基于W ebGIS的數(shù)字水科院地理信息系統(tǒng)框架體系設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

耿慶齋，王冠華，林林，張偉兵

（1.中國水利水電科學(xué)研究院信息網(wǎng)絡(luò)中心，北京100038；2.北京中水科信息技術(shù)有限公司，北京100038）

基于W ebGIS的數(shù)字水科院地理信息系統(tǒng)框架體系設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

耿慶齋1，2，王冠華1，2，林林1，2，張偉兵1，2

（1.中國水利水電科學(xué)研究院信息網(wǎng)絡(luò)中心，北京100038；2.北京中水科信息技術(shù)有限公司，北京100038）

結(jié)合數(shù)字水科院地理信息系統(tǒng)的框架體系和功能設(shè)計，著重研究了系統(tǒng)中涉及的關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，提出了以Flex技術(shù)和SuperMap iServer REST API構(gòu)建富客戶端的WebGIS應(yīng)用框架。通過構(gòu)建水科院園區(qū)地理信息管理平臺，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的存儲和空間信息的查詢、分析和共享，提供水科院園區(qū)資源數(shù)據(jù)的更新維護(hù)、查詢統(tǒng)計、空間分析、專題圖制作等功能，為管理部門提供快速、準(zhǔn)確的信息資源服務(wù)，為合理管理配置園區(qū)內(nèi)的資源提供可靠的依據(jù)。

WebGIS；數(shù)字園區(qū)；地理信息系統(tǒng)；三維模型；信息查詢

1 研究背景

隨著我國信息化水平的提高，“數(shù)字地球”、“數(shù)字城市”、“數(shù)字校園”、“數(shù)字園區(qū)”等數(shù)字化工程建設(shè)正如火如荼。中國水利水電科學(xué)研究院（以下簡稱中國水科院）作為我國從事水利水電科學(xué)研究的大型、綜合性的研究機(jī)構(gòu)之一，其園區(qū)科學(xué)管理和合理規(guī)劃是信息化建設(shè)的重要內(nèi)容。中國水科院本部由位于北京市海淀區(qū)的南、北兩座院落和玉淵潭科技園區(qū)組成，在京郊有大興試驗(yàn)基地和延慶試驗(yàn)基地，在京外還有內(nèi)蒙古牧區(qū)水利科學(xué)研究所和天津水利電力機(jī)電研究所。在園區(qū)規(guī)劃、科研管理、設(shè)施管理和后勤管理等方面，依靠傳統(tǒng)的人工管理和決策方法，其難度越來越大，效率也比較低下，并容易造成差錯，特別是如何使南北兩院和兩個試驗(yàn)基地的管理協(xié)調(diào)運(yùn)作，是急需解決的問題。因此，建立園區(qū)資源管理、信息共享和信息服務(wù)的“數(shù)字水科院”是實(shí)現(xiàn)中國水科院園區(qū)數(shù)字化管理的必然選擇。

數(shù)字水科院是以國際互聯(lián)網(wǎng)和中國水科院局域網(wǎng)為交互平臺，集科研、管理和服務(wù)為一體的數(shù)字化工作、科研、生活環(huán)境，利用先進(jìn)的信息化手段和工具，將園區(qū)的各項信息資源進(jìn)行整合，通過集成和全面的數(shù)字化，最終實(shí)現(xiàn)信息資源共享化、科學(xué)數(shù)據(jù)集成化、實(shí)驗(yàn)室虛擬化、管線可視化、管理集約化、指揮視頻化。以空間基礎(chǔ)信息為核心的地理信息系統(tǒng)是數(shù)字水科院的重要組成部分，因此，本文主要研究數(shù)字水科院地理信息系統(tǒng)框架體系結(jié)構(gòu)，通過建設(shè)數(shù)字水科院地理信息系統(tǒng)，建立基于WebGIS的二維和三維數(shù)字模型的數(shù)字水科院園區(qū)，使現(xiàn)實(shí)的園區(qū)環(huán)境在時間和空間上得到充分伸延。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 W ebG IS技術(shù)WebGIS技術(shù)是Internet技術(shù)與GIS技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是GIS發(fā)展的重要方向［1］。WebGIS可為用戶提供良好的地理空間信息的發(fā)布和共享，實(shí)現(xiàn)跨平臺和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的空間數(shù)據(jù)協(xié)同管理和空間數(shù)據(jù)互操作［2］。WebGIS體系結(jié)構(gòu)隨著Internet技術(shù)和B/S結(jié)構(gòu)模式的發(fā)展經(jīng)歷了從胖客戶端到瘦客戶端再到兩者均衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。目前國內(nèi)使用最廣泛的WebGIS平臺是ESRI的ArcGISServer和超圖公司的SuperMap iServer，本系統(tǒng)選用超圖公司的系列產(chǎn)品。

2012年11月超圖公司發(fā)布了其最新產(chǎn)品SuperMap iServer Java 6R（2012），它是基于組件式GIS構(gòu)建的面向服務(wù)式架構(gòu)的企業(yè)級產(chǎn)品，融合了面向服務(wù)、面向組件和面向?qū)ο蟮娜浖こ谭椒ǎ潴w系架構(gòu)更加符合SOA設(shè)計原則，具有互操作性、集群服務(wù)和聚合服務(wù)。另外，跨操作系統(tǒng)、二次開發(fā)語言以及二三維一體化技術(shù)也是其技術(shù)亮點(diǎn)。SuperMap iServer Java 6R包括SuperMap iServer服務(wù)器和SuperMap iClient（SuperMap Web客戶端）兩個部分。服務(wù)器用于提供高性能的GIS服務(wù)或領(lǐng)域空間信息服務(wù)，iClient用于在Web應(yīng)用層提供方便易用的客戶端軟件開發(fā)工具包（SDK）。

2.2 RIA技術(shù)RIA（Rich Internet App lication）即富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序，是一種具有高度互動性、豐富客戶體驗(yàn)以及功能強(qiáng)大的客戶端技術(shù)，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序?qū)⒋蟛糠纸换?yīng)用集中在服務(wù)器端不同，RIA將大部分業(yè)務(wù)邏輯從服務(wù)器端移植到客戶端，僅保留一些基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)邏輯在服務(wù)器端［3-4］。RIA技術(shù)提供了比HTML更為豐富的界面表現(xiàn)元素，具有交互性強(qiáng)、響應(yīng)速度快、效率更高和圖形豐富的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)更加直觀、響應(yīng)快速、用戶體驗(yàn)好的應(yīng)用服務(wù)。Adobe公司的Flex是目前最為流行和成熟的RIA技術(shù)，是RIA平臺的典型代表，本研究即選用了Adobe Flex。

2.3 Flex技術(shù)Flex是一個高效、免費(fèi)的開源框架，可用于構(gòu)建具有表現(xiàn)力的Web應(yīng)用程序，由Macromedia公司（2005年被Adobe公司并購）于2004年3月發(fā)布，涵蓋了支持RIA的開發(fā)和部署的一系列技術(shù)組合。Flex是一種客戶端技術(shù)，主要包括MXML（Macromedia Flex Markup Language）、Action?Script和Java技術(shù)［5］，其中MXML和ActionScript具備訪問Flex類庫的能力。Flex類庫中既包含容器等可見組件，也包含了遠(yuǎn)程服務(wù)對象和數(shù)據(jù)模型等不可見組件，并提供了RemoteObject、HTTPServices和WebServices三種遠(yuǎn)程調(diào)用方式與數(shù)據(jù)庫通信。使用Flex可以增加一個強(qiáng)大的表示層，從而提高現(xiàn)有應(yīng)用程序的效率和展現(xiàn)效果，提高用戶的交互體驗(yàn)。

2.4 REST概念REST（Representational State Transfer）即代表性狀態(tài)傳輸，是一種針對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的設(shè)計和開發(fā)方式，可以降低開發(fā)的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)的可伸縮性。REST這個概念是Roy Fielding于2000年在他的博士論文中提出的，是對Web體系結(jié)構(gòu)設(shè)計原則的一種描述。Flex和REST進(jìn)行結(jié)合是目前非常熱門的分布式系統(tǒng)解決方案之一。超圖公司2012年發(fā)布的SuperMap iServer Java 6R即提供了基于REST的應(yīng)用編程接口——SuperMap iServer REST API，將REST架構(gòu)帶來的諸多優(yōu)勢引入到GIS服務(wù)中，同時兼顧功能豐富、簡單易用、操作靈活、平臺擴(kuò)展性強(qiáng)的原則，開發(fā)了專門針對GIS功能的REST服務(wù)，包括地圖功能、數(shù)據(jù)編輯功能、分析功能等［6］。

3 系統(tǒng)框架設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體框架數(shù)字水科院地理信息系統(tǒng)總體架構(gòu)采用B/S模式，由數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層和展示層4個層次構(gòu)成，其架構(gòu)示意圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)層主要用于存儲各類數(shù)據(jù)，包含空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理信息、建筑物數(shù)據(jù)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)、地面設(shè)施數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)格式支持SHP格式、SDB格式或其它標(biāo)準(zhǔn)GIS格式；屬性數(shù)據(jù)是指空間對象相應(yīng)的屬性信息，主要包括部門、科室、實(shí)驗(yàn)室、辦公室、人員等數(shù)據(jù)，由SQL Server 2005進(jìn)行統(tǒng)一維護(hù)管理。另外有還有一些非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如系統(tǒng)配置文件、文字、圖片、視頻等不便于數(shù)據(jù)庫存儲管理的數(shù)據(jù)以文件的方式存放在服務(wù)器上，供服務(wù)層調(diào)用。

服務(wù)層作為整個框架的核心，以SuperMap iServer作為GIS應(yīng)用服務(wù)器，在其之上部署了相應(yīng)的服務(wù)，形成空間數(shù)據(jù)共享服務(wù)和數(shù)據(jù)資源共享服務(wù)兩大支撐平臺，能夠?yàn)樯蠈拥臉I(yè)務(wù)應(yīng)用提供空間和屬性兩方面的數(shù)據(jù)支撐服務(wù)。

應(yīng)用層主要是負(fù)責(zé)響應(yīng)Flex富客戶端請求的核心層，提供GIS查詢分析、GIS地圖展示、GIS三維展示和用戶權(quán)限管理等功能，提供了一套可在其基礎(chǔ)上進(jìn)行業(yè)務(wù)功能開發(fā)的底層系統(tǒng)功能框架，將其與業(yè)務(wù)展現(xiàn)層剝離，這樣能更好地對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整與拓展。

展示層在應(yīng)用層的基礎(chǔ)上，將每一個具體的業(yè)務(wù)邏輯通過模塊化設(shè)計，方便快捷地嵌入與分離。業(yè)務(wù)展示層針對不同的用戶分布，布局在國際互聯(lián)網(wǎng)（外網(wǎng)）和中國水科院局域網(wǎng)（內(nèi)網(wǎng)），為用戶呈現(xiàn)一個豐富的、具有高交互性的可視化界面。外網(wǎng)為社會公眾提供信息服務(wù)，包括園區(qū)概況展示、基礎(chǔ)信息查詢、三維展示等，內(nèi)網(wǎng)為中國水科院職工和相關(guān)管理部門使用，包括基礎(chǔ)信息查詢、專題信息查詢統(tǒng)計、綜合信息管理、數(shù)據(jù)維護(hù)和三維展示等功能。

3.2 系統(tǒng)開發(fā)與平臺搭建本系統(tǒng)服務(wù)器端采用J2EE和SuperMap iServer Java 6R搭建，Web服務(wù)器選用Tomcat，客戶端采用Flex和Java語言開發(fā)，二維部分主要采用Flex和Java進(jìn)行開發(fā)，三維部分采用SuperMap Realspace進(jìn)行二次開發(fā)。本系統(tǒng)為二三維一體化的信息平臺，可實(shí)現(xiàn)水科院園區(qū)的二三維地圖展示、信息查詢、信息統(tǒng)計和信息管理等功能。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

4.1 用戶權(quán)限管理系統(tǒng)分為4級用戶，分別是公眾用戶、內(nèi)網(wǎng)用戶、業(yè)務(wù)管理員和系統(tǒng)管理員。公眾用戶是指非中國水科院用戶，只要能連接互聯(lián)網(wǎng)即可訪問本系統(tǒng)，瀏覽查詢中國水科院的公開信息，并以此了解中國水科院的基本面貌；內(nèi)網(wǎng)用戶為中國水科院所有用戶，需連接中國水科院局域網(wǎng)，可使用信息瀏覽、信息查詢、空間分析等功能；業(yè)務(wù)管理員為中國水科院相關(guān)業(yè)務(wù)管理人員，除具有內(nèi)網(wǎng)用戶的使用權(quán)限，還可使用綜合管理功能，管理其相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；系統(tǒng)管理員主要是對地圖進(jìn)行日常維護(hù)、后臺管理、更新地圖數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等。

4.2 基本地圖操作基本地圖操作包括：基礎(chǔ)地圖導(dǎo)航（如放大、縮小、漫游、全圖、鷹眼等）、園區(qū)切換（南院、北院、大興基地和延慶基地切換）、專題圖層疊加（樓宇樓層信息、管線信息等）、長度量測、面積量測、上一視圖、下一視圖和當(dāng)前視圖打印等，如圖2所示。

4.3 信息查詢系統(tǒng)提供了多種交互式查詢方式，主要包括快速查詢、列表查詢和高級查詢。

快速查詢通過輸入關(guān)鍵字進(jìn)行查詢，在輸入某個關(guān)鍵字后，即可搜索出包含該關(guān)鍵字的信息內(nèi)容，查詢結(jié)果將以列表框形式顯示，點(diǎn)擊列表中的某條記錄，以氣泡的方式定位到地圖中，點(diǎn)擊氣泡可以查看更詳細(xì)的信息。

列表查詢以樹形地址列表的方式顯示中國水科院建筑物和部門信息。建筑物根據(jù)其主要用途分為辦公樓、家屬樓和實(shí)驗(yàn)樓等，部門信息分為職能部門、科研機(jī)構(gòu)、院屬企業(yè)和掛靠機(jī)構(gòu)。點(diǎn)擊建筑物名稱或部門名稱，以氣泡的方式定位到地圖相應(yīng)的位置上，點(diǎn)擊氣泡可以查看該對象的概要信息和詳細(xì)信息。

高級查詢是一種組合條件查詢方式，主要針對建筑物、辦公室、部門、科室、實(shí)驗(yàn)室、人員等業(yè)務(wù)表進(jìn)行查詢，可以進(jìn)行單一的條件查詢，也可以以組合模式進(jìn)行多種查詢條件關(guān)聯(lián)，得到符合查詢條件的所有信息，并可對查詢結(jié)果實(shí)現(xiàn)空間定位。

4.4 空間分析空間分析是基于地理對象的位置和形態(tài)的空間數(shù)據(jù)的分析技術(shù)，其目的在于提取和傳輸空間信息?？臻g分析功能是GIS區(qū)別于其它信息系統(tǒng)的根本標(biāo)志，也是數(shù)字水科院地理信息系統(tǒng)的靈魂所在。它包括空間信息量算、空間統(tǒng)計分析、緩沖區(qū)分析、最短路徑分析、疊置分析等。

4.5 綜合管理綜合管理是數(shù)字水科院地理信息系統(tǒng)的一個重要組成部分，主要實(shí)現(xiàn)對園區(qū)內(nèi)地表建筑物（辦公樓、實(shí)驗(yàn)樓、家屬樓），辦公樓內(nèi)的辦公室、會議室、公共設(shè)施、管網(wǎng)信息、人員信息，家屬樓內(nèi)的房屋、公共設(shè)施、管網(wǎng)信息等進(jìn)行查詢、統(tǒng)計和管理，提供給中國水科院內(nèi)部人員和相應(yīng)管理部門使用。

4.6 三維展示利用虛擬與仿真技術(shù)可以模擬水科院里的建筑物和自然景觀，生成一個逼真的，具有視、聽、觸覺等效果的，可交互的、動態(tài)的虛擬世界［7-8］。根據(jù)園區(qū)平面圖數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)建立三維模型，對于復(fù)雜建筑物可以采用分割建模方法，把復(fù)雜建筑物分割成若干個規(guī)則建筑，然后分別建模，再進(jìn)行無縫拼接。三維模型建立后，選擇相應(yīng)的紋理貼到建筑物表面，生成真實(shí)的三維建筑模型。用戶可以在虛擬園區(qū)內(nèi)自由漫游，能夠動態(tài)地、多視角地、全方位地瀏覽中國水科院全貌，讓人得到一種身臨其境的體驗(yàn)，如圖3所示。

5 結(jié)論

本文探討了基于WebGIS和Flex技術(shù)構(gòu)建數(shù)字水科院地理信息系統(tǒng)框架體系設(shè)計和系統(tǒng)功能開發(fā)，本系統(tǒng)利用第二代Web應(yīng)用技術(shù)RIA，開發(fā)基于Flex的應(yīng)用系統(tǒng)，將Flash動畫的豐富視覺效果加入到Web應(yīng)用中，適應(yīng)了系統(tǒng)用戶界面友好、靈活易用的需求，在提供WebGIS的表現(xiàn)力和交互性方面具有廣闊的前景。數(shù)字水科院地理信息系統(tǒng)的建設(shè)是一個長期建設(shè)、不斷完善的過程，系統(tǒng)把中國水科院南、北兩院和大興、延慶試驗(yàn)基地的地理信息資源納入到統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行集中管理，為管理部門提供了直觀的信息，為實(shí)現(xiàn)園區(qū)信息化管理邁出了重要的一步，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)跨部門信息的交換和共享，為實(shí)現(xiàn)園區(qū)信息的全面數(shù)字化管理提供可視化交互平臺及其相關(guān)技術(shù)支撐。

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Design and im p lem entation of geographic in form ation system fram ework of d igital IW HR based on W ebG IS

GENG Qing-zhai1，2，WANG Guan-hua1，2，LIN Lin1，2，ZHANG Wei-bing1，2
（1.Information Network Center，IWHR，Beijing 100038，China；2.Beijing IWHR Information Technology Company Lim ited，Beijing 100038，China）

Combined with framework system and function design of digital IWHR geographic information sys?tem，the key technology and framework system are researched emphatically.The WebGIS applicaton frame?work based on rich client building with Flex technology and SuperMap iServer REST API is proposed.The basic geographic information data storage and spatial information query，analysis and sharing are imp lement?ed，and the platform of IWHR spatial information management is constructed.The system has the functions of regional resources updating and maintenance，query and statistics，spatial analysis，thematic map mak?ing etc.，and provides rapid，accurate information resources for the management.The reliable foundation for the management of rational resources allocation is provided.

WebGIS；digital garden；GIS；Three dimensional model；Information query

TP311

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.01.010

1672-3031（2014）01-0060-05

（責(zé)任編輯：韓昆）

2013-04-23

中國水利水電科學(xué)研究院科研專項（網(wǎng)集1360）

耿慶齋（1979-），男，山東泰安人，博士，高級工程師，主要從事水信息學(xué)和地理信息系統(tǒng)研究。E-mail：gengqzh@iwhr.com