基于WebGIS的地震应急数据共享系统研究

魏艳旭，杨锐，刘晓丹，贾军鹏

(河北省地震局，河北石家庄　050000)



基于WebGIS的地震应急数据共享系统研究

魏艳旭，杨锐，刘晓丹，贾军鹏

(河北省地震局，河北石家庄050000)

摘要：利用WebGIS技术，在ArcGIS Server平台下构建了地震应急基础数据共享系统，通过局域网向局内用户提供地震应急数据服务，在客户端通过浏览器能够进行数据的浏览、查询、空间及统计分析等，系统不依赖于桌面GIS软件，具有成本低、跨平台、应用简单的特点，访问快速高效，使地震应急基础数据得到更广泛的应用，为地震局各部门参与抗震救灾工作提供数据支持。

关键词：地震应急；数据共享；WebGIS；ArcGIS Server

0引言

目前，提高地震应急能力是减轻地震灾害最为有效的途径，应急数据是地震应急救援的重要信息保障。地震应急数据包括空间数据和属性数据，空间数据又分为矢量格式和栅格数据格式，数据量非常大、种类多、结构复杂，并且浏览需要本机上GIS软件的支撑，不能让大多数用户共享[1]。

如何使地震应急基础数据得到更广泛的使用，成为实际需要研究的重点问题。WebGIS技术的应运而生，使地理信息数据可通过互联网进行发布，客户端通过普通浏览器便可随时随地浏览地理数据和获取丰富的GIS服务。利用WebGIS进行地震应急数据的发布，能够充分发挥地震应急基础数据在日常工作和抗震救灾中的价值[1-3]。

WebGIS是GIS技术与互联网技术的有机结合，具备了开放性、跨平台、分布式、远程操作、成本低等特点[1]。

1WebGIS相关技术简介

1.1ArcGIS Server简介

ArcGIS Server是基于Web的企业级WebGIS应用软件平台，是一个用于构建集中管理，支持多用户的企业级GIS应用的平台，提供了丰富的GIS功能。ArcGIS Server具有以下特点： ①标准的技术框架；②高度集中化的管理；③高级GIS分析能力；④丰富的网络控件；⑤跨平台功能；⑥支持大量的并发访问，具有负载均衡能力；⑦高度安全的连接及访问，可以分别在GIS服务器和Web服务器采取安全措施。ArcGIS Server系统由GIS 服务器、Web服务器、Web浏览器和桌面应用组成[4]，利用分布式对象技术可分别配置在多台计算机上进行协同工作。

1.2Ajax技术

数据共享系统数据量大，在传输过程中受到网络带宽的限制，当用户浏览地图和查询信息时，需要有较快的响应速度，在地震数据共享系统的查询及分析功能中，使用了Ajax技术，Ajax采用异步通信方式，根据需要向服务器请求数据，可以局部刷新页面，减少了数据传输量，减轻网络和服务器端的负担，从而解决了频繁向服务器发送请求时的响应速度问题。

系统服务器端采用地图切片技术，通过地图预渲染技术，对地图进行分级分块渲染，建立栅格金字塔，当客户端窗口发生变化时，浏览器便在后台下载所需地图切片，并渲染客户端地图窗口，下载的切片还可以保留一段时间，有效利用了客户端缓存，提高了系统的效率，减轻了服务器的负担。基于Ajax的地震应急数据共享系统模型如图1所示。

2系统设计与实现

系统服务器端程序基于.Net平台实现，利用ArcGIS Server二次开发创建GIS应用程序和服务，客户端采用Ajax技术。

2.1系统运行环境

(1)服务器端运行环境。本系统WebGIS服务平台采用专用Web服务器配置方式，即Web服务器和GIS服务器分别安装在不同的服务器上。一台作为GIS服务器，安装提供GIS服务的SOM(服务对象管理器)、SOC(服务对象容器)。另外一台服务器作为Web服务器，在Web服务器上安装ADF。采用这种配置方式可以在GIS服务器的负荷增加或者需要优化系统性能时，将SOM和SOC进行分布式安装，也可以随时增加SOC机器，方便扩展。

Web服务器：Microsoft IIS+ArcGIS Server.NET ADF runtime；

GIS服务器：ArcGIS Server(包括SOM和SOC)+Microsoft IIS+ Oracle客户端+ArcGIS桌面软件；

数据库服务器：ArcSDE+Oracle；

(2)客户端采用普通电脑，IE等网络浏览器浏览均可。

2.2系统的体系结构

地震应急数据共享系统采用B/S的结构，在层次上可以分为表现层、Web层、业务逻辑层和数据层4个层次。基于ArcGIS Server的地震应急基础数据共享系统的体系结构如图2所示。

图2　地震应急基础数据共享系统体系结构

采用客户端—Web服务器—GIS应用服务器—GIS数据库模式，对服务器进行合理的配置和部署，各层分别完成不同的功能服务，一些简单的地图操作将在客户端执行，负责地图渲染、空间分析的计算功能在服务器端完成，达到了资源的合理分配，使网络负载平衡。同时，提高了系统的稳定性，系统便于维护和更新，增加了系统在大量并发访问下的处理能力。

2.3服务器的管理与配置

利用ArcCatalog通过局域网连接到GIS Server，可以浏览当前可用的服务器对象列表并可以对当前运行在服务器上的服务器对象进行管理。对GIS服务器的管理包括：添加SOC、添加Server Object、增加和删除Server机器、配置 Server路径、设置清除方式和最大文件时间、设置Log文件路径、统计页面等操作。

2.3.1服务器对象的管理和使用

服务器对象的管理包括服务对象的创建、维护、启动、暂停、停止和删除等操作。还可以对相关参数，如服务对象的类型、池化方式等进行设置。

服务器对象的生命周期有2种管理方式，分别是服务器对象的池化管理方式和非池化管理方式。为了充分利用硬件资源并且避免冲突，本系统针对不同权限的用户，分别使用2种服务器对象模式，对普通使用用户，设置为池化模式，提高效率；而对系统管理员设置为非池化方式，便于编辑数据。

2.3.2GIS服务器的安全管理

GIS服务器的安全是通过操作系统的账户认证来实现的，GIS 服务器管理员通过设置计算机管理中的用户管理栏目，通过设置用户组，授权SOM上的用户群agsusers和SOC机器上的用户群agsadmin中的成员才有权限连接GIS服务器。只有agsadmin群中的成员可以管理GIS服务器。

Web服务器的操作系统账户也必须属于GIS服务器的agsusers或agsadmin中的成员才能与GIS服务器交互。另外还需要在web程序的系统配置文件Web.config 中增加identity标识元素：

。

2.4地图数据的发布

在ArcGIS Server中有5种服务对象，本系统主要用的是Map Service，它是一种展示地图服务的对象。Map Service须是.mxd格式的地图文件。

ArcGIS Server所发布的地图数据是利用ArcMap创建.mxd文件，然后把mxd发布成为地图服务，如果需要动态添加数据、图层等，可以在服务的基础上，从数据库中或者是数据文件夹中动态添加图层数据，这必须利用程序实现。.mxd文件存储设置成相对路径保存，以免数据改变位置后，找不到源数据，导致地图服务不能使用。

为了方便组织和管理，在创建地图文件时，对相同类型的数据可以设置图层组；为了方便用户浏览和操作，可以选择不显示某些不常用的图层，在需要的时候再添加；还可以使图层按照比例尺大小逐级显示。

地图服务可以由ArcCatalog或ArcGIS Server Manager来管理和发布，采用ArcCatalog管理，需要利用ArcCatalog添加GIS Server，通过输入IP地址等信息来识别GIS Server服务器，创建连接，便可用ArcCatalog来实现对GIS服务器的管理和发布地图服务。

2.5系统功能

利用WebGIS技术实现地震应急基础数据的管理，系统的数据包括地震应急基础数据库的相关数据，全省1∶5万的基础地理信息数据、活动断裂分布、历史地震分布、交通分布、人口、经济统计数据等信息。

系统提供的主要功能为数据浏览，空间数据和属性数据的查询检索，缓冲区分析等功能。系统的主界面如图3所示。

2.5.1电子地图基本浏览功能

地震应急数据共享系统提供给用户电子地图浏览的基本功能，有放大、缩小、漫游、全图、距离量测、面积量测、放大镜、前一视图、后一视图等。为了使用户更方便的浏览矢量基础地理数据，系统利用显示地图的比例尺大小来控制图层的显示状态。

2.5.2电子地图查询功能

根据图形要素查询属性信息，即利用鼠标选择查询，在本系统中提供三种方式，包括点查询、矩形查询和多边形查询。

图3　地震应急数据共享系统

点查询，查询单个点的详细信息。拉矩形框查询，用户鼠标拖动的矩形框范围为所查询区域，和矩形框相交的要素，放到选择集中，高亮显示，并在另外一个页面中显示所选要素的属性信息。多边形选择查询类似矩形框查询，不过它可以允许用户选择一个不规则的区域进行查询。

以矩形查询为例，通过RectangleEventArgs 获取客户端圈定的矩形的范围，然后把获取的矩形坐标用ToMapEnvelope方法转化为与地图一致的坐标，继而寻找想要查询的图层并在该图层上进行查询，然后设定查询条件，并将查询结果放到datatable中，把datatable中的数据传送到页面的显示控件GridView中进行显示。空间查询的流程图如图4所示。

2.5.3空间分析功能

本系统提供点缓冲区分析功能，通过生成的缓冲区面与所要进行缓冲区分析的图层进行相交分析，高亮显示缓冲区范围和缓冲区内的要素以及缓冲区范围内的要素的属性信息。缓冲区分析时需要选择分析图层，设定缓冲距离和单位等条件，并把这些参数信息发送到服务器，服务器解析这些信息并进行处理，建立缓冲区，然后将该图层与需要进行缓冲区分析的图层进行叠置分析，将处理结果返回到客户端。

使用缓冲区分析功能，可以得出以缓冲距离为半径的灾区各项重点目标数据或建筑物等的信息，为抗震救灾决策提供支持。

3系统性能优化

为了提高系统的使用效果，从数据的优化、传输时间的优化、地图渲染时间、查询地图时间几个方面来优化系统性能。

(1)系统是采用B/S模式，系统效率受到网络性能的影响较大，从数据以及数据传输的方面考虑优化系统性能，除了可以改善网络的性能，可以减少数据量的传输。在本系统中采用2种方法。一是数据分层。系统初始化时加载较少量的数据，根据需要随时添加所需图层，降低网络传输数据量。另一种方法是采用Ajax技术。采用Ajax技术，如要处理回调事件必须实现ICallBackEventHandler接口，回调的结果必须是一个字符串。在ArcGIS Server Web ADF中，Web ADF控件实现ICallBackEventHandler，控件生成回调结果是字符串，客户端JavaScript库函数处理回调响应结果，采取提交部分控件进行更新，实现页面的局部刷新，提高访问速度，不必打断用户的操作，使用户有良好的视觉感受。采用这2种方法，不需下载任何插件，便减轻了服务器的负担，使客户端资源得到充分利用。

图4　空间查询流程图

(2)合理的组织数据。系统使用的是SDE中的数据，可以从2方面对数据进行调整，一个是属性字段的索引，一个是空间索引大小的调整。对使用频率高的属性字段建立索引，空间索引大小的调整会对浏览和查询的速度产生很大影响。空间索引大小的调整要依据数据每个单元的大小而定。一般建立二级索引，其中第二级是第一级的4～5倍。

(3)使用Cache缓存实现性能优化。利用ArcGIS Server的地图缓存服务，地图缓存根据预定义的比例尺级别创建，生成地图切片保存在Web服务器上，客户端访问地图服务时，只需读取地图切片，提高地图的存取速度和并发能力。但是，在服务器端生成地图缓存的时间和设定的地图缓存分级与数量成反比，时间太长会影响地图浏览与应用，所以要根据实际情况选择合适的地图缓存级别。本系统采用Cache Service和Map Service相结合的方式，即将数据分成两部分，不经常更新的那部分数据做成Cache Service，经常更新的那部分数据就做成Map Service。这是一个性能上的折中方案，它结合了Cache Service的高性能和Map Service的灵活性。

(4)合理的组织MXD文档。本系统中发布的地图服务是MXD格式的文件，通过对MXD文档的合理组织实现性能优化。

(5)提高SOC机器的性能。SOC机器中运行的服务器对象负责处理具体的GIS操作，所以提高SOC性能对整个系统来说非常重要。

(6) 数据综合可以减少数据集中包含的信息量，从而缩短渲染时间，提高系统速度。

4结语

地震应急数据具有信息量大、面向多用户、时效性强等特点，迫切需要实现数据集中管理与开放共享，本文提出的地震应急数据共享系统能够为地震应急工作提供一个简单、开放的平台，是一套多用户管理、访问快速、可靠性高的系统，利用ESRI公司的ArcGIS Server平台及.NET ADF框架进行开发，采用客户端—Web服务器—GIS应用服务器—GIS数据库模式，使网络负载平衡，提供了行政区划数据、人口分布、建筑物分布、交通情况、经济状况、影像数据等丰富的信息，实现原来在单机上才可以进行的GIS数据查询和分析，从而可以及时、自动地为地震应急提供翔实的背景资料。

参考文献：

[1]帅向华，姜立新，成小平.利用WEBGIS实现地震灾害信息数据的管理[J].自然灾害学报，2003,12(4):110-114.

[2]侯建民，刘瑞峰.基于WebGIS的地震目录数据发布系统研究[J].地震地磁观测与研究，2008,29(2):106-111.

[3]廖丽霞，陈琳.浅谈WebGIS在地震系统中的应用[J].福建地震，2007,23(12):12-16.

[4]ESRI. ArcGIS Server Administrator And Developer Guide[R].New York:ESRI Corp,2004：1-20.

RESEARCH ON EARTHQUAKE EMERGENCY DATA SHARING SYSTEM BASED ON WebGIS

WEI Yanxu,YANG Rui,LIU Xiaodan,JIA Junpeng

(EarthquakeAdministrationOfHebeiProvince,Shijiazhuang05000,China)

Abstract:Using WebGIS technology, the construction of the earthquake emergency basic data sharing system is implemented under the platform of ArcGIS Server.The system provides earthquake data service to the on-line users through the LAN, in the client users can browse data, query, spatial and statistical analysis through the browser.To solve the problems existing in previous data sharing, the system does not rely on the desktop GIS software,it has the characteristics of low cost, cross platform, simple application, access speed and efficient, the basic data of earthquake emergency gets more extensive application and provides data support for the departments of earthquake administrations.

Key words:Earthquake emergency;Data sharing;ArcGIS Server;WebGIS

中图分类号：P315-39

文献标识码：A

文章编号：1005-586X(2016)01-0045-06

作者简介：魏艳旭(1984—)，女，河北沧州人，硕士，工程师，主要从事地震应急工作。

基金项目：河北省地震局地震科技星火计划项目(项目编号：DZ20140714064)资助。

收稿日期：2015-09-28