基于WebGIS的海水淡化工程空間信息可視化應(yīng)用研究

于 慶，劉淑靜，付錦鳳，高 赟，單 科，黃鵬飛

(國(guó)家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所海水利用發(fā)展戰(zhàn)略研究中心，天津 300192)

0 引言

海水淡化是解決全球水資源危機(jī)的重要途徑，對(duì)解決我國(guó)沿海水資源匱乏，優(yōu)化沿海用水結(jié)構(gòu)，保障和促進(jìn)沿海經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。當(dāng)前我國(guó)海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，沿海各地發(fā)展海水淡化的熱情高漲，多個(gè)萬(wàn)噸級(jí)、十萬(wàn)噸級(jí)淡化工程正在規(guī)劃建設(shè);同時(shí)，政府、企業(yè)及社會(huì)各界對(duì)以網(wǎng)絡(luò)為手段更快更便捷地獲取海水淡化工程信息需求日益迫切。但目前海水淡化工程信息分布零散、查詢(xún)困難，大多以文字、圖片、表格等靜態(tài)形式表達(dá)，亟需與空間位置集成實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理與動(dòng)態(tài)可視化服務(wù)。因此，本文利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)集成管理海水淡化工程信息，采用WebGIS建立海水淡化工程空間信息可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠直觀(guān)、生動(dòng)、形象化地表達(dá)海水淡化工程信息，實(shí)現(xiàn)海水淡化工程信息的共享與服務(wù)，為政府部門(mén)決策、科研機(jī)構(gòu)科學(xué)研究、社會(huì)公眾了解海水淡化事業(yè)提供一定支持。

1 海洋信息可視化研究

WebGIS是互聯(lián)網(wǎng)與地理信息技術(shù)(GIS)相結(jié)合的產(chǎn)物，能夠利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布和出版GIS信息，以供用戶(hù)瀏覽、查詢(xún)并獲取所需的空間數(shù)據(jù)和應(yīng)用［1-3］。WebGIS最大特點(diǎn)是在空間框架下實(shí)現(xiàn)圖形、圖像數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)連接，提供可視化查詢(xún)和空間分析功能。目前WebGIS已被應(yīng)用到海洋領(lǐng)域，如:歐洲遙感企業(yè)協(xié)會(huì)應(yīng)用WebGIS技術(shù)，以Internet數(shù)字地圖形式可視化表達(dá)希臘東部阿爾基島附近的波西多尼亞海草分布及其生存環(huán)境的空間信息［4］;德國(guó)，英國(guó)和挪威三國(guó)科學(xué)家共同開(kāi)發(fā)了基于WebGIS的海洋污染監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)系統(tǒng)［5］;希臘國(guó)家海洋研究中心開(kāi)發(fā)了基于WebGIS海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)［6］;波蘭格但斯克工業(yè)大學(xué)的Marcin Kulawiak等人開(kāi)發(fā)了一個(gè)能夠收集、處理和動(dòng)態(tài)可視化多類(lèi)型海洋信息的WebGIS平臺(tái)［7］;愛(ài)爾蘭科克大學(xué)的Tuama和挪威南森環(huán)境遙感中心的Hamre深入地研究了WebGIS在海上溢油和赤潮災(zāi)害動(dòng)態(tài)可視化中的應(yīng)用［8］。國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者在基于WebGIS技術(shù)的海流場(chǎng)遠(yuǎn)程可視化［9］、海洋表面溫度信息的動(dòng)態(tài)可視化［10］等方面開(kāi)展了相關(guān)研究并取得了積極成果。前人在應(yīng)用WebGIS技術(shù)開(kāi)展海洋屬性信息與空間信息一體化組織與管理方面以及信息可視化表達(dá)方面的研究成果表明，該技術(shù)能夠結(jié)合海水淡化工程空間信息特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)海水淡化工程空間信息可視化提供技術(shù)支撐。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

WebGIS技術(shù)具有多種實(shí)現(xiàn)手段，其中Flex技術(shù)、ArcServer技術(shù)和 ArcGIS Flex API的結(jié)合，使得WebGIS能夠開(kāi)發(fā)包含豐富用戶(hù)體驗(yàn)的富客戶(hù)端用戶(hù)程序［11-14］。本文依托這些技術(shù)結(jié)合系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求開(kāi)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，主要包括系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

海水淡化工程空間信息可視化系統(tǒng)主要由表現(xiàn)層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

(1)表現(xiàn)層的載體為客戶(hù)端瀏覽器，在 Flew-Viewer基礎(chǔ)上，采用Flex Framework框架及 ArcGIS Flex API設(shè)計(jì)，使用Flash-Player作為與用戶(hù)的交互窗口。

(2)服務(wù)層由GIS服務(wù)器和IIS服務(wù)器組成。GIS服務(wù)器由ArcGIS Server搭建而成，IIS服務(wù)器主要負(fù)責(zé)非GIS相關(guān)服務(wù)的發(fā)布。

(3)數(shù)據(jù)層主要包括基礎(chǔ)地理要素、海水淡化工程空間信息及相關(guān)屬性信息。對(duì)空間數(shù)據(jù)的存取采用ArcGIS中的ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎訪(fǎng)問(wèn)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)屬性數(shù)據(jù)的存取采用ADO.NET與Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)連接，對(duì)海水淡化工程詳細(xì)信息、圖片等不便于數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)管理的數(shù)據(jù)以文件的方式存放在服務(wù)器端，供服務(wù)層調(diào)用。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)是系統(tǒng)的核心組成部分，數(shù)據(jù)的有效組織程度將直接影響到系統(tǒng)運(yùn)行的效率，本系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)及海水淡化工程數(shù)據(jù)。

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)包括沿海省市行政區(qū)、主要公路、鐵路、水系及島嶼等基礎(chǔ)圖層，通過(guò)ArcSDE在Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)與管理;海水淡化工程數(shù)據(jù)由工程位置信息與屬性信息組成。由于海水淡化工程存在分期建設(shè)情況，因此工程位置空間信息與工程屬性信息存在一對(duì)多的關(guān)系。本文將這兩種信息分開(kāi)存儲(chǔ)，通過(guò)關(guān)鍵字標(biāo)識(shí)碼建立兩者間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)縫組織與互操作。

2.3 功能設(shè)計(jì)

海水淡化工程空間信息可視化系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)海水淡化工程信息的動(dòng)態(tài)可視化發(fā)布，滿(mǎn)足用戶(hù)及時(shí)、準(zhǔn)確掌握海水淡化工程信息的迫切需求。根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，主要由地圖瀏覽、常用輔助功能、專(zhuān)題信息檢索和統(tǒng)計(jì)分析4個(gè)功能模塊組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

依據(jù)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采用B/S的組織體系結(jié)構(gòu)，即“客戶(hù)端/服務(wù)器”，其中客戶(hù)端前臺(tái)瀏覽器選用IE6.0及以上版本，程序采用Flex開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Flex Builder。服務(wù)器端程序采用C#語(yǔ)言與ADO.NET 技術(shù)開(kāi)發(fā)，Web 服務(wù)器為 IIS6.0，GIS服務(wù)器為ArcGIS Server 9.3，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器為Oracle11g。

3.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

海水淡化工程空間信息可視化系統(tǒng)致力于向用戶(hù)及時(shí)提供海水淡化工程信息，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中涉及的主要功能有地圖瀏覽、專(zhuān)題信息檢索、顯示查詢(xún)結(jié)果、統(tǒng)計(jì)分析等。

(1)地圖瀏覽。

地圖瀏覽為用戶(hù)提供地圖放大、縮小、漫游、全圖操作。系統(tǒng)事先將待顯示的基礎(chǔ)地理要素在ArcMap中渲染，發(fā)布的地圖服務(wù)可以劃分為基礎(chǔ)地理要素和海水淡化工程專(zhuān)題信息兩部分。對(duì)于不經(jīng)常變化的基礎(chǔ)地理要素，系統(tǒng)通過(guò)ArcGISTitledMapServiceLayer方式發(fā)布切片地圖服務(wù)。海水淡化工程空間信息因其實(shí)時(shí)性則采用ArcGISDynamicMapServiceLayer動(dòng)態(tài)渲染。這樣當(dāng)用戶(hù)請(qǐng)求時(shí)，地圖服務(wù)分別返回請(qǐng)求范圍的海水淡化工程專(zhuān)題地圖圖片和底層基礎(chǔ)地理要素地圖切片并在客戶(hù)端疊加顯示，盡可能地減少服務(wù)器的計(jì)算負(fù)載，提高了地圖響應(yīng)速度。

(2)專(zhuān)題信息檢索。

專(zhuān)題信息檢索功能主要對(duì)海水淡化工程實(shí)現(xiàn)圖形查詢(xún)、名稱(chēng)查詢(xún)及查詢(xún)結(jié)果定位顯示。海水淡化工程專(zhuān)題信息查詢(xún)是通過(guò) ArcGIS API for Flex的QueryTask、Flex提供的 ＜WebService＞組件及 ADO.NET實(shí)現(xiàn)，這里以名稱(chēng)查詢(xún)?yōu)槔M(jìn)行說(shuō)明，查詢(xún)過(guò)程包括屬性信息查詢(xún)和空間信息查詢(xún)兩個(gè)步驟。首先，在ADO.NET中創(chuàng)建并發(fā)布數(shù)據(jù)服務(wù)，根據(jù)查詢(xún)條件利用＜WebService＞組件實(shí)現(xiàn)服務(wù)的調(diào)用，從Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索工程關(guān)鍵字標(biāo)識(shí)碼等屬性信息;然后，利用QueryTask接口根據(jù)關(guān)鍵字標(biāo)識(shí)碼查找空間位置信息，進(jìn)行信息合并顯示。

(3)顯示查詢(xún)結(jié)果。

顯示查詢(xún)結(jié)果除了為查詢(xún)的圖形結(jié)果設(shè)置符號(hào)，還將圖形添加到圖形圖層中。這個(gè)符號(hào)可以直接通過(guò)圖形圖層來(lái)表現(xiàn)，所有添加到該層的圖形都將用這種符號(hào)來(lái)表示。本文應(yīng)用ArcServer API for Flex提供的GraphicsLayer接口定義查詢(xún)結(jié)果顯示圖層，系統(tǒng)中海水淡化工程屬于點(diǎn)狀要素，圖形符號(hào)通過(guò)PictureMarkerSymbol設(shè)置，然后將其賦予顯示圖層Symbol屬性，繼而實(shí)現(xiàn)查詢(xún)結(jié)果的動(dòng)態(tài)顯示。

(4)統(tǒng)計(jì)分析功能。

統(tǒng)計(jì)分析功能是對(duì)專(zhuān)題信息檢索功能的進(jìn)一步延伸，主要是針對(duì)我國(guó)海水淡化工程進(jìn)行時(shí)空統(tǒng)計(jì)分析，如按照區(qū)域、時(shí)間統(tǒng)計(jì)海水淡化工程相關(guān)信息。統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程是通過(guò)調(diào)用服務(wù)器端發(fā)布的數(shù)據(jù)服務(wù)，讀取其屬性字段，利用Flex的垂直柱狀圖和折線(xiàn)圖等多種圖表控件實(shí)現(xiàn)，直觀(guān)明了地反映統(tǒng)計(jì)結(jié)果信息。

4 系統(tǒng)應(yīng)用與展望

WebGIS能夠以Internet數(shù)字地圖形式直觀(guān)地展示海洋信息，因此本文將其引入海水淡化工程空間信息可視化領(lǐng)域，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基于Flex的富客戶(hù)端海水淡化工程空間信息可視化系統(tǒng)，用戶(hù)僅需在安裝Flash Player的客戶(hù)端瀏覽器中輸入U(xiǎn)RL地址即可應(yīng)用，應(yīng)用效果如圖3所示。應(yīng)用結(jié)果表明，海水淡化工程空間信息可視化系統(tǒng)繼承了Flash動(dòng)畫(huà)的豐富視覺(jué)效果，具備良好的交互性和響應(yīng)性的用戶(hù)體驗(yàn)，能夠發(fā)布海水淡化工程屬性信息與空間信息，實(shí)現(xiàn)海水淡化工程地圖瀏覽、專(zhuān)題查詢(xún)及統(tǒng)計(jì)分析等功能。隨著當(dāng)前海水淡化產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，海水淡化工程空間信息可視化系統(tǒng)作為提供海水淡化信息的重要途徑，將在海水淡化工程空間信息共享、查詢(xún)與可視化展示等方面展現(xiàn)出更加廣闊的應(yīng)用前景。

圖3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

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