項方月

(寧波市天一測繪設計研究有限公司，浙江 寧波 315000)

隨著計算機和網(wǎng)絡技術已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的一部分，GIS的發(fā)展進入了一個新時期，各個行業(yè)對地理空間數(shù)據(jù)及其處理功能的需求日益增長，要求地理信息能夠廣泛地被共享、交換和訪問，因此易于集成的地理信息服務應運而生。地理信息服務是把地理空間數(shù)據(jù)和處理功能封裝為服務并發(fā)布在網(wǎng)絡上，通過網(wǎng)絡對地理信息進行集成和共享，以數(shù)據(jù)服務和處理服務兩種形式，為用戶方便快捷地獲取各種空間數(shù)據(jù)及其處理功能[1]。地理信息服務將在地理國情監(jiān)測、全球地表覆蓋、智慧城市等熱點研究中發(fā)揮重要作用，完善和開發(fā)處理服務功能將成為今后的發(fā)展趨勢和研究熱點。

1 地理處理服務概述

1.1 處理服務定義

處理服務是在數(shù)據(jù)服務的基礎上，為了滿足客戶不同的需求，對本地數(shù)據(jù)或存放在網(wǎng)絡上的空間數(shù)據(jù)進行處理操作，并為用戶提供面向應用的增值服務，比如坐標轉(zhuǎn)換服務、柵格/矢量轉(zhuǎn)換服務、尺寸測量服務、路徑確定服務、地理編碼服務等[2]。處理服務過程中用戶并不直接對空間信息資源操作，它強調(diào)過程，主要為用戶提供計算、分析、處理空間信息資源等功能。當用戶對同一數(shù)據(jù)有不同請求處理時，處理服務會針對用戶的請求從不同方面解讀該數(shù)據(jù)，返回不同的處理結果。處理服務還遵循一定的通信機制，通過對空間數(shù)據(jù)建立計算和處理模型，既能夠為用戶提供通用的處理服務，也能靈活地針對某項具體應用提供特定處理服務，真正實現(xiàn)了處理服務多粒度、功能多樣化這一特性，滿足了用戶的不同需求[3]。

1.2 處理服務基本原理

處理服務實現(xiàn)的整個過程中，對空間數(shù)據(jù)的分析、處理等操作在服務器端實現(xiàn)?？蛻舳嘶诰W(wǎng)絡通信協(xié)議向服務器端發(fā)送請求，服務器端使用本地數(shù)據(jù)或共享網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，提供處理算法及計算模型，執(zhí)行處理服務，并將處理結果傳送給客戶端，具體實現(xiàn)過程如圖1所示。

服務客戶端主要有桌面GIS客戶端和WebGIS客戶端兩種，可以基于HTTP傳輸協(xié)議或SOAP協(xié)議實現(xiàn)與服務器端的交互操作，通過網(wǎng)絡向服務器端傳送請求并得到相應返回結果；服務器端接收到用戶請求后，對地理空間數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換、坐標轉(zhuǎn)換等一系列操作，并提供空間數(shù)據(jù)分析處理算法和計算模型，支持用戶實現(xiàn)最優(yōu)路徑分析、緩沖區(qū)分析、疊加分析等處理服務[4]；空間數(shù)據(jù)資源則為服務端執(zhí)行處理服務提供了有效數(shù)據(jù)源，包括標準的矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)，存在于處理服務的整個生命周期中，是成功完成處理服務的必要基礎。

圖1 處理服務實現(xiàn)模式示意圖

1.3 處理服務主要實現(xiàn)方法

1.3.1 OGC WPS的服務標準

網(wǎng)絡處理服務規(guī)范WPS(Web Processing Service)是OGC組織為所有地理處理服務提供的一個標準化協(xié)議，并指定了客戶端和服務器端實現(xiàn)的操作。它規(guī)定了處理服務的標準接口，并將處理功能模塊封裝為網(wǎng)絡服務，包括輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)和觸發(fā)方式，客戶端基于XML文檔通信方式，通過網(wǎng)絡可以共享空間信息及其處理功能。通過這三個接口，基于XML傳輸協(xié)議，可以實現(xiàn)客戶端與服務器端的互操作，客戶端可以通過網(wǎng)絡調(diào)用與空間數(shù)據(jù)處理相關的GIS函數(shù)功能。

1.3.2 ArcGIS Server的Geoprocessing Service

ESRI公司生產(chǎn)的ArcGIS Server軟件中Geoprocessing Service地理處理服務是將位于ArcGIS Server服務器端的地理數(shù)據(jù)處理模型或者包含一個處理模型工具圖層的地圖文檔發(fā)布為服務[5]。它是一種地理數(shù)據(jù)處理工具，客戶端通過網(wǎng)絡向服務器端發(fā)送請求，服務器端提供了分析、計算模型，執(zhí)行空間分析和建模等功能，并將處理結果返回給客戶端，促進GIS功能從桌面向網(wǎng)絡方向發(fā)展[6]。

1.3.3 其它基于通用Web Service的處理服務

除了以上提到的基于OGC WPS服務標準的處理服務和ArcGIS Server軟件中Geoprocessing Service地理處理服務外，還有一些基于通用Web Service的處理服務[7]，比如企業(yè)服務總線ESB(Enterprise Service Bus)。企業(yè)服務總線ESB是一種基于面向服務架構SOA的處理服務技術，它是在分布式環(huán)境下，接受相關事件及消息的引導，并根據(jù)其內(nèi)容進行篩選，能夠傳送各種各樣的復雜數(shù)據(jù)，還提供了一系列標準化接口，具有松耦合、易組合、可擴展、互操作等特點，有利于實現(xiàn)企業(yè)不同部門、不同業(yè)務單元、不同合作伙伴之間的應用集成[8]。

2 處理服務構建的技術路線

本文首先對處理服務的定義及原理進行研究。其次，利用Visual Studio .NET開發(fā)平臺研究GIS算法封裝、服務流程編排及服務接口實現(xiàn)等內(nèi)容，關鍵是將處理功能封裝為Web服務及服務接口的實現(xiàn)?？蛻舳讼蚍掌鞫税l(fā)送請求，服務器端接收并分析用戶請求，以XML文檔的形式返回處理結果，完成了客戶端與服務器端的互操作，幫助用戶根據(jù)需要調(diào)用相關處理服務。最后，結合全球地表覆蓋動態(tài)信息服務系統(tǒng)中變化檢測服務實現(xiàn)了將處理功能封裝為.asmx服務、基于JavaScript進行流程編排和服務調(diào)用等功能。技術路線圖如圖2所示。

圖2 處理服務構建的技術路線示意圖

3 基于.NET技術的處理服務構建方法

3.1 GIS算法封裝

基于.NET平臺構建處理服務，為了提高Web處理服務中空間分析、空間處理等算法的可擴展性，建立算法注冊中心，開發(fā)人員可以將與處理功能有關的GIS算法封裝成為組件，通過在算法注冊中心注冊存放在算法庫內(nèi)，便于GIS算法的查詢、集成和共享[8]。

構建算法注冊中心的目的是維護算法類的元數(shù)據(jù)信息，這主要包括每個GIS算法的標識符、實現(xiàn)類的Qualified Name，算法的輸入、輸出參數(shù)等。為了能夠把所有GIS算法成功注冊到注冊中心，可以在服務初始化時將已有的算法模塊動態(tài)地加載到注冊列表中。接著，算法注冊中心將注冊列表中已注冊的算法類中定義的Annotation注釋信息提取出來，方便用戶搜索和使用GIS算法，實現(xiàn)處理功能的實時有效調(diào)用，如圖3所示。

3.2 處理服務流程編排

處理服務流程編排是通過流程驅(qū)動方式對有關Web服務組件進行組合和編排，以形成服務流程。

圖3 GIS算法封裝與注冊示意圖

由于Web服務具有松散耦合、分布式異構環(huán)境下易集成的特點，它要求服務流程編排應該滿足靈活、敏捷、可視化、個性化定制等特性[10]。

處理服務流程編排實現(xiàn)過程中，分為前臺部分和后臺部分。前臺是優(yōu)化服務流程編排需求，包括流程的設計、替換、修改、保存等操作；后臺是利用前臺生成的XML文件對流程進行部署。用戶在前臺選擇新建流程后，首先,根據(jù)自己的需要進行流程設計，并根據(jù)實際情況判斷是否需要對生成的XML文件進行調(diào)整和修改。然后，將符合要求的XML文件保存在后臺中，并且將此流程部署在數(shù)據(jù)庫中，便于外部系統(tǒng)以服務的形式調(diào)用該流程。由于外部系統(tǒng)發(fā)送的參數(shù)與本地參數(shù)存在差異，后臺會專門定義一個解析外部字符流的類來識別外部系統(tǒng)傳送過來的參數(shù)，包括服務名稱、服務數(shù)據(jù)等內(nèi)容，最終完成該流程的順利執(zhí)行。處理服務流程編排的具體實現(xiàn)過程如圖4所示。

圖4 服務流程編排總體結構示意圖

3.3 處理服務接口實現(xiàn)

處理服務接口是一組方法的邏輯組合，定義了外部可以調(diào)用的處理功能及其訪問方式，可作為客戶端調(diào)用Web處理服務的媒介。在設計處理服務接口時，接口描述文檔應該對接口的名字、參數(shù)、返回值等內(nèi)容進行詳細說明。其中，接口命名的方法尤其重要，它能幫助使用者快速了解該接口的用途。在定義接口參數(shù)時，參數(shù)要盡量簡單，不增加客戶端和服務器端的耦合性，仍舊保持松耦合、易集成的特性。當接口設計完成后，要能夠方便地對接口參數(shù)和返回值進行測試，保證返回值形式簡潔且與語言無關。若測試過程中出現(xiàn)異常，就需要提高XML文檔的靈活性，保證它不管是在正常情況還是異常情況下都能應對自如。處理服務接口的實現(xiàn)過程如圖5所示。

處理服務接口的實現(xiàn)需要通過Web Service描述語言WSDL(Web Service Description Language)對接口信息進行說明，它基于XML語法描述Web服務，說明了服務所提供的操作方法、訪問協(xié)議、數(shù)據(jù)格式及服務的網(wǎng)絡地址等內(nèi)容。

圖5 處理流程服務接口實現(xiàn)示意圖

4 處理服務的實例

全球地表覆蓋動態(tài)信息服務原型系統(tǒng)主要包括服務集成(Service Intergration)、服務搜索(Service Searching)、服務計算(Service Compution)和變化標報(Making and Reporting)四個部分。本文主要研究實現(xiàn)服務計算部分，該部分實驗是基于.NET平臺，使用Visual Studio開發(fā)工具將變化檢測處理功能封裝為Web處理服務，用戶可以通過Web瀏覽器發(fā)送請求，并得到相應的處理結果，實現(xiàn)處理功能的調(diào)用。客戶端可以根據(jù)自己的具體需求再做進一步處理。

4.1 變化檢測處理服務的實現(xiàn)

在全球地表覆蓋動態(tài)信息服務原型系統(tǒng)提供的變化檢測功能服務中，主要涉及到特征提取、特征匹配、最小二乘估計、仿射變換和變化檢測等算法函數(shù)。需將這些算法進行封裝為功能服務，其次，基于JavaScript進行服務流程編排，最后，進行處理服務調(diào)用。

4.1.1 算法封裝為功能服務

本實驗中將特征匹配、最小二乘估計、仿射變換和變化檢測等遙感算法封裝在dll類庫中，在實現(xiàn)特征匹配、平差處理、影像糾正和變化檢測等處理功能時，可以通過編碼直接調(diào)用類庫中相對應的有關算法，并使用Visual Studio開發(fā)工具把處理功能封裝為服務。

4.1.2 基于JavaScript的服務流程編排

本實驗中主要研究全球地表覆蓋動態(tài)信息服務系統(tǒng)中的遙感影像變化檢測服務，首先創(chuàng)建開始節(jié)點，選擇要進行變化檢測的兩幅原始遙感影像：原始影像1和原始影像2，接著按照特征匹配、平差處理、影響糾正、變化檢測的順序?qū)煞跋襁M行處理，最后指向結束節(jié)點。至此，就完成了變化檢測服務的流程編排。

4.2 變化檢測處理服務的檢測

打開變化檢測功能服務頁面后，會出現(xiàn)之前選擇的兩幅原始遙感影像：原始影像1和原始影像2，作為該處理過程的輸入數(shù)據(jù)。首先，對遙感影像分別進行特征提取，其結果如圖6所示。

圖6 特征提取結果

由于遙感影像特征提取和特征匹配算法編寫在一個算法函數(shù)中，當特征提取操作執(zhí)行結束后，單擊“特征匹配”按鈕，會繼續(xù)執(zhí)行特征匹配操作，得到特征匹配1和特征匹配2的結果，如圖7所示。

圖7 特征匹配結果

在特征匹配完成后，還可以點擊圖片下方的“查看數(shù)據(jù)傳輸”選項，可以查看所有特征匹配點的坐標信息。

單擊“平差處理”按鈕，采用最小二乘估計的方法對影像進行平差處理。同樣，點擊“查看數(shù)據(jù)傳輸”選項，會得到a0，a1,a2，a3，a4，a5參數(shù)的值，結果圖8所示。

圖8 平差處理數(shù)據(jù)傳輸

兩幅影像平差處理結束后，將會進行影像糾正。單擊“影像糾正”按鈕，在兩幅原始影像右邊得到糾正影像，如圖9所示。

點擊“變化檢測”按鈕，得到最終變化檢測結果，如圖10中綠色區(qū)域所示。

圖9 影像糾正結果

圖10 變化檢測結果

5 結 語

目前，在全球地表覆蓋動態(tài)信息服務系統(tǒng)中，只能在全球范圍內(nèi)搜索數(shù)據(jù)服務，不支持功能服務模塊中處理算法的搜索，服務流程編排中使用的功能服務選擇范圍較小，局限性比較強。接下來，將在該方向繼續(xù)研究，真正為使用者提供動態(tài)信息服務，實現(xiàn)服務的個性化定制。此外，隨著Internet網(wǎng)絡技術和計算機技術的快速普及和應用，Web Service開始由封閉、緊耦合向開放、松散耦合、異構環(huán)境下易于集成的方向發(fā)展。OGC提出的WPS規(guī)范就是針對Web處理服務指定的標準，但國內(nèi)對于WPS的研究現(xiàn)在處于起步階段，因此，對WPS的研究及應用還有很大的提升空間，可以作為今后研究方向之一。