WebGIS與Mashup在黑河流域信息化平臺構(gòu)建中的應(yīng)用

何振芳，張耀南

（ 1．中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，蘭州 730000；2．中國科學(xué)院超級計算蘭州分中心，蘭州 730000；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

WebGIS與Mashup在黑河流域信息化平臺構(gòu)建中的應(yīng)用

何振芳1,3，張耀南1,2

（ 1．中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，蘭州 730000；2．中國科學(xué)院超級計算蘭州分中心，蘭州 730000；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

隨著eScience的發(fā)展，大量的科研信息化。如何綜合應(yīng)用共享的信息資源，再次產(chǎn)生新的科研成果，為科研問題的解決提供決策支持，是信息化研究需解決的問題。本文設(shè)計了基于信息聚合與WebGIS技術(shù)支持的黑河流域信息化平臺，主要通過Mashup與WebGIS技術(shù)搭建該信息化平臺，重點研究科研信息的聚合應(yīng)用。基于WebGIS與信息聚合的黑河流域信息化平臺,能夠?qū)崿F(xiàn)黑河流域空間信息的聚合共享，以更直觀快捷的方式實現(xiàn)科研信息化，數(shù)據(jù)與應(yīng)用服務(wù)的共享與交換，使科研成果服務(wù)于大眾，便于數(shù)據(jù)的共享與互操作，形成多學(xué)科交叉的新組織模式和協(xié)作環(huán)境。以地下水、土壤等數(shù)據(jù)的信息聚合應(yīng)用為案例，基于ArcGIS云平臺，通過WebGIS技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源信息的聚合共享應(yīng)用。

黑河流域；eScience；信息聚合（Mashup）；WebGIS

黑河流域歷來是科學(xué)工作者研究寒區(qū)、旱區(qū)氣象、生態(tài)、水文、水資源等的典型區(qū)域，長時間的科研工作積累了豐富的數(shù)據(jù)與科研成果（程國棟和趙傳燕，2008；黃少鵬和安芷生，2010）。隨著eScience的發(fā)展（Yang，2010；Zhang et al，2006；Williams et al，2008），黑河流域在科研信息化方面也取得了大的進展，完成了黑河流域數(shù)據(jù)與科研成果共享平臺的構(gòu)建（秦大河，2004；張耀南等，2005，2006； Wang et al，2010）?？蒲行畔⒒ぷ鳛榭蒲泄ぷ髡咛峁┴S富的科研信息，如何實現(xiàn)信息資源的聚合，再次產(chǎn)生新的科研成果與生產(chǎn)應(yīng)用是黑河eScience發(fā)展亟需解決的問題。

英國科學(xué)家John Taylor于1999年提出eScience，英國e-Science研究院的Malcolm Atkinson將其定義為利用先進計算思想的研究方式的系統(tǒng)發(fā)展（Atkinson et al，2005）。我國對e-Science的理解集中在信息化的科研活動上，包括信息化的數(shù)據(jù)采集、處理、分析等，包括建模方式、模型計算方式與科研協(xié)同工作方式等，但是在共享信息如何聚合產(chǎn)生新的成果或生產(chǎn)應(yīng)用方面研究較少，在信息聚合方面的難點，造成了共享資源的浪費。如何運用共享數(shù)據(jù)、共享工具等各類共享信息資源產(chǎn)生新的科研應(yīng)用是eScience的深入發(fā)展。

本文通過WebGIS與mashup技術(shù)搭建信息化平臺,實現(xiàn)科研信息瀏覽器端的聚合，用戶能夠在瀏覽器端快速、便捷的實現(xiàn)服務(wù)的聚合。通過信息化平臺，不僅僅是專業(yè)人員，而且普通的用戶也能夠方便地獲取所需的信息資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、服務(wù)、計算與可視化等功能的共享、交換與聚合。

1 基于信息聚合與WebGIS的黑河流域信息化平臺的研究思路與平臺特點

1.1 系統(tǒng)需求分析

地理信息是黑河流域的重要基礎(chǔ)信息之一，大部分的流域信息都跟空間信息相關(guān)，運用先進的信息管理手段有利于推進流域的科研信息化進程。GIS的空間分析功能便于對數(shù)據(jù)進行深層次研究分析，使系統(tǒng)起到輔助決策的作用。節(jié)省科研人員在數(shù)據(jù)處理方面的時間。通過信息聚合技術(shù)，可根據(jù)研究的問題及目標(biāo)查找資源，即通過Internet或信息化平臺采集共享數(shù)據(jù)、功能模塊等，聚合產(chǎn)生新的應(yīng)用。

1.2 基于信息聚合與WebGIS的信息化平臺特點

空間信息聚合主要是從不同數(shù)據(jù)源抽取數(shù)據(jù)和服務(wù)，其中包括地理數(shù)據(jù)或功能，主要有服務(wù)器端的信息聚合與瀏覽器端的信息聚合（王桂玲等，2005；何亞文等，2011；南志文等，2011）；通過Web協(xié)議，資源1提供的空間數(shù)據(jù)相關(guān)的內(nèi)容與資源2在瀏覽器端聚合，即可實現(xiàn)空間信息的聚合（翟石艷和宋根鑫，2009；劉先鋒等，2013）。

基于WebGIS的信息化平臺是實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與發(fā)布，提供空間信息服務(wù)的關(guān)鍵手段。WebGIS利用通用的瀏覽器進行地理信息的發(fā)布，使得不僅僅是專業(yè)人員，而且普通的用戶也能夠方便地獲取所需的信息，產(chǎn)生新的應(yīng)用支持決策分析。黑河流域的數(shù)據(jù)資源大多數(shù)都具有空間分布特征，利用WebGIS對這些信息進行組織管理，可以為用戶提供基于空間分布的多種信息服務(wù)，將計算結(jié)果以圖形或文字等方式返回至瀏覽器端。

2 信息化平臺系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于WebGIS與信息聚合技術(shù)支持的信息化平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，系統(tǒng)可分為3層，分別為資源層、Mashup信息聚合層和應(yīng)用層。資源提供層主要是外部的共享資源與內(nèi)部共享資源。黑河流域貢獻的信息資源主要是相關(guān)基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)、經(jīng)濟、生態(tài)、水文、氣象等方面的專業(yè)數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)、在線計算模型、數(shù)據(jù)處理模型、可視化服務(wù)、統(tǒng)計分析、決策模型等。內(nèi)部資源主要是提供黑河流域的相關(guān)數(shù)據(jù)及基于GIS的空間分析服務(wù)資源。通過Mashp技術(shù)在應(yīng)用層聚合目錄中獲取聚合應(yīng)用。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System architecture

2.2 資源采集、聚合及相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)

數(shù)據(jù)與模型是黑河流域科學(xué)研究的重要手段，數(shù)據(jù)與模型的聚合服務(wù)、不同來源共享空間數(shù)據(jù)資源的聚合服務(wù)是研究需解決的重點問題。通過這兩種聚合服務(wù)形式解決模型與數(shù)據(jù)的信息孤島問題及數(shù)據(jù)的異質(zhì)性問題。聚合服務(wù)可以重新發(fā)布服務(wù)作為共享資源，也可不發(fā)布服務(wù)直接在桌面端應(yīng)用。通過平臺整合黑河流域的共享數(shù)據(jù)與在線模型服務(wù)，將不同用戶提供的數(shù)據(jù)與在線模型服務(wù)結(jié)合起來，通過“即拿即用”的方式融合黑河流域數(shù)據(jù)與模型，并不斷優(yōu)化組合，發(fā)揮聚合服務(wù)的最大價值。黑河流域的數(shù)據(jù)是研究的基礎(chǔ)，空間數(shù)據(jù)服務(wù)的聚合主要是通過在線地圖資源開放的API，空間數(shù)據(jù)共享符合OGC標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)接口規(guī)范WMS、WFS、WCS、WPS、WMTS等；空間數(shù)據(jù)共享符合基于Web服務(wù)的相關(guān)規(guī)范GML、KML、Geo-RSS、Geo-JSON。

2.3 實現(xiàn)框架

基于可聚合的設(shè)計思路，設(shè)計了基于信息聚合的WebGIS實現(xiàn)框架，如圖2。該框架將所有的通用功能模塊封裝，并以Web Services形式進行功能服務(wù)發(fā)布，向應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)用戶提供GIS功能服務(wù)。服務(wù)的粒度越細，服務(wù)接口越貼近底層系統(tǒng)組件，擁有更多的靈活性，專業(yè)用戶可以利用專業(yè)知識，將細粒度、功能相關(guān)的服務(wù)聚合成新的應(yīng)用服務(wù)，為普通用戶提供服務(wù)，不必關(guān)心聚合服務(wù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。框架提供組件庫和WebService兩種方式實現(xiàn)GIS應(yīng)用功能和數(shù)據(jù)的發(fā)布，以達到應(yīng)用接口統(tǒng)一、GIS數(shù)據(jù)訪問統(tǒng)一的效果，避免專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中GIS業(yè)務(wù)的重復(fù)開發(fā)，以及由此造成的信息共享障礙。服務(wù)通過松耦合的、基于消息的方法（如XML文檔交換）連接到其他的服務(wù)或客戶端。服務(wù)器端服務(wù)聚合可以聚合來自其他服務(wù)器上發(fā)布的GIS服務(wù)，模型服務(wù)等。這種服務(wù)的聚合可簡單的實現(xiàn)瀏覽器端的聚合，提供Web服務(wù)目錄及服務(wù)權(quán)限控制。通過數(shù)據(jù)目錄管理、服務(wù)目錄管理和元數(shù)據(jù)管理相結(jié)合，查詢資源目錄，可以找到所需資源信息，為黑河流域的數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的管理方法。平臺提供三種數(shù)據(jù)共享與交換機制，并實現(xiàn)統(tǒng)一資源目錄管理和應(yīng)用。數(shù)據(jù)共享方式：一是元數(shù)據(jù)共享方式，將黑河流域數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)在系統(tǒng)平臺上注冊與發(fā)布，實現(xiàn)元數(shù)據(jù)層次上的共享；二是數(shù)據(jù)庫直接訪問共享方式，通過權(quán)限控制實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)訪問授權(quán)的數(shù)據(jù)庫直接連接訪問；三是服務(wù)共享方式，將數(shù)據(jù)發(fā)布成服務(wù)，并在平臺上注冊，實現(xiàn)符合WMS/WFS/WCS等規(guī)范的服務(wù)層次上的數(shù)據(jù)共享方式。

圖2 信息化平臺實現(xiàn)框架Fig.2 Information technology platform framework

3 黑河流域科研信息化WebGIS與信息聚合應(yīng)用案例

3.1 地下水信息化應(yīng)用案例

應(yīng)用云服務(wù)軟件即服務(wù)、平臺即服務(wù)、基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)的特點，通過ArcGIS Online云服務(wù)平臺提供的軟件、服務(wù)、功能、數(shù)據(jù)等共享資源，基于ArcGISFlex API設(shè)計了黑河流域基于WebGIS與信息聚合技術(shù)的簡單應(yīng)用案例。如圖3為服務(wù)聚合流程圖。

應(yīng)用案例研究的目標(biāo)為地下水位監(jiān)測井的分布與區(qū)域地下水的動態(tài)變化分析，為水利工作者提供決策支持；所需資源為流域基礎(chǔ)地理底圖與地下水專題數(shù)據(jù),通過黑河流域數(shù)據(jù)共享平臺獲取專題數(shù)據(jù),ArcGIS Online云服務(wù)獲取在線資源基礎(chǔ)底圖影像圖；基于開放的API開發(fā)運行于瀏覽器端的WebGIS應(yīng)用基本GIS功能，發(fā)布地下水相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)測井分布、地下水埋深等專題數(shù)據(jù)服務(wù)，并提供數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析功能服務(wù)，簡單的實現(xiàn)了WebGIS功能與信息聚合，分析地下水位的區(qū)域分布與動態(tài)變化。如圖4為應(yīng)用案例的實現(xiàn)。

3.2 信息化平臺在線模型應(yīng)用案例

在線模型設(shè)計以黑河馬糞溝流域的無線傳感器傳輸站點為例，通過信息化平臺將無線傳輸與在線的數(shù)據(jù)處理與可視化集成到一個信息化平臺中。黑河馬糞溝流域?qū)嶒炚军c每間隔15分鐘傳輸一次數(shù)據(jù)，以時間作為無限維，將某一時刻，站點傳輸?shù)乃型寥罎穸?、土壤溫度等要素定義為一個站點記錄，長時間序列的多個站點記錄定義為一個NETCDF數(shù)據(jù)集合。各類用戶通過統(tǒng)一的Web瀏覽器界面提出集成NetCDF數(shù)據(jù)文件或分析、可視化等請求后, 由后臺程序?qū)μ峤坏臅r空數(shù)據(jù)的屬性、變量及數(shù)據(jù)維數(shù)等信息進行校驗和處理，生成相應(yīng)的NetCDF數(shù)據(jù)文件及分析結(jié)果，并形成可供瀏覽的頁面結(jié)果。在具體實施中為了提高計算速度并方便數(shù)據(jù)的可視化，采取了Matlab與Java混編的模式完成基于Web的數(shù)據(jù)集成服務(wù)。如圖5為無線傳感器獲得的馬糞溝流域10月份土壤溫度與濕度數(shù)據(jù)。

圖3 服務(wù)聚合流程圖Fig.3 Service aggregation flowchart

圖4 地下水應(yīng)用案例Fig.4 Groundwater applications

站點不規(guī)則地分布在空間和時間中，因此在集成NetCDF數(shù)據(jù)模型時分為2個部分進行設(shè)計：一部分是描述站點的站號，經(jīng)緯度及其海拔高度等信息；一部分是描述測量的土壤要素、氣象要素、水文要素等。在本研究中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取的數(shù)據(jù)存儲為通過matlab可讀取的數(shù)據(jù)格式，設(shè)計寫入NetCDF數(shù)據(jù)模型，如下例:

netcdf point-station {

dimensions:

time = UNLIMITED；表示站點記錄的時間序列

station = 1；表示站點數(shù)量

variables:

int stationID (station)；表示站點號

f oat longitude (station)；表示站點地理位置f oat soiltemperature (station);

…

stationID = netcdf.defDim (ncid, 'stat', 1);

timeID = netcdf.defDim (ncid, 'time', 1869);

...

[num，txt, raw] = xlsread(站點記錄.xls, '站點記錄');

for i=1:1869

time (i) = num (i, 1); 提取時間序列數(shù)據(jù)

end;

for i = 1:1869

soilTemperature (i) = num (i, 4);提取土壤溫度數(shù)據(jù)

end;

soilTemperature = soilTemperature ';

my_varID = netcdf.defVar (ncid, 'var', 'double',

[stationID, timeID] );

netcdf.endDef (ncid); ...}，

將以上數(shù)據(jù)集成m函數(shù)文件轉(zhuǎn)變?yōu)榻M件，可以加入集成、分析組件庫，實現(xiàn)在線模型的集成應(yīng)用，通過WebGIS的相關(guān)功能組件可直接讀取NETCDF數(shù)據(jù)，及進行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，即通過WebGIS與Mashup實現(xiàn)信息化平臺的不同功能。

4 結(jié)論與討論

本文設(shè)計了基于mashup與WebGIS的信息化平臺框架，綜合應(yīng)用共享信息資源數(shù)據(jù)、模型、功能等服務(wù)，再次產(chǎn)生新的科研成果與生產(chǎn)應(yīng)用。通過“即拿即用”的方式融合黑河流域數(shù)據(jù)與模型，并不斷優(yōu)化組合，發(fā)揮聚合服務(wù)的最大價值。平臺中在線模型（生態(tài)、水文、經(jīng)濟模型等）、數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析、可視化、WebGIS功能等共享資源的信息聚合方法需進一步深入研究以更充分地利用各平臺的共享資源服務(wù)于科研以及生產(chǎn)應(yīng)用。

程國棟, 趙傳燕. 2008. 干旱區(qū)內(nèi)陸河流域生態(tài)水文綜合集成研究[J]. 地球科學(xué)進展, 23(10): 1005–1010. [Cheng G D, Zhao C Y. 2008. An integrated study of ecological and hydrological processes in the inland river basin of the arid regions, China [J]. Advances in Earth Science, 23(10): 1005–1010.]

何亞文, 崔 璟, 黎 濤, 等. 2011. 海洋信息服務(wù)聚合平臺應(yīng)用研究[J]. 地理信息世界, 10(5): 77–82. [He Y W, Cui J, Li T, et al. 2011. Study on WebServices — Oriented marine information integration method [J]. Geomatics World, 10(5): 77–82.]

黃少鵬, 安芷生. 2010. 長期地溫監(jiān)測在地球科學(xué)研究中的重要意義[J].地球環(huán)境學(xué)報,1(1):1–7. [Huang S P, An Z S. 2010. The importance of long-term ground temperature monitoring in earth science [J]. Journal of Earth Environment, 1(1): 1–7.]

劉先鋒, 鄔群勇, 馬亨冰. 2013. 一種服務(wù)器端地圖Mashup框架及其應(yīng)用研究[J].測繪科學(xué), 38(3): 112–114. [Liu X F, Wu Q Y, Ma H B, et al. 2013. A server-side Mashup framework and application of maps [J]. Science of Surveying and Mapping, 38(3): 112–114.]

南志文, 蘇厚勤, 周元軍.2011. 采用代理和Ajax技術(shù)設(shè)計開發(fā)RSS個人信息聚合系統(tǒng)[J]. 計算機應(yīng)用與軟件, 28(9): 140–143.[Nan Z W, Su H Q, Zhou Y J. 2011. Designing and developing RSS personal information aggregation system with techniques of Agent and Ajax [J]. Computer Applications and Software, 28(9): 140–143.]

秦大河. 2004.中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享的進程和展望[J].科學(xué)中國人, (9): 18–20. [Qin D H. 2004. China's meteorological science data sharing process and prospect [J]. Scientific Chinese, (9): 18–20.]

王桂玲, 李玉順, 姜進磊, 等. 2005. 一種服務(wù)網(wǎng)格動態(tài)信息聚合模型及其應(yīng)用[J].計算機學(xué)報, 28(4): 541–548. [Wang G L, Li Y S, Jiang J L, et al. 2005. A dynamic information aggregation model and its applicationin service grid environment [J]. Chinese Journal of Computers, 28(4): 541–548.]

翟石艷, 宋根鑫.2009. 基于Web Service和Mashup的城市地理信息共享[J]. 地理空間信息, 7(3): 82–84. [Zhai S Y, Song G X. 2009. Urban geospatial data sharing based on Web Service and Mashup [J]. Geospatial Information, 7(3): 82–84.]

張耀南, 程國棟, 高美榮, 等. 2006. 適宜環(huán)境與生態(tài)研究的e-science探討[J]．地球科學(xué)進展, 21(10)：1084–1090. [Zhang Y N, Cheng G D, Gao M R, et al. 2006. Research on e-science adapted to environment and ecology study [J]. Advances in Earth Science, 21(10): 1084–1090.]

張耀南, 韋五周, 程國棟, 等. 2005. 寒區(qū)旱區(qū)特色數(shù)據(jù)集管理與共享應(yīng)用[J].地球科學(xué)進展, 20(7): 717–723. [Zhang Y N, Wei W Z, Cheng G D, et al. 2005. Cold and arid regions characteristic dataset mangement and its sharing application [J]. Advances in Earth Science, 20(7): 717–723.]

Atkinson M, DeRoure D, Dunlop A, et al. 2005. Web Service Grids: an evolutionary approach [J]. Concurrency and Computation-Practice & Experience, 17(2–4): 377–389.

Wang Y, Zhang Y N, Luo L H, et al. 2010. An e-science environment study using wireless transmission technique [C]. 6th International Conference on Wireless Communications, Networking and Mobile Computing, WiCOM 2010, IEEE Computer Society.

Williams D N, Ananthakrishnan R, Bernholdt D E, et al. 2008. Data management and analysis for the Earth System Grid [J]. Journal of Physics: Conference Series, 125, doi: 10.1088/1742-6596/125/1/012072.

Yang C. 2010. Geospatial cyberinfrastructure: Past, present andfuture [J]. Computers, Environment and Urban Systems, 34(4): 264–277.

Zhang T, Tsou M H, Qiao Q H, et al. 2006. Building an intelligent geospatial cyberinfrastructure: an analytical problem solving approach [J]. Geoinformatics 2006: Geospatial Information Science, 6420, doi: 10.1117/12.712656.

Research on eScience of Heihe River basin based on Mashup and WebGIS

HE Zhen-fang1,3, ZHANG Yao-nan1,2
(1. Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China; 2.Lanzhou Super Computing Center, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Heihe basin is always the typical region of cold, arid meteorology, ecology, hydrology, water resources in science research. There are rich research results, data resources, the polymerization of information resources, but the integration and application of scientific research is the problem to need solve. With the development of eScience, a number of scientif c and technical information, how to use the shared information resource, again to generate new research results, should be problems to be solved by eScience research. The development trend of eScience is how to use the shared data, tools and other kinds of sharing information resources, to provide decision support for solving scientific problems or new applications. This paper has designed eScience platform system structure of Heihe River basin based on information aggregation and WebGIS technology, and focused on the research of the application of scientif c research information polymerization, mainly through Mashup and WebGIS technology. EScience platform of Heihe River Basin based on WebGIS, could achieve the aggregation sharing of the Heihe River basin information, implementation of scientific research information, sharing and exchange of data and application service with more convenient way, the public service of the research achievements, to facilitate data sharing and interoperability, the formation of thenew organization mode and collaborative environment cross regional, time, multidiscipline based on WebGIS. With the groundwater application and online model application as a case, the ArcGIS cloud platform based on WebGIS technology could realize polymerization sharing application of groundwater resources information.

Heihe River basin; eScience; Information aggregation (Mashup); WebGIS

P208

A

1674-9901(2014)01-0042-07

10.7515/JEE201401007

2014-01-13

中國科學(xué)院信息化專項項目（INFO-115-D01-2007，J0930003/J0109）

張耀南，E-mail: yaonan@lzb.ac.cn