GP服務(wù)在基于SOA的WebGIS空間分析中的應(yīng)用研究

檀 丁，李明峰，張 蔚，何正興

(1.南京工業(yè)大學(xué)測繪學(xué)院測繪工程系，江蘇南京210009;2.蘇州工業(yè)園區(qū)格網(wǎng)信息科技有限公司，江蘇蘇州215021)

GP服務(wù)在基于SOA的WebGIS空間分析中的應(yīng)用研究

檀 丁1，李明峰1，張 蔚2，何正興2

(1.南京工業(yè)大學(xué)測繪學(xué)院測繪工程系，江蘇南京210009;2.蘇州工業(yè)園區(qū)格網(wǎng)信息科技有限公司，江蘇蘇州215021)

針對(duì)傳統(tǒng)緊密耦合的WebGIS空間分析功能開發(fā)存在的問題，提出采用面向服務(wù)的WebGIS架構(gòu)，運(yùn)用GP服務(wù)進(jìn)行WebGIS的空間分析。在研究面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)的基礎(chǔ)上，建立基于SOA的WebGIS框架。在此框架下，利用GP服務(wù)實(shí)現(xiàn)WebGIS的空間分析功能，并通過實(shí)例驗(yàn)證利用GP服務(wù)進(jìn)行WebGIS空間分析的可行性。

空間分析;GP;WebGIS;SOA

一、引 言

GIS與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的WebGIS成為當(dāng)前GIS的發(fā)展主流。區(qū)別于傳統(tǒng)信息孤島式的桌面GIS，WebGIS實(shí)現(xiàn)了地理信息資源的網(wǎng)絡(luò)共享［1］。用戶通過任意網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，均可實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域、跨區(qū)域的GIS服務(wù)訪問，滿足了更多非GIS專業(yè)人員對(duì)地理空間信息的需求。

空間分析作為GIS的核心功能，為用戶利用GIS進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃與管理提供了決策依據(jù)。建立強(qiáng)大的空間分析功能一直是GIS研究和發(fā)展的重點(diǎn)。WebGIS作為GIS的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用，空間分析的研究同樣至關(guān)重要。較之傳統(tǒng)GIS的空間分析，WebGIS空間分析功能的實(shí)現(xiàn)難度更高，不僅對(duì)分析模型的構(gòu)建提出要求，更涉及分析功能的網(wǎng)絡(luò)部署。

以往WebGIS空間分析的實(shí)現(xiàn)多采用嵌入式開發(fā)模式，針對(duì)不同的系統(tǒng)，通過緊密耦合的方式將空間分析模塊嵌入系統(tǒng)程序中。以此模式開發(fā)的系統(tǒng)不易擴(kuò)展、維護(hù)較復(fù)雜、復(fù)用性較低。對(duì)此，本文提出建立面向服務(wù)的 WebGIS架構(gòu)，利用 GP (geoprocessing)服務(wù)進(jìn)行空間分析功能的開發(fā)應(yīng)用。

二、構(gòu)建基于SOA的WebGIS

1.面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)

面向服務(wù)架構(gòu)(service-oriented architecture，SOA)是一種松耦合、基于標(biāo)準(zhǔn)和獨(dú)立于協(xié)議的分布式軟件設(shè)計(jì)模型［2］。其目的是解決大型系統(tǒng)中不同模塊、不同功能的相互調(diào)用，提高系統(tǒng)開發(fā)過程中數(shù)據(jù)交換的靈活性、程序的重用性及系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

該架構(gòu)由一系列相互交互的服務(wù)組成，服務(wù)定義了一個(gè)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)或業(yè)務(wù)功能有關(guān)的接口，但不依賴于特定技術(shù)或平臺(tái)。這種通過服務(wù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能的方式可實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)操作，且開發(fā)后對(duì)其進(jìn)行功能拓展較簡單，并能重復(fù)利用。SOA結(jié)構(gòu)(如圖1所示)包括服務(wù)提供者、服務(wù)注冊中心和服務(wù)請(qǐng)求者。服務(wù)提供者將服務(wù)的描述信息發(fā)布到服務(wù)注冊中心，服務(wù)請(qǐng)求者在注冊中心查找、定位所需服務(wù)，并調(diào)用對(duì)應(yīng)服務(wù)。

2.WebGIS框架實(shí)現(xiàn)

筆者在SOA結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合WebGIS應(yīng)用的普遍特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于SOA的Web-GIS框架，如圖2所示。

圖1 SOA結(jié)構(gòu)圖

圖2 基于SOA的WebGIS框架

所構(gòu)建的WebGIS框架包括客戶端、服務(wù)層和數(shù)據(jù)庫3個(gè)層次［3］。數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)，含有基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)及其他相關(guān)數(shù)據(jù);服務(wù)層則是整個(gè)架構(gòu)的核心，為用戶提供各類基礎(chǔ)服務(wù)及地理信息服務(wù);用戶與系統(tǒng)間的交互則通過支持WebGIS的普通瀏覽器或特定軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

在此架構(gòu)下，大多數(shù)地理信息功能均以服務(wù)的方式提供。筆者認(rèn)為，將系統(tǒng)最重要的空間分析功能同樣封裝為服務(wù)的形式，既能減輕系統(tǒng)計(jì)算處理的壓力，提高數(shù)據(jù)訪問的安全性，也使得系統(tǒng)空間分析模塊更易擴(kuò)展和維護(hù)。此類進(jìn)行空間分析的服務(wù)統(tǒng)稱為GP服務(wù)。

三、GP服務(wù)在WebGIS空間分析中的應(yīng)用

1.GP處理流程

GP作為一種全新的地理數(shù)據(jù)處理概念，可理解為地理處理或空間分析，是一種對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行操作產(chǎn)生新信息的途徑［4］。GIS的空間分析是在現(xiàn)有地理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過模型計(jì)算獲得新數(shù)據(jù)集的轉(zhuǎn)換過程［5］，恰與GP處理模式相吻合。具體的GP處理流程如圖3所示，含有空間分析模型的GP工具一般均包括輸入和輸出兩個(gè)接口［6］，將所需處理的原始地理數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)傳入GP工具，按照GP模型所規(guī)定的處理規(guī)則進(jìn)行計(jì)算分析，并返回處理結(jié)果。

圖3 GP處理流程

2.利用GP服務(wù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的空間分析

針對(duì)基于SOA建立的WebGIS開發(fā)框架，在具體實(shí)現(xiàn)空間分析功能時(shí)采用GP服務(wù)的方式。GP服務(wù)作為一種特殊的Web服務(wù)，實(shí)現(xiàn)過程被嚴(yán)格封裝，只為用戶提供一個(gè)可調(diào)用的API。

GP服務(wù)作為滿足SOA結(jié)構(gòu)的Web服務(wù)，同樣包含服務(wù)提供者、服務(wù)請(qǐng)求者和服務(wù)注冊中心3種角色。服務(wù)請(qǐng)求者以SOAP(簡單對(duì)象訪問協(xié)議)的形式向服務(wù)注冊中心(UDDI)提交請(qǐng)求，SOAP規(guī)定了方法請(qǐng)求的格式和傳遞到消息中的參數(shù)格式，從而允許發(fā)送和接受正確信息;服務(wù)注冊中心將滿足要求的GP服務(wù)接口描述信息，通過WSDL(Web服務(wù)描述語言)返回給服務(wù)請(qǐng)求者;服務(wù)請(qǐng)求者據(jù)此綁定所需的GP服務(wù)并調(diào)用服務(wù)提供者提供的服務(wù)?？臻g分析具體邏輯的實(shí)現(xiàn)，實(shí)質(zhì)則是根據(jù)客戶指定的被處理空間信息，按照服務(wù)器中的GP模型進(jìn)行科學(xué)計(jì)算并獲得相應(yīng)結(jié)果，服務(wù)提供者最終將此結(jié)果返回給服務(wù)請(qǐng)求者并在客戶端得以展示。

利用GP服務(wù)進(jìn)行空間處理，采用網(wǎng)絡(luò)通用的HTTP通訊協(xié)議，服務(wù)的使用不受平臺(tái)約束，且具備良好的封裝性，擴(kuò)展及維護(hù)較簡單等特點(diǎn)。若不采用此服務(wù)，則需將空間分析功能嵌入程序，工作量較大，同時(shí)增加了本地計(jì)算壓力，未能充分利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算資源。

3.GP服務(wù)的發(fā)布過程

本文采用Esri公司的ArcGIS Server作為實(shí)現(xiàn)GP服務(wù)的發(fā)布平臺(tái)。ArcGIS Server是Esri推出的支持SOA的服務(wù)器端產(chǎn)品。GP服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中部署包括GP模型的制作及后續(xù)發(fā)布過程。

(1)GP工具的準(zhǔn)備

ArcGIS自帶的ArcToolbox中的工具可視為最簡單的GP工具。在此基礎(chǔ)上，利用可視化的GP模型處理工具——ModelBuilder［7］，將簡單的GP工具串聯(lián)成復(fù)雜的地理處理模型。此過程不僅可利用已有工具，也可通過腳本編寫滿足實(shí)際需求的工具。由腳本編寫GP工具并在ModelBuilder中使用，必須設(shè)置輸入?yún)?shù)(Input)和輸出參數(shù)(Output)［8］，以Python腳本編寫為例:

其中，index為參數(shù)序號(hào);value為具體參數(shù)值。

(2)GP發(fā)布成服務(wù)

準(zhǔn)備好的GP工具或GP模型只能在本地實(shí)現(xiàn)空間分析，要實(shí)現(xiàn)空間分析功能的Web調(diào)用，則需將工具發(fā)布成服務(wù)。具體發(fā)布方式有兩種:① 將GP工具箱(toolbox)直接通過ArcGIS Server發(fā)布成GP服務(wù)，toolbox中的每個(gè)工具(tool)自然形成一個(gè)服務(wù)任務(wù)(task);②在編輯地圖時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)GP圖層。將含有該圖層的地圖發(fā)布成地圖服務(wù)時(shí)，GP服務(wù)自然創(chuàng)建。

通過任意方式將GP工具最終發(fā)布成服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)了空間處理功能的網(wǎng)絡(luò)調(diào)用。用戶可在程序中通過“Web Services引用”或其他支持服務(wù)的平臺(tái)直接調(diào)用。

四、GP服務(wù)的具體應(yīng)用——以道路橫斷面分析為例

蘇州工業(yè)園區(qū)測繪中心根據(jù)地下管線管理的需求開發(fā)了基于WebGIS的地下管線綜合信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了包括緩沖區(qū)疊加分析、斷面分析等在內(nèi)的多項(xiàng)空間分析功能。這些功能均通過GP服務(wù)的方式實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)以道路橫斷面分析為例，介紹GP服務(wù)在該系統(tǒng)空間分析中的應(yīng)用，并以此驗(yàn)證 GP服務(wù)在 WebGIS空間分析中應(yīng)用的可行性。

1.模型研究及結(jié)果預(yù)測

結(jié)合實(shí)際情況，分析出道路斷面的數(shù)學(xué)模型

式中，k為道路設(shè)計(jì)坡度;x1、x2、x3、x4為隔離帶位置;h1、h2為隔離帶高程;z0為道路中心線高程; W為路寬。根據(jù)數(shù)學(xué)模型預(yù)判出的道路斷面形式如圖4所示。

圖4 斷面分析預(yù)測

2.GP服務(wù)結(jié)果與理論預(yù)測對(duì)比

根據(jù)業(yè)務(wù)流程，制作出如圖5所示的GP模型。其中緩沖(buffer)、相交(intersect)等基礎(chǔ)環(huán)節(jié)直接選用ArcToolbox工具集，其他過程通過Python編程實(shí)現(xiàn)。最后將制作好的工具發(fā)布成服務(wù)。

圖5 斷面分析的GP模型

圖6為系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)用GP服務(wù)獲取的道路斷面信息，可見其分析結(jié)果與通過數(shù)學(xué)模型預(yù)測的結(jié)果(圖4)基本一致，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了GP服務(wù)在空間分析中應(yīng)用的可行性。

圖6 基于GP服務(wù)的分析結(jié)果

五、結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)緊密耦合的WebGIS空間分析功能開發(fā)時(shí)存在的缺陷，筆者提出采用SOA的系統(tǒng)框架，以GP服務(wù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的空間分析，并通過模擬預(yù)測及實(shí)際GP服務(wù)的應(yīng)用對(duì)比，驗(yàn)證了GP服務(wù)在WebGIS空間分析功能中應(yīng)用的可行性。以此方式進(jìn)行WebGIS空間分析可忽略應(yīng)用平臺(tái)及程序語言的差異性，具有易開發(fā)、易更新、易擴(kuò)展等特性。對(duì)于利用GP服務(wù)進(jìn)行空間分析的效率等問題，本文尚未涉及，需作進(jìn)一步研究。

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Application Research on GP Service to Spatial Analysis of WebGIS Based on SOA

TAN Ding，LI Mingfeng，ZHANG Wei，HE Zhengxing

0494-0911(2011)07-0070-04

P208

B

2011-03-10

江蘇省測繪局科研資助項(xiàng)目(JSCHKY200903);國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(LEDM2010B05)

檀 丁(1987—)，男，安徽安慶人，碩士生，研究方向?yàn)榉植际紾IS的應(yīng)用。