地理信息系统研发解决方案

地理信息系统研发案例地理信息系统研发企业地理信息系统研发地理信息系统研发解决方案地理信息系统研发可视化平台地理信息系统研发“实景数字孪生”

一、 背景及意义

（一）背景

地理信息系统（GeographyInformationSystem）是整个地球或部分区域的资源、环境在计算机中的缩影，反映了人们赖以生存的现实世界，是在计算机软件和硬件支持下，以一定的格式输入、存储、检索、显示和综合分析应用的技术系统。

1.1. 系统描述

本项目建设的分布式3DGIS平台采用了客户／服务器结构、对象关系数据库存储和COM构件库封装等技术，同时采用了缓存和索引技术，成功地解决了数据访间的效率间题。可以说，系统是本着如下的思想来设计的：地理信息系统研发解决方案。

完全整合的数据模型：空间数据和属性数据都统一存储在一个对象关系数据库中，可以保证两种数据完全一致。

北京智汇云舟科技有限公司

企业技术：数字孪生、3DGIS引擎（专利研发）、视频融合（行业领先）、位置智能LI 、三维建模等行业相关技术。属于技术供应商。地理信息系统研发解决方案。

项目案例行业：数字乡村、军工、工厂 、轨道交通、区域应急、智慧城市、智慧园区、智能监所、水利、电力、智慧交通、高速、智慧高铁、雪亮工程、机场管理、矿厂等等数字孪生赋能行业。【众多项目案例索取，电话咨询】

北京智汇云舟科技有限公司是国家级和中关村双高新技术企业，海淀城市大脑联盟的发起单位，中科院创新发展研究院理事单位，背靠中科院、清华、北航等权威科研院所的前沿科研成果，利用3DGIS+视频融合+时空位置智能（LI）技术首创“实景数字孪生”，自主研发了实景孪生解决方案、Paas平台、实景孪生虚实融合一体机等产品，参与多项国家级重点项目建设，在数字乡村、军工、轨道交通、应急、智慧城市/智慧园区等领域积累了丰富实施经验与实践结果。

集中式的数据服务：用户通过客户端访间统一的服务器，数据完全存放在服务器上，同时被众多用户访间。

提高数据访间的效率：通过空间索引和客户端缓存，提高数据访间的效率，使系统对用户是可用的。

构件化二次开发接口：通过COM技术，实现完整的构件库，提供统一的二次开发接口。

可分为服务端和客户端两大部分。服务端对空间数据和属性数据提供同一的访间和管理接口，同时提供基于SQL的属性条件查询。客户端负责空间查询、空间分析、地图显示、地理信息系统研发解决方案，地图编辑等所有其它功能。

1.2.系统架构图

遵循云计算部署方式，支持分布式3DGIS平台的云部署架构。

1.3. 系统组成

3DGIS服务端由数据库、服务器和管理工具三部分组成。所有的空间数据和属性数据都存放在数据库中，其中空间数据以自定义的格式编码，存储在数据表的二进制大对象(BLOB)域段中。服务端向客户端提供了对图层、地图、显示配置、图例库等对象的创建、删除、获取、更新、枚举等操作。管理工具被用来初始化数据库，检查并修复数据库的状态和管理用户权限。

通过对空间数据建立层次网格索引，服务器可以快速的从海量数据中找出指定空间范围内的实体数据。因此，客户端不必每次都请求获取整个图层的实体数据，它可以每次请求当前所关心区域的实体数据。服务器对客户端的操作请求按原子事务处理，一次更新请求或者完全成功，或者对数据库中的数据无任何影响。利用数据库系统的权限管理机制，服务器可以限制不同用户对图层的访间权限，只有被授权的用户才能访间图层数据。

客户端包括缓存、对象库、构件库、应用工具集和应用系统。对象库是客户端的核心，它封装了与服务器之间通信的实现，实现了客户端的数据管理和缓存管理，提供了空间查询、空间分析、地图显示、地图编辑、数据访间等多种功能。客户端利用缓存把从服务器获取来的数据较长时间的傈留在本地，以避免在数据访间时需要再次从服务器获取相同的数据。

构件库提供了多组构件对象，包括数据访间对象、地图显示对象、空间分析对象、空间几何对象和应用工具对象等。构件库是对象库的构件化封装。应用工具集和应用系统都是基于构件库开发的。应用工具集中包括地图编辑器、图例库制作工具、数据管理工具、系统和缓存配置工具等。

地理信息系统研发解决方案，客户端和服务器之间通过TCP协议通信。客户端通过(数据源名，用户名，口令)登录到指定的主机服务器，服务器为每一个特定的连接分配～个Socket端口号和一个时间戳。客户端在向服务器发出各种请求时，根据连接端口建立一个TCP连接，通过时间戳检验连接的有效性，与服务器交换数据，最后断开连接。

1.4. 主要研究内容和关键技术

地理信息系统研发

通过对分布式3D地理信息系统进行研究，提出了自己的理论、技术和相对完整的分布式地理信息系统体系结构。研究的重点是探讨基于网络的分布式地理信息服务的方法，构造一个分布式地理信息系统服务模型，这不仅为了解决GIS的数据共享，更着重于解决深层次的GIS处理功能服务间题。

1、通过对分布式地理信息的分析，提出地理空间信息的数掘模型。另外，对几何对象和空间参考系统方面进行探讨。

2、分布式地理信息的快速导航一直是分布式GIS研究的重点。我们在空间元数据标准的基础上，构造一个基于网络的分层空间元数据库框架，并将GML标准运用到地理空间元数据中来。

3)我们把GIS互操作分成三类，即数据互操作(技术互操作)、处理功能互操作(服务互操作)和语义互操作。在分析GIS互操作的基础上，提出GIS数据和GIS处理功能互操作的模型结构。

4、通过分析分布式地理信息服务，指出地理信息服务多以服务链的形式存在，提出并阐述三种DGIS服务链——用户自定义服务链、静态服务链和工作流管理服务链。

5、在分布式地理信息服务模型里面，分布式组件注册服务是一个比较重要的部分，本项目将构建一个分和式组件的注册服务模型。

6．研究了3DGIS中的长事务并发控制

a．提出了在3DGIS服务中提供多策略并发控制机制；

b．总结出了数据访间中的四种版本一致性原则。

7．研究了海量空间数据索引结构

a．总结出三种有代表性的索引结构R*树、PK树和HilbertR树：

b．总结出在查询效率上，PK树效率最高，Hilbert R树次之，R*树最差，但PK树存储效率低；

c．提出了平衡PK树，进一步提高了PK树的查询效率；

d．提出了广义PK树的概念，推广了PK树的应用：

e．提出了利用Hilbert码区间减少HilbertR树结点间的重叠区域；

f．提出了启发式Hilbert R树算法，提高Hilbert R树的查询效率和对数据分布的适应性。

（一）主要研究开发内容

空间数据的获取是GIS建设与运行的基础，数据源及数据获取方式的不同，对数据模型的生成产生很大的影响，如何根据不同的需要，采取合适的方法来获取数据，以及如果保证数据的精确度，最终使可视化程度更接近现实，提高系统的空间查询分析能力。

由于客观世界的多样性和复杂性，可视化要涉及多方面的数据集成，要采用较复杂的数据模型。为了有效的管理和分析三维GIS中的各种数据，要求三维GIS的数据模型有着很强的数据表达能力。三维GIS数据模型不但要满足三维空间分析的需要，也要满足三维图形空间生成和管理的需要。如何选择一种快速而且有效的建模方法来满足不同应用的需求。

地理信息系统研发解决方案，如何使人们能够在一个虚拟的三维环境中，用动态交互的方式对场景进行全方位的审视，比如可以从任意角度、距离和精细程度观察场景，可以选择并切换多种运动模式，如行走、驾驶、飞翔等，还可以自己控制浏览的路线等等。

（二）技术关键

1、空间数据采集方法

空间数据采集是GIS建设和运行的基础，广义GIS空间数据不仅包括地理、测绘数据，还包括地质环境与工程设计数据。人类在认识自然和改造自然的过程中，发现和发明了一系列空间定位方法与定位工具，使得人类能够认识地球表面、内部及其外部空间。随着现代测绘技术、地质勘探和地球物理技术的发展，三维空间数据采集技术不断发展和丰富，极大地提高了人类认识自然的能力。

1.1 空间数据采集方法

空间数据的获取既可以直接在野外通过全站仪或者GPS、激光测距仪等进行测量，也可以间接地从航空影像或者遥感图像以及既有地图上得到。其中地图数字化和摄影测量是大规模空间数据采集最有效的两种方式，应用也最为普遍。

1.1.1 地图数字化技术

从现代意义上讲，以往的大比例尺、航测各种比例尺成图等，都是模拟的纸质图、胶片或影像。要进入GIS实现计算机管理，必须是数字化的电子地图。将现有图像负载的大量信息输入数据库的过程称为数字化。广义的数字化泛指将信息转化为计算机能接收的形式的过程，而狭义的数字化则指将地图/影像转变为符合要求的矢量数据结构的过程。目前，地图/影像数字化包括手扶跟踪数字化和扫描数字化两种方式。前者是借助计算机和平板状数字化仪，从已有纸质地图上进行重采样，并形成数字化的坐标点列数据的过程；后者借助计算机和平板式或滚筒式扫描仪，从已有纸质地图上进行重采样，并形成坐标点列数据的过程。

（1）手扶跟踪数字化

手扶跟踪数字化设备包括固定地图用的数字化板和采样用的游标，手扶数字化过程包括以下三步：图件的预处理：在进行图件的数字化之前，应根据图幅内容及图件各要素进行编号。编号时要按照编号系统的统一要求进行，通常以小比例尺分幅或经纬度位置分区域统一编号，以便于图幅的拼接和处理；也可以按行政区域的管理范围分区域编号。在区域编号时，对图斑、结点、链段、独立点均要事先分别编号，而主要链段上的特征点和特征线可在数字化时按顺序递增编号。编号结束后，应做必要的记录，以便查询。记录内容包括：图幅编号、图幅坐标及编号内容等。图幅编号之后，即可在数字化仪上进行图件定位。

图件的数字化：通常，数字化仪采用点模式、线模式和数据流模式采集数据。在点模式下，地图上的各个孤立点通过将游标定位于采集点的位置上并按下按钮进行记录；线模式下，直线段是通过数字化线段的两个端点来记录的，曲线则通过对组成它的一系列直线的数字化来记录；在数据流模式下，曲线是以时间或距离的规定间隔来自动采集曲线上点的坐标值。点模式和线模式的优点是尽可能减少特征点丢失，重采样精度高，缺点是采样效率低，一般适合地籍图、规划图的数字化。数据流模式的优点是重采样效率比较高，缺点是容易丢失特征点，一般适合地形图、等高线图的数字化。

图属关系连接：图件数字化仅仅获得了点、线、面要素的几何坐标数据，还必须输入点、线、面要素的属性信息，并生成点、线、面要素之间的拓扑关系，拓扑关系可以通过全多边形模式、手工模式或自动模式建立。

（2）扫描数字化

扫描数字化是使用扫描仪将整幅地图扫描成像之后，再进行矢量转换或屏幕跟踪的方法。这种方式通常要求对原始材料进行预处理。例如将地图中的各种色彩不同的地理特征先分色，复制在透明薄膜上，然后再进行扫描。目前已有自动的分色扫描仪，也有研究自动分层建库的文献。经过光学扫描仪的栅格扫描方法得到地图栅格数据结构，是以像素方式存储的，在使用之前，需要将它转换成矢量数据结构。矢量数据结构在数据冗余、地图缩放、漫游、存储空间、编辑、修改以及地图分析等方面具有栅格数据所不能比拟的优越性，所以根据系统设计时选择的地图数据存储格式还要进行必要的矢量化处理。栅格数据转换矢量数据的方法主要分为三类，即点状栅格的矢量化，线状栅格的矢量化和面状栅格的矢量化。

点状栅格的矢量化：将栅格点的中心转换为矢量坐标的过程。对于任意一个栅格点，将其行列号I、J转换为其中心点的X、Y的公式如下：

X=X+(J,0,5)×Dx0（2.1）

Y=Y+(I,0,5)×D0（2.2）

其中0X、0Y为栅格原点坐标，xD、yD为一个栅格的宽和高。线状栅格的矢量化：提取弧段栅格序列点中心的矢量坐标的过程，主要有细化矢量化和非细化矢量化。细化矢量化首先将具有一定粗细的线状栅格进行细化，提取其中轴线；然后，再沿中轴线栅格数据进行跟踪矢量化。非细化矢量化的算法不需要对线条进行细化，而是从线条上任一点起，先后对线条两端进行跟踪矢量化，其跟踪判断的依据是起始点处线条的宽度。相比较而言，后一种算法优于前者，细化矢量化不仅速度慢，其矢量化后的线条会因为细化而造成线条两头缩短，而且会因为线条粗细不均使矢量化的线条有毛刺现象。

面状栅格的矢量化：提取具有相同属性编码的栅格集合的矢量边界及边界与边界之间的拓扑关系的过程。早期的地理信息系统数据数字化是以手扶跟踪数字化为主，但这种方式有几何精度较低、速度慢、劳动强度大等缺点，目前这种方式已不常用。数字化的方式己大部分转向扫描数字化方法，该方法地图的扫描速度快、在保证图纸质量的前提下，扫描精度也比较高。

1.1.2摄影测量技术

传统的摄影测量技术是利用光学摄影机摄影的像片，来研究和确定被摄物体的形状、大小、位置、性质和相关关系的，并将所测得的成果以图解形式或数字形式进行输出。摄影测量的主要特点是：在像片上进行量测，无须或很少接触被摄体，因而受自然和地理等外界条件的约束少；像片是对客观现象的一次真实记载，包含有丰富的信息，人们可以选择所需要测和处理的对象，从像片上所包含的几何信息中进行判读和计算。可以说，只要物体能够被摄影成像，都可以使用摄影测量技术。

根据获取摄影信息的手段和方式，摄影测量可分为航天摄影测量、航空摄影测量、地面摄影测量和近景摄影测量等。按照摄影测量的目的，可简单分为地形摄影测量和非地形摄影测量。其中地形摄影测量的任务是测制各种比例尺的地形图，非地形摄影测量主要是研究测绘地形目标的形状、大小。摄影测量的应用范围很广，如地形测绘、土地资源调查、环境监测、建筑施工、变形研究、文物考古、医学生物工程和军事侦察等，利用航空摄影测量进行地形绘制是摄影测量的主要任务。

广义的数字摄影测量是指从摄影测量和遥感所获得的数据中，采集数字化图形或数字化影像，在计算机中进行各种数值、图形和影像处理，研究目标的几何和物理特性，从而获得各种形式的数字产品和可视化产品。广义的数字摄影测量包含了硬拷贝的机助制图和软拷贝的数字测图，有时也通称为全数字化摄影测量。数字摄影测量系统或数字摄影测量工作站由计算机硬件、数字摄影测量软件、输入/输出硬件构成；数字产品包括数字地图、数字高程模型、数字正射影像、测量数据库、GIS和土地信息系统等；可视化产品包括地形图、专题图、纵横剖面图、透视图、正射影像图、电子地图和动画地图等。