(浙江大學(xué) 人工智能研究所,浙江 杭州 310027)

1998年,美國和日本等國家的大氣、海洋科學(xué)家提出了全球海洋環(huán)境觀測項目——Argo計劃,該計劃的主要任務(wù)是采集全球海洋上層的海水溫度、鹽度剖面資料,以提高氣候預(yù)報的精度,有效預(yù)防全球日益嚴重的氣候災(zāi)害給人類造成的危害[1]。截至2009年2月,全球海洋上Argo浮標數(shù)量達到3 325個,它們共同構(gòu)成了一個龐大的全球?qū)崟r海洋監(jiān)測網(wǎng)。這些浮標每年提供多達10萬個海水溫度和鹽度剖面資料(0～2 000 m)[2]。

面對快速增長的Argo數(shù)據(jù),為方便Argo資料用戶,需要提供一個高效、直觀的Argo數(shù)據(jù)檢索和共享服務(wù)系統(tǒng),實現(xiàn)高效的信息檢索和信息共享,更加方便Argo研究人員研究剖面數(shù)據(jù),從而為進一步深入的科學(xué)研究提供良好的信息支持。本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于WebGIS的Argo數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 軟件架構(gòu)

早期的Argo數(shù)據(jù)共享國內(nèi)外主要采用數(shù)據(jù)光盤的形式[3-4],該方法可以實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)共享和檢索,但光盤容量有限、易損壞和分發(fā)成本高?；诰W(wǎng)絡(luò)的軟件架構(gòu)可以彌補光盤管理方法的不足之處,國內(nèi)[5-6]Argo資料中心大都采用C/S(Client/Server)體系結(jié)構(gòu),該方法通過客戶端軟件和服務(wù)器之間的交互實現(xiàn)系統(tǒng)功能,但用戶需要下載并安裝客戶端軟件;國外Argo資料中心大都采用B/S(Browser/Server)體系結(jié)構(gòu),但是查詢功能并不完善,沒有充分利用Argo數(shù)據(jù)的地理信息的特性。

根據(jù) Argo原始數(shù)據(jù)的具體情況,在對 WebGIS相應(yīng)的服務(wù)器和客戶端軟件進行調(diào)研后[7-9],對基于WebGIS的Argo數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)進行分析和設(shè)計,本系統(tǒng)采用主流的 B/S體系結(jié)構(gòu),采用混合數(shù)據(jù)模型將Argo數(shù)據(jù)的地理信息屬性分離出來進行空間分析,引入緩存技術(shù)和 Ajax技術(shù)來縮短訪問延時和改善用戶體驗。與以往的Argo數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、靈活的可擴展性和較好的用戶體驗。本系統(tǒng)框架總體上分為五層,即顯示層、服務(wù)器層、GIS數(shù)據(jù)緩存層、混合數(shù)據(jù)庫層和原始數(shù)據(jù)層,如圖1所示。

系統(tǒng)總體框架中各層及其功能如下：

(1)顯示層：主要由 Web瀏覽器組成,是用戶和系統(tǒng)交互的接口,用來進行地圖的顯示和Argo數(shù)據(jù)的在線查詢、分析,可以使用對JavaScript腳本渲染較快的瀏覽器,如Google Chrome。

(2)服務(wù)器層：由 Web服務(wù)器和 WebGIS服務(wù)組成,Web服務(wù)器負責(zé)非GIS數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)請求和處理工作,WebGIS服務(wù)器負責(zé)GIS數(shù)據(jù)的查詢、空間分析。GeoServer是整個WebGIS服務(wù)的核心部分,服務(wù)器在接受用戶請求后,通過數(shù)據(jù)庫接口訪問數(shù)據(jù)庫,根據(jù) WMS(Web Map Service)或 WFS(Web Feature Service)協(xié)議將返回的數(shù)據(jù)通過 OpenLayers以柵格或者矢量的形式向瀏覽器進行渲染輸出。所有服務(wù)均采用J2EE模式開發(fā),并部署在Tomcat或者JBoss等J2EE容器中。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.1 System framework

(3)GIS數(shù)據(jù)緩存層：由部署在 J2EE容器中的GeoWebCache模塊和文件服務(wù)器共同組成。GeoWebCache是一個采用Java servlet實現(xiàn)緩存WMS Title的開源項目。目的是為了減輕 GeoServer服務(wù)器的工作負荷,實現(xiàn)更好的用戶體驗。當(dāng)客戶端請求一張新地圖時,GeoWebCache會攔截這些調(diào)用,返回經(jīng)過緩存切片處理的地圖文件,提高地圖顯示速度。

(4)混合數(shù)據(jù)庫層：由商業(yè)數(shù)據(jù)庫 Oracle和開源數(shù)據(jù)庫PostgreSQL/PostGIS組成,用來實現(xiàn)Argo數(shù)據(jù)中的非地理數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)的分離檢索。Oracle是成熟的商業(yè)數(shù)據(jù)庫軟件,用來存儲海量的非地理屬性數(shù)據(jù),可以提供高效的數(shù)據(jù)庫支持。PostgreSQL/PostGIS是目前世界上最先進的開源數(shù)據(jù)庫,其中內(nèi)嵌的空間數(shù)據(jù)庫模塊PostGIS,對Argo空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有著完善的支持及具有強大的空間分析能力。

(5)原始數(shù)據(jù)層：包括位于國家海洋局第二海洋研究所的“中國Argo實時資料中心”提供的ASCII碼Argo數(shù)據(jù)格式,以及和Argo數(shù)據(jù)相關(guān)地理空間文件,如國界圖、海岸線圖等。這些原始數(shù)據(jù)為混合數(shù)據(jù)庫層和GeoServer提供數(shù)據(jù)源。

1.2 系統(tǒng)功能組成

Argo數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)的功能主要包含普通用戶對于浮標信息的查詢、導(dǎo)出、GIS操作,以及系統(tǒng)管理員進行的數(shù)據(jù)維護和更新。其系統(tǒng)功能示意圖如圖2所示。

(1)數(shù)據(jù)導(dǎo)入：該功能塊包括元數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)的單個文件導(dǎo)入和批量導(dǎo)入。

(2)數(shù)據(jù)更新：該功能塊包括單個剖面數(shù)據(jù)更新和批量剖面數(shù)據(jù)更新。

(3)參數(shù)設(shè)置：該功能模塊主要提供系統(tǒng)的基本參數(shù)設(shè)置,參數(shù)設(shè)置模塊主要是為了系統(tǒng)的可擴展性和可維護性。

(4)數(shù)據(jù)查詢：該功能塊包括浮標基本信息、剖面信息和 GIS地理信息的查詢這三種查詢模式。三種查詢功能是整個系統(tǒng)的核心模塊,具有共同的查詢過濾條件。

(5)數(shù)據(jù)導(dǎo)出：該功能塊包括少量數(shù)據(jù)直接導(dǎo)出和批量數(shù)據(jù)導(dǎo)出,用于用戶在獲得查詢結(jié)果后導(dǎo)出結(jié)果數(shù)據(jù),結(jié)果數(shù)據(jù)格式和Argo浮標數(shù)據(jù)格式相同。

(6)使用幫助：該功能是為初次使用本文系統(tǒng)的用戶提供一個快速了解系統(tǒng)功能的渠道,還可幫助用戶了解Argo元數(shù)據(jù)和剖面數(shù)據(jù)的存儲格式。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 混合數(shù)據(jù)模型

針對海量 Argo數(shù)據(jù)的基本信息、剖面信息和GIS地理信息查詢功能,在數(shù)據(jù)庫設(shè)計時主要考慮如何高效地實現(xiàn)查詢。數(shù)據(jù)模型采用地理數(shù)據(jù)和非地理數(shù)據(jù)分離的模式,充分利用 Oracle的海量數(shù)據(jù)檢索能力和PostgreSQL/PostGIS的空間分析能力。

在設(shè)計數(shù)據(jù)庫的過程中,對從Argo文件中提取的數(shù)據(jù)進行拆分處理,如圖3所示,在Oracle數(shù)據(jù)庫中建立元數(shù)據(jù)、浮標剖面基本信息、部署信息、浮標詳細觀測數(shù)據(jù)4張表,在PostGIS數(shù)據(jù)庫中建立元數(shù)據(jù)地理信息、浮標剖面地理信息2張表。

圖2 系統(tǒng)功能組成圖Fig.2 Function and organization of the system

圖3 Argo原始文件和混合數(shù)據(jù)庫表對應(yīng)圖Fig.3 Map between Argo primitive files and mixed database tables

由于Argo數(shù)據(jù)量比較大,在利用Oracle數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)檢索的過程中,需要優(yōu)化數(shù)據(jù)庫以提升性能,主要通過建立索引的方式提升查詢效率,在經(jīng)常查詢但不頻繁更新的列上建立索引。

在對浮標數(shù)據(jù)進行解析的過程中,充分發(fā)揮PostGIS的空間分析能力,將地理數(shù)據(jù)存儲為PostGIS集合實體類型,如 POINT,LINE等,利用PostGIS提供空間操作和分析函數(shù)進行GIS檢索。

2.2 GIS數(shù)據(jù)緩存

在WebGIS系統(tǒng)中,空間地理數(shù)據(jù)的分析、計算和渲染過程消耗大量的 CPU資源,成為系統(tǒng)性能瓶頸,瓶頸所引發(fā)的較長系統(tǒng)響應(yīng)時間會造成不好的用戶體驗。本文系統(tǒng)中,主要采用GIS數(shù)據(jù)緩存的方法來消除系統(tǒng)瓶頸。處理過程為：當(dāng)用戶向GIS服務(wù)器發(fā)送請求時,緩存服務(wù) GeoWebCache攔截請求,如果該請求沒有處理過,則對地圖圖片進行切片處理并保存到文件緩存服務(wù)器,同時返回處理結(jié)果;如果該請求曾經(jīng)處理過,則直接從地圖文件緩存服務(wù)器返回地圖切片圖片,而不需要再次重新計算,處理流程如圖4所示。這種工作方式可以提高地圖的顯示速度,緩解GeoServer服務(wù)器的工作負荷,實現(xiàn)較為平滑的用戶體驗。

2.3 Ajax技術(shù)

WebGIS具有實時交互、頻繁與服務(wù)器通訊并以GML或圖片傳輸數(shù)據(jù)的特征。對于傳統(tǒng)的Web操作,每次客戶端請求完成后都要刷新客戶端瀏覽器。這種處理方法給 GIS操作帶來了很多不便,比如用戶在同一個網(wǎng)頁中先后進行GIS查詢和其他非GIS查詢操作,在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式下將返回新的HTML頁面,這樣將不能在網(wǎng)頁中保留先前 GIS查詢結(jié)果,用戶需要重新輸入組合查詢條件進行查詢,從而造成很不友好的用戶體驗。本系統(tǒng)通過Ajax技術(shù)來實現(xiàn)用戶平滑的GIS操作,Ajax模型與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模型的不同之處在于服務(wù)應(yīng)答的異步性。這意味著客戶端和服務(wù)器端不必相互等待,而是可以進行并發(fā)操作。

圖4 GIS數(shù)據(jù)緩存處理流程圖Fig.4 Process flow diagram of GIS data cache

OpenLayers是一個開源的JavaScript框架,用于在瀏覽器中實現(xiàn)地圖瀏覽的效果和基本的放大、平移等功能。在Ajax應(yīng)用方面,OpenLayers的Ajax類對創(chuàng)建 XMLHttpRequest對象的過程進行了很好的封裝,可以使用該類進行相關(guān) Ajax操作。具體請求模式如圖5所示,客戶端向服務(wù)器發(fā)出數(shù)據(jù)請求,OpenLayers Ajax引擎以異步調(diào)用的方式將此次請求以參數(shù)的形式發(fā)送給地理信息服務(wù) GeoServer,GeoServer在對空間數(shù)據(jù)庫PostGIS進行檢索后,將返回數(shù)據(jù)以GML或者圖片的格式返回給OpenLayers Ajax引擎,并由其進行結(jié)果渲染。

圖5 WebGIS中Ajax請求模式圖Fig.5 Ajax request mode in WebGIS

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于本文所提出的系統(tǒng)設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)方案,選用 Windows 2003 Server 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)操作系統(tǒng)、Oracle 10g 和 PostgreSQL/PostGIS 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為系統(tǒng)基本平臺,以JAVA作為開發(fā)語言,采用基于MVC模式的Struts作為J2EE架構(gòu)來進行系統(tǒng)的開發(fā)。圖6是Argo基本信息查詢界面,用戶可以根據(jù)系統(tǒng)提供的組合過濾條件查詢自己科研需要的Argo數(shù)據(jù)。在查詢后得到Argo浮標基本信息列表,單擊圖6基本信息列表中對應(yīng)的浮標號,可以得到對應(yīng)浮標在具體時間的剖面數(shù)據(jù),如圖7所示。單擊圖6列表中浮標條目對應(yīng)的詳細操作鏈接,可以得到對應(yīng)浮標的基本信息,如圖8,包括元數(shù)據(jù)的詳細信息以及浮標對應(yīng)的基本觀測信息。圖9是Argo浮標 GIS查詢操作界面,查詢結(jié)果以地圖的形式在瀏覽器中顯示,在地圖中點擊選中相應(yīng)結(jié)果浮標可以查看該浮標的基本信息。

圖6 Argo基本信息查詢界面Fig.6 Argo basic information query

圖7 Argo剖面信息查詢結(jié)果圖Fig.7 Argo profile information query

圖8 Argo浮標詳細信息圖Fig.8 Argo detail information

圖9 Argo地理信息查詢界面Fig.9 Argo GIS query

4 結(jié)論

本文提出了基于WebGIS的Argo數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu),利用當(dāng)前 WebGIS前沿技術(shù)和成熟的J2EE系統(tǒng)開發(fā)模式,實現(xiàn)了Argo浮標數(shù)據(jù)查詢、導(dǎo)入、更新、數(shù)據(jù)提取和 GIS操作等功能。本研究的實例系統(tǒng)已在國家海洋局第二海洋研究所的中國Argo實時資料中心試運行,試運行結(jié)果表明系統(tǒng)可滿足Argo資料用戶的使用需求,為廣大Argo數(shù)據(jù)研究者提供了一種更方便快捷的技術(shù)手段。

[1]許建平.阿爾戈全球海洋觀測大探秘[M].北京：海洋出版社,2002：5-10.

[2]孫朝輝,劉增宏,滕駿華,等.Argo數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)可視化集成平臺開發(fā)及其應(yīng)用[J].海洋技術(shù),2006,25(3)：l35-139.

[3]美國Argo數(shù)據(jù)中心.Argo數(shù)據(jù)浮標資料存檔[DB/OL].(2004-03-23)[2011-01-08].ftp：//usgodae1.fnmoc.navy.mil/pub/outgoing/argo/.

[4]寧鵬飛.基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的 Argo光盤數(shù)據(jù)集構(gòu)建與應(yīng)用[D].杭州：國家海洋局第二海洋研究所,2008.

[5]滕駿華.Development of online Argo data service platform based on GIS[R].杭州：國家海洋局第二海洋研究所,2006.

[6]劉仁義,劉南,尹金峰,等.全球海洋環(huán)境觀測數(shù)據(jù)(Argo)及 ArgoGIS 系統(tǒng)[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2004,13(4)：93-98.

[7]盧海濱,鄭文峰,銀正彤,等.羌塘國家自然保護區(qū)環(huán)境 GIS系統(tǒng)[J].物探化探計算技術(shù),2009,31(1)：64-68.

[8]李 鵬.地理信息服務(wù)的研究與實現(xiàn)[D].廣州：中山大學(xué),2007.

[9]吳運超,王汶,牛錚,等.Ajax在 WebGIS中的應(yīng)用[J].地理與地理信息科學(xué),2007,23(2)：43-46.