基于CNGI的政府地理信息系统建设与应用技术研究

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1、 1基于 CNGI 的政府地理信息系统建设与应用技术研究 基于 CNGI 的政府地理信息系统建设与应用技术研究 王亮 王勇 李玉祥 仇阿根 陶昆旺 中国测绘科学研究院,北京市海淀区北太平路 16 号,100039 摘 要 本文介绍了我国首个基于 CNGI 的地理信息系统移植和建设情况，针对 CNGI 与 IPv6 的技术特点开展了新的地理信息应用技术研究， 并以政府地理信息系统“地学之窗”为基础开发了 GIS 应用示范系统，为下一代网络环境下地理信息系统技术开发和应用建设奠定了一系列技术基础。 关键词： CNGI(中国下一代互联网)；GIS(地理信息系统);IPv6;应用示范； 随着用户的快速

2、增长和信息化的发展，对计算机网络的要求越来越高。基于 IPV4 的现有网络在地址、带宽、传输速度、安全性等方面都相应低存在着严重不足。为此，从 1995年起部分国家着手研究开发下一代互联网协议（IPV6），开展基于 IPV6 协议的下一代互联网建设工作，基于 IPV6 的应用也逐渐出现，并初见规模。我国于 2003 年实施下一代互联网的研究，启动了中国下一代互联网 CNGI（ China Next Generation Internet）建设工程，现已建成了覆盖全国主要城市的网络环境。CNGI 技术来源于高性能计算和通信协议，主要解决了 IP 地址匮乏和网络数据的传输速度问题，具有内置安全协议

3、、移动性强，服务质量高、即插即用等优点。 新一代网络技术的出现为提高地理信息服务效率、扩展地理信息应用提供了支撑环境。中国测绘科学研究院基于多年建设政府地理信息系统的积累，自 2006 年开展了基于 CNGI的政府地理信息应用技术研究和示范系统建设，经过两年多的实施，已经取得了显著成果。 1、当前地理信息应用存在的问题与解决途径 目前我国各行业各部门的信息化建设稳步发展， 成效显著， 同时建立了诸多地理信息系统， 积累了大量地理信息资源， 已成为各行各业管理者和广大专业人员开展业务工作离不开的技术手段， 尤其近年来网络 GIS 技术与应用进展极为迅猛， 有力地推动了地理信息资源共享与社会化服务

4、，取得了巨大社会效益和经济效益。 然而，目前的网络环境是以 IPv4 协议为基础的，由于 IPv4 存在的缺陷，地理信息的应用前景存在重大的技术难题，具体表现是： 1） 政府管理所需的地理空间信息来源于多部门，需要实时协同应用。为解决 IPv4 的IP 地址出现紧缺问题，通常使用网络地址转换办法，破坏了 IP 的端到端模式，使得多台设备同步和协调变得非常困难，造成系统同步难以实现，信息处理难以协同； 2）IPv4 只具备最少的安全性选项，安全性议题在网络协议栈的低层没有支持，应用安全性的责任交给应用程序通过本身操作机制完成，造成安全性能低下，受到威胁越来越大。而我国中观、 微观尺度地理空间信息

5、数据大多数具有密级， 网上安全漏洞不解决制约着空间数据的广泛应用。 3）IPv4 的 IP 地址配置复杂，计算机与网络连接是静态的，IP 地址极少改变。随着政府部门履行社会管理职责的需要，对于移动性计算要求与日俱增，如现场办公、野外监测、应急指挥等方面的应用都需要地理信息支持。 24）现有网络传输性能较低与地理空间信息的数据量较大的矛盾比较突出，限制了地理信息的深层次应用。 CNGI 是我国具有知识产权的下一代互联网，采用 IPv协议，具有比现在 IPv4 协议的互联网更大、 更快、 更安全可信、 更及时、 更方便、 更可管理等下一代互联网典型应用。 CNGI可实现网格之间大容量、 高可靠性的

6、数据传输， 体现了互联网端对端高性能传输的技术特征，为具有大规模、 多站点分布式协同计算和数据挖掘技术特性的重大应用提供了可能性； 下一代互联网的高速无线/移动接入网络，可使多种信息终端设备灵活方便地接入网络，实时进行地理信息的移动计算分析； 而 IPv6 大的地址空间特性， 可将传感装置采用 IPv6 地址接入，实时采集大气、水文、生态环境、灾害等各种监测数据；依据高带宽、高性能的特性，更易实现大规模三维虚拟现实场景的共享。 CNGI 以上技术特性能够有效解决限制政府 GIS 应用的技术难题，为下一代政府 GIS 应用的升级换代提供了可能。 中国测绘科学研究院长期从事地理信息为政府服务的技术

7、研究和应用开发工作， 具备了良好的新技术研发能力， 在国家发展改革委组织实施的下一代互联网示范工程中联合国务院电子政务办公室、北京邮电大学等单位开展了基于 CNGI 的政府地理信息系统应用示范的研究，以期为下一代地理信息应用构建坚实的技术储备。 2、试验环境建设与系统移植测试 系统建设以现有政府地理信息系统应用成果为基础，按照 CNGI 示范网络环境的技术要求，建立 CNGI 网络试验环境，开发现有软件对 IPv6 协议的支持功能，完成应用系统的数据库移植和系统功能移植，实现 CNGI 技术和地理空间信息技术的集成，具体建设内容如下所述。 2.1 CNGI 用户驻地网络的建设 为开展基于 CN

8、GI 的技术试验，首先进行了 CNGI 驻地网的建设。在线路连接方面，将中国测绘科学研究院确定下一代互联网络接入点，建成了符合 CNGI 驻地网要求的机房环境，配备了相应的接入硬件设备，铺设了专用光纤线路，接入我国 CNGI 核心结点网络，速率达到 1G。如图 2.1 所示，驻地网的出口路由器支持双协议栈，有两条独立的专线分别接入现有的 IPv4 主干网和 CNGI（IPv6）主干网，即 IPv4 用户可直接使用 IPv4 主干网连接，IPv6用户亦可直接使用 IPv6 主干网连接。 CNGI主干网/IPv6主干网 核心路由器核心节点 接入路由器用户网/IPv6Ethernet/POS用户网/

9、IPv4IPv4主干网驻地网接入路由器测绘研究院Ethernet/ POS图 2.1 通过独立的路由器/专线接入的 CNGI 驻地网 3根据地理信息未来的应用需求、网络用户规模，为本院用户驻地网分配的 IPV6 地址数目是 280 次方。路由器内置 DHCP 服务器，配置路由器千兆光纤，配置路由器千兆双绞线。 按照国家有关驻地网建设的规范和标准， CNGI 网络直接的核心交换机房不但满足防雷、防静电、防过压、防尘、防湿、防电磁干扰等基本的设备环境要求，而且要安装有温度异常自动手机通知报警、 电源异常自动手机通知报警功能， 任何时候机房处于 24 小时监控状态，保证机房内所用设备正常运行。 2.

10、2“地学之窗”支持 IPv6 协议的功能改造与性能测试 “地学之窗”软件平台以基础地理空间信息为框架，面向政部门应用，整合专业空间信息、国民经济统计信息、政务文档信息和多媒体信息，建立空间数据库与综合信息仓库模型， 实现了地理信息系统与决策支持系统功能的紧密集成， 为各级政府部门的电子政务应用构建了统一的空间辅助决策软件平台。 “地学之窗”系统移植到 CNGI 需要改动内容，重点是服务端配置和功能的完善。由于系统开发采用了 Java、 .Net 等高级语言， 一般具体函数与 IP 地址无关， 仅有涉及数据存取、查询分析服务等功能的模块需要改动。 在运行环境方面， 与 CNGI/IPV6 环境相

11、关参数包括数据库、IE 版本、.Net 框架版本、网站地址等因素，需要进行相应的配置变动，具体变动的内容如下表所示。 更改内容 IPV4 IPV6 数据库 SQL Server2000 SQL Server2000/2005 IE 版本 6.0 以上 7.0 以上 .Net 框架版本 V1.1 V2.0 站点地址 IPV4 IPV4、 IPV6 因数据库管理系统升级而产生的数据库移植包括： ? 多尺度空间数据库移植，包括矢量数据、栅格数据、遥感影像数据及其元数据； ? 多类型非空间数据移植，包括关系型数据、文档型数据、多媒体数据及其元数据； ? 系统级数据移植，包括与系统配置相关的文件、关系表

12、等数据的移植。 系统移植完成之后，针对系统原有性能指标，基于 CNGI 环境，对系统维护工具及服务系统进行了包括空间数据调度效率、系统稳定性、兼容性等方面的运行测试，测试指标主要有：操作响应时间、最大并发、最大数据量、最大数据传输量、不同操作系统的兼容性、系统安全性稳定性等。测试结果如图 2.2 所示： 0500100015002000250030003500矢量数据调度栅格数据调度空间分析空间数据统计空间查询面积量算距离量算ipv4 ipv6图 2.2 系统移植前后的操作延迟统计（单位：ms） 4基于 CNGI 的地理信息系统测试结果表明： （1）在 CNGIIPv6 环境下，网络性能比在

13、IPv4 环境下具有相对的优势，网速、带宽、安全性和服务质量等方面都有大幅度提高，系统性能具有明显的改进和优化 （2） 位于同一个 CNGI 核心结点环境下系统运行效率高， 各类操作的响应速度在 4 秒以内；系统运行速度、负载等性能均有明显提高。 （3） 跨 CNGI 核心结点环境下系统运行效率明显降低， 图形操作的响应速度在几十秒以上，原因在于跨多个路由产生了运行延迟。 （4）CNGI/IPV6 网络比 IPV4 网络环境相比，在稳定性、数据传输的误差率（丢包率）等方面上不如 IPV4 现有网络，可能由于新的设备质量造成，今后需进一步提高。 3 基于 CNGI特性的 GIS应用技术研究 根据

14、新一代网络 CNGI 的优点和技术特性，重点进行地理信息协同服务、海量数据分布式存储、 信息安全管理和移动信息计算等应用功能的研究， 解决从集中式 GIS 应用服务向分布式服务转变的技术难点，探索下一代网络地理信息应用新技术。 3.1 地理信息服务功能协同技术研究 研究基于 IPV6 网络环境的 GIS 多用户协作技术， 如图 3.1 所示， 初步实现了 IPV6 网络环境下的多用户共享 GIS 环境、 多用户空间位置实时感知和多用户实时消息传输 （支持点对点、点对群等多种消息传输方式）,设计开发了系统服务器核心协同组件、空间数据访问组件、地形三维协同软件原型系统。 服务器协同工作区服务器协同

15、工作区基于IPV6的地理信息协同工作服务器群应用服务器应用服务器2应用服务器应用服务器1数据库服务器数据库服务器数据库服务器数据库服务器数据库服务器数据库服务器数据库服务器数据库服务器基于IPV6 的HTTP多服务器协同工作 服务器多服务器协同工作 服务器IPV6/CNGI 网络网络基于IPV6 的HTTP 基于IPV6 的HTTP基于IPV6 的HTTP多用户协同工作 服务器多用户协同工作 服务器应用系统门户 应用服务器应用系统门户 应用服务器二维二维GIS 应用应用三维三维GIS 应用应用电子政务 应用电子政务 应用用户用户用户图 3.1 地理信息协同服务系统结构 系统实现了多个用户同时在

16、线， 基于 Web 的三维可视化环境进行三维地形浏览、 地名查询、模型加载，实时地在多个协作用户之间进行标注共享、3D 模型共享，实时地在多个协作用户之间发送文本短消息等协同服务功能。 3.2 海量空间数据分布式管理技术研究 研究分布式空间数据库模型和实现技术， 如图 3.2 所示， 每个数据服务器均由封装后的主动对象、分布式运行环境和 JVM 构成。应用服务器除与数据服务器具有相同的环境外，还包含 Web、业务、空间分析等一系列应用服务，以便向客户机提供服务。应用服务器与数据5服务器以及数据服务器之间的通信主要通过封装后的主动对象来完成。采用动态部署功能，应用服务器通过远程调用协议实现启动远程分布式数据库服务器和主动对象的部署。 以此为基础，建立了分布式空间信息的高效管理技术，研究提出了库体级、实体级空间数据分布管理方法，基于远程调用方式实现对象化服务端与客户端分布式功能组件功能。 图 3.2 分布式调用实现机制 3.3 基于 IPV6 的涉密空间数据管理方案 通过对几类 IPv6 远程安全接入技术的分析比较，研究试验在新的环境下，针对涉密地理