面向服务架构的空间参考系统共享框架的设计与实现

王艳军，邵振峰，慎于蓝

(1.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北武汉430079; 2.华中科技大学电子与信息工程系，湖北武汉430074)

面向服务架构的空间参考系统共享框架的设计与实现

王艳军1，邵振峰1，慎于蓝2

(1.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北武汉430079; 2.华中科技大学电子与信息工程系，湖北武汉430074)

地理数据的空间参考系统已成为当前地理数据和信息共享的瓶颈，基于面向服务的体系架构，应用改进的七参数布尔莎地理坐标转换算法，设计和构建通用的空间参考系统共享框架模型，实现坐标转换网络处理服务和地理信息的共享，并在数字泰州地理空间框架建设中得到验证。

面向服务架构;地理坐标系统;地理信息共享;投影坐标系统;坐标转换网络处理服务

目前，由于空间数据存在多种比例尺、多种空间参考和多种投影类型，1954北京坐标系、1980西安坐标系、地理坐标系和地心坐标系并用，而且不同地方还使用各自的地方坐标系。然而不同的应用需要不同比例尺的空间信息支持，对空间参考系统和投影类型也有相应的要求。地图是将某种统一空间基准测量得到的结果，经投影变换后在平面上进行表示，很难适应基准变化的需求，基准一变，全部数据都得变［1］。投影的不一致严重制约了各类空间数据和信息的共享，也影响了地理数据的跨地域、跨部门使用和互操作。本文在分析这些基础性问题的基础上，设计并实现了面向服务架构的空间参考系统共享框架。

一、空间数据和信息共享面临着投影不一致的基础问题

当前的空间数据共享主要是通过不同空间参考系统间的转换来实现的。空间参考系统，主要包括坐标基准、地理坐标系统和投影坐标系统，是描述地球上各种地理要素空间特性的框架，它主要用来解决空间信息的定位以及与之相关的地图制图和坐标变换等问题。空间参考系统是GIS系统的重要组成部分，不同空间参考系统之间的转换是一个完善的GIS系统不可缺少的部分［2］。

在地理信息共享中，开放地理信息联盟(Open-GIS Consortium，OGC)已经制订了网络地图服务WMS规范、网络要素服务WFS规范等，均指定特定数据服务的空间参考系统(spatial reference system，SRS)，目的是说明数据服务所支持的坐标系统，使各部分地理数据均可以在该坐标系统上进行数据服务发布和访问，方便了GIS应用和空间分析［3］。数据服务的空间参考系统是OGC标准中维护并发布的地理数据集参数。在OGC标准中，每种空间参考系统均有唯一的标识SRS ID号码，与OGP调查和定位委员会(The European Petroleum Survey Group，EPSG)维护的空间参考系统对象的数据集一致［4］。

在地理信息共享中，存在以下需要解决的问题:

1)各类地理数据的投影坐标系统不一致，导致发布数据服务后的空间参考也不同，且可能存在数据误差和地图变形。如我国常用的1980西安坐标系高斯-克吕格投影，其3°分带、37°带的空间参考SRS为“EPSG:2385”。若发布为 WGS-84坐标系(对应的SRS为“EPSG:4326”)，就需要空间参考系统投影转换。

2)不同空间参考系统的地理数据，存在叠加显示和空间分析的问题。同一空间参考系统的数据，也存在不同空间坐标值的转换需求。

二、面向服务架构的空间参考系统框架的设计

1.空间参考系统共享框架的服务架构

地理信息共享中的空间参考系统框架，主要为实现各种坐标系统下的数据组织、管理、共享和融合，并提供地理坐标值转换服务、投影转换服务和不同坐标系统数据叠加服务。空间参考系统框架如图1所示。

图1 空间参考系统共享框架

该框架的主要实现过程包括:

1)当用户请求多个图层数据且其地理坐标系统不一致时，需要确定基准地理坐标系统，选取标准主要是用户需求、实际应用、转换工作量等。

2)大地坐标系统一致性判断，主要是确定坐标系统椭球体参数是否一致，是否具有统一的大地基准。

3)坐标值转换包括大地坐标系统转换和投影坐标转换两个主要部分，具体的方法参见本章第3节。

4)转换生成的结果为统一地理坐标系统的数据，需要进行坐标精度检验和分析。若不合要求，则可反馈重复进行投影坐标系转换，直至满足要求。

2.从地理数据到空间数据服务

在地理数据发布为空间数据服务的过程中，需要指定服务的空间参考系统。地理数据的坐标投影元数据信息主要包括:投影坐标系统空间参考SRS、地球椭球体长/短半轴长度、第一偏心率、地图投影类型等。面向服务的空间参考系统共享框架中，发布该地理数据的目录服务和投影元信息并进行服务注册，供用户访问和调用。如利用1980西安坐标系并采用高斯-克吕格投影的江苏省泰州市行政区划图，发布SRS为“EPSG:2385”的空间信息数据服务WMS，相关的目录服务及空间参考系统信息如图2所示。

与源地理数据不同，空间参考系统的数据服务发布和使用，应用本章第3节中介绍的投影转换网络处理服务(web processing service，WPS)进行空间投影转换，可得到所需的地理数据服务。

图2 从地理数据到数据服务空间参考系统

3.坐标转换WPS

坐标转换WPS，可不依赖传统GIS软件，为大量分布存储的、异质异构的、不同时相的地理数据提供按需坐标转换功能，从而实现面向服务的地理信息应用程序的互操作和分布式数据处理。

坐标转换网络处理服务WPS中的坐标转换算法，一般可用以下步骤实现:

1)将源坐标系统S的坐标变换为对应平面直角坐标;

2)按不同地区选用或求取适当的转换参数(七参数或三参数);

3)根据转换参数将源坐标系统S平面直角坐标转换为目标坐标系统T的平面直角坐标;

4)将目标坐标系统T的平面直角坐标变为对应大地坐标。

详细的地理坐标转换参数方法选取、各坐标系统中平面直角坐标与大地坐标的相互转换见文献［5-6］;改进的七参数布尔莎直角坐标转换算法可见文献［7-9］。

应用坐标转换WPS［10］，客户端发送符合规范的处理请求，由服务器接受请求并验证，构建服务调用参数并进行执行处理，结果以XML消息文档形式发送WPS客户端接受。如

该数据坐标转换WPS请求，是引用上述已经发布的泰州行政数据WFS，空间投影坐标系统由1980西安坐标系高斯-克吕格投影转换为WGS-84坐标系，执行结果为所需投影坐标系统的要素数据集合。

三、试验分析

本文以数字泰州地理空间框架的建设为例，进行相关验证。图3中，底图是1954北京坐标系下的中国省界和主要公路数据，叠加显示的是1980西安坐标系下的江苏省泰州市行政区划图。图4中，底图是1980西安坐标系下的江苏泰州数据，查询点击处周围300 m圆形区域内的宾馆酒店结果。这两种不同坐标系统的空间数据在统一的空间参考系统框架下，能顺利且准确地进行叠加显示和空间分析。在传统的GIS系统中，不同地理坐标系统的空间数据是不能直接进行叠加和空间分析的。在该空间参考系统框架下，各种通用的或自定义的空间数据，可直接访问、调用和互操作，并能实现高级的空间分析功能。

图3 不同坐标系统数据叠加显示

图4 基于空间参考系统共享框架的叠置分析

四、结束语

空间参考系统是地理信息共享中的重要基础和组成部分，笔者通过设计地理空间参考系统共享框架模型，实现面向服务架构的坐标系统转换服务，生成所需坐标系统数据，实现特定的地理处理应用和空间分析功能。本文研究成果是数字城市地理空间框架的有益尝试，未来可拓展应用于各行业专题空间数据的共享服务中。

［1］ 李德仁.论广义空间信息网格和狭义空间信息网格［J］.遥感学报，2005，9(5):513-520.

［2］ 李德仁，邵振峰.论新地理信息时代［J］.中国科学F辑:信息科学，2009，39(6):579-587.

［3］ 张欣英，李欣，朱美正.组件式空间参照系统的研究［J］.计算机工程与设计，2007，28(17):4273-4274，4281.

［4］ 吕志平，刘经南.空间数据基础设施中的坐标参考框架［J］.测绘通报，2001(4):1-3.

［5］ 成英燕，李夕银.适用于不同椭球的高斯平面坐标正反算的实用算法［J］.测绘科学，2004，29(4):26-27.

［6］ 钟业勋，魏文展，李占元，等.由高斯-克吕格投影平面直角坐标反解地理坐标的方法［J］.测绘信息与工程，2003，28(3):25-26.

［7］ 张辉，唐新明，吴侃.基于地理坐标框架下的地物与地形匹配解决方案研究［J］.测绘科学，2007，32(2):90-91，137.

［8］ 杨永崇，郭达志.基于地理坐标的数字地图量算模型［J］.西南交通大学学报，2005，40(3):318-321.

［9］ 亚细波，胡伟平.基于OGC的空间参考与投影引擎在.NET平台上的设计与实现［J］.测绘通报，2008(9):61-63.

［10］ SUN Lizhi，YUE Peng.Web Processing Service for Geospatial Coordinate Transformation［C］∥The 18th International Conference on Geoinformatics.Beijing:［s.n.］，2010.

Design and Implementation of the Spatial Reference System Sharing Framework Based on SOA

WANG Yanjun，SHAO Zhenfeng，SHEN Yulan

0494-0911(2011)06-0022-03

P208

B

2010-11-29

项目来源:国家973计划资助项目(2010CB731800);国家863计划资助项目(2009AA121404);国家自然科学基金资助项目(40801165);中央高校基本科研业务费专项资金资助

王艳军(1984—)，男，湖北枣阳人，博士生，主要研究方向为空间信息共享的理论与方法。