城市GIS管理平台技术方案.doc
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城市基础地理信息管理平台
设计方案
一、项目概述
随着社会经济的快速发展，对于地理空间信息的需求也越来越大，地理信息系统目前在城市规划、建设与管理方面的应用已经十分广泛，因此，整合城市的各类基础地理信息数据，构建基础地理信息管理平台，保障城市各方面对城市基础空间地理数据的需要，已经成为城市信息化建设的一项重要任务。
1.1项目背景
目前，人们已经普遍认识到空间数据在城市建设与发展中的核心地位和重要性。
现势性的数字化大比例尺地形数据、地下管线现状数据和城市影像数据是城市空间数据管理的重要基础资料，也是构建城市空间信息平台的核心内容，可以为城市社会经济发展规划、设计与科学决策提供科学的依据。
合肥市测绘设计研究院持有国家甲级测绘资质证书与ISO国际质量体系认证证书，多年来一直为合肥市国民经济与社会发展提供基础测绘保障与地理信息服务，建立了信息化的测绘保障体系，积累了丰富的数据资源与技术优势，为建设“城市基础地理信息管理平台”提供了有利的条件。
1.2项目建设目标
①建立以基本地形图、影像为主体的基础地理信息数据库，并开发具有数据检查、入库、查询、检索、输出、管理、更新、维护、发布和丰富的数据转换、数据叠加等功能于一体的地理信息管理平台。
②实现城市地理信息数据的无缝管理、更新维护、查询分析、制图输出等基本功能，提供地理空间数据的高效、有机、安全管理和应用，为城市的建设提供更多、更好的数据支持与应用支撑。
③从数据“测绘生产—录入—检查—编辑—转换—入库—修补测—更新—维护—对外提供—发布”的整个数据链条实现城市数据生产流程和伴随数据生产过程的业务流程的信息化。
④建立有效的数据更新机制与系统应用保障机制，保持地理信息的现势性，保障地理信息管理平台的稳定、高效运行，为政府决策提供空间信息支持。
1.3项目建设任务
①空间数据标准化是决定空间数据可持续更新、应用以及实现数据共享的关键与必要的条件。
项目应按照国家、部、省、市信息化测绘标准规范和相关技术规程，制定“城市基础地理信息数据库及管理平台”的标准体系，包括数据采集、建库、更新、管理、共享以及质量控制、数字化产品验收等方面的标准；
②利用航空摄影测量的成果资源，建立以基本地形图、影像为主体的基础地理信息数据库；并在此基础上，有效的整合地下管网、规划、土地、市政交通、人口分布等各种类型的数据资源，建立专题信息数据库。
③在空间数据库建立的基础上，整合相关的空间信息资源，开发与建立设“城市基础地理信息管理平台”，实现对城市空间数据的科学管理与有高效应用，为城市建设与发展提供更多、更好的地理信息服务；
④建立一套完整的数据采集、管理、发布及动态更新机制，确保地理信息数据库及管理平台的动态更新与稳定运行。
二、需求分析
2.1数据需求
“城市基础地理信息管理平台”项目的数据需求包括：
多比例尺的基础地形数据，地下管线数据，高分辨率影像数据等。
表1数据需求
数据库名称
数据库描述
比例尺
年份
基础地形数据库
包括测量控制点、居民地、道路、河流等基础地理要素
1：
1000比例尺
最新数据
地下管线数据库
包含电力、排水、给水、燃气、路灯、通讯等城市综合管线
1：
1000比例尺
最新数据
遥感影像数据库
遥感影像、航片、卫片等
多种比例尺
最新数据
2.2规范与标准需求
根据国家现有地形图标准补充、完善城市基础地理信息数据库建库相关标准。
《合肥市1:
5001:
10001:
2000地形图分层规程》
《合肥市1:
5001:
10001:
2000地形图数据分类编码规程》
《合肥市1:
5001:
10001:
2000地形图数据结构规程》
《合肥市1:
5001:
10001:
2000数字地形图测量技术规程》
《合肥市1:
5001:
10001:
2000地形图数字化产品检查验收及质量控制规程》
空间数据建库作业规范
空间数据更新作业规范
空间数据管理作业规范
数据建库质量控制规范
数据更新质量控制规范
2.3地理信息数据建库需求
将测绘好的地形图数据转入到ArcSDE空间数据库中。
数据入库前应进行库结构、元数据、数据字典的设计，初始数据入库时要经过多次数据检查、处理，以保证入库数据的质量。
建库工作要严格按照《建库作业规范》进行操作，使整个建库流程可管理、可控制，同时按照《建库质量规范》进行质量检核。
2.4数据质量检查与控制需求
实现对检查的过程管理、跟踪检查信息、记录、统计检查结果、管理质量检查报告、质量验收报告、质量统计表的功能，并对质量检查工作的具体情况能够实现自动的提供相应的检查工具程序
2.5基础地理信息管理平台的功能需求
基础地理信息管理平台主要实现空间数据和非空间数据的一体化管理，针对数据采集－数据更新－数据交换－导出与出库这一数据库管理主线，提供系统的一系列管理功能，主要功能包括：
数据入库、地图浏览、数据检索、数据查询、图层管理、图形编辑、数据输出、专题图制作、数据更新、历史数据管理、数据分发、元数据管理、系统维护等。
2.6性能需求
可靠性：
具备检错和容错能力，系统恢复能力。
可操作性：
界面设计友好，联机帮助方便，操作合理、简便。
可维护性：
有完备的系统维护方案。
2.7系统架构需求
采用WindowsNT架构的操作系统平台（Windows2008或XP服务器）；
采用ESRI公司提供的ArcGIS平台作为空间数据管理软件；
选用Oracle10g关系型数据库统一管理图形和属性数据，支持网络并实现分布式数据库管理。
采用三层结构、使用C/S技术、组件式技术，为用户提供统一的用户视图和二次开发的环境和能力。
2.8对外服务需求
基础空间数据访问服务：
向城市相关的业务部门提供基础地形图、遥感影像访问服务；
各类专题数据访问服务：
未来在建成数据共享服务平台后，向各政府部门提供业务办理需要的专题数据访问服务与空间信息服务。
三、总体设计
由于本系统的复杂性，在考虑系统稳定性、适用性和易用性的基础上，强调速度和扩充性，最后形成一个健壮的、高效的、先进的地理信息系统。
3.1设计原则
全局性和整体性原则
实用性和稳定性原则
先进性和成熟性原则
可维护性和扩展性原则
开放性与标准化原则
可扩展性原则
安全性和保密性原则
易使用性要求
地方性原则
现势性原则
3.2总体结构
“城市基础地理信息管理平台”的建设包括前期准备、数据采集、数据建库、数据应用等多个方面。
为了保证数据库建设和系统开发的顺利进行，整个项目的推进必须遵照“三个先行、一个贯彻”的方针，即资料搜集与分析先行、实验研究先行、标准制定先行，在数据的生产过程中坚决贯彻质量控制和保障制度。
研究合理的技术标准、生产工艺、产品模式、应用服务模式，并制定先进、优化、高效的组织实施方案，坚持系统设计原则，尽量采用国际标准标准作为系统的通讯、交换协议。
平台的总体设计方案如下图1：
公众服务
行业应用
政府决策
地形数据
专题数据
属性信息
影像数据
测绘、监理、入库、更新一体化机制
信息发布与服务
数据标准、建库、监理
城市地理信息数据库
基础地理信息管理平台
数据应用接口kk口
一体化建库模式
查询、统计、分析专题
数据综合管理与更新
分布式部署
数字高程模型
地下管线信息
城市影像数据
数字线划图
＝＝
3.2.1C/S系统体系结构
根据城市信息化建设的需求，既要对大量的图形数据进行处理，还要实现信息发布，以及对系统平台安全性、稳定性、用户使用的方便性考虑，本系统采用已经成熟的C/S（Client/Server）结构模式。
3.2.2系统体系结构设计
根据系统建设的目标，系统的设计框架基于业界标准的三层体系结构，采用这种体系结构无论从平台的角度还是从开发的方面，均是一个结构灵活，便于调整的应用体系。
如下图。
图2系统体系结构图
3.2.2.1数据层
数据层指明了数据的来源，包括各类数据在数据库中的存储内容，组织方式和存储机制。
整个“城市基础地理信息管理平台”的数据都存储在Oracle数据库，主要包含图片库、地理编码库、多媒体数据库、基础地形数据库、地下管线数据库等与相关的专题数据库。
空间数据库采用GeoDatabase数据模型，实现图形和属性数据的统一存储。
3.2.2.2核心组件层
核心组件层由“核心组件库”构成，这套组件库抽象了前端应用系统和空间信息发布平台的业务规则，并封装了对数据层的空间数据的交换接口。
除了继承ARCGIS强大的GIS管理和应用体系外，“核心组件库”还对具体的功能进行了整合。
特别针对测绘业务要求，围绕数据库管理系统的建设，实现流程化的数据采集、维护、更新机制，实现数据的规范化处理和加工。
并实现后台对数据库的日常管理，如数据的备份、恢复，性能优化、用户管理、网络监控、安全管理等功能，为系统的高效、稳定运行创造良好的外部环境。
3.2.2.3表现层
表现层则反映了图形用户界面以及所有的显示逻辑，它是应用的客户端部分，由它负责与用户进行交互。
在本项目中主要是指用户将来要建设的电子政务系统与数据共享交换平台。
整个系统架构采用C/S架构，通过开发Windows应用程序，将数据管理的任务细化为数据输入、数据编辑、数据输出、安全管理、数据备份等多几个模块。
3.2.3系统功能结构设计
“城市基础地理信息管理平台”是一个全要素的基础地理信息库，作为城市国民经济和社会发展的基础性工程，需要为城市各个部门提供基础的空间数据信息支持，系统分为：
地理信息数据监理系统、地理信息数据库管理系统、地下管线管理信息系统、地理信息数据共享交换系统等子系统，每个系统都不是独立的，数据层面上，各个系统的数据要统一管理，能够共享调用。
功能层面上，各个系统之间的功能也要互相嵌入，所以，这些系统是一个有机的整体，不可分割的，一起构成了“城市基础地理信息管理平台”框架。
3.3技术路线
“城市基础地理信息管理平台”的开发将采用ESRIARCGIS作为GIS平台，采用新版Oracle作为数据的物理存储介质，采用MicroSoftVisualStudio.NET作为开发平台，利用ESRI公司提供的GeoDatabase数据模型存储和管理空间数据，利用C＃和ArcEngine开发核心组件库，并以此组件库来搭建所有应用系统。
对于互联网用户采用ArcGISServer发布各类空间数据。
图3技术路线
3.3.1基于ArcSDE的数据存储模式
数据的存储设计包括ArcSDE应用服务器和RDBMS服务器以及地理数据库实体（GeoDatabase）。
ArcSDE起中间件作用，它和后端的数据库服务器一起构成多用户空间地理数据库（Mutiuser-GeoDatabase）。
“城市基础地理信息管理平台”项目涉及到地形数据、影像数据、地下管线数据，测绘专题等海量数据，因此我们选用Geodatabase用来组织和管理这些复杂的空间数据，从而很好的建立了各类空间数据之间的关联关系以及图形和属性信息的统一管理，为应用系统提供强大的数据管理平台。
3.3.2基于ArcEngine的组件开发方式
组件式GIS是目前最流行的GIS开发方式，ArcObjects（以下简称AO）是目前GIS业界最为著名的组件式GIS开发产品之一。
使用AO进行的组件式GIS二次开发是目前最流行、最灵活和最稳定的GIS开发方式。
通过AO提供的组件GIS开发方法，开发人员可以在AO组件对象的基础上开发出强大、灵活的应用系统，以适应用户的各种需求。
3.3.3系统的软硬件环境
为了保证系统的先进性、安全性、稳定性以及可扩充性，必须以发展的目光来选择合适的基础应用平台、网络设备等基础软硬件平台，这是系统运行的最基本保证，是整个系统的骨架，对于建成的系统，合理的软硬件环境的搭建将直接影响到系统运行的性能，在一定意义上，决定了系统应用的成功与否。
本系统采用如下系统硬件配置。
表2系统硬件配置表
硬件类型
硬件与系统功能对应关系
服务器
空间数据库服务器
备份服务器
应用服务器
网络管理服务器
存储
设备
网络存贮
磁盘阵列+光纤交换机
网络
安全
硬件防火墙
网闸
本系统采用如下系统软件配置。
表3系统软件设置
软件分类
软件选型
系统软件
服务器操作系统
Windows2003Server或Windows2008ServerLicense，UNIX
GIS系统平台软件
ArcGIS系列软件（含开发组件）
数据库管理系统
基础空间数据库
Oracle10gEnterpriseServer
业务信息数据库
Oracle10gEnterpriseServer
数字签名、电子印章系统
国家安全部门认证产品
3.4系统设计特点
以数据为设计核心
先进的数据管理模式
开放的应用结构
灵活的应用体系
主流的软硬件平台
内置的安全机制
3.5关键技术
空间数据要素级更新技术
数据检查、监理技术
系统扩展性技术
影像金字塔技术
高速缓存技术
面向对象技术/UML建模技术
海量数据存储与管理技术
数据共享与数据安全控制技术
整合CA的权限管理技术
空间信息服务技术
XML数据技术
3.6核心组件库功能设计
3.6.1设计方案
核心组件库的设计目标是通过对核心组件的快速搭建，提高项目实施过程中软件开发的速度和可靠性。
组件库采用的设计标准完全按照国际通用的软件开发工业标准，采用了COM，.NET，WEBSERVICE，XML等技术。
开发操作系统为WindowsServer2003，开发环境为MicrosoftVisualStudio.Net2005（基于.NetFramework2.0），支持XML2.0标准。
高可用性，高易用性，高重用性是组件库的设计特点。
组件库的整体开发架构是在ESRIArcEngine的基础上结合.NET和COM技术进行二次开发，组件对象主要以.NET程序集的形式发布，同时在需要的时候可以向COM公开接口。
而一些底层对ESRIARCEngine组件库的扩展则采用COM技术，从而实现与ESRIArcEngine的无缝结合。
3.6.2组件库主要内容
数据连接
数据获取
数据表现
数据应用
数据编辑
数据交换
数据库维护
安全管理
四、技术标准体系
为了实现“城市基础地理信息管理平台”数据的沟通与互动，保证系统整体的协调性和兼容性，发挥系统的集成效应，有必要制定完整的标准化体系。
4.1设计原则
规范化
系统性
开放性
适用性
4.2标准化体系设计
数据的标准化是地理空间信息系统正常运行的根本保证和要求。
数据标准体系建设是数据库建设的重要内容，也是提高数据质量的重要保证。
数据标准体系的建设应按照下面的方法进行：
已有的相关国家标准、行业标准和地方标准，应采用；
若没有相应的国家标准、行业标准和地方标准，应针对实际情况、系统目标和用户需求，吸取相关行业或其它地方的标准，也可以直接引用同行业系统采用的系统标准；
对具有本系统特色的标准，应组织编写适应本系统的标准和规范文件。
数据标准体系包括数据标准、数据生产标准、数据应用标准等内容。
图4标准化体系图
五、空间数据库设计
数据库设计是“城市基础地理信息管理平台”的重要关键一环。
高质量的数据源，对数据进行合理的组织与管理，是建立起一个运行良好、稳定可靠的管理、应用信息系统的必备条件。
5.1设计原则
标准化
开放性
完备性
独立性
高效性
安全性
扩展性
5.2数据库保护原则
建立数据库的保护机制，用以负责阻止一切物理破坏和读写破坏，并能以最快的速度使其恢复工作，是数据库建设与使用顺利实施的必要条件，包括：
完整性原则、并发性原则、安全性原则、保密性原则、数据库备份原则。
5.3设计思想
“城市基础地理信息管理平台”建设是由基础地形图数据、城市影像数据、地下管线数据等构成，同时整个系统具备自身的扩展机制，随着用户和应用的不断变化，数据库的内容也必将随之变化。
所以本次设计的主导思想是：
利用SDE技术提供的MultiuserGeodatabase模型组织复杂的空间数据，以ArcGIS提供的ArcEngine结合.net为开发平台，建立一个开放的、灵活的基础空间数据库。
5.4数据库设计分类
数据库设计至少应包括以下类型：
生产数据库设计
生产数据库是空间数据管理平台的源数据库，经过测绘、采集的数据首先进入生产数据库；因此，生产数据库是其他各类数据库的基础。
生产数据库主要包括基础地理数据、遥感影像数据、各类测绘专题数据库；未来可以将其他行业的专题数据通过共享的方式获取，并建立市政专题数据库、管线专题数据库、房管专题数据库等。
现状数据库设计
现状数据库存放的永远是唯一的、最新的数据，它的现势性由生产数据库决定。
生产数据库是现状数据库的数据更新源，经过测绘、采集后更新的数据需要同时更新、覆盖现状数据库中的已有数据。
历史数据库设计
随着城市建设和时间的推进,基础地形图和城市地下管线等数据都在动态的发生着变化。
因此，提出了历史数据库的概念。
当数据库中的数据修改后，原来的数据要保留入历史库中，供以后用。
系统能够记录历史时期的地理信息，用户可以在服务器端或客户端调出任意时间点的地理数据，对于历史地理数据库只能浏览显示，对当前现势库可以进行浏览显示及编辑功能。
历史数据库与现状数据库紧密相关联，现状数据库的数据更新的同时，其历史状态的数据也被复制到了历史库中，同时在历史库中记录了历史时间等额外的信息，方便用户进行历史查询和回溯。
其他数据库设计
测绘院是基础地理数据的拥有者，同时还有一些其他的数据比如地下管线数据、影像数据，而这些数据也是众多政府部门需要用到的。
因此，地下管线数据库和影像数据库也应该作为空间数据框架的一部分。
5.5数据分析
数据是系统的核心，“城市基础地理信息管理平台”的核心数据主要由地形图数据、影像数据、地下管线数据及元数据等构成：
5.5.1地形图数据
地形数据既包括以矢量结构描述的带有拓扑关系的空间信息又包括以关系结构描述的属性信息。
数字地形数据库全面反映数据库覆盖范围内自然地理条件和社会经济状况，它用于建设规划、资源管理、投资环境分析、商业布局等各方面，可作为人口、资源、环境、交通等各专业信息系统建立的空间定位基础。
本系统的地形图数据主要包括城市范围内1：
1000数字线划图（DLG）数据。
5.5.2地下管线数据
地下管线数据库应包含城市所有城市地下管线：
给水（饮用水和非饮用水）、排水（雨水、污水和雨污合流）、热力、电力（电缆和控制线）、燃气、通讯（通信线缆）、工业管线、综合管沟和不明管线等。
地下管线数据建库的主要目的是为地下管线规划设计提供现状图和各个权属单位提供精确管线空间位置，并为管理部门提供管线的统计、分析提供辅助决策数据支持。
本系统的地下管线数据主要包括城市范围1：
1000地下管线数据。
5.5.3影像数据
数字正射影像生产周期较短、信息丰富、直观，具有良好的可判读性和可测量性，既可直接应用于国民经济各行业又可作为背景从中提取自然地理和社会经济信息；可用于评价其他测绘数据的精度、现势性和完整性。
本系统的影像数据主要包括：
城市范围内数字正射影像图（DOM）。
5.5.4空间信息元数据
在地理空间数据中，元数据是说明数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息。
地理信息元数据（Metadata）已越来越为人们所重视。
元数据库包括系统各数据库及数字产品有关的基本信息、空间数据表示信息、参照系统信息、数据质量信息、要素分层信息等。
对于本系统，元数据主要有：
1、基础地理信息元数据
2、控制点信息元数据
3、地下管线数据信息元数据
5.6逻辑设计
在本系统的设计中，所有空间信息参照国标图饰对不同比例尺的空间数据的规定进行子库——大类——逻辑图层——空间实体进行划分。
生产单位将这种逻辑分层作为最终的入库数据标准，用户按照这种逻辑分层来提取自己有兴趣的数据，从管理的角度来说可以参照这种逻辑管理来针对不同的逻辑对象加以不同的管理方式。
数据的逻辑分层和选择的GIS软件无关，虽然GIS软件不可避免的会对逻辑分类、分层有一定的限制。
本系统按照一般地理数据库中空间数据的组织方式，在数据库信息逻辑上按照空间位置分区、逻辑位置分类（分层）组织。
5.7物理设计
空间数据在SDE中是按GEODATABASEàFEATUREDATASETàFEATURECLASS三层结构组织的。
5.8数据库安全设计
基础地理信息和其他信息一样，在计算机中都是以空间数据库表的方式来表示和存贮。
针对数据安全，要提供并发控制、存取控制和备份恢复技术。
六、空间数据建库及更新维护机制
6.1空间数据建库
考虑到数据采集单位在采集的过程中由于种种原因，数据的质量可能会存在问题，为此，数据生产与管理系统主要提供三大功能：
数据整理、数据转换和数据监理。
6.1.1数据整理
数据的规范化整理需要提供一些工具，可以针对不同的数据采集平台如：
Autocad格式，在其上开发数据整理工具，对数据采集中质量不合格的数据进行整理。
针对多源化的数据，可以提供不同的数据整理工具，如：
数字线划图、地下管线数据等。
6.1.2数据入库预处理
数据入库预处理功能主要是把中间格式的数字化成果或者现有的数据格式转换成为空间数据库可以录入的GIS数据格式，在本系统中需要的是从DWG格式（AutoCAD）到SHP格式（Arc/Info）的无损转换接口。
6.1.3数据库建库要求
数据库建库的要求如下：
完整的规范与标准控制
清晰的建库流程
空间规则定义
自动化作业
质量和控制措施
6.2空间数据的入库更新机制
6.2.1“测绘、监理、入库、更新一体化”机制
在空间数据的入库更新机制方面，我们提出的“测绘、监理、入库、更新一体化”机制，包括数据全过程监理、质检、数据转换、入库、更新、输出等环节，为了充分保证各个环节的有机连接，整个流程覆盖从数据采集、数据整理、数据监理到数据入库和数据更新整个数据生产入库过程，以保证数据的正确入库。
使整个数据建库过程能真正体现出“合理、准确、科学化、规范化”的特点，使制作符合数据库标准的数据能顺利进入系统的数据库，可以实现为统一管理城市基础空间数据和规划等各种专题空间数据，形成准确、动态、高效的基础空间数据生产体系，为系统的应用提供可持续的空间信息服务。
数据入库更新机制设计按这不同数据的制作生产模式进行设计。
6.2.2地形图入库与更新
由于地形图数据量比较大，入库时间较长，为了提高入库效率，系统提供批量入库机制，全程实现自动化作业，用户只需要把入库数据放到一个目录下，程序就会自动读取所有数据并入库，过程中系统会自动对数据进行检查和监理并生成监理报告，入库过程中生成入库日志，地形图数据的入库更新机制根据城市现有数据的不同制作生产模式进行不同的设计，主要根据外业采集更新的数据和现有数据两种数据模式。
数据更新入库一体化
在基础地理信息数据库中，大比例尺地形图数据是根据外业测量采集进行更新的，外业测量之前从数据库中导出数据供其测量，实现数据导出、外业采集、和数据监理、更新入库一体化，具体更新建库流程如下：
图5根据外业采集数据的建库流程
6.2.3数字正射影像图入库与更新
对于正射影像数据的建库，主要是在统一空间数据库坐标系的前提下，根据用户建库的范围定
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