基于WebGIS的地震應(yīng)急數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)研究

魏艷旭，楊銳，劉曉丹，賈軍鵬

(河北省地震局，河北石家莊　050000)

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基于WebGIS的地震應(yīng)急數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)研究

魏艷旭，楊銳，劉曉丹，賈軍鵬

(河北省地震局，河北石家莊050000)

摘要：利用WebGIS技術(shù)，在ArcGIS Server平臺下構(gòu)建了地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)，通過局域網(wǎng)向局內(nèi)用戶提供地震應(yīng)急數(shù)據(jù)服務(wù)，在客戶端通過瀏覽器能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢、空間及統(tǒng)計分析等，系統(tǒng)不依賴于桌面GIS軟件，具有成本低、跨平臺、應(yīng)用簡單的特點，訪問快速高效，使地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)得到更廣泛的應(yīng)用，為地震局各部門參與抗震救災(zāi)工作提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：地震應(yīng)急；數(shù)據(jù)共享；WebGIS；ArcGIS Server

0引言

目前，提高地震應(yīng)急能力是減輕地震災(zāi)害最為有效的途徑，應(yīng)急數(shù)據(jù)是地震應(yīng)急救援的重要信息保障。地震應(yīng)急數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)又分為矢量格式和柵格數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)量非常大、種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且瀏覽需要本機(jī)上GIS軟件的支撐，不能讓大多數(shù)用戶共享[1]。

如何使地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)得到更廣泛的使用，成為實際需要研究的重點問題。WebGIS技術(shù)的應(yīng)運而生，使地理信息數(shù)據(jù)可通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行發(fā)布，客戶端通過普通瀏覽器便可隨時隨地瀏覽地理數(shù)據(jù)和獲取豐富的GIS服務(wù)。利用WebGIS進(jìn)行地震應(yīng)急數(shù)據(jù)的發(fā)布，能夠充分發(fā)揮地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在日常工作和抗震救災(zāi)中的價值[1-3]。

WebGIS是GIS技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，具備了開放性、跨平臺、分布式、遠(yuǎn)程操作、成本低等特點[1]。

1WebGIS相關(guān)技術(shù)簡介

1.1ArcGIS Server簡介

ArcGIS Server是基于Web的企業(yè)級WebGIS應(yīng)用軟件平臺，是一個用于構(gòu)建集中管理，支持多用戶的企業(yè)級GIS應(yīng)用的平臺，提供了豐富的GIS功能。ArcGIS Server具有以下特點： ①標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)框架；②高度集中化的管理；③高級GIS分析能力；④豐富的網(wǎng)絡(luò)控件；⑤跨平臺功能；⑥支持大量的并發(fā)訪問，具有負(fù)載均衡能力；⑦高度安全的連接及訪問，可以分別在GIS服務(wù)器和Web服務(wù)器采取安全措施。ArcGIS Server系統(tǒng)由GIS 服務(wù)器、Web服務(wù)器、Web瀏覽器和桌面應(yīng)用組成[4]，利用分布式對象技術(shù)可分別配置在多臺計算機(jī)上進(jìn)行協(xié)同工作。

1.2Ajax技術(shù)

數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大，在傳輸過程中受到網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，當(dāng)用戶瀏覽地圖和查詢信息時，需要有較快的響應(yīng)速度，在地震數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)的查詢及分析功能中，使用了Ajax技術(shù)，Ajax采用異步通信方式，根據(jù)需要向服務(wù)器請求數(shù)據(jù)，可以局部刷新頁面，減少了數(shù)據(jù)傳輸量，減輕網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器端的負(fù)擔(dān)，從而解決了頻繁向服務(wù)器發(fā)送請求時的響應(yīng)速度問題。

系統(tǒng)服務(wù)器端采用地圖切片技術(shù)，通過地圖預(yù)渲染技術(shù)，對地圖進(jìn)行分級分塊渲染，建立柵格金字塔，當(dāng)客戶端窗口發(fā)生變化時，瀏覽器便在后臺下載所需地圖切片，并渲染客戶端地圖窗口，下載的切片還可以保留一段時間，有效利用了客戶端緩存，提高了系統(tǒng)的效率，減輕了服務(wù)器的負(fù)擔(dān)?；贏jax的地震應(yīng)急數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)模型如圖1所示。

2系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)服務(wù)器端程序基于.Net平臺實現(xiàn)，利用ArcGIS Server二次開發(fā)創(chuàng)建GIS應(yīng)用程序和服務(wù)，客戶端采用Ajax技術(shù)。

2.1系統(tǒng)運行環(huán)境

(1)服務(wù)器端運行環(huán)境。本系統(tǒng)WebGIS服務(wù)平臺采用專用Web服務(wù)器配置方式，即Web服務(wù)器和GIS服務(wù)器分別安裝在不同的服務(wù)器上。一臺作為GIS服務(wù)器，安裝提供GIS服務(wù)的SOM(服務(wù)對象管理器)、SOC(服務(wù)對象容器)。另外一臺服務(wù)器作為Web服務(wù)器，在Web服務(wù)器上安裝ADF。采用這種配置方式可以在GIS服務(wù)器的負(fù)荷增加或者需要優(yōu)化系統(tǒng)性能時，將SOM和SOC進(jìn)行分布式安裝，也可以隨時增加SOC機(jī)器，方便擴(kuò)展。

Web服務(wù)器：Microsoft IIS+ArcGIS Server.NET ADF runtime；

GIS服務(wù)器：ArcGIS Server(包括SOM和SOC)+Microsoft IIS+ Oracle客戶端+ArcGIS桌面軟件；

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：ArcSDE+Oracle；

(2)客戶端采用普通電腦，IE等網(wǎng)絡(luò)瀏覽器瀏覽均可。

2.2系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

地震應(yīng)急數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)采用B/S的結(jié)構(gòu)，在層次上可以分為表現(xiàn)層、Web層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層4個層次?；贏rcGIS Server的地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

采用客戶端—Web服務(wù)器—GIS應(yīng)用服務(wù)器—GIS數(shù)據(jù)庫模式，對服務(wù)器進(jìn)行合理的配置和部署，各層分別完成不同的功能服務(wù)，一些簡單的地圖操作將在客戶端執(zhí)行，負(fù)責(zé)地圖渲染、空間分析的計算功能在服務(wù)器端完成，達(dá)到了資源的合理分配，使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡。同時，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)便于維護(hù)和更新，增加了系統(tǒng)在大量并發(fā)訪問下的處理能力。

2.3服務(wù)器的管理與配置

利用ArcCatalog通過局域網(wǎng)連接到GIS Server，可以瀏覽當(dāng)前可用的服務(wù)器對象列表并可以對當(dāng)前運行在服務(wù)器上的服務(wù)器對象進(jìn)行管理。對GIS服務(wù)器的管理包括：添加SOC、添加Server Object、增加和刪除Server機(jī)器、配置 Server路徑、設(shè)置清除方式和最大文件時間、設(shè)置Log文件路徑、統(tǒng)計頁面等操作。

2.3.1服務(wù)器對象的管理和使用

服務(wù)器對象的管理包括服務(wù)對象的創(chuàng)建、維護(hù)、啟動、暫停、停止和刪除等操作。還可以對相關(guān)參數(shù)，如服務(wù)對象的類型、池化方式等進(jìn)行設(shè)置。

服務(wù)器對象的生命周期有2種管理方式，分別是服務(wù)器對象的池化管理方式和非池化管理方式。為了充分利用硬件資源并且避免沖突，本系統(tǒng)針對不同權(quán)限的用戶，分別使用2種服務(wù)器對象模式，對普通使用用戶，設(shè)置為池化模式，提高效率；而對系統(tǒng)管理員設(shè)置為非池化方式，便于編輯數(shù)據(jù)。

2.3.2GIS服務(wù)器的安全管理

GIS服務(wù)器的安全是通過操作系統(tǒng)的賬戶認(rèn)證來實現(xiàn)的，GIS 服務(wù)器管理員通過設(shè)置計算機(jī)管理中的用戶管理欄目，通過設(shè)置用戶組，授權(quán)SOM上的用戶群agsusers和SOC機(jī)器上的用戶群agsadmin中的成員才有權(quán)限連接GIS服務(wù)器。只有agsadmin群中的成員可以管理GIS服務(wù)器。

Web服務(wù)器的操作系統(tǒng)賬戶也必須屬于GIS服務(wù)器的agsusers或agsadmin中的成員才能與GIS服務(wù)器交互。另外還需要在web程序的系統(tǒng)配置文件Web.config 中增加identity標(biāo)識元素：

。

2.4地圖數(shù)據(jù)的發(fā)布

在ArcGIS Server中有5種服務(wù)對象，本系統(tǒng)主要用的是Map Service，它是一種展示地圖服務(wù)的對象。Map Service須是.mxd格式的地圖文件。

ArcGIS Server所發(fā)布的地圖數(shù)據(jù)是利用ArcMap創(chuàng)建.mxd文件，然后把mxd發(fā)布成為地圖服務(wù)，如果需要動態(tài)添加數(shù)據(jù)、圖層等，可以在服務(wù)的基礎(chǔ)上，從數(shù)據(jù)庫中或者是數(shù)據(jù)文件夾中動態(tài)添加圖層數(shù)據(jù)，這必須利用程序?qū)崿F(xiàn)。.mxd文件存儲設(shè)置成相對路徑保存，以免數(shù)據(jù)改變位置后，找不到源數(shù)據(jù)，導(dǎo)致地圖服務(wù)不能使用。

為了方便組織和管理，在創(chuàng)建地圖文件時，對相同類型的數(shù)據(jù)可以設(shè)置圖層組；為了方便用戶瀏覽和操作，可以選擇不顯示某些不常用的圖層，在需要的時候再添加；還可以使圖層按照比例尺大小逐級顯示。

地圖服務(wù)可以由ArcCatalog或ArcGIS Server Manager來管理和發(fā)布，采用ArcCatalog管理，需要利用ArcCatalog添加GIS Server，通過輸入IP地址等信息來識別GIS Server服務(wù)器，創(chuàng)建連接，便可用ArcCatalog來實現(xiàn)對GIS服務(wù)器的管理和發(fā)布地圖服務(wù)。

2.5系統(tǒng)功能

利用WebGIS技術(shù)實現(xiàn)地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的相關(guān)數(shù)據(jù)，全省1∶5萬的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、活動斷裂分布、歷史地震分布、交通分布、人口、經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)等信息。

系統(tǒng)提供的主要功能為數(shù)據(jù)瀏覽，空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的查詢檢索，緩沖區(qū)分析等功能。系統(tǒng)的主界面如圖3所示。

2.5.1電子地圖基本瀏覽功能

地震應(yīng)急數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)提供給用戶電子地圖瀏覽的基本功能，有放大、縮小、漫游、全圖、距離量測、面積量測、放大鏡、前一視圖、后一視圖等。為了使用戶更方便的瀏覽矢量基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，系統(tǒng)利用顯示地圖的比例尺大小來控制圖層的顯示狀態(tài)。

2.5.2電子地圖查詢功能

根據(jù)圖形要素查詢屬性信息，即利用鼠標(biāo)選擇查詢，在本系統(tǒng)中提供三種方式，包括點查詢、矩形查詢和多邊形查詢。

圖3　地震應(yīng)急數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)

點查詢，查詢單個點的詳細(xì)信息。拉矩形框查詢，用戶鼠標(biāo)拖動的矩形框范圍為所查詢區(qū)域，和矩形框相交的要素，放到選擇集中，高亮顯示，并在另外一個頁面中顯示所選要素的屬性信息。多邊形選擇查詢類似矩形框查詢，不過它可以允許用戶選擇一個不規(guī)則的區(qū)域進(jìn)行查詢。

以矩形查詢?yōu)槔ㄟ^RectangleEventArgs 獲取客戶端圈定的矩形的范圍，然后把獲取的矩形坐標(biāo)用ToMapEnvelope方法轉(zhuǎn)化為與地圖一致的坐標(biāo)，繼而尋找想要查詢的圖層并在該圖層上進(jìn)行查詢，然后設(shè)定查詢條件，并將查詢結(jié)果放到datatable中，把datatable中的數(shù)據(jù)傳送到頁面的顯示控件GridView中進(jìn)行顯示。空間查詢的流程圖如圖4所示。

2.5.3空間分析功能

本系統(tǒng)提供點緩沖區(qū)分析功能，通過生成的緩沖區(qū)面與所要進(jìn)行緩沖區(qū)分析的圖層進(jìn)行相交分析，高亮顯示緩沖區(qū)范圍和緩沖區(qū)內(nèi)的要素以及緩沖區(qū)范圍內(nèi)的要素的屬性信息。緩沖區(qū)分析時需要選擇分析圖層，設(shè)定緩沖距離和單位等條件，并把這些參數(shù)信息發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器解析這些信息并進(jìn)行處理，建立緩沖區(qū)，然后將該圖層與需要進(jìn)行緩沖區(qū)分析的圖層進(jìn)行疊置分析，將處理結(jié)果返回到客戶端。

使用緩沖區(qū)分析功能，可以得出以緩沖距離為半徑的災(zāi)區(qū)各項重點目標(biāo)數(shù)據(jù)或建筑物等的信息，為抗震救災(zāi)決策提供支持。

3系統(tǒng)性能優(yōu)化

為了提高系統(tǒng)的使用效果，從數(shù)據(jù)的優(yōu)化、傳輸時間的優(yōu)化、地圖渲染時間、查詢地圖時間幾個方面來優(yōu)化系統(tǒng)性能。

(1)系統(tǒng)是采用B/S模式，系統(tǒng)效率受到網(wǎng)絡(luò)性能的影響較大，從數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆矫婵紤]優(yōu)化系統(tǒng)性能，除了可以改善網(wǎng)絡(luò)的性能，可以減少數(shù)據(jù)量的傳輸。在本系統(tǒng)中采用2種方法。一是數(shù)據(jù)分層。系統(tǒng)初始化時加載較少量的數(shù)據(jù)，根據(jù)需要隨時添加所需圖層，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量。另一種方法是采用Ajax技術(shù)。采用Ajax技術(shù)，如要處理回調(diào)事件必須實現(xiàn)ICallBackEventHandler接口，回調(diào)的結(jié)果必須是一個字符串。在ArcGIS Server Web ADF中，Web ADF控件實現(xiàn)ICallBackEventHandler，控件生成回調(diào)結(jié)果是字符串，客戶端JavaScript庫函數(shù)處理回調(diào)響應(yīng)結(jié)果，采取提交部分控件進(jìn)行更新，實現(xiàn)頁面的局部刷新，提高訪問速度，不必打斷用戶的操作，使用戶有良好的視覺感受。采用這2種方法，不需下載任何插件，便減輕了服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，使客戶端資源得到充分利用。

圖4　空間查詢流程圖

(2)合理的組織數(shù)據(jù)。系統(tǒng)使用的是SDE中的數(shù)據(jù)，可以從2方面對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，一個是屬性字段的索引，一個是空間索引大小的調(diào)整。對使用頻率高的屬性字段建立索引，空間索引大小的調(diào)整會對瀏覽和查詢的速度產(chǎn)生很大影響?？臻g索引大小的調(diào)整要依據(jù)數(shù)據(jù)每個單元的大小而定。一般建立二級索引，其中第二級是第一級的4～5倍。

(3)使用Cache緩存實現(xiàn)性能優(yōu)化。利用ArcGIS Server的地圖緩存服務(wù)，地圖緩存根據(jù)預(yù)定義的比例尺級別創(chuàng)建，生成地圖切片保存在Web服務(wù)器上，客戶端訪問地圖服務(wù)時，只需讀取地圖切片，提高地圖的存取速度和并發(fā)能力。但是，在服務(wù)器端生成地圖緩存的時間和設(shè)定的地圖緩存分級與數(shù)量成反比，時間太長會影響地圖瀏覽與應(yīng)用，所以要根據(jù)實際情況選擇合適的地圖緩存級別。本系統(tǒng)采用Cache Service和Map Service相結(jié)合的方式，即將數(shù)據(jù)分成兩部分，不經(jīng)常更新的那部分?jǐn)?shù)據(jù)做成Cache Service，經(jīng)常更新的那部分?jǐn)?shù)據(jù)就做成Map Service。這是一個性能上的折中方案，它結(jié)合了Cache Service的高性能和Map Service的靈活性。

(4)合理的組織MXD文檔。本系統(tǒng)中發(fā)布的地圖服務(wù)是MXD格式的文件，通過對MXD文檔的合理組織實現(xiàn)性能優(yōu)化。

(5)提高SOC機(jī)器的性能。SOC機(jī)器中運行的服務(wù)器對象負(fù)責(zé)處理具體的GIS操作，所以提高SOC性能對整個系統(tǒng)來說非常重要。

(6) 數(shù)據(jù)綜合可以減少數(shù)據(jù)集中包含的信息量，從而縮短渲染時間，提高系統(tǒng)速度。

4結(jié)語

地震應(yīng)急數(shù)據(jù)具有信息量大、面向多用戶、時效性強等特點，迫切需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中管理與開放共享，本文提出的地震應(yīng)急數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)能夠為地震應(yīng)急工作提供一個簡單、開放的平臺，是一套多用戶管理、訪問快速、可靠性高的系統(tǒng)，利用ESRI公司的ArcGIS Server平臺及.NET ADF框架進(jìn)行開發(fā)，采用客戶端—Web服務(wù)器—GIS應(yīng)用服務(wù)器—GIS數(shù)據(jù)庫模式，使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡，提供了行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、人口分布、建筑物分布、交通情況、經(jīng)濟(jì)狀況、影像數(shù)據(jù)等豐富的信息，實現(xiàn)原來在單機(jī)上才可以進(jìn)行的GIS數(shù)據(jù)查詢和分析，從而可以及時、自動地為地震應(yīng)急提供翔實的背景資料。

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[4]ESRI. ArcGIS Server Administrator And Developer Guide[R].New York:ESRI Corp,2004：1-20.

RESEARCH ON EARTHQUAKE EMERGENCY DATA SHARING SYSTEM BASED ON WebGIS

WEI Yanxu,YANG Rui,LIU Xiaodan,JIA Junpeng

(EarthquakeAdministrationOfHebeiProvince,Shijiazhuang05000,China)

Abstract:Using WebGIS technology, the construction of the earthquake emergency basic data sharing system is implemented under the platform of ArcGIS Server.The system provides earthquake data service to the on-line users through the LAN, in the client users can browse data, query, spatial and statistical analysis through the browser.To solve the problems existing in previous data sharing, the system does not rely on the desktop GIS software,it has the characteristics of low cost, cross platform, simple application, access speed and efficient, the basic data of earthquake emergency gets more extensive application and provides data support for the departments of earthquake administrations.

Key words:Earthquake emergency;Data sharing;ArcGIS Server;WebGIS

中圖分類號：P315-39

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-586X(2016)01-0045-06

作者簡介：魏艷旭(1984—)，女，河北滄州人，碩士，工程師，主要從事地震應(yīng)急工作。

基金項目：河北省地震局地震科技星火計劃項目(項目編號：DZ20140714064)資助。

收稿日期：2015-09-28