馬得生，王 剛，閆冬梅，陳世榮，尤 杰

（1.中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心 中國科學(xué)院數(shù)字地球重點實驗室，北京100094；2.中國科學(xué)院研究生院，北京100049；3.民政部國家減災(zāi)中心，北京100124；4.中國地質(zhì)大學(xué)，土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京100083）

0 引 言

自然災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測需要在地圖上表達的空間對象主要包括自然災(zāi)害、承災(zāi)體和救援力量三大類［1］。這些空間對象信息主要獲取方式是從災(zāi)區(qū)遙感影像提取和實地調(diào)查。遙感影像的數(shù)據(jù)量巨大，需要專業(yè)人員目視解譯，而目前的災(zāi)害信息標繪方式為單機標繪，所以快速高效的提取出災(zāi)情信息并不是一件輕松的任務(wù)。海量遙感影像的處理費時費力，需要建立分布式的遙感影像處理平臺，使專業(yè)技術(shù)人員能夠協(xié)同工作，快速處理所獲取的遙感影像，縮短數(shù)據(jù)處理時間，提高效率［2］。如何將信息資源優(yōu)勢快速有效的轉(zhuǎn)化為抗災(zāi)減災(zāi)的資源優(yōu)勢，以便于決策人員參考 （如救災(zāi)物資分發(fā)、災(zāi)情預(yù)測和人員調(diào)動等），是需要解決的關(guān)鍵問題。

目前協(xié)同標繪技術(shù)在軍事方面應(yīng)用比較廣泛［3－6］。本文基于ArcGIS平臺，將協(xié)同標繪技術(shù)應(yīng)用到自然災(zāi)害信息提取，系統(tǒng)利用計算機和通信技術(shù)建立協(xié)同工作環(huán)境，使多用戶在統(tǒng)一平臺下進行協(xié)同工作。協(xié)同標繪的客戶端完成了協(xié)同標繪、信息獲取和信息處理等，網(wǎng)絡(luò)傳輸端和服務(wù)器端保證了數(shù)據(jù)傳輸和管理的高效、準確。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1.1 邏輯框架

本文設(shè)計了一種基于會議方式的主席－用戶模式的災(zāi)害遙感圖像協(xié)同標繪體系結(jié)構(gòu)，參加協(xié)同工作的人們 “聚集”在一起，圍繞一個共有的任務(wù)進行討論，交換信息、相互協(xié)商、交換意見、達成共識、做出決定即完成任務(wù)［7］。用戶首先登陸服務(wù)器，創(chuàng)建一個新會議，會議創(chuàng)建者默認為該會議主席，即會議的召集者和主持者。在客戶端的協(xié)同工作參加者稱為協(xié)同工作的 “用戶”，即與會者。系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)如圖1所示，該框架有以下優(yōu)點。

圖1 系統(tǒng)邏輯框架

（1）權(quán)限分明：會議主席負責(zé)建立、管理會議組，更新用戶信息，以及管理和分配工作區(qū)。其中，工作區(qū)的管理是主席端的重要功能，主席將需要標繪的遙感底圖合理劃分工作區(qū)給各個用戶。普通與會者，則負責(zé)按照會議主席的分工，對各自 “轄區(qū)”的災(zāi)情信息進行目標提取。

（2）便于統(tǒng)一管理：各個與會者通過網(wǎng)絡(luò)傳輸端與服務(wù)器連接，僅通過服務(wù)器來實現(xiàn)信息交互，便于信息的統(tǒng)一管理，避免了松散耦合系統(tǒng)的管理混亂的缺點。

（3）便于信息傳遞：服務(wù)器只需將各種信息進行組內(nèi)傳遞，便可及時有效的傳給該會議的各個在線用戶，增強了多用戶操作的實時效果。

1.2 物理框架

協(xié)同標繪系統(tǒng)分為三層結(jié)構(gòu)：客戶端，網(wǎng)絡(luò)傳輸端和服務(wù)器端。各層架構(gòu)分工明確，聯(lián)系清晰?？蛻舳藢崿F(xiàn)了系統(tǒng)的主要功能，是整個系統(tǒng)的核心部分。網(wǎng)絡(luò)傳輸端實現(xiàn)各種信息的安全傳輸，是整個系統(tǒng)的橋梁。服務(wù)器端負責(zé)數(shù)據(jù)管理和分發(fā)，是整個系統(tǒng)的重要組成部分。

系統(tǒng)物理框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)物理框架

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 客戶端功能設(shè)計

自然災(zāi)害協(xié)同標繪系統(tǒng)的基本任務(wù)是通過建立協(xié)同工作開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境，使網(wǎng)上各參加單位對同一幅災(zāi)情遙感影像圖進行同步或異步標繪操作，其各個顯示終端都具有相同顯示。

客戶端的主要功能包括：協(xié)同標繪，協(xié)同感知，標繪信息收發(fā)，協(xié)同工作區(qū)設(shè)置和各種信息顯示等。

（1）協(xié)同標繪功能主要是對多種對象進行多種操作。災(zāi)情對象主要包括點 （如路標，水井等），線 （如河流，道路等）和面 （如倒塌房屋，湖泊等）和其他標繪對象 （如文字標注等）。用戶可根據(jù)實際需要，將這些標繪圖形設(shè)置不同屬性，如樣式、大小、顏色、形狀等。用戶標繪動作，包括對圖元的增加、刪除、修改等。協(xié)同標繪功能還要能按照圖元屬性信息，將原用戶操作的圖形信息，“復(fù)制”到同一工作組其他用戶顯示端，從而實現(xiàn) “你見即我見”（what you see is what I see，WYSIWIS）的交互環(huán)境。

（2）協(xié)同感知功能主要是指實時捕捉各種圖元的各種操作，并解譯該操作圖元的各種屬性信息。用戶的標繪動作類型和標繪圖形類型都有多樣性，協(xié)同感知功能要能對這些類型加以區(qū)分識別。協(xié)同感知功能還要能感知用戶信息 （登陸、退出）的變化。

（3）標繪信息收發(fā)功能是指將協(xié)同感知到的圖元信息在數(shù)據(jù)發(fā)送模塊生成規(guī)定格式文件，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸端傳給服務(wù)器。用戶接收模塊接收服務(wù)器發(fā)送來的各種信息文件包，并進行解碼，然后將之傳遞給其他模塊進行處理。

（4）協(xié)同工作區(qū)設(shè)置是將標繪區(qū)域合理劃分給與會者。用戶的首要任務(wù)是標繪本用戶區(qū)域的災(zāi)情信息，工作區(qū)在主席端進行分配。

（5）信息顯示功能主要包括：不同用戶標繪圖元采用不同顏色加以區(qū)別顯示，個人標繪對象的顏色在用戶登陸系統(tǒng)時由系統(tǒng)統(tǒng)一分配，用戶無法更改；同一工作組的用戶信息 （包括工作區(qū)，登陸時間，編輯的圖元等）可以隨時查看；可查看當(dāng)前工作組信息 （會議主席、會議簡介和創(chuàng)建時間等）；所有用戶的各種操作都簡短顯示在日志中，當(dāng)用戶選擇日志中某行操作時，顯示端將該操作對象 （如果存在）進行響應(yīng) （閃爍顯示）。

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸端和服務(wù)器端功能設(shè)計

客戶端的各種操作信息都要經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸端，傳送給服務(wù)器端。

網(wǎng)絡(luò)傳輸端主要包括：①網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，客戶端和服務(wù)器端之間的大量數(shù)據(jù)傳輸，要求穩(wěn)定、快捷，用戶的各種操作都準確重現(xiàn)在工作組的所有用戶后，才能保證各個顯示終端的統(tǒng)一，這要求網(wǎng)絡(luò)傳輸過程不能遺失任何數(shù)據(jù)文件；②數(shù)據(jù)格式，用戶操作圖元類型和標繪動作類型都有很多種，還有用戶進行的其他操作類型，針對這多種類型的數(shù)據(jù)傳輸，需要保證各種傳輸數(shù)據(jù)易于識別，互不混淆。

服務(wù)器端主要為數(shù)據(jù)庫。其需要根據(jù)操作類型，將操作結(jié)果保存在不同的表格。同時，針對用戶在客戶端對圖元的增加、刪除和修改，服務(wù)器端需要對數(shù)據(jù)庫進行相應(yīng)操作，完成數(shù)據(jù)的更新。

2.3 標繪功能流程

協(xié)同標繪的工作流程 （以用戶新增圖元為例）：用戶1利用協(xié)同標繪模塊新建某個災(zāi)害信息圖形后，協(xié)同感知模塊感知到該用戶的當(dāng)前操作，并獲取到其對應(yīng)的信息包括標繪動作類型 （此處為增加）、操作圖形類型的屬性 （顏色、大小、頂點坐標等），然后將這些信息轉(zhuǎn)給數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，該模塊按照一定格式將這些信息生成標準傳輸文件，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸發(fā)送到服務(wù)器端。服務(wù)端接收到該消息后，首先將該信息保存到數(shù)據(jù)庫中，同時賦予該圖形一個唯一標識碼ID，然后將這些信息重新生成傳輸標準文件，傳給工作組的各個用戶。用戶接收模塊接收并還原該信息，利用協(xié)同標繪模塊將用戶1的標繪行為進行重現(xiàn)。整個流程如圖3所示。

圖3 用戶新建圖元流程

當(dāng)用戶在客戶端執(zhí)行新建一個標繪圖元時，該新建圖元將首先被刪除。服務(wù)器統(tǒng)一發(fā)送該標繪信息，每個用戶（包括創(chuàng)建該圖元的用戶）利用協(xié)同標繪模塊進行統(tǒng)一標繪。這樣的機制可以充分利用服務(wù)器為各個圖元統(tǒng)一分配ID，避免ID賦值混亂重復(fù)等現(xiàn)象，便于統(tǒng)一管理。

3 系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 客戶端構(gòu)建

客戶端是整個系統(tǒng)最核心的部分，協(xié)同標繪、協(xié)同感知、發(fā)送和接受數(shù)據(jù)以及各種信息顯示功能，都在客戶端具體實現(xiàn)。其中，協(xié)同感知、消息響應(yīng)和標繪重現(xiàn)是客戶端的關(guān)鍵技術(shù)。

（1）協(xié)同感知技術(shù)

面向標繪對象的協(xié)同感知是底層的協(xié)同感知［8］?；贏rcGIS平臺，用戶進行標繪的圖形類型有兩種：Feature和Element。所以，需要對協(xié)同感知的用戶及時知道協(xié)同工作的最新進展并以顯式的方式體現(xiàn)在協(xié)同結(jié)果上［9］。用戶對這兩種圖形的操作動作類型包括增加、修改、刪除等，圖形標繪主要是針對這兩種圖形的3種操作。標繪行為是非連續(xù)的過程，且用戶的每一次標繪動作和下一次標繪動作之間，可能存在著一系列其他操作。系統(tǒng)必須及時捕捉本用戶的標繪行為，并能識別該標繪動作類型和操作圖形類型。

針對這些問題，結(jié)合ArcGIS Engine，本系統(tǒng)采用事件響應(yīng)機制。該機制將事件和標繪操作對象綁定，對標繪動作進行實時捕獲，實現(xiàn)標繪行為感知。ArcGIS Engine針對Feature和Element的標繪行為采用不同的事件接口，如Feature圖元的IEngineEditEvents＿Event接口，Element元素的IGraphicsContainerEvents＿Event接口。當(dāng)用戶感知到標繪操作后，同時也將捕獲到該圖形，即標繪行為動作的結(jié)果，然后對圖形進行屬性信息識別，從而可以實現(xiàn)協(xié)同感知。

（2）消息響應(yīng)技術(shù)

消息響應(yīng)技術(shù)是指客戶端能實時接收網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)南?。用戶不僅要感知機器的反應(yīng)，更重要的是要感知其他用戶的異地通饋 （feedthrough）。其他用戶的標繪信息都經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇蛻舳?，但網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈募畔⒕哂胁欢〞r性和多樣性，客戶端必須實時監(jiān)聽接收。

本系統(tǒng)引入windows窗口的消息機制，該機制已為窗口界面所實現(xiàn)，它實時接收傳遞到窗口的所有消息，方便快捷。在構(gòu)建本系統(tǒng)時，首先定義網(wǎng)絡(luò)傳輸消息 （message）的接收窗口，當(dāng)數(shù)據(jù)傳遞到該窗口時，自動觸發(fā)其消息處理函數(shù)，在函數(shù)內(nèi)部將信息進行獲取、解碼、區(qū)分后，通過事件代理機制，將消息傳遞給協(xié)同標繪模塊進行響應(yīng)。

（3）標繪重現(xiàn)技術(shù)

標繪重現(xiàn)是指將客戶端的各種操作信息 “復(fù)制”到同一工作組的其他客戶端。系統(tǒng)通過消息響應(yīng)技術(shù)獲得各種操作信息，這些信息中包含所要 “重現(xiàn)”的標繪動作類型、圖形類型和圖形屬性信息 （大小，顏色，頂點坐標等），標繪模塊需要根據(jù)這些信息進行標繪重現(xiàn)。

本系統(tǒng)依據(jù)信息類型，采取消息分類法進行響應(yīng)。根據(jù)消息的標繪動作類型 （增加、刪除和修改），設(shè)置3種標繪動作響應(yīng)類，在各種響應(yīng)類中按照圖元類型建立相應(yīng)標繪重現(xiàn)函數(shù)。對接收到的標繪消息進行處理后，首先根據(jù)標繪動作類型，調(diào)用對應(yīng)的標繪動作類，然后根據(jù)標繪圖元類型，將各種屬性信息傳遞給相應(yīng)處理函數(shù)，進行具體圖形的標繪重現(xiàn)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸端和服務(wù)器端構(gòu)建

網(wǎng)絡(luò)傳輸端和服務(wù)器端，是系統(tǒng)各用戶進行標繪通信和數(shù)據(jù)管理的部分。

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)傳輸端

根據(jù)本系統(tǒng)的功能需求，用可擴展標記語言 （extensible markup language，XML）作為傳輸數(shù)據(jù)語言，采用TCP／IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。

（1）用戶對圖形的標繪行為類型有新建、刪除和修改，標繪圖形類型有Feature和Element兩種，而Feature對象里又有點對象、線對象和面對象子類型，Element要素里有點標注、線 （貝塞爾曲線，折線）標注、面標注和文字標注等子類型。

為了區(qū)別各種標繪動作類型和標繪圖形類型，系統(tǒng)采用 “標繪動作類型＿標繪圖元類型”的格式進行標識，例如用戶新增一個Feature的面對象，則該操作總類型為：“Add＿PolygonFeature”，若用戶修改一個Element的貝塞爾曲線，則該操作總類型為： “Update＿BezierLineElement”。眾多類型的文件傳輸須在傳輸文件中設(shè)置類型格式。系統(tǒng)采用XML語言進行網(wǎng)絡(luò)傳輸，該語言具有良好的數(shù)據(jù)存儲格式、可擴展性、高度結(jié)構(gòu)化、便于網(wǎng)絡(luò)信息組織和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葍?yōu)勢［10］，并且可自定義標記及屬性名。系統(tǒng)在XML文件中以每次操作的總類型作為標識，然后將該操作圖形的其他屬性信息按照格式依次寫入XML文件。

（2）災(zāi)情協(xié)同標繪系統(tǒng)中，為保障 “WYSIWIS”的工作環(huán)境要求，用戶傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中要嚴禁丟失或重復(fù)。用戶的每一次操作都要向服務(wù)器發(fā)送操作信息，服務(wù)器也要發(fā)送各種消息給用戶，因此會產(chǎn)生大量的網(wǎng)絡(luò)傳輸請求，為減少系統(tǒng)更新響應(yīng)的延時，必須選擇高效的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。

本系統(tǒng)采用TCP／IP協(xié)議，它是網(wǎng)絡(luò)通信的標準協(xié)議，技術(shù)成熟穩(wěn)定。為保證傳輸?shù)臏蚀_性，TCP傳輸過程具有捎帶確認機制，具有極高的安全可靠性，且傳輸效率也足以滿足客戶端響應(yīng)需求。

3.2.2 服務(wù)器端

網(wǎng)絡(luò)傳輸端將各種XML文件包傳給服務(wù)器端，由服務(wù)器進行數(shù)據(jù)管理和轉(zhuǎn)發(fā)。

服務(wù)器接收到XML文件包后，要進行解碼處理，獲取文件載有的信息類型，并對該消息進行入庫更新，然后將該消息生成XML文件再傳遞給同一工作組的各個用戶。本系統(tǒng)的服務(wù)器端采用高效率的C＋＋語言編寫，數(shù)據(jù)庫為易于管理和維護的Microsoft Office Access。數(shù)據(jù)庫采用分組管理，不同的會議列入不同的會議組。傳遞的XML文件里含有該消息所屬的會議，便于信息的對號入庫。

4 測試結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)功能，本系統(tǒng)在Visual Studio 2008平臺上，采用C＃ 語言，利用ArcGIS Engine9.3二次開發(fā)構(gòu)建。在100M 局域網(wǎng)上的PC （2GB內(nèi)存，3.0GHz CPU）和WindowXP 32環(huán)境下，500個虛擬在線用戶進行同時編輯操作，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 用戶數(shù)－響應(yīng)時間曲線

該測試結(jié)果表明，事務(wù)響應(yīng)時間不足0.001秒，且在第150－200個用戶參與交流時響應(yīng)時間突增，達到峰值，但總體呈持續(xù)降低的態(tài)勢。所以本系統(tǒng)的各個用戶之間的通信交流快捷迅速，能實時響應(yīng)用戶的操作。

用戶數(shù)－CPU使用率曲線如圖5所示。

圖5 用戶數(shù)－CPU使用率曲線

該結(jié)果表明，曲線在參會用戶數(shù)不斷增加的過程中，在175－200個用戶參與交流時CPU使用率急劇上升，達到峰值，總體呈持續(xù)增長態(tài)勢。最大CPU使用率小于75%，通常情況下CPU使用率小于40%，證明目前的硬件可以適應(yīng)測試的負載。所以本系統(tǒng)對CPU占有率在可接受范圍內(nèi)，系統(tǒng)客戶端穩(wěn)定高效。

系統(tǒng)響應(yīng)時間和CPU使用率曲線在180個用戶附近出現(xiàn)一個峰值，說明該時刻存在密集的計算負載，這主要是虛擬內(nèi)存發(fā)生換頁操作導(dǎo)致的。本系統(tǒng)的設(shè)計使用了內(nèi)存池機制，在服務(wù)啟動后系統(tǒng)會申請約200M左右的內(nèi)存作為內(nèi)存池，當(dāng)在線人數(shù)達到200人左右，該內(nèi)存池耗盡，系統(tǒng)會嘗試申請需求量2倍的內(nèi)存來擴建內(nèi)存池，這將超出測試機器剩余的空閑物理內(nèi)存容量，操作系統(tǒng)會嘗試從其它程序中交換出物理內(nèi)存，從而發(fā)生內(nèi)存換頁操作，這種操作極為耗費CPU時間，從而形成一個系統(tǒng)響應(yīng)的峰值。

5 結(jié)束語

本文基于XML即時通信語言，在TCP／IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議下利用C＋＋語言構(gòu)建了服務(wù)器系統(tǒng)，基于ArcGIS Engine二次開發(fā)，在Visual Studio 2008平臺上利用C＃語言構(gòu)建災(zāi)情協(xié)同標繪的客戶端。系統(tǒng)基于主席－用戶模式的體系結(jié)構(gòu)，采用三層結(jié)構(gòu)，支持多用戶實現(xiàn)標繪信息交流和可視化感知，強化了災(zāi)情信息的快速提取能力，改變了災(zāi)情信息提取的單機單用戶標繪的傳統(tǒng)方式，解決了如何將海量遙感數(shù)據(jù)快速變?yōu)樾畔⒌碾y題。經(jīng)測驗，在500個在線用戶之下，該協(xié)同標繪系統(tǒng)能很好的滿足協(xié)同標繪的應(yīng)用。

系統(tǒng)還有很多工作需要繼續(xù)開展，如支持多媒體通信，實現(xiàn)海量遙感數(shù)據(jù)的點對點傳輸?shù)取?/p>

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