面向服務架構的地理要素在線更新

王艷軍，徐狄軍，李丹農，邵振峰

(1.湖南科技大學地理空間信息湖南省工程實驗室，湖南湘譚411201;2.寧波市測繪設計研究院，浙江寧波315042;3.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢430079)

一、引 言

隨著下一代互聯網、Web2.0、網格計算技術及對地觀測技術的發展，按需服務的新地理信息時代已經誕生，面向服務架構的地理信息公共平臺可為用戶提供互動的溝通服務［1］。利用Web Services技術可對各種空間信息資源進行注冊，并提供在線服務，對各種服務資源進行組合，可加工提取更高級的信息，提供更高智能化的服務［2］。當前的地理信息共享存在數據格式多樣、空間參考不一、系統重復建設，以及數據更新不能自動傳遞到相關的數據部門和分布式應用程序［3-4］、信息豐富但共享程度不高等問題，因此需要從面向空間數據的共享發展到面向空間信息服務的共享集成［5］，選擇B/S的分布式系統架構，研究基于多級異構空間數據庫的地理信息公共服務機制［6］。

地理數據資源存在異構型和很強的分布性，需要實現數據融合集成的有效方法，提高地理數據和處理模型的訪問性和重用性，以實現分布式網絡環境下的地理數據和處理模型的互操作［7］。多源多尺度空間數據可通過發布為符合開放地理信息聯盟(Open Geospatial Consortium，OGC)互操作規范的網絡地圖服務(Web map service，WMS)、網絡覆蓋服務(Web coverage service，WCS)或網絡要素服務(Web feature service，WFS)來實現網絡環境下的跨平臺跨瀏覽器訪問和調用。地理處理功能模型可發布為網絡地理處理服務(Web processing service，WPS)來實現“一次開發、重復操作”和跨系統平臺集成。分布式地理資源融合集成是普適地理信息及公共平臺的基礎和目標，其中面向服務架構的分布式空間數據在線增量更新是個難題［8-9］。本文采用面向服務架構(service-oriented architecture，SOA)和OGC規范，重點研究面向服務的地理要素在線更新服務及其實現方法。

二、地理空間信息共享的邏輯模型

傳統的地理信息系統根據已有空間數據和任務需求，建立空間數據庫和消息交互格式，并定義信息分析處理模式，從而實現地理處理任務。這樣的系統以數據的拷貝或交換為共享基礎，限制了部門應用和信息化建設。地理信息公共平臺作為一個整體，提供一站式服務，即服務提供者也可以定制使用服務，服務使用者也可以向平臺注冊自定義服務。在開放地理信息和互操作方面，OGC已經制訂了WMS、WFS、WCS和WPS等標準規范，提供了地理數據向可方便訪問和操作的Web Services轉換的解決方案。

本文設計的地理空間信息共享框架的邏輯模型(如圖1所示)，可將ShapeFile結構、Oracle空間數據庫或PostgrSQL數據庫等分布式存儲的地理數據，通過分布式GIS服務器，發布為符合OGC規范的數據服務和功能服務，以實現空間信息的共享。

三、面向服務的地理要素在線更新

1.地理要素在線更新

分布式地理信息共享業務應用中，地理數據從源數據編輯到重新發布更新是個繁瑣復雜的過程，而基于WFS則可針對特定需求實現地理要素數據的在線更新。如在國土資源管理業務內部新審批的建設用地就需要及時更新土地登記發證中的地塊，城市道路新規劃時則需實時更新交通線路數據等。應用地理要素在線更新服務，可分點、線段和多邊形3類要素在瀏覽器客戶端進行編輯操作，并將結果上傳到服務器進行幾何對象圖形和屬性數據的保存，成功后便可將最新的數據在客戶端進行可視化。

圖1 地理空間信息共享框架邏輯模型

上述向服務器發送的XML請求中，＜wfs：Insert＞表示地理要素事務處理類型;＜gml：polygonMember＞表示操作的幾何對象，客戶端向“TZ：HAILINGDIJI”圖層中添加一個空間參考系統為EPSG：2385(代表西安1980高斯-克呂格坐標系統)、節點坐 標 值 分 別 為(494818.25，3593228.428)、(494788.342，3593432.224)等的多邊形要素。當添加或修改的幾何對象存在數據冗余或形狀較復雜時，該XML請求中的坐標點對可能出現數量級上的增加。為了解決多用戶頻繁操作情況下網絡傳輸和操作速度問題，需要采用有效的數據壓縮策略。

地理要素的在線更新服務與傳統數據更新方法相比的優點包括：無需安裝和借助專業GIS數據編輯工具;客戶端可實現多用戶并發處理與控制;在線編輯的結果同時更新空間數據庫和數據服務，實現跨平臺跨部門的數據更新。

2.業務驅動的地理要素更新服務

業務驅動的地理要素更新服務符合OGC的開放互操作標準，主要是通過Web網頁實現瀏覽器的空間分析功能。應用網絡地理處理服務WPS，客戶端發送符合規范的XML處理請求，由服務器接受請求并驗證，構建服務調用參數并執行處理，結果要素集以GML消息文檔形式返回WPS客戶端。

上述的WPS服務請求XML文檔中，＜wps：Execute＞表示服務執行類型;＜wps：DataInputs＞表示服務輸入的參數;＜wps：ResponseForm＞表示執行結果的響應形式。該WPS輸入了兩個地理要素“TZ：ROADS”和“TZ：HAILINGDIJI”的網絡要素服務WFS，處理結果為兩個WFS數據空間相交部分的要素集合，可方便空間索引的地理要素查找及在線更新操作。

3.空間方向索引的數據壓縮策略

網絡Web環境下的地理要素更新數據具有幾何圖形復雜、數量冗余嚴重、對象分布不均勻等特點，數據在線更新常連續發生和頻繁操作，幾何對象隨時會被編輯［10］。面向服務的架構的地理要素在線更新，將傳統的GIS系統數據“查詢-瀏覽”流程轉變為“編輯-瀏覽-更新”的流程，在網絡帶寬和多用戶并發操作情況下，需要靈活的數據結構以組織和存儲高度動態化的地理數據。本文提出空間方向索引的數據壓縮算法，其可在減少網絡傳輸數據量的情況下保持地理要素的幾何特征和主體信息，并以基于數據基態版本增量更新［11］的方式實現有效即時更新和代價最低的有效平衡。

空間方向索引的數據壓縮，是根據用戶編輯的幾何對象形狀進行空間8交方向分析，并遵循以下原則：①根據9單元格遍歷各節點與相鄰點序的8種空間方向索引關系;②相同空間方向索引上的支點可以刪除，特征拐點則不能去除;③不同空間方向索引，可根據制圖表達綜合要求，進行必要的取舍。

空間8交方向索引的數據壓縮算法，結合圖2將其主要應用步驟描述為：

1)給定的點A，可定義其與相鄰點的空間8交方向，如圖2(a)箭頭所示，點A周圍可依次有8種方向關系。

2)遍歷幾何對象的所有節點，按照點序列計算相鄰兩點的空間方向關系，建立幾何對象的空間方向索引，見圖2(b)的步驟1和步驟2。

3)根據相鄰空間方向索引的異同，若相同則可刪除中間節點，如圖2(b)中的點2等;若相鄰空間方向索引不同，則保留，如圖2(b)中的點4等。

4)根據保留的點序列，建立新的幾何對象，并作為最終的數據壓縮結果?？臻g方向索引的數據壓縮，具有保留原始幾何形狀特征功能，并有效地減少數據冗余，圖2(b)的壓縮比達到50%。

圖2 空間方向索引的數據壓縮

4.試驗分析

本文以某城市基礎數據更新為例，利用WFS和WPS實現瀏覽器端“編輯-瀏覽-更新”的地理數據在線更新模式，圖3是地籍專題業務數據的在線編輯和更新。圖3中，根據業務流程對“建制鎮”地類中要素代碼為“2001010100”的地塊進行在線更新，繪制或移動地塊幾何對象的節點，應用空間方向索引的數據壓縮策略減少傳輸節點的數據冗余，并可以在圖3所示的更新界面中填寫地塊屬性信息。

將本實例中地理要素在線更新數據服務結果與源數據，在專業軟件ArcGIS數據編輯ArcMap中相疊加，分析發現結果是一致的，從而保證了數據更新的準確度和精度(如圖4所示)。同時，基于網絡環境B/S瀏覽器和面向服務的地理信息共享，在線更新后的數據可實時增量更新空間數據庫和跨系統平臺服務訪問和互操作，提高了空間數據更新效率。

圖3 專題數據在線編輯與更新

圖4 ArcGIS中圖3數據的更新編輯效果

四、結束語

分布式地理數據資源的更新是面向服務架構的空間地理信息共享中的重要內容，涉及開放式地理信息系統的維護和運行。筆者通過分析目前地理信息共享中存在的數據更新問題，設計并實現了面向服務的地理要素在線更新方法，并針對大數據量的在線傳遞問題提出空間方向索引的數據壓縮策略，實現了地理數據服務方式的在線更新和增量傳遞。本文研究方法已用于城市地理空間框架建設中的基礎數據更新實踐中，未來可拓展應用于各行業專題空間數據的更新。

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