面向服务架构的地理要素在线更新

王艳军，徐狄军，李丹农，邵振峰

(1.湖南科技大学地理空间信息湖南省工程实验室，湖南湘谭411201;2.宁波市测绘设计研究院，浙江宁波315042;3.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北武汉430079)

一、引 言

随着下一代互联网、Web2.0、网格计算技术及对地观测技术的发展，按需服务的新地理信息时代已经诞生，面向服务架构的地理信息公共平台可为用户提供互动的沟通服务［1］。利用Web Services技术可对各种空间信息资源进行注册，并提供在线服务，对各种服务资源进行组合，可加工提取更高级的信息，提供更高智能化的服务［2］。当前的地理信息共享存在数据格式多样、空间参考不一、系统重复建设，以及数据更新不能自动传递到相关的数据部门和分布式应用程序［3-4］、信息丰富但共享程度不高等问题，因此需要从面向空间数据的共享发展到面向空间信息服务的共享集成［5］，选择B/S的分布式系统架构，研究基于多级异构空间数据库的地理信息公共服务机制［6］。

地理数据资源存在异构型和很强的分布性，需要实现数据融合集成的有效方法，提高地理数据和处理模型的访问性和重用性，以实现分布式网络环境下的地理数据和处理模型的互操作［7］。多源多尺度空间数据可通过发布为符合开放地理信息联盟(Open Geospatial Consortium，OGC)互操作规范的网络地图服务(Web map service，WMS)、网络覆盖服务(Web coverage service，WCS)或网络要素服务(Web feature service，WFS)来实现网络环境下的跨平台跨浏览器访问和调用。地理处理功能模型可发布为网络地理处理服务(Web processing service，WPS)来实现“一次开发、重复操作”和跨系统平台集成。分布式地理资源融合集成是普适地理信息及公共平台的基础和目标，其中面向服务架构的分布式空间数据在线增量更新是个难题［8-9］。本文采用面向服务架构(service-oriented architecture，SOA)和OGC规范，重点研究面向服务的地理要素在线更新服务及其实现方法。

二、地理空间信息共享的逻辑模型

传统的地理信息系统根据已有空间数据和任务需求，建立空间数据库和消息交互格式，并定义信息分析处理模式，从而实现地理处理任务。这样的系统以数据的拷贝或交换为共享基础，限制了部门应用和信息化建设。地理信息公共平台作为一个整体，提供一站式服务，即服务提供者也可以定制使用服务，服务使用者也可以向平台注册自定义服务。在开放地理信息和互操作方面，OGC已经制订了WMS、WFS、WCS和WPS等标准规范，提供了地理数据向可方便访问和操作的Web Services转换的解决方案。

本文设计的地理空间信息共享框架的逻辑模型(如图1所示)，可将ShapeFile结构、Oracle空间数据库或PostgrSQL数据库等分布式存储的地理数据，通过分布式GIS服务器，发布为符合OGC规范的数据服务和功能服务，以实现空间信息的共享。

三、面向服务的地理要素在线更新

1.地理要素在线更新

分布式地理信息共享业务应用中，地理数据从源数据编辑到重新发布更新是个繁琐复杂的过程，而基于WFS则可针对特定需求实现地理要素数据的在线更新。如在国土资源管理业务内部新审批的建设用地就需要及时更新土地登记发证中的地块，城市道路新规划时则需实时更新交通线路数据等。应用地理要素在线更新服务，可分点、线段和多边形3类要素在浏览器客户端进行编辑操作，并将结果上传到服务器进行几何对象图形和属性数据的保存，成功后便可将最新的数据在客户端进行可视化。

图1 地理空间信息共享框架逻辑模型

上述向服务器发送的XML请求中，＜wfs：Insert＞表示地理要素事务处理类型;＜gml：polygonMember＞表示操作的几何对象，客户端向“TZ：HAILINGDIJI”图层中添加一个空间参考系统为EPSG：2385(代表西安1980高斯-克吕格坐标系统)、节点坐 标 值 分 别 为(494818.25，3593228.428)、(494788.342，3593432.224)等的多边形要素。当添加或修改的几何对象存在数据冗余或形状较复杂时，该XML请求中的坐标点对可能出现数量级上的增加。为了解决多用户频繁操作情况下网络传输和操作速度问题，需要采用有效的数据压缩策略。

地理要素的在线更新服务与传统数据更新方法相比的优点包括：无需安装和借助专业GIS数据编辑工具;客户端可实现多用户并发处理与控制;在线编辑的结果同时更新空间数据库和数据服务，实现跨平台跨部门的数据更新。

2.业务驱动的地理要素更新服务

业务驱动的地理要素更新服务符合OGC的开放互操作标准，主要是通过Web网页实现浏览器的空间分析功能。应用网络地理处理服务WPS，客户端发送符合规范的XML处理请求，由服务器接受请求并验证，构建服务调用参数并执行处理，结果要素集以GML消息文档形式返回WPS客户端。

上述的WPS服务请求XML文档中，＜wps：Execute＞表示服务执行类型;＜wps：DataInputs＞表示服务输入的参数;＜wps：ResponseForm＞表示执行结果的响应形式。该WPS输入了两个地理要素“TZ：ROADS”和“TZ：HAILINGDIJI”的网络要素服务WFS，处理结果为两个WFS数据空间相交部分的要素集合，可方便空间索引的地理要素查找及在线更新操作。

3.空间方向索引的数据压缩策略

网络Web环境下的地理要素更新数据具有几何图形复杂、数量冗余严重、对象分布不均匀等特点，数据在线更新常连续发生和频繁操作，几何对象随时会被编辑［10］。面向服务的架构的地理要素在线更新，将传统的GIS系统数据“查询-浏览”流程转变为“编辑-浏览-更新”的流程，在网络带宽和多用户并发操作情况下，需要灵活的数据结构以组织和存储高度动态化的地理数据。本文提出空间方向索引的数据压缩算法，其可在减少网络传输数据量的情况下保持地理要素的几何特征和主体信息，并以基于数据基态版本增量更新［11］的方式实现有效即时更新和代价最低的有效平衡。

空间方向索引的数据压缩，是根据用户编辑的几何对象形状进行空间8交方向分析，并遵循以下原则：①根据9单元格遍历各节点与相邻点序的8种空间方向索引关系;②相同空间方向索引上的支点可以删除，特征拐点则不能去除;③不同空间方向索引，可根据制图表达综合要求，进行必要的取舍。

空间8交方向索引的数据压缩算法，结合图2将其主要应用步骤描述为：

1)给定的点A，可定义其与相邻点的空间8交方向，如图2(a)箭头所示，点A周围可依次有8种方向关系。

2)遍历几何对象的所有节点，按照点序列计算相邻两点的空间方向关系，建立几何对象的空间方向索引，见图2(b)的步骤1和步骤2。

3)根据相邻空间方向索引的异同，若相同则可删除中间节点，如图2(b)中的点2等;若相邻空间方向索引不同，则保留，如图2(b)中的点4等。

4)根据保留的点序列，建立新的几何对象，并作为最终的数据压缩结果。空间方向索引的数据压缩，具有保留原始几何形状特征功能，并有效地减少数据冗余，图2(b)的压缩比达到50%。

图2 空间方向索引的数据压缩

4.试验分析

本文以某城市基础数据更新为例，利用WFS和WPS实现浏览器端“编辑-浏览-更新”的地理数据在线更新模式，图3是地籍专题业务数据的在线编辑和更新。图3中，根据业务流程对“建制镇”地类中要素代码为“2001010100”的地块进行在线更新，绘制或移动地块几何对象的节点，应用空间方向索引的数据压缩策略减少传输节点的数据冗余，并可以在图3所示的更新界面中填写地块属性信息。

将本实例中地理要素在线更新数据服务结果与源数据，在专业软件ArcGIS数据编辑ArcMap中相叠加，分析发现结果是一致的，从而保证了数据更新的准确度和精度(如图4所示)。同时，基于网络环境B/S浏览器和面向服务的地理信息共享，在线更新后的数据可实时增量更新空间数据库和跨系统平台服务访问和互操作，提高了空间数据更新效率。

图3 专题数据在线编辑与更新

图4 ArcGIS中图3数据的更新编辑效果

四、结束语

分布式地理数据资源的更新是面向服务架构的空间地理信息共享中的重要内容，涉及开放式地理信息系统的维护和运行。笔者通过分析目前地理信息共享中存在的数据更新问题，设计并实现了面向服务的地理要素在线更新方法，并针对大数据量的在线传递问题提出空间方向索引的数据压缩策略，实现了地理数据服务方式的在线更新和增量传递。本文研究方法已用于城市地理空间框架建设中的基础数据更新实践中，未来可拓展应用于各行业专题空间数据的更新。

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