要素級地圖服務(wù)權(quán)限控制策略與技術(shù)研究

馮推亮，熊小青，王春曉

（1.自然資源部海南基礎(chǔ)地理信息中心，海南 海口 570203）

近年來，隨著計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)和測繪地理信息技術(shù)的快速發(fā)展以及國家政策的支持，各地市“數(shù)字城市”建設(shè)已基本完成，“智慧城市”、物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)也相繼開展，對于基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)的需求將會不斷增長[1]。目前基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)的提供方式為地圖服務(wù)，ArcGIS Server作為地圖服務(wù)器，已被各政府機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位和公眾認(rèn)可，并得到了廣泛應(yīng)用。為了保護(hù)數(shù)據(jù)所有者的權(quán)限，必須對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行安全保護(hù)[2]，針對不同的用戶，需配置不同的地圖服務(wù)，因此需要相關(guān)的運(yùn)維管理平臺對地圖服務(wù)訪問進(jìn)行管理[3]。 ArcGIS Server平臺服務(wù)器具有對應(yīng)的運(yùn)維管理模塊，包括地圖服務(wù)管理、權(quán)限管理和日志記錄等，但其地圖服務(wù)權(quán)限管理功能只能控制到用戶是否能訪問某些地圖服務(wù)的級別，無法對地圖服務(wù)中的要素訪問范圍和切片訪問范圍起到控制作用，需要進(jìn)行二次開發(fā)才能實現(xiàn)該功能。鑒于此，為了滿足實際業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)細(xì)粒度的控制要求，本文設(shè)計并開發(fā)了基于ArcGIS Server的要素級地圖服務(wù)權(quán)限控制系統(tǒng)。系統(tǒng)在ArcGIS Server擴(kuò)展接口的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，采用REST接口[4]、SOI服務(wù)對象攔截器技術(shù)和OpenCV開源輕量級且跨平臺的視覺處理技術(shù)[5]等進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)建成后已應(yīng)用到具體的業(yè)務(wù)中，實現(xiàn)了對地圖服務(wù)要素訪問范圍和切片訪問范圍的有效控制。

1 權(quán)限控制架構(gòu)設(shè)計

地圖服務(wù)權(quán)限控制采用SOA架構(gòu)，包括基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層，如圖1所示。SOA架構(gòu)便于實現(xiàn)跨平臺和互操作，利用 REST接口實現(xiàn)一種松散耦合的異構(gòu)式環(huán)境的集成，采用OGC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范接口構(gòu)建面向服務(wù)的集共享服務(wù)提供方、使用方和管理方于一體的地理信息數(shù)據(jù)共享框架體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)基于統(tǒng)一注冊和分級授權(quán)的服務(wù)組織模式與運(yùn)行管理機(jī)制，從而實現(xiàn)地理信息共享交換的持續(xù)發(fā)展[6-8]。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基礎(chǔ)層包括存儲、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、安全設(shè)備等，為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層的建設(shè)與運(yùn)行提供基礎(chǔ)保障。數(shù)據(jù)層采用Oracle關(guān)系型數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)和應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)提供高效存儲，采用文件系統(tǒng)存儲地圖切片數(shù)據(jù)。服務(wù)層基于Web API開發(fā)框架，利用RESTful風(fēng)格構(gòu)建地圖服務(wù)目錄、服務(wù)代理、切片訪問控制、要素訪問控制、切片處理和地圖服務(wù)權(quán)限管理等模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)層業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)，為應(yīng)用層的數(shù)據(jù)展現(xiàn)和功能實現(xiàn)提供服務(wù)接口。應(yīng)用層包括外部的App移動端和Web應(yīng)用程序端的服務(wù)使用方以及框架內(nèi)部的地圖服務(wù)運(yùn)維系統(tǒng)的管理方。

2 權(quán)限控制策略設(shè)計

權(quán)限控制策略主要由地圖服務(wù)目錄、服務(wù)代理、切片處理、地圖服務(wù)權(quán)限管理端、切片訪問控制和要素訪問控制等模塊組成。具體控制策略和流程結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 權(quán)限控制策略流程圖

App移動端或Web客戶端通過訪問地圖服務(wù)目錄提供的服務(wù)地址訪問系統(tǒng)提供的地圖服務(wù)，目錄服務(wù)將客戶端的請求提交給服務(wù)代理，由服務(wù)代理根據(jù)請求的服務(wù)類型調(diào)用對應(yīng)的處理程序，若是請求切片則調(diào)用切片訪問控制模塊來處理客戶端的請求，切片訪問控制模塊再調(diào)用切片處理工具，根據(jù)級別和行列號參數(shù)提取原始切片并進(jìn)行空間關(guān)系運(yùn)算和透明化等處理，最后將處理后的切片返回給客戶端；若是請求要素查詢則調(diào)用要素訪問控制模塊來處理該請求，根據(jù)客戶端傳遞的查詢參數(shù)進(jìn)行要素查詢，并根據(jù)用戶的可訪問范圍對要素查詢結(jié)果進(jìn)行空間過濾處理，最后將處理后的結(jié)果返回給客戶端。

2.1 權(quán)限控制數(shù)據(jù)庫設(shè)計

權(quán)限控制數(shù)據(jù)庫用于保存用戶、地圖服務(wù)、權(quán)限范圍信息。數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)主要包括用戶表、用戶組表、地圖服務(wù)表、范圍表、用戶與地圖服務(wù)關(guān)系表、用戶與范圍關(guān)系表、業(yè)務(wù)系統(tǒng)表、業(yè)務(wù)系統(tǒng)秘鑰表等，具體結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)說明

2.2 地圖服務(wù)目錄

REST是一種軟件架構(gòu)風(fēng)格，由Roy Thomas Fielding 博士于2000年提出，是一種針對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的設(shè)計和開發(fā)方式，可降低開發(fā)的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)的可伸縮性。通俗地說，即網(wǎng)絡(luò)中的所有資源都有唯一的網(wǎng)絡(luò)地址與其一一對應(yīng)[9]。

地圖服務(wù)目錄模塊的主要功能是采用REST架構(gòu)風(fēng)格將系統(tǒng)的地圖服務(wù)通過REST接口對外提供地圖服務(wù)的調(diào)用地址和詳細(xì)信息，類似于ArcGIS Server 的Services目錄服務(wù)，從而方便用戶快速查找相關(guān)的地圖服務(wù)。相關(guān)部分代碼為：

2.3 服務(wù)代理

服務(wù)代理模塊的主要功能是接收來自地圖服務(wù)目錄提交的服務(wù)地址。通過服務(wù)地址提取Token（ArcGIS 的令牌）、key（秘鑰）和userid（用戶id）參數(shù)驗證 key 的有效性，通過Token驗證用戶是否有權(quán)限訪問該地圖服務(wù)以及該服務(wù)是否設(shè)置了要素可訪問范圍的限制；再根據(jù)服務(wù)地址識別請求的服務(wù)類型，若請求切片，代理則將調(diào)用切片訪問控制模塊進(jìn)行切片訪問控制操作，同時將傳遞范圍信息給該模塊，若請求要素查詢，代理則將調(diào)用要素訪問控制模塊進(jìn)行要素查詢控制操作，同時將傳遞范圍信息給該模塊。

2.4 切片訪問控制

切片訪問控制模塊的主要功能是接收來自服務(wù)代理模塊傳遞的服務(wù)地址和訪問范圍信息。通過服務(wù)地址和訪問范圍信息進(jìn)行數(shù)據(jù)庫查詢，得到切片處理工具處理好的切片存放路徑，并根據(jù)切片請求地址中的行列號和級別信息調(diào)用后臺切片讀取程序讀取相應(yīng)的切片文件，再將切片以二進(jìn)制流的形式返回給客戶端。

2.5 要素訪問控制

要素訪問控制模塊的主要功能是接收來自服務(wù)代理模塊傳遞的服務(wù)地址和訪問范圍信息。以Query查詢?yōu)槔瑢⒃L問范圍與用戶輸入的圖形進(jìn)行空間關(guān)系運(yùn)算，若訪問范圍與輸入圖形無交集，則結(jié)束請求并提示超出權(quán)限范圍；若訪問范圍包含輸入圖形，則將Query的geometry參數(shù)設(shè)置為用戶輸入的圖形；若訪問范圍與輸入圖形相交，則將Query的geometry的參數(shù)設(shè)置為訪問范圍與輸入圖形相交計算的交集。然后，調(diào)用ArcGIS Server 的對應(yīng)接口獲取要素查詢結(jié)果，若客戶端請求地址的參數(shù)中設(shè)置了需對查詢結(jié)果進(jìn)行裁剪，則將訪問范圍與查詢結(jié)果進(jìn)行相交運(yùn)算，只保留訪問范圍內(nèi)的要素，最后將結(jié)果以JSON格式返回給客戶端。

2.6 切片處理

切片處理模塊的主要功能是對ArcGIS Server生成的切片文件進(jìn)行二次處理。讀取boundle文件中的每張瓦片，并與訪問范圍進(jìn)行空間關(guān)系運(yùn)算，將訪問范圍之外的部分進(jìn)行透明化處理；然后將每張瓦片重新存儲到新的切片文件中。對每個服務(wù)切片、每個級別、每行每列進(jìn)行相同處理，最終生成指定訪問范圍的地圖服務(wù)切片。相關(guān)部分代碼為：

2.7 地圖服務(wù)權(quán)限管理端

地圖服務(wù)權(quán)限管理端的主要功能是集成ArcGIS Server發(fā)布的地圖服務(wù)。集成業(yè)務(wù)系統(tǒng)獲取其用戶和角色數(shù)據(jù)，通過服務(wù)權(quán)限配置功能可為每個用戶配置可訪問的地圖服務(wù)以及每個服務(wù)里用戶能訪問的空間范圍，同時提供切片處理工具運(yùn)行的啟動按鈕和工具運(yùn)行相關(guān)的配置項管理。相關(guān)界面如圖3 所示。

圖3 地圖服務(wù)權(quán)限管理端界面

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 SOI技術(shù)

ArcGIS Server平臺服務(wù)器提供SOI擴(kuò)展開發(fā)接口，即服務(wù)對象攔截器接口，目前支持使用.NET或Java進(jìn)行二次開發(fā)。利用攔截器可攔截到客戶端發(fā)送的地圖服務(wù)要素查詢請求或服務(wù)響應(yīng)的結(jié)果，在攔截器中開發(fā)者可修改客戶端發(fā)送請求的參數(shù)再繼續(xù)請求服務(wù)，也可修改地圖服務(wù)查詢結(jié)果再將修改后的結(jié)果返回給客戶端。本系統(tǒng)采用攔截器攔截了客戶端的請求，并對查詢的參數(shù)進(jìn)行了修改；再繼續(xù)請求服務(wù)；然后對服務(wù)響應(yīng)的結(jié)果再次進(jìn)行攔截，并修改查詢的結(jié)果；最后把修改后的結(jié)果返回給客戶端。

3.2 OpenCV技術(shù)

OpenCV是一種開源輕量級且跨平臺的視覺處理庫，支持C#、Java、C++等主流開發(fā)語言 。利用OpenCV可實現(xiàn)圖像處理操作、構(gòu)建圖形用戶界面、視頻分析、人臉和目標(biāo)檢測以及形狀分析等功能。本系統(tǒng)采用OpenCV的圖像處理功能進(jìn)行瓦片處理，將每張瓦片轉(zhuǎn)換為圖片，再利用特定的訪問范圍與瓦片圖片進(jìn)行比較，對超出訪問范圍的圖片部分進(jìn)行透明化圖像處理，最后將瓦片圖片保存到新的切片文 件中。

4 技術(shù)實現(xiàn)與對比實驗

4.1 技術(shù)實現(xiàn)

技術(shù)實現(xiàn)時，實驗網(wǎng)絡(luò)環(huán)境采用局域網(wǎng)，開發(fā)環(huán)境采用DotNet Framework 4.5+VS 2013，數(shù)據(jù)庫采用Oracle關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，實驗數(shù)據(jù)采用地理國情普查地表覆蓋數(shù)據(jù)。系統(tǒng)利用ArcGIS Server SOI擴(kuò)展接口進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)語言選用C#。

4.2 要素控制對比實驗

本文將某地區(qū)兩個行政區(qū)交界區(qū)域的地表覆蓋圖層發(fā)布為要素服務(wù)，通過上述要素訪問控制技術(shù)進(jìn)行控制，并進(jìn)行不同行政區(qū)劃下數(shù)據(jù)控制的對比實驗。實驗結(jié)果如圖4、5所示，可以看出，未對訪問范圍進(jìn)行控制時，可同時查看兩個行政區(qū)的數(shù)據(jù)，空間點選查詢均正常；對其中的一個行政區(qū)的訪問范圍進(jìn)行限制時，該行政區(qū)以外的數(shù)據(jù)沒有顯示，點選也無法查詢，能保證無限制訪問區(qū)域數(shù)據(jù)的顯示效果，點選效果正常。實驗結(jié)果表明，對用戶設(shè)置訪問范圍前，用戶可查詢?nèi)∫兀O(shè)置訪問范圍后用戶只能查詢指定范圍內(nèi)的要素。

圖4 要素訪問控制前效果圖

圖5 要素訪問控制后效果圖

4.3 切片控制對比實驗

本文將上述地表覆蓋圖層發(fā)布為切片服務(wù)，通過切片訪問控制技術(shù)進(jìn)行控制，并進(jìn)行不同行政區(qū)劃下數(shù)據(jù)控制的對比實驗。實驗結(jié)果如圖6、7所示，可以看出，未對訪問范圍進(jìn)行控制時，可同時查看兩個行政區(qū)的數(shù)據(jù)，空間點選查詢均正常；對其中的一個行政區(qū)的訪問范圍進(jìn)行限制時，該行政區(qū)以外的數(shù)據(jù)沒有顯示，點選也無法查詢，能保證無限制訪問區(qū)域數(shù)據(jù)的顯示效果，點選效果正常。實驗結(jié)果表明，對用戶設(shè)置訪問范圍前，用戶可查看該服務(wù)全省的切片，而設(shè)置訪問范圍后用戶只能查看指定范圍內(nèi)的切片。

圖6 切片訪問控制前效果圖

圖7 切片訪問控制后效果圖

4.4 結(jié)果分析

針對該地圖服務(wù)，在未對用戶設(shè)置訪問范圍權(quán)限時，用戶可查看全省的切片和進(jìn)行全省的要素查詢，但在對用戶設(shè)置訪問范圍權(quán)限后，用戶只能看到指定區(qū)域的切片和進(jìn)行指定區(qū)域的要素查詢。通過切片訪問控制效果對比圖和要素訪問控制效果對比圖可知，本系統(tǒng)提出的權(quán)限控制策略可根據(jù)用戶可訪問范圍進(jìn)行切片顯示和要素查詢的空間范圍控制。

5 結(jié) 語

針對當(dāng)前ArcGIS Server的地圖服務(wù)權(quán)限管理體系只能控制到用戶是否有權(quán)限訪問某些服務(wù)的級別，無法滿足對地圖服務(wù)中指定空間范圍內(nèi)要素的訪問控制問題，本文基于SOI服務(wù)對象攔截器技術(shù)和OpenCV開源圖像處理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，提出了基于ArcGIS Server的要素級地圖服務(wù)權(quán)限控制策略，利用DotNet Framework 4.5+VS 2013的開發(fā)環(huán)境、Oracle關(guān)系型數(shù)據(jù)庫環(huán)境和局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行了技術(shù)實現(xiàn)，并利用地理國情普查地表覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行了實驗。實驗結(jié)果表明，該策略可對地圖服務(wù)進(jìn)行要素級別和訪問范圍級別的精細(xì)化權(quán)限控制，加強(qiáng)了地圖服務(wù)權(quán)限的管理。該策略建成后經(jīng)過不斷的測試和完善，已運(yùn)行穩(wěn)定并及時應(yīng)用到實際生產(chǎn)環(huán)境中，滿足了實際業(yè)務(wù)對地圖服務(wù)訪問更精細(xì)化控制的需求，增強(qiáng)了地圖服務(wù)權(quán)限精細(xì)管理能力。