基于GRASS GIS的家庭牧场网络信息系统应用研究

郑逢令 ，阿依夏木 ，任玉平 ，易 华 ，贠 静

（1.新疆畜牧科学院草业研究所,新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆畜牧科学院科技信息研究所，新疆 乌鲁木齐 830000）

草地资源调查工作对空间信息技术有着很迫切的需求，在已经做的关于家庭牧场草畜平衡工作中，我们利用地理信息技术和遥感技术绘制出所调查家庭牧场的草场界限、季节利用草场分布图和资源配置图，在此基础上结合开源空间信息技术，基于MAPSERVER和MS4W,建立了和静家庭牧场网络地理信息系统，实现了对草地信息查询的基本功能。而草地信息系统仅仅提供基本功能是不能满足基层和决策层的需要的。举例来说，我们基层的草原工作者常把家庭牧场的界限转绘到专题图或地形图上，在具体工作中要获得面积属性时，要通过经验估计或数公里网格的方式得到。既不方便也不准确，很难达到分析草畜平衡等方面的工作要求，因此我们急需一个服务器端功能强大的空间信息系统来辅助管理家庭牧场。

1 GRASS GIS作为服务端应用开发前景

GRASS GIS作为开源空间信息系统中桌面应用软件已经广泛应用于各个领域[1]，而其作为提供WEBSERVICE服务功能潜力还远远未开发出来。开发基于GRASS GIS的WEBSERVICE信息系统有很大的现实意义和开发前景。其一：可以显著降低成本，假设使用最为流行的ArcGIS Server作为开发平台（ArcGIS Server是ESRI公司推出的服务器端产品，主要可以实现两大功能：1、强大的Web GIS系统的开发；2、分布式GIS系统的开发）ARCSDE＋ARCGIS Server的报价是74万元人民币，这还不包括开发的费用。使用GRASS GIS则只需开发的成本就可以，而且开发出的系统可轻易转移到其他应用方向。其二：GRASS GIS符合OGC标准，技术的发展很快很新，开发者众多。其三：只要在遵守相关协议的基础上可以反复使用，没有商业软件许可证的限制。其四：由于其开源的特性，可针对草业行业需求进行深度定制，整合并模块化一些针对草业的空间信息算法和应用。

2 需求分析

新疆是全国重要牧区，草原面积5.73×107ha，占全疆土地面积的34.4%。由于滥垦乱挖和牲畜数量迅速增加，导致草地退化等严重生态问题。亟需借助先进科学技术监测草原动态变化，提供草畜平衡的实时资料，统筹草原生态治理规划，有效开展草原生态建设。随着航空、航天对地观测科学技术进步，计算机和网络技术发展，新兴的地球信息科学对合理开发利用资源、提高资源利用效率、保护和改善生态环境起着重要作用。

应用开源空间信息技术处理、储存、管理、分析草业基础空间数据，建立家庭牧场草地资源监测技术平台。对掌控草原资源空间分布、动态变化、灾害预测预报和生态建设跟踪管理构建新疆生态安全屏障，建立和谐社会具有重要战略意义。

对家庭牧场的拥有者和基层的如草原站和草地监理，对使用桌面地理信息软件处理基本的栅格和矢量空间数据，都有一定的难度，更别谈利用空间技术管理家庭牧场。WEBSERVICE的家庭牧场草地信息系统，将主要计算集中于服务器端，由于服务器端承担了几乎所有的功能，对客户端的要求不高，家庭牧场草地监测管理等工作可通过手机、笔记本等终端设备完成，提高了系统的实用性和实时性，非专业人士也可以轻松的使用。

3 几种基于GRASS GIS的WEBSERVICE系统架构和特点

3.1 GRASSLinks

GRASSLinks开发于1995年，由美国加州大学伯克利分校Huse博士在其学位论文的基础上开发出来的。GRASSLinks是第一个全功能的在线地理信息系统，实现了通过浏览器访问并使用GRASS的部分功能。GRASSLinks可实现许多地理信息的操作，包括地图显示、空间查询、图层叠加、分类、缓冲分析和面积计算。但此系统建立使用的技术组成为CGI+JavaScript+GRASS(后端），使用栅格格式，而栅格格式的计算量是非常大的，有传输和运算的短板。而且构建GRASSLinks系统的难度偏大，使用的范围相对较窄[2]。

3.2 PyWPS平台

2006年，PyWPS项目由Dbu（德国联邦环境基金会）支持下开始启动，到2010年由私人企业HS-RS作为赞助商。PyWPS由python语言编写，提供了一个可以执行地理模型或空间操作的环境，用户可以方便的使用和访问。PyWPS项目已经开发了可为GRASS GIS提供OGC service WPS (Web Processing Service)应用支持的平台，在这个平台下可以很方便的使用GRASS GIS自有的模块[3]。PyWPS可通过INTERNET提供地理信息系统和其他空间信息软件的功能。另外，PyWPS还可以和一些成熟的开源软件联合使用，如GDAL、PROJ.4、UMN Mapserver，而wps客户端软件可选择QGIS或者OpenLayers等。

3.3 GeOnAS框架（Web Service-based GeoBrain Online Analysis System）

GeOnAS美国乔治梅森大学(GMU)空间信息科学和系统研究中心，在NASA资助的GeoBrain项目研究中，建立的基于SOA框架下的，空间数据处理、分析的功能主要以GRASS GIS模块完成，其目的是通过应用GeoBrain先进的空间信息服务技术，建立适应数据密集型的学习和研究环境，服务于跨学科领域的地球信息科学的教育和研究[4]。GeOnAS可以说是目前最为完整的基于GRASS GIS Web service系统。功能强大，并且还在不断发展和完善当中。其特点是具有跨平台性和互操作性，符合OGC的标准。该平台允许不同平台、不同操作系统的用户共享、交换和重用他们的数据和服务。支持OGC网络栅格服务(WCS)、OGC网络特征服务(WFS)、OGC网络地图服务(WMS)、网络处理服务 (WPS)、OGC GML。

3.4 ZOO Project

在2008年的开源地理信息大会FOSS4G （Free and Open Source Software for Geospatial）上，Gerald FENOY,Nicolas BOZON and Venkatesh RAGAHAVAN提出了ZOO Project这一项目。ZOO Project是一个基于WPS（网络处理服务）的开源项目，执行MIT/X-11许可证发布。它提供了一个标准的OGC WPS的开发人员友好的框架来创建和开发WPS的web服务。其主要目标是收集现有的开源库并使他们以一个标准化的方式沟通，同时提供开发人员一种简单的方法创建WebServices应用[5]。ZOO Project致力应用OGC WPS标准建立网络空间平台，其开发语言主要为C和Python,其中Python解译器已经编译进ZOO的内核，这样可以在ZOO服务应用时可以利用现成的Python库。由C语言为编程语言的zoo kernel处理ZOO服务链,一个ZOO服务包括metadata file（以 .zcfg为后缀）和服务的提供方（可能是动态库、Python模块,JAVA类,PHP脚本）。目前使用ZOO Project架构的GRASS GIS网络服务的应用主要组成包括GRASS GIS 7、ZOO 1.0等，在后面的章节还会详细阐释。

3.5 52°North WPS 架构

52°North成立于德国Muenster大学地理信息大学及附属公司GmbH，作为免费和开源地理空间软件，其基本思路是加强现有软件的合作关系，并通过制定适当的业务模式和组织模式，联合相关研究和行业进行开发。成立之后陆续有许多公司和组织加入，其中2006年，著名环境系统研究所公司（ESRI公司）成为其第四个合作伙伴。 随着时间的推移贡献者和联合项目数量不断扩大，52°North已成为地理信息学领域创新实体，软件广泛用于信息技术环境中运作、研究实验室和教育领域[6]。52°North架构比较复杂，地理信息处理部分是完全以Java为基础的开放源码框架，其网络应用运行在Tomcat server上，地理空间分析功能主要由GRASS GIS完成（当然还可以使用GeoStar或ARCGIS server等平台），目前支持所有的功能和操作规范WPS的版本1.0.0。

由此可知，网络地理信息系统应该符合OGC的有关标准和协议，而OGC WPS协议的出现，使的GIS功能的网路化应用更加强大，其最大的创新之处在于可以通过网络为客户端提供一系列GIS操作的服务调用接口，可以实现从简单的空间分析操作到复杂的全球气候变化模型计算的几乎所有功能[7]。

4 基于GRASS GIS和zoo project框架下的家庭牧场草地信息系统

4.1 基于ZOO PROJECT框架和GRASS GIS的家庭牧场草地信息系统

从上节可知，现在发展最为成熟的基于GRASS GIS的应用框架是52n WPS架构和GeOnAS架构，但其开发的方式相对封闭，结构复杂，而且局限于JAVA等少数编程语言进行开发，不易扩展和应用。ZOO project框架发展非常迅速，可用开发语言众多，扩展性良好，符合OGC的WPS标准，基于以上考虑我们选择zoo project框架的作为家庭牧场草地信息系统的开发平台。

4.2 系统架构和功能

基于ZOO PROJECT框架和GRASS GIS的家庭牧场草地信息系统系统架构如图1所示。从图一可知，GRASS GIS Module首先要转化为XML 处理类型（XML process descriptions），然后通过pyxb（或直接由wps-grass-bridge）将其转化为一个 zcfg文件和一个python服务文件，ZOO Kernel处理和整合这些WPS服务应用，终端用户使用浏览器、Qgis、openlayers等WPS客服端完成属性查询、空间分析、遥感影像处理、矢量处理等传统空间信息系统所具有的功能。这样GRASS GIS的功能模块通过ZOO PROJECT框架，可建立功能完善的家庭牧场草地信息系统，具有编辑、查询家庭牧场专题图、通过挖掘实时遥感数据得到的植被指数的变化，实时监测草地生物量的变化，获得草地退化与恢复的现状，进而评价禁牧、休牧效果。

5 小 结

通过对基层草业工作者的实际需求分析，我们在总结了几种常用的GRASS网络框架的基础上，选择了ZOO－project作为家庭牧场网络地理信息系统的平台。在这个平台下GRASS的所有成熟功能模块可以直接在网络上使用，符合OGC最新的WPS标准。使用的软件是开源的，可以免费、重复使用而不用过多考虑许可的问题。这样建立的家庭牧场网络地理信息系统成本极低、符合国际通用的标准，必将为草业领域的数字化、信息化作出应有的贡献。

[1]M.Neteler，H.Mitasova.Open Source GIS：A GRASS GIS approach[M].Springer，New York，2007.

[2] Li,X.,L.Di,W.Han,P.Zhao,U.Dadi,2010.Sharing geoscience algorithms in a Web service－oriented environment(GRASS GIS example).Computers and Geosciences.Volume 36,Issue 8,Pages 1060－1068.

[3] pywps homepage.[EB/OL].http：//pywps.wald.intevation.org/documentation/pywps－3.2/special/grass.html.2011.2.25.

[4] Han W.,Di L.,Zhao P.,Wei Y.,Li X.,2008.Design and Implementation of GeoBrain Online Analysis System(GeOnAS)in：M.Bertolotto,C.Ray,and X.Li(Eds.)：W2GIS 2008,LNCS 5373,pp.27－36,December 11－12,2008,Shanghai,China.

[5]G.Fenoy,N.Bozon,V.Raghavan[EB/OL].ZOO PROJECT：THE OPEN WPS PLATFORM,www.isprs.org/proceedings/XXXVIII/4－W13/ID_32.pdf,2010.9.15.

[6] 52north homepage.[EB/OL]..http：//52north.org/communities/geoprocessing/index.html.2011.2.21.

[7]高昂.诞生中的WPS规范.[EB/OL].http：//blog.gisforum.net/u/92397/archives/2007/1362.html#,2007.7.12.