鄭逢令 ，阿依夏木 ，任玉平 ，易 華 ，贠 靜

（1.新疆畜牧科學(xué)院草業(yè)研究所,新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆畜牧科學(xué)院科技信息研究所，新疆 烏魯木齊 830000）

草地資源調(diào)查工作對空間信息技術(shù)有著很迫切的需求，在已經(jīng)做的關(guān)于家庭牧場草畜平衡工作中，我們利用地理信息技術(shù)和遙感技術(shù)繪制出所調(diào)查家庭牧場的草場界限、季節(jié)利用草場分布圖和資源配置圖，在此基礎(chǔ)上結(jié)合開源空間信息技術(shù)，基于MAPSERVER和MS4W,建立了和靜家庭牧場網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對草地信息查詢的基本功能。而草地信息系統(tǒng)僅僅提供基本功能是不能滿足基層和決策層的需要的。舉例來說，我們基層的草原工作者常把家庭牧場的界限轉(zhuǎn)繪到專題圖或地形圖上，在具體工作中要獲得面積屬性時(shí)，要通過經(jīng)驗(yàn)估計(jì)或數(shù)公里網(wǎng)格的方式得到。既不方便也不準(zhǔn)確，很難達(dá)到分析草畜平衡等方面的工作要求，因此我們急需一個(gè)服務(wù)器端功能強(qiáng)大的空間信息系統(tǒng)來輔助管理家庭牧場。

1 GRASS GIS作為服務(wù)端應(yīng)用開發(fā)前景

GRASS GIS作為開源空間信息系統(tǒng)中桌面應(yīng)用軟件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1]，而其作為提供WEBSERVICE服務(wù)功能潛力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未開發(fā)出來。開發(fā)基于GRASS GIS的WEBSERVICE信息系統(tǒng)有很大的現(xiàn)實(shí)意義和開發(fā)前景。其一：可以顯著降低成本，假設(shè)使用最為流行的ArcGIS Server作為開發(fā)平臺(tái)（ArcGIS Server是ESRI公司推出的服務(wù)器端產(chǎn)品，主要可以實(shí)現(xiàn)兩大功能：1、強(qiáng)大的Web GIS系統(tǒng)的開發(fā)；2、分布式GIS系統(tǒng)的開發(fā)）ARCSDE＋ARCGIS Server的報(bào)價(jià)是74萬元人民幣，這還不包括開發(fā)的費(fèi)用。使用GRASS GIS則只需開發(fā)的成本就可以，而且開發(fā)出的系統(tǒng)可輕易轉(zhuǎn)移到其他應(yīng)用方向。其二：GRASS GIS符合OGC標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)的發(fā)展很快很新，開發(fā)者眾多。其三：只要在遵守相關(guān)協(xié)議的基礎(chǔ)上可以反復(fù)使用，沒有商業(yè)軟件許可證的限制。其四：由于其開源的特性，可針對草業(yè)行業(yè)需求進(jìn)行深度定制，整合并模塊化一些針對草業(yè)的空間信息算法和應(yīng)用。

2 需求分析

新疆是全國重要牧區(qū)，草原面積5.73×107ha，占全疆土地面積的34.4%。由于濫墾亂挖和牲畜數(shù)量迅速增加，導(dǎo)致草地退化等嚴(yán)重生態(tài)問題。亟需借助先進(jìn)科學(xué)技術(shù)監(jiān)測草原動(dòng)態(tài)變化，提供草畜平衡的實(shí)時(shí)資料，統(tǒng)籌草原生態(tài)治理規(guī)劃，有效開展草原生態(tài)建設(shè)。隨著航空、航天對地觀測科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，新興的地球信息科學(xué)對合理開發(fā)利用資源、提高資源利用效率、保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境起著重要作用。

應(yīng)用開源空間信息技術(shù)處理、儲(chǔ)存、管理、分析草業(yè)基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)，建立家庭牧場草地資源監(jiān)測技術(shù)平臺(tái)。對掌控草原資源空間分布、動(dòng)態(tài)變化、災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)和生態(tài)建設(shè)跟蹤管理構(gòu)建新疆生態(tài)安全屏障，建立和諧社會(huì)具有重要戰(zhàn)略意義。

對家庭牧場的擁有者和基層的如草原站和草地監(jiān)理，對使用桌面地理信息軟件處理基本的柵格和矢量空間數(shù)據(jù)，都有一定的難度，更別談利用空間技術(shù)管理家庭牧場。WEBSERVICE的家庭牧場草地信息系統(tǒng)，將主要計(jì)算集中于服務(wù)器端，由于服務(wù)器端承擔(dān)了幾乎所有的功能，對客戶端的要求不高，家庭牧場草地監(jiān)測管理等工作可通過手機(jī)、筆記本等終端設(shè)備完成，提高了系統(tǒng)的實(shí)用性和實(shí)時(shí)性，非專業(yè)人士也可以輕松的使用。

3 幾種基于GRASS GIS的WEBSERVICE系統(tǒng)架構(gòu)和特點(diǎn)

3.1 GRASSLinks

GRASSLinks開發(fā)于1995年，由美國加州大學(xué)伯克利分校Huse博士在其學(xué)位論文的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。GRASSLinks是第一個(gè)全功能的在線地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過瀏覽器訪問并使用GRASS的部分功能。GRASSLinks可實(shí)現(xiàn)許多地理信息的操作，包括地圖顯示、空間查詢、圖層疊加、分類、緩沖分析和面積計(jì)算。但此系統(tǒng)建立使用的技術(shù)組成為CGI+JavaScript+GRASS(后端），使用柵格格式，而柵格格式的計(jì)算量是非常大的，有傳輸和運(yùn)算的短板。而且構(gòu)建GRASSLinks系統(tǒng)的難度偏大，使用的范圍相對較窄[2]。

3.2 PyWPS平臺(tái)

2006年，PyWPS項(xiàng)目由Dbu（德國聯(lián)邦環(huán)境基金會(huì)）支持下開始啟動(dòng)，到2010年由私人企業(yè)HS-RS作為贊助商。PyWPS由python語言編寫，提供了一個(gè)可以執(zhí)行地理模型或空間操作的環(huán)境，用戶可以方便的使用和訪問。PyWPS項(xiàng)目已經(jīng)開發(fā)了可為GRASS GIS提供OGC service WPS (Web Processing Service)應(yīng)用支持的平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)下可以很方便的使用GRASS GIS自有的模塊[3]。PyWPS可通過INTERNET提供地理信息系統(tǒng)和其他空間信息軟件的功能。另外，PyWPS還可以和一些成熟的開源軟件聯(lián)合使用，如GDAL、PROJ.4、UMN Mapserver，而wps客戶端軟件可選擇QGIS或者OpenLayers等。

3.3 GeOnAS框架（Web Service-based GeoBrain Online Analysis System）

GeOnAS美國喬治梅森大學(xué)(GMU)空間信息科學(xué)和系統(tǒng)研究中心，在NASA資助的GeoBrain項(xiàng)目研究中，建立的基于SOA框架下的，空間數(shù)據(jù)處理、分析的功能主要以GRASS GIS模塊完成，其目的是通過應(yīng)用GeoBrain先進(jìn)的空間信息服務(wù)技術(shù)，建立適應(yīng)數(shù)據(jù)密集型的學(xué)習(xí)和研究環(huán)境，服務(wù)于跨學(xué)科領(lǐng)域的地球信息科學(xué)的教育和研究[4]。GeOnAS可以說是目前最為完整的基于GRASS GIS Web service系統(tǒng)。功能強(qiáng)大，并且還在不斷發(fā)展和完善當(dāng)中。其特點(diǎn)是具有跨平臺(tái)性和互操作性，符合OGC的標(biāo)準(zhǔn)。該平臺(tái)允許不同平臺(tái)、不同操作系統(tǒng)的用戶共享、交換和重用他們的數(shù)據(jù)和服務(wù)。支持OGC網(wǎng)絡(luò)柵格服務(wù)(WCS)、OGC網(wǎng)絡(luò)特征服務(wù)(WFS)、OGC網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)(WMS)、網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù) (WPS)、OGC GML。

3.4 ZOO Project

在2008年的開源地理信息大會(huì)FOSS4G （Free and Open Source Software for Geospatial）上，Gerald FENOY,Nicolas BOZON and Venkatesh RAGAHAVAN提出了ZOO Project這一項(xiàng)目。ZOO Project是一個(gè)基于WPS（網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)）的開源項(xiàng)目，執(zhí)行MIT/X-11許可證發(fā)布。它提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的OGC WPS的開發(fā)人員友好的框架來創(chuàng)建和開發(fā)WPS的web服務(wù)。其主要目標(biāo)是收集現(xiàn)有的開源庫并使他們以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的方式溝通，同時(shí)提供開發(fā)人員一種簡單的方法創(chuàng)建WebServices應(yīng)用[5]。ZOO Project致力應(yīng)用OGC WPS標(biāo)準(zhǔn)建立網(wǎng)絡(luò)空間平臺(tái)，其開發(fā)語言主要為C和Python,其中Python解譯器已經(jīng)編譯進(jìn)ZOO的內(nèi)核，這樣可以在ZOO服務(wù)應(yīng)用時(shí)可以利用現(xiàn)成的Python庫。由C語言為編程語言的zoo kernel處理ZOO服務(wù)鏈,一個(gè)ZOO服務(wù)包括metadata file（以 .zcfg為后綴）和服務(wù)的提供方（可能是動(dòng)態(tài)庫、Python模塊,JAVA類,PHP腳本）。目前使用ZOO Project架構(gòu)的GRASS GIS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的應(yīng)用主要組成包括GRASS GIS 7、ZOO 1.0等，在后面的章節(jié)還會(huì)詳細(xì)闡釋。

3.5 52°North WPS 架構(gòu)

52°North成立于德國Muenster大學(xué)地理信息大學(xué)及附屬公司GmbH，作為免費(fèi)和開源地理空間軟件，其基本思路是加強(qiáng)現(xiàn)有軟件的合作關(guān)系，并通過制定適當(dāng)?shù)臉I(yè)務(wù)模式和組織模式，聯(lián)合相關(guān)研究和行業(yè)進(jìn)行開發(fā)。成立之后陸續(xù)有許多公司和組織加入，其中2006年，著名環(huán)境系統(tǒng)研究所公司（ESRI公司）成為其第四個(gè)合作伙伴。 隨著時(shí)間的推移貢獻(xiàn)者和聯(lián)合項(xiàng)目數(shù)量不斷擴(kuò)大，52°North已成為地理信息學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)新實(shí)體，軟件廣泛用于信息技術(shù)環(huán)境中運(yùn)作、研究實(shí)驗(yàn)室和教育領(lǐng)域[6]。52°North架構(gòu)比較復(fù)雜，地理信息處理部分是完全以Java為基礎(chǔ)的開放源碼框架，其網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用運(yùn)行在Tomcat server上，地理空間分析功能主要由GRASS GIS完成（當(dāng)然還可以使用GeoStar或ARCGIS server等平臺(tái)），目前支持所有的功能和操作規(guī)范WPS的版本1.0.0。

由此可知，網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)應(yīng)該符合OGC的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，而OGC WPS協(xié)議的出現(xiàn)，使的GIS功能的網(wǎng)路化應(yīng)用更加強(qiáng)大，其最大的創(chuàng)新之處在于可以通過網(wǎng)絡(luò)為客戶端提供一系列GIS操作的服務(wù)調(diào)用接口，可以實(shí)現(xiàn)從簡單的空間分析操作到復(fù)雜的全球氣候變化模型計(jì)算的幾乎所有功能[7]。

4 基于GRASS GIS和zoo project框架下的家庭牧場草地信息系統(tǒng)

4.1 基于ZOO PROJECT框架和GRASS GIS的家庭牧場草地信息系統(tǒng)

從上節(jié)可知，現(xiàn)在發(fā)展最為成熟的基于GRASS GIS的應(yīng)用框架是52n WPS架構(gòu)和GeOnAS架構(gòu)，但其開發(fā)的方式相對封閉，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且局限于JAVA等少數(shù)編程語言進(jìn)行開發(fā)，不易擴(kuò)展和應(yīng)用。ZOO project框架發(fā)展非常迅速，可用開發(fā)語言眾多，擴(kuò)展性良好，符合OGC的WPS標(biāo)準(zhǔn)，基于以上考慮我們選擇zoo project框架的作為家庭牧場草地信息系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)。

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)和功能

基于ZOO PROJECT框架和GRASS GIS的家庭牧場草地信息系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。從圖一可知，GRASS GIS Module首先要轉(zhuǎn)化為XML 處理類型（XML process descriptions），然后通過pyxb（或直接由wps-grass-bridge）將其轉(zhuǎn)化為一個(gè) zcfg文件和一個(gè)python服務(wù)文件，ZOO Kernel處理和整合這些WPS服務(wù)應(yīng)用，終端用戶使用瀏覽器、Qgis、openlayers等WPS客服端完成屬性查詢、空間分析、遙感影像處理、矢量處理等傳統(tǒng)空間信息系統(tǒng)所具有的功能。這樣GRASS GIS的功能模塊通過ZOO PROJECT框架，可建立功能完善的家庭牧場草地信息系統(tǒng)，具有編輯、查詢家庭牧場專題圖、通過挖掘?qū)崟r(shí)遙感數(shù)據(jù)得到的植被指數(shù)的變化，實(shí)時(shí)監(jiān)測草地生物量的變化，獲得草地退化與恢復(fù)的現(xiàn)狀，進(jìn)而評價(jià)禁牧、休牧效果。

5 小 結(jié)

通過對基層草業(yè)工作者的實(shí)際需求分析，我們在總結(jié)了幾種常用的GRASS網(wǎng)絡(luò)框架的基礎(chǔ)上，選擇了ZOO－project作為家庭牧場網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)的平臺(tái)。在這個(gè)平臺(tái)下GRASS的所有成熟功能模塊可以直接在網(wǎng)絡(luò)上使用，符合OGC最新的WPS標(biāo)準(zhǔn)。使用的軟件是開源的，可以免費(fèi)、重復(fù)使用而不用過多考慮許可的問題。這樣建立的家庭牧場網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)成本極低、符合國際通用的標(biāo)準(zhǔn)，必將為草業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字化、信息化作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

[1]M.Neteler，H.Mitasova.Open Source GIS：A GRASS GIS approach[M].Springer，New York，2007.

[2] Li,X.,L.Di,W.Han,P.Zhao,U.Dadi,2010.Sharing geoscience algorithms in a Web service－oriented environment(GRASS GIS example).Computers and Geosciences.Volume 36,Issue 8,Pages 1060－1068.

[3] pywps homepage.[EB/OL].http：//pywps.wald.intevation.org/documentation/pywps－3.2/special/grass.html.2011.2.25.

[4] Han W.,Di L.,Zhao P.,Wei Y.,Li X.,2008.Design and Implementation of GeoBrain Online Analysis System(GeOnAS)in：M.Bertolotto,C.Ray,and X.Li(Eds.)：W2GIS 2008,LNCS 5373,pp.27－36,December 11－12,2008,Shanghai,China.

[5]G.Fenoy,N.Bozon,V.Raghavan[EB/OL].ZOO PROJECT：THE OPEN WPS PLATFORM,www.isprs.org/proceedings/XXXVIII/4－W13/ID_32.pdf,2010.9.15.

[6] 52north homepage.[EB/OL]..http：//52north.org/communities/geoprocessing/index.html.2011.2.21.

[7]高昂.誕生中的WPS規(guī)范.[EB/OL].http：//blog.gisforum.net/u/92397/archives/2007/1362.html#,2007.7.12.