基于GIS協(xié)同的測繪協(xié)作生產(chǎn)系統(tǒng)研究

陳 順，曾微波，毛玉環(huán)，劉文鎮(zhèn)

(滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000)

近年來，隨著現(xiàn)代測繪技術(shù)的快速發(fā)展和地理信息需求的迅速增長，傳統(tǒng)測繪技術(shù)由于人力物力消耗量太大已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的測繪需求，如何開展高效率新型測繪研究已成為有關(guān)人員關(guān)注的重點問題[1]。GIS協(xié)同的出現(xiàn)為以上測繪問題帶來了契機。目前，已有很多學(xué)者在GIS協(xié)同的特征、概率、模型等方面進(jìn)行了研究，并開發(fā)出不同類型的GIS協(xié)同系統(tǒng)，對推動GIS協(xié)同的發(fā)展起到很大作用。趙建[2]設(shè)計基于三維GIS平臺的協(xié)同標(biāo)繪系統(tǒng)，利用Skyline平臺和開發(fā)工具協(xié)同三維GIS實現(xiàn)對邊海防部隊及省軍區(qū)等日常協(xié)同業(yè)務(wù)的標(biāo)繪空白填補。蔡維緯等[3]研究一種高效率實時協(xié)同編輯中的意圖保持OT算法，合并不必要的計算及無效操作，使得在實時協(xié)同編輯過程中提高遠(yuǎn)程操作的響應(yīng)時間，保持結(jié)果更接近用戶的實際意愿。在測繪產(chǎn)品生產(chǎn)研究方面，王茂勝等[4]通過在服務(wù)端集成各種服務(wù)器，同時配合一致性與并發(fā)性控制、Java Applet等技術(shù)來實現(xiàn)計算機支持協(xié)同工作(CSCW)，解決了傳統(tǒng)測繪生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)資源不共享、數(shù)據(jù)交流不充分等問題。從目前研究階段的效果來看，大多數(shù)測繪產(chǎn)品研究已經(jīng)可以實現(xiàn)內(nèi)外業(yè)過程一體化，但實時在線的協(xié)作仍未較好地完成，且隨著測繪地理信息行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代測繪需要從集中式向分布式發(fā)展，大規(guī)模的在線協(xié)同作業(yè)模式要求從人機交互模式轉(zhuǎn)化為人人交互模式[5]。由此可見，基于GIS協(xié)同的測繪協(xié)作生產(chǎn)將成為今后新型測繪模式的研究重點，其成果對于提高測繪效率及精度、減少人力物力損耗具有很高的實用價值。

文中基于計算機支持協(xié)同工作技術(shù)，通過劃分合理的GIS操作粒度，結(jié)合XML可拓展性、開放性的特點，設(shè)計實現(xiàn)了GIS操作語義信息的結(jié)構(gòu)化封裝體。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出優(yōu)先權(quán)分配與并發(fā)控制算法，解決協(xié)同操作過程中可能產(chǎn)生的沖突問題，有效地維護(hù)了協(xié)作者操作意愿與數(shù)據(jù)的一致性，實現(xiàn)大規(guī)模內(nèi)外業(yè)協(xié)同測繪作業(yè)，有效地提升測繪作業(yè)效率與成果質(zhì)量。

1 語義共享

語義[6]可以簡單地看作是現(xiàn)實世界中事物所代表概念的意義與數(shù)據(jù)相對應(yīng)，以及這些概念之間的關(guān)系，如對特定領(lǐng)域中數(shù)據(jù)的解釋和邏輯表示。而空間地理數(shù)據(jù)的語義是指空間對象的屬性信息、空間信息以及時間信息等。測繪協(xié)同作業(yè)中，為了解決因表達(dá)上的差異而造成語義不匹配的數(shù)據(jù)之間的相互作用問題，同時維護(hù)作業(yè)者操作意愿的一致性，操作語義的提取以及傳輸就成為協(xié)同作業(yè)的關(guān)鍵。XML[7]是一組用于規(guī)范計算機之間文檔傳輸和交換的可拓展標(biāo)記語言。由于XML具有數(shù)據(jù)的自描述性、內(nèi)容的獨立性、顯示的多樣性、可拓展性以及開放性等特點，非常適合于進(jìn)行GIS操作的封裝和語義信息的傳輸，并維護(hù)參與協(xié)作的作業(yè)者操作意愿的一致性。

1.1 操作粒度與語義劃分

對于不同用戶對同樣的GIS操作類型的不同理解而產(chǎn)生的語義沖突問題，可以通過分析不同的GIS操作類型并提取出其語義信息，劃分合適的操作粒度，再利用XML技術(shù)對該語義信息進(jìn)行封裝處理，以減少語義沖突的產(chǎn)生。在進(jìn)行封裝操作之前，首先要確定GIS操作粒度的劃分標(biāo)準(zhǔn)，過高或者過低的粒度劃分都不利于進(jìn)行協(xié)同工作，進(jìn)而影響協(xié)同的效率。

文中以GIS原子操作[8]為基礎(chǔ)，通過對測繪生產(chǎn)內(nèi)外業(yè)協(xié)同作業(yè)過程中可能的GIS操作[9]進(jìn)行分析，將GIS操作粒度劃分標(biāo)準(zhǔn)列于表1所示。

表1 GIS操作粒度劃分

地圖瀏覽、查詢及空間分析這3種操作類型都屬于非編輯的GIS操作，無需對GIS操作語義進(jìn)行劃分，僅對需要編輯的GIS操作進(jìn)行語義劃分。要對某一要素進(jìn)行具體的編輯，首先要明確操作對象，然后再對某一具體對象進(jìn)行相應(yīng)的編輯操作?？臻g要素的操作對象主要分為3種，分別是點要素、線要素及面要素。針對這3種操作對象，設(shè)計了新增、編輯、刪除3種操作類型，并就不同的要素操作[10]設(shè)計對應(yīng)的編輯流程。

1.1.1 要素新增

要素新增主要是通過追蹤點、多段線以及多邊形的方式提取幾何形狀，同時對其賦予屬性，具體流程如圖1所示。

圖1 新增要素操作流程

1.1.2 要素編輯

要素編輯可分為要素幾何編輯以及要素屬性編輯兩種。開始編輯之前首先要選擇所要編輯的圖層，在確定編輯要素的同時提取出對應(yīng)的要素圖層，設(shè)置編輯任務(wù)，然后進(jìn)入編輯模式，開始編輯操作。編輯操作具體流程如圖2所示。

圖2 編輯操作流程

1.1.3 要素刪除

刪除要素就是將要素從要素集中選出，然后刪除即可，具體流程如圖3所示。

圖3 刪除操作流程

1.2 語義封裝與消息通信

對于一個工程項目，可以劃分出不同的協(xié)作區(qū)域，每個協(xié)作區(qū)域由若干個不同的圖層構(gòu)成，圖層則是由不同的幾何體構(gòu)成，而幾何體則可以由點串表示出來，設(shè)計GIS操作語義封裝的XML消息體如下：

Operation="">

當(dāng)執(zhí)行GIS操作時，本地客戶端通過監(jiān)聽用戶的GIS操作，生成基于該GIS操作的消息體并通過數(shù)據(jù)包的形式將該命令消息傳遞到服務(wù)器中，服務(wù)器通過解析客戶端發(fā)來的命令消息，將其傳遞到并發(fā)控制模型中進(jìn)行沖突的檢測與消解處理[11]，直到確認(rèn)操作無誤后，服務(wù)器才會將該GIS操作消息廣播到其他協(xié)作客戶端，協(xié)作客戶端對收到的GIS操作命令消息進(jìn)行解譯，提取其中相應(yīng)的GIS操作并反演到本地客戶端，從而實現(xiàn)實時GIS協(xié)作的目的，消息傳遞過程如圖4所示。

圖4 消息傳遞機制下系統(tǒng)構(gòu)成

2 并發(fā)控制算法設(shè)計

2.1 優(yōu)先權(quán)分配

在GIS協(xié)同工作過程中，不可避免地會出現(xiàn)多客戶端對同一對象的GIS操作處理，如何處理操作請求成為研究的難點。文中運用優(yōu)先權(quán)分配方式來決定不同操作請求的處理結(jié)果。

假設(shè)定義一個二元組，其中，Object表示處理的對象，Operation表示定義在Object上的能夠改變Object狀態(tài)的所有GIS操作的集合。顯然，不同的協(xié)作者在同一時間段對于同一個對象的操作很可能是不同的。當(dāng)不同協(xié)作者向并發(fā)控制管理模塊發(fā)出不同的操作請求時，首先要確定對象(簡寫O)以及GIS操作(簡寫Op)的有效性，然后分析其優(yōu)先權(quán)大小，優(yōu)先權(quán)越高，該操作就越先執(zhí)行。

假設(shè)R=表示二元組的一次運行操作，其中，S表示所有參與此次操作的協(xié)作端集合，可以表示為S={s1，s2，…，sn}(n為參與此次操作所有協(xié)作端的協(xié)作者總數(shù))，L表示對象操作流，即參與此次對象操作的所有協(xié)作端的操作集合。假設(shè)在消息傳遞過程中沒有任何損失，服務(wù)器接收到所有協(xié)作者的命令消息，那么每一個協(xié)作端si都會有一個自己對應(yīng)的操作Oi，操作對象優(yōu)先權(quán)可以表示為

(1)

由于操作的類型、操作的最后期限、操作對象周期、網(wǎng)絡(luò)站點等因素都會直接影響到優(yōu)先權(quán)分配，因此，操作類型的優(yōu)先權(quán)表達(dá)式為

(2)

操作最后期限越短，則優(yōu)先權(quán)越大，操作最后期限可以表達(dá)為

(3)

操作對象周期越短，則優(yōu)先權(quán)越大，操作對象周期可以表達(dá)為

(4)

網(wǎng)絡(luò)站點優(yōu)先權(quán)受該站點人員的個人能力、操作經(jīng)驗以及網(wǎng)絡(luò)速度等因素的限制，其表達(dá)式為

(5)

由上述因素組成的影響優(yōu)先權(quán)的矩陣可表示為

(6)

操作(Op)的優(yōu)先權(quán)表達(dá)式為

(7)

2.2 并發(fā)控制算法

由于在協(xié)同工作的過程中，同一個對象在不同的端口都會存在多個副本，如果每個副本都僅由一個進(jìn)程訪問，則必須確保副本與不同操作結(jié)果之間的邏輯一致性。每當(dāng)修改一個對象時，只對更改的部分進(jìn)行復(fù)制，通過優(yōu)先權(quán)計算分配優(yōu)先級執(zhí)行策略，保證操作過程中數(shù)據(jù)的一致性[12]。根據(jù)操作對象和類型的不同，將在并發(fā)處理過程中可能出現(xiàn)的情況劃分為以下4種：

1)對于同一對象不同的操作類型。這種情況下，操作類型的優(yōu)先權(quán)限越高操作越先執(zhí)行。

L(Ty1(p),Ty2(p)):(O1,O2)

ReturnO1

Else

ReturnO2

2)對于同一對象相同的操作類型。這種情況下，以網(wǎng)絡(luò)站點的優(yōu)先權(quán)為準(zhǔn)。

L(ISD1(p),ISD2(p)):(Op1,Op2)

IfISD1(p)=ISD1(p)/>ISD2(p)=ISD2(p)/

Return Op1

Else

Return Op2

3)對于不同對象相同的操作類型。此種情況，對象的優(yōu)先權(quán)決定操作順序。

L (O1(P), O2(P)): (Op1,Op2)

If O1(P)>O2(P)

Return Op1

Else

Return Op2

圖5 實時并發(fā)控制算法

操作沖突處理：假設(shè)Ui，Uj表示第i，j更新操作;Di，Dj表示第i,j刪除操作;Opi表示Opi所操作對象的集合;Opj表示Opj所操作對象的集合，Result表示操作結(jié)果，則操作沖突處理過程如圖6所示。

圖6 操作沖突處理

當(dāng)完成初始化操作后，每獲得一個新的操作請求，需要根據(jù)不同對象和操作賦予不同的優(yōu)先權(quán)，并優(yōu)先執(zhí)行優(yōu)先權(quán)高的操作。對于復(fù)雜情況的優(yōu)先權(quán)判斷而言，當(dāng)一個修改(U)類型的操作與操作可執(zhí)行序列(WRQ)中具有更高優(yōu)先級的修改操作發(fā)生沖突時，撤銷該種沖突操作，同時將其從操作請求集中刪除。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)上述技術(shù)與規(guī)劃，設(shè)計了多平臺協(xié)作的測繪生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)了多客戶端協(xié)同制圖，并最終集成至服務(wù)端實時監(jiān)控，為測繪生產(chǎn)作業(yè)提高了質(zhì)量與效率。系統(tǒng)基于ArcGIS Engine平臺二次開發(fā)，實現(xiàn)了地圖漫游、要素選擇、矢量要素更新、要素屬性編輯、提交作業(yè)等功能。

系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)同編輯如圖7所示，客戶端A和客戶端B對于協(xié)作區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的GIS操作后，能夠?qū)崟r地顯示在監(jiān)控端，并對相關(guān)GIS操作進(jìn)行反演，有效地保證了協(xié)作者操作意愿的一致性，確保協(xié)同工作的準(zhǔn)確進(jìn)行。

圖7 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

4 結(jié)束語

文中通過對GIS操作語義的具體分析，結(jié)合GIS原子操作的概念，為GIS操作粒度設(shè)定劃分標(biāo)準(zhǔn)，并對其中需要進(jìn)行編輯的要素編輯操作的語義進(jìn)行劃分，就其不同的要素操作設(shè)計了對應(yīng)的編輯流程。以此為基礎(chǔ)，對GIS操作語義以XML的形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)化封裝，將不同GIS操作類型同步到協(xié)作客戶端，從而實現(xiàn)基于GIS協(xié)同的測繪生產(chǎn)協(xié)同作業(yè)。對于協(xié)同操作過程中可能產(chǎn)生的并發(fā)問題等，文中分析了對象和操作類型之間可能存在的4種關(guān)系，結(jié)合優(yōu)先權(quán)分配算法和并發(fā)控制算法，設(shè)計出并發(fā)控制模型對并發(fā)沖突操作進(jìn)行處理，能夠有效地解決協(xié)作設(shè)計過程中的并發(fā)沖突操作問題，從而維護(hù)協(xié)作者操作意愿的一致性，保證協(xié)同工作的順利進(jìn)行。

但是文中的研究對象主要是對單一對象的GIS操作，對于批量對象的操作處理尚且沒有較好的解決方式。在未來的工作中，需要重點研究海量數(shù)據(jù)的批量處理在協(xié)同工作過程中的傳輸解譯問題。