基于GeoServer的等值面圖服務實現

羅　泉，陳寧江

基于GeoServer的等值面圖服務實現

羅泉，陳寧江

（廣西大學計算機與電子信息學院，南寧530004）

根據OGC WMS標準，對GeoServer的WMS服務進行擴展，實現基于IDW算法的動態生成等值面功能，并封裝成WMS服務，使用戶可以從網絡進行調用和瀏覽等值面圖。應用實例表明，具有實時插值，生成等值面圖像，動態與地圖數據疊加等特點，是對GeoServer軟件的有益補充。

GeoServer；Web Map Service；等值面

國家科技支撐計劃課題（No.2015BAH55F02）、廣西高校優秀人才資助計劃（No.[2011]40）、廣西科學研究與技術開發計劃項目（桂科軟13180015）

0　引言

等值面的生成是GIS空間分析中常用的方法。文獻[1]利用商業軟件ArcGIS的功能，實現了降雨量等值面的繪制，功能滿足需求但方案的實施成本高。文獻[2]提出基于OGC WPS(Web Processing Service)標準[3]實現常用空間分析功能，并利用免費開源的GeoServer實現了緩沖區分析功能。然而，依據WPS標準，經過空間分析后生成的柵格圖像以超鏈接的形式返回，無法供瀏覽器直接與其他地圖數據結合顯示。在實際應用中，等值面圖，如溫度分布圖、降水量分布圖等，都需要與實際地圖影像進行疊加，以便下一步的分析。使用WPS標準生成的柵格圖像，不便直接在地圖上進行定位并與地圖影像進行疊加。

針對以上問題，本文依據OGC（Open GIS Consortium）WMS（Web Map Service）標準，使用IDW插值算法，設計并實現動態生成等值面的功能，制作成GeoServer軟件插件，封裝成WMS服務，供用戶通過網絡進行調用。

1　工作背景

為解決各種異構平臺中的GIS空間數據共享問題，開放地理空間信息聯盟OGC推出了一系列基于WebService技術的空間數據交互操作標準，如WMS、WFS（Web Feature Service）、WCS（Web Coverage Service）、WPS等。WMS即網絡地圖服務，提供了一個標準統一的數據訪問接口，定義了客戶端通過HTTP協議從地圖服務器獲取地圖圖像的標準規范。WMS服務既可動態生成地圖，也可直接返回靜態地圖數據。這些地圖既可以使用PNG、JPEG等圖像格式來呈現，也可以使用KML、SVG等矢量圖形來呈現。一個基本的WMS服務包括三個基礎操作：GetCapabilities、GetMap、Get-FeatureInfo。GetCapabilities返回服務的元數據信息，元數據包括服務支持的操作、參數以及有效的圖層；GetMap返回指定區域的地圖圖像；GetFeatureInfo則返回用戶指定的地理要素信息。客戶端可同時請求多個WMS服務，并將返回的地圖圖像疊加，在一個視圖內顯示。

GeoServer是OGC標準的一個J2EE實現[4]，采用Spring Web MVC開源框架，所有的WMS請求均由Spring Web MVC的核心控制類DispatcherServlet進行派發，轉到GeoServer的核心類ows.Dispatcher中處理。下圖的UML時序圖描述是一個默認的WMS的GetMap請求響應過程：

（1）瀏覽器利用HTTP協議，發起GetMap請求。

（2）ows.Dispatcher接收到請求后，調用wms.DefaultWebMapService的GetMap函數進行處理，并最終獲得一個WebMap對象，該對象封裝了用戶所請求的地圖空間數據。

（3）ows.Dispatche選用合適的策略，調用ows.Response的Write函數，將WebMap對象渲染成PNG或JPEG等格式的圖片，返回給瀏覽器顯示。

wms.DefaultWebMapService由GeoServer核心根據服務名稱，利用反射技術動態加載，通過GetMap操作，向瀏覽器返回請求區域的地圖圖像。若實現等值面的動態生成、定位及顯示，則需要依照WMS標準，實現GetMap操作，在GetMap中完成空間插值、圖形渲染等功能。

圖1　WMS GetMap請求響應UML時序圖

2　等值面服務的設計與實現

等值面是以空間為定義域的連續函數的等位集，一個等值面里的每一個點，其數值是一樣的，使用同樣的顏色表示。單獨的等值面圖能表示數值的空間分布及空間變化趨勢，連續的等值面圖能表示數值的空間、時間內的分布及變化趨勢，常用于水文、氣象、勘探等行業中。生成等值面其難點在于插值算法，受空間多種因素的影響，同一個樣本集采用不同的插值算法，其預測值與實測值的誤差不同[5]。為提高插值的精度，需要事先對樣本集進行分析以選擇合適插值算法。本文使用IDW算法闡述基于GeoServer設計和實現等值面服務的過程。

等值面動態生成服務被設計成為一個通用的WMS服務，參數支持：INTERVALS（分級量值）、INTERVAL_COLORS（分級顏色）、INTERPOLATE（插值方法），實現WMS的三個基本操作，依賴于空間插值算法和渲染類，UML類圖如下：

圖2　等值面服務UML類圖

等值面服務的核心在于GetMap操作，在GetMap中使用空間插值算法插值、分級，并使用渲染類將結果分級著色，渲染成PNG圖像。為今后能支持更多的空間插值算法、方便擴展，在設計上采用了工廠模式，運用Spring框架的IoC（Inversion of Control控制反轉）機制，可以做到在不修改原有源代碼的情況下新增空間插值方法。同時，使用緩存類來緩存渲染的結果，在插值前判斷緩存中是否有渲染結果，如果有則直接返回，如果沒有則進行插值并渲染，利用空間來縮短響應時間。GetMap的偽代碼片段如下：

public WebMap GetMap(GetMapRequest request)throws ServletException,

IOException{

String cachekey=getCacheKey(request);//根據輸入參數來獲取緩存的索引值

if(ResultCache.InCache(cachekey)){

return ResultCache.Get(cachekey);//緩存中有處理結果，可直接返回

}else{

//獲取需要使用的插值算法名稱

String iName=GetParam(request,”INTERPOLATE”);

//根據算法名稱，獲取插值算法對象實例

IInterpolate interpolator=InterpolateFactory.GetInterpolation(iName);

……

//執行插值操作

interpolateResult=interpolator.Interpolate(param1,param2,…);

……

//將插值結果渲染成圖像并返回

Return Image.RenderImage(interpolateResult);

}

}

該服務根據瀏覽器提交參數，使用IDW（Inverse Distance Weighted，反距離權重插值）算法，對瀏覽器視圖范圍內的離散點進行插值、分級、著色，并返回PNG格式的地圖圖像，最后由瀏覽器完成地圖的顯示。

根據上述設計完成代碼，實現服務程序。此外，還須依據GeoServer的二次開發要求，使用application-Context.xml文件，將該服務注冊到GeoServer中：

〈bean id="contoursurfaceService"class="com.geoExtension.wms.ContoursurfaceService"〉

〈bean id="contoursurfaceDescriptor"class="org.geoserver. platform.Service"〉

〈constructor-arg index="0"value="contoursurface"/〉

〈constructor-arg index="1"ref="contoursurfaceService"/〉

〈constructor-arg index="2"value="1.1.1"/〉

〈constructor-arg index="3"〉

〈list〉

〈value〉GetCapabilities〈/value〉

〈value〉GetMap〈/value〉

〈value〉GetFeatureInfo〈/value〉

〈/list〉

〈/constructor-arg〉

〈/bean〉

該配置片段告訴GeoServer，等值面服務名為contoursurface，對應的類為com.geoExtension.wms.ContoursurfaceService，支持WMS 1.1.1，包含GetCapabilities、GetMap、GetFeatureInfo操作。最后，將編譯的程序集打包為jar格式文件，拷貝到GeoServer的WEB-INFLib目錄中，重啟GeoServer，即完成了等值面動態生成服務的安裝。

用戶只需在瀏覽器地址欄中輸入給定地址，即可調用等值面服務。GeoServer從地址中解析出所需信息，包括：請求的圖層、請求的服務名、請求的操作，以及請求的區域坐標、投影等信息，并根據服務名查找對應的類，執行其中的GetMap函數。最后，GeoServer向瀏覽器響應請求區域內的等值面圖形。流程如圖3所示意。

圖3　GeoServer加載、執行等值面服務流程

3　實驗

為驗證能否利用等值面服務生成等值面圖像，驗證該等值面圖像能否和其他地圖疊加顯示，設計如下實驗方案：

（1）使用PC作為服務器，配置為CPU 2.5GHz 4核，內存4G

（2）支撐軟件為Win 7操作系統，Java 7運行庫，Jetty 6.1，GeoServer 2.5

（3）選用800個離散點作為測試數據，包含坐標值和離散點值，以Shape文件格式存儲，并導入GeoServer的新圖層中，命名為sf:contours；

（4）根據離散數值的頻數分布，將離散點值分級；

（5）瀏覽器端使用開源js框架OpenLayers請求等值面服務，獲取相應圖像并顯示。

在實驗中，使用了某地的日降雨量數據，依據數值的頻數分布，將數據分為5級：1級[0~0.1]、2級[0.1~1]、3級[1~2]、4級[2~5]、5級[5~15]，并為每個取值區間設置一種顏色。最后，用戶使用OpenLayers調用等值面生成服務，OpenLayers獲得等值面圖像并顯示。

圖4為樣本集在二維平面上的分布情況，每一個點代表一個樣本的位置。從圖中可以看到，樣本并不是均勻分布，部分區域密集，而右上角區域、底部區域只有零星的幾個樣本。點擊樣本熱點可以查看樣本的數值，但無法獲知圖中任意空白區域的大概數值，無法根據樣本集直觀分析出數值變化趨勢。

圖5為等值面服務根據樣本集的數值，在可視范圍內使用IDW算法插值而動態生成的等值面圖，圖中的5種顏色代表5種取值區間，顏色由淺到深依次按低到高次序表示不同的樣本值區間。根據該圖像，可明顯看出西北方向區域降雨量較小，東南方向區域降雨量較大。圖6為等值面圖和樣本集地區的地形圖實時疊加顯示的效果。根據該圖像，很直觀看出該地區在當日的降雨量分布情況。

圖4　樣本集分布圖

圖5　等值面圖

圖6　等值面、地圖疊加效果

通過實驗可以看到，該等值面服務能夠根據樣本集的離散數據，以及用戶的輸入參數，動態生成等值面圖像，并能實時與樣本集所在地區的地形圖疊加顯示，直觀地表現出區域內的數值變化趨勢，已達到了最初的設計目標。

4　結語

隨著計算機網絡技術發展，WebGIS技術已普遍應用于人們生活中。GeoServer軟件作為一個開源的J2EE應用，遵循OGC標準，支持插件式的二次開發，廣泛應用于科學研究、小型的商業WebGIS應用中，是各類WebGIS解決方案中的一個廉價的選擇。等值面是GIS應用中常用的空間分析技術，但GeoServer并未提供相關功能。本文針對此問題，根據GeoServer二次開發接口和WMS規范，設計并實現了一個等值面生成服務，供瀏覽器調用并顯示。實驗結果顯示，該服務實現了預期的效果，是GeoServer軟件的一個有益補充。

[1]任斌，吳可，陳潔.基于ArcGIS的降雨量等值面生成系統研究[J].信息技術，2013(9):125~128

[2]姜超，徐青，等.基于OGC WPS的GIS空間分析方法[J].測繪科學,2011，11，36(6):198~200

[3]OGC.OGC Standard[EB/OL].http://www.opengeospatial.org/standards/

[4]張大鵬，張錦，等.開源WebGIS軟件應用開發技術和方法研究[J].測繪科學,2011.09，36(5):193-196

[5]胡剛，趙剛，宋慧.不同插值方法對降水量空間不確定性的影響[J].濟南大學學報(自然科學版),2012.10,26(4):428~432

[6]張凡，胡春陽，韓軍.高性能互操作的OGC WMS系統的研究與實現[J].計算機應用研究，2010，27(5)：1732~1736

GeoServer;Web Map Service;Contour Surface

Implementation of Contour Surface Service Based on GeoServer

LUO Quan，CHEN Ning-jiang

(School of Computer and Electronic Information,Guangxi University,Nanning 530004)

According to OGC WMS standards,extends the GeoServer WMS,and implements a GeoServer plugin which is used generating contour surface based on IDW algorithm and encapsulated into a WMS Service.Users can call the WMS Service from the network and browse the result.The experimental results show that the plug-in with real-time interpolation,it can produce the equivalent surface image,superimpose with map data dynamically.It is good for GeoServer software.

1007-1423（2015）12-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.12.015

羅泉（1979-），男，廣西南寧人，在讀碩士研究生，研究方向為軟件工程、Web服務

陳寧江（1975-），男，廣西南寧人，博士，教授，研究方向為軟件工程、中間件、網絡分布式計算

2015-02-26

2015-04-07