匡 慶

（宣城市宣州區(qū)自然資源和規(guī)劃局，安徽 宣城 242000）

0.引言

GIS是一種集采集、查詢、分析和顯示地理位置數(shù)據(jù)于一體的空間信息系統(tǒng)，在能源勘測及城市規(guī)劃上得到了廣泛應用[1]。傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)有著數(shù)據(jù)產品形式單一、標準規(guī)范不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)更新周期長等不足。隨著WebGIS地理服務廣泛應用，空間數(shù)據(jù)采集的規(guī)模不斷升級，為了滿足復雜的功能需求，其計算能力也需不斷增強，為此設計一種基于WebGIS的智慧型測繪地理信息共享服務系統(tǒng)。國外針對地理信息共享服務系統(tǒng)設計研究較早，各界學者從不同學術角度對信息共享服務系統(tǒng)進行了創(chuàng)新與優(yōu)化，共享服務系統(tǒng)已經應用在實際中。

國內針對共享服務系統(tǒng)研究較晚，但隨著我國云計算技術的迅速發(fā)展，已在地理信息共享服務系統(tǒng)設計上取得初步的進展。董通等[2]為加強土壤數(shù)據(jù)的信息化管理，提高土壤信息的共享性，設計開發(fā)出基于WebGIS技術的新疆綠洲農田土壤信息集成與共享系統(tǒng)，該系統(tǒng)提高了數(shù)據(jù)利用效率。翟皓等[3]基于WebGIS技術、數(shù)據(jù)庫技術和ASP.NET技術，開發(fā)了草地資源信息管理系統(tǒng)，為提高草地精細化管理水平提供信息基礎和決策支持。上述研究雖然實現(xiàn)對土壤、草地等信息的集成和共享，但是未對該系統(tǒng)投入使用后的響應狀況進行分析和深入研究。為此，本文設計了基于WebGIS技術的智慧型測繪地理信息共享服務系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了不同地點的地理數(shù)據(jù)資源共享，操作方便快捷，并通過實驗與傳統(tǒng)系統(tǒng)進行了對比，結果顯示該系統(tǒng)響應時間短、效率高，適用于地理信息共享服務工作中。

1.智慧型測繪地理信息共享服務系統(tǒng)設計

為讓測繪地理信息數(shù)據(jù)滿足多樣化的需求，基于WebGIS技術設計智慧型測繪地理信息共享服務系統(tǒng)，整合地理信息相關數(shù)據(jù)后向所需要的相關部門提供數(shù)據(jù)共享和交換服務。為使設計的系統(tǒng)可以穩(wěn)定并且快速響應工作，從硬件和軟件兩部分進行設計，在硬件部分設置雙模仲裁單元，以FPGA及兩套ARM為基礎，外置一個SDRAM和FLASH，經FPGA連接到ARM芯片外部總線上，利用計算機自帶的雙模冗余CAN總線，為信息共享數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)傳輸通道。連接處理器及時鐘振蕩電路，在電路中設置一個過流保護裝置，并聯(lián)總線驅動電路，形成系統(tǒng)的硬件整體結構。軟件部分的設計，主要采用WebGIS技術建立一個可訪問的Web組件，構建WebGIS技術架構，利用該架構處理硬件部分采集的地理信息數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行預處理以及對控制系統(tǒng)運行負載均衡控制，從而完成智慧型測繪地理信息共享服務系統(tǒng)設計。

1.1 智慧型測繪地理信息共享服務系統(tǒng)硬件設計

1.1.1 設計雙模仲裁結構

計算機承載智慧型測繪地理信息共享服務系統(tǒng)的正常運行，所以在設計系統(tǒng)硬件時，主要針對承載系統(tǒng)運行的計算機進行設計。在系統(tǒng)整體硬件結構上，系統(tǒng)總線經FPGA后連接到CPU上，F(xiàn)PGA在系統(tǒng)上電時形成一個EDAC邏輯電路，邏輯電路能夠對總線上的數(shù)據(jù)進行同步糾錯處理，保證共享數(shù)據(jù)的準確。

為了保證整個系統(tǒng)可靠運行，將雙模仲裁單元分為5部分：看門狗模塊、仲裁邏輯、切換單元、接口映射以及EDAC邏輯。設計得到的仲裁單元結構如圖1所示。

由圖1可知：設計看門狗模塊監(jiān)視整個硬件運行狀態(tài)，看門狗內部采用三信號串行通信方式，仲裁邏輯采用一個TSC695F處理器作為CPU，連接看門狗電路，設定EDAC邏輯內部的時鐘源為40 MHz，控制切換單元在2分頻后產生系統(tǒng)時鐘，設定雙模仲裁單元的運行主頻為20 MHz，在該運行主頻控制下，設計硬件子計算單元元件。

圖1 設計的雙模仲裁單元結構

1.1.2 設計AT697E子計算元件

子計算單元以AT697E處理器為處理核心，在處理器底板總接口連接電平轉換接口及總線驅動，設置時鐘電路為20 MHz，調整處理器內部倍頻后系統(tǒng)主頻為80 MHz，在處理器配置外連接一個8 MB的SRAM處理器及256 K的程序處理器，采用8 MB的FLASH儲存器，采用FPGA芯片作為數(shù)據(jù)收發(fā)芯片，子計算單元的電路結構如圖2所示。

由圖2可知：子計算單元電路結構采用一個獨立的RC振蕩器連接一個計數(shù)器作為總線上的看門狗時鐘，在EDAC模塊內設置七個檢驗位，實現(xiàn)地理信息共享數(shù)據(jù)自動糾錯。設置處理器采用DSU啟動方式[4]，在芯片外部設置DSUEN，保證信號高電平有效。綜合上述處理，完成對測繪地理信息共享服務系統(tǒng)的設計。

圖2 子計算單元電路結構

1.2 智慧型測繪地理信息共享服務系統(tǒng)軟件設計

1.2.1 矢量空間數(shù)據(jù)的預處理

在預處理矢量空間數(shù)據(jù)前，利用WebGIS技術架構如圖3所示，處理硬件部分采集的地理信息數(shù)據(jù)。

由圖3可知：該架構主要是利用WebGIS技術對服務層進行優(yōu)化設計，主要包括服務請求者、服務注冊中心以及服務提供商三部分，服務層作為整個框架的核心，提供WebGIS地圖服務和遠程服務。利用硬件部分的應用服務器，為客戶端提供柵格地圖、矢量地圖、屬性查詢等服務。

圖3 WebGIS技術架構

將在以上過程匯總，需要對地理信息矢量數(shù)據(jù)進行預處理，采用WCF編程模型處理完成預處理過程，利用Linux的階層目錄結構歸類編程代碼，變換Linux軟件包管理器如表1所示。

通過上述過程，將預處理計算所得數(shù)據(jù)通過不斷變換至如表1所示的Linux軟件包管理器，將測繪地理信息矢量空間數(shù)據(jù)預處理過程以代碼的形式在軟件中實現(xiàn)，將測繪地理信息整合到系統(tǒng)軟件后，控制系統(tǒng)運行負載均衡，完成對測繪地理信息共享服務系統(tǒng)軟件部分的設計。

表1 Linux軟件包管理器

1.2.2 控制系統(tǒng)運行負載均衡

在控制系統(tǒng)運行負載均衡時，根據(jù)共享服務系統(tǒng)的請求到達順序及IP地址哈希值分發(fā)請求[5]，均衡系統(tǒng)請求分配，采用剩余負載來決定后臺服務器的優(yōu)先級依據(jù)，計算服務器的優(yōu)先級Fi，如式（1）所示：

式（1）中，i為集群中的節(jié)點；Si為服務器剩余負載；Ci為服務器的性能系數(shù)。當計算出的Fi優(yōu)先值的數(shù)值越大，表明服務器被選中的優(yōu)先級越高。

考慮到服務器對測繪地理信息收集存在延遲，選擇一臺服務器進行測繪地理信息分發(fā)共享信息數(shù)據(jù)，為了避免該服務器負載超過限制或請求時間過長的異常情況，設置一個中央控制節(jié)點，周期性收集各個服務器節(jié)點的信息。中央控制點處理動態(tài)負載均衡處理的流程如圖4所示。

由圖4可知：將收集得到的服務器節(jié)點信息發(fā)送至含有負載均衡算法代碼的模塊中，并在modules文件配置一個指令，保證系統(tǒng)運行負載的均衡狀態(tài)。綜合上述處理，完成對智慧型測繪地理信息共享服務系統(tǒng)軟件設計。

圖4 動態(tài)控制均衡負載過程

2.仿真實驗

2.1 實驗準備

實驗采用已有的云平臺、軟件負載均衡器、WebGIS應用軟件以及服務器集群，搭建系統(tǒng)測試硬件環(huán)境。系統(tǒng)交互界面如圖5所示，使用的WebGIS軟件環(huán)境如表2所示。

圖5 系統(tǒng)交互界面

由表2可知：采用三臺服務器分別管理文件、網頁及數(shù)據(jù)庫，客戶端采用硬盤容量為500 GB、內存容量為4 GB的8臺計算機設備，作為系統(tǒng)的測試端口，部署的系統(tǒng)測試環(huán)境如圖6所示。

表2 WebGIS軟件環(huán)境

圖6中，分別使用文獻[1]基于Cesium的地方大地測量數(shù)據(jù)庫平臺、文獻[5]基于無人機傾斜攝影測量的大比例尺地形圖測繪方法與文中設計的基于WebGIS的智慧型測繪地理信息共享服務系統(tǒng)進行實驗，對比三種共享服務系統(tǒng)的性能。

圖6 系統(tǒng)測試環(huán)境

2.2 實驗結果及分析

基于上述實驗準備，為保證實驗結果的有效對比性，用不同方法進行實驗的數(shù)據(jù)類型與數(shù)據(jù)量均是相同的?？刂迫N測繪地理信息共享服務系統(tǒng)在同一測試環(huán)境下，將測試環(huán)境中的計算機配置在負載均衡模塊中，并訪問同一靜態(tài)頁面，變換并發(fā)數(shù)值，統(tǒng)計三種系統(tǒng)最終的響應時間，響應時間結果如表3所示。

表3 系統(tǒng)響應時間 單位：s

由表3可知：隨著并發(fā)數(shù)量不斷增多，三種測繪地理信息共享服務系統(tǒng)的響應時間均有延長，但整體來講，在相同并發(fā)數(shù)量控制下，傳統(tǒng)共享服務系統(tǒng)1的系統(tǒng)響應時間最長，傳統(tǒng)共享服務系統(tǒng)2的響應時間較短，但文中設計的共享服務系統(tǒng)的響應時間最短，即使并發(fā)數(shù)量在1900 h，響應時間也控制在了3.9 s左右。與兩種傳統(tǒng)共享服務系統(tǒng)相比，設計系統(tǒng)的響應時間最短。

保持現(xiàn)有實驗環(huán)境，根據(jù)控制的并發(fā)數(shù)量及對應的響應時間，計算三種系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)效率，如式（2）所示：

式（2）中，L為系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)效率；B為并發(fā)數(shù)量；Tx為并發(fā)數(shù)量對應的響應時間。采用式（2）計算表3中的各項數(shù)據(jù)得到系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的效率，將此作為自變量，測量在不同傳輸效率下，承載三個系統(tǒng)計算機的功耗，功耗結果如圖7所示。

圖7 功耗實驗結果

由圖7可知：三種共享服務系統(tǒng)在相同傳輸效率控制下，表現(xiàn)出了不同的功耗結果。從整體來講，傳統(tǒng)共享服務系統(tǒng)1在相同數(shù)據(jù)傳輸速率下所消耗的平均功耗在240 W左右，傳統(tǒng)共享服務系統(tǒng)2所消耗的平均功耗在160 W左右，而文中設計的共享服務系統(tǒng)消耗的平均功耗在60 W左右。與兩種傳統(tǒng)共享服務系統(tǒng)相比，文中設計的共享服務系統(tǒng)在相同數(shù)據(jù)傳輸速率時，消耗的功率最小。綜上所述，文中設計的共享服務系統(tǒng)在實際操作時，系統(tǒng)的響應時間最短、功耗數(shù)值最小，適合在測繪地理信息共享中使用。

3.結束語

隨著Web技術不斷發(fā)展，對智慧型測繪地理信息共享服務的需求不斷提升，系統(tǒng)承載共享數(shù)據(jù)量不斷增多，也就對信息共享服務系統(tǒng)提出了更高的要求。本文提出的基于WebGIS的智慧型測繪地理信息共享服務系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理過程簡單、服務響應時時間短、系統(tǒng)功耗小，具有較強的應用前景。由于條件有限，本文設計的系統(tǒng)主要是基于關系型數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)的，未來將對非關系型數(shù)據(jù)庫進行測試，以進一步提高系統(tǒng)的服務共享性能。