国土资源管理中典型地理信息服务链应用研究

2016-12-15王艳军路立娟

测绘通报 2016年9期

王艳军，路立娟

(1. 湖南科技大学地理空间信息技术国家地方联合工程实验室，湖南湘潭 411201； 2. 湖南科技大学地理空间信息湖南省工程实验室，湖南湘潭 411201； 3. 湘潭市国土资源测绘院，湖南湘潭 411201)

王艳军1,2，路立娟3

面向服务的架构和Web Service为空间信息共享和服务链构建提供了技术支撑。本文从地理信息系统发展阶段探讨了空间信息服务概念和理论，着重研究了地理空间信息服务链中涉及的服务注册和发现、按需扩展定制描述和服务组合方法等关键技术。通过设计地理空间信息链参考模型、服务注册中心和目录服务方法，以服务组合构建了某城市铁路线规划中的房屋拆迁和土地征收的空间分析服务链，为空间信息服务实际应用提供了参考方案，并可推广应用于空间信息共享与专业应用系统建设中。

面向服务架构；空间信息服务；网络要素服务；网络地理处理服务；服务链

地理信息系统(GIS)随着计算机信息技术而不断发展，基于网络技术形成了分布式网络处理的WebGIS，但由于系统构建方法不同，数据异质异构，不利于跨平台互操作[1]。在数字城市地理空间框架建设推动下，空间数据处理分析需求不断增长，GIS发展为开放互操作的地理信息平台，地理信息应用也已深入到国土、规划、公安、水利等经济社会领域，并向着更高效灵活和智慧化的方向发展[2-3]。基于面向服务架构(service-oriented architecture，SOA)的地理信息公共服务平台在下一代互联网、物联网、云计算和智能对地观测传感器网络等快速发展的背景下，将不同应用功能单元的服务以模块化排列组合，以形成高级空间分析处理服务链，可避免传统的数据更新、运行维护和升级改造所带来的重复建设和资源浪费等问题，是当前地理信息公共平台及智慧城市空间基础设施建设的重要研究内容。

地理数据和空间分析模型存在异质异构和语义不一致性等问题，需要提高其互操作和重用性，以实现分布式地理信息处理应用[4-5]。开放地理信息联盟(open geospatial consortium，OGC)的互操作标准网络地图服务(web map service，WMS)、网络要素服务(web feature service，WFS)、网络覆盖服务(web coverage service，WCS)和网络地理处理服务(web processing service，WPS)可方便实现分布式网络环境下的空间信息服务应用。本文基于SOA和OGC标准研究空间信息服务注册、发现与组合的关键技术，实现地理空间信息链的构建和典型应用。

一、地理空间信息链原理

地理空间信息链是空间信息服务的序列，其每个服务对中，前一个服务是后一个服务执行的必要条件，且服务链具备服务的再查找、组合和执行能力，无需管理维护基础数据和服务，即可按需查找和绑定空间信息服务，执行高级复杂的空间分析任务[6-7]。Web Service技术引入空间信息领域，结合SOA形成服务GIS[8]，与传统组件化GIS相比，便于网络环境下的数据获取、集成和共享，有利于应用系统快速构建；与WebGIS相比，能够灵活地克服地理处理模型和语义异构等问题。地理空间信息链能够实现分布式空间信息服务的有效利用和自由组合，是地理信息服务化的发展方向。

丰富的数据和功能服务是地理信息链构建的基础，如何发现所需的服务，将数据和单一功能的原子服务有效组合是研究的重点方面。OGC总结空间信息服务的分类体系，提出了3种类型的服务链：透明链、半透明链和不透明链，文献[9]已有详细探讨。地理空间信息链研究涉及空间信息服务注册与发现、按需定制统一描述发现和集成(universal description, discovery and integration，UDDI)、服务组合和工作流引擎等关键技术，成果主要集中在空间信息服务目录、基于工作流的服务链流程描述和网络服务业务流程执行语言(BPEL for web services，BPEL4WS)的服务链体系结构，实现地理空间信息链的业务流程定制、管理和执行的自动化[10]。

本文重点探讨多源多尺度地理空间信息链框架结构(如图1所示)，将分布式服务动态组合按需集成，完成特定任务，并基于数字城市地理信息共享服务平台验证地理空间信息链的应用。

图1 地理空间信息链框架结构

二、地理空间信息链关键技术

1. 空间信息服务注册与发现

空间信息服务的注册与发现机制主要是方便查找和发现服务，从分布式网络环境下庞杂的服务集中高效准确地发现所需服务。空间信息服务注册是将空间数据和处理功能的服务元数据注册到UDDI，一般采用两种方式：一是建立私有服务目录注册中心，二是采用通用UDDI注册中心。前者是OGC注册中心，以相对复杂的空间信息服务为描述对象，多采用专用的通信协议和接口，与通用注册中心兼容性差，阻碍信息互操作；后者是基于XML和HTTP存储地理数据和空间信息服务，采用基于ebXML注册信息模型，针对空间信息服务定制注册内容，更好地满足空间信息领域的独特要求。因此，需要兼顾两者设计空间信息服务注册中心，结合私有服务目录注册中心和通用UDDI的优势，在标准网络通信与请求协议的基础上充分体现空间信息服务的领域特征。

空间信息服务注册中心以服务元数据为注册信息，支持在线发布、发现和绑定，实现结构如图2所示。注册中心目录服务存储服务元数据，提供服务的发现和管理功能，以实现检索和注册接口。采用UDDI扩展数据结构和服务访问，以增强功能实现空间信息服务私有和通用的注册中心的统一，主要有两种实现方法：①将空间信息服务注册到OGC注册中心，私有注册中心作为通用UDDI的节点添加到通用注册中心，通过OGC中规定的访问协议发现和调用空间信息服务；②将OGC私有的空间信息服务注册到UDDI，用户直接通过通用UDDI查询和访问已注册的空间信息服务或非空间信息服务。

图2 OGC服务注册实现结构

2. 按需扩展定制描述UDDI

现有的UDDI提供了3种核心的分类标识系统：北美工业分类系统、通用标准产品和服务产品、地理区域分类法。UDDI描述虽增加了地理位置分类法和网络地理分类法，但仅针对区域进行划分，不能体现空间信息服务的特征，造成查全率和查准率较低的问题。使用地理区域分类法对UDDI进行按需扩展定制描述，可实现数据服务和地理处理服务的自动分类。

私有和通用注册中心具有相同结构的服务注册和发现方法，实质是将空间信息服务元数据发布到私有注册中心，需要考虑与数据紧密耦合和与数据松散耦合的服务(如图3所示)，前者不仅要注册服务本身的元数据，还需要与之相关数据的元数据。按需扩展定制实现服务注册和发现的工作流程为：①服务提供者将分类信息发布注册到目录中心，并注册其校验服务；②使用空间信息服务分类方法对服务进行分类；③服务使用者查找服务，目录中心发现并调用空间信息服务分类法校验，如果成功，服务实体包含的分类信息则标记为已校验，同时返回空间信息服务结果集合。

图3 空间信息服务注册与发现的框架结构

根据具体数据服务和应用特点，空间数据有按类型和按比例尺两种分类方法。结合ISO和OGC对空间信息服务的分类，空间信息服务可分为描绘服务、注册服务、数据服务和处理服务4大类。对每一种分类法进行设计，并定义其名称、层次结构和分类编码规则，存储为XML文档，供目录中心调用。分析ISO和OGC对空间信息服务的分类，可发现前者是从信息的角度划分，后者则是从具体应用的角度划分。本文综合参考二者的优势，建立具体的分类编码规则如下：采用3位阿拉伯数字表示空间信息服务的一层，子类节点的编码在父类基础上进行扩展，如处理服务在第1层第3位编码为003，空间分析服务在父类空间处理服务下的第3位，则编码为003003。

3. 空间信息服务组合方法

空间信息服务组合是将若干个功能互补的地理数据和处理模型服务按一定顺序排列组合，协同完成复杂的空间分析任务，常结合工作流技术进行管理。工作流是能够自动或半自动完成执行的经营过程，使得空间信息服务根据一系列过程规则、文档或任务能够在不同执行之间传递与执行。

空间信息服务工作流管理空间信息和非空间信息及其处理过程，由执行任务的活动及其处理的数据构成，其逻辑关系构成空间处理过程的控制流，前一活动的输出流作为后一活动的输入流。BPEL为基于XML的描述业务流程和交互的编程语言，流程中的每一活动由Web Service具体实现，包括两种类型的业务流程：①可执行流程，定义了内部具体任务和相应处理接口，整个流程能够被引擎执行；②抽象流程，详细定义了公共的消息交换方法，但没有内部具体细节，不能被引擎直接执行。

工作流参考模型对具体的业务流程抽象化表示，定义工作流交互的构成接口，包括流程定义工具、工作流引擎、工作流执行服务、调用应用程序、客户端应用和监控管理工具。空间信息服务工作流建模将具体的业务流程进行形式化表示，由过程、活动和子过程3个实体组成，并应用组成、先序、集成和引用等描述流程过程之间关系。Petri网是由表示状态及状态变化的元素组成的网状信息流模型，工作流网根据Petri网性质[11]，定义顺序、并行、选择和循环4种过程逻辑，同时定义与分叉、与合并、或分叉、或合并4种构造模块，其中与分叉、与合并表示并行过程逻辑，或分叉、或合并表示一个选择过程逻辑。

以空间信息服务为节点，基于工作流参考模型定义服务之间的逻辑关系，形成服务组合的顺序、并行、选择和循环4类逻辑结构，如图4所示，执行详细过程为：①顺序结构，由按照前后顺序执行的过程组成；②并行结构，由同时并发执行的分支过程组成，由与分叉、与合并组成；③选择结构，彼此过程之间具有相互排斥关系，并添加约束条件以从中选择一个或多个过程执行，由或分叉、或合并组成；④循环结构，某一个过程变迁在给定的条件下可反复执行多次，直到满足结果条件。

三、地理空间信息链典型应用实现

1. 地理空间信息链参考模型

地理空间信息链将多个可用的单位服务按照一定的流程规则组合形成功能复杂且可执行的服务，按需满足信息和知识请求，实现空间信息服务增值。应用工作流参考模型管理地理空间信息链，实现空间信息服务工作流的建模、组合、发布、执行和监控，结合SOA架构和工作流参考模型，对地理空间信息链参考模型进行改进设计，主要由以下5部分组成：①服务链引擎，负责流程实例的生成和执行；②服务链请求者，调用服务链的客户端及应用程序；③服务链定义，负责生成服务链的业务流程；④服务链管理和监控，负责监控整个服务链生命周期中流程的执行情况；⑤空间信息服务，为服务链提供数据和处理功能。

图4 地理空间信息链模型逻辑结构

地理空间信息链参考模型为空间信息服务的相互组合提供模型支持。以城市建设铁路规划分析中网络地图可视化业务为例，目的是在客户端输出一份包含地图、比例尺线、指北针和图例在内的完整地图，首先需要调用GetMap请求返回待打印的地图，然后调用GetLegendGraphic请求获取地图图例信息，最后将专题地图附属信息输出，此执行过程对应上述服务链参考模型为：

1) 按照顺序结构、并行结构、选择结构或循环结构，将地图打印关联的服务按照业务需求组合。

2) 请求者调用步骤1)定义的网络地图打印服务链，向地理空间信息链引擎提交调用请求。

3) 地理空间信息链引擎接受调用请求，实例化步骤1)定义的网络地图可视化业务流程，调用WMS请求和其他非处理服务请求，执行并将处理的结果(完整的专题地图)提交客户端。

4) 在地理空间信息链引擎执行工作流程时，服务链管理和监控工具负责对执行的情况进行监测，并及时与地理空间信息链引擎交互。

2. 典型地理空间信息链实现

城市建设铁路规划分析服务链实现的功能是检索位于城市某区的铁路沿线50 m范围内的所有房屋和土地利用数据，并统计分析拆迁结果信息。规划分析服务链的实现原理为：先在地图上通过点选、框选或缓冲区查询获取地理要素；再应用WFS的GetFeature接口中的GetFeatureIntersects方法将上述获取的要素和行政区作相交查询，获取城区结果数据。

具体的，调用Intersection服务将获取的城区多边形要素和铁路图层数据作相交查询，获取某区内的铁路线；调用buffer服务作获取的某区内铁路线的50 m范围缓冲区，获取缓冲区多边形A；再调用Intersection服务将A和该区居民地数据作相交查询，获取落入铁路50 m范围内的房屋数据，即为拆迁分析结果；调用Intersection服务将A和该区土地利用数据层作相交查询，获取落入铁路50 m范围内的土地数据，对结果土地数据按照地块类型进行统计输出，即为征地分析结果；服务链缓冲区A和检索的待拆迁房屋结果如图5所示，即图中阴影遮挡区域；拆迁分析服务链的待征收的土地分类及其面积统计结果如图6所示，地理空间信息链分析可一并执行，多种结果一目了然。

图5 房屋拆迁分析结果

图6 拆迁分析土地征用统计

四、总结与展望

面向服务的体系架构为地理信息系统的数据共享和功能共享提供了新的体系架构和概念模式。面向服务的体系架构将各类网络资源以服务规范形式发布，提供标准调用接口，实现业务逻辑和执行过程的分离。本文针对空间信息服务借鉴SOA思想，将网络数据和地理处理模型作为原子服务进行了统一注册、发布和调用，基于工作流参考模型设计了空间信息服务组合的逻辑结构。实际应用中，网络中存在大量相互独立的地理信息服务，如何有效地检索和编排所需服务并反馈结果仍需要深入研究。

SOA为地理空间信息链提供了架构的支持，Web Service技术为地理空间信息链提供了具体的实现技术，OGC的各种服务规范提供了地理空间信息链的规范依据，工作流引擎提供了地理空间信息链的流程定义和控制。本文以地理空间信息链的构建与应用为研究内容，着重探讨了地理空间信息链的原理及其关键技术，对空间信息共享和增值服务进行了有益尝试，设计了地理空间信息链参考模型并应用典型案例进行了验证。地理空间信息链是分布式网络环境下地理信息发展的新趋势，是数字城市和智慧城市建设的重要支撑，以实现空间信息的按需服务和主动推送。地理空间信息链构建开放互操作的地理信息基础设施，可为地理信息的网络化普适化服务化应用打下坚实基础。

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WANG Yanjun，LU Lijuan

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