地質(zhì)遺跡信息系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
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摘要：河南省地域廣闊，境內(nèi)華北地臺、秦嶺褶皺帶和大別地塊構成了河南省獨特的地質(zhì)結構，形成了河南省復雜多樣的地質(zhì)地貌和豐富的地質(zhì)遺跡資源。為了實現(xiàn)對河南省地質(zhì)遺跡的信息化管理，本文對基于GIS技術的河南省地質(zhì)遺跡信息系統(tǒng)設計與實現(xiàn)進行了研究。
關鍵詞：GIS技術；河南??；地質(zhì)遺跡信息系統(tǒng)；設計
1系統(tǒng)關鍵技術和工具
1.1網(wǎng)絡GIS技術
系統(tǒng)應用了ArcGISforServer平臺提供的網(wǎng)絡GIS服務。ArcGISforServer是基于SOA架構的GIS服務器，通過它可以跨企業(yè)或跨互聯(lián)網(wǎng)以服務形式共享二三維地圖、地址定位器、空間數(shù)據(jù)庫和地理處理工具等GIS資源，并允許多種客戶端（如Web端、移動端、桌面端等）使用這些資源創(chuàng)建GIS應用[1]。網(wǎng)絡GIS技術可以實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)管理、空間可視化（制圖）、在線編輯空間分析和地理處理、實時數(shù)據(jù)處理分析、以地圖為核心的內(nèi)容管理等方面的應用，并且能夠為用戶提供豐富的Web服務。
1.2三維場景管理與可視化技術
隨著GIS理論和技術的不斷發(fā)展，空間場景獲取的精度越來越高，數(shù)據(jù)量也呈TB級增長趨勢。針對如此大規(guī)模的海量三維場景數(shù)據(jù)，三維場景渲染系統(tǒng)的處理能力也需要成倍的增長。當前串行化三維場景渲染已不能滿足當前大規(guī)模三維場景渲染的高效化、實時化需求。本次設計充分利用多核硬件的并行化處理能力，同時針對大規(guī)模三維場景數(shù)據(jù)特點，從三維場景可視化流程上進行分析，對可視化過程中的任務進行有效分解，將傳統(tǒng)的三維可視化渲染流程分解為場景更新、數(shù)據(jù)加載和場景渲染三個主要的并行化模塊，以主線程、數(shù)據(jù)加載模塊和場景渲染模塊來進行實現(xiàn)，結合可視對象查找機制，構成三維場景繪制的整個過程。
1.3MVC設計模式
MVC（ModelViewController）是一個設計模式，它強制性使應用程序的輸入、處理和輸出分開[2]。使用MVC應用程序被分成三個核心部件：模型、視圖、控制器。MVC中的M是指數(shù)據(jù)模型，V是指用戶界面，C則是控制器。它們各自處理自己的任務。系統(tǒng)開發(fā)采用SSH框架實現(xiàn)MVC模式。SSH是struts+spring+hibernate的一個集成框架，是目前較流行的一種Web應用程序開源框架。
1.4數(shù)據(jù)庫建模工具
在數(shù)據(jù)庫建模的過程中，運用PowerDesigner進行數(shù)據(jù)庫設計，此設計工具不但能讓人直觀的理解模型，而且可以充分的利用數(shù)據(jù)庫技術，對數(shù)據(jù)庫進行優(yōu)化設計。PowerDesigner是Sybase公司的CASE工具集，使用它可以方便地對管理信息系統(tǒng)進行分析設計，它幾乎包括了數(shù)據(jù)庫模型設計過程所需的全部功能。使用PowerDesigner工具來建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模型，可以使程序員很好的理解業(yè)務流程并掌握系統(tǒng)架構者的架構思想，因此可以更好地滿足客戶的功能需求。
1.5第三方控件
此系統(tǒng)中使用了不少第三方控件，如ExtJS中的Ext表格控件、Fu－sionCharts等。其中，krpano是一種基于flash的三維全景播放器，它不僅體積小巧、靈活，而且性能良好，作為一款跨平臺的AdobeFlash播放器，它是當今世界上最流行的互動三維全景播放器[3]。Krpano擁有許多獨特性能，比如，可以通過調(diào)整“魚眼”視角來使用戶看到更大視野，可以實現(xiàn)對巨幅全景的支持（比如數(shù)十億像素的全景圖片）。另外，它還支持腳本控制，擁有豐富的插件可供選擇，而且用戶還可以根據(jù)需要開發(fā)自己的插件。
2系統(tǒng)設計
2.1設計概述
河南省地質(zhì)遺跡信息系統(tǒng)的建設主要為了滿足河南省地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園數(shù)據(jù)信息化管理，方便各級用戶快速的了解和維護地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園數(shù)據(jù)。本次信息系統(tǒng)的建設以GIS為基礎，在地質(zhì)環(huán)境信息化建設的基礎上，結合了無人機拍攝等先進技術，開發(fā)出了易于管理的地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園信息系統(tǒng)。本系統(tǒng)將全省的地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園、相關多媒體資料、720°全景數(shù)據(jù)進行收集整理，對關系數(shù)據(jù)進行建庫入庫，方便統(tǒng)一管理和后期更新。本系統(tǒng)的建設目的是要建設一個易于使用、管理的地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息系統(tǒng)平臺，以方便用戶對全省地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園信息快速查閱、維護、管理，同時可以為用戶提供部分地質(zhì)公園的720°全景展示，為用戶更加直觀、身臨其境的了解地質(zhì)公園現(xiàn)場提供平臺，并且為今后地質(zhì)環(huán)境信息化建設提供技術支撐。
2.2系統(tǒng)總體結構
河南省地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息系統(tǒng)基于SOA體系架構，采用B/S模式，以地理信息系統(tǒng)（GIS）為基礎，通過空間數(shù)據(jù)引擎將空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲于關系型數(shù)據(jù)庫中，建設面向各級用戶的地質(zhì)遺跡相關信息查詢平臺，實現(xiàn)各種類型的數(shù)據(jù)資源和功能資源的統(tǒng)一組織和管理，在GIS支撐平臺基礎上，提供各類WebService服務接口供各個應用系統(tǒng)調(diào)用，同時針對宣傳、服務和管理不同業(yè)務的需求，分別建設地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息展示子系統(tǒng)和地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息管理子系統(tǒng)[4]。整個地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息系統(tǒng)自下而上由產(chǎn)品與支撐、服務與邏輯、服務接口、客戶端組件、應用子系統(tǒng)五大部分組成。按照這五大部分，并考慮到系統(tǒng)面向的用戶，可把地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息系統(tǒng)平臺分為六層，即基礎設施層、數(shù)據(jù)中心層、服務層、客戶端組件層、應用層與用戶層。
2.3地質(zhì)遺跡720°全景拍攝方案設計
本系統(tǒng)在建設的過程中，為了使用戶能夠身臨其境的體驗河南省的地質(zhì)遺跡，采用720°全景拍攝技術對嵩山地質(zhì)公園13處地質(zhì)遺跡點和人文景點進行了全景拍攝。全景拍攝具有以下幾個方面的特點：水平垂直各360°，全景720°視角，沒有任何視線盲點，想看哪里就看哪兒；全部是實景拍攝，真實立體，而且采用專業(yè)自改制高像素相機進行拍攝，清晰度非常高；互動性強，鼠標隨意拉動觀看，嵌入地圖，行走漫游；內(nèi)嵌內(nèi)容豐富，視頻廣告、圖片、文字、語音、動畫等；用戶感受“身臨其境，觸手可及”。全景拍攝對天氣條件有特殊的要求，為了保證拍攝效果，天氣必須為多云或晴朗天氣，無人機起飛處地面風力小于4級風，空氣能見度必須要好。
2.4數(shù)據(jù)庫建設
在本系統(tǒng)的業(yè)務數(shù)據(jù)庫包括行政區(qū)劃、地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園、多媒體資料、用戶信息等6大類業(yè)務數(shù)據(jù)。下文對數(shù)據(jù)庫的邏輯模型、物理模型以及實體關系模型進行簡要介紹。
2.4.1數(shù)據(jù)庫邏輯模型
地質(zhì)遺跡數(shù)據(jù)庫按邏輯劃分可分為結構化數(shù)據(jù)和非結構化數(shù)據(jù)，其中結構化數(shù)據(jù)主要用于完成系統(tǒng)的查詢統(tǒng)計業(yè)務，包括地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園基礎數(shù)據(jù)等，是系統(tǒng)內(nèi)最重要的業(yè)務數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)按照一定的關系模式存儲于Oracle數(shù)據(jù)庫中；非結構化數(shù)據(jù)主要是與基礎業(yè)務數(shù)據(jù)相關的資料數(shù)據(jù)，包括與地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園相關的視頻、文檔、圖片等，此類數(shù)據(jù)保存在服務器的磁盤空間中，以WebService服務的形式供系統(tǒng)調(diào)用。
2.4.2數(shù)據(jù)庫物理模型
本系統(tǒng)設計所需的基礎元素包括地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園、行政區(qū)劃、多媒體資料以及用戶等[5]。數(shù)據(jù)結構不使用外鍵進行強制關聯(lián)，而是采用松耦合式關聯(lián)，這樣可以有效提升數(shù)據(jù)的容錯性、可操作性和可維護性。另外，此系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)全部在數(shù)據(jù)層面進行，可以有效提升系統(tǒng)的可移植性。
2.4.3數(shù)據(jù)庫實體關系模型
本系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)實體關系結構較為清晰，不存在實體之間多對多的復雜邏輯關系。其中，一項地質(zhì)遺跡記錄雖然包含多個多媒體資料，但是只屬于一個地質(zhì)遺跡類型和一個行政區(qū)劃區(qū)域；同樣，一項地質(zhì)公園記錄雖然包含多個多媒體資料和地質(zhì)遺跡，但是只屬于一個行政區(qū)劃區(qū)域；一項用戶記錄只屬于一個行政區(qū)劃區(qū)域。
3系統(tǒng)實現(xiàn)
河南省地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息系統(tǒng)以GIS技術為基礎，取得了豐碩的成果。①收集了河南省全省的地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園數(shù)據(jù)及相關多媒體資料，包括大量的全景拍攝資料，并且統(tǒng)一將這些資料整理入庫。②開發(fā)了河南省地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息展示子系統(tǒng)，通過Web端訪問，實現(xiàn)了包括二三維電子地圖展示，全省地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息查詢統(tǒng)計、相關多媒體資料瀏覽下載、地質(zhì)公園720°全景漫游等功能。③開發(fā)了河南省地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息管理子系統(tǒng)，通過Web端訪問，實現(xiàn)對全省地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園的數(shù)據(jù)及相關多媒體資料的管理和維護工作，同時也實現(xiàn)了對系統(tǒng)用戶的相關管理和維護。④形成了項目實施過程中的成果文檔，包括需求說明書、概要設計、詳細設計、用戶操作手冊、系統(tǒng)部署手冊等。整個系統(tǒng)的建設情況，已經(jīng)部分實現(xiàn)了預期的系統(tǒng)功能。
4結束語
本系列按系統(tǒng)理論方法，充分運用水文地質(zhì)學、環(huán)境地質(zhì)學、網(wǎng)絡工程、軟件工程、數(shù)據(jù)庫技術的理論知識，結合地理信息技術、三維數(shù)字地球、衛(wèi)星遙感技術、大數(shù)據(jù)技術等高新技術，通過調(diào)研、反復論證研究、復雜的數(shù)據(jù)資源整合建設、軟硬件環(huán)境建設和大量的軟件開發(fā)工作，河南省地質(zhì)遺跡地質(zhì)公園信息系統(tǒng)建設取得了較為豐碩的成果。但是，在整個系統(tǒng)建設的過程中仍舊存在著一些問題，包括數(shù)據(jù)資源整合與入庫問題、數(shù)據(jù)資源共享機制問題、地質(zhì)公園地質(zhì)遺跡建設成果推廣應用問題以及后續(xù)經(jīng)費問題。這些問題不僅需要開發(fā)者進行不斷的研究和改進，而且需要相關部門提供必要的資金支持。
參考文獻
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[5]羅興賢，高江錦，郭元輝，周智勇，周曉慶.基于.NET的地質(zhì)公園We－bGIS管理平臺構建[J].軟件導刊，2016，15（02）：66~68.
作者：霍光杰 田大永 單位：河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院 河南省地質(zhì)環(huán)境保護重點實驗室 河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院
