基于ArcGIS的自然災害協同標繪系統分析與設計

馬得生，王 剛，閆冬梅，陳世榮，尤 杰

（1.中國科學院對地觀測與數字地球科學中心 中國科學院數字地球重點實驗室，北京100094；2.中國科學院研究生院，北京100049；3.民政部國家減災中心，北京100124；4.中國地質大學，土地科學技術學院，北京100083）

0 引 言

自然災害應急監測需要在地圖上表達的空間對象主要包括自然災害、承災體和救援力量三大類［1］。這些空間對象信息主要獲取方式是從災區遙感影像提取和實地調查。遙感影像的數據量巨大，需要專業人員目視解譯，而目前的災害信息標繪方式為單機標繪，所以快速高效的提取出災情信息并不是一件輕松的任務。海量遙感影像的處理費時費力，需要建立分布式的遙感影像處理平臺，使專業技術人員能夠協同工作，快速處理所獲取的遙感影像，縮短數據處理時間，提高效率［2］。如何將信息資源優勢快速有效的轉化為抗災減災的資源優勢，以便于決策人員參考 （如救災物資分發、災情預測和人員調動等），是需要解決的關鍵問題。

目前協同標繪技術在軍事方面應用比較廣泛［3－6］。本文基于ArcGIS平臺，將協同標繪技術應用到自然災害信息提取，系統利用計算機和通信技術建立協同工作環境，使多用戶在統一平臺下進行協同工作。協同標繪的客戶端完成了協同標繪、信息獲取和信息處理等，網絡傳輸端和服務器端保證了數據傳輸和管理的高效、準確。

1 系統架構設計

1.1 邏輯框架

本文設計了一種基于會議方式的主席－用戶模式的災害遙感圖像協同標繪體系結構，參加協同工作的人們 “聚集”在一起，圍繞一個共有的任務進行討論，交換信息、相互協商、交換意見、達成共識、做出決定即完成任務［7］。用戶首先登陸服務器，創建一個新會議，會議創建者默認為該會議主席，即會議的召集者和主持者。在客戶端的協同工作參加者稱為協同工作的 “用戶”，即與會者。系統的邏輯架構如圖1所示，該框架有以下優點。

圖1 系統邏輯框架

（1）權限分明：會議主席負責建立、管理會議組，更新用戶信息，以及管理和分配工作區。其中，工作區的管理是主席端的重要功能，主席將需要標繪的遙感底圖合理劃分工作區給各個用戶。普通與會者，則負責按照會議主席的分工，對各自 “轄區”的災情信息進行目標提取。

（2）便于統一管理：各個與會者通過網絡傳輸端與服務器連接，僅通過服務器來實現信息交互，便于信息的統一管理，避免了松散耦合系統的管理混亂的缺點。

（3）便于信息傳遞：服務器只需將各種信息進行組內傳遞，便可及時有效的傳給該會議的各個在線用戶，增強了多用戶操作的實時效果。

1.2 物理框架

協同標繪系統分為三層結構：客戶端，網絡傳輸端和服務器端。各層架構分工明確，聯系清晰。客戶端實現了系統的主要功能，是整個系統的核心部分。網絡傳輸端實現各種信息的安全傳輸，是整個系統的橋梁。服務器端負責數據管理和分發，是整個系統的重要組成部分。

系統物理框架如圖2所示。

圖2 系統物理框架

2 系統功能設計

2.1 客戶端功能設計

自然災害協同標繪系統的基本任務是通過建立協同工作開發環境和運行環境，使網上各參加單位對同一幅災情遙感影像圖進行同步或異步標繪操作，其各個顯示終端都具有相同顯示。

客戶端的主要功能包括：協同標繪，協同感知，標繪信息收發，協同工作區設置和各種信息顯示等。

（1）協同標繪功能主要是對多種對象進行多種操作。災情對象主要包括點 （如路標，水井等），線 （如河流，道路等）和面 （如倒塌房屋，湖泊等）和其他標繪對象 （如文字標注等）。用戶可根據實際需要，將這些標繪圖形設置不同屬性，如樣式、大小、顏色、形狀等。用戶標繪動作，包括對圖元的增加、刪除、修改等。協同標繪功能還要能按照圖元屬性信息，將原用戶操作的圖形信息，“復制”到同一工作組其他用戶顯示端，從而實現 “你見即我見”（what you see is what I see，WYSIWIS）的交互環境。

（2）協同感知功能主要是指實時捕捉各種圖元的各種操作，并解譯該操作圖元的各種屬性信息。用戶的標繪動作類型和標繪圖形類型都有多樣性，協同感知功能要能對這些類型加以區分識別。協同感知功能還要能感知用戶信息 （登陸、退出）的變化。

（3）標繪信息收發功能是指將協同感知到的圖元信息在數據發送模塊生成規定格式文件，經由網絡傳輸端傳給服務器。用戶接收模塊接收服務器發送來的各種信息文件包，并進行解碼，然后將之傳遞給其他模塊進行處理。

（4）協同工作區設置是將標繪區域合理劃分給與會者。用戶的首要任務是標繪本用戶區域的災情信息，工作區在主席端進行分配。

（5）信息顯示功能主要包括：不同用戶標繪圖元采用不同顏色加以區別顯示，個人標繪對象的顏色在用戶登陸系統時由系統統一分配，用戶無法更改；同一工作組的用戶信息 （包括工作區，登陸時間，編輯的圖元等）可以隨時查看；可查看當前工作組信息 （會議主席、會議簡介和創建時間等）；所有用戶的各種操作都簡短顯示在日志中，當用戶選擇日志中某行操作時，顯示端將該操作對象 （如果存在）進行響應 （閃爍顯示）。

2.2 網絡傳輸端和服務器端功能設計

客戶端的各種操作信息都要經由網絡傳輸端，傳送給服務器端。

網絡傳輸端主要包括：①網絡傳輸協議，客戶端和服務器端之間的大量數據傳輸，要求穩定、快捷，用戶的各種操作都準確重現在工作組的所有用戶后，才能保證各個顯示終端的統一，這要求網絡傳輸過程不能遺失任何數據文件；②數據格式，用戶操作圖元類型和標繪動作類型都有很多種，還有用戶進行的其他操作類型，針對這多種類型的數據傳輸，需要保證各種傳輸數據易于識別，互不混淆。

服務器端主要為數據庫。其需要根據操作類型，將操作結果保存在不同的表格。同時，針對用戶在客戶端對圖元的增加、刪除和修改，服務器端需要對數據庫進行相應操作，完成數據的更新。

2.3 標繪功能流程

協同標繪的工作流程 （以用戶新增圖元為例）：用戶1利用協同標繪模塊新建某個災害信息圖形后，協同感知模塊感知到該用戶的當前操作，并獲取到其對應的信息包括標繪動作類型 （此處為增加）、操作圖形類型的屬性 （顏色、大小、頂點坐標等），然后將這些信息轉給數據發送模塊，該模塊按照一定格式將這些信息生成標準傳輸文件，經由網絡傳輸發送到服務器端。服務端接收到該消息后，首先將該信息保存到數據庫中，同時賦予該圖形一個唯一標識碼ID，然后將這些信息重新生成傳輸標準文件，傳給工作組的各個用戶。用戶接收模塊接收并還原該信息，利用協同標繪模塊將用戶1的標繪行為進行重現。整個流程如圖3所示。

圖3 用戶新建圖元流程

當用戶在客戶端執行新建一個標繪圖元時，該新建圖元將首先被刪除。服務器統一發送該標繪信息，每個用戶（包括創建該圖元的用戶）利用協同標繪模塊進行統一標繪。這樣的機制可以充分利用服務器為各個圖元統一分配ID，避免ID賦值混亂重復等現象，便于統一管理。

3 系統構建

3.1 客戶端構建

客戶端是整個系統最核心的部分，協同標繪、協同感知、發送和接受數據以及各種信息顯示功能，都在客戶端具體實現。其中，協同感知、消息響應和標繪重現是客戶端的關鍵技術。

（1）協同感知技術

面向標繪對象的協同感知是底層的協同感知［8］。基于ArcGIS平臺，用戶進行標繪的圖形類型有兩種：Feature和Element。所以，需要對協同感知的用戶及時知道協同工作的最新進展并以顯式的方式體現在協同結果上［9］。用戶對這兩種圖形的操作動作類型包括增加、修改、刪除等，圖形標繪主要是針對這兩種圖形的3種操作。標繪行為是非連續的過程，且用戶的每一次標繪動作和下一次標繪動作之間，可能存在著一系列其他操作。系統必須及時捕捉本用戶的標繪行為，并能識別該標繪動作類型和操作圖形類型。

針對這些問題，結合ArcGIS Engine，本系統采用事件響應機制。該機制將事件和標繪操作對象綁定，對標繪動作進行實時捕獲，實現標繪行為感知。ArcGIS Engine針對Feature和Element的標繪行為采用不同的事件接口，如Feature圖元的IEngineEditEvents＿Event接口，Element元素的IGraphicsContainerEvents＿Event接口。當用戶感知到標繪操作后，同時也將捕獲到該圖形，即標繪行為動作的結果，然后對圖形進行屬性信息識別，從而可以實現協同感知。

（2）消息響應技術

消息響應技術是指客戶端能實時接收網絡傳輸的消息。用戶不僅要感知機器的反應，更重要的是要感知其他用戶的異地通饋 （feedthrough）。其他用戶的標繪信息都經由網絡傳輸到客戶端，但網絡傳輸的文件信息具有不定時性和多樣性，客戶端必須實時監聽接收。

本系統引入windows窗口的消息機制，該機制已為窗口界面所實現，它實時接收傳遞到窗口的所有消息，方便快捷。在構建本系統時，首先定義網絡傳輸消息 （message）的接收窗口，當數據傳遞到該窗口時，自動觸發其消息處理函數，在函數內部將信息進行獲取、解碼、區分后，通過事件代理機制，將消息傳遞給協同標繪模塊進行響應。

（3）標繪重現技術

標繪重現是指將客戶端的各種操作信息 “復制”到同一工作組的其他客戶端。系統通過消息響應技術獲得各種操作信息，這些信息中包含所要 “重現”的標繪動作類型、圖形類型和圖形屬性信息 （大小，顏色，頂點坐標等），標繪模塊需要根據這些信息進行標繪重現。

本系統依據信息類型，采取消息分類法進行響應。根據消息的標繪動作類型 （增加、刪除和修改），設置3種標繪動作響應類，在各種響應類中按照圖元類型建立相應標繪重現函數。對接收到的標繪消息進行處理后，首先根據標繪動作類型，調用對應的標繪動作類，然后根據標繪圖元類型，將各種屬性信息傳遞給相應處理函數，進行具體圖形的標繪重現。

3.2 網絡傳輸端和服務器端構建

網絡傳輸端和服務器端，是系統各用戶進行標繪通信和數據管理的部分。

3.2.1 網絡傳輸端

根據本系統的功能需求，用可擴展標記語言 （extensible markup language，XML）作為傳輸數據語言，采用TCP／IP網絡傳輸協議。

（1）用戶對圖形的標繪行為類型有新建、刪除和修改，標繪圖形類型有Feature和Element兩種，而Feature對象里又有點對象、線對象和面對象子類型，Element要素里有點標注、線 （貝塞爾曲線，折線）標注、面標注和文字標注等子類型。

為了區別各種標繪動作類型和標繪圖形類型，系統采用 “標繪動作類型＿標繪圖元類型”的格式進行標識，例如用戶新增一個Feature的面對象，則該操作總類型為：“Add＿PolygonFeature”，若用戶修改一個Element的貝塞爾曲線，則該操作總類型為： “Update＿BezierLineElement”。眾多類型的文件傳輸須在傳輸文件中設置類型格式。系統采用XML語言進行網絡傳輸，該語言具有良好的數據存儲格式、可擴展性、高度結構化、便于網絡信息組織和網絡傳輸等優勢［10］，并且可自定義標記及屬性名。系統在XML文件中以每次操作的總類型作為標識，然后將該操作圖形的其他屬性信息按照格式依次寫入XML文件。

（2）災情協同標繪系統中，為保障 “WYSIWIS”的工作環境要求，用戶傳輸的所有數據在網絡傳輸中要嚴禁丟失或重復。用戶的每一次操作都要向服務器發送操作信息，服務器也要發送各種消息給用戶，因此會產生大量的網絡傳輸請求，為減少系統更新響應的延時，必須選擇高效的網絡傳輸協議。

本系統采用TCP／IP協議，它是網絡通信的標準協議，技術成熟穩定。為保證傳輸的準確性，TCP傳輸過程具有捎帶確認機制，具有極高的安全可靠性，且傳輸效率也足以滿足客戶端響應需求。

3.2.2 服務器端

網絡傳輸端將各種XML文件包傳給服務器端，由服務器進行數據管理和轉發。

服務器接收到XML文件包后，要進行解碼處理，獲取文件載有的信息類型，并對該消息進行入庫更新，然后將該消息生成XML文件再傳遞給同一工作組的各個用戶。本系統的服務器端采用高效率的C＋＋語言編寫，數據庫為易于管理和維護的Microsoft Office Access。數據庫采用分組管理，不同的會議列入不同的會議組。傳遞的XML文件里含有該消息所屬的會議，便于信息的對號入庫。

4 測試結果

根據系統實現功能，本系統在Visual Studio 2008平臺上，采用C＃ 語言，利用ArcGIS Engine9.3二次開發構建。在100M 局域網上的PC （2GB內存，3.0GHz CPU）和WindowXP 32環境下，500個虛擬在線用戶進行同時編輯操作，測試結果如圖4所示。

圖4 用戶數－響應時間曲線

該測試結果表明，事務響應時間不足0.001秒，且在第150－200個用戶參與交流時響應時間突增，達到峰值，但總體呈持續降低的態勢。所以本系統的各個用戶之間的通信交流快捷迅速，能實時響應用戶的操作。

用戶數－CPU使用率曲線如圖5所示。

圖5 用戶數－CPU使用率曲線

該結果表明，曲線在參會用戶數不斷增加的過程中，在175－200個用戶參與交流時CPU使用率急劇上升，達到峰值，總體呈持續增長態勢。最大CPU使用率小于75%，通常情況下CPU使用率小于40%，證明目前的硬件可以適應測試的負載。所以本系統對CPU占有率在可接受范圍內，系統客戶端穩定高效。

系統響應時間和CPU使用率曲線在180個用戶附近出現一個峰值，說明該時刻存在密集的計算負載，這主要是虛擬內存發生換頁操作導致的。本系統的設計使用了內存池機制，在服務啟動后系統會申請約200M左右的內存作為內存池，當在線人數達到200人左右，該內存池耗盡，系統會嘗試申請需求量2倍的內存來擴建內存池，這將超出測試機器剩余的空閑物理內存容量，操作系統會嘗試從其它程序中交換出物理內存，從而發生內存換頁操作，這種操作極為耗費CPU時間，從而形成一個系統響應的峰值。

5 結束語

本文基于XML即時通信語言，在TCP／IP網絡傳輸協議下利用C＋＋語言構建了服務器系統，基于ArcGIS Engine二次開發，在Visual Studio 2008平臺上利用C＃語言構建災情協同標繪的客戶端。系統基于主席－用戶模式的體系結構，采用三層結構，支持多用戶實現標繪信息交流和可視化感知，強化了災情信息的快速提取能力，改變了災情信息提取的單機單用戶標繪的傳統方式，解決了如何將海量遙感數據快速變為信息的難題。經測驗，在500個在線用戶之下，該協同標繪系統能很好的滿足協同標繪的應用。

系統還有很多工作需要繼續開展，如支持多媒體通信，實現海量遙感數據的點對點傳輸等。

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