基于ＡｒｃＳＤＥ／ＳＶＧ的分布式ＷｅｂＧＩＳ模型
2009-01-01 00:00:00袁滿于春生聶晶
計算機應(yīng)用研究 2009年3期
(1.大慶石油學(xué)院 計算機與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2.大慶油田采油八廠， 黑龍江 大慶 163514）
摘 要：根據(jù)油田對WebGIS的應(yīng)用需求，對油田空間對象及其屬性數(shù)據(jù)以及對象間的關(guān)系進行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合當前流行的ArcSDE空間模型中的數(shù)據(jù)組織技術(shù)，構(gòu)建了一個能夠?qū)⑷蚩臻g模型與分布于異地的空間模型實現(xiàn)統(tǒng)一的分布式WebGIS模型。通過這一模型實現(xiàn)對各種復(fù)雜空間對象GIS信息的存儲，并采用ArcSDE技術(shù)實現(xiàn)了客戶端與GIS服務(wù)器端的數(shù)據(jù)通信，客戶端采用SVG技術(shù)實現(xiàn)圖層管理和分布在不同區(qū)域地圖的展示。基于這一體系模型，結(jié)合油田的實際需求，采用元數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)構(gòu)建了油田WebGIS平臺的元模型，最后對其進行了實現(xiàn)。目前該平臺已在大慶油田得到推廣應(yīng)用并取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)； 分布式應(yīng)用； ArcSDE； 可擴展矢量圖； 可擴展標記語言； 元數(shù)據(jù)
中圖分類號：TP311.52 文獻標志碼：A
文章編號：10013695(2009)03093903
Distributed WebGIS model based on ArcSDE and SVG
YUAN Man1， YU Chunsheng1，2， NIE Jing2
(1.Dept. of Computer， Daqing Petroleum Institute， Daqing Heilongjiang 163318， China; 2.No.8 Oil Production Plant of Daqing Oilfield， Daqing Heilongjiang 163514， China)
Abstract:Based on the analysis of the oilfield space objects and their attributes data， as well as the relationship between the objects， and combining with the data organization technique which was popular in ArcSDE spatial model currently， this paper proposed a distributed WebGIS model， which could unify the global space model and the local space models distributed on different regions. Using this distributed WebGIS model， GIS information about any kind of complex spatial object could be stored， data communication between client and GIS server could be carried out with the ArcSDE technique， and geographic coverages which were distributed on different regions could be displayed and managed in a global view window by SVG technique in the client. Based on this system model， this paper constructed the oil WebGIS platform model using metadatadriven technology to meet the actual demands of oil. Finally， implemented the distributed WebGIS platform. Currently， the platform has already been applied in Daqing oilfield.
Key words：WebGIS; distributed application ; ArcSDE; SVG; XML; metadata
油田生產(chǎn)是一個錯綜復(fù)雜的過程，涉及到原油集輸、注水、油田氣集輸、電力、污水處理、道路、給排水七大專業(yè)系統(tǒng)。這些不同的系統(tǒng)覆蓋的地域廣、專業(yè)多，需要多系統(tǒng)之間協(xié)同工作才能完成原油的生產(chǎn)、集輸?shù)热蝿?wù)。目前，這種比較復(fù)雜的應(yīng)用多采用GIS進行集成的方式來實現(xiàn)，而商業(yè)化的GIS軟件如ArcGIS、MapInfo等均屬于專業(yè)GIS通用軟件，其普遍特點是價格比較昂貴，更重要的是與實際應(yīng)用領(lǐng)域結(jié)合難度較大，并且需要大量的二次開發(fā)，因此有必要研究一套適合于油田特色的、集成化、可視化、一體化的WebGIS信息集成平臺。經(jīng)過多年的數(shù)據(jù)庫建設(shè)，油田已經(jīng)構(gòu)建了各個專業(yè)的專業(yè)數(shù)據(jù)庫以及油田地面工程數(shù)據(jù)庫。通過對ArcSDE數(shù)據(jù)存儲模式的研究，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)組織模型對這些空間數(shù)據(jù)按地域分布的特點進行了分布式組織和存儲，并采用ERIS的ArcSDE實現(xiàn)了油田各種地理信息在Oracle10G的存儲。通過對油田現(xiàn)狀的分析和對ArcSDE與SVG相關(guān)技術(shù)的研究，提出了一個基于元數(shù)據(jù)驅(qū)動的分布式WebGIS體系模型，并進行了具體的實現(xiàn)。該體系模型實現(xiàn)了對油田地域分布GIS空間數(shù)據(jù)庫的集成，用戶可以在地圖上實現(xiàn)無縫地對地域分布的地圖進行操作，并解決了基于地圖對象導(dǎo)航的應(yīng)用可視化等問題。經(jīng)過四年多的研究與實現(xiàn)，目前該平臺已經(jīng)在中國最大的油田——大慶油田十幾個采油廠和專業(yè)公司中進行推廣應(yīng)用并取得了良好的效果，解決了中國石油一直沒有自己專業(yè)的WebGIS的問題。
1 模型涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)
1.1 油田GIS對象與專業(yè)的關(guān)系以及空間模型組織
在油田開發(fā)生產(chǎn)過程中，自然的（河流、湖泊）、被建造的（管線、鐵路、建筑物）或者土地的子集（地塊、行政區(qū)）實體對象非常多，所有的事物均與特定的實體對象相關(guān)聯(lián)。其中有一些與空間相關(guān)聯(lián)，如油井、油田、管線等。在油田中把生產(chǎn)過程中的業(yè)務(wù)范圍劃分為很多專業(yè)系統(tǒng)，如原油集輸、注水、油田氣集輸?shù)绕叽笙到y(tǒng)，這些空間實體對象與專業(yè)之間的關(guān)系如圖1所示。
這些空間實體對象數(shù)據(jù)采用如圖2所示的ArcSDE空間數(shù)據(jù)組織模式進行存儲。Layers表存儲所有圖層信息，各系統(tǒng)中的所有地理實體類分別作為不同的圖層進行存儲。每個圖層在layers表中對應(yīng)一條記錄，同時對應(yīng)的三個相互關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)表、要素表和空間索引表分別存儲空間實體的業(yè)務(wù)屬性信息、圖形信息和用于空間索引信息。地理坐標數(shù)據(jù)存儲在要素表LONG RAW類型的POINTS字段中，以X、Y坐標值對的形式存儲。點類型要素是單個的X、Y坐標對，線類型和面類型要素是連續(xù)的X、Y坐標值對的集合。通過這種組織模式，空間實體的空間數(shù)據(jù)和屬性信息被有機地組織在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，借助于關(guān)系數(shù)據(jù)庫成熟的數(shù)據(jù)管理、存取、控制技術(shù)實現(xiàn)對油田各種GIS對象信息的統(tǒng)一管理。
油田企業(yè)具有專業(yè)多、地域廣、數(shù)據(jù)分布、數(shù)據(jù)海量等特點，這些因素決定了各種數(shù)據(jù)的管理和存儲的困難。目前所有數(shù)據(jù)都分布存儲在各二級生產(chǎn)和研究單位的數(shù)據(jù)中心。鑒于這種現(xiàn)狀，對每個采油廠和研究單位現(xiàn)有的地理空間數(shù)據(jù)按照相同的數(shù)據(jù)模式進行了組織，空間數(shù)據(jù)分塊分區(qū)域進行分布式管理。
目前這些數(shù)據(jù)已經(jīng)通過ArcSDE存入Oracle10G關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，WebGIS的實現(xiàn)首先需要把這些與地理相關(guān)的數(shù)據(jù)映射到可視化的圖層中，可視化圖層使用W3C的SVG實現(xiàn)。
1.2 GIS空間對象及屬性向SVG圖層對象的映射
用戶通過ArcSDE獲取到空間要素數(shù)據(jù)以后，根據(jù)要素類型進行歸類，映射為點、線、面三種類型。點類型需要根據(jù)不同的應(yīng)用要求對不同類型的實體預(yù)先定義顯示的SVG符號(symbol)。
1.2.1 映射模型
圖3是空間對象及屬性向SVG圖層映射的模型，根據(jù)類型將ArcSDE空間要素對象逐層映射到SVG的圖層與屬性中。經(jīng)過映射，復(fù)雜的地物要素最終表現(xiàn)在SVG上的只有點、線、面三類圖層。這三個圖層的疊加構(gòu)成了WebGIS的地理圖層，能夠形象地表示錯綜復(fù)雜的現(xiàn)實世界的地理信息。在客戶端借助于SVGViewer插件實現(xiàn)GIS地圖的顯示。
1.2.2 GIS對象向SVG映射的算法
switch(對象類型){
case 點：
創(chuàng)建〈use〉標簽；
填充與點類圖層相關(guān)的顯示屬性；
空間對象的屬性向點圖層相關(guān)屬性進行映射；
break;
case 線:
創(chuàng)建〈polyline〉標簽；
填充與線類圖層相關(guān)的顯示屬性；
空間對象的屬性向線圖層相關(guān)屬性進行映射；
break;
case 面:
創(chuàng)建〈polygon〉標簽；
填充與面類圖層相關(guān)的顯示屬性；
空間對象的屬性向面圖層相關(guān)屬性進行映射；
break;
}
2 基于ArcSDE/SVG的分布式WebGIS模型
由于油田地理空間數(shù)據(jù)采用分布式方式進行管理，企業(yè)級WebGIS平臺的搭建需要整合所有的地理數(shù)據(jù)，而這種整合又不可能打破企業(yè)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理模式，只能通過分布式部署平臺、分塊跨域動態(tài)加載的方式實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。
2.1 模型層次結(jié)構(gòu)
基于以上分析，在.NET環(huán)境下通過ArcSDE接口訪問存儲于關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的GIS數(shù)據(jù)，在瀏覽器中用SVG實現(xiàn)GIS地圖的展示，可以實現(xiàn)如圖4所示的三層分布式WebGIS模型。
第一層是瀏覽器層，由瀏覽器和SVGViewer構(gòu)成，使用JavaScript與Ajax技術(shù)實現(xiàn)GIS的基本功能，包括放大、縮小、漫游和發(fā)送加載請求。
第二層是Web服務(wù)器層，每個站點的Web服務(wù)層接收客戶端的Ajax請求，將請求轉(zhuǎn)換成對ArcSDE空間數(shù)據(jù)服務(wù)的請求，借助于ArcGIS engine runtime發(fā)送到ArcSDE服務(wù)；ArcSDE數(shù)據(jù)返回之后，根據(jù)需要使用線性壓縮算法進行壓縮，并按照SVG圖層映射方法生成SVG圖層，以XML格式返回到客戶端。
所有分布的WebGIS平臺構(gòu)成了物理上分布、邏輯上集成的虛擬Web服務(wù)器層，借助于JavaScript的ondemand技術(shù)和服務(wù)器端代理技術(shù)，客戶端可以透明地加載任意站點區(qū)域的GIS信息；站點與站點之間協(xié)同工作共同完成分布式數(shù)據(jù)的加載，從而實現(xiàn)分布式WebGIS的整體功能。
第三層是GIS數(shù)據(jù)庫服務(wù)器層，使用Oracle10G關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲地理數(shù)據(jù)，通過ArcSDE數(shù)據(jù)引擎與Web服務(wù)和ArcGIS維護軟件進行通信，接受對SDE服務(wù)的查詢請求并與RDBMS結(jié)合實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的分析和獲取。
2.2 客戶層與服務(wù)層之間的數(shù)據(jù)通信
采用SVG實現(xiàn)前端瀏覽器層圖層的展示，而SVG是基于XML規(guī)范的。XML具有跨平臺、自描述、可擴展等特性而被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)交換和傳輸中，已成為事實上的數(shù)據(jù)交換和傳輸標準，因此本文可以直接對SVG格式的數(shù)據(jù)進行傳輸。而Ajax(asynchronous JavaScript and XML)作為成熟的技術(shù)，為SVG格式的數(shù)據(jù)在客戶端和服務(wù)器端的傳輸提供了良好的技術(shù)支持，借助于Ajax異步調(diào)用服務(wù)器端來獲取數(shù)據(jù)的機制，可以實現(xiàn)WebGIS地圖的分層、分塊動態(tài)加載、無刷新顯示的GIS效果。
GIS實體的數(shù)據(jù)量大是阻礙WebGIS發(fā)展的主要瓶頸。當GIS要求的精度不是很高時就會存在大量的數(shù)據(jù)冗余。大量的數(shù)據(jù)冗余不但加重了系統(tǒng)處理的負擔，也為數(shù)據(jù)通信帶來了很大難度，從而導(dǎo)致WebGIS平臺運行效果不能滿足實際應(yīng)用的需要。要解決這個難點有兩種措施:a)對地理實體進行分類，采用Ajax技術(shù)進行地圖的分層、分塊動態(tài)按需加載，從而減少每次通信的數(shù)據(jù)量和前臺的工作負擔；b)當精度要求不高時對GIS數(shù)據(jù)進行壓縮。文獻[3，4]中對矢量數(shù)據(jù)的常用壓縮算法進行了分析比較，本文借鑒文獻[3]中描述的線性有損壓縮算法并采用取整的方法對線類和面類地理實體的矢量坐標數(shù)據(jù)進行壓縮，壓縮時機選在服務(wù)器端由ArcSDE獲取到數(shù)據(jù)而未映射成SVG之前進行。
3 分布式WebGIS平臺的具體實現(xiàn)
平臺實現(xiàn)主要分為客戶端和服務(wù)器端兩部分。客戶端JavaScript腳本實現(xiàn)拓撲關(guān)系比較運算、發(fā)送Ajax請求和把返回數(shù)據(jù)加載到對應(yīng)的圖層中，由Web服務(wù)器處理請求，返回SVG圖層。
3.1 客戶端實現(xiàn)跨域的主要算法
//初始化視圖窗口、區(qū)域邊界變量，N是站點數(shù)目
var viewbox=當前漫游到的視圖窗口的viewbox值；
var Border[N]=站點區(qū)域的封裝邊界
var url[N]=各站點WebGIS平臺的Web服務(wù)器的URL
var Entities=getSelectedEntities();//獲取選中的要加載的實體名稱
//逐個判斷區(qū)域邊界與視圖窗口的拓撲關(guān)系
for(i=1;i { If(viewbox與Border[i]拓撲相交) then { /*使用Entities作為參數(shù)對相應(yīng)的Web服務(wù)器發(fā)送請求信息*/ ReturnValue=SendRequest(url[i]+\"\"+Entities); //將返回信息加載到相應(yīng)的圖層中 AddEntities(ReturnValue); } } 3.2 服務(wù)器端關(guān)鍵類圖 服務(wù)器端實現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)獲取所設(shè)計的關(guān)鍵類如圖5所示。 3.3 服務(wù)器端執(zhí)行過程 a)接收請求，利用請求信息構(gòu)造對象。 b)對請求信息進行分割、對不同的實體和條件分別進行SVG圖層的構(gòu)造。 c)SVG的構(gòu)造過程包括獲取實體的類型和最大最小坐標，根據(jù)最大最小坐標生成顯示實體信息的SVG圖層，對坐標序列構(gòu)造鏈表進行線性壓縮，把線性壓縮結(jié)果轉(zhuǎn)換成SVG圖層，把生成的所有SVG圖層加入到XmlDocument類型的SvgResult成員變量中。最后在外部調(diào)用GetSVGDocument成員函數(shù)獲得最終生成的SVG圖層。 3.4 油田分布式WebGIS效果 地理空間信息按專業(yè)系統(tǒng)進行組織，同一類地理實體形成一個圖層，用戶可以根據(jù)需要自主加載所需圖層；不同地域的數(shù)據(jù)采用相同的模式分布式存儲和管理；系統(tǒng)根據(jù)視圖窗口的變化自動地加載窗口所覆蓋地域的地理空間數(shù)據(jù)并形成SVG圖層，加載過程對于用戶是透明的，用戶感受到的是一個集成化、一體化的綜合WebGIS應(yīng)用平臺。圖6給出了油田分布式WebGIS實現(xiàn)油井、油水管線等對象跨域加載的GIS圖。 4 結(jié)束語 本文分析了油田對GIS的實際需求，構(gòu)建了油田空間數(shù)據(jù)的組織模型及GIS空間對象與屬性向SVG圖層對象的映射模型，實現(xiàn)了基于ArcSDE與SVG的分布式WebGIS模型，并對相關(guān)實現(xiàn)技術(shù)進行了探索性研究，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序分布式部署、多站點協(xié)同工作、能透明地無縫地對地圖操作的油田分布式WebGIS平臺，在油田的應(yīng)用中取得了良好的效果。這種分布式WebGIS模型打破了傳統(tǒng)的WebGIS平臺只限于單一地區(qū)和領(lǐng)域的局限性，不僅適用于地理上分布的WebGIS平臺，也適用于多行業(yè)、多領(lǐng)域交叉型的WebGIS應(yīng)用平臺。 參考文獻： ［1］OpenGIS Consortium. Abstract model overview[EB/OL].[2006]. http://www.opengis.org/2001. [2]Scalable vector graphics(SVG)[EB/OL].[2006]. http://www.w3.org/Graphics/SVG/Overview.htm. [3]喻國寶，廖湖聲，鄭玉明.壓縮矢量圖形的兩個算法的比較和分析[J].計算機工程與應(yīng)用， 2005，41(1):8081. [4]王進寶，劉正綱.曲線矢量數(shù)據(jù)壓縮算法實現(xiàn)及評析[J].測繪與空間地理信息，2006，29(2):122124. [5]張默，廖湖聲，杜金蓮. 基于Web服務(wù)的開放式地理信息系統(tǒng)的研究[J].微電子學(xué)與計算機，2006，23（增刊）：98100. [6]周文生. 基于SVG的WebGIS研究[J].中國圖象圖形學(xué)報， 2002，7(7):693698. [7]李瑞芳，袁滿，孫永東，等.基于SVG的油田WebGIS平臺關(guān)鍵技術(shù)[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報， 2006，10(4):6870.
