羅　泉，陳寧江

基于GeoServer的等值面圖服務(wù)實(shí)現(xiàn)

羅泉，陳寧江

（廣西大學(xué)計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，南寧530004）

根據(jù)OGC WMS標(biāo)準(zhǔn)，對GeoServer的WMS服務(wù)進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)基于IDW算法的動(dòng)態(tài)生成等值面功能，并封裝成WMS服務(wù)，使用戶可以從網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)用和瀏覽等值面圖。應(yīng)用實(shí)例表明，具有實(shí)時(shí)插值，生成等值面圖像，動(dòng)態(tài)與地圖數(shù)據(jù)疊加等特點(diǎn)，是對GeoServer軟件的有益補(bǔ)充。

GeoServer；Web Map Service；等值面

國家科技支撐計(jì)劃課題（No.2015BAH55F02）、廣西高校優(yōu)秀人才資助計(jì)劃（No.[2011]40）、廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（桂科軟13180015）

0　引言

等值面的生成是GIS空間分析中常用的方法。文獻(xiàn)[1]利用商業(yè)軟件ArcGIS的功能，實(shí)現(xiàn)了降雨量等值面的繪制，功能滿足需求但方案的實(shí)施成本高。文獻(xiàn)[2]提出基于OGC WPS(Web Processing Service)標(biāo)準(zhǔn)[3]實(shí)現(xiàn)常用空間分析功能，并利用免費(fèi)開源的GeoServer實(shí)現(xiàn)了緩沖區(qū)分析功能。然而，依據(jù)WPS標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過空間分析后生成的柵格圖像以超鏈接的形式返回，無法供瀏覽器直接與其他地圖數(shù)據(jù)結(jié)合顯示。在實(shí)際應(yīng)用中，等值面圖，如溫度分布圖、降水量分布圖等，都需要與實(shí)際地圖影像進(jìn)行疊加，以便下一步的分析。使用WPS標(biāo)準(zhǔn)生成的柵格圖像，不便直接在地圖上進(jìn)行定位并與地圖影像進(jìn)行疊加。

針對以上問題，本文依據(jù)OGC（Open GIS Consortium）WMS（Web Map Service）標(biāo)準(zhǔn)，使用IDW插值算法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)生成等值面的功能，制作成GeoServer軟件插件，封裝成WMS服務(wù)，供用戶通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)用。

1　工作背景

為解決各種異構(gòu)平臺中的GIS空間數(shù)據(jù)共享問題，開放地理空間信息聯(lián)盟OGC推出了一系列基于WebService技術(shù)的空間數(shù)據(jù)交互操作標(biāo)準(zhǔn)，如WMS、WFS（Web Feature Service）、WCS（Web Coverage Service）、WPS等。WMS即網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)，提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口，定義了客戶端通過HTTP協(xié)議從地圖服務(wù)器獲取地圖圖像的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。WMS服務(wù)既可動(dòng)態(tài)生成地圖，也可直接返回靜態(tài)地圖數(shù)據(jù)。這些地圖既可以使用PNG、JPEG等圖像格式來呈現(xiàn)，也可以使用KML、SVG等矢量圖形來呈現(xiàn)。一個(gè)基本的WMS服務(wù)包括三個(gè)基礎(chǔ)操作：GetCapabilities、GetMap、Get-FeatureInfo。GetCapabilities返回服務(wù)的元數(shù)據(jù)信息，元數(shù)據(jù)包括服務(wù)支持的操作、參數(shù)以及有效的圖層；GetMap返回指定區(qū)域的地圖圖像；GetFeatureInfo則返回用戶指定的地理要素信息?？蛻舳丝赏瑫r(shí)請求多個(gè)WMS服務(wù)，并將返回的地圖圖像疊加，在一個(gè)視圖內(nèi)顯示。

GeoServer是OGC標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)J2EE實(shí)現(xiàn)[4]，采用Spring Web MVC開源框架，所有的WMS請求均由Spring Web MVC的核心控制類DispatcherServlet進(jìn)行派發(fā)，轉(zhuǎn)到GeoServer的核心類ows.Dispatcher中處理。下圖的UML時(shí)序圖描述是一個(gè)默認(rèn)的WMS的GetMap請求響應(yīng)過程：

（1）瀏覽器利用HTTP協(xié)議，發(fā)起GetMap請求。

（2）ows.Dispatcher接收到請求后，調(diào)用wms.DefaultWebMapService的GetMap函數(shù)進(jìn)行處理，并最終獲得一個(gè)WebMap對象，該對象封裝了用戶所請求的地圖空間數(shù)據(jù)。

（3）ows.Dispatche選用合適的策略，調(diào)用ows.Response的Write函數(shù)，將WebMap對象渲染成PNG或JPEG等格式的圖片，返回給瀏覽器顯示。

wms.DefaultWebMapService由GeoServer核心根據(jù)服務(wù)名稱，利用反射技術(shù)動(dòng)態(tài)加載，通過GetMap操作，向?yàn)g覽器返回請求區(qū)域的地圖圖像。若實(shí)現(xiàn)等值面的動(dòng)態(tài)生成、定位及顯示，則需要依照WMS標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)GetMap操作，在GetMap中完成空間插值、圖形渲染等功能。

圖1　WMS GetMap請求響應(yīng)UML時(shí)序圖

2　等值面服務(wù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

等值面是以空間為定義域的連續(xù)函數(shù)的等位集，一個(gè)等值面里的每一個(gè)點(diǎn)，其數(shù)值是一樣的，使用同樣的顏色表示。單獨(dú)的等值面圖能表示數(shù)值的空間分布及空間變化趨勢，連續(xù)的等值面圖能表示數(shù)值的空間、時(shí)間內(nèi)的分布及變化趨勢，常用于水文、氣象、勘探等行業(yè)中。生成等值面其難點(diǎn)在于插值算法，受空間多種因素的影響，同一個(gè)樣本集采用不同的插值算法，其預(yù)測值與實(shí)測值的誤差不同[5]。為提高插值的精度，需要事先對樣本集進(jìn)行分析以選擇合適插值算法。本文使用IDW算法闡述基于GeoServer設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)等值面服務(wù)的過程。

等值面動(dòng)態(tài)生成服務(wù)被設(shè)計(jì)成為一個(gè)通用的WMS服務(wù)，參數(shù)支持：INTERVALS（分級量值）、INTERVAL_COLORS（分級顏色）、INTERPOLATE（插值方法），實(shí)現(xiàn)WMS的三個(gè)基本操作，依賴于空間插值算法和渲染類，UML類圖如下：

圖2　等值面服務(wù)UML類圖

等值面服務(wù)的核心在于GetMap操作，在GetMap中使用空間插值算法插值、分級，并使用渲染類將結(jié)果分級著色，渲染成PNG圖像。為今后能支持更多的空間插值算法、方便擴(kuò)展，在設(shè)計(jì)上采用了工廠模式，運(yùn)用Spring框架的IoC（Inversion of Control控制反轉(zhuǎn)）機(jī)制，可以做到在不修改原有源代碼的情況下新增空間插值方法。同時(shí)，使用緩存類來緩存渲染的結(jié)果，在插值前判斷緩存中是否有渲染結(jié)果，如果有則直接返回，如果沒有則進(jìn)行插值并渲染，利用空間來縮短響應(yīng)時(shí)間。GetMap的偽代碼片段如下：

public WebMap GetMap(GetMapRequest request)throws ServletException,

IOException{

String cachekey=getCacheKey(request);//根據(jù)輸入?yún)?shù)來獲取緩存的索引值

if(ResultCache.InCache(cachekey)){

return ResultCache.Get(cachekey);//緩存中有處理結(jié)果，可直接返回

}else{

//獲取需要使用的插值算法名稱

String iName=GetParam(request,”INTERPOLATE”);

//根據(jù)算法名稱，獲取插值算法對象實(shí)例

IInterpolate interpolator=InterpolateFactory.GetInterpolation(iName);

……

//執(zhí)行插值操作

interpolateResult=interpolator.Interpolate(param1,param2,…);

……

//將插值結(jié)果渲染成圖像并返回

Return Image.RenderImage(interpolateResult);

}

}

該服務(wù)根據(jù)瀏覽器提交參數(shù)，使用IDW（Inverse Distance Weighted，反距離權(quán)重插值）算法，對瀏覽器視圖范圍內(nèi)的離散點(diǎn)進(jìn)行插值、分級、著色，并返回PNG格式的地圖圖像，最后由瀏覽器完成地圖的顯示。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)完成代碼，實(shí)現(xiàn)服務(wù)程序。此外，還須依據(jù)GeoServer的二次開發(fā)要求，使用application-Context.xml文件，將該服務(wù)注冊到GeoServer中：

〈bean id="contoursurfaceService"class="com.geoExtension.wms.ContoursurfaceService"〉

〈bean id="contoursurfaceDescriptor"class="org.geoserver. platform.Service"〉

〈constructor-arg index="0"value="contoursurface"/〉

〈constructor-arg index="1"ref="contoursurfaceService"/〉

〈constructor-arg index="2"value="1.1.1"/〉

〈constructor-arg index="3"〉

〈list〉

〈value〉GetCapabilities〈/value〉

〈value〉GetMap〈/value〉

〈value〉GetFeatureInfo〈/value〉

〈/list〉

〈/constructor-arg〉

〈/bean〉

該配置片段告訴GeoServer，等值面服務(wù)名為contoursurface，對應(yīng)的類為com.geoExtension.wms.ContoursurfaceService，支持WMS 1.1.1，包含GetCapabilities、GetMap、GetFeatureInfo操作。最后，將編譯的程序集打包為jar格式文件，拷貝到GeoServer的WEB-INFLib目錄中，重啟GeoServer，即完成了等值面動(dòng)態(tài)生成服務(wù)的安裝。

用戶只需在瀏覽器地址欄中輸入給定地址，即可調(diào)用等值面服務(wù)。GeoServer從地址中解析出所需信息，包括：請求的圖層、請求的服務(wù)名、請求的操作，以及請求的區(qū)域坐標(biāo)、投影等信息，并根據(jù)服務(wù)名查找對應(yīng)的類，執(zhí)行其中的GetMap函數(shù)。最后，GeoServer向?yàn)g覽器響應(yīng)請求區(qū)域內(nèi)的等值面圖形。流程如圖3所示意。

圖3　GeoServer加載、執(zhí)行等值面服務(wù)流程

3　實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證能否利用等值面服務(wù)生成等值面圖像，驗(yàn)證該等值面圖像能否和其他地圖疊加顯示，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)方案：

（1）使用PC作為服務(wù)器，配置為CPU 2.5GHz 4核，內(nèi)存4G

（2）支撐軟件為Win 7操作系統(tǒng)，Java 7運(yùn)行庫，Jetty 6.1，GeoServer 2.5

（3）選用800個(gè)離散點(diǎn)作為測試數(shù)據(jù)，包含坐標(biāo)值和離散點(diǎn)值，以Shape文件格式存儲(chǔ)，并導(dǎo)入GeoServer的新圖層中，命名為sf:contours；

（4）根據(jù)離散數(shù)值的頻數(shù)分布，將離散點(diǎn)值分級；

（5）瀏覽器端使用開源js框架OpenLayers請求等值面服務(wù)，獲取相應(yīng)圖像并顯示。

在實(shí)驗(yàn)中，使用了某地的日降雨量數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)值的頻數(shù)分布，將數(shù)據(jù)分為5級：1級[0~0.1]、2級[0.1~1]、3級[1~2]、4級[2~5]、5級[5~15]，并為每個(gè)取值區(qū)間設(shè)置一種顏色。最后，用戶使用OpenLayers調(diào)用等值面生成服務(wù)，OpenLayers獲得等值面圖像并顯示。

圖4為樣本集在二維平面上的分布情況，每一個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)樣本的位置。從圖中可以看到，樣本并不是均勻分布，部分區(qū)域密集，而右上角區(qū)域、底部區(qū)域只有零星的幾個(gè)樣本。點(diǎn)擊樣本熱點(diǎn)可以查看樣本的數(shù)值，但無法獲知圖中任意空白區(qū)域的大概數(shù)值，無法根據(jù)樣本集直觀分析出數(shù)值變化趨勢。

圖5為等值面服務(wù)根據(jù)樣本集的數(shù)值，在可視范圍內(nèi)使用IDW算法插值而動(dòng)態(tài)生成的等值面圖，圖中的5種顏色代表5種取值區(qū)間，顏色由淺到深依次按低到高次序表示不同的樣本值區(qū)間。根據(jù)該圖像，可明顯看出西北方向區(qū)域降雨量較小，東南方向區(qū)域降雨量較大。圖6為等值面圖和樣本集地區(qū)的地形圖實(shí)時(shí)疊加顯示的效果。根據(jù)該圖像，很直觀看出該地區(qū)在當(dāng)日的降雨量分布情況。

圖4　樣本集分布圖

圖5　等值面圖

圖6　等值面、地圖疊加效果

通過實(shí)驗(yàn)可以看到，該等值面服務(wù)能夠根據(jù)樣本集的離散數(shù)據(jù)，以及用戶的輸入?yún)?shù)，動(dòng)態(tài)生成等值面圖像，并能實(shí)時(shí)與樣本集所在地區(qū)的地形圖疊加顯示，直觀地表現(xiàn)出區(qū)域內(nèi)的數(shù)值變化趨勢，已達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4　結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，WebGIS技術(shù)已普遍應(yīng)用于人們生活中。GeoServer軟件作為一個(gè)開源的J2EE應(yīng)用，遵循OGC標(biāo)準(zhǔn)，支持插件式的二次開發(fā)，廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、小型的商業(yè)WebGIS應(yīng)用中，是各類WebGIS解決方案中的一個(gè)廉價(jià)的選擇。等值面是GIS應(yīng)用中常用的空間分析技術(shù)，但GeoServer并未提供相關(guān)功能。本文針對此問題，根據(jù)GeoServer二次開發(fā)接口和WMS規(guī)范，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)等值面生成服務(wù)，供瀏覽器調(diào)用并顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該服務(wù)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果，是GeoServer軟件的一個(gè)有益補(bǔ)充。

[1]任斌，吳可，陳潔.基于ArcGIS的降雨量等值面生成系統(tǒng)研究[J].信息技術(shù)，2013(9):125~128

[2]姜超，徐青，等.基于OGC WPS的GIS空間分析方法[J].測繪科學(xué),2011，11，36(6):198~200

[3]OGC.OGC Standard[EB/OL].http://www.opengeospatial.org/standards/

[4]張大鵬，張錦，等.開源WebGIS軟件應(yīng)用開發(fā)技術(shù)和方法研究[J].測繪科學(xué),2011.09，36(5):193-196

[5]胡剛，趙剛，宋慧.不同插值方法對降水量空間不確定性的影響[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012.10,26(4):428~432

[6]張凡，胡春陽，韓軍.高性能互操作的OGC WMS系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2010，27(5)：1732~1736

GeoServer;Web Map Service;Contour Surface

Implementation of Contour Surface Service Based on GeoServer

LUO Quan，CHEN Ning-jiang

(School of Computer and Electronic Information,Guangxi University,Nanning 530004)

According to OGC WMS standards,extends the GeoServer WMS,and implements a GeoServer plugin which is used generating contour surface based on IDW algorithm and encapsulated into a WMS Service.Users can call the WMS Service from the network and browse the result.The experimental results show that the plug-in with real-time interpolation,it can produce the equivalent surface image,superimpose with map data dynamically.It is good for GeoServer software.

1007-1423（2015）12-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.12.015

羅泉（1979-），男，廣西南寧人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)檐浖こ獭eb服務(wù)

陳寧江（1975-），男，廣西南寧人，博士，教授，研究方向?yàn)檐浖こ獭⒅虚g件、網(wǎng)絡(luò)分布式計(jì)算

2015-02-26

2015-04-07