基于OpenLayers的流域基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫

葉 凱，蒲 智，林思成

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

0 引 言

流域信息是流域研究及流域管理的關(guān)鍵信息，主要包括流域的自然信息和人文信息。自然信息通常指水資源信息、地形地貌等空間信息、生態(tài)環(huán)境信息等。人文信息通常指流域內(nèi)的社會經(jīng)濟、河流湖泊的演變歷史等信息[1]。傳統(tǒng)的流域信息源主要以書籍、期刊以及互聯(lián)網(wǎng)作為載體。書籍等紙質(zhì)信息源雖然信息詳盡，但是查詢效率極低?；ヂ?lián)網(wǎng)雖然能快速獲取信息，但是獲取到的信息多而雜，需要進行信息的過濾，影響了流域研究進度[2-4]。

隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用的不斷深化，WebGIS技術(shù)不斷成熟[5-6]。通過WebGIS技術(shù)實現(xiàn)流域信息的查詢，不但解決了書籍中信息查詢的煩瑣，而且通過建立流域信息專題數(shù)據(jù)庫也解決了互聯(lián)網(wǎng)搜索信息篩選過程。通過Web瀏覽器在地圖中進行流域信息查詢是一種快捷高效的地理信息獲取方式，不但能直觀地展現(xiàn)信息，而且不受平臺限制，相比傳統(tǒng)的信息獲取方式優(yōu)勢明顯。

1 OpenLayers簡介

OpenLayers是由MetaCarta公司開發(fā)的，用于作為WebGIS客戶端的JS庫。它可以很容易地在Web頁面中嵌入多種地圖源，包括GoogleMaps、Yahoo、Bing、天地圖等，用戶還可以用簡單的圖片地圖作為背景，在OpenLayers客戶端進行圖層疊加。OpenLayers除了可以在瀏覽器中幫助開發(fā)者實現(xiàn)地圖瀏覽的基本效果，比如地圖比例尺、鷹眼等常用功能外，還可以進行選取面、選取線、要素選擇等不同的操作，甚至可以對已有的OpenLayers操作和數(shù)據(jù)支持類型進行擴充，為其添加更多功能[7]。其主要優(yōu)點如下：

(1)完全采用JavaScript開發(fā)，二次開發(fā)難度低；

(2)支持標(biāo)準(zhǔn)化和定制的同服務(wù)器進行交互的協(xié)議；

(3)可定制用戶界面和功能；

(4)支持瀏覽器內(nèi)置數(shù)據(jù)渲染(采用SVG、VML、Canvas技術(shù))，支持開發(fā)高級瀏覽器內(nèi)置地圖；

(5)支持多種數(shù)據(jù)源地圖：

①商業(yè)地圖：Google，Bing，Yahoo。

②OGC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：WMS，WMTS，WFS，WFS-T，GeoRS，GML。

③解析多種數(shù)據(jù)格式的矢量數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)能力：Atom，ArcXML，GeoJSON，GeoRSS，KML，OSM，SLD，WMTS[8-9]。

1.1 OpenLayers框架結(jié)構(gòu)

OpenLayers為能更好地對地圖進行操作和顯示，將抽象事物具體化為類，OpenLayers的核心類為Map(地圖容器類)、Layer(圖層類)、Source(圖層的數(shù)據(jù)源類)、View(地圖表現(xiàn)相關(guān)的地圖視圖類)。圍繞以上核心類來實現(xiàn)地圖操作和地圖加載[10]。OpenLayers體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 OpenLayers體系框架

1.2 數(shù)據(jù)渲染

OpenLayers中的渲染功能由渲染器(即renderer相關(guān)類)實現(xiàn)，通過Map類的renderer屬性設(shè)置渲染類型，即分別通過Canvas、DOM、WebGL三大渲染類別下的相關(guān)子類實現(xiàn)。文本中涉及的地理信息的矢量數(shù)據(jù)渲染，在VectorLayer渲染器中則是通過ol.renderer.Vector和ol.renderer.VectorContext的相關(guān)子類具體實現(xiàn)各類矢量要素的渲染，即點、線、區(qū)等幾何圖形的渲染[11]。

該項目中需要對流域內(nèi)的水系進行矢量要素的渲染，通過矢量數(shù)據(jù)的在線編輯保存為渲染器類可解析的GeoJSON格式數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源Source使用url+format方式加載矢量數(shù)據(jù)，再設(shè)置矢量要素的樣式加載到地圖層上。通過測試，此方法運行效果完全滿足該項目需求[12]。

1.3 Overlay疊加層

疊加層，即疊加到地圖上顯示的要素，通過關(guān)聯(lián)自定義的HTML元素，由一個單一的地圖坐標(biāo)點確定疊加的位置。與控件(Control)類似，但不同的是疊加元素不是固定在屏幕某個位置的元素，而是通過關(guān)聯(lián)一個地圖邏輯坐標(biāo)或者通過地圖事件來跟隨地圖的移動，形成地圖上再浮動一層的效果。如該系統(tǒng)中的地圖標(biāo)注、坐標(biāo)查詢、信息的浮動顯示等功能都是通過疊加層來實現(xiàn)。

2 流域基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)過程

2.1 信息來源與處理

數(shù)據(jù)是所有系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ),是影響系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵因素。通過多種途徑，該系統(tǒng)搜集整理的資料如下：①王世江主編的《中國新疆河湖全書》[13]中塔里木河流域數(shù)據(jù)，2010年中國水利水電出版社出版。②《中國河湖大典》編纂委員會編著的《中國河湖大典·西北諸河卷》[14]中塔里木內(nèi)流區(qū)數(shù)據(jù)，2014年中國水利水電出版社出版。③長期以來的野外考察的圖像、文本記錄和實驗所得數(shù)據(jù)。④空間數(shù)據(jù)主要加載在線Google地形圖、Google矢量圖、Google遙感圖、Google交通圖、流域行政區(qū)劃圖、流域區(qū)域矢量圖、流域水系矢量圖。

以上屬性數(shù)據(jù)通過對書中文本信息的掃描、識別、校正，錄入SQL Server數(shù)據(jù)庫中。圖片數(shù)據(jù)以文件的形式存儲，通過訪問數(shù)據(jù)庫中的圖片地址來調(diào)用數(shù)據(jù)?？臻g地理數(shù)據(jù)是使用Google公共地圖作為底圖，流域區(qū)域矢量數(shù)據(jù)、水系矢量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)在線工具手工繪制圖形，并生成WebGIS可解析的GeoJSON數(shù)據(jù)格式。

2.2 流域基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫設(shè)計

流域的基礎(chǔ)信息和空間要素是密不可分的，流域信息包含了流域的自然信息與人文信息，這些信息都是在以空間要素為載體的。文中以流域基礎(chǔ)信息為主線，設(shè)計了流域基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫的組織模式。數(shù)據(jù)庫包括基礎(chǔ)地理要素集、流域?qū)傩詳?shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)庫下相關(guān)要素與屬性表見表1。

表1 數(shù)據(jù)庫組織結(jié)構(gòu)

2.2.1 基礎(chǔ)地理要素集

基礎(chǔ)地理要素是流域基礎(chǔ)信息空間化和地圖表達的基礎(chǔ)[15]，如行政區(qū)劃、流域區(qū)劃可抽象為Polygon(區(qū))要素，河網(wǎng)、路線可以抽象為LineString(線)要素，湖泊、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、山峰等可抽象為Point(點)要素。首先確定不同空間地物的要素形態(tài)劃分河流、湖泊等空間單元，在相同的坐標(biāo)系下用不同的要素表示，OpenLayers解析不同矢量要素通過地圖客戶端渲染表達，要素集在地圖上的空間表達是獲取流域基礎(chǔ)信息的關(guān)鍵一步。

2.2.2 流域?qū)傩詳?shù)據(jù)集

流域?qū)傩詳?shù)據(jù)是地圖空間要素承載的核心信息，將流域基礎(chǔ)信息從三個視角進行提供，包括簡介、概述、紀實。其一，簡介所提供的信息包括河湖名稱、別名、少數(shù)民族語言稱謂、古名，河湖類型，河湖發(fā)源地，河口，流域所處經(jīng)緯度，干流所經(jīng)行政區(qū)。其二，概述所提供的信息包括天然河湖所在水系，自然環(huán)境，河湖的歷史變遷過程，河流長度，湖泊面積，河流流域面積，多年平均徑流量、輸沙量等。其三，紀實所描述的信息包括河流自源頭到河口所流經(jīng)地段、自然狀況、水利工程、自然資源與社會經(jīng)濟概況、與河湖行管的自然景觀與人文景觀。流域的基礎(chǔ)信息通過數(shù)據(jù)庫存儲，以圖文結(jié)合的方式通過客戶端的查詢獲取。

2.3 屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

系統(tǒng)通過WebGIS技術(shù)實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的發(fā)布功能，通過集合流域?qū)傩詳?shù)據(jù)與地理數(shù)據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)圖文一體化操作[16]，從地圖上可以查詢地理位置和相關(guān)屬性信息。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用屬性數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)文件結(jié)合的形式運行，因此實現(xiàn)系統(tǒng)的圖文一體化操作關(guān)鍵在于屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)設(shè)計[17-19]。

屬性數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)各實體表的主鍵(河流ID或湖泊ID)是各矢量圖形的唯一序號，屬性數(shù)據(jù)的每一條記錄都關(guān)聯(lián)著河流或湖泊的矢量數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)同一的靜態(tài)ID是屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)操作的基礎(chǔ)，是客戶端對空間數(shù)據(jù)操作匹配屬性數(shù)據(jù)的唯一依據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)空間數(shù)據(jù)訪問屬性數(shù)據(jù)流程見圖2。

圖2 訪問屬性數(shù)據(jù)流程

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)采用B/S模式，包括數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)器、瀏覽器。數(shù)據(jù)庫軟件采用MS SQL Server、IIS作為Web服務(wù)器，地圖服務(wù)來源于Google在線地圖服務(wù)。系統(tǒng)開發(fā)遵循MVC設(shè)計模式，邏輯上系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和表現(xiàn)層，如圖3所示。

3.2 系統(tǒng)功能

目前，系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了對流域信息的多方式查詢，可以查詢流域內(nèi)河流信息、湖泊信息、坐標(biāo)、圖片等。同時系統(tǒng)也具備多方式的查詢，如點選查詢、條件查詢、全局查詢等。點擊菜單欄的“查詢”圖標(biāo)后，可進行湖泊查詢、河流查詢、坐標(biāo)查詢、圖片查詢。除查詢功能外，系統(tǒng)可對Google底圖進行隨時切換，并可進行地圖的基本操作，比如放大、縮小、復(fù)位、比例尺、鷹眼等。同時不同的水系專題圖可以進行隨時切換并疊加各種圖層顯示。在菜單欄還設(shè)計有圖形編輯功能，能對點、線、區(qū)等要素進行編輯并保存。測量功能可以在地圖上進行長度和面積的測量，打印功能可以打印任意地圖區(qū)域，系統(tǒng)右鍵功能可以在地圖中添加興趣點。系統(tǒng)查詢信息效果見圖4。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

圖4 查詢信息效果

3.2.1 點選查詢

在地圖中加載河流或湖泊的矢量圖層后可以通過對矢量要素的點選，然后矢量要素高亮顯示并顯示圖片信息，點擊鏈接即可查看相關(guān)河流或者湖泊的水文信息、人文信息等。

3.2.2 條件查詢

通過條件查詢可以定制條件，如河流的所屬地市、所屬水系、河流長度，以查詢滿足條件的河流，選擇滿足條件的河流后可以在地圖中標(biāo)注河流的源頭。

3.2.3 坐標(biāo)查詢

通過選擇“坐標(biāo)查詢”選框來進行坐標(biāo)的查詢，只需用鼠標(biāo)在地圖中點擊即可以O(shè)penLayers的Popup標(biāo)注的形式顯示當(dāng)前查詢的坐標(biāo)。

3.2.4 圖片查詢

圖片點擊“圖片查詢”選框啟動查詢圖片功能，地圖上浮動查詢框，通過坐標(biāo)的搜索框?qū)α饔騼?nèi)的河流或湖泊的圖片進行搜索，并以不同的顏色提示顯示在列表最前，點擊即可獲取圖片信息。

3.2.5 全局搜索

全局搜索功能是通過主頁中的搜索框來實現(xiàn)，此功能適合各種用戶，不管對流域內(nèi)的水系是否了解都可以通過輸入關(guān)鍵字，點擊搜索按鈕，即可在相應(yīng)的地點以Popup標(biāo)注的形式在搜索地點顯示地點名稱，隨即可進行相關(guān)要素的詳細信息查詢。

4 結(jié)束語

文中研究并利用OpenLayers開源JS庫實現(xiàn)了流域信息庫系統(tǒng)，利用Visual Studio作為開發(fā)平臺，結(jié)合HTML、JavaScript、Ajax等技術(shù)實現(xiàn)了客戶端的開發(fā)。搜集并整理了流域的相關(guān)地理信息，以MS SQL Server作為底層數(shù)據(jù)庫，以Google在線地圖作為系統(tǒng)底圖，實現(xiàn)了對流域內(nèi)不同信息的查詢，并實現(xiàn)了地理信息系統(tǒng)的一些實用功能。利用OpenLayers開源JS庫能滿足系統(tǒng)所有功能，降低開發(fā)成本，但不能利用數(shù)據(jù)進行分析等，需要進一步完善。

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