面向服務(wù)架構(gòu)的地理要素在線更新

王艷軍，徐狄軍，李丹農(nóng)，邵振峰

(1.湖南科技大學(xué)地理空間信息湖南省工程實驗室，湖南湘譚411201;2.寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江寧波315042;3.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)

一、引 言

隨著下一代互聯(lián)網(wǎng)、Web2.0、網(wǎng)格計算技術(shù)及對地觀測技術(shù)的發(fā)展，按需服務(wù)的新地理信息時代已經(jīng)誕生，面向服務(wù)架構(gòu)的地理信息公共平臺可為用戶提供互動的溝通服務(wù)［1］。利用Web Services技術(shù)可對各種空間信息資源進行注冊，并提供在線服務(wù)，對各種服務(wù)資源進行組合，可加工提取更高級的信息，提供更高智能化的服務(wù)［2］。當(dāng)前的地理信息共享存在數(shù)據(jù)格式多樣、空間參考不一、系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)，以及數(shù)據(jù)更新不能自動傳遞到相關(guān)的數(shù)據(jù)部門和分布式應(yīng)用程序［3-4］、信息豐富但共享程度不高等問題，因此需要從面向空間數(shù)據(jù)的共享發(fā)展到面向空間信息服務(wù)的共享集成［5］，選擇B/S的分布式系統(tǒng)架構(gòu)，研究基于多級異構(gòu)空間數(shù)據(jù)庫的地理信息公共服務(wù)機制［6］。

地理數(shù)據(jù)資源存在異構(gòu)型和很強的分布性，需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合集成的有效方法，提高地理數(shù)據(jù)和處理模型的訪問性和重用性，以實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的地理數(shù)據(jù)和處理模型的互操作［7］。多源多尺度空間數(shù)據(jù)可通過發(fā)布為符合開放地理信息聯(lián)盟(Open Geospatial Consortium，OGC)互操作規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)(Web map service，WMS)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋服務(wù)(Web coverage service，WCS)或網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)(Web feature service，WFS)來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的跨平臺跨瀏覽器訪問和調(diào)用。地理處理功能模型可發(fā)布為網(wǎng)絡(luò)地理處理服務(wù)(Web processing service，WPS)來實現(xiàn)“一次開發(fā)、重復(fù)操作”和跨系統(tǒng)平臺集成。分布式地理資源融合集成是普適地理信息及公共平臺的基礎(chǔ)和目標(biāo)，其中面向服務(wù)架構(gòu)的分布式空間數(shù)據(jù)在線增量更新是個難題［8-9］。本文采用面向服務(wù)架構(gòu)(service-oriented architecture，SOA)和OGC規(guī)范，重點研究面向服務(wù)的地理要素在線更新服務(wù)及其實現(xiàn)方法。

二、地理空間信息共享的邏輯模型

傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)根據(jù)已有空間數(shù)據(jù)和任務(wù)需求，建立空間數(shù)據(jù)庫和消息交互格式，并定義信息分析處理模式，從而實現(xiàn)地理處理任務(wù)。這樣的系統(tǒng)以數(shù)據(jù)的拷貝或交換為共享基礎(chǔ)，限制了部門應(yīng)用和信息化建設(shè)。地理信息公共平臺作為一個整體，提供一站式服務(wù)，即服務(wù)提供者也可以定制使用服務(wù)，服務(wù)使用者也可以向平臺注冊自定義服務(wù)。在開放地理信息和互操作方面，OGC已經(jīng)制訂了WMS、WFS、WCS和WPS等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提供了地理數(shù)據(jù)向可方便訪問和操作的Web Services轉(zhuǎn)換的解決方案。

本文設(shè)計的地理空間信息共享框架的邏輯模型(如圖1所示)，可將ShapeFile結(jié)構(gòu)、Oracle空間數(shù)據(jù)庫或PostgrSQL數(shù)據(jù)庫等分布式存儲的地理數(shù)據(jù)，通過分布式GIS服務(wù)器，發(fā)布為符合OGC規(guī)范的數(shù)據(jù)服務(wù)和功能服務(wù)，以實現(xiàn)空間信息的共享。

三、面向服務(wù)的地理要素在線更新

1.地理要素在線更新

分布式地理信息共享業(yè)務(wù)應(yīng)用中，地理數(shù)據(jù)從源數(shù)據(jù)編輯到重新發(fā)布更新是個繁瑣復(fù)雜的過程，而基于WFS則可針對特定需求實現(xiàn)地理要素數(shù)據(jù)的在線更新。如在國土資源管理業(yè)務(wù)內(nèi)部新審批的建設(shè)用地就需要及時更新土地登記發(fā)證中的地塊，城市道路新規(guī)劃時則需實時更新交通線路數(shù)據(jù)等。應(yīng)用地理要素在線更新服務(wù)，可分點、線段和多邊形3類要素在瀏覽器客戶端進行編輯操作，并將結(jié)果上傳到服務(wù)器進行幾何對象圖形和屬性數(shù)據(jù)的保存，成功后便可將最新的數(shù)據(jù)在客戶端進行可視化。

圖1 地理空間信息共享框架邏輯模型

上述向服務(wù)器發(fā)送的XML請求中，＜wfs：Insert＞表示地理要素事務(wù)處理類型;＜gml：polygonMember＞表示操作的幾何對象，客戶端向“TZ：HAILINGDIJI”圖層中添加一個空間參考系統(tǒng)為EPSG：2385(代表西安1980高斯-克呂格坐標(biāo)系統(tǒng))、節(jié)點坐 標(biāo) 值 分 別 為(494818.25，3593228.428)、(494788.342，3593432.224)等的多邊形要素。當(dāng)添加或修改的幾何對象存在數(shù)據(jù)冗余或形狀較復(fù)雜時，該XML請求中的坐標(biāo)點對可能出現(xiàn)數(shù)量級上的增加。為了解決多用戶頻繁操作情況下網(wǎng)絡(luò)傳輸和操作速度問題，需要采用有效的數(shù)據(jù)壓縮策略。

地理要素的在線更新服務(wù)與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)更新方法相比的優(yōu)點包括：無需安裝和借助專業(yè)GIS數(shù)據(jù)編輯工具;客戶端可實現(xiàn)多用戶并發(fā)處理與控制;在線編輯的結(jié)果同時更新空間數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)服務(wù)，實現(xiàn)跨平臺跨部門的數(shù)據(jù)更新。

2.業(yè)務(wù)驅(qū)動的地理要素更新服務(wù)

業(yè)務(wù)驅(qū)動的地理要素更新服務(wù)符合OGC的開放互操作標(biāo)準(zhǔn)，主要是通過Web網(wǎng)頁實現(xiàn)瀏覽器的空間分析功能。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)地理處理服務(wù)WPS，客戶端發(fā)送符合規(guī)范的XML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)并執(zhí)行處理，結(jié)果要素集以GML消息文檔形式返回WPS客戶端。

上述的WPS服務(wù)請求XML文檔中，＜wps：Execute＞表示服務(wù)執(zhí)行類型;＜wps：DataInputs＞表示服務(wù)輸入的參數(shù);＜wps：ResponseForm＞表示執(zhí)行結(jié)果的響應(yīng)形式。該WPS輸入了兩個地理要素“TZ：ROADS”和“TZ：HAILINGDIJI”的網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)WFS，處理結(jié)果為兩個WFS數(shù)據(jù)空間相交部分的要素集合，可方便空間索引的地理要素查找及在線更新操作。

3.空間方向索引的數(shù)據(jù)壓縮策略

網(wǎng)絡(luò)Web環(huán)境下的地理要素更新數(shù)據(jù)具有幾何圖形復(fù)雜、數(shù)量冗余嚴(yán)重、對象分布不均勻等特點，數(shù)據(jù)在線更新常連續(xù)發(fā)生和頻繁操作，幾何對象隨時會被編輯［10］。面向服務(wù)的架構(gòu)的地理要素在線更新，將傳統(tǒng)的GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)“查詢-瀏覽”流程轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬庉?瀏覽-更新”的流程，在網(wǎng)絡(luò)帶寬和多用戶并發(fā)操作情況下，需要靈活的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以組織和存儲高度動態(tài)化的地理數(shù)據(jù)。本文提出空間方向索引的數(shù)據(jù)壓縮算法，其可在減少網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量的情況下保持地理要素的幾何特征和主體信息，并以基于數(shù)據(jù)基態(tài)版本增量更新［11］的方式實現(xiàn)有效即時更新和代價最低的有效平衡。

空間方向索引的數(shù)據(jù)壓縮，是根據(jù)用戶編輯的幾何對象形狀進行空間8交方向分析，并遵循以下原則：①根據(jù)9單元格遍歷各節(jié)點與相鄰點序的8種空間方向索引關(guān)系;②相同空間方向索引上的支點可以刪除，特征拐點則不能去除;③不同空間方向索引，可根據(jù)制圖表達綜合要求，進行必要的取舍。

空間8交方向索引的數(shù)據(jù)壓縮算法，結(jié)合圖2將其主要應(yīng)用步驟描述為：

1)給定的點A，可定義其與相鄰點的空間8交方向，如圖2(a)箭頭所示，點A周圍可依次有8種方向關(guān)系。

2)遍歷幾何對象的所有節(jié)點，按照點序列計算相鄰兩點的空間方向關(guān)系，建立幾何對象的空間方向索引，見圖2(b)的步驟1和步驟2。

3)根據(jù)相鄰空間方向索引的異同，若相同則可刪除中間節(jié)點，如圖2(b)中的點2等;若相鄰空間方向索引不同，則保留，如圖2(b)中的點4等。

4)根據(jù)保留的點序列，建立新的幾何對象，并作為最終的數(shù)據(jù)壓縮結(jié)果?？臻g方向索引的數(shù)據(jù)壓縮，具有保留原始幾何形狀特征功能，并有效地減少數(shù)據(jù)冗余，圖2(b)的壓縮比達到50%。

圖2 空間方向索引的數(shù)據(jù)壓縮

4.試驗分析

本文以某城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更新為例，利用WFS和WPS實現(xiàn)瀏覽器端“編輯-瀏覽-更新”的地理數(shù)據(jù)在線更新模式，圖3是地籍專題業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的在線編輯和更新。圖3中，根據(jù)業(yè)務(wù)流程對“建制鎮(zhèn)”地類中要素代碼為“2001010100”的地塊進行在線更新，繪制或移動地塊幾何對象的節(jié)點，應(yīng)用空間方向索引的數(shù)據(jù)壓縮策略減少傳輸節(jié)點的數(shù)據(jù)冗余，并可以在圖3所示的更新界面中填寫地塊屬性信息。

將本實例中地理要素在線更新數(shù)據(jù)服務(wù)結(jié)果與源數(shù)據(jù)，在專業(yè)軟件ArcGIS數(shù)據(jù)編輯ArcMap中相疊加，分析發(fā)現(xiàn)結(jié)果是一致的，從而保證了數(shù)據(jù)更新的準(zhǔn)確度和精度(如圖4所示)。同時，基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境B/S瀏覽器和面向服務(wù)的地理信息共享，在線更新后的數(shù)據(jù)可實時增量更新空間數(shù)據(jù)庫和跨系統(tǒng)平臺服務(wù)訪問和互操作，提高了空間數(shù)據(jù)更新效率。

圖3 專題數(shù)據(jù)在線編輯與更新

圖4 ArcGIS中圖3數(shù)據(jù)的更新編輯效果

四、結(jié)束語

分布式地理數(shù)據(jù)資源的更新是面向服務(wù)架構(gòu)的空間地理信息共享中的重要內(nèi)容，涉及開放式地理信息系統(tǒng)的維護和運行。筆者通過分析目前地理信息共享中存在的數(shù)據(jù)更新問題，設(shè)計并實現(xiàn)了面向服務(wù)的地理要素在線更新方法，并針對大數(shù)據(jù)量的在線傳遞問題提出空間方向索引的數(shù)據(jù)壓縮策略，實現(xiàn)了地理數(shù)據(jù)服務(wù)方式的在線更新和增量傳遞。本文研究方法已用于城市地理空間框架建設(shè)中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更新實踐中，未來可拓展應(yīng)用于各行業(yè)專題空間數(shù)據(jù)的更新。

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