基于開源WebGIS的“三網(wǎng)”綠化工程信息服務(wù)系統(tǒng)研建1)

劉天悅 吳保國

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

山東省東營市“三網(wǎng)”綠化工程是由東營市委、市政府決定，利用5 a或更長時間，針對東營市特殊的營林立地條件，圍繞構(gòu)建全市林業(yè)生態(tài)防護體系和林業(yè)產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)目標(biāo)，以路域林網(wǎng)、水系林網(wǎng)和農(nóng)田林網(wǎng)等“三網(wǎng)”綠化為骨架的一項重大基礎(chǔ)戰(zhàn)略工程［1］。東營市現(xiàn)有的“三網(wǎng)”綠化工程管理系統(tǒng)是基于Visual FoxPro的工程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)只是單純的對屬性數(shù)據(jù)的操作，缺少空間位置的概念，無法向公眾提供“三網(wǎng)”工程綠化的進展情況。因此，為了保證該綠化工程的順利實施和監(jiān)督，需要采用WebGIS等信息技術(shù)建立一個面向公眾的“三網(wǎng)”綠化工程信息服務(wù)系統(tǒng)，為工程實施信息管理及公眾提供服務(wù)。

1 研究現(xiàn)狀與目標(biāo)

目前大多數(shù)商業(yè)GIS軟件商基本上都支持WebGIS開發(fā)，例如ESRI的ArcGISServer。但商業(yè)WebGIS軟件價格太高，系統(tǒng)開發(fā)與運行維護費用居高不下，導(dǎo)致很多單位無力承擔(dān)。由于開源WebGIS是開放的，可以免費獲取，采用開源WebGIS進行信息服務(wù)系統(tǒng)開發(fā)與運行維護費用低，因此開源WebGIS逐漸在我國各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。但是在林業(yè)行業(yè)中，開源GIS的應(yīng)用研究并不多，主要有李世明等人利用開源軟件開發(fā)了基于WebGIS的縣級林業(yè)空間信息共享系統(tǒng)，用于公眾通過Web瀏覽器訪問林業(yè)空間信息［2］。

本研究以山東省東營市“三網(wǎng)”綠化工程建設(shè)為研究對象，調(diào)研梳理相關(guān)管理業(yè)務(wù)流程，從需求入手，深入研究“三網(wǎng)”綠化工程的數(shù)據(jù)信息處理要求、功能要求，結(jié)合工程管理的內(nèi)容，進行系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用分析與研究。最終在開源WebGIS技術(shù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)一個“三網(wǎng)”綠化工程信息服務(wù)系統(tǒng)的研建，使工程信息能夠及時得到更新發(fā)布等，為“三網(wǎng)”綠化工程造林工作者提供便捷的管理支持，也為廣大林農(nóng)提供直觀的展示。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與開源組件的選擇

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)與功能設(shè)計

2.1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

“三網(wǎng)”綠化工程信息服務(wù)系統(tǒng)采用的是瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，B/S)架構(gòu)模式。該架構(gòu)模式的優(yōu)勢是可服務(wù)更多的用戶［3］。由于該系統(tǒng)完全采用開源GIS技術(shù)實現(xiàn)，因此，系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口及功能接口均采用開放地理信息系統(tǒng)協(xié)會(OpenGISConsortium，OGC)的GIS互操作標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，保證系統(tǒng)開放性、擴展性和可伸縮性。系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)采用目前較常用的3層架構(gòu)模式，分為表達層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層，如圖1所示。其中表達層指客戶端瀏覽器;業(yè)務(wù)層包括部署系統(tǒng)網(wǎng)站的Web服務(wù)器和發(fā)布地圖服務(wù)的地圖服務(wù)器兩部分組成;數(shù)據(jù)層指系統(tǒng)使用的開源數(shù)據(jù)庫，包括空間數(shù)據(jù)和工程屬性數(shù)據(jù)兩部分組成，空間數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)(如縣中心、鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心、鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界等)和重大工程小班數(shù)據(jù)等，工程屬性數(shù)據(jù)主要是指與工程造林相關(guān)的的一些數(shù)據(jù)表(如造林模式表、造林樹種表等)。

2.1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的總體目標(biāo)和用戶需求，“三網(wǎng)”綠化工程信息服務(wù)系統(tǒng)主要包括空間信息展示子系統(tǒng)和工程信息查詢統(tǒng)計子系統(tǒng)兩部分組成，空間信息展示子系統(tǒng)包括地圖瀏覽、漫游、谷歌影像疊加等功能;工程信息查詢統(tǒng)計子系統(tǒng)包括屬性查圖和圖查屬性兩部分，主要包括造林小班查詢、工程進度查詢、重大工程查詢、造林模式查詢和造林樹種查詢等，系統(tǒng)功能詳細設(shè)計如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)開源WebGIS組件選擇與工作流程

2.2.1 開源WebGIS組件選擇

構(gòu)建一個利用開源WebGIS實現(xiàn)的“三網(wǎng)”綠化工程信息服務(wù)系統(tǒng)，開源WebGIS組件的選擇是否適當(dāng)對系統(tǒng)本身性能的優(yōu)劣會產(chǎn)生重要影響。開源WebGIS組件的選擇主要包括地圖服務(wù)器、開源WebGIS開發(fā)客戶端和開源空間數(shù)據(jù)庫的選擇。

2.2.1.1 地圖服務(wù)器選擇

目前最流行的兩種開源地圖服務(wù)器是MapServer和GeoServer。

GeoServer是按地理信息系統(tǒng)協(xié)會OGC(OpenGIS Consortium)規(guī)范采用J2EE實現(xiàn)的地理信息系統(tǒng)服務(wù)器，地圖一般通過xml文件發(fā)布。GeoServer的特點是支持在線編輯，允許用戶對數(shù)據(jù)進行更新、刪除、插入操作。

MapServer是美國明尼蘇達大學(xué)利用C語言開發(fā)的一個開放源碼的地理信息系統(tǒng)服務(wù)器，地圖通過Map文件發(fā)布。MapServer的特點是能夠快速生成地圖服務(wù)，對發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)WMS(Web Map Service)服務(wù)支持較好，利用GEOS、OGR/GDAL對多種矢量和柵格數(shù)據(jù)的支持，通過Proj.4共享庫實時地進行投影變換，避免了不同數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換所造成的地圖投影轉(zhuǎn)換等。由于“三網(wǎng)”綠化工程信息服務(wù)系統(tǒng)是一個面向公眾的服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要功能提供了工程信息查詢等功能，不需要提供用戶在線編輯，因此，“三網(wǎng)”綠化工程信息服務(wù)系統(tǒng)選擇MapServer作為系統(tǒng)使用的地圖服務(wù)器。

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.2.1.2 WebGIS 開發(fā)客戶端

WebGIS開發(fā)客戶端目前流行的主要有OpenLayers和Google Map API等。

Google Maps API是谷歌公司自己推出一個免費的編程API(需要申請一個API授權(quán)碼)，開發(fā)人員可以使用它來定制WebGIS客戶端地圖顯示。

MetaCarta公司研制開發(fā)的OpenLayers技術(shù)就是一些用于WebGIS客戶端的JavaScript包構(gòu)成的。由于OpenLayers實現(xiàn)訪問地理空間數(shù)據(jù)的方法符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及WMS和WFS規(guī)范;實現(xiàn)了類似與Ajax那樣無需刷新即可更新頁面;并且OpenLayers提供圖層類、工具類等能夠比較容易地實現(xiàn)地圖發(fā)布和地圖瀏覽等基本功能，操作方便。在此基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)屬性信息顯示、繪制圖層等功能，為用戶提供了便捷的查詢功能。相比Google Earth API開發(fā)，使用OpenLayers作為客戶端框架開發(fā)更加簡單且地圖服務(wù)加載更快。因此，“三網(wǎng)”綠化工程信息服務(wù)系統(tǒng)的客戶端選擇基于JavaScript動態(tài)腳本語言的OpenLayers作為WebGIS客戶端開發(fā)組件。

2.2.1.3 開源數(shù)據(jù)庫選擇

目前比較流行的開源數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要有PostgreSQL和MySQL兩種。由于地圖服務(wù)器選擇了 MapServer，并且MapServer集成并采用PostGIS和開源數(shù)據(jù)庫PostgreSQL對地理空間數(shù)據(jù)進行存儲和Filter查詢操作，因此，為了減輕開發(fā)工作，“三網(wǎng)”綠化工程信息服務(wù)系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫選擇PostgreSQL。

2.2.2 開源WebGIS組件工作流程

2.2.2.1 空間數(shù)據(jù)導(dǎo)入 PostgreSQL

PostGIS是PostgreSQL數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上增加了存儲管理空間數(shù)據(jù)的能力。空間數(shù)據(jù)是利用PostGIS模塊導(dǎo)入到PostgreSQL數(shù)據(jù)庫中的，主要有兩種方法。若導(dǎo)入Shapfile文件，一種方法是使用界面工具Shape File to PostGIS Importer導(dǎo)入;另一種是輸入命令的方式，即使用Postgres_home/bin文件夾中的shp2pgsql命令，它會首先創(chuàng)建一個CEEAT TABLE語句和相應(yīng)的AddGeometryColumn方法，遍歷dbf文件中的每一條記錄，然后創(chuàng)建成為一個 SQL INSERT語句，命令為shp2pgsql-s 4326 小班.shp xiaoban＞xiaoban.sql(其中4326 為投影類型)，最后執(zhí)行該sql語句，在命令提示符下鍵入：psqld postgis-f xiaoban.sql postgres(其中 postgis是數(shù)據(jù)庫名，postgres是該數(shù)據(jù)庫的用戶名)，執(zhí)行完成后，空間數(shù)據(jù)就導(dǎo)入到 PostGIS 數(shù)據(jù)庫中［4］。

2.2.2.2 MapServer發(fā)布地圖服務(wù)

網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)采用OGC國際GIS組織的網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)(Web Map Service，WMS)接口，它支持地圖圖層定制與特殊符號定制，也支持分布式的柵格地圖發(fā)布服務(wù)。

MapServer服務(wù)器中關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)配置文件是Map文件，定義了地圖范圍、數(shù)據(jù)源、地圖圖層、投影方式以及符號標(biāo)記等內(nèi)容，MapFile文件將各種地圖要素組織成具有層次關(guān)系的對象系統(tǒng)。數(shù)據(jù)來源、使用的數(shù)據(jù)格式、用戶交互以及對OGC協(xié)議的支持也在MapFile中定義。MapServer地圖發(fā)布服務(wù)的具體工作流程如下［5］：

①Map Server接收到Web Server傳送的參數(shù)時，先由參數(shù)中所指定的路徑讀取Mapfile文件(.Map文件)。

②根據(jù)Mapfile中指定的data路徑讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，由于使用PostGIS作為數(shù)據(jù)源，因此，數(shù)據(jù)從PostGIS數(shù)據(jù)庫中取得。

③Map Server接收相關(guān)信息，先進行文字屬性信息的轉(zhuǎn)圖工作，這項工作是讓FreeType Font Engine配合GD Graphics Library將文字信息轉(zhuǎn)成圖像，再將空間信息由GD Graphics Library轉(zhuǎn)成圖像格式，最后Map Server將文字圖形疊加到幾何圖形中去;圖形制作完成后，保存至客戶端參數(shù)中指定的目錄。

④Map Server根據(jù)Mapfile中定義的信息，讀取指定的模板，進行html及畫面顯示的配置與相關(guān)資料、圖形(如比例尺寸、樣本圖、參考文字)的制作及嵌入工作，將動態(tài)生成的空間信息圖嵌入模板，可生成能夠供客戶端使用的頁面文件。

2.2.2.3 OpenLayer實現(xiàn)地圖瀏覽等功能

系統(tǒng)采用 OpenLayers的 JavaScript、Prototype框架以及Rico庫的一些組件，以MapServer中發(fā)布的地圖服務(wù)為操作對象實現(xiàn)地圖瀏覽、查詢等功能。

地圖瀏覽時，當(dāng)Web Server接收到用戶對WebGIS系統(tǒng)的請求后，以CGI命令將相關(guān)的空間參數(shù)傳送給Map Server，Map Server根據(jù)接收的各項參數(shù)，讀取Mapfile文件(.Map)中關(guān)聯(lián)的PostGIS中的地圖空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，包括各個工程小班圖層等，然后生成供客戶端使用的html文件;最后將結(jié)果處理后發(fā)送回Web Server，Web Server根據(jù)Map Server的格式做成結(jié)果以http協(xié)議傳回給Openlayers客戶端，將地圖顯示在Web頁面上，系統(tǒng)開源WebGIS組件的整體工作流程如下圖3所示，開源數(shù)據(jù)庫PostgreSQL中存放空間數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù);MapFile配置文件通過文件中的數(shù)據(jù)訪問路徑連接到PostgreSQL中，并且使用WMS和WFS空間數(shù)據(jù)服務(wù)對數(shù)據(jù)庫中空間數(shù)據(jù)進行各種操作;最終通過OpenLayers技術(shù)將空間數(shù)據(jù)以及操作結(jié)果以Html等頁面以及一些圖片(png等)的形式在客戶端瀏覽器中展示。

圖3 開源WebGIS組件工作流程

3 “三網(wǎng)”綠化工程服務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計主要包括小班空間數(shù)據(jù)表設(shè)計和樹種、造林模式等一些表的設(shè)計。

小班空間數(shù)據(jù)表的前兩個字段為FID和Shape，F(xiàn)ID存放小班在地圖中的要素編號，Shape存放小班的幾何特性，其它字段為常規(guī)的小班調(diào)查因子字段，共85個屬性因子字段，例如地類、調(diào)查類別、工程進度、小班面積、造林時間等，如表1所示。

表1 小班空間數(shù)據(jù)

造林模式表、造林樹種表等是根據(jù)工程信息服務(wù)的需求進行設(shè)計的。通過查看造林模式，公眾用戶可以清楚地了解到每一造林地區(qū)的培養(yǎng)目標(biāo)、造林樹種和立地條件等情況，并對整個綠化工程造林情況有了整體的認(rèn)識;通過查看造林樹種信息，公眾用戶了解到具體每一塊小班種的是什么樹以及該樹種都有哪些特性等，表2是造林模式表實例，表3為造林樹種表實例。

表2 造林模式表實例

表3 造林樹種表實例

3.2 “三網(wǎng)”服務(wù)系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.2.1 空間信息展示

地圖界面設(shè)計是由Openlayers和MapFile文件的配置兩部分實現(xiàn)的。其中，地圖的基本操作功能由Openlayers實現(xiàn)，繪制地圖的顏色、符號、線條寬度、注記及顯示位置等在Map-File文件中進行定義。

地理底圖具有地圖的基本操作，并實現(xiàn)地圖多尺度表達，放大到不同的級數(shù)，顯示的信息量不同?？臻g信息展示包括地圖縮放、漫游、比例尺以及疊加Google Map影像等。

3.2.1.1 地圖顯示實現(xiàn)

空間數(shù)據(jù)的組織是MapServer中的Mapfile文件定義，它定義了地圖范圍，告訴MapServer程序到哪里導(dǎo)入或者導(dǎo)出數(shù)據(jù)，還定義了地圖的圖層，包括數(shù)據(jù)源、投影以及符號等，以.map為擴展名;然后由Openlayers提供的 Layers的擴展OpenLayers.Layer.WMS連接 WMS服務(wù)器以獲得圖像，顯示在瀏覽器上，地圖圖層添加實現(xiàn)的代碼如下：

3.2.1.2 地圖漫游、縮放等基本功能實現(xiàn)

地圖漫游、縮放等基本功能是使用Openlayers提供的Control類為地圖瀏覽添加的工具和按鈕，比如說PanZoomBar方法控制著地圖左側(cè)不同尺度工具是否顯示，主要代碼如下所示：

地圖多尺度表達通過控制每個圖層最大和最小放大倍數(shù)來實現(xiàn)，即通過修改Mapfile中MaxScale的值設(shè)定地圖的放大和縮小倍數(shù)。

3.2.1.3 疊加 Google Map 影像

空間信息展示功能可以添加Google Map中的免費遙感影像。通過SetCenter方法可固定到東營市的影像所在位置，主要代碼如下所示：

3.2.2 工程信息查詢

該功能主要包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)間的雙向查詢，包括屬性查圖和圖查屬性兩種方式。

3.2.2.1 屬性查圖

系統(tǒng)的屬性查圖采用兩種方式，一種是目錄樹查圖，即采用系統(tǒng)主界面左邊的目錄樹進行地圖定位查詢;另一種是條件查圖，即通過選擇輸入一定的查詢條件對小班等空間數(shù)據(jù)進行查詢，系統(tǒng)會根據(jù)您的輸入進行檢索，若檢索到滿足條件的小班，該系統(tǒng)會將該小班在地圖上定位并高亮度顯示。

目錄樹查圖即根據(jù)重點工程項目的名稱(如東濱路、褚官河)或者行政區(qū)劃(如東營區(qū)、利津縣)進行查詢，整個查詢過程是按照目錄樹的形式進行的，實現(xiàn)原理是利用網(wǎng)頁傳遞過來的坐標(biāo)參數(shù)在客戶端建立一個新的圖層，在此圖層上繪制點(線、面)，疊加到地理底圖中，達到空間定位的效果。如鼠標(biāo)單擊行政區(qū)劃中的利津縣，則定位到利津縣所在中心點，并在地圖上高亮顯示，在程序查詢利津縣節(jié)點并寫入的同時，將超鏈接的網(wǎng)頁和傳遞的坐標(biāo)鏈接到頁面中，利用JavaScript寫的Request函數(shù)可以獲取得到X、Y坐標(biāo)值，然后利用Openlayers提供的類繪制出該點：

條件查圖是通過WFS(Web Feature Service)服務(wù)中的Filter Encoding來進行查詢，F(xiàn)ilter編碼主要包括 Property-IsEqualTo(等于)、PropertyIsNotEqualTo(不等于)、Property-IsLessThan(小于)、PropertyIsBetween(范圍查詢)和PropertyIs-Like(模糊查詢)等［6］。用戶在查詢頁面中輸入查詢條件后，系統(tǒng)會根據(jù)查詢條件選擇不同的Filter編碼方式，比如說用戶輸入要查詢條件如“小班號=＊＊”即查看小班號為＊＊的小班，系統(tǒng)的Filter編碼就會選擇PropertyIsEqualTo方式進行查詢。

3.2.2.2 圖查屬性

圖查屬性是通過地圖查詢工程小班屬性信息，包括點選、框選、任意多邊形選、圓選等方式，以點選為例，點擊地圖后得到點的位置坐標(biāo)，然后通過該點坐標(biāo)查詢到該要素，從而得到小班的屬性信息。主要代碼如下所示：

4 系統(tǒng)配置與運行實例

服務(wù)器端使用Ms4w(MapServer for Windows)軟件進行地圖服務(wù)器和Web服務(wù)器的配置，該軟件包是一種Windows環(huán)境下的壓縮安裝包，里面包含了Apache和MapServer運行所必需的庫。配置成功之后啟動Apache，然后將該系統(tǒng)網(wǎng)站部署到Apache下的htdocs目錄下即可運行。

該系統(tǒng)以山東省東營市利津縣的工程數(shù)據(jù)為例，用戶在瀏覽器中輸入該系統(tǒng)網(wǎng)站地址后可進入“三網(wǎng)”綠化工程信息服務(wù)系統(tǒng)主界面(紅色高亮部分是東濱路小班)，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主界面

圖5是東濱路小班的工程進度查詢結(jié)果展示頁面，包括工程各階段小班數(shù)量、小班面積以及小班的基本信息表。

圖5 工程進度查詢結(jié)果頁面

5 結(jié)論與展望

基于開源WebGIS技術(shù)開發(fā)的東營市“三網(wǎng)”綠化工程信息服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了“三網(wǎng)”綠化工程空間數(shù)據(jù)與工程信息的統(tǒng)一管理，使工程信息能夠及時得到更新發(fā)布等，為“三網(wǎng)”綠化工程造林工作者提供信息和決策分析提供支持。系統(tǒng)通過數(shù)字地圖以及疊加的Google Earth影像地圖等方式為公眾提供信息服務(wù)，大大提高了“三網(wǎng)”綠化工程對公眾的透明度，方便公眾進行監(jiān)督。目前該系統(tǒng)原型已經(jīng)交付東營市利津縣使用，運行基本穩(wěn)定，可滿足“三網(wǎng)”綠化工程在信息服務(wù)方面的需求。

［1］邵云凱.以河口區(qū)為例，談如何搞好“三網(wǎng)”綠化改善生態(tài)環(huán)境［J］.林業(yè)資源管理，1995(2)：18-21.

［2］李世明，李增元，陸元昌.利用開源軟件開發(fā)基于WebGIS的縣級林業(yè)空間信息共享系統(tǒng)［J］.林業(yè)科學(xué)，2006，42(7)：141-144.

［3］吳保國，林政.基于COM的B/S模式系統(tǒng)對林業(yè)信息化建設(shè)的啟示［J］.林業(yè)資源管理，2001(2)：51-55.

［4］李源泰，李紅波，趙俊三.開源GIS在WebGIS中的應(yīng)用初探［J］.地理空間信息，2010，8(2)：100-102.

［5］熊靜，張箐.基于MapServer的遙感影像發(fā)布系統(tǒng)的研究［J］.遙感信息，2007(1)：53-57.

［6］MapServer Documentation OGC Support and Configuration.［2010-10-07］.http：//mapserver.org/ogc/filter_encoding.html.