基于WebGIS的智慧型測繪地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

匡 慶

（宣城市宣州區(qū)自然資源和規(guī)劃局，安徽 宣城 242000）

0.引言

GIS是一種集采集、查詢、分析和顯示地理位置數(shù)據(jù)于一體的空間信息系統(tǒng)，在能源勘測及城市規(guī)劃上得到了廣泛應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)有著數(shù)據(jù)產(chǎn)品形式單一、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)更新周期長等不足。隨著WebGIS地理服務(wù)廣泛應(yīng)用，空間數(shù)據(jù)采集的規(guī)模不斷升級，為了滿足復(fù)雜的功能需求，其計算能力也需不斷增強，為此設(shè)計一種基于WebGIS的智慧型測繪地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)。國外針對地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計研究較早，各界學(xué)者從不同學(xué)術(shù)角度對信息共享服務(wù)系統(tǒng)進行了創(chuàng)新與優(yōu)化，共享服務(wù)系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在實際中。

國內(nèi)針對共享服務(wù)系統(tǒng)研究較晚，但隨著我國云計算技術(shù)的迅速發(fā)展，已在地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計上取得初步的進展。董通等[2]為加強土壤數(shù)據(jù)的信息化管理，提高土壤信息的共享性，設(shè)計開發(fā)出基于WebGIS技術(shù)的新疆綠洲農(nóng)田土壤信息集成與共享系統(tǒng)，該系統(tǒng)提高了數(shù)據(jù)利用效率。翟皓等[3]基于WebGIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和ASP.NET技術(shù)，開發(fā)了草地資源信息管理系統(tǒng)，為提高草地精細化管理水平提供信息基礎(chǔ)和決策支持。上述研究雖然實現(xiàn)對土壤、草地等信息的集成和共享，但是未對該系統(tǒng)投入使用后的響應(yīng)狀況進行分析和深入研究。為此，本文設(shè)計了基于WebGIS技術(shù)的智慧型測繪地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了不同地點的地理數(shù)據(jù)資源共享，操作方便快捷，并通過實驗與傳統(tǒng)系統(tǒng)進行了對比，結(jié)果顯示該系統(tǒng)響應(yīng)時間短、效率高，適用于地理信息共享服務(wù)工作中。

1.智慧型測繪地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

為讓測繪地理信息數(shù)據(jù)滿足多樣化的需求，基于WebGIS技術(shù)設(shè)計智慧型測繪地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)，整合地理信息相關(guān)數(shù)據(jù)后向所需要的相關(guān)部門提供數(shù)據(jù)共享和交換服務(wù)。為使設(shè)計的系統(tǒng)可以穩(wěn)定并且快速響應(yīng)工作，從硬件和軟件兩部分進行設(shè)計，在硬件部分設(shè)置雙模仲裁單元，以FPGA及兩套ARM為基礎(chǔ)，外置一個SDRAM和FLASH，經(jīng)FPGA連接到ARM芯片外部總線上，利用計算機自帶的雙模冗余CAN總線，為信息共享數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)傳輸通道。連接處理器及時鐘振蕩電路，在電路中設(shè)置一個過流保護裝置，并聯(lián)總線驅(qū)動電路，形成系統(tǒng)的硬件整體結(jié)構(gòu)。軟件部分的設(shè)計，主要采用WebGIS技術(shù)建立一個可訪問的Web組件，構(gòu)建WebGIS技術(shù)架構(gòu)，利用該架構(gòu)處理硬件部分采集的地理信息數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理以及對控制系統(tǒng)運行負(fù)載均衡控制，從而完成智慧型測繪地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計。

1.1 智慧型測繪地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1.1 設(shè)計雙模仲裁結(jié)構(gòu)

計算機承載智慧型測繪地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)的正常運行，所以在設(shè)計系統(tǒng)硬件時，主要針對承載系統(tǒng)運行的計算機進行設(shè)計。在系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)總線經(jīng)FPGA后連接到CPU上，F(xiàn)PGA在系統(tǒng)上電時形成一個EDAC邏輯電路，邏輯電路能夠?qū)偩€上的數(shù)據(jù)進行同步糾錯處理，保證共享數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

為了保證整個系統(tǒng)可靠運行，將雙模仲裁單元分為5部分：看門狗模塊、仲裁邏輯、切換單元、接口映射以及EDAC邏輯。設(shè)計得到的仲裁單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知：設(shè)計看門狗模塊監(jiān)視整個硬件運行狀態(tài)，看門狗內(nèi)部采用三信號串行通信方式，仲裁邏輯采用一個TSC695F處理器作為CPU，連接看門狗電路，設(shè)定EDAC邏輯內(nèi)部的時鐘源為40 MHz，控制切換單元在2分頻后產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘，設(shè)定雙模仲裁單元的運行主頻為20 MHz，在該運行主頻控制下，設(shè)計硬件子計算單元元件。

圖1 設(shè)計的雙模仲裁單元結(jié)構(gòu)

1.1.2 設(shè)計AT697E子計算元件

子計算單元以AT697E處理器為處理核心，在處理器底板總接口連接電平轉(zhuǎn)換接口及總線驅(qū)動，設(shè)置時鐘電路為20 MHz，調(diào)整處理器內(nèi)部倍頻后系統(tǒng)主頻為80 MHz，在處理器配置外連接一個8 MB的SRAM處理器及256 K的程序處理器，采用8 MB的FLASH儲存器，采用FPGA芯片作為數(shù)據(jù)收發(fā)芯片，子計算單元的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知：子計算單元電路結(jié)構(gòu)采用一個獨立的RC振蕩器連接一個計數(shù)器作為總線上的看門狗時鐘，在EDAC模塊內(nèi)設(shè)置七個檢驗位，實現(xiàn)地理信息共享數(shù)據(jù)自動糾錯。設(shè)置處理器采用DSU啟動方式[4]，在芯片外部設(shè)置DSUEN，保證信號高電平有效。綜合上述處理，完成對測繪地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計。

圖2 子計算單元電路結(jié)構(gòu)

1.2 智慧型測繪地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.2.1 矢量空間數(shù)據(jù)的預(yù)處理

在預(yù)處理矢量空間數(shù)據(jù)前，利用WebGIS技術(shù)架構(gòu)如圖3所示，處理硬件部分采集的地理信息數(shù)據(jù)。

由圖3可知：該架構(gòu)主要是利用WebGIS技術(shù)對服務(wù)層進行優(yōu)化設(shè)計，主要包括服務(wù)請求者、服務(wù)注冊中心以及服務(wù)提供商三部分，服務(wù)層作為整個框架的核心，提供WebGIS地圖服務(wù)和遠程服務(wù)。利用硬件部分的應(yīng)用服務(wù)器，為客戶端提供柵格地圖、矢量地圖、屬性查詢等服務(wù)。

圖3 WebGIS技術(shù)架構(gòu)

將在以上過程匯總，需要對地理信息矢量數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，采用WCF編程模型處理完成預(yù)處理過程，利用Linux的階層目錄結(jié)構(gòu)歸類編程代碼，變換Linux軟件包管理器如表1所示。

通過上述過程，將預(yù)處理計算所得數(shù)據(jù)通過不斷變換至如表1所示的Linux軟件包管理器，將測繪地理信息矢量空間數(shù)據(jù)預(yù)處理過程以代碼的形式在軟件中實現(xiàn)，將測繪地理信息整合到系統(tǒng)軟件后，控制系統(tǒng)運行負(fù)載均衡，完成對測繪地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計。

表1 Linux軟件包管理器

1.2.2 控制系統(tǒng)運行負(fù)載均衡

在控制系統(tǒng)運行負(fù)載均衡時，根據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)的請求到達順序及IP地址哈希值分發(fā)請求[5]，均衡系統(tǒng)請求分配，采用剩余負(fù)載來決定后臺服務(wù)器的優(yōu)先級依據(jù)，計算服務(wù)器的優(yōu)先級Fi，如式（1）所示：

式（1）中，i為集群中的節(jié)點；Si為服務(wù)器剩余負(fù)載；Ci為服務(wù)器的性能系數(shù)。當(dāng)計算出的Fi優(yōu)先值的數(shù)值越大，表明服務(wù)器被選中的優(yōu)先級越高。

考慮到服務(wù)器對測繪地理信息收集存在延遲，選擇一臺服務(wù)器進行測繪地理信息分發(fā)共享信息數(shù)據(jù)，為了避免該服務(wù)器負(fù)載超過限制或請求時間過長的異常情況，設(shè)置一個中央控制節(jié)點，周期性收集各個服務(wù)器節(jié)點的信息。中央控制點處理動態(tài)負(fù)載均衡處理的流程如圖4所示。

由圖4可知：將收集得到的服務(wù)器節(jié)點信息發(fā)送至含有負(fù)載均衡算法代碼的模塊中，并在modules文件配置一個指令，保證系統(tǒng)運行負(fù)載的均衡狀態(tài)。綜合上述處理，完成對智慧型測繪地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)軟件設(shè)計。

圖4 動態(tài)控制均衡負(fù)載過程

2.仿真實驗

2.1 實驗準(zhǔn)備

實驗采用已有的云平臺、軟件負(fù)載均衡器、WebGIS應(yīng)用軟件以及服務(wù)器集群，搭建系統(tǒng)測試硬件環(huán)境。系統(tǒng)交互界面如圖5所示，使用的WebGIS軟件環(huán)境如表2所示。

圖5 系統(tǒng)交互界面

由表2可知：采用三臺服務(wù)器分別管理文件、網(wǎng)頁及數(shù)據(jù)庫，客戶端采用硬盤容量為500 GB、內(nèi)存容量為4 GB的8臺計算機設(shè)備，作為系統(tǒng)的測試端口，部署的系統(tǒng)測試環(huán)境如圖6所示。

表2 WebGIS軟件環(huán)境

圖6中，分別使用文獻[1]基于Cesium的地方大地測量數(shù)據(jù)庫平臺、文獻[5]基于無人機傾斜攝影測量的大比例尺地形圖測繪方法與文中設(shè)計的基于WebGIS的智慧型測繪地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)進行實驗，對比三種共享服務(wù)系統(tǒng)的性能。

圖6 系統(tǒng)測試環(huán)境

2.2 實驗結(jié)果及分析

基于上述實驗準(zhǔn)備，為保證實驗結(jié)果的有效對比性，用不同方法進行實驗的數(shù)據(jù)類型與數(shù)據(jù)量均是相同的。控制三種測繪地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)在同一測試環(huán)境下，將測試環(huán)境中的計算機配置在負(fù)載均衡模塊中，并訪問同一靜態(tài)頁面，變換并發(fā)數(shù)值，統(tǒng)計三種系統(tǒng)最終的響應(yīng)時間，響應(yīng)時間結(jié)果如表3所示。

表3 系統(tǒng)響應(yīng)時間 單位：s

由表3可知：隨著并發(fā)數(shù)量不斷增多，三種測繪地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)的響應(yīng)時間均有延長，但整體來講，在相同并發(fā)數(shù)量控制下，傳統(tǒng)共享服務(wù)系統(tǒng)1的系統(tǒng)響應(yīng)時間最長，傳統(tǒng)共享服務(wù)系統(tǒng)2的響應(yīng)時間較短，但文中設(shè)計的共享服務(wù)系統(tǒng)的響應(yīng)時間最短，即使并發(fā)數(shù)量在1900 h，響應(yīng)時間也控制在了3.9 s左右。與兩種傳統(tǒng)共享服務(wù)系統(tǒng)相比，設(shè)計系統(tǒng)的響應(yīng)時間最短。

保持現(xiàn)有實驗環(huán)境，根據(jù)控制的并發(fā)數(shù)量及對應(yīng)的響應(yīng)時間，計算三種系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)效率，如式（2）所示：

式（2）中，L為系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)效率；B為并發(fā)數(shù)量；Tx為并發(fā)數(shù)量對應(yīng)的響應(yīng)時間。采用式（2）計算表3中的各項數(shù)據(jù)得到系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的效率，將此作為自變量，測量在不同傳輸效率下，承載三個系統(tǒng)計算機的功耗，功耗結(jié)果如圖7所示。

圖7 功耗實驗結(jié)果

由圖7可知：三種共享服務(wù)系統(tǒng)在相同傳輸效率控制下，表現(xiàn)出了不同的功耗結(jié)果。從整體來講，傳統(tǒng)共享服務(wù)系統(tǒng)1在相同數(shù)據(jù)傳輸速率下所消耗的平均功耗在240 W左右，傳統(tǒng)共享服務(wù)系統(tǒng)2所消耗的平均功耗在160 W左右，而文中設(shè)計的共享服務(wù)系統(tǒng)消耗的平均功耗在60 W左右。與兩種傳統(tǒng)共享服務(wù)系統(tǒng)相比，文中設(shè)計的共享服務(wù)系統(tǒng)在相同數(shù)據(jù)傳輸速率時，消耗的功率最小。綜上所述，文中設(shè)計的共享服務(wù)系統(tǒng)在實際操作時，系統(tǒng)的響應(yīng)時間最短、功耗數(shù)值最小，適合在測繪地理信息共享中使用。

3.結(jié)束語

隨著Web技術(shù)不斷發(fā)展，對智慧型測繪地理信息共享服務(wù)的需求不斷提升，系統(tǒng)承載共享數(shù)據(jù)量不斷增多，也就對信息共享服務(wù)系統(tǒng)提出了更高的要求。本文提出的基于WebGIS的智慧型測繪地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理過程簡單、服務(wù)響應(yīng)時時間短、系統(tǒng)功耗小，具有較強的應(yīng)用前景。由于條件有限，本文設(shè)計的系統(tǒng)主要是基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)的，未來將對非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進行測試，以進一步提高系統(tǒng)的服務(wù)共享性能。