面向服務的3D WebGIS異構系統框架研究

檀 丁，李明峰，陶 虹，譚海權

(1.南京工業大學測繪學院，江蘇南京210009;2.蘇州工業園區格網信息科技有限公司，江蘇蘇州215021)

面向服務的3D WebGIS異構系統框架研究

檀 丁1，李明峰1，陶 虹2，譚海權2

(1.南京工業大學測繪學院，江蘇南京210009;2.蘇州工業園區格網信息科技有限公司，江蘇蘇州215021)

提出基于面向服務的架構體系，利用Web服務技術，解決構建3D WebGIS時選用分布式網絡結構帶來的數據共享及異構系統互操作等問題。并在研究面向服務架構(SOA)及Web服務的基礎上，建立基于ArcGIS Server的3D WebGIS試驗系統，驗證SOA在3D WebGIS互操作中應用的可行性。

3D WebGIS;互操作;面向服務架構(SOA);Web服務

一、引 言

結合WebGIS與三維可視化技術形成的網絡三維地理信息系統(3D WebGIS)已成為GIS的發展趨勢。鑒于3D WebGIS的龐大體系及海量空間數據，為減輕服務器壓力并提高效率，系統多采用分布式網絡結構。但由此造成的數據形式多樣性及分布系統間的差異性，即系統的異構，使得數據與功能的共享及互操作成為難點［1］。本文提出采用面向服務的架構體系，特別是利用Web服務，實現3D WebGIS異構系統間的數據及功能的共享與互操作。

二、異構系統的互操作

1.分布式GIS的異構及缺陷

隨著應用的復雜化，網絡應用從最初的兩層C/ S結構發展為多層B/S模式，同時，數據庫與應用邏輯的分離，也使數據端壓力減小。但由于系統復雜性不斷增強，客戶對Web服務端的訪問頻率猛增，單一服務器無法及時處理大量空間信息服務操作［2］，因此產生了分布式網絡結構。而將這種結構應用于GIS所形成的分布式GIS是指GIS數據和應用程序分散于多個服務器，從而克服了傳統集中式系統易導致中心服務器資源緊張及響應遲緩的缺陷。但也帶來了分布式GIS平臺中的異構系統間互操作及數據集成與共享等問題。

作為比傳統GIS系統更復雜的3D WebGIS系統，為了實現海量空間數據的均衡分布和復雜計算的分散式布局，理所當然采用了分布式網絡結構。但同樣面臨平臺中異構系統間的數據共享及互操作等難題。

2.異構GIS的互操作

對于采用分布式結構的3D WebGIS系統，分布于多個數據服務器的空間數據常采用不同的數據格式;分布式應用邏輯則需要使用分布式的對象模型;分散于不同服務器的子系統多采用緊耦合，因此造成了3D WebGIS平臺內的數據及子系統間的異構。為了將分布于不同服務器的資源整合為一個完整的3D WebGIS系統，就要求既要實現異構空間數據的共享，又要完成數據、功能的互操作。

所謂互操作，是指不同功能單元間相互通信、執行程序、傳遞數據的能力［3］。傳統意義上的GIS互操作包括空間數據的相互轉換、開放應用程序接口(API)等［4］。但因數據格式的差異，數據轉化勢必造成信息丟失，而針對不同API編程，則工作量大、擴展性差。因此亟須研究一種新的模式，以實現3D WebGIS異構系統的互操作。

三、面向服務架構解決互操作問題

針對上述分布式系統在集成及互操作方面的缺陷，本文提出采用面向服務架構來解決資源共享及互操作問題。

1.面向服務架構(SOA)

面向服務架構(SOA)是一種松耦合、基于標準和獨立于協議的分布式軟件設計模型［5］。其目的是解決大型系統中不同模塊、不同功能的相互調用問題，以提高系統開發過程中數據交換的靈活性、程序和數據的重用性及系統的擴展性［6］。

在此架構下，服務成為核心概念。SOA由一系列相互交互的服務組成［7］，服務定義了一個與業務數據或業務功能有關的接口，且不依賴于特定技術或平臺［8］。這種通過服務實現業務功能的方式具有跨平臺、易擴展、可復用等特性。SOA結構(如圖1所示)包括服務提供者、服務注冊中心和服務請求者。服務提供者將服務的描述信息發布到服務注冊中心，服務請求者則在注冊中心查找、定位所需服務，并調用該服務。

圖1 SOA結構圖

2.基于SOA的Web服務

(1)Web服務及特性

Web服務作為SOA的一種具體實現方式，是封裝成單個實體并發布到網絡上供其他程序使用的功能集合。它提供一個與運行環境、程序語言無關的平臺來實現網絡應用的共享，并具有如下特性。

1)封裝性:Web服務將服務的實現過程與服務接口分離，對于使用者，只需了解服務接口，不必追究其實現過程，具有良好的封裝性。

2)互操作性:因采用SOA的體系結構，避免了不同協議間轉換的問題?？晒┎煌脚_、不同語言的系統間調用。

3)松散耦合:因服務的實現與調用接口分離，因此對使用者而言，只要服務調用界面不發生改變，服務實現過程發生的變化，并不影響其使用［8］。

(2)Web服務實現互操作的關鍵技術

簡單對象訪問協議(SOAP)、Web服務描述語言(WSDL)以及統一描述、發現和集成協議(UDDI)［9］是Web服務的3大關鍵技術。

SOAP作為分布式環境下信息交換的輕量級協議，在服務請求者和服務提供者之間定義了一個通信協議［8］。建立在這些通信協議上的Web服務需要通過基于XML語法的WSDL進行描述。WSDL為服務提供了描述構建在不同協議或編碼方式上的Web服務或Web服務中的方法［10］。而UDDI則是用來存儲業務信息和發布服務的注冊表，該注冊表是一個關于所有注冊的 Web服務的信息集合［10］。

Web服務為用戶提供了一種標準化接口(如圖2所示)，即一種公認的統一接口。在實際應用中，這些公共接口是開發者根據接口規范開發的交互式組件，各系統通過這些組件來實現不同類型地理數據和地理處理的透明訪問。由于這類接口具有統一形式，不同異構系統均能調用，因此異構系統間互操作可通過這一標準接口進行串聯。

圖2 基于Web服務公共接口的互操作

四、構建面向服務的3D WebGIS

3D WebGIS相對于平面GIS系統，最大的特點在于三維數據的網絡共享及操作。本文采用開放地理信息聯盟(OGC)針對三維空間數據而提出的服務——網絡三維模型服務(W3DS)進行三維數據的網絡傳遞及展現。

1.網絡三維模型服務(W3DS)與三維地圖

OGC針對空間地理信息標準化及空間數據互操作制定了GIS Web服務框架。該框架包括網絡地圖服務(WMS)、網絡地形服務(WTS)、網絡要素服務(WFS)等。而網絡三維模型服務(W3DS)則是對指定區域的三維地理數據和地理元素進行傳遞和展示?？赏ㄟ^W3DS提供的動態三維場景在客戶端進行渲染并支持用戶交互式的瀏覽。但僅用W3DS只能提供瀏覽，不能體現出地理信息。因此，為實現三維GIS功能，需整合WFS在內的其他GIS服務。

W3DS實現的是對已有三維模型數據的傳遞和展現，而更基礎的則是3D WebGIS中三維模型的構建，即三維地圖的創建。三維地圖包含三維地形建模及三維建筑建模等。三維地形建模可采用數字高程模型(DEM)構造不規則三角網(TIN)，以此方式建立的模型能逼真模擬出地形的起伏;三維建筑建模則可采用帶有高程的平面數據直接按高程拉升或專業三維建模軟件建模兩種方式，最終將地形、建筑及小品數據整合為完整的三維地圖，并通過W3DS發布成三維地圖服務。

2.基于Web服務的3D WebGIS框架

針對以上研究，筆者提出構建基于Web服務的3層分布式結構的3DWebGIS系統框架，其結構(如圖3所示)中含有系統客戶端、服務層及空間數據庫3層。

圖3 基于Web服務的3D WebGIS架構

1)客戶端主要實現三維空間數據的渲染及動態交互，以及對服務結果的表現。可為普通瀏覽器或特定的三維系統瀏覽平臺。

2)服務層包括對三維數據庫中模型的調用及相應的分析計算。根據SOA中指定的角色，需建立UDDI注冊中心，對現有三維GIS服務進行發布和管理。通過WSDL動態綁定GIS服務，實現三維空間數據的傳輸和交互，并進行三維分析計算，將最終結果返回客戶端。通過Web服務的方式實現三維異構系統間的數據及分析功能的共享和互操作。

3)數據庫包含基礎地理信息數據，以及三維地形、建筑模型和紋理數據等，為了實現三維分析功能，還存儲了三維屬性數據等。

用戶通過客戶端發送服務請求，Web服務器發回WSDL文件，描述服務接口。在此基礎上，用戶通過調用接口綁定GIS Web服務及三維GIS服務，并將服務結果以通用協議的形式返回客戶端?？蛻舳藙t根據返回的文件解析出結果并展示出來。

五、基于ArcGIS Server的3D WebGIS試驗系統

在研究了采用服務架構進行異構系統互操作的基礎上，筆者應用Esri公司推出的基于SOA的服務端產品ArcGIS Server，開發了3D WebGIS試驗系統(如圖4所示)。

圖4 基于ArcGIS Server的園區三維系統

以蘇州工業園區內10 km2的TIN模型及正射影像圖構造地形模型，并結合該區域內的三維建筑模型及其他地理數據作為數據層?？蛻舳藙t選用支持三維瀏覽的ArcGIS Explorer瀏覽平臺，以實現三維地圖的漫游、縮放以及GIS分析結果的展示。

本系統通過采用面向服務的分布式結構，完成了三維數據的瀏覽顯示，并實現了包括空間查詢、斷面分析、路徑分析、屬性查詢等在內的空間分析功能。驗證了面向服務的分布式3D WebGIS的可行性及其對異構系統的良好數據共享和互操作性。

六、結束語

通過具有典型SOA架構的ArcGIS Server部署3D WebGIS，不僅實現了三維數據的瀏覽，并能結合ArcGIS強大的分析功能，利用空間信息處理服務的方式，進行三維空間分析，從而真正實現GIS為決策服務?；贏rcGIS Server的試驗系統表明，利用面向服務的分布式架構不僅能實現異構3DWebGIS的互操作，更能提供高效的三維數據瀏覽及空間分析功能。

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Research on the Framework of 3D WebGIS Heterogeneous Systems Based on Service-oriented Architecture

TAN Ding，LI Mingfeng，TAO Hong，TAN Haiquan

0494-0911(2011)10-0065-03

P208

B

2011-04-22

江蘇省測繪局科研資助項目(JSCHKY200903);國土環境與災害監測國家測繪局重點實驗室開放基金資助項目(LEDM2010B05)

檀 丁(1987—)，男，安徽安慶人，碩士生，主要研究方向為GIS及其三維可視化。