0 引 言

我國自然資源總量豐富、種類多樣,但是分布分散、條塊分割嚴重、共享利用率低.國家自然資源和地理空間基礎信息庫\\( 以下簡稱基礎信息庫\\) 項目在國家電子政務統一框架下,由國家發展改革委員會牽頭,通過對來自國土資源部、水利部等 11 個自然資源主管部門和科研單位的多尺度、多時相、多類型的國家級重點自然資源數據進行標準化整合改造,建立了邏輯和空間定位框架統一的自然資源和地理空間綜合信息庫[1],為電子政務和社會公眾提供了標準化、規?；涂沙掷m更新維護的基礎性、戰略性自然資源與地理空間綜合信息,促進了自然資源與地理空間信息共享.

為了更有效地推進自然資源數據在資源管理、開發利用及規劃評價等業務工作中的實際應用,提升自然資源數據的實用價值,為電子政務和社會公眾提供深度分析、實用性強、顯現度高的自然資源綜合分析產品成果就顯得尤為重要.本文通過分析自然資源數據類型和特點,基于 Geodatabase 空間數據模型設計了面向對象的自然資源數據庫,實現空間數據和屬性數據的一體化存儲;并采用面向服務的體系架構\\( SOA\\) ,結合自然資源數據的實際支撐能力和分析評價模型,利用模型庫管理技術、工作流搭建技術、可定制的產品制作技術,構建了自然資源綜合分析系統,實現全國及重點地區自然資源開發利用動態監測與評價信息產品制作,為自然資源開發利用、保護規劃和輔助決策提供依據.

1 自然資源數據庫設計

設計完善的地理數據模型并建立數據庫是系統設計的重點,直接決定數據能否高效組織管理、利用和更新[2].本系統在嚴格遵循相關國家、行業標準和基礎信息庫項目標準的基礎上,通過規范統一數據的時空模式、分類編碼體系、資源目錄體系和數據組織方法,建立了標準、科學、現勢性強的自然資源數據庫.

1. 1 自然資源數據組織

自然資源數據主要包含基礎地理數據、自然資源專題數據和相應的輔助數據.其中,自然資源專題數據來自多個數據中心,資源類型涵蓋氣候、水、土地、礦產、能源、生物、海洋資源等.根據自然資源數據的類型和特點,結合自然資源分析產品管理需求,將自然資源綜合分析系統涉及的數據分為4 個部分進行統一組織管理: 基礎地理空間數據庫、自然資源綜合數據庫、自然資源綜合分析產品庫、數據資源目錄及元數據庫,自然資源數據庫邏輯構成如圖 1 所示.在各資源類型中,基于自然資源及其開發利用與評價規劃流程,按資源特性、資源調查、資源開發利用、資源管理、資源評價與規劃、資源保護與治理的思路組織要素類.

1. 2 數據命名和編碼設計

自然資源數據采用數據庫和要素類代碼相結合的方式命名,矢量數據的命名規則為數據庫代碼 + 類型標識符 + 要素類編碼 + 幾何類型,其他數據的命名規則為數據庫代碼 + 類型標識符 + 要素類編碼.如圖 2 所示.

其中:

1\\) 數據庫代碼由字母和數字組成,長度為 8 位,編碼規則為數據庫類型\\( 2 位\\) + 數據中心代碼\\( 3 位\\) + 子庫代碼\\( 3 位\\) ,執行信息庫項目標準《信息庫數據字典編制規范》的規定.

2\\) 類型標識符用于標識數據類型.要素類\\( FeatureClass\\) 使用 F 標識,對象類\\( Table\\) 用 T 標識,柵格類\\( Ras-ter dataset 或 Raster Catalog\\) 使用 R 標識.

3\\) 要素類代碼執行基礎信息庫項目標準《信息庫分類體系和編碼規則》規定,采用線分類法將要素類分為門類、亞門類、大類、中類、小類 5 個層次,采用 10 位定長數字碼,不足 10 位用 0 補齊.

4\\) 對于矢量數據,要考慮幾何類型的劃分,用一位作為幾何類型標識,點、線、面、注記分別用 P,L,A,N 來表示,對于不屬于這幾類的用 U 表示; 對于非矢量數據,則無該位編碼.

1. 3 數據模型設計

數據模型設計主要用于準確定義有意義的對象集并明確他們之間的關系,須細化到要素類,使用要素類、對象以及相關屬性共同表達相應實體[3 -4].自然資源數據庫基于基礎信息庫項目標準《信息庫分類體系和編碼規則》,采用統一的要素分類視角將數據劃分到小類,每個小類基于面向對象的 ArcGIS Geodatabase 模型,采用統一建模語言 UML 和 Microsoft Visio 2003 軟件工具,在 UML靜態結構圖中進行模型設計.根據數據小類的特點,分為基于要素的數據模型和基于要素覆蓋的數據模型.

1\\) 要素類數據模型

具有空間信息的矢量數據抽象為 Geodatabase 模型中的要素類,從要素類 Feature Class 派生,通過建立標記值GeometryType 來定義幾何類型; 非空間的表格類數據抽象為 Geodatabase 模型中的對象類,直接從對象類 Object 派生,在 Geodatabase 中以具有一定行為的表 Table 存在.這兩類數據的每一個屬性被映射為要素類或表的一個字段,屬性名稱用英文表示,并建立標記值 Alias 別名記錄屬性的中文含義.

真實的自然資源數據實例,可能是單純的矢量類或表格類數據,也可能是兩者的結合,如具有空間信息的觀測類數據或空間化的統計數據.對于具有空間信息的觀測類數據,如果觀測信息和站點的空間信息位于同一個表,需將空間信息和觀測信息分別保存,將觀測站點的空間信息建模成要素類,而將觀測信息建模為對象類,并在其中添加觀測站點編碼作為外鍵,通過這個外鍵與觀測站點要素類相關聯.對于需要進行空間化處理的統計型數據,要將空間信息單獨建模成一個要素類,統計信息建模成對象類,并在其中添加外鍵和空間信息所在的要素類進行關聯.

2\\) 柵格類數據模型

柵格影像數據實體主要以文件方式存儲,模型設計實質上是對描述信息的建模.每幅柵格影像作為一個柵格類,抽象為 Raster Class 的派生類,全部繼承柵格類\\( Raster Class\\) 的屬性,實際建模時僅需定義派生類的自有屬性.以海洋衛星遙感影像數據為例,海洋衛星遙感影像數據模型如圖 3 所示.

2 自然資源綜合分析系統設計

自然資源綜合分析系統遵循高內聚、松耦合的原則,利用中間件技術等最新軟件開發理論方法和信息技術研究成果,重點開展異構模型庫管理技術、基于工作流建模技術、搭建和配置系統技術、基于方案的產品制作技術研究; 然后基于這些技術和相關標準規范完成系統的設計和開發,建立對各類自然資源進行綜合分析的通用模型和專用模型,實現基于方案的自然資源綜合分析應用產品的制作和更新[5 -6].

2. 1 系統總體架構

系統采用面向服務的體系架構\\( SOA\\) 進行分層設計,總體構架可劃分為三層,自下而上分別為數據層、組件層和應用層,各個層之間相互協調共同實現系統的功能.數據層由用于數據源提供的地理空間基礎信息庫和自然資源綜合信息庫、用于成果存儲的自然資源綜合信息產品庫、相關數據編目及元數據庫組成; 組件層是系統實現的主要部分,由功能組件組成或插件組成,為最終應用提供支撐; 應用層是系統的軟件實現和表現層,通過分析處理基礎組件提供的基本業務功能,集成滿足用戶層需求的應用功能.此外,基礎信息庫項目中定制的元數據標準、產品標準等確保產品按照統一的規程制作和管理,產品質量控制體系采用半自動化的質量檢查技術保證產品質量.

2. 2 系統功能設計

自然資源綜合分析系統的具體功能模塊主要包括模型庫管理、工作流搭建、產品制作、產品管理、系統構建五大部分,自然資源綜合分析系統模塊組成如圖 4 所示.

1\\) 模型庫管理: 模型庫管理模塊以插件、組件、工作流等形式實現自然資源分析模型的構建,通過定制標準的協議支持異構模型的集成,并采用目錄樹結構的方式實現各種模型的分層管理,方便模型資源的統一管理和直接調用,具體功能包括模型構建、模型管理、模型擴展等.

2\\) 工作流搭建: 工作流是功能節點按一定順序連接的功能集合體,它把小粒度的功能插件、組件按順序連接形成大粒度的工作流來滿足應用需求.工作流搭建模塊提供可視化、拖放式的工作流搭建方法,利用模型建立各種功能的節點,按業務邏輯順序將模型連接形成大粒度的功能,構建和管理自然資源綜合分析業務流程,具體功能包括工作流管理、工作流搭建、工作流測試等.

3\\) 產品制作: 產品制作模塊基于工作流搭建模塊配置方案進行產品制作,以方便快速實現同類產品制作和更新的自動化,具體功能包括方案配置、數據分析處理、專題圖表制作等.

4\\) 產品管理: 產品管理模塊支持產品成果文件及視圖、產品核心元數據、產品規范的管理,包括成果的瀏覽、查詢、導入和導出功能,并能針對更新數據,在本地制作好的產品基礎上進行流程化、智能化更新.

5\\) 系統構建: 系統構建模塊基于框架、功能、數據分離的理念,采用框架 + 配置文件 + 模型的方式來實現系統的構建,其中框架負責配置系統界面,并裝載、卸載模型,配置文件記錄系統配置方案,模型實現各種不同的業務功能,具體功能包括系統配置、模型提取、系統組裝等.

2. 3 分析模型設計

自然資源綜合分析模型圍繞自然資源開發利用調查和動態評價,設計分析模型算法,以插件、組件或工作流的方式實現模型功能.分析模型包括通用模型和專業模型,通用模型是復用程度較高的共性處理模塊,包括字段計算、空間插值、表格轉置、統計分析等; 專業模型是基于專業應用設計的算法開發而成的定制工具,包括人均土地資源面積分析、土地利用效率分析等.自然資源綜合分析模型如圖 5 所示.

2. 4 業務功能設計.

自然資源綜合分析業務功能面向實際應用需求,通過方案配置選擇相應數據和模型開展流程化、模板化的專題分析,實現可復用、自動化的自然資源狀況及其變化趨勢分析,便于產品按需定制和更新.系統從資源稟賦、開發、規劃等方面,支持氣候資源、水資源、土地資源、礦產資源、能源資源、生物資源、海洋資源等領域的綜合分析決策功能.

3 自然資源綜合分析系統實現

3. 1 系統實現

系統遵循面向服務的體系架構,嚴格執行統一的編碼要求、命名要求等規程規范,采用 Visual Studio 2005 中的 C#/C + + 語言進行系統開發.

1\\) 組件、插件開發: 主要是用 C + + 開發的 COM 組件和用 C#開發的. NET 組件.開發完成的插件和組件,一方面通過注冊入庫到模型庫中管理; 另一方面搭建成具有一定業務功能的工作流.插件也可以綁定到系統的功能菜單或工具條上使用.

2\\) 工作流搭建: 基于組件或插件,按照業務處理流程通過節點搭建、功能綁定、節點編輯等操作組裝工作流,一方面形成工作流形式的模型添加到模型庫; 另一方面提供給應用構建模塊搭建系統,也可根據實際應用需要自定義工作流開展業務分析.

3\\) 模型庫管理: 通過插件、組件或工作流等形式構建的模型,經添加描述信息并測試無誤后導入到模型庫中,使用目錄樹進行分類分級管理.

4\\) 產品制作: 針對具體的業務應用分析,以搭建工作流的方式配置產品制作方案,從數據庫和模型庫中提取數據及相應的模型,并設置參數對數據進行處理和分析,通過創建專題圖、符號渲染、圖幅整飾等操作實現專題產品的制作.

5\\) 產品管理: 制作完成的自然資源分析產品及輔助成果,導入到產品管理模塊進行管理,當數據更新或修改后,可利用配置方案進行產品的快速更新.

6\\) 系統構建: 通過設計系統的界面框架,從模型庫中提取系統所需的模型綁定到菜單、工具條,實現系統的整體功能.

3. 2 主要關鍵技術及特點

1\\) 面向服務的 SOA 架構系統采用面向服務的 SOA 架構,將功能資源以服務的形式提供,實現各功能模塊之間的相互獨立和松耦合,對外提供統一的調用接口和調用方式,使系統易于擴展,能夠快速適應不斷變化的應用需求.

2\\) 松耦合的工作流搭建系統引入松耦合的工作流思想,提供各種粒度模型流程化、可視化搭建功能,實現以工作流驅動構件運行,從而達到業務邏輯和功能的分離,使其可以在不修改具體功能模塊實現方式的情況下,通過修改過程模型來改進系統性能.

3\\) 多源異構的模型庫管理系統提供了標準的插件模型接口和標準通用組件接口,在對功能進行規范化封裝后,可以通過該接口動態地納入到模型庫中完成功能集成,并可利用工作流技術實現不同模型的重構耦合和有效復用.

4\\) 基于方案的產品快速制作和更新系統通過定制產品制作方案,記錄產品制作過程中配置的數據、模型、參數處理流程、符號化方式、制圖表達方式等信息,形成完整的產品制作方案和流程,實現產品制作的自動化.在數據更新的情況下,通過快速調用產品制作方案,自動實現產品更新,提高工作效率.

5\\) 可定制的系統搭建系統將根據行業標準建立起功能與界面分離,動態地實現系統的界面布局,也可靈活、自由地實現軟件模塊在系統上的插拔,具有高度的可定制性.

4 結束語

自然資源綜合分析系統面向多樣化的產品及應用需求,基于流程化的業務模式配置產品制作方案,實現了智能、靈活、自動化的產品按需定制和更新.系統在開展各行業專題分析的同時,更注重突出自然資源的綜合性分析及評價,能夠服務于電子政務對自然資源管理的需求,同時為國家及政府優化自然資源開發利用和宏觀決策提供科學依據.

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