地質(zhì)遺跡信息系統(tǒng)設(shè)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(gòu)成了河南省獨特的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，形成了河南省復(fù)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(shù)的河南省地質(zhì)遺跡信息系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)進行了研究。

關(guān)鍵詞：GIS技術(shù)；河南省；地質(zhì)遺跡信息系統(tǒng)；設(shè)計

1系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和工具

1.1網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)

系統(tǒng)應(yīng)用了ArcGISforServer平臺提供的網(wǎng)絡(luò)GIS服務(wù)。ArcGISforServer是基于SOA架構(gòu)的GIS服務(wù)器，通過它可以跨企業(yè)或跨互聯(lián)網(wǎng)以服務(wù)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(yīng)用[1]。網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)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(yīng)用，并且能夠為用戶提供豐富的Web服務(wù)。

1.2三維場景管理與可視化技術(shù)

隨著GIS理論和技術(shù)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(shè)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(wù)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(jié)合可視對象查找機制，構(gòu)成三維場景繪制的整個過程。

1.3MVC設(shè)計模式

MVC（ModelViewController）是一個設(shè)計模式，它強制性使應(yīng)用程序的輸入、處理和輸出分開[2]。使用MVC應(yīng)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(wù)。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(yīng)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(shè)計，此設(shè)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(shù)，對數(shù)據(jù)庫進行優(yōu)化設(shè)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(shè)計，它幾乎包括了數(shù)據(jù)庫模型設(shè)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(wù)流程并掌握系統(tǒng)架構(gòu)者的架構(gòu)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(shè)計

2.1設(shè)計概述

河南省地質(zhì)遺跡信息系統(tǒng)的建設(shè)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(shè)以GIS為基礎(chǔ)，在地質(zhì)環(huán)境信息化建設(shè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合了無人機拍攝等先進技術(shù)，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(guān)多媒體資料、720°全景數(shù)據(jù)進行收集整理，對關(guān)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(shè)目的是要建設(shè)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(shè)提供技術(shù)支撐。

2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

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(gòu)，采用B/S模式，以地理信息系統(tǒng)（GIS）為基礎(chǔ)，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(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，建設(shè)面向各級用戶的地質(zhì)遺跡相關(guān)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(chǔ)上，提供各類WebService服務(wù)接口供各個應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用，同時針對宣傳、服務(wù)和管理不同業(yè)務(wù)的需求，分別建設(shè)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(wù)與邏輯、服務(wù)接口、客戶端組件、應(yīng)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(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)中心層、服務(wù)層、客戶端組件層、應(yīng)用層與用戶層。

2.3地質(zhì)遺跡720°全景拍攝方案設(shè)計

本系統(tǒng)在建設(shè)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(shù)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(fēng)力小于4級風(fēng)，空氣能見度必須要好。

2.4數(shù)據(jù)庫建設(shè)

在本系統(tǒng)的業(yè)務(wù)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(wù)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(guān)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(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，其中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要用于完成系統(tǒng)的查詢統(tǒng)計業(yè)務(wù)，包括地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等，是系統(tǒng)內(nèi)最重要的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)按照一定的關(guān)系模式存儲于Oracle數(shù)據(jù)庫中；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要是與基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)相關(guān)的資料數(shù)據(jù)，包括與地質(zhì)遺跡、地質(zhì)公園相關(guān)的視頻、文檔、圖片等，此類數(shù)據(jù)保存在服務(wù)器的磁盤空間中，以WebService服務(wù)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(shè)計所需的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)不使用外鍵進行強制關(guān)聯(lián)，而是采用松耦合式關(guān)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(guān)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(guān)系模型

本系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實體關(guān)系結(jié)構(gòu)較為清晰，不存在實體之間多對多的復(fù)雜邏輯關(guān)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(shù)為基礎(chǔ)，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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(shè)計、詳細設(shè)計、用戶操作手冊、系統(tǒng)部署手冊等。整個系統(tǒng)的建設(shè)情況，已經(jīng)部分實現(xiàn)了預(yù)期的系統(tǒng)功能。

4結(jié)束語

本系列按系統(tǒng)理論方法，充分運用水文地質(zhì)學(xué)、環(huán)境地質(zhì)學(xué)、網(wǎng)絡(luò)工程、軟件工程、數(shù)據(jù)庫技術(shù)的理論知識，結(jié)合地理信息技術(shù)、三維數(shù)字地球、衛(wèi)星遙感技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等高新技術(shù)，通過調(diào)研、反復(fù)論證研究、復(fù)雜的數(shù)據(jù)資源整合建設(shè)、軟硬件環(huán)境建設(shè)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(shè)取得了較為豐碩的成果。但是，在整個系統(tǒng)建設(shè)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(shè)成果推廣應(yīng)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(guān)部門提供必要的資金支持。

參考文獻

[1]裴偉霞，李曉亮，劉遠飛，李麗.基于WebGIS的地質(zhì)遺跡管理信息系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)———以關(guān)中城市群地質(zhì)遺跡為例[J].城市勘測，2014（02）：19~22.

[2]姜川.基于GIS的地質(zhì)項目落實跟蹤平臺的設(shè)計及應(yīng)用[J].地礦測繪，2017，33（03）：11~13.

[3]儲皓.中國敦煌地質(zhì)公園管理信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2015.

[4]霍光杰，李滿洲，王繼華.河南省地質(zhì)環(huán)境信息化工程建設(shè)報告，2018.

[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(gòu)建[J].軟件導(dǎo)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