基于WebService的GIS模型服务

文章编号:049420911(2007)0320063204中图分类号:P208 文献标识码:B
基于Web Service 的GIS 模型服务
谢　吉吉,赵红蕊,唐中实
(清华大学土木工程系3S 中心,北京100084)
Web Services B ased GIS Model Sharing Service
XIE Zhe ,ZH AO H ong 2rui ,T ANG Zhong 2shi
摘要:数据和功能是GIS 的主体,在数据共享的基础上,功能的共享成为GIS 服务的要求之一。

研究将专业模型和GIS 集成的方
式,提出基于W eb Service 的GIS 模型服务共享框架,并利用环北京市环境评价模型对该框架进行试验性的尝试,开发区域环境评价模型共享平台原型。

原型系统利用W eb Service 为系统的环境评价模型提供访问接口,用户可以利用客户端数据和服务端的功能完成环境评价分析。

利用原型系统完成环北京地区生态环境评价,结果和实际相符,其服务方式更便利、实用。

原型系统验证了基于W eb Service 的GIS 模型服务共享框架的可行性,但还存在很多有待完善的地方。

关键词:W eb Service ;GIS;模型;共享
收稿日期:2006205212
作者简介:谢　吉吉(19812),男,台湾人,硕士生,主要从事GIS 理论与方法研究。

一、概　述
数据和功能是GIS 的主体,在共享数据后,功能的共享成为下一个需要解决的问题,ESRI 提出的 计划以及“没有围墙的实验室”都对此提出了展望, 更是已经提供了一些ArcWeb Service 服务供专业人员使用。

本文研究将模型和GIS 集成的方式,提出基于Web Service 的GIS 模型服务共享框架,并利用环北京市环境评价模型对该框架进行试验性的尝试,开发区域环境评价模型共享平台原型。

原型系统利用Web Service 为系统的环境评价模型提供访问接口,用户可以利用客户端数据和服务端的功能完成环境评价分析,扩展了系统服务范围,原型系统验证了框架的可行性。

二、GIS 和模型
G IS 从诞生开始,在自然资源管理领域就显示出其
重要性[1]
,例如,土地利用规划、森林管理、野生生物栖息地分析、河滨地带监测和自然灾害评估等。

近几年来,G IS 已用于突发事件规划、市场分析、设施管理、运输规划和军事等多种领域。

G IS 作为一种数据集成和分析的工具,具有良好的模型分析基础。

环境科学是GIS 主要应用领域之一,是一个巨大、复杂多变的开放系统,是由自然环境和人类社会经济环境这两大互相联系和互相作用的系统组成的
整体[2]
,其中各个影响因子关联度高,数据量大,各成分关系复杂,而通过使用GIS 作为环境模型的框
架可以使得建模人员在一个单独的环境中利用数据库、数据可视化和分析工具,实现模型计算与结果分析,使问题简单化,环境科学的模型研究对于GIS 介入有强烈的需求,至今已经有相当丰富的研究成果和应用案例。

GIS 与环境模型结合一般通过两种模式:松散
结合和紧密结合[3]。

松散结合的主要优势在于可以获得数据库支持和应用GIS 可视化工具,还可以通过利用GIS 技术和分析工具来提高建模水平。

而紧密结合是将专业模型完全集成在GIS 环境中的,能够充分利用GIS 的所有特性。

在这两种GIS 和模型集成的主要方式中,松散结合具有比较强的通用性,更适合作为共享服务的尝试模式;而紧密结合的工作模式能够提供更多更有价值的成果。

在具体的学科领域中,GIS 与模型的耦合越紧密,GIS 在该领域中的作用也越突出。

我们选择和GIS 结合的环境模型作为模型共享的尝试。

三、为什么采用Web Service 作为GIS
模型共享平台
现代GIS 信息共享的实现技术趋于多元化,组件式GIS 可以自由定制用户所需的功能;Web GIS 是借助Internet 共享GIS 信息;还有将GIS 移植到手
机、PDA 等移动设备的移动GIS 等等[4]。

但是这些技术框架都有各自的不足之处,组件式GIS 专用性比较强,难以共享;Web GIS 的互操作性实现有一定难度,而且无法充分利用客户端数据资源;移动式
GIS 受终端产品限制。

这些技术都不是实现GIS 模
型共享的理想平台。

Web Service 是能够通过网络实现机器间互操作的软件框架。

它拥有可定制的接口,由于基于S OAP 协议和HTTP 协议,数据通过X M L 传输,因此可以在整个互联网内跨平台运行[5]。

Web Service 可以不用在本地安装任何程序就可以通过X M L 和其他Web 标准实现在不同环境下的互操作应用,这个通用的解决方案将会逐渐替代其
他分布式计算的组件方案[6]。

Web Service 是组件式的网络服务,基于Web Service 的GIS 解决方案同时拥有组件式GIS 模块化
的灵活性和Web GIS 借助Internet 实现的广泛访问性,甚至可以为移动设备定制的Web Service 服务[7]
,所以Web Service 是实现模型共享最合适的技术方案,也是未来GIS 软件发展的新方向。

ESRI 在
构架中描述了其前景[8]。

四、W eb Service 与GIS 模型服务集成框架
图1是基于W eb S ervice 的G IS
模型评价框架图。

图1　基于Web Service 的GIS 评价模型服务框架
GIS 模型共享平台主要由四部分组成:GIS 功能
模块将每个拆分好的GIS 分析功能单元用Web Ser 2vice 封装,提供给用户调用的接口;GIS 数据库作为
基本的分析数据源;模型库中保存所有的基本分析模型;模型分析模块是平台的核心计算部分,模型运算后给出最终评价结果。

由于Web Service 可以通过网络访问,因此客户端可以通过Internet 访问共享平台提供的各项评价分析功能,客户端既可以是Web 应用程序,也可以是桌面程序,发送分析请求时可以通过上传数据的方式利用本地数据进行评价模型分析,以扩展模型服务的应用范围。

采用此框架,所有分析功能全部集中在服务端,由于有客户端的支持,数据可以传送到服务端。

对于分析模块来说,数据保存在本地和服务端的处理
没有区别,服务端处理后将分析结果返回给客户端,由客户端完成成果展示,从而实现模型共享服务。

实现基于Web Service 的评价模型共享框架需要解决以下几个关键问题:
1.客户端程序。

客户端程序作为Web Service 提供的GIS 模型分析功能的载体,扩展了系统功能,使得用户可以利用本地数据。

需要设计开发轻量级客户端程序来完成上述功能。

2.数据传输。

W eb Service 基于X M L 传输数据,因此将G IS 数据按照G M L 格式标准传输是比较理想的工作模式。

考虑到网络传输能力和G IS 数据特点,不能将数据全部传输到服务器上,需要先压缩或者作数据预处理,将预处理的结果传到服务器。

3.功能模块划分。

不同类型的评价模型对于数据要求不同,需要的GIS 功能支持也不同,所以在客户端和服务端的功能模块划分需要慎重考虑,一个通用的GIS 模型共享平台的模块划分粒度需要充分考虑各种GIS 分析模型的需求。

4.模型和GIS 功能匹配度。

模型的通用性和评价的效果之间是一对矛盾,通用性好则评价效果就相对差一些。

为满足不同分析精度的需求需要不同匹配度的模型供用户选择,或者建立一个可交互的模型设置环境可以让用户改进模型。

五、原型系统实例
1.背景
我们以环北京地区生态环境评价为例开发了原
型系统。

研究区域包括河北、山西、内蒙和陕西四省区部分地区共61个县市。

所用数据来自国家级土地利用规划数据库,比例尺为1∶50万的C overage 数据。

目前提供的模型包括分析生物多样性状况的生物丰度指数模型、分析土地退化状况的土地退化指数模型、分析植被及绿化状况的植被覆盖度模型等3个专题模型和1个综合分析模型。

综合分析模型以3个专题模型计算结果为输入参数,同时结合区域人口发展、社会经济状况等参数对生态环境工程或区域生态环境进行综合评价。

2.开发环境
采用Micros oft 公司的IIS 服务器作为W eb Service 的服务器,利用C ++
语言开发W eb Service 功能和客户端程序,基于Oracle 9i 建立模型库管理模型,利用ES 2RI 的ArcIn fo 平台作为G IS 功能的解决方案。

3.原型系统工作流程
原型系统的评价模型保存在服务器端的数据
库。

当需要作环境评价分析时,客户端首先要通过Web Service 获取所有的模型生成列表并由用户来选择需要使用的模型,取回模型的主要参数和预处理要求,然后从本地选择评价分析的数据。

客户端将预处理过的数据和模型类型返回给Web Service ,提交模型分析请求,模型服务Web Service 根据模型库和GIS 功能模块进行分析,将分析结果返回给客户端,由客户端完成分析结果可视化功能。

4.模型分析部分介绍
将完全运行在服务器端的功能扩展到客户端,需要对原有功能稍作修改。

区域环境评价需要两个GIS 数据图层:一个土地类型数据图层作为模型评价的数据源,一个区域界线图层作为区域评价的区域条件和显示图层。

图2为所选取的边界图层,图3为选取的地类图层。

两个图层都为ESRI 的shapefile 空间数据。

图2　
边界图层
图3　地类图层
在服务端GIS 数据是存放在数据库中管理的,
用户只需要选择分析评价区域即可获得评价结果。

当使用客户端本地数据时,则需要用户自己提供数据位置。

如果数据字段与服务端不一致还需要用户手工选择评价分析的几个关键属性字段。

设置以评价单元为图形单元的边界图层,边界图层除作最终评价结果显示的载体图层外,还要作为区域评价的
边界条件。

在作评价分析时,先用区域边界图层中的多边形和数据层中的多边形作拓扑分析,选出所有包含在该多边形内的数据图斑作为该区域内的土地类型图斑,生成数据集,然后再进行评价分析计算。

位于边界上的图斑可能会对于评价的准确度造成一定的影响,由于环境评价本身就是区域性问题,很难在将某个地区独立于其周边影响的条件下给予准确评价,所以我们将与边界相交的图斑在缺省情况下等同于包含在区域内的图斑进行处理,用户也可以修改其影响权重来提高评价分析的准确度。

利用客户端本地数据和服务端模型进行评价分析计算时有多种模式。

1.终端模式:客户端部分只具备上传数据和显示最终结果的功能,这种模式适用于客户端设备功能有限的情况。

2.数据预处理模式:客户端程序访问服务器,
取回评价模型和评价模型对于数据的要求,根据要求在客户端进行数据预处理,将处理结果发送到服务端,由服务端完成评价分析。

3.客户端独立工作模式:客户端可以完成全部的评价分析计算,无需向服务端传输数据,进行评价分析时只取回服务端的模型即可。

这种模式网络负载最小,但是客户端程序比较复杂,适应的评价分析方式相对比较单调,当服务端模型有任何更新时都有可能影响到客户端的使用,这种模式适用于网络
条件差的环境。

我们在原型系统中采用第二种模式,即数据预处理模式。

这种模式网络负载小,能够充分利用服务端的评价模型,应用比较灵活,但是客户端需要具备一定的G IS 数据处理功能。

这种方式最灵活,应用范围也最广泛。

在客户端生成模型所需数据集后,系统进行相关分析计算,以X M L 格式通过W eb S ervice 接口将结果发送到服务端,获取服务端的评价结果。

5.运行效果
图4显示客户端访问W eb S ervice
获得所有模型。

图4　选择评价模型
确定评价模型并且选定数据图层后,客户端访问Web Service 服务取回对应模型的所有参数,允许用户修改。

服务器完成评价分析后,按照各区域评价指数值分级着色显示评价结果,如图5所示。

图5　显示评价结果
6.评价结果分析
Web Service 的区域环境评价模型共享平台原型
对环北京地区的生态环境质量作了定量评价,评价
以环境评价模型以环境评价指数表示,指数越高表示生态环境越好。

结果显示,北京地区北部的生态环境好于南部,且满足渐变关系。

图中惟一例外的区域是由于地类数据图层中发现对应部分有相对较大比例的空白区域没有图斑覆盖,导致对于区域评价指数有所偏差,这也暴露出系统在数据质量判断上的不足。

六、结束语
一个开放式的模型共享平台将是非常有价值
的,本文已经证实了基于Web Service 的GIS 模型共享框架是可行的。

我们在案例中服务端采用了GIS 和专业模型松散耦合模式,在客户端的数据预
处理方法也比较简单,共享的几个模型分析方法类似,因此框架清晰简洁。

如果想实现一个通用的基于Web Service 的GIS 模型共享平台,还有许多环节需要改进:①在共享平台中集成更多的GIS 分析功能;②在共享平台中增加更多的算法,除数值算法外,还需要增加关系算法、逻辑算法等;③实现GIS 功能和算法的自由组合,给予用户创造修改模型的空间;④数据标准化以适应多源数据应用,建议G M L 标准。

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(上接第59页)
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