面向服務(wù)架構(gòu)的空間參考系統(tǒng)共享框架的設(shè)計與實現(xiàn)

王艷軍，邵振峰，慎于藍

(1.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢430079; 2.華中科技大學(xué)電子與信息工程系，湖北武漢430074)

面向服務(wù)架構(gòu)的空間參考系統(tǒng)共享框架的設(shè)計與實現(xiàn)

王艷軍1，邵振峰1，慎于藍2

(1.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢430079; 2.華中科技大學(xué)電子與信息工程系，湖北武漢430074)

地理數(shù)據(jù)的空間參考系統(tǒng)已成為當(dāng)前地理數(shù)據(jù)和信息共享的瓶頸，基于面向服務(wù)的體系架構(gòu)，應(yīng)用改進的七參數(shù)布爾莎地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法，設(shè)計和構(gòu)建通用的空間參考系統(tǒng)共享框架模型，實現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)和地理信息的共享，并在數(shù)字泰州地理空間框架建設(shè)中得到驗證。

面向服務(wù)架構(gòu);地理坐標(biāo)系統(tǒng);地理信息共享;投影坐標(biāo)系統(tǒng);坐標(biāo)轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)

目前，由于空間數(shù)據(jù)存在多種比例尺、多種空間參考和多種投影類型，1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系、地理坐標(biāo)系和地心坐標(biāo)系并用，而且不同地方還使用各自的地方坐標(biāo)系。然而不同的應(yīng)用需要不同比例尺的空間信息支持，對空間參考系統(tǒng)和投影類型也有相應(yīng)的要求。地圖是將某種統(tǒng)一空間基準(zhǔn)測量得到的結(jié)果，經(jīng)投影變換后在平面上進行表示，很難適應(yīng)基準(zhǔn)變化的需求，基準(zhǔn)一變，全部數(shù)據(jù)都得變［1］。投影的不一致嚴(yán)重制約了各類空間數(shù)據(jù)和信息的共享，也影響了地理數(shù)據(jù)的跨地域、跨部門使用和互操作。本文在分析這些基礎(chǔ)性問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了面向服務(wù)架構(gòu)的空間參考系統(tǒng)共享框架。

一、空間數(shù)據(jù)和信息共享面臨著投影不一致的基礎(chǔ)問題

當(dāng)前的空間數(shù)據(jù)共享主要是通過不同空間參考系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)的?？臻g參考系統(tǒng)，主要包括坐標(biāo)基準(zhǔn)、地理坐標(biāo)系統(tǒng)和投影坐標(biāo)系統(tǒng)，是描述地球上各種地理要素空間特性的框架，它主要用來解決空間信息的定位以及與之相關(guān)的地圖制圖和坐標(biāo)變換等問題。空間參考系統(tǒng)是GIS系統(tǒng)的重要組成部分，不同空間參考系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換是一個完善的GIS系統(tǒng)不可缺少的部分［2］。

在地理信息共享中，開放地理信息聯(lián)盟(Open-GIS Consortium，OGC)已經(jīng)制訂了網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)WMS規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)WFS規(guī)范等，均指定特定數(shù)據(jù)服務(wù)的空間參考系統(tǒng)(spatial reference system，SRS)，目的是說明數(shù)據(jù)服務(wù)所支持的坐標(biāo)系統(tǒng)，使各部分地理數(shù)據(jù)均可以在該坐標(biāo)系統(tǒng)上進行數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布和訪問，方便了GIS應(yīng)用和空間分析［3］。數(shù)據(jù)服務(wù)的空間參考系統(tǒng)是OGC標(biāo)準(zhǔn)中維護并發(fā)布的地理數(shù)據(jù)集參數(shù)。在OGC標(biāo)準(zhǔn)中，每種空間參考系統(tǒng)均有唯一的標(biāo)識SRS ID號碼，與OGP調(diào)查和定位委員會(The European Petroleum Survey Group，EPSG)維護的空間參考系統(tǒng)對象的數(shù)據(jù)集一致［4］。

在地理信息共享中，存在以下需要解決的問題:

1)各類地理數(shù)據(jù)的投影坐標(biāo)系統(tǒng)不一致，導(dǎo)致發(fā)布數(shù)據(jù)服務(wù)后的空間參考也不同，且可能存在數(shù)據(jù)誤差和地圖變形。如我國常用的1980西安坐標(biāo)系高斯-克呂格投影，其3°分帶、37°帶的空間參考SRS為“EPSG:2385”。若發(fā)布為 WGS-84坐標(biāo)系(對應(yīng)的SRS為“EPSG:4326”)，就需要空間參考系統(tǒng)投影轉(zhuǎn)換。

2)不同空間參考系統(tǒng)的地理數(shù)據(jù)，存在疊加顯示和空間分析的問題。同一空間參考系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，也存在不同空間坐標(biāo)值的轉(zhuǎn)換需求。

二、面向服務(wù)架構(gòu)的空間參考系統(tǒng)框架的設(shè)計

1.空間參考系統(tǒng)共享框架的服務(wù)架構(gòu)

地理信息共享中的空間參考系統(tǒng)框架，主要為實現(xiàn)各種坐標(biāo)系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)組織、管理、共享和融合，并提供地理坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換服務(wù)、投影轉(zhuǎn)換服務(wù)和不同坐標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)疊加服務(wù)?？臻g參考系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 空間參考系統(tǒng)共享框架

該框架的主要實現(xiàn)過程包括:

1)當(dāng)用戶請求多個圖層數(shù)據(jù)且其地理坐標(biāo)系統(tǒng)不一致時，需要確定基準(zhǔn)地理坐標(biāo)系統(tǒng)，選取標(biāo)準(zhǔn)主要是用戶需求、實際應(yīng)用、轉(zhuǎn)換工作量等。

2)大地坐標(biāo)系統(tǒng)一致性判斷，主要是確定坐標(biāo)系統(tǒng)橢球體參數(shù)是否一致，是否具有統(tǒng)一的大地基準(zhǔn)。

3)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換包括大地坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換兩個主要部分，具體的方法參見本章第3節(jié)。

4)轉(zhuǎn)換生成的結(jié)果為統(tǒng)一地理坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，需要進行坐標(biāo)精度檢驗和分析。若不合要求，則可反饋重復(fù)進行投影坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，直至滿足要求。

2.從地理數(shù)據(jù)到空間數(shù)據(jù)服務(wù)

在地理數(shù)據(jù)發(fā)布為空間數(shù)據(jù)服務(wù)的過程中，需要指定服務(wù)的空間參考系統(tǒng)。地理數(shù)據(jù)的坐標(biāo)投影元數(shù)據(jù)信息主要包括:投影坐標(biāo)系統(tǒng)空間參考SRS、地球橢球體長/短半軸長度、第一偏心率、地圖投影類型等。面向服務(wù)的空間參考系統(tǒng)共享框架中，發(fā)布該地理數(shù)據(jù)的目錄服務(wù)和投影元信息并進行服務(wù)注冊，供用戶訪問和調(diào)用。如利用1980西安坐標(biāo)系并采用高斯-克呂格投影的江蘇省泰州市行政區(qū)劃圖，發(fā)布SRS為“EPSG:2385”的空間信息數(shù)據(jù)服務(wù)WMS，相關(guān)的目錄服務(wù)及空間參考系統(tǒng)信息如圖2所示。

與源地理數(shù)據(jù)不同，空間參考系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布和使用，應(yīng)用本章第3節(jié)中介紹的投影轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)(web processing service，WPS)進行空間投影轉(zhuǎn)換，可得到所需的地理數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖2 從地理數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)服務(wù)空間參考系統(tǒng)

3.坐標(biāo)轉(zhuǎn)換WPS

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換WPS，可不依賴傳統(tǒng)GIS軟件，為大量分布存儲的、異質(zhì)異構(gòu)的、不同時相的地理數(shù)據(jù)提供按需坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能，從而實現(xiàn)面向服務(wù)的地理信息應(yīng)用程序的互操作和分布式數(shù)據(jù)處理。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)WPS中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法，一般可用以下步驟實現(xiàn):

1)將源坐標(biāo)系統(tǒng)S的坐標(biāo)變換為對應(yīng)平面直角坐標(biāo);

2)按不同地區(qū)選用或求取適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換參數(shù)(七參數(shù)或三參數(shù));

3)根據(jù)轉(zhuǎn)換參數(shù)將源坐標(biāo)系統(tǒng)S平面直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng)T的平面直角坐標(biāo);

4)將目標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng)T的平面直角坐標(biāo)變?yōu)閷?yīng)大地坐標(biāo)。

詳細(xì)的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)方法選取、各坐標(biāo)系統(tǒng)中平面直角坐標(biāo)與大地坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換見文獻［5-6］;改進的七參數(shù)布爾莎直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法可見文獻［7-9］。

應(yīng)用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換WPS［10］，客戶端發(fā)送符合規(guī)范的處理請求，由服務(wù)器接受請求并驗證，構(gòu)建服務(wù)調(diào)用參數(shù)并進行執(zhí)行處理，結(jié)果以XML消息文檔形式發(fā)送WPS客戶端接受。如

該數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換WPS請求，是引用上述已經(jīng)發(fā)布的泰州行政數(shù)據(jù)WFS，空間投影坐標(biāo)系統(tǒng)由1980西安坐標(biāo)系高斯-克呂格投影轉(zhuǎn)換為WGS-84坐標(biāo)系，執(zhí)行結(jié)果為所需投影坐標(biāo)系統(tǒng)的要素數(shù)據(jù)集合。

三、試驗分析

本文以數(shù)字泰州地理空間框架的建設(shè)為例，進行相關(guān)驗證。圖3中，底圖是1954北京坐標(biāo)系下的中國省界和主要公路數(shù)據(jù)，疊加顯示的是1980西安坐標(biāo)系下的江蘇省泰州市行政區(qū)劃圖。圖4中，底圖是1980西安坐標(biāo)系下的江蘇泰州數(shù)據(jù)，查詢點擊處周圍300 m圓形區(qū)域內(nèi)的賓館酒店結(jié)果。這兩種不同坐標(biāo)系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的空間參考系統(tǒng)框架下，能順利且準(zhǔn)確地進行疊加顯示和空間分析。在傳統(tǒng)的GIS系統(tǒng)中，不同地理坐標(biāo)系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)是不能直接進行疊加和空間分析的。在該空間參考系統(tǒng)框架下，各種通用的或自定義的空間數(shù)據(jù)，可直接訪問、調(diào)用和互操作，并能實現(xiàn)高級的空間分析功能。

圖3 不同坐標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)疊加顯示

圖4 基于空間參考系統(tǒng)共享框架的疊置分析

四、結(jié)束語

空間參考系統(tǒng)是地理信息共享中的重要基礎(chǔ)和組成部分，筆者通過設(shè)計地理空間參考系統(tǒng)共享框架模型，實現(xiàn)面向服務(wù)架構(gòu)的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換服務(wù)，生成所需坐標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)特定的地理處理應(yīng)用和空間分析功能。本文研究成果是數(shù)字城市地理空間框架的有益嘗試，未來可拓展應(yīng)用于各行業(yè)專題空間數(shù)據(jù)的共享服務(wù)中。

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王艷軍(1984—)，男，湖北棗陽人，博士生，主要研究方向為空間信息共享的理論與方法。