“數字流域”網絡門戶的研究和設計

摘 要:分析和研究了目前國內外河流的信息化平臺建設情況， 以“數字流域”建設為背景，為西藏“四江流域”可持續發展，尤其是生態環境保護、監測、評價和規劃的研究成果展示，設計開發一套基于Web GIS技術、Java Portal技術的數字流域網絡門戶系統。描述了實現系統的關鍵技術、設計思想和系統結構，實現了從數據共享、數據交換層面到基于網絡門戶的數據服務集成的飛躍，網絡門戶的建設增強了信息化平臺的功能和數據集成，也為生態環境建設的決策支持工作提供了良好環境。

關鍵詞:Web GIS; 可持續發展; 網絡門戶; 服務集成

中圖分類號:TP391

文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2010)02-0590-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2010.02.052

Study and design of digital watershed portal

WU Xua，2， KAN Ai-ke3， WANG Liu-yan4， PENG Pei-hao1b， CHEN Wen-de1b

(1.a.Key Laboratory of Geo-detection Information Techniques of Ministry of Education， b.College of Earth Science， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059，China; 2.Chengdu Neusoft Information Technology Vocational College， Dujiangyan Sichuan 611844，China; 3.College of Land Resource， China West Normal University， Nanchong Sichuan 637002，China; 4.Tibet Autonomous Region Science Information Technology Institute， Lhasa 850001，China)

Abstract:This paper researched the current building for river information platform at home and abroad， under the background of “digital watershed”， designed to develop a Web GIS based technologies， Java Portal technology of the digital watershed Web portal system for the sustainable development of Tibet “four River Basin”， especially in ecological and environmental protection， monitoring， evaluation and planning of the research results demonstration. It also described the key technology， design idea and system architecture， implemented the data sharing， data exchange level to network-based data services， integrated portal leap， the building of Web portal enhanced the functionality and data integration and provided a good environment for decision-making support to the building of ecological environment.

Key words:Web GIS; sustainable development; Web portal; integration services

0 引言

隨著網絡門戶技術(portal)的發展，空間信息網絡門戶已作為各種空間信息資源與服務的聚合中心，為基于Web GIS的空間信息服務提供了高效便捷的訪問接口。因此，建設高性能的空間信息網絡門戶應該作為江河流域信息化平臺——“數字流域”的重要組成部分。

“數字流域”所涉及的范圍包括流域內方方面面的問題，涵蓋社會、經濟、資源和環境等多個領域，并作為一個具有明確邊界的地理單元，以水為聯系紐帶，將上、中、下游組成一個具有因果聯系的復合生態系統，是實現資源和環境的數字化管理，推進社會經濟可持續發展的基礎[1]。從實際的需求出發，要求系統能對空間信息資源進行抽象，以直觀、形象的方式展示給用戶，并為用戶提供豐富的交換特性，滿足用戶對各種分布式空間信息資源的獲取。 目前，Web 2.0的核心技術Ajax與JSF等Web應用技術相結合，可以克服以往網絡頁面數據更新慢、系統功能擴展性差的弱點，為實現高性能的“數字流域”空間信息網絡門戶提供更有效的解決方案。

“數字流域”建設所涉及的信息技術主要包括計算機數據傳輸、數據存儲、網絡信息安全防護、中間件、工作流、網絡門戶、虛擬現實等。這里重點研究在“數字流域”中用于信息集成的門戶技術。

1 “數字流域”網絡門戶建設目標及國內外概況

在“數字流域”中建立的網絡門戶，是一個將上下文相關信息、應用程序和服務合并在一起的Web站點。通過這樣一個Web站點，在“數字流域”建設中對流域空間進行信息整合、應用集成，提供個性化服務，更重要的是對原有大量異構的信息系統加以整合，提高系統的數據交互、信息共享以及業務處理效率，從而把網絡門戶作為面向政府、科研機構、企業和公眾提供信息和服務的統一平臺。根據數字流域建設的需要，制定出西藏“四江流域”網絡門戶的目標:

a)設計開發流域綜合數據庫和數據模型。

b)實現基礎地理數據與資源環境本底信息的統一管理。

c)建立相關的空間數據庫，實現不同類型數據的存儲，并實現不同類型數據的轉換。

d)建立發布流域信息和提供服務的網絡門戶管理系統。

1.1 國內外主要江河流域的網絡門戶建設

在國際上，發達國家把數字流域和流域現代化管理緊密結合在一起，從數字化、建模、系統仿真到虛擬現實經歷了約三十年的時間[2]。在這期間，現代信息科學技術在傳統的水利、生態環境治理上得到充分應用。在我國，“數字流域”已經確定為“數字中國”建設的組成部分，也是水利信息化、環境保護、旅游信息化的基礎。

1.1.1 美國密西西比河水系的信息化建設

密西西比河是北美洲最長的河流，它流經美國31個州和加拿大2個省。美國政府通過建立密西西比河的“數字流域”系統，在航道治理、防洪預警、生態環境保護等多方面實現了信息化、自動化管理，并將管理的成功以網絡門戶的方式展示給美國公眾，并獲取相應的反饋信息[3]。

1.1.2 數字長江

數字長江流域是指信息化的長江流域。其主要目標是實現長江流域的可持續發展，尤其是長江經濟帶，即中下游沿江地區的社會經濟持續繁榮[3]。數字長江流域，開展了國家信息基礎設施(NII)、國際空間數據基礎設施(NSDI)、地球觀測系統——全球觀測信息網絡(EOS-GOIN)和數字地球技術系統建設。其中，數字長江網絡門戶對NII、NSDI中各種數據和信息進行有效的整合和發布。

1.1.3 數字黃河

數字黃河主要由應用系統、應用服務平臺、基礎設施以及信息標準體系、建設運行管理、各種保障措施等部分組成[4]。數字黃河構建了在水文、防汛、水資源保護、工程管理、水土保持、空間地理等方面取得了大量基礎信息的門戶網站，在治黃業務中發揮了重要的作用。

1.2 網絡門戶的發展概況

網絡門戶建設是當前信息化發展的一個新方向。 Portal是一種基于Web技術，將不同應用、業務流程、后端管理系統、信息、服務和知識等內容集成到多個個性化窗口中的功能強大的系統平臺。它不僅集成流域的信息資源，而且也集成企業的各種應用系統。因此，網絡門戶是一種以高度個性化的方式，提供交互訪問相關信息、應用軟件以及業務流程的軟件平臺技術，通過實現基于組件的模塊化模型，可以將網絡門戶組件(portlets)方便地插入到網絡門戶基礎架構中。網絡門戶的發展大致經歷了三個階段，即信息門戶、應用門戶和知識門戶。這三個階段是隨著信息化進程推進的程度而其次衍化的。

信息門戶系統是網絡門戶發展的第一階段，其基本作用是為用戶提供一個訪問入口，所有訪問者都可以通過這個入口獲得個性化信息和服務。

應用門戶系統除了包括信息門戶系統的各項功能外，更著重于對業務流程的集成[5]。它是以業務流程和功能為核心，把業務流程中功能不同的應用模塊通過門戶技術集成在一起。

知識門戶系統能夠實現信息門戶系統、應用門戶系統的所有功能，但知識門戶著重解決的問題是為機構的知識加工、決策輔助支持、信息發布和獲取提供集成化的信息平臺，能充分發揮信息資源的價值。

從發展的角度看，網絡門戶是一個不斷融合和發展的系統，除了整合資源，建立統一的信息發布和用戶交互界面外，還應該把不同機構或部門的資源集成在一起，對用戶需求作出快速響應[7]。

2 西藏“數字流域”網絡門戶設計

2.1 項目背景

西藏“四江流域”即金沙江、瀾滄江、怒江(合稱“三江” )和雅魯藏布江流域，范圍大致包括金沙江以西，唐古拉山分水嶺以南，藏北內流水系以東、以南，雅魯藏布江河沿地區以東，喜馬拉雅山分水嶺以北的廣大地區。其行政區域占全自治區總縣數的70%以上，是西藏自治區人口最集中、人類活動最頻繁、經濟相對發達、生態環境最受關注的地區。如圖1所示，顯示了西藏“四江流域”在西藏自治區中的重點研究區域。

2.2 設計思想

由流域問題目標確定利益相關者，即網絡門戶的用戶對象。一切對流域空間信息服務有需求的利益相關者都可以在一定的數據安全策略下訪問和共享數據資源和服務資源。本文在研究中將用戶類型劃分為政府職能部門、科研機構和公眾三類對象。

1)政府職能部門 涉及科技、林業、環境、水利、規劃、旅游、水土保持、發改委等部門，包括關鍵生態功能區識別和特征分析，以干旱河谷為代表的環境退化區域評估、水源涵養區評價、土地利用與生產力評價、流域農業可持續發展評估和對策分析、干旱區生態治理對策。

2)科研機構 實現流域生態環境保護和建設，從傳統的工作方式向現代化、數字化轉變，為科技、農林、環境、水利、旅游、國土規劃、經濟投資等方面的工作提供有效的評估指標和決策支持與分析的數據模型。

3)公眾 獲取公開的流域空間和環境基礎信息，感受空間信息共享帶來的數字景觀體驗，推廣數字流域建設模式。

對網絡門戶的設計應該注意不能只局限于外在的表現內容，簡單地把現有非結構化、非個性化的信息、文件、數據和信息孤島式的單元應用疊加到一個Web界面上，而是要將分散的信息資源和知識整合到一起[7]，從而實現共享。通過門戶組件技術的封裝處理，實現信息、應用和業務流程的集成、信息處理的智能化和決策支持。

2.3 系統功能需求分析

本系統是基于Web集成技術的網絡門戶平臺，門戶作為應用Web集成技術整合Web應用的組件載體，負責將Web集成所整合的資源在統一的標準界面上展示。門戶的組件則負責具體實現Web集成技術方法以實現相應接口的目標應用系統的業務邏輯或封裝Web服務進行整合。圖2的最下端，是提供系統的數據管理功能的數據管理層，主要分為結構化數據(測量數據等)、GIS數據和非結構化數據(文本和多媒體文件，如圖像、視頻等)三大類。在一般的信息管理系統中，普遍使用關系數據庫系統，把技術數據保存在結構化表單中。網絡門戶中要提供各種編程接口(JDBC接口、Web服務接口)，實現對這三類數據的訪問。基于GIS的空間數據，如地理位置和流域對象的幾何形狀，通常保存在這樣的數據庫系統中或者是提供附加空間功能(如Oracle Spatial或ESRI SDE)的空間數據庫中。本系統中的GIS數據可以通過訪問數據庫的應用層獲取或者通過建立GIS服務器系統(ESRI SDE)獲取。

盡管現有的商用數據庫軟件能夠很好地管理這三類數據，系統還必須保證系統管理員和開發人員能夠簡單、方便地使用標準Web工具，如內容管理子系統(CMS)。一個典型的CMS使用自己的底層數據庫或文件系統來保存結構化數據。數字流域網絡門戶中的內容管理子系統采用數據模型層來保存底層數據庫的內容。集成到CMS中的動態服務，可以使CMS中的通用數據模型層來管理服務中封裝的數據。圖3中，數據管理層以上的層次提供基本的系統功能。這些功能包括保存和獲取數據、對非結構化數據元素版本化或歸檔，并支持對空間數據的編輯工作。

同時，網絡門戶中的這些基本功能，應該基于國際上的一些通用標準來實現，如OpenGIS協會標準，把關系數據庫中的數據抽取為XML文檔的XML標準，使用Java語言封裝和調用網絡門戶提供的各種功能的JSR 170技術標準，用于對元數據實現綁定的ISO原數據標準[8]。

本系統在設計中實現即插即用的數據服務功能，無須修改系統功能模塊中的代碼，就可以添加新的數據服務，或改變網絡門戶中現有數據服務的功能模塊。圖3展示出根據功能模塊的劃分與設計，最終實現的網絡門戶界面。

2.4 系統總體結構

系統為擴展性強的開放信息平臺，一方面為面向科普和公眾宣傳的門戶;一方面為面向政府和專家的決策評價與科研服務。系統總體結構如圖4所示。前端應用系統:既可以是基于瀏覽器直接為各類用戶對象提供直接調用，也可以是各種電子政務、網格化等專業應用系統，并且可以在這些應用系統上再疊加服務后向各類用戶再發布。空間信息應用服務:以空間信息基礎庫為核心，以多源數據的集成為基礎，以可視化應用服務為目的，內部建設通用的空間數據管理、查詢、顯示和空間分析等服務，分析單位為行政區劃或自然保護區等特定空間實體，并集成空間信息服務接口所提供的各種服務功能，為各種業務應用系統提供接口或向不同等級用戶對象提供空間服務。

高質量的人機交互環境不僅要具有美觀、動態的特點，還需要網站具有傳輸的高效性、可靠性和安全性，這樣需要一個健壯的網站后臺管理系統。同時考慮該門戶系統在整個項目中的角色，需要從企業服務總線中獲取大量服務消息。前臺界面對圖形圖像的顯示和交互操作要求較高，因此系統采用了Ajax加JSF和SQL Server 2005技術實現，通過門戶進行應用程序集成。

3 關鍵技術及應用

3.1 Ajax在門戶前臺技術中的作用

在數字流域的門戶網站系統中，不可避免地要用瀏覽器調用大量地理空間信息。目前的網絡傳輸主要采用超文本協議(HTTP)，對于系統部分采用B/S模式在進行調用服務頁面的過程中，可能碰到地圖調用速度過慢的情況，對于相關的決策支持和評價效果會造成一定影響;另外，刷新部分頁面內容時可能造成頁面不穩定。采用Ajax 技術可以解決以上問題，使系統穩定運行，保證頁面的連貫性、快速響應，提高工作效率[9]。

Ajax技術在數字流域綜合平臺中的角色如圖5中“業務邏輯層”以上部分所示。采用Ajax技術，瀏覽器中展示的不僅僅是內容，而是應用與服務。在傳統的基于請求與響應模式的Web應用中，瀏覽器僅僅扮演著從客戶端發送請求消息，并從服務器端獲取返回的信息并顯示給用戶的角色。Ajax技術可以把一部分應用邏輯從服務器端移植到客戶端。提供空間信息服務的Web GIS平臺對客戶端的交互功能的要求極高，如對四江流域各種地圖數據的縮放操作，在地圖上進行各種空間分析等，不需要刷新整個頁面就能動態完成局部區域的改變。

通過Ajax技術，構建一個富客戶端的程序，能夠有效地完成這些要求。因為地圖本身是由Ajax驅動的，地圖由很多小的圖塊拼接而成，用戶在使用鼠標在地圖上拖動時，不同區域的圖片將會異步地加載到頁面上。這個過程完全是動態的，當用戶拖動區域越大，觸發的更新就越多。相比較過去把整個頁面的數據刷新，這種方式大大提高了系統性能。圖6展示了利用Ajax中的JavaScript API實現的地圖瀏覽功能。

3.2 JSF與Ajax的集成

JSF(Java server faces)是Sun公司在JCP (Java community process)下JSR127中倡導的技術，基于Java Web 應用程序的服務器端的用戶接口組件框架。

在四江流域網絡門戶的總體結構基礎上，通過在JSF框架中應用Ajax技術，實現了網絡門戶的服務器端的業務邏輯功能。為了很好地實現JSF與Ajax技術在同一系統的集成，在開發中引入了Ajax4jsf這一輔助框架。Ajax4jsf是一個添加Ajax功能到JSF項目中的開源框架。本系統把Ajax支持的豐富組件和可自定義的外觀感覺與JSF結合起來。如圖5所示，網絡門戶在服務器端的處理流程如下:

a)客戶端與頁面上用戶界面組件交互而觸發的JavaScript事件由Ajax Engine處理，并由Ajax Engine提交到服務器。

b)服務器端由Ajax過濾器識別多種Ajax請求類型。然后，在前臺頁面觸發事件的組件發出的請求被JSF的請求處理生命周期處理，請求改變服務器上的數據后，與頁面上的JSF組件樹同步。

c)在響應被送到客戶端之前，Ajax過濾器解析Ajax響應內容。程序所需要的靜態或者動態資源的信息將被注冊到ResourseBuilder類中。當請求一個資源時，Ajax過濾器檢查資源緩存(resource cache)，看看這個資源是否存在，如果存在該資源，它將被送到客戶端，否則過濾器將在ResourceBuilder中搜索注冊資源。如果該資源被注冊了，

Ajax過濾器將發送一個請求到ResourceBuilder來創建該資源。

4 結束語

數字流域的網絡門戶系統強調在盡可能保護原有投資、原有信息系統的基礎上進行透明整合，達到流域信息資源利用的最大化。在此基礎上，對復雜多變的Web環境適應性的考慮，使門戶變得更加高效與可靠。網絡門戶的建設也為宣傳四江流域地區生態旅游，發掘流域的潛在優勢，改善和提高生態環境建設以及全面改善流域可持續發展工作提供了強有力的支持。

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