基于WebGIS的形變監(jiān)測成果管理與展示系統(tǒng)

郭曉彤，王 華，吳希文，柏 俊，戴 泉

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州510006；2. 廣州海川信息科技有限公司，廣東 廣州510300）

近年來，空間對地觀測技術(shù)在監(jiān)測地表形變中得到了廣泛應(yīng)用。全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)和合成孔徑干涉雷達(Synthetic Aperture Radar Interferometry，InSAR)測量技術(shù)能獲取高精度、高分辨率的微小地表形變量。目前長基線高精度GPS相對定位精度為1 0-8～10-9，InSAR技術(shù)的精度達到厘米甚至毫米級，空間分辨率達到米級。隨著對地表形變監(jiān)測的不斷加強，監(jiān)測區(qū)域不斷增多，GPS/InSAR技術(shù)形變監(jiān)測成果的數(shù)據(jù)種類多并且數(shù)據(jù)量大，導(dǎo)致對其管理難度增大。

與傳統(tǒng)的GIS相比，網(wǎng)絡(luò)地理信息技術(shù)(WebGIS)具有訪問范圍廣、跨平臺、成本低、高效、實時更新等特點[1]。通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對數(shù)據(jù)進行可視化可實現(xiàn)成果直觀表達、實時監(jiān)測管理和共享，促使WebGIS被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)[2]、森林、氣象[3]、濕地[4]、交通管制監(jiān)測等城市規(guī)劃領(lǐng)域。例如，張勝等[5]實現(xiàn)了基于.NET技術(shù)的WebGIS應(yīng)用，Liu與Xi[6]利用Ajax(Asynchronous Javascript and XML，異步 JavaScript和XML)技術(shù)和OpenLayers框架實現(xiàn)了GIS客戶端在地圖頁面上瀏覽無刷新，周海彬等[7]提出了基于WebGIS的數(shù)字城市規(guī)劃模型，袁長征等[8]利用SQL Server數(shù)據(jù)庫和OpenLayers框架實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)存儲、分析與可視化；OpenLayers由于具有開發(fā)成本低、可集成管理空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)、可進行數(shù)據(jù)可視化表達等特點，被廣泛應(yīng)用于實現(xiàn)GIS的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用，達到實時共享數(shù)據(jù)資料的效果。本文主要介紹利用ASP.NET和OpenLayers框架在線展示和管理GPS/InSAR形變監(jiān)測成果。

1 OpenLayers與ASP.NET介紹

1.1 Openlayers

OpenLayers框架是一個輕量級的JavaScript開源庫，在基于WebGIS的二次開發(fā)中廣泛應(yīng)用；支持多種格式的數(shù)據(jù)資源和地圖服務(wù)的訪問，如支持天地圖、公開地圖(OpenStreetMap，OSM)等在線地圖以及由地圖服務(wù)器(GeoServer)發(fā)布的倉庫管理系統(tǒng)(Warehouse Management System，WMS)、Web要素服務(wù)(Web Feature Service，WFS)等地圖服務(wù)[9]，被廣大研究者用來研發(fā)有關(guān)地理信息的地圖操作。

OpenLayers封裝了各種地圖操作的控件，不僅支持在線地圖的加載、縮放、鷹眼等常規(guī)操作，還能實現(xiàn)圖層疊加、切換、要素渲染、添加、移除等功能。在一定程度上，簡化了WebGIS的客戶端開發(fā)[10]，突破了傳統(tǒng)GIS的應(yīng)用與研究，使得地理信息系統(tǒng)的實現(xiàn)與維護逐步走向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)化。

1.2 ASP.NET

ASP.NET是一種基于.NET Framework的Web應(yīng)用開發(fā)技術(shù)；它集成了多種強類型編程語言共同開發(fā)、統(tǒng)一編程的執(zhí)行環(huán)境，例如C#、VB.NET等[11]，不僅保留了ASP以前版本的特點，還借鑒Java、VB等語言開發(fā)的優(yōu)勢引入了許多新特性，為動態(tài)Web開發(fā)提供了強大的類庫資源，有效縮短了Web應(yīng)用程序開發(fā)的周期[12]，使得基于WebGIS的形變監(jiān)測成果在線展示系統(tǒng)的開發(fā)更加便捷和高效[4]。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

本系統(tǒng)以GPS野外測量處理成果以及遙感衛(wèi)星InSAR數(shù)據(jù)分析處理成果的圖形化展示[13]為目標(biāo)，以關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(本系統(tǒng)應(yīng)用了SQL Server數(shù)據(jù)庫)、地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化編碼語言（Geospatial Data Interchange Format Based on JavaScript Object Notaion，Geo JSON）文件、Keyhole標(biāo)記語言（Keyhole Markup Language，KML）文件為數(shù)據(jù)源，Ajax技術(shù)為網(wǎng)頁數(shù)據(jù)交互方式，建立一套完整的形變監(jiān)測成果數(shù)據(jù)展示體系，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 System architecture

基于WebGIS框架的二次開發(fā)，本系統(tǒng)主要調(diào)用OpenLayers地圖控件的接口如表1所示[14]。系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程主要分為數(shù)據(jù)文件讀取、圖形對象坐標(biāo)處理、圖形要素在線展示3個步驟。

表1 OpenLayers部分控件及實現(xiàn)功能Table 1 Some controls of Open Layers and their implementation parameters

2.1 數(shù)據(jù)讀取

本系統(tǒng)利用了Ajax進行頁面與Web服務(wù)器的數(shù)據(jù)異步傳輸，通過ADO.NET的方式訪問數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了網(wǎng)頁的局部更新，提高了數(shù)據(jù)維護的效率。GPS野外測量的成果為測站坐標(biāo)(B,L,H)及其形變速度(Ve,Vn,Vu)。為此，數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)存儲了測站坐標(biāo)、形變速度及其屬性信息，只需根據(jù)數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)獲取數(shù)據(jù)即可。

InSAR數(shù)據(jù)處理的成果分為頭文件(RSC格式)，研究地區(qū)的沉降量、沉降累積量、沉降增量等數(shù)據(jù)文件(DAT格式)以及解纏圖等圖像文件，為此，數(shù)據(jù)庫中存儲了文件相對路徑及其屬性信息。其中，頭文件是對數(shù)據(jù)文件的描述，利用頭文件中的描述信息，調(diào)用BinaryReader類可以讀取數(shù)據(jù)文件里n行m列的數(shù)據(jù)點沉降量。圖像數(shù)據(jù)包括KML文件和PNG圖片，利用XDocument類便可讀取KML文件中用于展示PNG圖像的范圍經(jīng)緯度。

2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在創(chuàng)建并初始化地圖對象時，一般指定EPSG∶4326(WGS84)坐標(biāo)系，該格式是由開放地理空間信息聯(lián)盟(Open Geospatial Consortium，OGC)定義的，因而本系統(tǒng)主要通過二維坐標(biāo)(B,L)來展示幾何要素。由于GPS的速度(Ve,Vn,Vu)測量成果單位為mm/a，因此為了在系統(tǒng)中展示速度數(shù)據(jù)，需要根據(jù)圖例標(biāo)量、該點速度和起點坐標(biāo)(測站點位置)利用高斯投影坐標(biāo)反算原理計算出大地坐標(biāo)下的增量及起始點坐標(biāo)，繪制并展示有向線段，才能實現(xiàn)速度數(shù)據(jù)可視化。

InSAR測量成果的每個數(shù)據(jù)點坐標(biāo)需要根據(jù)頭文件里的起點坐標(biāo)(Bfirst,Lfirst)、行數(shù)n、列數(shù)m以及步長Bstep，Lstep進行計算得到。

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)在線展示

隨著WebGIS技術(shù)的快速發(fā)展，通過瀏覽器展示地理數(shù)據(jù)的方式日益多元化，本文采用了ASP.NET和OpenLayers進行系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)了跨瀏覽器快速展示地圖要素。

GPS成果主要以點要素(地理位置)和線要素(形變速度)展示[13]，若以測站點展示，則根據(jù)其測站模式進行點位和點名的標(biāo)注；若以形變速度展示，則繪制有向線段進行速度的展示。

InSAR成果主要以點云(地理位置、沉降量)或者圖像方式展示；若以點云展示，則根據(jù)其沉降量進行要素渲染，以不同顏色的實心圓表示每個沉降點，并根據(jù)地圖分辨率和屏幕范圍分級展示點云，從而實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化[15]。InSAR的圖像分為解纏圖、速率圖等，若以圖像方式展示，則主要通過解析KML文件獲取該圖像的范圍經(jīng)緯度，在地圖上添加圖像的方式展示。

3 WebGIS系統(tǒng)的實現(xiàn)與應(yīng)用

基于上述的系統(tǒng)設(shè)計方案，采用ASP.NET和OpenLayers框架進行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、成果在線展示等功能的實現(xiàn)，下文展示系統(tǒng)的部分關(guān)鍵代碼。

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)的讀取與坐標(biāo)計算

(1)讀取DAT文件中的InSAR數(shù)據(jù)。

FileStream fs = new FileStream(File_binary,

FileMode.Open, FileAccess.Read);

fs.Seek(0,SeekOrigin.Begin);

BinaryReader r = new BinaryReader(fs);

float num = r.ReadSingle();

(2)獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，并計算用于展示GPS速度的有向線段的起始點坐標(biāo)以及InSAR沉降點的坐標(biāo)。

3.2 數(shù)據(jù)可視化與在線展示

(1)在線地圖加載：在WebGIS系統(tǒng)的客戶端開發(fā)時，主要利用OpenLayers的Map類、Layer類[3,11]加載BingMap、GoogleTerrainMap和天地圖3種在線地圖作為底圖。

(2)數(shù)據(jù)渲染與在線展示：條件檢索后，利用OpenLayers進行Json格式數(shù)據(jù)渲染和在線展示。條件檢索分為GPS和InSAR兩個模塊的監(jiān)測成果查詢，用戶可根據(jù)其屬性(項目、省份等)或者地理位置進行查詢[10]。

①GPS監(jiān)測成果的展示：GPS測量成果的坐標(biāo)點(B,L)通過點位標(biāo)注展示，以藍色實心圓表示連續(xù)站，紅色方塊表示流動站，如圖2(a)所示；其形變監(jiān)測的速度成果利用有向線段進行展示，如圖2(b)所示。圖2～4底圖均來源于天地圖(https://map.tianditu.gov.cn)。

圖2 GPS查詢結(jié)果Fig.2 GPS query results

注冊地圖的單擊事件，實現(xiàn)在單擊后，獲取地圖的地理坐標(biāo)并與已有查詢結(jié)果的測站點的坐標(biāo)進行逐一對比，若兩坐標(biāo)之差小于某閾值(如0.01°)，則展示匹配測站點的屬性信息，如時間序列圖、坐落位置等，如圖2(c)所示。

②InSAR監(jiān)測成果的展示：InSAR成果主要以點云、圖像或者時間序列圖展示。查詢成功后，在地圖上展示滿足條件的成果數(shù)據(jù)的區(qū)域范圍，如圖3(a)所示；點擊某區(qū)域范圍，可以查看該地區(qū)的沉降情況；若查看點云形式展示的成果數(shù)據(jù)，需要對沉降點數(shù)據(jù)進行渲染。首先，定義彩虹漸變顏色數(shù)組并獲取圖例中InSAR顏色條對應(yīng)的沉降量極值；其次，進行空值過濾并利用沉降量最大值和最小值計算每個數(shù)據(jù)點對應(yīng)的顏色數(shù)組下標(biāo)；最后，為每個數(shù)據(jù)點賦顏色值，展示結(jié)果如圖3(b)所示。

時間序列圖是反映某沉降點在其測量時段內(nèi)的沉降變化，通常以監(jiān)測時間為橫坐標(biāo)，沉降累積量或增量為縱坐標(biāo)繪制時間序列圖。點擊地圖上的沉降點，可以進行該沉降點的動態(tài)時間序列圖的查看，如圖3(c)所示，圖中藍線代表沉降累積量，橙線代表沉降增量；若以KML形式展示，則設(shè)置展示樣式為KML形式，圖3(d)為云南監(jiān)測區(qū)域的解纏圖。

考慮到InSAR成果在以點云形式展示時，涉及的數(shù)據(jù)量十分龐大，可能會導(dǎo)致頁面的響應(yīng)遲緩甚至崩潰，因此采用依比例分級展示點云數(shù)據(jù)的方式進行。將點云數(shù)據(jù)分為十級加載，通過設(shè)置地圖監(jiān)聽，根據(jù)地圖的當(dāng)前分辨率和屏幕范圍獲取對應(yīng)的點云數(shù)據(jù)進行展示。經(jīng)過實驗驗證，分級加載展示數(shù)據(jù)的方式大大縮短了點云展示的時間，降低了頁面卡頓的可能。如圖3(b)為地圖Map中視圖View的地圖縮放級別Zoom值介于10～11范圍時的點云展示；每當(dāng)分辨率和屏幕范圍發(fā)生變化，都會進行點云刷新，如圖3(c)為Zoom值介于13～14范圍的展示結(jié)果。

3.3 其他功能實現(xiàn)

圖3 InSAR查詢結(jié)果Fig.3 InSAR query results

系統(tǒng)的其他功能包括登陸驗證、數(shù)據(jù)編輯、文件導(dǎo)入、數(shù)據(jù)下載等。管理員進行登陸驗證后，可以查看、編輯和管理數(shù)據(jù)庫內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對監(jiān)測成果的實時更新與共享；系統(tǒng)支持GeoJSON和KML數(shù)據(jù)文件的導(dǎo)入和展示，只要把監(jiān)測成果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GeoJSON或KML格式并導(dǎo)入地圖中展示，便可以快速進行粗差剔除和檢驗監(jiān)測成果的質(zhì)量，圖4為形變監(jiān)測成果數(shù)據(jù)以KML形式存儲的文件導(dǎo)入在線地圖后的展示結(jié)果，可以清晰看到中國區(qū)域范圍內(nèi)的斷層情況。

圖4 KML文件在線導(dǎo)入展示Fig.4 The KML file is imported and displayed online

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于WebGIS框架的GPS/InSAR形變監(jiān)測成果在線管理與展示系統(tǒng)，使得用戶可以方便地在瀏覽器上查看、管理監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的開發(fā)中用到的OpenLayers框架、JQuery、Ajax等技術(shù)使得系統(tǒng)的構(gòu)建結(jié)構(gòu)更清晰，擴展性更強；開發(fā)中，針對InSAR大數(shù)據(jù)的展示，采用了依比例分級展示點云數(shù)據(jù)的方法；針對GPS變形速度的展示，利用高斯反算原理等方法；確保了成果展示的高效性，為類似于基于開源WebGIS應(yīng)用的地圖服務(wù)平臺開發(fā)提供了參考和借鑒。

總的來說，本系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)基本完成，實現(xiàn)了變形監(jiān)測成果的有效管理，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將數(shù)據(jù)圖形化的展示途徑，使得數(shù)據(jù)更加直觀，提高了對形變監(jiān)測成果的檢驗、管理的效率；系統(tǒng)在投入運營前還可以進一步的性能優(yōu)化，例如，對于大型圖像處理和展示優(yōu)化，可以采用金字塔-哈希索引技術(shù)[16]和瓦片切分[17]的方法進行圖像處理；對于多用戶并發(fā)請求的優(yōu)化，可以采用集群和多線程方法提高并發(fā)訪問的效率、緩存和動態(tài)數(shù)據(jù)管理方法提高客戶端交互性能[16]；后續(xù)研究中將進一步分析提高系統(tǒng)性能的方法。