地理信息软件的进步,但同时也让地理信息软件为不断追赶IT技术变化承受了沉重负担。操作系统从Unix为主到Windows主宰再到当前的Unix、Windows、Linux多元鼎立,开发语言从汇编语言到Pascal到C语言再到Java、.net,网络浏览器从Netscape、IE到FireFox、Chrome,这些发展变化使GIS软件所依赖的技术环境越来越复杂,为跟上技术变化满足不同类型应用环境需求,采用传统架构研发GIS软件的负担越来越重。
    为摆脱此种窘境,保证所研制的服务型地理信息软件能够满足不同类型环境的应用需求,以相当小的调整普遍适应当前和未来信息技术在硬件设备、操作系统、开发语言等方面的发展和进步,Newmap软件研发之始就采用了一种领先的软件架构,确立了可保持长期稳定的原子级底层核心Newmap Components以及在此基础上通过环境相关的扩展进行产品封装的整体思路。
    Newmap软件的原子级底层核心Newmap Components的构建思路为:把实现地理信息处理、表达、管理、应用与服务的各项功能、算法、流程和所依赖的开发技术进行有效隔离,剥离提取出相对稳定的、不依赖软件界面、开发接口、事件机制、数据引擎等易变的技术环境的核心功能和算法,并进行细颗粒度的组织,采用高效、成熟、标准的C++语言予以具体实现,建立了Newmap原子级底层核心Newmap Components。以Newmap原子级底层核心为基础,通过外围功能模块和人机交互界面的扩展实现产品级软件的封装和搭建,从而保证在相关技术环境发展变化时仅需重新实现或调整外围扩展部分,确保Newmap系列软件的长期可维护性、扩展性和伸缩性。
    Newmap原子级底层核心具有以下技术特点:
    ·系统平台无关性,支持多种操作系统,包括Windows(2003 Server、2008 Server、XP、Vista、7系列等)、Unix和Linux等;
    ·硬件平台无关性,支持多种计算机设备,包括小型机、刀片服务器、PC服务器、微机和移动计算设备等;
    ·长期稳定性,底层核心实现的是不依赖于外围开发技术的细颗粒度的公共性功能与算法,可以保持长期稳定;
    ·运行高效性,底层核心采用标准C++语言实现,运行高效,可以满足复杂空间分析运算和大数据量处理要求;
    ·家族产品一致性,统一的底层核心保证了Newmap系列产品功能的一致性以及彼此之间良好的兼容性;
    ·产品升级同步性,由于Newmap软件产品底层是完全一致的,底层核心升级后,全系列所有产品的相关功能同步升级;
    ·开发语言多样性,支持C/C++、Java、JavaScript、PHP、ASP、.Net等多种语言的调用开发。
    Newmap原子级底层核心共包含7层40大类278亚类内容。
    (3)Newmap Objects
    在Newmap原子级底层核心的基础上,遵循COM技术规范,封装了全组件式的开发控件包Newmap Objects,提供了部件化、标准化、工业化的GIS功能模块,开发人员可以借助它搭建各种类型的地理信息应用,大幅降低了系统开发的技术门槛,缩短了开发周期。Newmap Objects包括11大类控件。
    (4)Newmap DMP
    Newmap的统一底层支持是自主研制的包含40大类278亚类内容的Newmap Components,以此为基础,针对提供在线地理信息服务所需的数据管理、地图制作、服务发布、二次开发、在线应用、维护管理、专题应用等全流程的技术需求,通过动态装配组装建立了数据管理软件Newmap DMP、信息服务软件Newmap Server、运维管理软件Newmap Manager、辅助应用软件Newmap PLAT以及一系列的行业应用软件(规划、国土、公安、应急、工商、卫生、统计等),各软件均基于统一的底层支持,采用松散耦合结构,通过标准接口实现信息交换,具有良好的可扩充性和可维护性特征。
    ·Newmap DMP
    数据管理软件,实现了从基础地理信息数据到面向服务数据的加工、配置及管理,支持矢量数据、影像数据、缓存数据、元数据等多种类型,提供了多种格式数据的导入、编辑、入库、更新、删除、裁切、转换、导出、制图等功能,兼容各种常用的数据格式达20多种,提供了快速的一键式地图配置和灵活的符号编辑制作功能,实现了平台无关的地图可视化表达,为网络地理信息发布服务提供基础支撑。
    Newmap DMP的性能指标和技术特点如下:
    ·良好的数据兼容性,支持20多种数据格式的导入与输出;
    ·多类型地理信息的一体化管理,包括矢量、影像、地名、三维数据等;
    ·支持TB级海量数据的管理;
    ·具备网格与瓦片一体的空间索引,实现海量数据快速浏览调度;
    ·基于专家知识模版的自动化制图;
    ·基于地图基元模型的跨平台地图可视化;
    ·可视化的符号编辑器,支持地图符号的自主扩充与可视化定制;
    ·高效的瓦片输出,普通微机上,矢量数据生成瓦片可达300K/秒,影像数据可达2048K/秒。
    (5)Newmap Server
    Newmap Server在Newmap Components的底层支持下,利用PHP、Python等动态脚本语言以及C、C++等跨平台语言组装各类地理信息标准服务,包括OGC服务、地图服务、要素服务、目录服务、三维服务、数据处理服务、地理编码服务、网络服务等多种丰富的服务方式,实现网络共享。每个模块都由服务对象调度器(Server Object Dispatcher,SOD)和服务对象工厂(Server Object Factory,SOF)组成,客户端发送请求到SOD,SOD通过对SOF进行调度与管理,最终将分配的资源提供给客户端。
    Newmap Server以标准接口的形式提供了共计8大类、46种服务,在全部涵盖国际OGC颁布的网络地图服务(WMS)、网络要素服务(WFS)、网络覆盖服务(WCS)等的前提下,扩展了目录服务、数据处理服务、网络分析服务、地理编码服务、三维服务等内容。Newmap Server所提供的服务接口与开发工具无关,支持客户端使用多种常用开发平台(ArcGIS、MapInfo、SuperMap等)、程序语言(C/C++、Js、PHP等)的访问与调用。
    Newmap Server提供了用于B/S模式地理信息应用系统构建的二次开发函数包(JsAPI),共96大类、525个API函数,包括了Map、Layers、Feature、Geometry、Renderer、Event、Control、Tool等丰富的脚本对象类型,并提供了控件工具、应用模板、开发帮助以及源代码范例,可以帮助用户快速创建和配置网络应用。
    Newmap Server的性能指标和技术特点如下:
    ·提供了通用的面向空间信息服务的企业级服务框架;
    ·基于工业标准构建,支持Web2.0;
    ·提供了网络资源的互连互通功能与服务聚合能力;
    ·支持发布动态KML服务、GeoRSS格式空间信息;
    ·跨平台、跨操作系统、跨浏览器的支持能力;
    ·支持在线的空间数据编辑与高级空间分析;
    ·优秀的并发支持能力;
    ·基于服务库的富客户端应用系统“零码组装”功能。
    (6)Newmap PLAT
    Newmap Manager运维管理软件,面向分布式网络用户的管理与监测,提供了全方位的用户、权限、流量、操作等方面的管理功能,为地理信息服务的稳定运行和安全控制提供保障。
    Newmap Manager实现了七类管理维护功能,即用户管理,包括用户创建、修改、分级、分组、授权、禁用、删除等;部门管理,包括部门创建、修改、删除、授权、禁用等;服务管理,包括服务的创建、配置、路径、启动、预览、暂停、停止、删除等;日志管理,用户的每一项操作均记录为系统日志,提供对日志的分用户、时间、操作类型等方式的查询、统计和分析功能;运行监控,监控各类服务运行状态,包括数据流量、访问量、实时速度、实时用户、历史用户等,支持针对恶意下载、网路堵塞等异常情况的自动提示与报警;数据管理,按用户需求定制数据和服务清单的管理;标注管理,用户个性化标注数据或者上传待发布数据的管理,提供分类、审核、删除、发布等功能。
    Newmap Manager的性能指标和技术特点如下:
    ·实现了部门及用户的可视化配置与管理;
    ·提供了使用权限的分级联动控制功能;
    ·提供了服务的全生命流程可视化管理,所见即所得;
    ·实现了服务访问的实时监控,支持异常报警;
    ·提供了完善的日志管理功能。
    Newmap PLAT辅助应用软件,或称为数字城市地理信息公共平台软件,是基于Newmap Server提供的服务和开发包构建的、面向数字城市分布式信息应用的软件。数字城市地理信息公共平台依托地理信息数据,通过在线方式满足政府部门、企事业单位和社会公众对地理信息和空间定位、分析的基本需求,具备个性化应用的二次开发接口和可扩展空间。Newmap PLAT具备了地图操作、空间查询、属性查询、空间统计、空间分析、三维显示、地图标注以及专题数据加载等共性应用功能,同时提供了标准服务、开发接口、专题系统定制等扩展空间,实现了网络地理信息服务资源的展示以及应用功能和服务接口的提供。用户既可以直接通过该软件实现部门专题数据的空间分布化,进一步通过标准的应用分析功能满足应用;也可以通过服务开发接口扩展和丰富自身应用系统的功能。
    Newmap PLAT的性能指标和技术特点如下:
    ·完全基于Newmap Server的松散耦合架构;
    ·提供了基于地名地址地理编码的专题信息便捷加载功能;
    ·实现了二三维一体化的联动浏览与应用;
    ·提供了数字城市建设各类综合信息互联互通的实现模式,实践了“权威部门维护权威数据、物理分布逻辑集成”的共享理念;
    ·提供了在线地图、标准服务、二次开发、零码组装等多种服务模式,形成了适应多样化需求的地理信息公共平台应用解决方案。

3.关键技术突破

    秉承以服务为核心的服务型GIS理念,立足自主科技创新,本项目从自动化信息加工、智能化信息表达、网络化服务发布、可视化应用搭建、实时化监测管理等方面,攻克了基于专家知识模版的一键成图、跨平台地图可视化保真、多类型服务发布与第三方服务聚合、客户端应用系统零码组装、大规模地理信息服务的集群部署、高并发的均衡调度、地图瓦片的动态缓存、基于可伸缩模型的地理编码以及多维数据一体化表达等一些列关键技术难点。
    1)基于专家知识模版的数据一键成图技术
    面向服务的地理信息与传统的基础空间数据的主要区别之一即是可视化表达。对于网络发布来说,直接从数据库中读取的没有符号化的数据适用性较差。按照传统制图工艺制作美观易读、符合规范的地图,耗时较长,难以满足网络地理信息服务的实时化要求。本项目研制成功了基于专家知识模版的一键成图技术,实现了基于空间数据库的快速成图。在2009年12月27日国家测绘局组织的技术鉴定会上,鉴定委员会一致认为“基于专家知识模版的自动制图达到国际领先”。
    基于专家知识模版的一键成图技术按照制图专家的工艺经验,将制图过程分解为六个环节,即数据分层,将需要用不同符号表达的数据层按照国标分类代码进行细分;压盖处理,设置不同图层的压盖顺序;注记配置,进行注记字段、颜色、字体、大小、方向等一共19项的设置;符号表达,针对不同图层,设置不同的样式符号;制图分层,建立数据图层与制图图层之间的一一对照关系;屏幕表达,在屏幕表现上按照固定信息量的原则,设置不同比例尺下屏幕应显示的不同要素内容。针对每个环节,总结提炼制图专家长期积累的实践经验,配制成可定制模版,基于设定的模版进行快速制图,从而实现从数据到可视化地图的自动化处理。通过本技术制作的地图,既可以直接发布成网络服务,也可以进行制版输出(支持PS标准工业格式及PDF、SVG等多种格式),供印刷厂进行批量出图。
    2)跨平台地图可视化保真技术
    网络地理信息服务与本地地理信息应用不同,由于客户端所依赖的运行条件的差异,地图应用环境存在较大的不确定性。为达到统一的图形显示效果,必须解决地图表达的跨平台可视化保真问题,即无论客户端运行平台如何变化,应保证地图显示的一致性和不失真。本项目采用基于Bezier曲线的绘图机理,利用其良好的多平台支持特性,通过构建基于Bezier曲线的地图基元模型,实现了跨平台的地图可视化。本技术也被专家鉴定为达到国际领先水平。
    技术原理为:建立14种地图表达的基元模型,包括折线、样条曲线、圆、椭圆、矩形、扇形、圆弧、多边形、闭合样条曲线、圆拱、文字、Bezier曲线、闭合Bezier曲线和图像,构造13种矢量基元模型(除图像外)与各种平台均支持的Bezier曲线之间的严格数学关系,从而实现了跨平台的地图可视化。
    3)信息化表达的无级变焦地图技术
    囿于常规介质和技术本身,地图的表达一直和比例尺严格绑定,以静态方式记录世界的某个抽象程度。本项目面向地图面向信息化表达的需求,实现了连续表达的无级变焦地图。无级变焦地图以真实认识客观世界为出发点,突破传统地图与尺度绑定的思维局限,在数据模型、符号模型以及表达规则方面适应面向信息化的无级连续表达,将极大地拓展地理信息网络条件下的服务效果。
    无级变焦地图以原图内容载负量为基础,根据空间对象的信息综合模型(包括数量选取模型、内容选取模型和图形概括模型),首先确定新图比例尺条件下的空间对象数量选取标准,通过数量选取指标和内容选取模型确定空间对象的内容,继而对选中的空间对象进行概括,最后在满足地图最佳显示效果条件下,以最大的信息载负量进行可视化。
    4)多源异构服务的聚合与再发布技术
    服务聚合是指通过运营商的统一平台,聚集多领域的资源和能力,整合各种信息、内容和应用,将不同主体提供的业务与服务有机地结合在一起,“一站式”地提供给客户,从而满足客户泛在化和一体化需求的一种服务。
    面向服务的地理信息共享已是当今主流。网络条件下,任何资源都可定义为服务,不同部门发布的服务可能存在较大差异,要真正实现信息交换共享的畅通,必须解决不同来源、不同结构、不同形式服务之间的聚合问题,同时也应支持对聚合服务的再次发布。本项目提出并实现了智能服务代理模型SmartSAM(Smart Service Agent Model),能够加载文件、数据库及发现网络服务,按照通用的服务规范进行适配,动态投影后进行融合,按照标准或规定的SLD(Styled Layer Descriptor)进行渲染,实现自身和网络地图服务与功能服务的多种方式的聚合和再发布。
    5)客户端应用系统快速搭建的零码组装技术
    提高代码的复用度是实现软件快速开发的关键。综观各种地理信息应用系统,尽管表现形式各具风格,但其所实现的功能之间却存在着很多共性,例如大多数系统都提供了地图浏览、缩放、查询、统计、分析等功能。因此如果将共性的功能实现与非共性的界面表现相隔离,进行独立管理维护,将能大幅提高软件开发的代码复用度、增强软件系统的可维护性。本项目提出了“服务层-模型层-连接层-表现层”四层结构的软件开发模式,服务层是提供细颗粒度的、可复用的服务集合,包括地图服务、功能服务等;模型层是用于实现应用系统专业分析功能的粗颗粒度模块集;表现层是应用系统的表现界面;连接层沟通模型层与表现层,用于协调二者的交互控制。
    在此模式下,本项目研制实现了基于服务的地理信息应用系统的“零码组装”技术,它以服务库为基础,由服务组装器、模型管理器、模型组装器和界面管理器五部分构成。通过对Newmap Server所提供服务的分解,封装成细颗粒度的地图服务和功能服务库,采用可视化的方法建立界面风格的模版库(支持标准模版和自定义模版),根据应用需求从服务库选取相应的服务组成功能模型,然后利用连接器将功能模型与其所对应的界面表现元素相连接,自动生成应用系统框架,把所需服务对应的源码进行动态装配,从而实现了客户端应用系统开发的“零代码”编写。
    零码组装技术改变了GIS应用开发的传统模式,在不编写代码的前提下,通过可视化的定制工具,实现对常用功能、GIS图层和图形符号以及数据库表和表结构、用户界面、用户权限等的自由定制,快速搭建满足不同业务需求的GIS应用。开发周期可以缩短为传统模式的二分之一,开发成本降低50%以上。同时,在用户需求变化时,只要修改业务应用模型即可实现系统的调整,既节约了系统升级的费用投入,又保证了系统的稳定性。
    6)地图显示的快速调度与动态缓存技术
    地图缓存,是按照一定的数学规则把地图切成一系列图片保存,当用户访问地图服务时,服务器直接返回当前地图坐标区域所对应的缓存瓦片,以达到降低服务器负担、提升地图浏览速度的效果。这是目前网络地图服务广泛采用的一种效率提升策略。但同时由于地图缓存都是预先生成的静态图片,不可避免的产生资源冗余、数据变化表现不及时、更新困难等问题。为此,本项目提出并实现了动态缓存中间件,即建立一个“伪服务”,为标准的WMS服务器提供Tile服务。所有客户端的请求都发送到中间件,中间件根据发布地图服务的服务器调度不同的地图请求。这种方式使得中间件两端都是低耦合的结构,能够方便客户端的使用,并提高服务效率。
    7)大规模地理信息服务的集群部署技术
    正式运行的地理信息服务必须实现24小时不间断的持续服务,对于服务于整个城市或者整个行业的地理信息公共平台,其运行的稳定性、高效性、安全性要求尤为突出。Web服务器集群系统通过将一组独立的服务器作为单一系统进行管理,籍此实现更高的可靠性。
    项目针对大规模地理信息服务的部署,优化了集群服务器的任务调度与转移策略,将众多的访问请求分散到系统中的不同节点进行处理,不仅整体上增强了并发访问能力,缩短客户端请求的响应时间,而且能在某台服务器出现故障时其他服务器还能继续提供服务,解决了单台服务器出现故障后的服务停止问题。
    8)基于可伸缩地址模型的地理编码技术
    随着地理信息服务范围的日益拓展,一些传统上似乎与地理信息关联性较弱的部门,如工商、税务、药监、传媒等,也纷纷提出了借助地理信息管理本部门信息的要求。但是这些部门的专题信息并不直接具备空间坐标,只是具有文字描述的地名/地址信息。将地名/地址转换成空间坐标、实现专题数据与地理信息的叠加,地理编码是最有效的手段。由于我国城市地名/地址表述的不规范性,一直缺乏一种成熟且较为适用的地理编码技术方案。本项目针对不同城市地址表达的差异性现状,建立了可伸缩的地址模型,以此为基础设计实现了基于地址分词的地理编码方法。
    可伸缩地址模型以地名地址的描述粒度为核心,通过规定不同粒度层次地名/地址的描述规则,实现地址表达的自动伸缩。在模型中,将地址描述分为四个层次,即行政区域地名、社区名或街巷名或小区名、门楼址或标志物名以及单位名,四个层次地名的非必选的有序组合精确定位地址。例如,在一个城市内,道路名和小区名是唯一的,因此利用“道路名(小区名)+门(楼)牌号”可以精确定位一个地址,利用“行政区划+标志物名”一般也可以准确定位一个地址,而道路名、小区名或街道名仅可以定位地址范围;则模型伸缩规则为:当存在门(楼)牌号时,使用“道路名(小区名)+门(楼)牌号”来表述一个地址;当存在标志物时,使用“行政区划+标志物名”进行表述;当此表述的标志物多于一个时,对行政区划的粒度进行延伸,直至唯一确定地址。
    基于可伸缩地址模型提出了地理编码数据库的构建方案,设计实现了一种基于地址分词的自动地理编码算法。首先根据地理编码库编制地址词典,利用地址词典对地名/地址进行分词,形成地址要素及其级别,再对地址要素及其级别组合形成查询条件到地理编码库中进行匹配。
    9)基于服务的二、三维一体化技术
    经过技术与应用长期的互相促进,基于二维地理信息的查询、统计、分析等方法已经相对成熟,但在表现上不够直观。三维地理信息则更符合客观世界表达的真实性要求,可视化效果更佳,越来越受到人们的关注。目前而言,虽已建立了不少的三维系统,但与二维系统均处于隔离状态,而系统现代信息应用的发展趋势是集成化、一体化,二维与三维的有机结合将是技术发展的必然。本项目面向地理信息在线应用的统一要求,以Newmap Server提供的服务为基础,实现了二维、三维地理信息的集成管理与应用。

4.实施效果

    服务型地理信息公共平台软件Newmap自2001年起步,瞄准地理应用共享的发展趋势,以服务为出发点和落脚点,定位为服务型地理信息软件;2004年基本成型,实现了部门级行业应用;2007年完善成熟,在数字城市地理信息公共平台建设中广泛应用;至今已升级到3.0版本,应用范围覆盖各级区域、各类行业。Newmap软件的研制成功和推广应用,为数字城市、数字区域、数字中国以及数字行业的建设提供了基础技术支撑,推进了地理信息应用从数据提供向服务提供的发展。
    1)提炼形成了6项技术标准、2项技术大纲,带动了行业整体技术进步
    通过本项目的理论研究、技术攻关与软件研发,理清了地理信息服务的相关概念,突破了若干制约服务发布和拓展的关键技术难点,通过对核心思想和方法的提炼加工,编制完成了6项技术标准和2项技术大纲,包括:
    ·GB 21139《基础地理信息标准数据基本规定》(国家强制性标准);
    ·GB/T 23705《数字城市地理信息公共平台地名/地址编码规则》;
    ·CH/T 9003-2009《地理空间框架基本规定》;
    ·CH/T 9004-2009《地理信息公共平台基本规定》;
    ·CH/T 9005-2009《基础地理信息数据库基本规定》;
    ·CH/Z 9001-2007《数字城市地理空间信息公共平台技术规范》;
    ·《数字城市地理空间框架建设技术大纲》(国测国字[2006]18号文件);
    ·《数字省区地理空间框架建设技术大纲》(国测国字[2009]13号文件)。
    这些技术标准和大纲均以正式颁布实施,其发布应用为我国数字城市、数字省区乃至数字中国建设提供了指导依据和实施规范,有力地促进了地理信息资源的共享和充分利用。
    2)Newmap软件实现广泛应用,提升了地理信息服务的水平,推动了地理信息应用从提供数据发展到提供服务的新阶段
    Newmap软件“体系架构先进、系统性强、创新度高、性能优越”,已在军队、数字省区、数字城市、行业应用等各方面得到广泛应用。
    目前已在全国交通战备系统和全军军交运输部门得到普遍应用,包括总后司令部、卫生部、营房部,各军区、军兵种交通战备办公室,地级以上交通战备办公室,工业和信息化部、交通运输部、铁道部、民航总局系统战备部门等380多家单位;已装配到全国31个省、直辖市、自治区的省级基础地理信息中心、航测院、制图院、工程院等共计90多家单位;在80多个数字城市、数字省区和数字区域的建设中得到推广应用,建立了省区、城市、行业等一系列的地理信息公共平台,为政府、企事业单位及社会公众提供了实时在线的地理信息服务;以Newmap软件为基础,已有超过200项的行业应用系统建成并投入业务化运行,涵盖规划、国土、公安、房产、应急、工商、卫生、统计、人防、药监、市情以及公众服务等几十个部门和领域。
    依托Newmap软件,在数据分散存储的条件下实现了分布式的地理信息共享和广泛应用,推动了地理信息应用从提供数据发展到提供服务的新阶段。
    3)形成了适应多样化需求的地理信息公共平台完整服务模式,促进了城市、区域及行业的信息化建设
    Newmap软件是地理信息公共平台建设的基础支撑软件。地理信息公共平台是信息时代地理信息网络共享的新型模式,通过在线方式满足用户对地理信息和空间定位、分析的基本需求,并具备个性化应用的二次开发接口和可扩展空间。实践表明,在一个城市或区域的公共平台建好之后,由于用户的前期基础、需求层次、技术水平等方面存在差异,往往对公共平台提出不同的应用需求。在大量需求调研和应用实践的基础上,本项目提出并实现了地理信息公共平台的系列服务模式,形成了适应不同条件用户需求的完整解决方案,具体包括:
    ·在线调用模式,该种模式通过Newmap软件的在线地图服务实现,适用于应用需求较为简单的用户,直接键入平台服务网址,打开地理信息公共平台,加载本部门专题信息,实现查询、统计、分析、制图等应用;
    ·零码组装模式,该种模式通过Newmap软件的零码组装服务实现,适用于不具有开发能力、又想快速搭建应用系统的用户,通过“零码组装器”工具,通过可视化界面进行系统布局、工具按钮、菜单功能、基础数据等的设置,自动封装专题应用系统,并且打包下载;
    ·二次开发模式,该种模式通过Newmap软件的JsAPI实现,适用于应用需求相对复杂、对地理信息应用较为深入、且具有程序开发能力的部门,通过96类525种的二次开发函数库针对用户需求进行开发定制,实现系统搭建;
    ·标准服务模式,该种模式通过Newmap软件的服务接口实现,适用于前期已经配备相关GIS软件、或者已有应用系统的用户,Newmap软件提供了8类46种接口服务,支持用户使用第三方工具的调用与系统开发。
    4)研究成果出版6部学术专著、发表80多篇学术论文,推动了地理信息服务领域的理论与技术进步
    围绕服务型地理信息软件Newmap的研制开发,项目组进行了地理信息服务、空间数据表达、并发调度运筹等方面相关理论的系统研究,开展了基于数据库的一键成图、跨平台地图可视化保真、多类型服务发布与第三方服务聚合、客户端应用系统零码组装、地图瓦片的动态缓存、多维数据一体化等方面的技术攻关,取得了一系列的研究成果,并以学术专著、论文等形式公开发表,推动了地理信息服务领域的理论与技术进步。
    共出版学术专著6部,具体包括:
    ·《城市基础地理空间信息共享原理与方法》,科学出版社,2005年;
    ·《精确时空立体景观虚拟现实》,西安地图出版社,2005年;
    ·《城市三维地理空间基础框架原理与方法》,科学出版社,2008年;
    ·《测绘与地理信息标准化指导与实践》,测绘出版社,2008年;
    ·《基础地理信息标准数据基本规定使用指南》,测绘出版社,2008年;
    ·《三维空间关系的描述及其定性推理》,测绘出版社,2010年。
    累计发表学术论文80多篇,发表刊物包括《测绘学报》、《武汉大学学报信息科学版》、《测绘科学》、GIS of Wuhan University、SPIE ISPDI等国内外权威学术期刊。