0 引 言
我国自然资源总量丰富、种类多样,但是分布分散、条块分割严重、共享利用率低.国家自然资源和地理空间基础信息库( 以下简称基础信息库) 项目在国家电子政务统一框架下,由国家发展改革委员会牵头,通过对来自国土资源部、水利部等 11 个自然资源主管部门和科研单位的多尺度、多时相、多类型的国家级重点自然资源数据进行标准化整合改造,建立了逻辑和空间定位框架统一的自然资源和地理空间综合信息库[1],为电子政务和社会公众提供了标准化、规模化和可持续更新维护的基础性、战略性自然资源与地理空间综合信息,促进了自然资源与地理空间信息共享.
为了更有效地推进自然资源数据在资源管理、开发利用及规划评价等业务工作中的实际应用,提升自然资源数据的实用价值,为电子政务和社会公众提供深度分析、实用性强、显现度高的自然资源综合分析产品成果就显得尤为重要.本文通过分析自然资源数据类型和特点,基于 Geodatabase 空间数据模型设计了面向对象的自然资源数据库,实现空间数据和属性数据的一体化存储;并采用面向服务的体系架构( SOA) ,结合自然资源数据的实际支撑能力和分析评价模型,利用模型库管理技术、工作流搭建技术、可定制的产品制作技术,构建了自然资源综合分析系统,实现全国及重点地区自然资源开发利用动态监测与评价信息产品制作,为自然资源开发利用、保护规划和辅助决策提供依据.
1 自然资源数据库设计
设计完善的地理数据模型并建立数据库是系统设计的重点,直接决定数据能否高效组织管理、利用和更新[2].本系统在严格遵循相关国家、行业标准和基础信息库项目标准的基础上,通过规范统一数据的时空模式、分类编码体系、资源目录体系和数据组织方法,建立了标准、科学、现势性强的自然资源数据库.
1. 1 自然资源数据组织
自然资源数据主要包含基础地理数据、自然资源专题数据和相应的辅助数据.其中,自然资源专题数据来自多个数据中心,资源类型涵盖气候、水、土地、矿产、能源、生物、海洋资源等.根据自然资源数据的类型和特点,结合自然资源分析产品管理需求,将自然资源综合分析系统涉及的数据分为4 个部分进行统一组织管理: 基础地理空间数据库、自然资源综合数据库、自然资源综合分析产品库、数据资源目录及元数据库,自然资源数据库逻辑构成如图 1 所示.在各资源类型中,基于自然资源及其开发利用与评价规划流程,按资源特性、资源调查、资源开发利用、资源管理、资源评价与规划、资源保护与治理的思路组织要素类.
1. 2 数据命名和编码设计
自然资源数据采用数据库和要素类代码相结合的方式命名,矢量数据的命名规则为数据库代码 + 类型标识符 + 要素类编码 + 几何类型,其他数据的命名规则为数据库代码 + 类型标识符 + 要素类编码.如图 2 所示.
其中:
1) 数据库代码由字母和数字组成,长度为 8 位,编码规则为数据库类型( 2 位) + 数据中心代码( 3 位) + 子库代码( 3 位) ,执行信息库项目标准《信息库数据字典编制规范》的规定.
2) 类型标识符用于标识数据类型.要素类( FeatureClass) 使用 F 标识,对象类( Table) 用 T 标识,栅格类( Ras-ter dataset 或 Raster Catalog) 使用 R 标识.
3) 要素类代码执行基础信息库项目标准《信息库分类体系和编码规则》规定,采用线分类法将要素类分为门类、亚门类、大类、中类、小类 5 个层次,采用 10 位定长数字码,不足 10 位用 0 补齐.
4) 对于矢量数据,要考虑几何类型的划分,用一位作为几何类型标识,点、线、面、注记分别用 P,L,A,N 来表示,对于不属于这几类的用 U 表示; 对于非矢量数据,则无该位编码.
1. 3 数据模型设计
数据模型设计主要用于准确定义有意义的对象集并明确他们之间的关系,须细化到要素类,使用要素类、对象以及相关属性共同表达相应实体[3 -4].自然资源数据库基于基础信息库项目标准《信息库分类体系和编码规则》,采用统一的要素分类视角将数据划分到小类,每个小类基于面向对象的 ArcGIS Geodatabase 模型,采用统一建模语言 UML 和 Microsoft Visio 2003 软件工具,在 UML静态结构图中进行模型设计.根据数据小类的特点,分为基于要素的数据模型和基于要素覆盖的数据模型.
1) 要素类数据模型
具有空间信息的矢量数据抽象为 Geodatabase 模型中的要素类,从要素类 Feature Class 派生,通过建立标记值GeometryType 来定义几何类型; 非空间的表格类数据抽象为 Geodatabase 模型中的对象类,直接从对象类 Object 派生,在 Geodatabase 中以具有一定行为的表 Table 存在.这两类数据的每一个属性被映射为要素类或表的一个字段,属性名称用英文表示,并建立标记值 Alias 别名记录属性的中文含义.
真实的自然资源数据实例,可能是单纯的矢量类或表格类数据,也可能是两者的结合,如具有空间信息的观测类数据或空间化的统计数据.对于具有空间信息的观测类数据,如果观测信息和站点的空间信息位于同一个表,需将空间信息和观测信息分别保存,将观测站点的空间信息建模成要素类,而将观测信息建模为对象类,并在其中添加观测站点编码作为外键,通过这个外键与观测站点要素类相关联.对于需要进行空间化处理的统计型数据,要将空间信息单独建模成一个要素类,统计信息建模成对象类,并在其中添加外键和空间信息所在的要素类进行关联.
2) 栅格类数据模型
栅格影像数据实体主要以文件方式存储,模型设计实质上是对描述信息的建模.每幅栅格影像作为一个栅格类,抽象为 Raster Class 的派生类,全部继承栅格类( Raster Class) 的属性,实际建模时仅需定义派生类的自有属性.以海洋卫星遥感影像数据为例,海洋卫星遥感影像数据模型如图 3 所示.
2 自然资源综合分析系统设计
自然资源综合分析系统遵循高内聚、松耦合的原则,利用中间件技术等最新软件开发理论方法和信息技术研究成果,重点开展异构模型库管理技术、基于工作流建模技术、搭建和配置系统技术、基于方案的产品制作技术研究; 然后基于这些技术和相关标准规范完成系统的设计和开发,建立对各类自然资源进行综合分析的通用模型和专用模型,实现基于方案的自然资源综合分析应用产品的制作和更新[5 -6].
2. 1 系统总体架构
系统采用面向服务的体系架构( SOA) 进行分层设计,总体构架可划分为三层,自下而上分别为数据层、组件层和应用层,各个层之间相互协调共同实现系统的功能.数据层由用于数据源提供的地理空间基础信息库和自然资源综合信息库、用于成果存储的自然资源综合信息产品库、相关数据编目及元数据库组成; 组件层是系统实现的主要部分,由功能组件组成或插件组成,为最终应用提供支撑; 应用层是系统的软件实现和表现层,通过分析处理基础组件提供的基本业务功能,集成满足用户层需求的应用功能.此外,基础信息库项目中定制的元数据标准、产品标准等确保产品按照统一的规程制作和管理,产品质量控制体系采用半自动化的质量检查技术保证产品质量.
2. 2 系统功能设计
自然资源综合分析系统的具体功能模块主要包括模型库管理、工作流搭建、产品制作、产品管理、系统构建五大部分,自然资源综合分析系统模块组成如图 4 所示.
1) 模型库管理: 模型库管理模块以插件、组件、工作流等形式实现自然资源分析模型的构建,通过定制标准的协议支持异构模型的集成,并采用目录树结构的方式实现各种模型的分层管理,方便模型资源的统一管理和直接调用,具体功能包括模型构建、模型管理、模型扩展等.
2) 工作流搭建: 工作流是功能节点按一定顺序连接的功能集合体,它把小粒度的功能插件、组件按顺序连接形成大粒度的工作流来满足应用需求.工作流搭建模块提供可视化、拖放式的工作流搭建方法,利用模型建立各种功能的节点,按业务逻辑顺序将模型连接形成大粒度的功能,构建和管理自然资源综合分析业务流程,具体功能包括工作流管理、工作流搭建、工作流测试等.
3) 产品制作: 产品制作模块基于工作流搭建模块配置方案进行产品制作,以方便快速实现同类产品制作和更新的自动化,具体功能包括方案配置、数据分析处理、专题图表制作等.
4) 产品管理: 产品管理模块支持产品成果文件及视图、产品核心元数据、产品规范的管理,包括成果的浏览、查询、导入和导出功能,并能针对更新数据,在本地制作好的产品基础上进行流程化、智能化更新.
5) 系统构建: 系统构建模块基于框架、功能、数据分离的理念,采用框架 + 配置文件 + 模型的方式来实现系统的构建,其中框架负责配置系统界面,并装载、卸载模型,配置文件记录系统配置方案,模型实现各种不同的业务功能,具体功能包括系统配置、模型提取、系统组装等.
2. 3 分析模型设计
自然资源综合分析模型围绕自然资源开发利用调查和动态评价,设计分析模型算法,以插件、组件或工作流的方式实现模型功能.分析模型包括通用模型和专业模型,通用模型是复用程度较高的共性处理模块,包括字段计算、空间插值、表格转置、统计分析等; 专业模型是基于专业应用设计的算法开发而成的定制工具,包括人均土地资源面积分析、土地利用效率分析等.自然资源综合分析模型如图 5 所示.
2. 4 业务功能设计.
自然资源综合分析业务功能面向实际应用需求,通过方案配置选择相应数据和模型开展流程化、模板化的专题分析,实现可复用、自动化的自然资源状况及其变化趋势分析,便于产品按需定制和更新.系统从资源禀赋、开发、规划等方面,支持气候资源、水资源、土地资源、矿产资源、能源资源、生物资源、海洋资源等领域的综合分析决策功能.
3 自然资源综合分析系统实现
3. 1 系统实现
系统遵循面向服务的体系架构,严格执行统一的编码要求、命名要求等规程规范,采用 Visual Studio 2005 中的 C#/C + + 语言进行系统开发.
1) 组件、插件开发: 主要是用 C + + 开发的 COM 组件和用 C#开发的. NET 组件.开发完成的插件和组件,一方面通过注册入库到模型库中管理; 另一方面搭建成具有一定业务功能的工作流.插件也可以绑定到系统的功能菜单或工具条上使用.
2) 工作流搭建: 基于组件或插件,按照业务处理流程通过节点搭建、功能绑定、节点编辑等操作组装工作流,一方面形成工作流形式的模型添加到模型库; 另一方面提供给应用构建模块搭建系统,也可根据实际应用需要自定义工作流开展业务分析.
3) 模型库管理: 通过插件、组件或工作流等形式构建的模型,经添加描述信息并测试无误后导入到模型库中,使用目录树进行分类分级管理.
4) 产品制作: 针对具体的业务应用分析,以搭建工作流的方式配置产品制作方案,从数据库和模型库中提取数据及相应的模型,并设置参数对数据进行处理和分析,通过创建专题图、符号渲染、图幅整饰等操作实现专题产品的制作.
5) 产品管理: 制作完成的自然资源分析产品及辅助成果,导入到产品管理模块进行管理,当数据更新或修改后,可利用配置方案进行产品的快速更新.
6) 系统构建: 通过设计系统的界面框架,从模型库中提取系统所需的模型绑定到菜单、工具条,实现系统的整体功能.
3. 2 主要关键技术及特点
1) 面向服务的 SOA 架构系统采用面向服务的 SOA 架构,将功能资源以服务的形式提供,实现各功能模块之间的相互独立和松耦合,对外提供统一的调用接口和调用方式,使系统易于扩展,能够快速适应不断变化的应用需求.
2) 松耦合的工作流搭建系统引入松耦合的工作流思想,提供各种粒度模型流程化、可视化搭建功能,实现以工作流驱动构件运行,从而达到业务逻辑和功能的分离,使其可以在不修改具体功能模块实现方式的情况下,通过修改过程模型来改进系统性能.
3) 多源异构的模型库管理系统提供了标准的插件模型接口和标准通用组件接口,在对功能进行规范化封装后,可以通过该接口动态地纳入到模型库中完成功能集成,并可利用工作流技术实现不同模型的重构耦合和有效复用.
4) 基于方案的产品快速制作和更新系统通过定制产品制作方案,记录产品制作过程中配置的数据、模型、参数处理流程、符号化方式、制图表达方式等信息,形成完整的产品制作方案和流程,实现产品制作的自动化.在数据更新的情况下,通过快速调用产品制作方案,自动实现产品更新,提高工作效率.
5) 可定制的系统搭建系统将根据行业标准建立起功能与界面分离,动态地实现系统的界面布局,也可灵活、自由地实现软件模块在系统上的插拔,具有高度的可定制性.
4 结束语
自然资源综合分析系统面向多样化的产品及应用需求,基于流程化的业务模式配置产品制作方案,实现了智能、灵活、自动化的产品按需定制和更新.系统在开展各行业专题分析的同时,更注重突出自然资源的综合性分析及评价,能够服务于电子政务对自然资源管理的需求,同时为国家及政府优化自然资源开发利用和宏观决策提供科学依据.
参考文献:
[1] 国家地理空间信息协调委员会办公室. 自然资源和地理空间 信 息 整 合 与 共 享 研 究[M]. 北 京: 科 学 出 版社,2007.
[2] 张园玉. 基于工作流和 ARCSDE 技术的地籍管理信息系统设计与实现[J]. 中国土地科学,2013,27( 1) : 67 -71.
[3] 穆荣,张永福,路星. 基于 ArcGIS Geodatabase 基础空间数据库设计[J]. 测绘与空间地理信息,2007,30( 3) :112 - 115.
[4] 顾冬园,李鵕鹏. 城镇地籍数据库管理系统建设方法研究[J]. 技术开发,2011( 21) : 78 -80.
[5] 罗勇,谭小琴,滕连泽,等. 基于 WebGIS 的四川省自然资源信息系统构建研究[J]. 资源开发与市场,2011,27( 07) : 594 -597.
[6] 杨建宇,秦德先,赵俊三,等. 县级国土资源信息系统建设技术方法研究[J]. 昆明理工大学学报: 理工版,2004,29( 6) : 9 - 14.
