面向國土空間基礎信息平臺的地理分析模型構建方法研究

［關鍵詞］ 國土空間基礎信息平臺；地理分析模型；地理處理工具；服務化封裝；可視化建模

近年來，全國各級自然資源主管部門積極組織建設開放共享、安全可靠的平臺，為國土空間相關規劃和決策提供了強有力的信息支撐[1]。在計算機領域，地理分析模型成為一種重要的可執行程序，有助于用戶理解和解決現實地理問題。應用服務體系是平臺向用戶提供服務能力的基礎[2]，其中，地理分析模型是構建平臺應用服務體系的關鍵工具之一。

王杰[3]等利用ArcGIS構建了一套國土數據庫數據檢驗模型，該模型能夠滿足第三次國土調查數據質檢工作的要求，簡化了程序、提供了數據精度。此外，李夢琴[4]利用GIS軟件構建耕地破碎度評價模型，分析了海南省耕地破碎度的時空變化特征。而趙天瑞[5]等使用ArcGIS建立基于夜間燈光的網格化模型，揭示城鄉垃圾產量的空間不均衡性。這些應用通常需要借助GIS軟件構建地理分析模型，有較高的使用門檻。

1. 研究目標

1.1 構建地理分析模型存在的問題

在平臺中，地理分析模型的典型構建流程是：首先使用GIS軟件、各類地理處理工具等，搭建地理處理工作流，然后定制應用服務[6]，將定制化的服務提供給用戶。然而，上述構建流程存在如下難點：（1）地理分析模型的構建需要借助GIS軟件（例如，ArcGIS、超圖、SAGA等）、各類地理處理工具（例如，TauDEM、Ge?oTools、WhiteBox等）、動態建模平臺（例如，OpenGMS、CSDMS、OpenMI等）等第三方軟件和平臺，其編程語言、運行環境、執行方式存在巨大差異，平臺難以直接使用；（2）地理分析模型的建模過程與GIS軟件緊耦合。常用工具如ArcGIS的ModelBuilder、超圖的Geo?processing Modeler，難以直接與平臺集成，其他不同軟件體系的地理處理工具也不易聯用[7]。

1.2 研究目標

針對上述難點，本文提出一種面向平臺的地理分析模型構建方法。該方法通過統一不同GIS軟件和各類地理處理工具的調用方式，使平臺能夠充分利用豐富的第三方軟件工具。此外，設計并實現可視化工作流構建工具，獨立于GIS軟件，以降低地理分析模型的構建難度，以及建模過程與GIS軟件的耦合性。最后，對構建好的地理分析模型進行標準化封裝，通過統一共享門戶對外發布，向用戶提供平臺的各類應用服務能力。

2. 技術路線

技術路線如圖1所示，主要分為三個步驟：（1）對第三方地理處理工具進行服務化封裝；（2）采用可視化建模方法和工作流技術實現模型構建器，構建地理分析模型；（3）基于REST架構，實現地理分析模型的服務化封裝和調用，通過統一共享門戶向服務對象提供應用服務能力。

3. 地理分析模型構建方法

3.1 第三方地理處理工具服務化封裝

服務化封裝的目的是對第三方地理處理工具資源進行匯聚，屏蔽它們使用方法的異構性，實現網絡環境下的服務化共享[8]。Java編程語言具有高性能、平臺獨立性等特點，借助其第三方類庫，能夠實現平臺與不同編程語言、不同格式的地理處理工具的互操作。使用Java HTTP客戶端框架Forest，能夠便捷地開發和使用REST API。本方法使用Java 編程語言和Forest框架，基于REST架構，對第三方地理處理工具進行服務化封裝和調用，開發統一的內部調用RESTAPI，使其具備服務化能力，實現第三方地理處理工具的統一匯聚，以及不同工具之間的串聯使用。

3.1.1 ArcGIS地理處理工具服務化封裝

使用Python語言編寫ArcGIS地理處理工具調用腳本，將其在ArcMap 中發布為GP 服務，然后使用Java和Forest框架對GP服務的執行和管理進行封裝，得到內部調用REST API。

3.1.2 超圖地理處理工具服務化封裝

超圖的處理自動化提供了基于Java實現的地理處理工具，具備基于標準HTTP協議的REST API。通過Forest框架集成使用，再編寫標準調用接口，封裝得到內部調用REST API。

3.1.3 其他第三方地理處理工具服務化封裝

TauDEM是一套開源工具，能夠利用數字高程模型進行地形分析。它提供了windows操作系統下的可執行程序。使用Java 的Runtime 和Process 模塊進行調用封裝[9]，得到內部調用REST API。在開放網絡環境中，還有許多其他網絡服務化的地理分析模型、地理處理工具和建模平臺，同樣可以通過Forest進行使用，經過服務化封裝，得到內部調用REST API。

3.2 地理分析模型可視化構建

采用可視化建模方法和工作流技術，設計并實現B/S架構的地理分析模型構建器，用于地理分析模型的構建、運行和管理。其特點如下：（1）支持經過服務化封裝的第三方地理處理工具的注冊和使用；（2）使用系統結構框圖表達模型構成要素，可視化的建模方法降低了模型構建難度；（3）具備模型導入和導出功能，支持模型的共享和復用。

模型構建器的主要模塊包括算子配置、模型構建與管理、參數配置、工作流執行引擎等。算子是構建地理分析模型的基本單元，對應經過服務化封裝的第三方地理處理工具。算子配置提供地理處理工具的注冊、編輯和分類功能。模型構建與管理模塊提供基于HTML5的可視化建模界面，以及模型管理功能，支持模型的保存、共享和復用。工作流執行引擎用于工作流的調度和運行，接收相關指令，然后返回執行結果。

3.3 地理分析模型服務化封裝

平臺應用服務體系要求通過統一共享門戶對外提供應用服務能力，以及服務的統一訪問入口。因此，采用Java編程語言對平臺構建好的地理分析模型進行服務化封裝，生成REST API。設計并實現在線的統一共享門戶，為用戶提供應用服務接口使用說明和訪問入口。用戶通過調用REST API發起服務使用請求，門戶的服務管理模塊進行調度，運行地理分析模型，返回結果數據。此外，統一共享門戶還根據不同應用服務的業務需求，定制交互界面，提供一系列功能，包括空間數據的瀏覽、查詢、地圖疊加顯示、二次開發支持等。

4. 應用實例

本方法在南京國圖國土空間基礎信息平臺中進行應用，通過構建一鍵上圖服務，驗證本方法的可用性與有效性。該服務允許用戶一鍵上傳空間數據至平臺，設定相關參數后，平臺自動將數據發布為Arc?GIS或超圖地圖服務，并將其疊加到在線地圖上，供用戶瀏覽和分析。

4.1 地圖服務發布工具服務化封裝

首先安裝ArcGIS 和超圖軟件。針對ArcGIS，編寫基于ArcPy的ArcGIS地圖服務發布腳本，將其發布為GP服務，然后使用Java編程語言進行服務化封裝，得到內部調用REST API。對于超圖，其自身已提供地圖服務發布相關的REST API，在此基礎上使用Java開發超圖服務發布的內部調用REST API。

4.2 地圖服務發布模型可視化構建與服務化封裝

在模型構建器中，注冊ArcGIS地圖服務發布和超圖地圖服務發布兩個算子。在圖形化建模界面中，搭建地圖服務發布工作流，并將其保存為相應地圖服務發布模型。以超圖地圖服務發布模型為例，如圖2所示，該模型的地理處理流程是：（1）接收輸入的空間數據，存儲到系統數據目錄下；（2）進行數據校驗，如果校驗不通過則返回提示信息，通過校驗則進行下一步處理；（3）獲取超圖服務管理器的安全模塊訪問令牌；（4）攜帶令牌執行HTTP 請求，調用封裝好的超圖地圖服務發布REST API，發布服務；（5）返回服務地址。

最后，再使用Java編程語言對構建好的地圖服務發布模型進行服務化封裝，得到調用模型所需的REST API。

4.3 應用服務交互設計與實現

在平臺統一共享門戶中，開發一鍵上圖服務交互界面，通過模型的REST API集成地圖服務發布模型，向用戶提供地圖服務發布功能。用戶還可以借助平臺的交互界面方便地使用該功能。在平臺的在線地圖工具中，用戶只需點擊“添加”按鈕，選擇數據上圖，在彈出窗口上傳空間數據，設置地圖服務類型，然后點擊確認，見圖3。平臺會調度對應模型，將空間數據發布為地圖服務，并疊加顯示到在線地圖上，見圖4。

4.4 與傳統方法的對比

傳統方法在平臺中展示空間數據通常需要繁瑣的步驟，一般流程是：用戶首先使用ArcGIS的Model?Builder，或超圖的Geoprocessing Modeler 等構建數據處理與服務發布模型，生成地圖服務，然后將地圖服務注冊到平臺，最后在平臺地圖上進行疊加顯示。相比之下，本文方法具有明顯優勢：（1）操作簡化：本文方法簡化了平臺用戶的操作流程，平臺提供了預先封裝好的地圖發布服務，省去了用戶使用GIS軟件進行數據處理和建模的復雜步驟。（2）減少耦合：本文方法消除了平臺地理分析模型構建與GIS軟件的緊耦合，可視化建模方法提升了平臺的用戶友好性。（3）擴展性好：本文方法擴展了能夠用于地理分析模型構建的第三方軟件工具來源，不僅限于傳統的GIS軟件，還可以利用豐富的第三方地理處理工具和建模平臺，為平臺提供了更大的靈活性和選擇空間。

5. 結語

針對平臺地理分析模型構建中存在的難點，本文提出一種新的模型構建方法。該方法實現了如下內容：（1）第三方地理處理工具的服務化封裝。使平臺能夠使用豐富的第三方軟件資源，為用戶提供強大的地理分析能力。（2）可視化地理分析模型構建器。采用可視化的方法設計實現了在線工作流構建工具，顯著降低了模型的構建難度，提升了平臺的易用性。（3）地理分析模型的服務化封裝。提高了平臺的服務能力，方便了用戶的使用。通過構建地圖服務發布模型，驗證了該方法的可行性和實用性。這些成果將為未來平臺的建設和應用提供有力支撐，促進國土空間規劃和決策的進一步發展。