基于WebGIS的物聯網服務應用

摘 要信息技術發展至今，物聯網（Internet of things）已經成為其不可或缺的組成部分，在新一代信息技術中有著無可比擬的重要地位。物聯網是指按特定的協議，利用紅外感應器、射頻識別（RFID）、激光掃描器、全球定位系統等諸多信息傳感設備，使物體與互聯網能夠相互連接并進行通信和信息的交換，從而實現對物體的智能化管理（包括識別、定位、跟蹤和監控）的一種網絡。本文主要介紹了采用物聯網技術與WebGIS技術相結合的技術思路，并在河網水系遠程水位監測中成功應用的案例。

【關鍵詞】物聯網 WebGIS SOAP WebServer 遠程傳輸

湖南省水利廳洞工局的基于河網水系遠程水位監測項目是集合了JAVA的GIS技術和WebService技術并通過遠程SOAP協議進行通信的物聯網系統。它的主要特點是采用Oracle與Linux相結合的搭建平臺，基于J2EE多層架構，實現水位數據自動采集，遠程傳輸；客戶端將設備采集到的數據通過互聯網采用RPCtimer線程技術實時傳送到遠程服務器，同時使用80端口SSL加密傳輸；WebService中間件與MapXtreme、SOAP分別實現了無縫集成。

1 理論分析

Linux是UNIX增強版，是作為服務器平臺比較理想的選擇。Linux平臺在目前它的用戶面多集中在高端用戶，從水平和層次來講都是處在一個較高的位置。此類用戶在總體計算機用戶中占有的比例相對較少，這樣有利地增強了操作系統本身的安全性。另一方面Linux與Windows不同，它的網絡服務部分是整個操作系統的主要任務所在，系統的資源主要應用于網絡服務。此外，它還繼承了UNIX網絡服務方面的優點，拼棄了UNIX的受硬件限制的缺點。

Oracle是目前適用于中小企業應用的最理想的數據庫系統平臺，這是眾所周知的。Linux+Oracle無疑是一個完美的結合。

WebLogic與MapXtreme集成是一種非常好的中間件服務器和Web Services環境，是服務器與地圖服務器的最佳組合，它為GIS的運行打下了堅實的基礎。并且WebLogic中安裝MapXtreme是一件非常容易的事，只需直接拷入WebLogic并重啟WebLogic即可。

SOAP是用于遠程訪問的Web Services，它能很好地融合到WebLogic之中。SOAP的程序包能在WebLogic中自動解壓，安裝起來非常方便，而且無需做太多的配置即可運行。

環境部署中采用SOAP與WebLogic的組合，即省去了大量的安裝部署工作，也使得通過互聯網實現遠程傳輸的方案得以輕松實現。

為了使水位信息能夠在互聯網上發布，本項目的規劃設計采用服務器上網。這給系統的安全性問題帶來了一些困難，因此，環境部署設計中選用了Internet地址映射的辦法。地址映射為防火墻的安全性管理提供了實現的可行性條件，有效地避免了服務器直接上網，方便了管理，增強了安全性為服務器上網提供了可能性。

2 基于WEB的GIS技術實現

2.1 GIS實現方式

由于GIS必須使用矢量圖形，而目前市場上的瀏覽器本身并不支持這種圖像。所以要實現WebGIS，我們可以通過兩個途徑來解決。第一種途徑是利用控件和插件，使客戶端瀏覽器能夠支持矢量圖形；第二種途徑是利用相關的軟件，先在服務端將矢量圖形轉換格式，變為瀏覽器所支持的圖形格式，然后再傳遞到客戶端，客戶端通過ASP或者公共網關接口（Common Gateway Interface，-----CGI）來發送請求，從而將從服務端傳遞過來的圖像顯示在瀏覽器上。主要的實現方式有以下幾種：

2.1.1 公共網關接口（CG I）方式

由于瀏覽器本身不支持矢量圖片，但是將矢量圖形變成柵格圖像后，再通過HTML就可以顯示在瀏覽器中。不過這種圖像是靜態的，用戶不能對圖像進行縮放、漫游等操作。CGI提供了一個接口，使瀏覽器和服務器之間或者服務器和應用程序之間能夠利用這個接口進行通信。用戶首先通過客瀏覽器發送請求到Web服務器，Web服務器利用CGI把請求轉移到后臺的應用程序（地圖服務器）上，由應用程序（地圖服務器）訪問數據庫并按照相應的要求邏輯處理請求，然后將處理結果返還給Web服務器，Web服務器再將該結果發送給客戶端，在瀏覽器中顯示出來。具體原理如圖1。

CGI模式相比較其它模式有著顯著的優點：

（1）客戶端無需安裝任何插件，能夠充分利用服務器的資源來完成所有的操作和分析；

（2）比較靈活性，不局限于特定的語言，只要該語言能運行在服務器上，那么都能拿來編寫CGI；但用時，其也有著明顯的缺點：服務器每次請求都要重新啟動GIS應用程序，產生一個新的進程，這樣會造成內存和CPU資源開銷過大的問題，從而降低了系統響應速度。

2.1.2 ASP（Active Server Page）方式

CGI的最大的特點是他的平臺無關性，但網關程序通常是一個獨立的程序，較難編寫和改變且不和 HTML文件融合在一起，而 ASP方式可以使得腳本的開發和HTML文件的編寫融合在一起。相較于CGI網關，ASP技術有如下優點：

（1）容易創建，不需要其他編譯，連接程序；

（2）完全與HTML文件融合在一起；

（3）性能較好，二次開發比較容易，面向對象并通過ActiveX Server對象可擴展。

2.1.3 基于插件（Plug-in）方式

插件方式是通過增加一個能識別矢量圖形數據的插件，從而使瀏覽器能夠顯示原本不支持的GIS圖形信息。這種方式直接把一部分服務器上的功能移到客戶端上，在大大加快了客戶操作的反應速度的同時，也減少了服務器和網絡傳輸的負載。優點是比HTML更靈活，具有動態代碼的模塊，可直接操作傳送到客戶端的矢量數據，充分利用了客戶端的計算機能力，運行效率高。缺點是插件必須裝在客戶端，而且需要不同的插件來支持不同類型的數據，從而加大了客戶端的壓力。

2.1.4 基于Java語言的實現方式

Java是一門面向對象的編程語言，最大特點是能跨平臺使用（與平臺無關）。本系統的WEBGIS部分采用Java語言實現，對于Web發布系統采用了JSP+Servlet+JavaBean的形式，整個系統的體系結構由顯示層、應用服務器層和數據庫層組成。如圖2所示。

在數據表現層中，客戶只需在瀏覽器的地址欄輸入固定的地址以及用戶名和密碼登陸后，即可瀏覽系統頁面，查詢有關信息。服務器層由Web服務器與GIS服務器構成，Web服務器包含了JSP、Servlet 、Java Beans組件，響應從瀏覽器傳過來的客戶請求，通過JDBC訪問數據庫，并根據客戶要求進行相應的邏輯計算，再將計算結果返回至客戶端；GIS服務器側重于響應地圖繪制的請求，采用對象模型分層結構，更易于地圖顯示，在MapXtreme工作方式下，將地圖數據轉換成相應的圖像格式嵌入到網頁中進行輸出，客戶端則以提交表單的方式向服務器傳回用戶操作參數。

2.2 GIS的WEB部署

在客戶端，用戶通過HTML頁面或瀏覽器中的applet與地圖繪制應用程序交互。交互是以‘請求—響應方案為基礎的。基于WEB的地圖繪制部署利用標準的組件，其中包括WEB服務器、應用服務器（可以和WEB服務器是同一服務器）和用于背景的地圖數據數據庫、以及應用程序相關的定制數據。

用于MapXtreme Java的部署選項可以根據軟件和向客戶機發送的數據的多少劃分為瘦客戶機、中型客戶機和胖客戶機三類。考慮到本項目的特點，本系統采用‘瘦客戶機模式，用戶將與瀏覽器中的JSP頁面交互，地圖是嵌入到HTML中的GIF圖像，地圖請求的處理在服務器端完成。這是典型的Internet部署，Java程序并不在客戶機上運行。MapXtreme有4個重要組件：數據提供方、渲染器、MapXtremeServlet和MapJ對象。這些組件協同工作，可用于訪問地理數據、控制數據并為應用程序提供地圖或數據。

3 系統運行效果

目前，本系統在洞庭湖區設立了南昏、澧南垸、圍堤湖、母山基地四個水位采集站。水位采集站自動采集實時水位數據并傳送到水利廳數據庫服務器，每 5分鐘（當然間隔時間可由用戶設定）傳送一次，而且系統會自動將數據發布到互聯網上，各級防汛部門對各個監測點的汛情可以隨時隨地實時掌握。水位監測曲線顯示：

3.1 運行安全、穩定、可靠

軟件部分主要包括數據采集軟件（與硬件部分配套使用）、遠程傳輸、水位管理Web系統、GIS顯示以及調度管理。數據采集軟件使用C++ Builder進行開發，主要完成從水位計采集數據的功能，其他軟件部分的軟件結構采用了B/S（Browser/Server）模式。服務器端完成將客戶端傳入的數據實時地存入數據庫表中，客戶端完成將采集設備采集到的數據通過互聯網按時傳送到遠程服務器。在進行遠程傳輸的過程當中，系統利用了80端口的SSL加密傳輸的方式，使數據安全，又使其在互聯網上能夠暢通無阻地進行傳輸。

GIS部分采用MapXtreme47作為地圖服務器 ，MapXtreme可以提供Java或ActiveX的Widget，完成多平臺上的地圖放大、縮小或平移等操作，同時也可以將矢量地圖轉化成JPG或GIF格式的圖片。由于傳遞到客戶端的只是一幅經過轉換和壓縮的柵格圖片，而原本的矢量地圖及數據仍然保留在服務器端，因此不但降低了網絡傳輸的負擔，也保護了原始數據不受污染。

3.2 多用戶共享

以前的水位實時監測與調度系統一般都是采用傳統的C/S結構，能夠很好的解決在流域級或省級防洪調度決策模塊中的系統集成問題，實現局域網內調度信息與多用戶水位數據的共享。

隨著網絡技術的不斷發展，多個專家在異地查看水情、進行聯合調度決策已經成為可能。本系統采用B/S結構，基于因特網技術，其特點就充分滿足了多用戶共享數據信息，可以實現多個專家在異地查看水情、進行聯合調度決策，大大的方便了用戶。

3.3 使用方便、實用性強

系統界面簡潔，屏幕提示直觀明了，人機交互方便，并且具有較快的實時響應速度和較強的業務處理能力，能夠快速的實現查詢、統計和報表等功能。解決了以往水位數據采集難、獲取難、查看難的問題。同時還提供了一系列實時信息、歷史信息、平均水位的查詢以及曲線圖顯示功能，可以對水情有一個比較全面的掌握，具有很好的實用性質。

4 技術特點

4.1 水位數據全自動化采集技術

水位數據通過485線或無線方式進行全自動采集，只要打開采集工作站，系統就能自動啟動并自動實時地從水位計采集水位信息。充分地實現了無人值守的自動化功能。

4.2 全自動實時發布技術

從采集工作站到互聯網，對水位數據實現了全程自動化處理。只要打開采集工作站，遠程傳輸程序就會隨水位采集程序自動啟動，將水位信息實時準確地傳送到服務器。服務器的水位及輔助調度系統會自動地將水位信息發布于互聯網上，無需任何的人工處理。

4.3 基于Linux的WEBGIS展示技術

將水位信息進行WEBGIS實時展示的系統目前不多，特別是基于Linux平臺下的這種部署方式是當前所沒有。

4.4 自動生成輔助調度預案

系統輔助調度模塊能夠根據內外河水位、降雨量以及基本參數信息自動生成輔助調度預案，供調度人員決策參考。

4.5 基于SOAP的遠程傳輸技術

SOAP是一種簡單對象傳輸協議，它是通過80端口基于XML進行通信的。而80端口在INTERNET上是開放的，因此利用它，信息便可在互聯網上自由傳輸。將這項技術用于水位信息的遠程傳輸，是一個應用創新。

參考文獻

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[2]（美）Charles P.Pfleeger，Shari Lawrence Pfleeger.計算機安全[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3] Robert Englander譯者：黃剛.Java與SOAP[M].北京：中國電力出版社，2002.

作者簡介

張佳啟（1976-），男，湖南省懷化市人。大學專科學歷。現為湖南湖大華龍電氣與信息技術有限公司項目經理、高級項目經理。研究方向為主要從事計算機軟件開發與項目管理工作。

邵立政，男，長期從事電力調度和項目管理工作。

汪紅波，女，長期從事電力調度和項目管理工作。

劉翊楓，男，長期從事電力調度和項目管理工作。

作者單位

1.湖南湖大華龍電氣與信息技術有限公司 湖南省長沙市 410205

2.國網湖北省電力公司 湖北省武漢市 430000