应急地理信息数据共享关键技术研究*

福建省基础地理信息中心 吴飞

应急地理信息数据共享关键技术研究*

福建省基础地理信息中心 吴飞

异构数据的共享是应急地理信息服务平台需要重点解决的关键技术之一。该文从共享模式、集成技术、数据组织等三个方面对应急地理信息数据共享进行研究探讨，选择了基于Web服务的数据共享模式、虚拟数据库法的集成技术，并结合地理空间数据的结构特征和使用特点设计了数据组织方式，最后结合地震应急案例，建设了用于地震应急的辅助决策综合库，可为地震应急指挥提供辅助决策支持。

异构数据 共享模式 数据集成技术 应急地理信息服务

1 概述

开展省级应急平台的技术研究是当前国家应急指挥系统建设重要而迫切的任务之一。在应急信息管理和分析的过程中，应急地理信息服务平台起到基础作用，它与应急平台中其它系统密切相关，并融合于联动处理的各个环节，随时为应急指挥提供空间基础地理信息服务，因此应急地理信息服务平台的设计显得尤为重要[1]。由于应急处理往往需要多个部门联合参与，不同部门间的空间数据往往建立在不同时期、不同系统、适用于不同部门，会存在较大的差异，这也是通常所说的数据异构性，如何高效解决异构数据共享的难题，是应急地理信息服务平台实现数据之间共享的难点。

2 关键技术研究

要解决异构数据共享，需要重点解决三个关键问题[2]：第一，如何进行数据的共享，数据的共享模式是什么？第二，面对来源众多、格式不一的异构空间数据，如何对数据进行转换和集成？第三，如何异构数据进行组织，设计出合理的存储逻辑结构？基于此，本文从以下几个方面进行研究和设计。

2.1 数据共享模式设计

目前，解决异构地理信息系统数据共享的常用方法有三种[3]：

（1）统一软件平台的方式：应用部门与基础地理信息提供部门使用相同的GIS平台或数据管理软件。这种方式要求不同部门之间在软件配置层面绝对统一，既不经济也不现实，可操作性极低，在实际中几乎不能实现。

（2）共享底图数据的方式：地理空间数据配置成地图后，通过工具软件按照一定的网格切分生成多级图片，并采用金字塔结构存储在服务器上，通过Web服务向客户端发布。这种方式实现了简单的底图服务的输出，但不能有效满足异构数据真正的共享要求。

（3）基于Web服务的方式：采用基于Web服务的地理信息共享技术，以SOAP(简单对象访问协议)的形式封装服务器端与客户端之间的服务请求和数据结果，以HTTP的形式实现基于网络的传输，实现异构GIS的互操作以及异构数据的共享。

本平台采用第三种共享方式，开发包括地理信息服务描述、发布和调用的接口，与省级地理信息公共平台对接，实现跨地区和跨部门的地理信息资源的松耦集成与动态装配，提供分布式地理信息共享与应用开发环境。根据平台的建设目标，在数据共享层面依据统一技术规范构建一体化的应急地理空间信息资源体系，按照数据中心模式和分布式远程调用模式建设应急资源数据中心。

2.1.1 分布式远程调用模式

该模式逻辑上分为数据层、服务层和表示层三层架构，见图1。其中，数据层主要是为业务服务层提供数据，不同部门的空间数据进行标准化改造并各自发布为符合标准的地理信息网络服务。在服务层通过集成和使用发布在不同服务器上的地理信息Web服务，实现分布式的WebGIS逻辑，服务层是客户端和数据层的桥梁，负责接收客户端请求，进行逻辑处理，调取相应的数据，并将处理结果返回给客户端。表示层一般是浏览器或者是基于其他客户端的应用程序。客户请求通过表示层提交给Web服务器和应用服务器，由Web服务器和应用服务器调用相关服务，将结果返回给客户。

图1 分布式远程调用模式

2.1.2 数据中心模式

基于数据中心的共享模式也分为数据层、服务层和表示层三层架构，见图2。在表示层和服务层，与分布式远程调用模式类似，数据层则采用数据中心模式，将各个部门的异构空间数据通过空间数据交换工具抽取到数据中心。在中心数据库基础上，统一发布地理信息网络服务，集中供其他部门共享。这种模式实现地理信息数据统一管理，统一发布，能够有效减少数据冗余，实现部门间信息互通。

图2 数据中心模式

在本平台中，对于实时动态变化的数据采用远程调用模式，如气象预报与实时交通等；对于变化频率慢、相对比较固定的数据，采用共享、汇交、交换等方式集中到统一的应急数据库中，二者形成统一的应急地理信息数据资源池。

2.2 数据集成设计

目前，关于数据集成方案的研究很多，各不相同，但就其基本方法来说，大体上可归为如下三类：

联邦数据库法[4]是异构数据集成中最简单的一种方式。它的构成方法是将所有数据源通过数据交互接口进行一对一的连接。各个数据源之间使用数据交互接口互相访问，通过这种方法，一个数据源就能够访问任何其它数据源的数据。数据交互接口太多是联邦数据库法的弱点，如果有n个异构数据源，那么就需要n(n-1)个数据交互接口。一般来说这种方法实际中很少使用。

数据仓库法[5]是一种异构数据集成方式。它将来自几个异构数据源的数据抽取出来，按照全局模式的要求存储在数据仓库中。用户使用时，就像使用一个本地数据库一样。数据仓库的数据不能得到实时地更新是该方法的弱点。这就有可能导致某一时段，数据仓库的数据与异构数据源的数据不一致。

虚拟数据库法[6]是一种重要的数据集成方式。它与数据仓库法不一样，能够实时反映异构数据源中所更新的数据。在虚拟数据库法中，用户查询将分解成对各个异构数据源的子查询。所有子查询的结果在它们的局部模式被映射成全局模式后集成在一起，并以虚拟视图的方式呈现在用户面前。这样，系统无须保存数据源的数据，并能保证查询的数据是实时的。

目前应用较多的是数据仓库法和虚拟数据库法，前者采用的技术更多涉及到查询上的代数操作；后者采用的技术大部分集中在查询计算以及与存储有关的问题上(如数据的聚类、索引等)。根据对以上两种集成方案的分析，综合考虑数据仓库和虚拟法方式的优缺点[7]，结合目前状况和需求，本文采用虚拟数据库法进行。该方法安全性好，灵活度高，性能稳定，对系统资源的要求也更低，能够从根本上解决其他两种方式在实际应用中的不足，有较高的实用价值。

该方法实现的技术路线如图3所示，包括三层架构：用户信息抽取层、中介层和应用层。信息抽取层包括各异构数据源；中介层包括查询引擎、数据清洗、中间数据库和XML文档；用户层主要是用户提出查询。这样，通过中介层以XML的中间格式将汇集分布在各个异构信息抽取层的信息进行清洗、转换和加载；用户通过网络连接到系统中，即进行查询操作。

图3 虚拟数据库法

2.3 数据组织设计

遵照国家和地方应急地理信息系统建设的相关标准规范，本文结合福建省实际，建立全省应急基础空间数据库，数据内容包括基础地理信息数据和应急专题信息数据，其中，基础地理信息数据包括电子地图、实体数据、地名数据等；应急专题数据根据应急实际需求，集成加油站、学校、公安、消防、医院等专题数据，并分类整理出重点防护目标、危险源、公众聚集场所、救援资源等专题数据。除此之外，平台还应包括国民经济统计数据、文本、影像、多媒体、专业图形等非空间的辅助决策类的数据。

根据地理空间数据的结构特征和使用特点，在数据组织上采用如下方法[1]：

（1）基础地理信息数据以及与空间相关的应急专题数据，统一采用大型关系数据库（如Oracle、Sqlserver等）存储。采用政府部门应用的数据模型，实现多尺度海量空间数据和多类型关联数据的管理。在此基础上，以现有基础地理信息数据为基础，对应急专题数据进行实体化、分层细化、简洁化等处理，设计和加工制作出能满足应急指挥用户基本需求的多尺度地理信息数据[8]。

（2）非空间数据库具有全局性、综合性、实时性等特点，因此宜采用非关系数据库存储，这些存储在不同数据库中不同类型的数据存在时态差异、不同的数据编码体系、不同的地图投影，以及不同的空间抽象程度，因此需要对这些数据进行协调处理与集成，通过地理编码建立索引，使其与空间数据在一定程度上相关接。

（3）采用分布与集中相结合的数据存储方式，在每层数据库服务器中存放本地数据，同时将本地区的数据上传到上级单位。这种存储方式可以体现专业部门的自主性，减少网络流量，提高系统响应能力，同时由于数据冗余存储保证数据的安全性。

3 应用案例

目前，福建省地震局正在构建基于“地震预警与烈度速报产出结果系统”的地震辅助决策管理体系，按计划需要建成“一库一服务两系统”，其中“一库”指的是建设一个用于地震应急的辅助决策综合库，包含基础地理信息数据、辅助决策数据等以及包含预警与烈度速报产出库、灾情上报库、震灾预测库在内的地震应急专题数据以及辅助决策数据等。考虑到地震应急是全省应急平台重要的组成部分，因此在数据设计时应尽量考虑到异构数据共享以及与应急地理信息服务平台实现对接。具体建设内容见图4。其中地震辅助决策库包含交通数据、重大生命线工程数据、应急人员及水库水系等数据，预警与烈度速报产出库包含地震三要素、预警信息、仪器烈度、PGA/PGV/PGD、反应谱0.3/1.0/3.0等数据，灾情上报库来自辅助决策移动终端采集的数据，包含照片、短片及灾情简要描述等数据，震灾预测库包含由损失快速评估服务计算得出的人员伤亡、房屋倒毁、经济损失等数据。

图4 地震应急数据内容

按照上文的设计思路，这些数据中，应急公共数据应以数据中心模式由应急地理信息平台集中存储管理和发布服务，这些数据都通过Oracle数据进行管理。而其他专题数据则以分布式远程调用模式进行管理。建成的地震应急数据库数据层结构如图5所示。

图5 数据层结构图

当地震应急数据和应急地理信息服务平台集成共享之后，在发生地震时，以应急地理信息服务平台为支撑的高度智能化的地震应急指挥辅助决策支持系统能够在基础数据和实时数据的支持下，迅速判断灾情规模、影响范围、损失评估，并结合现状提出一系列科学的救灾方案和调度方案，协助指挥人员实施各种地震救灾行为。

4 结束语

本文介绍了基于Web服务的方式，按照数据中心模式和分布式远程调用模式，建设应急资源数据中心的应急地理空间信息资源体系的技术路线，将分散在全省各应急相关部门的应急专题空间资源有效整合，形成了“集中+分布”的应急地理信息数据库，实现了以空间信息为基础的数据共享，可为福建省应急地理信息公共平台的建成提供强有力的数据支撑。

[1]刘斌,刘正军,辛海强,等.省级应急平台体系基础地理信息平台的设计研究[C].中国地理信息产业发展论坛暨中国GIS协会年会,2008.

[2]王康.地理信息共享平台及其关键技术的研究与应用[D].广州：广东工业大学,2011.

[3]席楠.面向服务的地震应急数据与服务共享的研究[D].北京：中国地震局地震预测研究所,2010.

[4]李冠宇,刘军,张俊.分布式异构数据集成系统的研究与实现[J].计算机应用研究,2004,21(3)：96-98.

[5]梁利姣,吴国平.一种基于XML的异构数据源集成方案[J].现代计算机（专业版）,2004(3)：27-29.

[6]马晓艳,曹宝香.一种基于XML的数据集成方案及其关键技术[J].计算机与现代化,2006(3)：70-73.

[7]袁景凌,徐丽丽,苗连超.基于XML的虚拟法异构数据集成方法研究[J].计算机应用研究,2009,26(1)：172-174.

[8]陈军,蒋捷,周旭,等.地理信息公共服务平台的总体技术设计研究[J].地理信息世界,2009,7(3)：7-11.

福建省工业引导性(重点)项目(编号：2014H0011)。