RIA技術(shù)在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)中的應(yīng)用

施 佺， 陸春龍， 陳建平， 丁衛(wèi)平

(1.上海理工大學(xué)管理學(xué)院，上海200093；2.南通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南通226019)

0 引 言

隨著海洋信息化管理技術(shù)的不斷發(fā)展，海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)也已成為實(shí)施“數(shù)字海洋”戰(zhàn)略中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，大量的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)信息(如監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、音頻視頻等)要通過(guò)地圖引擎作為數(shù)據(jù)展現(xiàn)層來(lái)動(dòng)態(tài)直觀地顯示監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的點(diǎn)位信息。在傳統(tǒng)的電子地圖構(gòu)件中大多數(shù)的研究基于WebGIS技術(shù)[1-3]來(lái)集中體現(xiàn)，WebGIS由于跨平臺(tái)、可擴(kuò)展、信息分布共享、高效的負(fù)載平衡等特點(diǎn)，已經(jīng)在諸多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。然而WebGIS開發(fā)雖然滿足了矢量圖形的高要求，但它在處理大數(shù)據(jù)量圖像、圖形等海量數(shù)據(jù)傳輸速率比較緩慢，而且在矢量圖形處理中地圖引擎過(guò)于龐大需要較大的開發(fā)工作量；此外還有研究使用AJAX技術(shù)[4-6]來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的用戶交互，通過(guò)用戶的操作來(lái)綁定數(shù)據(jù)的顯示。然而利用AJAX實(shí)現(xiàn)的電子地圖縮放效果并不理想，異步數(shù)據(jù)傳輸中的延遲問題不能形成流暢的用戶體驗(yàn)，并且基于矢量圖形的特殊性也大大局限了AJAX技術(shù)在該類系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。

而富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用(rich internet application，RIA)[7]結(jié)合了桌面程序的反應(yīng)迅速、交互性強(qiáng)以及Web應(yīng)用程序易于部署、方便傳播的特點(diǎn)，并具備多媒體表達(dá)能力，可以將文字、圖片、音頻、視頻等進(jìn)行無(wú)縫集合[8]。因此本文基于.NET平臺(tái)利用RIA技術(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用表明基于RIA的客戶端交互技術(shù)具有大數(shù)據(jù)量傳輸、復(fù)雜快速的響應(yīng)用戶請(qǐng)求等特點(diǎn)，在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)應(yīng)用中具有較好的可行性和高效性。

1 RIA技術(shù)及其選取

RIA技術(shù)是下一代的、將桌面應(yīng)用程序交互的用戶體驗(yàn)與傳統(tǒng)的Web應(yīng)用的部署靈活性和成本分析結(jié)合起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序[7]。RIA具有“富”客戶技術(shù)，其概念包含兩方面，分別是數(shù)據(jù)模型的豐富和用戶界面的豐富。其客戶端應(yīng)用程序使用異步客戶/服務(wù)器架構(gòu)連接現(xiàn)有的后端應(yīng)用服務(wù)器，因此是一種安全、可升級(jí)、具有良好適應(yīng)性的面向服務(wù)模型[9]。這種模型采用Web服務(wù)驅(qū)動(dòng)，結(jié)合了聲音、視頻和實(shí)時(shí)對(duì)話的綜合通信技術(shù)使RIA具有前所未有的網(wǎng)上用戶體驗(yàn)。在目前眾多的RIA技術(shù)中，F(xiàn)lex、JavaFX、Silverlight這3種技術(shù)已成為它的主流。

1.1 Flex

Macromedia Flex[10]是Adobe公司為滿足開發(fā)RIA企業(yè)級(jí)程序員的需求而推出的表示服務(wù)器和應(yīng)用程序的框架。Flex內(nèi)置的界面可以由Flash Player顯示在客戶端系統(tǒng)上，開發(fā)者使用直觀的基于XML的語(yǔ)言來(lái)定義豐富的用戶界面；該語(yǔ)言由Flex服務(wù)器翻譯成智能的客戶端應(yīng)用程序，可在普遍存在的Flash運(yùn)行環(huán)境中運(yùn)行。

1.2 JavaFX

JavaFX[11]是SUN公司利用Java運(yùn)行環(huán)境進(jìn)入RIA領(lǐng)域的開發(fā)技術(shù)，它包含JavaFXScript和JavaFXMobile兩個(gè)部分，使用一種全新的腳本語(yǔ)言，依賴JavaSE/ME運(yùn)行時(shí)，利用Java2D和Swing API來(lái)實(shí)現(xiàn)在桌面、移動(dòng)設(shè)備、手持設(shè)備和電視等環(huán)境的RIA富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

1.3 Silverlight

Silverlight[12-13]是微軟公司推出的新一代RIA富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)，能夠開發(fā)出具有專業(yè)圖形、音頻和視頻等多媒體的Web應(yīng)用程序，它具有和桌面體驗(yàn)一樣的、豐富的圖形渲染及用戶交互控制能力。微軟在 Silverlight技術(shù)上作了前所未有的改進(jìn)，那就是它的跨平臺(tái)、跨編程語(yǔ)言的兩大“跨”越能力。所有掌握 Apache、PHP、C#、VB.NET、JavaScript、Python 等技術(shù)的編程人員都可以成為它的后臺(tái)開發(fā)成員，同時(shí)Silverlight還提供了強(qiáng)大的工具來(lái)提高其工作效率。

從目前來(lái)看這3種技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)lex先入為主，目前已經(jīng)有了一定的市場(chǎng)；JavaFX作為后起之秀，其優(yōu)勢(shì)是它的開源策略；而Silverlight的先天優(yōu)勢(shì)是有Windows平臺(tái)的支持，用來(lái)構(gòu)建和發(fā)布下一代的媒體體驗(yàn)和Web交互應(yīng)用，在客戶瀏覽器端運(yùn)行時(shí)它不但可以靈活地和各種服務(wù)器端應(yīng)用來(lái)交互，更具有和桌面體驗(yàn)一樣的、豐富的圖形渲染及用戶交互控制能力。因此這里選用基于Silverlight的RIA技術(shù)作為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)的核心應(yīng)用。

2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

2.1 基于Silverlight的RIA系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于Silverlight的RIA中采用Windows通信基礎(chǔ)(windows communication foundation，WCF)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信傳遞[14]，從而使用戶用最少的時(shí)間來(lái)建立外界通信。它以ASP.NET、Windows Forms或COM+等作為宿主，整合.NET平臺(tái)下所有分布式系統(tǒng)技術(shù)，支持TCP、HTTP協(xié)議，使得開發(fā)者能夠建立一個(gè)跨平臺(tái)的安全、可信賴的解決方案。作為新一代RIA技術(shù)，Silverlight具有豐富的數(shù)據(jù)模型，RIA要求“按需所取”在客戶端顯示和操作數(shù)據(jù)，因此，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是如何將基于Silverlight的RIA技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互。

圖1給出了海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)基于Silverlight的RIA數(shù)據(jù)通信架構(gòu)示意圖，Silverlight應(yīng)用程序根據(jù)用戶的需要，通過(guò)WCF使用異步傳輸來(lái)自業(yè)務(wù)層調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)的信息。該技術(shù)使用戶界面可以顯示和操作更為復(fù)雜的嵌入在客戶端的數(shù)據(jù)類型，這使得Silverlight應(yīng)用程序的控件可以輕松綁定到某些實(shí)體的實(shí)例及其屬性上，從而給Silverlight客戶端應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)、位圖等數(shù)據(jù)信息。

圖1 Silverlight數(shù)據(jù)通信架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)與建模分析

通過(guò)對(duì)南通市海洋環(huán)境監(jiān)視預(yù)報(bào)中心進(jìn)行詳細(xì)需求調(diào)研，分析出了如圖2所示的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)。該信息平臺(tái)由專項(xiàng)監(jiān)測(cè)、常規(guī)監(jiān)測(cè)、跟蹤監(jiān)測(cè)、應(yīng)急監(jiān)測(cè)、共管灘涂、監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)等7個(gè)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)以及后臺(tái)數(shù)據(jù)維護(hù)子系統(tǒng)構(gòu)成。

圖2 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)

整個(gè)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)主要包括7個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，其監(jiān)測(cè)內(nèi)容共用同一張電子海圖。整個(gè)平臺(tái)通過(guò)菜單導(dǎo)航欄進(jìn)入各個(gè)具體的監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，進(jìn)入子系統(tǒng)后左側(cè)要求設(shè)計(jì)樹型目錄菜單(參見圖5的實(shí)現(xiàn))來(lái)顯示各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的具體名稱，各個(gè)項(xiàng)目最小的監(jiān)測(cè)單位為樹型目錄菜單上的葉子節(jié)點(diǎn) (監(jiān)測(cè)點(diǎn)位)。用戶可以通過(guò)點(diǎn)擊左邊的樹型目錄菜單或電子海圖中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，在右側(cè)獲取有關(guān)該節(jié)點(diǎn)(監(jiān)測(cè)點(diǎn)位)的地理數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)的圖片文字信息以及相關(guān)的監(jiān)測(cè)視頻數(shù)據(jù)信息，同時(shí)還要求能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按各種條件進(jìn)行檢索、查詢最新動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息等功能。

統(tǒng)一建模語(yǔ)言(unified modeling language，UML)為開發(fā)者提供的是一套多角度的完整方法，用例圖、時(shí)序圖、協(xié)作圖、活動(dòng)圖等各種圖形為系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的手段。這里采用的基于UML的建模方法在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)開發(fā)建模中得到了充分的應(yīng)用，大大減少了系統(tǒng)開發(fā)的工作量，提高了系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)的效率，開發(fā)出的系統(tǒng)平臺(tái)功能強(qiáng)大、易維護(hù)、可擴(kuò)展，取得了令人滿意的效果。由于篇幅限制，圖3和圖4分別以系統(tǒng)用戶為例，給出了管理員登錄的用例圖和監(jiān)測(cè)信息后臺(tái)管理模塊的時(shí)序圖。

圖3 管理員登錄用例

圖4 后臺(tái)管理模塊時(shí)序

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

在整個(gè)基于RIA的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，遵循數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范化理論，根據(jù)系統(tǒng)調(diào)研的需求分析將數(shù)據(jù)庫(kù)嚴(yán)格按第三范式進(jìn)行設(shè)計(jì)[14]。為減少數(shù)據(jù)冗余，便于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的導(dǎo)入，對(duì)各種具有不同單位名稱的監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)表進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目所監(jiān)測(cè)的具有不同單位名稱的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息集成在一張表中，并設(shè)計(jì)一張相應(yīng)的單位名稱表與之關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)，這樣就大大降低了導(dǎo)入數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，提高了數(shù)據(jù)的易維護(hù)性。此外本系統(tǒng)還采用了視圖機(jī)制，視圖是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)提供給用戶以多種角度觀察數(shù)據(jù)的重要機(jī)制。本系統(tǒng)建立了多個(gè)視圖，其功能可以和基本表一樣具有查詢、刪除和更新的功能，這樣簡(jiǎn)化了用戶的操作，還可對(duì)機(jī)密數(shù)據(jù)提供了安全保護(hù)。

3 基于Silverlight的RIA關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 基于Silverlight的Deep Zoom圖像處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

為既能節(jié)省系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間，又能高質(zhì)量的利用Silverlight的RIA技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)海洋監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)，這里采用了Silverlight的第三方控件——ComponentOneStudioforSilverlight，它是一套非常完整的控件庫(kù)，內(nèi)置了30多個(gè)控件，外觀十分精美。在這一程序集中開發(fā)者可通過(guò)C1Maps控件調(diào)用DeepZoom來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像平滑的縮放處理。Deep Zoom是Silverlight中集成的一個(gè)可以無(wú)縫、平滑對(duì)圖片進(jìn)行縮放處理的技術(shù)，它通過(guò)以漸進(jìn)方式加載較高分辨率的圖像，為用戶提供了一個(gè)“模糊到鮮亮”的體驗(yàn)。C1Maps控件調(diào)用Deep Zoom調(diào)用方法如下：

因此該控件是一個(gè)功能強(qiáng)大的Silverlight地圖控件，控件所擁有的屬性能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)中電子海圖的縮放、移動(dòng)以及定位查找等所有功能。通過(guò)該控件實(shí)現(xiàn)對(duì)大型圖像或高分辨率圖像的集合進(jìn)行多種分辨率的縮放、平移或拉伸處理，以達(dá)到對(duì)大型圖像流暢的縮放，并可以通過(guò)鼠標(biāo)拖拽移動(dòng)圖片，通過(guò)滾輪縮放圖片，該技術(shù)對(duì)電子地圖項(xiàng)目提供了強(qiáng)有力的底層支持。圖5是利用Deep Zoom技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在常規(guī)監(jiān)測(cè)信息中展示近岸海域趨勢(shì)性水質(zhì)監(jiān)測(cè)的各個(gè)點(diǎn)位信息，它還實(shí)現(xiàn)了如圖5中根據(jù)經(jīng)緯度定位地圖點(diǎn)位(圖釘效果)的功能。

圖5 基于Deep Zoom的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位信息的實(shí)現(xiàn)

在圖5中，左擊拖拽鼠標(biāo)或滾動(dòng)鼠標(biāo)的滑輪就可以無(wú)縫、平滑對(duì)電子海圖進(jìn)行縮放功能，當(dāng)選取趨勢(shì)性水質(zhì)監(jiān)測(cè)的27號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，即能實(shí)現(xiàn)圖6中放大后的高亮顯示的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位以及該點(diǎn)位的詳細(xì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、圖文和媒體監(jiān)控錄像等信息。

C1Maps使用3個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，其中一個(gè)就是地理坐標(biāo)系統(tǒng)(經(jīng)緯度)，本監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)的電子海圖就是使用了該坐標(biāo)系統(tǒng)作為地圖的定位系統(tǒng)，所有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的定位都可以通過(guò)右上角文本框輸入經(jīng)緯度值進(jìn)行坐標(biāo)定位。另外使用左上角的縮放工具條同樣能實(shí)現(xiàn)地圖的深度縮放和移動(dòng)功能，右下角為地圖的縮放比例，它會(huì)隨地圖的縮放而改變。

3.2 基于Canvas的電子海圖經(jīng)緯度坐標(biāo)換算算法

在設(shè)計(jì)中本文還自主設(shè)計(jì)了基于Canvas(畫布)的電子海圖經(jīng)緯度坐標(biāo)與邏輯坐標(biāo)的換算算法。使用Canvas布局，以左上角頂點(diǎn)為起始頂點(diǎn)(0,0)，Canvas作為容器，容器內(nèi)所有元素的坐標(biāo)屬性都是相對(duì)于Canvas頂點(diǎn)的偏移坐標(biāo)。在Path對(duì)象中的標(biāo)記路徑點(diǎn)也是采用的相對(duì)坐標(biāo)，而客戶端獲取的幾何模型保存的是經(jīng)緯度字串，因此需要轉(zhuǎn)換為適應(yīng)Canvas畫布的相對(duì)坐標(biāo)路徑。將經(jīng)緯度字串轉(zhuǎn)換為相對(duì)坐標(biāo)路徑的算法如下：

圖6 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位放大

3.3 Silverlight與網(wǎng)頁(yè)集成實(shí)現(xiàn)流媒體的動(dòng)態(tài)播放

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析，當(dāng)點(diǎn)擊每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位時(shí)均要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)視頻流媒體信息的實(shí)時(shí)播放功能。因此這里采用 ASP.NET MediaPlayer服務(wù)器控件能很好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流媒體的播放，它可以通過(guò)Web應(yīng)用程序提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)僅使用AJAX和DHTML所獲得RIA的體驗(yàn)。該服務(wù)器控件能將Silverlight與網(wǎng)頁(yè)集成實(shí)現(xiàn)流媒體的播放，可以把WMA(音頻)和WMV(視頻)等媒體源集成到Web應(yīng)用程序中，而無(wú)需了解任何XAML或JavaScript知識(shí)。該控件在前臺(tái)頁(yè)面加入如下代碼即可實(shí)現(xiàn)：

該控件的外觀皮膚可以改變，其MediaSkinSource屬性即為它的外觀設(shè)置、MediaSourse屬性則是對(duì)它播放文件的路徑設(shè)置，本信息平臺(tái)視頻文件播放是動(dòng)態(tài)變化的，具體實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵代碼如下：

通過(guò)以上代碼最后能實(shí)現(xiàn)流媒體(雙擊能全屏)播放功能。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)采用C#.NET作為開發(fā)應(yīng)用平臺(tái)，所有實(shí)驗(yàn)均在配置為IntelCoreDuo1.60GHz的CPU和2G內(nèi)存的WindowsXPProfessional操作系統(tǒng)上進(jìn)行。本文對(duì)實(shí)現(xiàn)的基于RIA技術(shù)電子海圖的海洋監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)與現(xiàn)有的基于WebGIS矢量地圖的海域管理平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能和效率進(jìn)行比較，前者采用靜態(tài)瓦片方式對(duì)大數(shù)據(jù)清晰電子海圖(JPG圖片格式)進(jìn)行加載，后者采用SQL Server 2008空間數(shù)據(jù)庫(kù)Geometry(幾何)類型的矢量地圖。兩者均為提供的南通六縣一市的底圖數(shù)據(jù)，均在相同地理區(qū)域下圖像數(shù)據(jù)總大小具有可比性；兩個(gè)平臺(tái)部署在同一臺(tái)機(jī)器的兩個(gè)不同端口，在同一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)這兩個(gè)端口的流量和響應(yīng)時(shí)間，在相同時(shí)間內(nèi)流量具有可比性。實(shí)例測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 RIA與WebGIS技術(shù)應(yīng)用的性能測(cè)試比較

由表1可以看出，雖然本系統(tǒng)利用RIA技術(shù)的電子海圖是后者基于WebGIS的矢量地圖數(shù)據(jù)量要高出幾十倍，但其網(wǎng)絡(luò)傳輸字節(jié)數(shù)量和平均總傳輸速率均比WebGIS矢量地圖的應(yīng)用要高出近3倍，實(shí)測(cè)頁(yè)面響應(yīng)時(shí)間得到較大提高。由此可以看出利用RIA開發(fā)的平臺(tái)具有較好的可行性和較高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用VS.NET開發(fā)平臺(tái)，后臺(tái)采用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，利用微軟最新基于Silverlight的RIA核心的DeepZoom圖像處理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了電子海圖的邏輯坐標(biāo)與經(jīng)緯度坐標(biāo)之間的換算算法，實(shí)現(xiàn)了全新的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)。實(shí)例測(cè)試結(jié)果表明，該信息平臺(tái)與現(xiàn)有的基于WebGIS的矢量地圖應(yīng)用系統(tǒng)相比，其圖像傳輸速率與頁(yè)面響應(yīng)時(shí)間明顯提高。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于南通市海洋環(huán)境監(jiān)視預(yù)報(bào)中心，系統(tǒng)集海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)信息的記錄、傳輸、存儲(chǔ)、提取和表述于一體，具有處理、管理和分析數(shù)據(jù)能力。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)極大地提高了工作人員檢索統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的效率，并利用電子海圖作為表現(xiàn)形式，動(dòng)態(tài)直觀圖文并茂地展示海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等多媒體信息，從而更好地為領(lǐng)導(dǎo)制定海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等相關(guān)政策提供輔助決策。

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