基于OGC标准的耕地地理信息共享服务
2017-09-21范协裕邢世和杨荔阳邱龙霞张黎明
范协裕， 邢世和， 杨荔阳， 邱龙霞， 张黎明
(1．福建农林大学资源与环境学院,福州 350002; 2.土壤生态系统健康与调控福建省高校重点实验室,福州 350002； 3.莆田市国土资源局，莆田 351100)
基于OGC标准的耕地地理信息共享服务
范协裕1，2， 邢世和1，2， 杨荔阳3， 邱龙霞1，2， 张黎明1，2
(1．福建农林大学资源与环境学院,福州 350002; 2.土壤生态系统健康与调控福建省高校重点实验室,福州 350002； 3.莆田市国土资源局，莆田 351100)
当前相关部门已积累了大量的耕地地力及作物用地适宜性评价成果，但数据资源分散、缺少共享。数据拥有者与数据使用者之间的相互隔离，造成了极大的浪费。开放地理空间联盟(Open Geospatial Consortium, OGC)致力于地理信息数据的共享，制定了一系列标准，广泛应用于多源地理信息数据的共享与发布。基于OGC标准及长期积累的福建省耕地地力及作物用地适宜性评价地理数据，研究了耕地综合信息共享服务的内容、方式及区域耕地综合信息共享服务平台的体系构建。以福建省为例，构建了信息服务平台的在线示范应用系统，可向基层农业技术部门提供精准的耕地综合信息服务，也可以向其他第三方单位构建的农业信息系统提供共享数据服务。耕地综合信息服务的发布为区域耕地质量改善和作物种植结构优化提供了基础数据服务，可有效提高积累的农业科研生产数据的共享和使用率。
OGC； 共享服务； 耕地地力评价； 作物用地适宜性
0 引言
中央中央、国务院《关于落实发展新理念加快农业现代化实现全面小康目标的若干意见》中提出了关于实施耕地质量保护与提升行动，加强耕地质量调查评价与监测、优化农业生产结构和区域布局的重要指示[1]。耕地地力调查的目的是查明耕地土壤资源与质量状况，为合理利用耕地资源，保护和提高耕地质量，推进农业结构调整，搞好土壤改良和测土配方施肥等农业生产工作提供科学依据。还可为我国土壤肥料信息系统和精准农业体系的建立提供信息储备，实现全球土壤信息交流与共享奠定基础[2]。作物种植适宜性评价是对具体作物在具体地域上能否适宜生长做出定性、定量和定位的评价，能够在现有基础上优化作物种植的总体布局, 使区域经济结构和生态环境实现可持续发展[3]。针对耕地地力与作物种植适宜性评价工作，当前研究主要集中在评价指标体系及评价方法上。其评价成果往往以专题图图件、电子表格和文件报告的方式提供[4-6]，静态、离线、孤立的数据成果既不利于对基层农技部门及生成者提供精准支持，也不利于共享与深层次利用。
随着地理信息技术、遥感技术和全球定位技术等的快速发展，通过网络系统、软硬件系统和信息安全系统的完善，中国开展了大量农业信息系统建设工作[7]。例如，通过“十五”期间土壤科学数据资源建设，已形成若干土壤资源、土壤质量和农田土壤观测实验数据子库(数据集)，但仍然存在一定问题[8-10]。在现存数据资源的基础上，整合分散的数据资源，并进行严格的质量控制，建设基于网络的数据和知识服务平台，已成为土壤信息科学的首要任务[11]。在国土部门总体规划及支持下，数字城市地理空间框架建设全面推进，我国已在建与建成运行的数字城市约600 个[12]。已建成各省、县各级耕地数量质量一体化的土地调查数据库并将其纳入国土“一张图”及综合监管平台[13]。比较农业部《耕地地力评价指南》与国土资源部《农用地分等规程》的结果表明，前者侧重于反映耕地的自然属性，更有利于直接指导农民种植施肥指导农业生产； 后者则侧重为国家对土地的宏观管理，保护耕地提供支持[14]。在科研领域，我国目前已建成并运行地球系统科学数据共享国家平台，可提供持续的数据共享服务[15]，但仍缺少可提供符合标准的农业专题地理数据服务的区域性在线公共数据服务平台，区域性农业科研成果数据仍然是信息孤岛，难以纳入到国家共享平台及数字城市地理框架中。
从离线共享到在线共享，从数据服务到知识服务，从静态数据到动态观测，从网格到云计算、交互、质量监控与可视化等成为了未来对地观测数据、信息和知识共享发展的特点[16]。对地观测数据共享的基本技术已经成熟，开放地理空间联盟(Open Geospatial Consortium, OGC)和国际标准组织(International Standard Organization, ISO)已经制订了一系列标准，如网络目录服务 (catalog service for the web, CSW)、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)、网络地图瓦片服务(web map tile service，WMTS)、网络地理信息处理服务(web processing service，WPS)等。OGC 标准在多源异构地理空间数据的无缝集成和复杂查询中被广泛使用[17]。构建动态的、可视化的、农业专题地理数据共享服务平台的时机已经成熟。
本文利用OGC网络服务技术，整合已有耕地地力及作物适宜性评价成果大数据，探索建设提供符合GIS行业标准的区域农业地理专题数据共享服务平台，为耕地保护及农业可持续发展和优化布局提供科学数据支持，契合了中央关于强化现代农业科技创新推广体系建设，统筹协调各类农业科技资源，大力推进“互联网+”现代农业，应用物联网、云计算、大数据、移动互联等现代信息技术，推动农业全产业链改造升级的指示[1]，也是农业可持续发展科研与生产的客观需求。
1 耕地及作物用地适宜性评价成果 数据和OGC网络服务
1.1 耕地地力评价及作物种植适宜性成果数据
农业部组织制订的标准《耕地地力调查与质量评价技术规程》是耕地地力调查与评价工作的基础及标准操作规程[18]。规程中制定了耕地地力评价的指标体系及数据内容。
土壤图中各种土壤有机质及耕地等级的专题图是耕地地力评价的重要成果。而当前成果通常以全体区域作为整体的图件方式提供，未提供对土壤养分及有机质丰缺及地力分布的在线共享、动态查询服务。另一方面，文字类成果通常是分析报告，其对工作区域的耕地质量情况进行定量、定性分析，辅以各种统计表格，做出耕地质量情况的评价结论。提供针对土壤、耕地统计分析功能的在线服务对充分利用耕地评价成果数据具有重要意义。
以遥感和地理信息数据为基础，利用GIS构建的作物用地适宜性评价系统已广泛应用，专题地图是基于GIS作物用地适宜性评价系统成果输出的主要形式。在线、动态的作物用地适宜性专题地图查询服务可向农业生产用户及科研单位(如基层农技服务机构)提供基于地理位置的作物用地适宜性评价结果的精准查询服务。
1.2 OGC网络服务
OGC致力于制定空间信息的共享和互操作的规范，OGC网络服务(OGC web services, OWS)是OGC提出的可扩展的、能无缝集成各种在线空间信息处理和位置服务的框架[11]。OWS标准规范中，最主要的规范包括WFS，WMS，WCS以及WPS。其主要目的是定义一套开放的、易于理解的、基于格式化文本(可扩展标记语言(extensible markup language，XML)、键值对(key-value pair, KVP))的空间数据访问、操作和处理的请求和返回结果的标准格式，以便不同空间数据生产及服务提供商之间生产的多源异构空间数据可以采用此标准进行发布、共享及互操作。其中WFS针对要素数据的访问，WMS针对在线网络地图制图，WCS针对栅格格式数据，WPS则包括了一套制定网络处理服务的接口定义规范。OWS服务包含了获取服务能力接口(GetCapabilities)、服务请求接口(WFS-GetFeature,WMS-GetMap,WCS-GetCoverage,WPS-Execute)以及服务元数据描述接口(WFS-GetFeatureType)等接口规范。为了实现数据访问过滤机制，OGC标准规范中还包含了查询过滤编码规范——OGC Filter Encoding。而针对在线地图制图则制定了基于XML格式的样式图层描述器(styled layer descriptor, SLD )用于实现图层符号及样式的渲染方式定义。提供轻量化的表述性状态传递(representational state transfer,Rest)风格访问接口是OWS服务规范的一大特点，大大地简化了地理信息数据互操作的过程。OGC制定的标准及规范已获得当前市场上绝大多数的商业GIS服务器的支持，已成为事实上的行业标准。
2 耕地地理信息共享服务及平台
2.1 基于OGC标准的耕地及作物用地适宜性评价 地理信息服务
根据耕地及作物用地适宜性评价成果数据组成及OGC相关标准，制定如下可发布成OGC标准的网络地理信息服务,如表1所示。
表1 OGC标准的耕地地力及作物用地适宜性评价地理信息服务
基于OGC WFS规范语义，要素服务可向用户或第三方应用提供要素查询服务。利用OGC-Filter，除了可实现类似于SQL的属性过滤查询，还可使用包含(Contains,WithIn,DWithin)、相交(Intersects,DIntersects)等空间关系谓词实现空间过滤查询。通过对二者组合可实现对耕地评价及作物用地适宜性评价的灵活查询。如表1所示，主要提供了以下3类耕地信息要素查询服务：
1)耕地单元基础属性要素服务。针对耕地地力评价的基础属性数据(耕地单元的基础土壤属性，如土壤养分、立地条件等数据)，向用户提供属性查询服务，查询结果根据WFS标准以地理标记语言(geography markup language, GML)或Keyhole标记语言(keyhole markup language, KML)封装的XML文档返回。
2)地力评价网络要素服务。提供耕地地力的等级查询服务，其结果同样以GML或KML标准格式返回。
3)作物用地适宜性要素查询服务。提供耕地评价单元的特定作物的用地适宜性等级查询服务，作物用地适宜性信息对基层农业生产部门的生产具有直接实践指导意义。其结果以GML或KML标准格式返回，可直接供其他第三方农业信息系统使用。
OWS服务可提供两种Rest服务查询方式，分别是KVP和XML请求格式，分别对应于HTTP请求中的GET和POST这2种方法。以下为XML格式的WFS请求的某实例展示了在给定坐标点5 000 m范围内，不适宜种植某作物(Tobaco)的耕地单元。
outputFormat="GML2" xmlns: TobacoAssessment=http: //www.openplans.org/TobacoAssessment …>
分布等级专题图可直观地揭示研究区域内耕地质量和作物用地适宜性分布的情况，是耕地评价和作物用地适宜性评价的重要成果。相应地，本文设计了针对耕地基础属性、耕地地力等级和作物用地适宜性等级的在线专题图服务。
样式图层描述器(SLD)可对不同数据类型(点、线、多边形)的各种复杂专题图(唯一值图、符号分级图、颜色分级图)的样式进行定义，同时配合OGC-Filter过滤器的使用，还可对渲染的属性和空间范围进行进一步限定，减少不必要的计算。通过指定预定义的存储在GIS服务器上的SLD样式，OGC-WMS服务可提供各种复杂在线专题图制图服务。以下为一个Tobaco适宜性专题图请求服务实例，展示了一个向服务平台发起指定样式专题图请求的KVP格式的WMS-GetMap请求，即
http: //localhost: 8080/geoserver/wms?bbox=115.36,26.11,115.83,26.68&styles=Tobaco Assessment Class & Format=image/png&request=GetMap&layers=TobacoAssessment: LandClass&width=550&height=250&srs=EPSG: 4326
该实例请求TobacoAssessment: LandClass图层的“TobacoAssessmentClass”(预定义并存储在GIS服务器中)样式的绘图服务，并且指定了绘图的范围及空间参考坐标系。
耕地地力评价报告和作物适宜性报告通常都包括了大量的统计表格用以对研究区域内的耕地情况进行详细分析说明。OGC-WPS接口提供了灵活的服务定义接口，可对任何语义的网络处理服务的输入接口及参数、输出结果进行定义。GIS服务器通过发布符合OGC标准规范的WPS服务，可向用户提供各种自定义的网络处理和分析服务。成果报告中包含的一些无法使用OGC-WFS配合OGC-Filter进行查询的大量统计信息及其他一些高级的分析服务都可使用自定义的OGC-WPS服务进行扩展实现。以下实例展示了返回某县南山镇中低产耕地的限制因素统计数据的XML格式的WPS服务请求：
2.2 共享服务平台总体设计
基于待发布的耕地地力与作物用地适宜性数据评价地力地理信息服务，设计了如图1所示的共享服务平台。
图1 共享服务平台总体结构
如图1所示，与传统Web应用平台一样，平台主要由3层组成，而作为平台核心的服务层主要由2个子系统组成： 耕地及作物用地适宜性评价综合地理信息服务子系统和服务管理子系统。其中耕地及作物用地适宜性评价综合地理信息服务子系统构建在GIS服务器之上，当前主流的网络地理信息系统服务器都支持对空间数据的管理并将其发布为OGC网络服务。
当前广泛采用的ArcGIS Server服务器及其桌面产品提供了强大的综合地图制图及在线发布的服务，但其产品价格昂贵，且基于ArcMap桌面产品的专题图制作方式及动态地图发布服务并不符合OGC标准规范。因此，平台采用了结合WMS服务与SLD符号样式实现的在线专题图绘图服务的实现方式。预先编制的各种专题SLD符号样式存储于GIS服务器之中，并通过WMS请求的STYLES参数，将图层与渲染的SLD符号样式结合起来。
服务管理子系统负责服务的目录管理、服务申请、授权、运行分析与监控。管理并监控上层应用对服务平台中的共享地理信息服务的应用情况。
数据质量控制在相应标准规范和规程的指导下贯穿整个平台。
2.3 基于开源方案的共享服务平台的实现
当前诸多的GIS服务器产品都提供了对OGC标准规范的支持，OGC标准规范已成为事实上的行业标准。开源GIS服务器产品也提供了对OGC标准规范的良好支持，并且在性能上表现出色，应用广泛。在保证性能的前提下，使用开源GIS服务器产品有利于降低共享服务平台的成本。本文构建的平台基于开源GIS服务器GeoServer和开源关系数据库服务器产品PostgreSQL及其空间扩展PostGIS。使用PostgreSQL+PostGIS空间数据库存储大量的空间数据。GeoServer则以OWS网络服务形式发布耕地及作物用地适宜性评价地理信息服务。
3 共享服务应用系统
图2展示了由共享服务平台提供地理信息服务支持的示范应用系统——福建省耕地土壤信息查询系统。系统基于主流B/S架构，采用MVC模式开发，使用OpenLayers开源地图客户端调用共享服务平台的OGC标准的Rest服务。
图2 示范应用系统实例
通过调用共享服务平台提供的耕地和土壤的基础信息的属性查询与各种专题图在线制图服务。系统提供了如下功能： ①基础土壤信息要素查询，提供耕地管理单元中基础属性信息的查询及统计； ②耕地地力评价专题图功能，包括碱解氮、有效磷、速效钾、耕地地力等级、用地适宜性评价等专题图； ③按行政区划专题及属性查询； ④其他分析工具。
4 结论
耕地地力与作物种植适宜性评价是改善耕地质量，促进农业结构布局的基础性工作，当前这方面的研究工作主要集中在指标体系、评价方法等方面，并且积累了大量的地理信息数据成果。这些珍贵的成果通常以静态、离线、孤立的形式存在。尚缺少可提供符合标准的农业专题地理信息服务的区域性在线服务平台。各基层生产者及科研部门在利用相应科研成果数据时仍然存在着各种权限及技术壁垒，客观上造成了极大浪费。
因此，本文利用开源网络地理信息服务器及数据库，构建了符合OGC标准的耕地地理信息综合服务共享平台，并基于积累的福建省耕地地力及用地适宜性评价成果数据构建了示范应用系统。该平台一方面可为基层农业生产者和部门提供包括土壤属性、耕地地力、作物种植适宜性等耕地信息的在线查询及动态专题图制图等服务，为测土配方施肥及区域种植优化布局提供精准数据支持； 另一方面也可为其他相关科研及决策部门提供大量宝贵的耕地及作物适宜性的标准化在线共享服务，打破数据孤岛，进一步促进区域农业耕地地理数据的共享与互操作，为整合区域农业地理数据资源提供一种新的实践方法和思路。
目前共享平台还在进一步的建设完善中，仍有大量的福建省作物用地适宜性评价数据有待整理及发布，其他辅助的专题图层如行政区划、道路等也将增加到系统之中。另外，数据的更新与管理机制也是下一步工作的重点。
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(责任编辑：李瑜)
SpatialinformationserviceofcultivatedlandbasedonOGCstandards
FAN Xieyu1，2， XING Shihe1，2， YANG Liyang3， QIU Longxia1，2， ZHANG Liming1,2
(1.CollegeofResourceandEnvironmentalScience,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China; 2.UniversityKeyLabofSoilEcosystemHealthandRegulationinFujian,Fuzhou350002,China; 3.PutianMunicipalBureauofLandandResources,Putian351100,China)
Cultivated land quality and planting suitability constitute a significant basis of cultivated land resource and agricultural sustainable development. Volumes of spatial data sets accumulated by crop suitability evaluation and land productivity surveying were dispersed over different organizations. Therefore, based on OGC standards, the authors investigated the sharing mechanism for spatial data sets of cultivated land quality and planting suitability. A regional sharing services platform for cultivated land integrated information was built. With Fujian Province as an example, an application system was built. The platform improves the sharing and availability of the result of cultivated land researches and provides significant scientific data support for agricultural sustainable development.
OGC; sharing service; cultivated land productivity assessment; crop suitability evaluation
10.6046/gtzyyg.2017.03.33
范协裕，邢世和，杨荔阳,等.基于OGC标准的耕地地理信息共享服务[J].国土资源遥感,2017,29(3):224-230.(Fan X Y，Xing S H，Yang L Y,et al.Spatial information service of cultivated land based on OGC standards[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(3):224-230.)
2016-02-25；
2016-05-20
福建省科技厅高校产学合作项目“福建省农林用地优化利用信息共享平台研究发与应用”(编号： 2017N5006)和福建省教育厅科技计划项目“水土流失区主要农作物优化肥配方施肥信息管理系统研制与应用”(编号： JA14102)共同资助。
范协裕(1985-)，男，博士，讲师，研究方向为空间数据挖掘，网络地理信息系统及应用。Email: xunbei100@aliyun.com。
P 208
： A
： 1001-070X(2017)03-0224-07
