基于GeoServer的等值面图服务实现

罗　泉，陈宁江

基于GeoServer的等值面图服务实现

罗泉，陈宁江

（广西大学计算机与电子信息学院，南宁530004）

根据OGC WMS标准，对GeoServer的WMS服务进行扩展，实现基于IDW算法的动态生成等值面功能，并封装成WMS服务，使用户可以从网络进行调用和浏览等值面图。应用实例表明，具有实时插值，生成等值面图像，动态与地图数据叠加等特点，是对GeoServer软件的有益补充。

GeoServer；Web Map Service；等值面

国家科技支撑计划课题（No.2015BAH55F02）、广西高校优秀人才资助计划（No.[2011]40）、广西科学研究与技术开发计划项目（桂科软13180015）

0　引言

等值面的生成是GIS空间分析中常用的方法。文献[1]利用商业软件ArcGIS的功能，实现了降雨量等值面的绘制，功能满足需求但方案的实施成本高。文献[2]提出基于OGC WPS(Web Processing Service)标准[3]实现常用空间分析功能，并利用免费开源的GeoServer实现了缓冲区分析功能。然而，依据WPS标准，经过空间分析后生成的栅格图像以超链接的形式返回，无法供浏览器直接与其他地图数据结合显示。在实际应用中，等值面图，如温度分布图、降水量分布图等，都需要与实际地图影像进行叠加，以便下一步的分析。使用WPS标准生成的栅格图像，不便直接在地图上进行定位并与地图影像进行叠加。

针对以上问题，本文依据OGC（Open GIS Consortium）WMS（Web Map Service）标准，使用IDW插值算法，设计并实现动态生成等值面的功能，制作成GeoServer软件插件，封装成WMS服务，供用户通过网络进行调用。

1　工作背景

为解决各种异构平台中的GIS空间数据共享问题，开放地理空间信息联盟OGC推出了一系列基于WebService技术的空间数据交互操作标准，如WMS、WFS（Web Feature Service）、WCS（Web Coverage Service）、WPS等。WMS即网络地图服务，提供了一个标准统一的数据访问接口，定义了客户端通过HTTP协议从地图服务器获取地图图像的标准规范。WMS服务既可动态生成地图，也可直接返回静态地图数据。这些地图既可以使用PNG、JPEG等图像格式来呈现，也可以使用KML、SVG等矢量图形来呈现。一个基本的WMS服务包括三个基础操作：GetCapabilities、GetMap、Get-FeatureInfo。GetCapabilities返回服务的元数据信息，元数据包括服务支持的操作、参数以及有效的图层；GetMap返回指定区域的地图图像；GetFeatureInfo则返回用户指定的地理要素信息。客户端可同时请求多个WMS服务，并将返回的地图图像叠加，在一个视图内显示。

GeoServer是OGC标准的一个J2EE实现[4]，采用Spring Web MVC开源框架，所有的WMS请求均由Spring Web MVC的核心控制类DispatcherServlet进行派发，转到GeoServer的核心类ows.Dispatcher中处理。下图的UML时序图描述是一个默认的WMS的GetMap请求响应过程：

（1）浏览器利用HTTP协议，发起GetMap请求。

（2）ows.Dispatcher接收到请求后，调用wms.DefaultWebMapService的GetMap函数进行处理，并最终获得一个WebMap对象，该对象封装了用户所请求的地图空间数据。

（3）ows.Dispatche选用合适的策略，调用ows.Response的Write函数，将WebMap对象渲染成PNG或JPEG等格式的图片，返回给浏览器显示。

wms.DefaultWebMapService由GeoServer核心根据服务名称，利用反射技术动态加载，通过GetMap操作，向浏览器返回请求区域的地图图像。若实现等值面的动态生成、定位及显示，则需要依照WMS标准，实现GetMap操作，在GetMap中完成空间插值、图形渲染等功能。

图1　WMS GetMap请求响应UML时序图

2　等值面服务的设计与实现

等值面是以空间为定义域的连续函数的等位集，一个等值面里的每一个点，其数值是一样的，使用同样的颜色表示。单独的等值面图能表示数值的空间分布及空间变化趋势，连续的等值面图能表示数值的空间、时间内的分布及变化趋势，常用于水文、气象、勘探等行业中。生成等值面其难点在于插值算法，受空间多种因素的影响，同一个样本集采用不同的插值算法，其预测值与实测值的误差不同[5]。为提高插值的精度，需要事先对样本集进行分析以选择合适插值算法。本文使用IDW算法阐述基于GeoServer设计和实现等值面服务的过程。

等值面动态生成服务被设计成为一个通用的WMS服务，参数支持：INTERVALS（分级量值）、INTERVAL_COLORS（分级颜色）、INTERPOLATE（插值方法），实现WMS的三个基本操作，依赖于空间插值算法和渲染类，UML类图如下：

图2　等值面服务UML类图

等值面服务的核心在于GetMap操作，在GetMap中使用空间插值算法插值、分级，并使用渲染类将结果分级着色，渲染成PNG图像。为今后能支持更多的空间插值算法、方便扩展，在设计上采用了工厂模式，运用Spring框架的IoC（Inversion of Control控制反转）机制，可以做到在不修改原有源代码的情况下新增空间插值方法。同时，使用缓存类来缓存渲染的结果，在插值前判断缓存中是否有渲染结果，如果有则直接返回，如果没有则进行插值并渲染，利用空间来缩短响应时间。GetMap的伪代码片段如下：

public WebMap GetMap(GetMapRequest request)throws ServletException,

IOException{

String cachekey=getCacheKey(request);//根据输入参数来获取缓存的索引值

if(ResultCache.InCache(cachekey)){

return ResultCache.Get(cachekey);//缓存中有处理结果，可直接返回

}else{

//获取需要使用的插值算法名称

String iName=GetParam(request,”INTERPOLATE”);

//根据算法名称，获取插值算法对象实例

IInterpolate interpolator=InterpolateFactory.GetInterpolation(iName);

……

//执行插值操作

interpolateResult=interpolator.Interpolate(param1,param2,…);

……

//将插值结果渲染成图像并返回

Return Image.RenderImage(interpolateResult);

}

}

该服务根据浏览器提交参数，使用IDW（Inverse Distance Weighted，反距离权重插值）算法，对浏览器视图范围内的离散点进行插值、分级、着色，并返回PNG格式的地图图像，最后由浏览器完成地图的显示。

根据上述设计完成代码，实现服务程序。此外，还须依据GeoServer的二次开发要求，使用application-Context.xml文件，将该服务注册到GeoServer中：

〈bean id="contoursurfaceService"class="com.geoExtension.wms.ContoursurfaceService"〉

〈bean id="contoursurfaceDescriptor"class="org.geoserver. platform.Service"〉

〈constructor-arg index="0"value="contoursurface"/〉

〈constructor-arg index="1"ref="contoursurfaceService"/〉

〈constructor-arg index="2"value="1.1.1"/〉

〈constructor-arg index="3"〉

〈list〉

〈value〉GetCapabilities〈/value〉

〈value〉GetMap〈/value〉

〈value〉GetFeatureInfo〈/value〉

〈/list〉

〈/constructor-arg〉

〈/bean〉

该配置片段告诉GeoServer，等值面服务名为contoursurface，对应的类为com.geoExtension.wms.ContoursurfaceService，支持WMS 1.1.1，包含GetCapabilities、GetMap、GetFeatureInfo操作。最后，将编译的程序集打包为jar格式文件，拷贝到GeoServer的WEB-INFLib目录中，重启GeoServer，即完成了等值面动态生成服务的安装。

用户只需在浏览器地址栏中输入给定地址，即可调用等值面服务。GeoServer从地址中解析出所需信息，包括：请求的图层、请求的服务名、请求的操作，以及请求的区域坐标、投影等信息，并根据服务名查找对应的类，执行其中的GetMap函数。最后，GeoServer向浏览器响应请求区域内的等值面图形。流程如图3所示意。

图3　GeoServer加载、执行等值面服务流程

3　实验

为验证能否利用等值面服务生成等值面图像，验证该等值面图像能否和其他地图叠加显示，设计如下实验方案：

（1）使用PC作为服务器，配置为CPU 2.5GHz 4核，内存4G

（2）支撑软件为Win 7操作系统，Java 7运行库，Jetty 6.1，GeoServer 2.5

（3）选用800个离散点作为测试数据，包含坐标值和离散点值，以Shape文件格式存储，并导入GeoServer的新图层中，命名为sf:contours；

（4）根据离散数值的频数分布，将离散点值分级；

（5）浏览器端使用开源js框架OpenLayers请求等值面服务，获取相应图像并显示。

在实验中，使用了某地的日降雨量数据，依据数值的频数分布，将数据分为5级：1级[0~0.1]、2级[0.1~1]、3级[1~2]、4级[2~5]、5级[5~15]，并为每个取值区间设置一种颜色。最后，用户使用OpenLayers调用等值面生成服务，OpenLayers获得等值面图像并显示。

图4为样本集在二维平面上的分布情况，每一个点代表一个样本的位置。从图中可以看到，样本并不是均匀分布，部分区域密集，而右上角区域、底部区域只有零星的几个样本。点击样本热点可以查看样本的数值，但无法获知图中任意空白区域的大概数值，无法根据样本集直观分析出数值变化趋势。

图5为等值面服务根据样本集的数值，在可视范围内使用IDW算法插值而动态生成的等值面图，图中的5种颜色代表5种取值区间，颜色由浅到深依次按低到高次序表示不同的样本值区间。根据该图像，可明显看出西北方向区域降雨量较小，东南方向区域降雨量较大。图6为等值面图和样本集地区的地形图实时叠加显示的效果。根据该图像，很直观看出该地区在当日的降雨量分布情况。

图4　样本集分布图

图5　等值面图

图6　等值面、地图叠加效果

通过实验可以看到，该等值面服务能够根据样本集的离散数据，以及用户的输入参数，动态生成等值面图像，并能实时与样本集所在地区的地形图叠加显示，直观地表现出区域内的数值变化趋势，已达到了最初的设计目标。

4　结语

随着计算机网络技术发展，WebGIS技术已普遍应用于人们生活中。GeoServer软件作为一个开源的J2EE应用，遵循OGC标准，支持插件式的二次开发，广泛应用于科学研究、小型的商业WebGIS应用中，是各类WebGIS解决方案中的一个廉价的选择。等值面是GIS应用中常用的空间分析技术，但GeoServer并未提供相关功能。本文针对此问题，根据GeoServer二次开发接口和WMS规范，设计并实现了一个等值面生成服务，供浏览器调用并显示。实验结果显示，该服务实现了预期的效果，是GeoServer软件的一个有益补充。

[1]任斌，吴可，陈洁.基于ArcGIS的降雨量等值面生成系统研究[J].信息技术，2013(9):125~128

[2]姜超，徐青，等.基于OGC WPS的GIS空间分析方法[J].测绘科学,2011，11，36(6):198~200

[3]OGC.OGC Standard[EB/OL].http://www.opengeospatial.org/standards/

[4]张大鹏，张锦，等.开源WebGIS软件应用开发技术和方法研究[J].测绘科学,2011.09，36(5):193-196

[5]胡刚，赵刚，宋慧.不同插值方法对降水量空间不确定性的影响[J].济南大学学报(自然科学版),2012.10,26(4):428~432

[6]张凡，胡春阳，韩军.高性能互操作的OGC WMS系统的研究与实现[J].计算机应用研究，2010，27(5)：1732~1736

GeoServer;Web Map Service;Contour Surface

Implementation of Contour Surface Service Based on GeoServer

LUO Quan，CHEN Ning-jiang

(School of Computer and Electronic Information,Guangxi University,Nanning 530004)

According to OGC WMS standards,extends the GeoServer WMS,and implements a GeoServer plugin which is used generating contour surface based on IDW algorithm and encapsulated into a WMS Service.Users can call the WMS Service from the network and browse the result.The experimental results show that the plug-in with real-time interpolation,it can produce the equivalent surface image,superimpose with map data dynamically.It is good for GeoServer software.

1007-1423（2015）12-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.12.015

罗泉（1979-），男，广西南宁人，在读硕士研究生，研究方向为软件工程、Web服务

陈宁江（1975-），男，广西南宁人，博士，教授，研究方向为软件工程、中间件、网络分布式计算

2015-02-26

2015-04-07