地理信息系统(GIS)是专门用于采集、存储、管理、分析和表达空间数据的计算机化信息系统[1]。GIS在中国历经了30多年的发展,已经取得了长足的进步,主要表现为:国家和各省、市加强了基础地理信息系统的建设,为发展GIS应用提供了一批权威的基础地理数据;一些GIS应用系统已从早期的“实验型”或“科技成果型”提升成业务化运作系统,开始在规划、管理、监测、决策等过程中取得重要的社会和经济效益。然而这些系统的信息化建设是在不同时期、由不同软件开发商开发完成,又归属不同的单位使用,造成了“信息孤岛”。如何打破这种条块分割,解决空间信息资源的整合和共享,是摆在我们面前的重要问题之一。

　　空间信息公共服务平台就是在这样的需求环境下提出的。空间信息公共服务平台建设,目的是要建立一个空间信息共享的环境。在这个环境中,空间信息可以在遵从统一规范和标准的前提下,以Web服务的形式供政府各机构、企业和大众共享。在建立共享服务环境的基础上,各类政务、业务的企业级应用将如雨后春笋般成长,带来整个GIS产业的进一步辉煌。

　　1 空间信息公共服务平台的关键技术

　　空间信息公共服务平台是以分布式地理数据为基础,网络化地图与地理信息服务为表现形式,构建面向服务的体系架构,建设分布式信息共享与服务环境,为政府管理部门、公众、企业提供不同层次用户需求的地理信息服务,是一套统一标准规范的信息服务平台。它的核心技术是:云计算、SOA架构、WebService、Mashup等。

　　1.1云计算

　　云计算是网格计算、分布式计算、并行计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机和网络技术发展融合的产物,它作为一种技术趋势正迅速兴起。云计算的核心思想,是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度,构成一个计算资源池向用户按需服务。提供资源的网络被称为“云”。“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的,并且可以随时获取,按需使用,随时扩展。

　　云计算的产业分为三层:云软件、云平台、云设备。与静态体系结构相比,云计算支持动态扩展和迅速缩减的能力,为云用户提供了高可靠性,快速响应及处理网络通信波动和需求的灵活性。云计算支持多用户使用,提供能设置为被多个组织和个人共享的系统[2]。

　　云计算环境中,三大核心方案组成服务模型。

　　软件即服务(SaaS,Software-as-a-Service)将应用程序以服务的方式提供给最终用户,而并非提供传统的外部软件。

　　平台即服务(PaaS,Platform-as-a-Service)提供给开发人员能够开发和部署自定义应用程序的平台或者中间件服务。这一层所提供的常规解决方案涵盖了API和工具,以及数据库、业务流程管理系统和安全集成,允许开发人员开发应用程序,并在云计算供应商所有和运营的基础设施上运行这些应用程序。

　　基础设施即服务(IaaS,Infrastructureas-a-Service)主要包括用于计算的硬件和技术、存储设备、操作系统或者是其他基础设施,通过外部设备而并非已有资源提供按需服务。

　　基于云计算的信息资源中心可以整合空间信息建设过程中分散的基础设施资源,基础平台软件也部署到云计算环境下。各类资源可以根据实际需要被弹性分配到核心业务中,以提高资源的综合利用率,并根据业务的实际增长需求进行扩展。基于云计算的地理信息资源中心可以综合提供多层次、多类型、多时相的地理数据资源,并提供基于地理信息的空间分析能力,同时还为开发人员提供地理服务的开发接口,满足各类应用的搭建。

　　1.2SOA架构

　　SOA(面向服务的体系结构)是“现代应用开发领域最重要的课题”,也是“占有绝对优势的软件工程实践方法”(Gartner语)。它是一个组件模型,将程序的不同功能单元(称为服务),通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。这种松散耦合特性使得服务能够组合成为各种应用程序,同时大幅度提高了代码重用率,减少了工作量。SOA模型描述了三个角色——服务提供者、服务请求者、服务注册中心,执行三种操作——发布、查找和绑定。SOA为异构数据的系统整合与信息共享提供了一种极佳的解决方案。

　　SOA思想对于GIS架构的积极作用主要体现在两个方面:第一,利用标淮的接口和访问方式对外提供地理信息系统中的各种功能,即模块的封装性;第二,以贴进应用的形式自然地处理不同模块之间的关系,即模块间的组合性[3]。

　　模块封装性的意义在于屏蔽不同模块以及来源不同的数据所存在的格式、访问方式、运行平台的问题。经过标准封装的模块能够实现跨平台、跨语言的调用,除了能够对外提供标准的接口供调用外,还为今后复用此模块的内容打下良好的基础。模块的封装性为GIS提供了两方面的便利:模块的复用以及地理数据的共享。

　　模块间的组合性描述了在分布式的环境中如何通过将相对独立的、小的模块组合成为更大的、有一定应用意义模块的过程。模块的可组合性,给软件带来了业务上的灵活性,不同的模块组合往往能够代表不同的业务逻辑和实现效果。

　　1.3WebService

　　WebService(即Web服务)是一种革命性的分布式计算技术,是目前实现SOA框架的首选。它使用基于XML的消息处理作为基本的数据通讯方式,消除使用不同组件模型、操作系统或编程语言的系统之间存在的差异,使异构系统能够作为计算网络的一部分协同运行,具有很强的生命力。正是基于WebService的这些技术特性,空间信息公共服务平台采用基于开放标准与技术的Web服务方式共享数据,不需要了解各部门的应用系统现状,形成松散耦合的共享模式,便于平台服务根据发展需要进行伸缩。

　　从表面上看,Web服务就是一个应用程序,它向外部暴露了一个能够通过网络进行调用的API。WebService通过标准协议向网络程序提供一定的功能,通常采用的标准协议是SOAP。WebService使用WSDL详细地描述其接口,用户使用WSDL文档和WebService进行交互。WebService需要注册到UDDI注册中心,便于潜在用户查询、发现和使用。

　　1.4Mashup

　　Mashup是网络上将两种以上使用公共或者私有数据库的Web应用,加在一起,形成一个整合应用。它是把多个信息来源加以组合的网络技术,是Web2.0时代的主流技术之一。Mashup的变革性意义在于:即使用户的IT技术水平不高,也可创建符合自身需求的Mashup应用。在地图Mashup应用中,人们搜集具有位置信息的事物和行为,把这些包含位置数据的不同数据集,利用地图以图形化方式呈现出来。Web开发人员可以在地图中包含所有类型的数据。

2 总体设计

　　在上述先进技术和架构的支持下,“空间信息公共服务平台”将建设成为行业或者地区的公共平台。它制定空间数据建设与共享的标准,将空间信息通过服务注册汇总在“空间信息公共服务平台”中,通过信息服务门户,将汇总的信息以目录服务的方式提供给政府、企业以及社会公众。基于这些汇总的空间信息公共服务平台,可以搭建出各种各样的应用系统,实现空间信息资源利用的最大化,推动GIS应用发展的深度和广度。

　　目前,网格化管理系统在上海已经实现一定规模,是具有社会价值的实际应用。市级平台作为系统核心,拥有全市各区县的城区网格化管理分系统,以及市政、绿化两个行业的专业网格化管理分系统。这些应用的工作流程类似,系统功能类同,因此,市级平台具备构建“空间信息公共服务平台”的前提条件,其可行性具体表现在以下四方面。第一,网格化系统全部的软硬件资源由上海城市发展信息研究中心统筹管理。“空间信息公共服务平台”的设计是个大手笔工程,需要战略性的规划布局。

　　第二,网格化系统的软件平台与硬件设备都支持云计算技术。Sun和IBM公司都已经推出了自己的云计算解决方案,GIS厂商ESRI公司也推出了支持云计算的ArcGIS10平台。

　　第三,网格化系统的日常运行工作已经相当成熟,但是对于案件数据的分析功能,有待进一步深入研究。这些日常的案件数据相当宝贵,其分析结果有助于提高城市管理与行业管理水平。对这些案件数据的分析在各子系统中有着相似性,如果采用基于SOA的WebServices,能显著地提高分析服务的利用率。

　　第四,云计算技术自问世以来,虚拟化的概念在不断地成熟,技术也从概念层面逐渐走向应用。随着“十二五”规划中对云计算的重视,“空间信息公共服务平台”可以成为网格化系统今后发展的方向。

　　在此基础上,本文设计了“空间信息公共服务平台”的总体框架,把网格化系统划分为运营支撑层、数据资源层、平台服务层、业务应用层四个层次,把标准规范体系、安全保障体系作为两大支撑手段,总体结构如图1所示。

　　2.1运营支撑层

　　运营支撑层是指支撑空间信息公共服务平台所需的网络、系统软硬件设备及其运行环境。由主中心基础设施和多个分中心基础设施共同构成。整个支撑环境可在云的环境中部署。

　　2.2数据资源层

　　在空间信息公共服务平台中,数据资源层是最基础、最广泛的信息资源存储层。由基础地理框架数据和专题数据两大部分组成。

　　基础地理框架数据根据国家测绘局《国家地理信息公共服务平台总体设计》及其相关规范中的要求,由测绘部门对基础地理信息数据进行内容提取、分层细化、模型对象化重构、统计分析、符号化表现等处理改造,形成用于公共服务平台的地理框架数据,主要包括矢量地图、遥感影像、数字高程、三维模型等等。

　　专题数据是网格化管理中的业务数据,涉及城市管理的基础部件,符合网格化管理的数据分类标准,是供各应用系统使用的基础性、共享性资源,支持基于空间信息公共服务平台的网格化子系统的搭建。

　　2.3平台服务层

　　平台服务层是空间信息公共服务平台中实现信息服务的关键组成部分,是一个统一的、松散耦合的、以业务功能和信息服务为主的支撑平台。平台通常采用SOA架构,其中的地理信息服务可以很好地整合在各区县、各行业的网格化地理信息应用中。

　　平台服务层负责将数据资源层中数据发布为信息服务。为了支持异构系统的数据互操作,平台服务层发布的服务应该尽可能遵循已有的服务标准,同时,为了支持多样化的应用系统的建设,服务应兼顾扩展性和功能性。

　　平台服务层发布的地理服务类型可分为目录服务、数据服务和功能服务三大类。目录服务提供平台所有服务的元数据信息,支持按主题、行业、存储或其它方式的查找。数据服务提供对数据资源层中数据的访问,可进一步细分为网络地图服务(WMS)、网络要素服务(WFS)、网络覆盖服务(WCS)、地图瓦片服务、KML服务等,并提供多种应用程序访问接口。功能服务划分为空间信息处理服务和空间分析服务两大类,提供各类基于空间信息的空间处理和分析功能。信息处理服务包括坐标变换服务、数据转换服务、地址编码服务、地址匹配服务、影像处理服务、地理信息提取服务等;分析服务包括缓冲分析服务、路径分析服务、空间关系分析服务等内容。

　　平台服务层提供对地理信息服务的安全保护,对用户权限、服务权限、服务注册、服务监控、服务日志等进行统一的管理。它对外还提供多种满足标准Web服务(如SOAP、REST、OGC标准服务)的访问接口,供各空间业务应用进行调用。

　　2.4业务应用层

　　业务应用层可以面向公众、企业或者政府。目前,网格化系统是面向政府的,各子系统在物理上分离,独立维护数据库,并定期与市网格化数据同步。通过空间信息公共服务平台,各类数据将集中注册在平台上,只需一定的申请流程,即可完成数据的整合与业务功能的共享,构建出区县网格化或者专业网格化应用。

　　3 结语

　　空间信息公共服务平台的构想是一个基于云计算的SOA框架,全市的网格化应用在这个框架下得到集成,不同区县不同行业的地理信息在空间上无缝整合,为政府提供了科学准确的决策依据。同时,跨政府部门的信息交换与共享,对于打破条块管理间的信息壁垒,推动政府信息资源的充分利用,具有重要的意义。

　　参考文献

　　[1]陈军.论中国地理信息系统的发展方向[J].地理信息世界,2003,1(1),6～11.

　　[2]徐瑞娜,译.云计算与GIS的新时代.VictoriaKouyoumjian(ESRIIT战略架构师)文.ArcGIS中国通讯.

　　[3]汪小林,庞萧.基于SOA的GIS应用设计与实现[J].地理信息世界,2010,8(2):169～181.

　　[4]薛天云.基于GIS的地籍测量外业采集数据与属性数据一体化集成方法研究.科技创新导报,2011(17).

　　[5]吴昊.基于Web的城市三维景观可视化体系设计思路研究.科技创新导报,2010(12).