面向服務架構的空間參考系統共享框架的設計與實現

王艷軍，邵振峰，慎于藍

(1.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢430079; 2.華中科技大學電子與信息工程系，湖北武漢430074)

面向服務架構的空間參考系統共享框架的設計與實現

王艷軍1，邵振峰1，慎于藍2

(1.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢430079; 2.華中科技大學電子與信息工程系，湖北武漢430074)

地理數據的空間參考系統已成為當前地理數據和信息共享的瓶頸，基于面向服務的體系架構，應用改進的七參數布爾莎地理坐標轉換算法，設計和構建通用的空間參考系統共享框架模型，實現坐標轉換網絡處理服務和地理信息的共享，并在數字泰州地理空間框架建設中得到驗證。

面向服務架構;地理坐標系統;地理信息共享;投影坐標系統;坐標轉換網絡處理服務

目前，由于空間數據存在多種比例尺、多種空間參考和多種投影類型，1954北京坐標系、1980西安坐標系、地理坐標系和地心坐標系并用，而且不同地方還使用各自的地方坐標系。然而不同的應用需要不同比例尺的空間信息支持，對空間參考系統和投影類型也有相應的要求。地圖是將某種統一空間基準測量得到的結果，經投影變換后在平面上進行表示，很難適應基準變化的需求，基準一變，全部數據都得變［1］。投影的不一致嚴重制約了各類空間數據和信息的共享，也影響了地理數據的跨地域、跨部門使用和互操作。本文在分析這些基礎性問題的基礎上，設計并實現了面向服務架構的空間參考系統共享框架。

一、空間數據和信息共享面臨著投影不一致的基礎問題

當前的空間數據共享主要是通過不同空間參考系統間的轉換來實現的。空間參考系統，主要包括坐標基準、地理坐標系統和投影坐標系統，是描述地球上各種地理要素空間特性的框架，它主要用來解決空間信息的定位以及與之相關的地圖制圖和坐標變換等問題。空間參考系統是GIS系統的重要組成部分，不同空間參考系統之間的轉換是一個完善的GIS系統不可缺少的部分［2］。

在地理信息共享中，開放地理信息聯盟(Open-GIS Consortium，OGC)已經制訂了網絡地圖服務WMS規范、網絡要素服務WFS規范等，均指定特定數據服務的空間參考系統(spatial reference system，SRS)，目的是說明數據服務所支持的坐標系統，使各部分地理數據均可以在該坐標系統上進行數據服務發布和訪問，方便了GIS應用和空間分析［3］。數據服務的空間參考系統是OGC標準中維護并發布的地理數據集參數。在OGC標準中，每種空間參考系統均有唯一的標識SRS ID號碼，與OGP調查和定位委員會(The European Petroleum Survey Group，EPSG)維護的空間參考系統對象的數據集一致［4］。

在地理信息共享中，存在以下需要解決的問題:

1)各類地理數據的投影坐標系統不一致，導致發布數據服務后的空間參考也不同，且可能存在數據誤差和地圖變形。如我國常用的1980西安坐標系高斯-克呂格投影，其3°分帶、37°帶的空間參考SRS為“EPSG:2385”。若發布為 WGS-84坐標系(對應的SRS為“EPSG:4326”)，就需要空間參考系統投影轉換。

2)不同空間參考系統的地理數據，存在疊加顯示和空間分析的問題。同一空間參考系統的數據，也存在不同空間坐標值的轉換需求。

二、面向服務架構的空間參考系統框架的設計

1.空間參考系統共享框架的服務架構

地理信息共享中的空間參考系統框架，主要為實現各種坐標系統下的數據組織、管理、共享和融合，并提供地理坐標值轉換服務、投影轉換服務和不同坐標系統數據疊加服務。空間參考系統框架如圖1所示。

圖1 空間參考系統共享框架

該框架的主要實現過程包括:

1)當用戶請求多個圖層數據且其地理坐標系統不一致時，需要確定基準地理坐標系統，選取標準主要是用戶需求、實際應用、轉換工作量等。

2)大地坐標系統一致性判斷，主要是確定坐標系統橢球體參數是否一致，是否具有統一的大地基準。

3)坐標值轉換包括大地坐標系統轉換和投影坐標轉換兩個主要部分，具體的方法參見本章第3節。

4)轉換生成的結果為統一地理坐標系統的數據，需要進行坐標精度檢驗和分析。若不合要求，則可反饋重復進行投影坐標系轉換，直至滿足要求。

2.從地理數據到空間數據服務

在地理數據發布為空間數據服務的過程中，需要指定服務的空間參考系統。地理數據的坐標投影元數據信息主要包括:投影坐標系統空間參考SRS、地球橢球體長/短半軸長度、第一偏心率、地圖投影類型等。面向服務的空間參考系統共享框架中，發布該地理數據的目錄服務和投影元信息并進行服務注冊，供用戶訪問和調用。如利用1980西安坐標系并采用高斯-克呂格投影的江蘇省泰州市行政區劃圖，發布SRS為“EPSG:2385”的空間信息數據服務WMS，相關的目錄服務及空間參考系統信息如圖2所示。

與源地理數據不同，空間參考系統的數據服務發布和使用，應用本章第3節中介紹的投影轉換網絡處理服務(web processing service，WPS)進行空間投影轉換，可得到所需的地理數據服務。

圖2 從地理數據到數據服務空間參考系統

3.坐標轉換WPS

坐標轉換WPS，可不依賴傳統GIS軟件，為大量分布存儲的、異質異構的、不同時相的地理數據提供按需坐標轉換功能，從而實現面向服務的地理信息應用程序的互操作和分布式數據處理。

坐標轉換網絡處理服務WPS中的坐標轉換算法，一般可用以下步驟實現:

1)將源坐標系統S的坐標變換為對應平面直角坐標;

2)按不同地區選用或求取適當的轉換參數(七參數或三參數);

3)根據轉換參數將源坐標系統S平面直角坐標轉換為目標坐標系統T的平面直角坐標;

4)將目標坐標系統T的平面直角坐標變為對應大地坐標。

詳細的地理坐標轉換參數方法選取、各坐標系統中平面直角坐標與大地坐標的相互轉換見文獻［5-6］;改進的七參數布爾莎直角坐標轉換算法可見文獻［7-9］。

應用坐標轉換WPS［10］，客戶端發送符合規范的處理請求，由服務器接受請求并驗證，構建服務調用參數并進行執行處理，結果以XML消息文檔形式發送WPS客戶端接受。如

該數據坐標轉換WPS請求，是引用上述已經發布的泰州行政數據WFS，空間投影坐標系統由1980西安坐標系高斯-克呂格投影轉換為WGS-84坐標系，執行結果為所需投影坐標系統的要素數據集合。

三、試驗分析

本文以數字泰州地理空間框架的建設為例，進行相關驗證。圖3中，底圖是1954北京坐標系下的中國省界和主要公路數據，疊加顯示的是1980西安坐標系下的江蘇省泰州市行政區劃圖。圖4中，底圖是1980西安坐標系下的江蘇泰州數據，查詢點擊處周圍300 m圓形區域內的賓館酒店結果。這兩種不同坐標系統的空間數據在統一的空間參考系統框架下，能順利且準確地進行疊加顯示和空間分析。在傳統的GIS系統中，不同地理坐標系統的空間數據是不能直接進行疊加和空間分析的。在該空間參考系統框架下，各種通用的或自定義的空間數據，可直接訪問、調用和互操作，并能實現高級的空間分析功能。

圖3 不同坐標系統數據疊加顯示

圖4 基于空間參考系統共享框架的疊置分析

四、結束語

空間參考系統是地理信息共享中的重要基礎和組成部分，筆者通過設計地理空間參考系統共享框架模型，實現面向服務架構的坐標系統轉換服務，生成所需坐標系統數據，實現特定的地理處理應用和空間分析功能。本文研究成果是數字城市地理空間框架的有益嘗試，未來可拓展應用于各行業專題空間數據的共享服務中。

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Design and Implementation of the Spatial Reference System Sharing Framework Based on SOA

WANG Yanjun，SHAO Zhenfeng，SHEN Yulan

0494-0911(2011)06-0022-03

P208

B

2010-11-29

項目來源:國家973計劃資助項目(2010CB731800);國家863計劃資助項目(2009AA121404);國家自然科學基金資助項目(40801165);中央高校基本科研業務費專項資金資助

王艷軍(1984—)，男，湖北棗陽人，博士生，主要研究方向為空間信息共享的理論與方法。