基于OGC標準的耕地地理信息共享服務

范協裕， 邢世和， 楊荔陽， 邱龍霞， 張黎明

(1．福建農林大學資源與環境學院,福州 350002; 2.土壤生態系統健康與調控福建省高校重點實驗室,福州 350002； 3.莆田市國土資源局，莆田 351100)

基于OGC標準的耕地地理信息共享服務

范協裕1，2， 邢世和1，2， 楊荔陽3， 邱龍霞1，2， 張黎明1，2

(1．福建農林大學資源與環境學院,福州 350002; 2.土壤生態系統健康與調控福建省高校重點實驗室,福州 350002； 3.莆田市國土資源局，莆田 351100)

當前相關部門已積累了大量的耕地地力及作物用地適宜性評價成果，但數據資源分散、缺少共享。數據擁有者與數據使用者之間的相互隔離，造成了極大的浪費。開放地理空間聯盟(Open Geospatial Consortium, OGC)致力于地理信息數據的共享，制定了一系列標準，廣泛應用于多源地理信息數據的共享與發布。基于OGC標準及長期積累的福建省耕地地力及作物用地適宜性評價地理數據，研究了耕地綜合信息共享服務的內容、方式及區域耕地綜合信息共享服務平臺的體系構建。以福建省為例，構建了信息服務平臺的在線示范應用系統，可向基層農業技術部門提供精準的耕地綜合信息服務，也可以向其他第三方單位構建的農業信息系統提供共享數據服務。耕地綜合信息服務的發布為區域耕地質量改善和作物種植結構優化提供了基礎數據服務，可有效提高積累的農業科研生產數據的共享和使用率。

OGC； 共享服務； 耕地地力評價； 作物用地適宜性

0 引言

中央中央、國務院《關于落實發展新理念加快農業現代化實現全面小康目標的若干意見》中提出了關于實施耕地質量保護與提升行動，加強耕地質量調查評價與監測、優化農業生產結構和區域布局的重要指示[1]。耕地地力調查的目的是查明耕地土壤資源與質量狀況，為合理利用耕地資源，保護和提高耕地質量，推進農業結構調整，搞好土壤改良和測土配方施肥等農業生產工作提供科學依據。還可為我國土壤肥料信息系統和精準農業體系的建立提供信息儲備，實現全球土壤信息交流與共享奠定基礎[2]。作物種植適宜性評價是對具體作物在具體地域上能否適宜生長做出定性、定量和定位的評價，能夠在現有基礎上優化作物種植的總體布局, 使區域經濟結構和生態環境實現可持續發展[3]。針對耕地地力與作物種植適宜性評價工作，當前研究主要集中在評價指標體系及評價方法上。其評價成果往往以專題圖圖件、電子表格和文件報告的方式提供[4-6]，靜態、離線、孤立的數據成果既不利于對基層農技部門及生成者提供精準支持，也不利于共享與深層次利用。

隨著地理信息技術、遙感技術和全球定位技術等的快速發展，通過網絡系統、軟硬件系統和信息安全系統的完善，中國開展了大量農業信息系統建設工作[7]。例如，通過“十五”期間土壤科學數據資源建設，已形成若干土壤資源、土壤質量和農田土壤觀測實驗數據子庫(數據集)，但仍然存在一定問題[8-10]。在現存數據資源的基礎上，整合分散的數據資源，并進行嚴格的質量控制，建設基于網絡的數據和知識服務平臺，已成為土壤信息科學的首要任務[11]。在國土部門總體規劃及支持下，數字城市地理空間框架建設全面推進，我國已在建與建成運行的數字城市約600 個[12]。已建成各省、縣各級耕地數量質量一體化的土地調查數據庫并將其納入國土“一張圖”及綜合監管平臺[13]。比較農業部《耕地地力評價指南》與國土資源部《農用地分等規程》的結果表明，前者側重于反映耕地的自然屬性，更有利于直接指導農民種植施肥指導農業生產； 后者則側重為國家對土地的宏觀管理，保護耕地提供支持[14]。在科研領域，我國目前已建成并運行地球系統科學數據共享國家平臺，可提供持續的數據共享服務[15]，但仍缺少可提供符合標準的農業專題地理數據服務的區域性在線公共數據服務平臺，區域性農業科研成果數據仍然是信息孤島，難以納入到國家共享平臺及數字城市地理框架中。

從離線共享到在線共享，從數據服務到知識服務，從靜態數據到動態觀測，從網格到云計算、交互、質量監控與可視化等成為了未來對地觀測數據、信息和知識共享發展的特點[16]。對地觀測數據共享的基本技術已經成熟，開放地理空間聯盟(Open Geospatial Consortium, OGC)和國際標準組織(International Standard Organization, ISO)已經制訂了一系列標準，如網絡目錄服務 (catalog service for the web, CSW)、網絡地圖服務(web map service,WMS)、網絡要素服務(web feature service，WFS)、網絡覆蓋服務(web coverage service，WCS)、網絡地圖瓦片服務(web map tile service，WMTS)、網絡地理信息處理服務(web processing service，WPS)等。OGC 標準在多源異構地理空間數據的無縫集成和復雜查詢中被廣泛使用[17]。構建動態的、可視化的、農業專題地理數據共享服務平臺的時機已經成熟。

本文利用OGC網絡服務技術，整合已有耕地地力及作物適宜性評價成果大數據，探索建設提供符合GIS行業標準的區域農業地理專題數據共享服務平臺，為耕地保護及農業可持續發展和優化布局提供科學數據支持，契合了中央關于強化現代農業科技創新推廣體系建設，統籌協調各類農業科技資源，大力推進“互聯網+”現代農業，應用物聯網、云計算、大數據、移動互聯等現代信息技術，推動農業全產業鏈改造升級的指示[1]，也是農業可持續發展科研與生產的客觀需求。

1 耕地及作物用地適宜性評價成果 數據和OGC網絡服務

1.1 耕地地力評價及作物種植適宜性成果數據

農業部組織制訂的標準《耕地地力調查與質量評價技術規程》是耕地地力調查與評價工作的基礎及標準操作規程[18]。規程中制定了耕地地力評價的指標體系及數據內容。

土壤圖中各種土壤有機質及耕地等級的專題圖是耕地地力評價的重要成果。而當前成果通常以全體區域作為整體的圖件方式提供，未提供對土壤養分及有機質豐缺及地力分布的在線共享、動態查詢服務。另一方面，文字類成果通常是分析報告，其對工作區域的耕地質量情況進行定量、定性分析，輔以各種統計表格，做出耕地質量情況的評價結論。提供針對土壤、耕地統計分析功能的在線服務對充分利用耕地評價成果數據具有重要意義。

以遙感和地理信息數據為基礎，利用GIS構建的作物用地適宜性評價系統已廣泛應用，專題地圖是基于GIS作物用地適宜性評價系統成果輸出的主要形式。在線、動態的作物用地適宜性專題地圖查詢服務可向農業生產用戶及科研單位(如基層農技服務機構)提供基于地理位置的作物用地適宜性評價結果的精準查詢服務。

1.2 OGC網絡服務

OGC致力于制定空間信息的共享和互操作的規范，OGC網絡服務(OGC web services, OWS)是OGC提出的可擴展的、能無縫集成各種在線空間信息處理和位置服務的框架[11]。OWS標準規范中，最主要的規范包括WFS，WMS，WCS以及WPS。其主要目的是定義一套開放的、易于理解的、基于格式化文本(可擴展標記語言(extensible markup language，XML)、鍵值對(key-value pair, KVP))的空間數據訪問、操作和處理的請求和返回結果的標準格式，以便不同空間數據生產及服務提供商之間生產的多源異構空間數據可以采用此標準進行發布、共享及互操作。其中WFS針對要素數據的訪問，WMS針對在線網絡地圖制圖，WCS針對柵格格式數據，WPS則包括了一套制定網絡處理服務的接口定義規范。OWS服務包含了獲取服務能力接口(GetCapabilities)、服務請求接口(WFS-GetFeature,WMS-GetMap,WCS-GetCoverage,WPS-Execute)以及服務元數據描述接口(WFS-GetFeatureType)等接口規范。為了實現數據訪問過濾機制，OGC標準規范中還包含了查詢過濾編碼規范——OGC Filter Encoding。而針對在線地圖制圖則制定了基于XML格式的樣式圖層描述器(styled layer descriptor, SLD )用于實現圖層符號及樣式的渲染方式定義。提供輕量化的表述性狀態傳遞(representational state transfer,Rest)風格訪問接口是OWS服務規范的一大特點，大大地簡化了地理信息數據互操作的過程。OGC制定的標準及規范已獲得當前市場上絕大多數的商業GIS服務器的支持，已成為事實上的行業標準。

2 耕地地理信息共享服務及平臺

2.1 基于OGC標準的耕地及作物用地適宜性評價 地理信息服務

根據耕地及作物用地適宜性評價成果數據組成及OGC相關標準，制定如下可發布成OGC標準的網絡地理信息服務,如表1所示。

表1 OGC標準的耕地地力及作物用地適宜性評價地理信息服務

基于OGC WFS規范語義，要素服務可向用戶或第三方應用提供要素查詢服務。利用OGC-Filter，除了可實現類似于SQL的屬性過濾查詢，還可使用包含(Contains,WithIn,DWithin)、相交(Intersects,DIntersects)等空間關系謂詞實現空間過濾查詢。通過對二者組合可實現對耕地評價及作物用地適宜性評價的靈活查詢。如表1所示，主要提供了以下3類耕地信息要素查詢服務：

1)耕地單元基礎屬性要素服務。針對耕地地力評價的基礎屬性數據(耕地單元的基礎土壤屬性，如土壤養分、立地條件等數據)，向用戶提供屬性查詢服務，查詢結果根據WFS標準以地理標記語言(geography markup language, GML)或Keyhole標記語言(keyhole markup language, KML)封裝的XML文檔返回。

2)地力評價網絡要素服務。提供耕地地力的等級查詢服務，其結果同樣以GML或KML標準格式返回。

3)作物用地適宜性要素查詢服務。提供耕地評價單元的特定作物的用地適宜性等級查詢服務，作物用地適宜性信息對基層農業生產部門的生產具有直接實踐指導意義。其結果以GML或KML標準格式返回，可直接供其他第三方農業信息系統使用。

OWS服務可提供兩種Rest服務查詢方式，分別是KVP和XML請求格式，分別對應于HTTP請求中的GET和POST這2種方法。以下為XML格式的WFS請求的某實例展示了在給定坐標點5 000 m范圍內，不適宜種植某作物(Tobaco)的耕地單元。

outputFormat="GML2"

xmlns: TobacoAssessment=http: //www.openplans.org/TobacoAssessment …>

the_geom

127.817265,25.5296504

5000

適宜性

分布等級專題圖可直觀地揭示研究區域內耕地質量和作物用地適宜性分布的情況，是耕地評價和作物用地適宜性評價的重要成果。相應地，本文設計了針對耕地基礎屬性、耕地地力等級和作物用地適宜性等級的在線專題圖服務。

樣式圖層描述器(SLD)可對不同數據類型(點、線、多邊形)的各種復雜專題圖(唯一值圖、符號分級圖、顏色分級圖)的樣式進行定義，同時配合OGC-Filter過濾器的使用，還可對渲染的屬性和空間范圍進行進一步限定，減少不必要的計算。通過指定預定義的存儲在GIS服務器上的SLD樣式，OGC-WMS服務可提供各種復雜在線專題圖制圖服務。以下為一個Tobaco適宜性專題圖請求服務實例，展示了一個向服務平臺發起指定樣式專題圖請求的KVP格式的WMS-GetMap請求，即

http: //localhost: 8080/geoserver/wms?bbox=115.36,26.11,115.83,26.68&styles=Tobaco Assessment Class & Format=image/png&request=GetMap&layers=TobacoAssessment: LandClass&width=550&height=250&srs=EPSG: 4326

該實例請求TobacoAssessment: LandClass圖層的“TobacoAssessmentClass”(預定義并存儲在GIS服務器中)樣式的繪圖服務，并且指定了繪圖的范圍及空間參考坐標系。

耕地地力評價報告和作物適宜性報告通常都包括了大量的統計表格用以對研究區域內的耕地情況進行詳細分析說明。OGC-WPS接口提供了靈活的服務定義接口，可對任何語義的網絡處理服務的輸入接口及參數、輸出結果進行定義。GIS服務器通過發布符合OGC標準規范的WPS服務，可向用戶提供各種自定義的網絡處理和分析服務。成果報告中包含的一些無法使用OGC-WFS配合OGC-Filter進行查詢的大量統計信息及其他一些高級的分析服務都可使用自定義的OGC-WPS服務進行擴展實現。以下實例展示了返回某縣南山鎮中低產耕地的限制因素統計數據的XML格式的WPS服務請求：

LandExtendingService : ZDCTXinzhi

Layer

Changting

TownName

南山鎮

Properties

干旱漬澇酸性

result

2.2 共享服務平臺總體設計

基于待發布的耕地地力與作物用地適宜性數據評價地力地理信息服務，設計了如圖1所示的共享服務平臺。

圖1 共享服務平臺總體結構

如圖1所示，與傳統Web應用平臺一樣，平臺主要由3層組成，而作為平臺核心的服務層主要由2個子系統組成： 耕地及作物用地適宜性評價綜合地理信息服務子系統和服務管理子系統。其中耕地及作物用地適宜性評價綜合地理信息服務子系統構建在GIS服務器之上，當前主流的網絡地理信息系統服務器都支持對空間數據的管理并將其發布為OGC網絡服務。

當前廣泛采用的ArcGIS Server服務器及其桌面產品提供了強大的綜合地圖制圖及在線發布的服務，但其產品價格昂貴，且基于ArcMap桌面產品的專題圖制作方式及動態地圖發布服務并不符合OGC標準規范。因此，平臺采用了結合WMS服務與SLD符號樣式實現的在線專題圖繪圖服務的實現方式。預先編制的各種專題SLD符號樣式存儲于GIS服務器之中，并通過WMS請求的STYLES參數，將圖層與渲染的SLD符號樣式結合起來。

服務管理子系統負責服務的目錄管理、服務申請、授權、運行分析與監控。管理并監控上層應用對服務平臺中的共享地理信息服務的應用情況。

數據質量控制在相應標準規范和規程的指導下貫穿整個平臺。

2.3 基于開源方案的共享服務平臺的實現

當前諸多的GIS服務器產品都提供了對OGC標準規范的支持，OGC標準規范已成為事實上的行業標準。開源GIS服務器產品也提供了對OGC標準規范的良好支持，并且在性能上表現出色，應用廣泛。在保證性能的前提下，使用開源GIS服務器產品有利于降低共享服務平臺的成本。本文構建的平臺基于開源GIS服務器GeoServer和開源關系數據庫服務器產品PostgreSQL及其空間擴展PostGIS。使用PostgreSQL+PostGIS空間數據庫存儲大量的空間數據。GeoServer則以OWS網絡服務形式發布耕地及作物用地適宜性評價地理信息服務。

3 共享服務應用系統

圖2展示了由共享服務平臺提供地理信息服務支持的示范應用系統——福建省耕地土壤信息查詢系統。系統基于主流B/S架構，采用MVC模式開發，使用OpenLayers開源地圖客戶端調用共享服務平臺的OGC標準的Rest服務。

圖2 示范應用系統實例

通過調用共享服務平臺提供的耕地和土壤的基礎信息的屬性查詢與各種專題圖在線制圖服務。系統提供了如下功能： ①基礎土壤信息要素查詢，提供耕地管理單元中基礎屬性信息的查詢及統計； ②耕地地力評價專題圖功能，包括堿解氮、有效磷、速效鉀、耕地地力等級、用地適宜性評價等專題圖； ③按行政區劃專題及屬性查詢； ④其他分析工具。

4 結論

耕地地力與作物種植適宜性評價是改善耕地質量，促進農業結構布局的基礎性工作，當前這方面的研究工作主要集中在指標體系、評價方法等方面，并且積累了大量的地理信息數據成果。這些珍貴的成果通常以靜態、離線、孤立的形式存在。尚缺少可提供符合標準的農業專題地理信息服務的區域性在線服務平臺。各基層生產者及科研部門在利用相應科研成果數據時仍然存在著各種權限及技術壁壘，客觀上造成了極大浪費。

因此，本文利用開源網絡地理信息服務器及數據庫，構建了符合OGC標準的耕地地理信息綜合服務共享平臺，并基于積累的福建省耕地地力及用地適宜性評價成果數據構建了示范應用系統。該平臺一方面可為基層農業生產者和部門提供包括土壤屬性、耕地地力、作物種植適宜性等耕地信息的在線查詢及動態專題圖制圖等服務，為測土配方施肥及區域種植優化布局提供精準數據支持； 另一方面也可為其他相關科研及決策部門提供大量寶貴的耕地及作物適宜性的標準化在線共享服務，打破數據孤島，進一步促進區域農業耕地地理數據的共享與互操作，為整合區域農業地理數據資源提供一種新的實踐方法和思路。

目前共享平臺還在進一步的建設完善中，仍有大量的福建省作物用地適宜性評價數據有待整理及發布，其他輔助的專題圖層如行政區劃、道路等也將增加到系統之中。另外，數據的更新與管理機制也是下一步工作的重點。

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(責任編輯：李瑜)

SpatialinformationserviceofcultivatedlandbasedonOGCstandards

FAN Xieyu1，2， XING Shihe1，2， YANG Liyang3， QIU Longxia1，2， ZHANG Liming1,2

(1.CollegeofResourceandEnvironmentalScience,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China; 2.UniversityKeyLabofSoilEcosystemHealthandRegulationinFujian,Fuzhou350002,China; 3.PutianMunicipalBureauofLandandResources,Putian351100,China)

Cultivated land quality and planting suitability constitute a significant basis of cultivated land resource and agricultural sustainable development. Volumes of spatial data sets accumulated by crop suitability evaluation and land productivity surveying were dispersed over different organizations. Therefore, based on OGC standards, the authors investigated the sharing mechanism for spatial data sets of cultivated land quality and planting suitability. A regional sharing services platform for cultivated land integrated information was built. With Fujian Province as an example, an application system was built. The platform improves the sharing and availability of the result of cultivated land researches and provides significant scientific data support for agricultural sustainable development.

OGC; sharing service; cultivated land productivity assessment; crop suitability evaluation

10.6046/gtzyyg.2017.03.33

范協裕，邢世和，楊荔陽,等.基于OGC標準的耕地地理信息共享服務[J].國土資源遙感,2017,29(3):224-230.(Fan X Y，Xing S H，Yang L Y,et al.Spatial information service of cultivated land based on OGC standards[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(3):224-230.)

2016-02-25；

2016-05-20

福建省科技廳高校產學合作項目“福建省農林用地優化利用信息共享平臺研究發與應用”(編號： 2017N5006)和福建省教育廳科技計劃項目“水土流失區主要農作物優化肥配方施肥信息管理系統研制與應用”(編號： JA14102)共同資助。

范協裕(1985-)，男，博士，講師，研究方向為空間數據挖掘，網絡地理信息系統及應用。Email: xunbei100@aliyun.com。

P 208

： A

： 1001-070X(2017)03-0224-07