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《测绘学报》

构建与学术的桥梁 拉近与权威的距离

国家地理信息公共服务平台“天地图”的关键技术与工程实践

蒋捷1, 吴华意2, 黄蔚1

1. 国家基础地理信息中心, 北京 100830; 2. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室, 湖北 武汉 430079

收稿日期：2017-06-20；修回日期：2017-08-16

第一作者简介：蒋捷(1965-), 女, 博士, 高级工程师, 研究方向为地理信息建模与服务。E-mail:[email protected]

摘要：网络地理信息服务是信息化时代地理信息公共服务的重要手段。国家测绘地理信息局2011年1月正式发布国家地理信息公共服务平台“天地图”，有效推进了全国地理信息资源共享与广泛应用。本文介绍了“天地图”的建设背景、关键技术解决方案、应用成绩，并讨论了下一步工作重点。

关键词：地理信息 公共服务 天地图

Key Techniques and Project Practice for Establishing National Geo-information Service Platform "Tianditu"

JIANG Jie1, WU Huayi2, HUANG Wei1

Abstract: Web-based geographic information service is the important manner for public service of geographic information in the information age. In January 2011, the National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation released the National Geo-information Service Platform "Tianditu", which effectively promoted the sharing and extensive application of the distributed geographic information resources around the country. This paper introduced the construction background, key technologies, and application effect of "Tianditu". And further efforts were discussed in the end of the paper.

Key words: geographic information public service Tianditu

国家地理信息公共服务平台是由国家职能部门牵头建设的运行于广域网络环境的地理信息共享与服务门户，其主要作用是在线汇集各级测绘地理信息部门与相关政府部门、企事业单位、社会团体所拥有的公益性地理信息资源，基于一定规则提供开放式数据共享与互操作，向资源需求者提供权威、标准、统一的地理信息浏览漫游、查询定位、在线可量测操作、深度分析挖掘。

国家地理信息公共服务平台是国家空间数据基础设施(National Spatial Data Infrastructure, NSDI)的重要组成部分，是“数字中国”和“智慧中国”的基础[1-2]，也是信息化社会环境下衔接地理信息生产者与用户的接口与界面，是各级政府实现政府资源共享、提供公共服务、实施国家大数据战略必不可少的支撑平台。

为应对信息社会发展的需求，英美等主要发达国家和国际组织都积极建设网络地理信息共享与服务平台，我国也于2011年发布了国家地理信息公共服务平台“天地图”，在推进地理信息资源共享与应用方面发挥了巨大作用。

1 地理信息公共服务平台发展现状1.1 国外地理信息公共服务平台的发展

美国政府于1993年启动“国家信息基础设施”(National Information Infrastructure, NII)建设，继而又于1994年签署建立“国家空间数据基础设施(NSDI)”的总统令，将地理空间信息纳入NII中。在此基础上，于2009年签署了《透明和开放的政府》备忘录并于同年发布了“开放政府计划”网站(data.gov)，要求所有联邦机构在data.gov上发布高价值数据集供民众查询和使用。为推进NSDI的深入应用，美国政府2011年又启动了“地理空间平台(Geospatial Platform)”计划，将NSDI的成果与data.gov衔接，提供深层次在线服务。2013年12月，为应对物联网、高性能计算、大数据、通信等领域的发展，发布了新的《美国国家空间数据基础设施(NSDI)战略规划(2014—2016年)》[3-4]。

英国政府2000年开始建设数字国家框架(Digital National Framework, DNF)，2010年发布政府数据共享网站data.gov.uk，基于DNF集成了大量来自各政府部门的数据集，并承诺使之制度化[5]。

欧盟2007年颁布法令建设欧盟空间信息基础设施(Infrastructure for Spatial Information in the European Community, ISPIRE)，计划通过规范元数据、定义网络服务协议、融合关键技术集、制定共享规则等推进欧盟范围地理空间信息共享。经过近10年的努力，已有近30个国家参与，建立了统一服务平台，支持地理空间、地质、生态环境相关数据的共享与服务[6]。

为加强地球可持续发展，主要发达和发展中国家2005年建立了政府间多边科技合作机制——地球观测组织(Group on Earth Observation, GEO)，并启动全球地球综合观测系统(Global Earth Observation System of Systems, GEOSS)建设。GEOSS的主要目的是集成各类地球观测数据，通过基于互联网的地理观测数据门户网站(http://www.geoportal.org/)和基于卫星通信的地球观测数据分发平台(GeoNetCast)，向用户提供覆盖观测数据和应用产品服务[7]。

1.2 我国国家地理信息公共服务平台“天地图”的建设需求与实践

经过20余年的努力，我国已经完成1:5万、1:25万、1:100万3个尺度国家级基础地理信息数据库建设并能够每年发布一个新版本。省、市级更大尺度的基础地理信息库的建设也取得显著进展，为国家经济建设、社会发展、国防建设提供了可靠保障[8-9]。

但是在2008年前后，我国地理信息网络化服务能力已远远滞后于国家信息化快速发展的需求，主要表现为：

(1) 地理信息成果主要以纸质地图的可控性分发与数据离线拷贝的方式向用户提供，效率低，导致政府投巨资建设的丰富地理信息资源未得以充分利用；

(2) 不少行业和部门建立了地理信息数据库系统，但是由于数据产权归属等多种原因，不同系统之间数据交换与在线交互困难，形成了一个个信息烟囱，极大地阻碍了地理信息资源共享与深入广泛应用；

(3) 在互联网技术飞速发展的背景下，急剧增长的地理信息社会化应用需求与传统的地理信息服务模式之间的冲突日益激化，网络地理信息服务市场几乎被国外网站垄断，给国家信息安全带来严重威胁甚至重大危害；

(4) 国内商业化地图服务网站侧重提供生活服务类地理信息，其数据内容和准确性无法支撑各级政府及专业部门的业务化管理与决策。

针对上述问题，国家测绘地理信息局于2008年启动国家地理信息公共服务平台的规划与建设。通过多家单位协同攻关、自主研发，于2011年1月正式发布了我国首个国家地理信息公共服务平台“天地图”。“天地图”同时运行于互联网、国家电子政务内外网，自上线以来不断升级完善，已经实现了1个国家级节点(多个数据中心)、31个省级节点、200余个市(县)级节点、若干企业节点地理信息服务资源的在线聚合、动态更新与协同服务，支撑着超过4000个业务化应用，开创了信息化时代地理信息公共服务的新模式，在推进地理信息深入广泛应用、促进政府信息资源共享、推动地理信息产业发展、维护国家地理信息安全等方面发挥了巨大作用。

2 天地图的关键技术2.1 分布式地理信息资源共享与协同服务面临的问题

我国地理地理信息资源采用分级分块管理体制，实现其共享与协同服务必须解决好以下关键技术问题：

(1) 服务体系问题。地理信息公共服务模型与技术架构，既要能够与我国地理信息分级分块管理体制衔接，又要能保证分布式数据资源便捷共享与协同服务。

(2) 服务数据问题。网络环境下地理信息公共服务数据的规格形态，以及规模化快速生产与更新工艺，既要能支持地理信息与各行各业信息的空间关联，又要能确保多种网络环境下在线服务地理信息的时效性、多样性和安全保密。

(3) 服务集成问题。分布式异构地理数据、算法、模型的聚合方法与技术，既要能有效集成跨区域多级分布式节点的在线服务资源，又要能支持高性能稳定服务与在线动态升级，承载全球高强度访问。

(4) 服务质量问题。在线服务质量与网络安全的自动监测、评估与智能优化方法与技术，要能够保证高效稳定运行，支撑大规模用户的业务化应用。

针对上述问题，“天地图”建设者提出了适应我国测绘地理信息行政管理特点的“分建共享”地理信息公共服务模型，实现了全国地理信息资源全方位在线共享与协同服务；提出并建成了完整的网络地理信息公共服务数据体系与技术系统，实现了多源异构海量数据高效融合、动态维护和快速发布；建立了多类型节点混合的分布式体系架构，建立了测绘地理信息领域首个同时支持地理信息数据、算法、模型服务聚合的地理信息协同计算服务网络，自主研发的地理信息云服务平台支持分布式节点协同业务化运行；通过基于用户行为的服务性能整体优化，以及智能防御体系，保证了平台的稳定不间断运行。

2.2 分布式协同地理信息公共服务模型

我国地理信息采取“纵向分尺度、横向分区域、内容分领域”管理机制，用户获取跨区域、多尺度、不同类型的地理信息数据的难度较大，将获取的基础地理数据与本部门业务数据进行集成处理的经济与时间成本也较高。此外，大多数基础地理数据受保密限制无法公开使用，限制了广域网环境下的地理信息服务。“天地图”针对上述问题提出以下解决方案：

(1) 基于统一标准与SOA架构实现分布式协同服务。提出“分建共享”规则，在国家、省、市的各级测绘地理信息部门建立分布式服务节点，各节点按照统一标准对本地数据处理、发布并进行动态维护与更新。“天地图”门户网站对各地的多源分布式服务进行聚合，集成为全球无缝的“一站式”天地图在线服务。通过这项工作，既保护了数据所有者的权益，又实现了分布式信息资源的互操作，从而解决了因条块分割管理模式造成的地理信息共享难题。

(2) 基于服务分级规则实现多尺度数据与服务的高效组织。针对多级数据管理体制，提出与之相匹配的服务分级模型，即将全球地理信息服务递归分解为20级，从1级到20级分别对应从宏观到微观的数据内容、服务层级与服务发布单位。各单位根据自身的资源情况发布相应层级及范围的服务，在统一框架下实现多源分布式服务资源的互补与协同。

(3) 针对不同网络环境构建差异化服务版本。针对互联网、国家电子政务外网、国家电子政务内网等不同网络环境中用户的差异化需求，研究制定用户需求和数据内容的匹配模式，定义可公开使用的地理要素内容，首创了公众版、政务版、涉密版“三版并举”服务模式，从而突破了地理信息公开使用瓶颈，使全国在线地理信息资源数量从2009年的100多GB跃升为超过几百TB，既保障了国家安全，又带动了我国互联网地理信息服务产业发展。

上述解决方案既能够与我国地理信息管理体制相适应，又能够解决跨区域多尺度异构数据差异带来的集成困难，还能保证分布式数据资源的高效共享协同，实现了全国地理信息资源的全方位在线共享与协同服务，打破了几十年来阻碍我国地理信息共享与公开化应用的瓶颈，形成了信息化时代地理信息公共服务的全新模式[10-13]。

2.3 网络地理信息公共服务数据体系

广域网环境下的地理信息服务既要支持快速网络浏览、搜索查询、可视化表达与动态更新，又要支撑各类社会经济信息的空间化集成与关联，还要顾及不同用户的个性化内容与应用需求。传统的基础地理信息在数据模型、生产工艺、更新方法等方面均无法满足大规模网络地理信息服务要求。“天地图”针对上述问题开展了以下创新性工作：

(1) 网络地理信息服务的标准体系。编制了《Geographic Information—Content Components and Encoding Rules for Imagery and Gridded data—Part 1:Content Model》(ISO/TS19163—1) 一项国际标准，《地理实体数据规范》《公共服务电子地图数据规范》《地理信息兴趣点分类编码》等8项国家标准和《地理信息网络分发服务元数据内容规范》等4项行业标准，覆盖地理信息公共服务主要业务环节，有力地保障了分布式异构节点服务的一致性与规范性。

(2) 地理实体数据模型与地理实体数据库。针对各类专题信息与地理信息集成挂接需求，提出了比例尺无关的地理实体数据模型，即采用面向对象的构模方法描述客观世界中独立存在的“地理实体”。其特点是以点、线、面几何图元为空间数据表达与分类分层组织的基本单元，每个图元均赋以唯一的图元标识、分类标识与生命周期标识，可实现信息内容分类分级与基于图元的增量更新。若干图元组合而成一个地理实体，具有唯一的地理实体标识，通过地理实体标识实现地理实体与相关社会经济、自然资源信息的挂接。在此基础上，建成了覆盖全国的包括区划单元、道路、河流、兴趣点等内容的地理实体数据库，实现了基于实体的全生命周期动态维护管理，突破了基于传统制图思路的地理数据采集与组织模式的局限，有效支持了各类社会经济信息的空间化集成。

(3) 网络地理信息数据规模化生产技术体系。针对网络环境地理信息表达的特点，组织研发了地理实体构建、电子地图动态渲染、地名及POI动态维护、信息保密处理、分级分类产品快速提取等系列软件工具，形成数据集成、生产、管理、发布与更新的业务化作业流水线，保障了海量数据的快速处理与发布。

(4) 海量空间数据在线组织与高效索引。基于分布式非关系数据库，以多维动态对象为中心，构建图层、对象、时态、主题的多层次存储结构，解决了海量多维动态地理信息数据一体化存储问题。采用集成R树、HASH表与B*树的一体化时空索引，建立多时相多主题金字塔模型，支持浏览环境无关的一致视图服务。上述解决方案支持了超过200 TB多源异构数据的高效融合、动态维护和快速发布[14-16]。

2.4 业务化运行的地理信息云服务平台

“天地图”由分布式的国家、省、市(县)节点构成，由于建设时间、建设单位不同，各节点的在线服务种类与接口规范不尽一致，给任意逻辑聚合、单点登录“一站式”服务带来一定困难。上述问题的解决方案包括：

(1) 云服务节点与多类型节点混合的分布式服务体系架构。对于服务内容简单、数据量小、运维能力不足的节点，采取小规模独立运行方式，对于有能力负载全局访问的节点，基于统一云平台实现与其它云节点的数据与计算资源共享、全局负载均衡，从而有效地解决了差异化节点协同服务问题。

(2) 基于WPS AGENT服务代理的多类型服务聚合。通过服务代理，将遵循不同的描述规范与调用方式规范的WPS和WEB服务实时映射到统一的WSDL描述，基于协同工作流引擎解决了不同规范的服务之间难以交互与集成的难题。

(3) 地理信息协同计算服务。提出数据依赖和块结构相结合的有向图地理信息服务链元模型，实现基于空间原则的地理信息协同计算与互操作，同时支持地理信息数据、在线处理算法、模型服务的聚合，实现了从数据服务到地理信息处理和模型服务的跨越。

(4) 自主地理信息云服务平台。设计了可动态扩展的海量空间数据云存储与云服务技术，研发了可业务化运行的地理信息云服务平台，支持了分布式节点协同，彻底摆脱了对国外商业软件的依赖。

上述方案支持了全国数百个分布式节点的高效协同服务，支持高强度并发访问、高效率响应、高稳定运行[17-18]。

2.5 地理信息服务质量控制

服务质量对网络地理信息服务至关重要，为了提供数据准确、响应高效、运行稳定的高性能地理信息公共服务，“天地图”采取了以下解决方案：

(1) 实时监控服务质量。依据地理信息服务质量理论方法构建了服务质量指标体系，依托分布式服务节点建立服务质量监测网络，基于实时获取的服务质量信息在线优化服务。

(2) 基于用户行为优化服务性能。利用实时用户日志动态分析用户时间空间分布与访问行为特征，根据分析的结果定期自主优化分布式数据中心的全局负载均策略，同时根据服务器集群节点能力优化单个数据中心内部负载均衡策略。

(3) 建立网络层和应用层全覆盖的防御体系。实时监测各类网络攻击，根据网络攻击的时间空间分布与攻击行为类型实现自动发现、自动报警、自动防御和智能分析的全联动体系，并主动学习发现未知攻击与漏洞，自动优化网络安全策略，实现了天地图平台的无人值守运行。

上述方案保证了“天地图”的不间断稳定运行，可成功抵御各类高强度攻击[19-23]。

3 天地图的应用效果

国家地理信息公共服务平台“天地图”自2011年1月正式上线以来得到广泛应用，取得了良好的社会效益，主要体现在以下方面：

(1) 维护了国家安全和主权。“天地图”上线服务之前，我国地图和地理信息互联网服务市场几乎被国外网站垄断，甚至一些政府部门也在大范围使用图外网站，造成敏感信息外泄的隐患。“天地图”的建成，使用户摆脱了对国外地理信息服务网站的依赖。“天地图”还清晰、准确地表达了我国对南海诸岛、藏南地区、钓鱼岛等区域的领土主张，起到了宣示我国领土主张、捍卫国家主权的作用。

(2) 支持了各级政府的决策管理。天地图已经在多个中央党政部门及新闻媒体得到了业务化应用，在国土、公安、水利、应急等领域已成为业务信息化不可或缺的支撑平台。这极大地推进了政府部门分布式资源的整合、互联互通、共建共享，不仅增强了决策管理能力，而且避免了重复建设，节省了财政资金。

(3) 推动了地理信息产业发展。“天地图”促进了《基础地理信息公开表示内容的规定(试行)》《遥感影像公开使用管理规定(试行)》等测绘地理信息保密与应用政策的完善，并通过“公众版”“政务版”“涉密版”三版并行的方式突破了地理信息社会化应用的技术和政策“瓶颈”，实现了海量基础地理信息数据的开放共享，并由此推动了互联网地图商业网站的快速发展。“天地图”通过为企业提供了增值开发服务接口、联合企业共同研发自主产品，为企业创新和增值服务提供了平台和环境。

(4) 为社会公众架起了使用基础地理信息的桥梁。相关专业部门与企业基于“天地图”的服务资源开发了各类面向百姓生活的增值服务产品，如旅游出行、美食探寻、求医问药、房屋租赁、残疾人无障碍出行、公共自行车站点、菜场分布等，使公众享受到了基础地理信息提供的便利。

4 进一步工作展望

国家地理信息公共服务平台已成为我国测绘地理信息行业最为有效的服务手段之一，具有重要的战略意义和广泛的经济社会价值。《测绘地理信息事业“十三五”规划》《测绘地理信息科技发展“十三五”规划》均提出了明确要求。在“十三五”国家科技重点研发计划中安排了“全球综合观测成果管理及共享服务”“全息地图获以与位置信息聚合”“地理大数据控制与时空模式发现”“人空间信息系统与智能设施管理”“全球位置信息叠加协议与位置服务网技术”等与网络地理信息服务直接相关的项目，将会推动我国地理信息公共服务平台向高精准、空天地一体化、智能化处理和普及化应用方向发展。

作为“天地图”的建设者，下一步将结合应用需求与技术发展，重点考虑以下几个方面的问题：

(1) 实时和动态数据服务。当前传感网和物联网的发展带来了日益丰富的实时动态数据，已经成为为智慧城市决策服务以及各类应急减害的基本数据源。地理信息公共服务必将从单纯的空间数据服务发展到时空数据服务，从静态地理数据的共享到广泛连接传感网的实时动态数据的服务[24-25]。

(2) 地理信息处理与模型服务。随着在线数据量和计算量的增加，地理信息处理服务需求将日益加大，地理信息公共服务平台必须在保障数据服务的基础上尽快扩展地理信息处理与模型服务[26]。

(3) 社交媒体地理信息和志愿者地理信息。随着智能移动终端及位置感知设备的普及，地理位置在社交网络中的影响逐渐深入，为地理信息公共服务平台的泛在信息获取、动态位置服务提供了新的渠道，与之相关的众源地理信息管理与挖掘、用户空间行为感知、实时位置共享等的将是未来的研究重点之一[27]。

(4) 地理空间服务网络。在地理信息数据服务、处理及模型服务不断成熟与发展的基础上，进一步的需求将地理空间数据、信息、知识及其交互、递进和演化过程，甚至服务提供者、用户都集成在一起，作为共享服务的一部分，形成从数据获取直到决策支持地理空间服务网络(Geospatial Service Web)[28-30]。

【引文格式】蒋捷，吴华意，黄蔚。国家地理信息公共服务平台“天地图”的关键技术与工程实践[J]. 测绘学报，2017，46(10)：1665-1671. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170357

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