國土資源管理中典型地理信息服務鏈應用研究

王艷軍，路立娟

(1. 湖南科技大學地理空間信息技術國家地方聯合工程實驗室，湖南 湘潭 411201； 2. 湖南科技大學 地理空間信息湖南省工程實驗室，湖南 湘潭 411201； 3. 湘潭市國土資源測繪院，湖南 湘潭 411201)

國土資源管理中典型地理信息服務鏈應用研究

王艷軍1,2，路立娟3

(1. 湖南科技大學地理空間信息技術國家地方聯合工程實驗室，湖南 湘潭 411201； 2. 湖南科技大學 地理空間信息湖南省工程實驗室，湖南 湘潭 411201； 3. 湘潭市國土資源測繪院，湖南 湘潭 411201)

面向服務的架構和Web Service為空間信息共享和服務鏈構建提供了技術支撐。本文從地理信息系統發展階段探討了空間信息服務概念和理論，著重研究了地理空間信息服務鏈中涉及的服務注冊和發現、按需擴展定制描述和服務組合方法等關鍵技術。通過設計地理空間信息鏈參考模型、服務注冊中心和目錄服務方法，以服務組合構建了某城市鐵路線規劃中的房屋拆遷和土地征收的空間分析服務鏈，為空間信息服務實際應用提供了參考方案，并可推廣應用于空間信息共享與專業應用系統建設中。

面向服務架構；空間信息服務；網絡要素服務；網絡地理處理服務；服務鏈

地理信息系統(GIS)隨著計算機信息技術而不斷發展，基于網絡技術形成了分布式網絡處理的WebGIS，但由于系統構建方法不同，數據異質異構，不利于跨平臺互操作[1]。在數字城市地理空間框架建設推動下，空間數據處理分析需求不斷增長，GIS發展為開放互操作的地理信息平臺，地理信息應用也已深入到國土、規劃、公安、水利等經濟社會領域，并向著更高效靈活和智慧化的方向發展[2-3]。基于面向服務架構(service-oriented architecture，SOA)的地理信息公共服務平臺在下一代互聯網、物聯網、云計算和智能對地觀測傳感器網絡等快速發展的背景下，將不同應用功能單元的服務以模塊化排列組合，以形成高級空間分析處理服務鏈，可避免傳統的數據更新、運行維護和升級改造所帶來的重復建設和資源浪費等問題，是當前地理信息公共平臺及智慧城市空間基礎設施建設的重要研究內容。

地理數據和空間分析模型存在異質異構和語義不一致性等問題，需要提高其互操作和重用性，以實現分布式地理信息處理應用[4-5]。開放地理信息聯盟(open geospatial consortium，OGC)的互操作標準網絡地圖服務(web map service，WMS)、網絡要素服務(web feature service，WFS)、網絡覆蓋服務(web coverage service，WCS)和網絡地理處理服務(web processing service，WPS)可方便實現分布式網絡環境下的空間信息服務應用。本文基于SOA和OGC標準研究空間信息服務注冊、發現與組合的關鍵技術，實現地理空間信息鏈的構建和典型應用。

一、地理空間信息鏈原理

地理空間信息鏈是空間信息服務的序列，其每個服務對中，前一個服務是后一個服務執行的必要條件，且服務鏈具備服務的再查找、組合和執行能力，無需管理維護基礎數據和服務，即可按需查找和綁定空間信息服務，執行高級復雜的空間分析任務[6-7]。Web Service技術引入空間信息領域，結合SOA形成服務GIS[8]，與傳統組件化GIS相比，便于網絡環境下的數據獲取、集成和共享，有利于應用系統快速構建；與WebGIS相比，能夠靈活地克服地理處理模型和語義異構等問題。地理空間信息鏈能夠實現分布式空間信息服務的有效利用和自由組合，是地理信息服務化的發展方向。

豐富的數據和功能服務是地理信息鏈構建的基礎，如何發現所需的服務，將數據和單一功能的原子服務有效組合是研究的重點方面。OGC總結空間信息服務的分類體系，提出了3種類型的服務鏈：透明鏈、半透明鏈和不透明鏈，文獻[9]已有詳細探討。地理空間信息鏈研究涉及空間信息服務注冊與發現、按需定制統一描述發現和集成(universal description, discovery and integration，UDDI)、服務組合和工作流引擎等關鍵技術，成果主要集中在空間信息服務目錄、基于工作流的服務鏈流程描述和網絡服務業務流程執行語言(BPEL for web services，BPEL4WS)的服務鏈體系結構，實現地理空間信息鏈的業務流程定制、管理和執行的自動化[10]。

本文重點探討多源多尺度地理空間信息鏈框架結構(如圖1所示)，將分布式服務動態組合按需集成，完成特定任務，并基于數字城市地理信息共享服務平臺驗證地理空間信息鏈的應用。

圖1 地理空間信息鏈框架結構

二、地理空間信息鏈關鍵技術

1. 空間信息服務注冊與發現

空間信息服務的注冊與發現機制主要是方便查找和發現服務，從分布式網絡環境下龐雜的服務集中高效準確地發現所需服務。空間信息服務注冊是將空間數據和處理功能的服務元數據注冊到UDDI，一般采用兩種方式：一是建立私有服務目錄注冊中心，二是采用通用UDDI注冊中心。前者是OGC注冊中心，以相對復雜的空間信息服務為描述對象，多采用專用的通信協議和接口，與通用注冊中心兼容性差，阻礙信息互操作；后者是基于XML和HTTP存儲地理數據和空間信息服務，采用基于ebXML注冊信息模型，針對空間信息服務定制注冊內容，更好地滿足空間信息領域的獨特要求。因此，需要兼顧兩者設計空間信息服務注冊中心，結合私有服務目錄注冊中心和通用UDDI的優勢，在標準網絡通信與請求協議的基礎上充分體現空間信息服務的領域特征。

空間信息服務注冊中心以服務元數據為注冊信息，支持在線發布、發現和綁定，實現結構如圖2所示。注冊中心目錄服務存儲服務元數據，提供服務的發現和管理功能，以實現檢索和注冊接口。采用UDDI擴展數據結構和服務訪問，以增強功能實現空間信息服務私有和通用的注冊中心的統一，主要有兩種實現方法：①將空間信息服務注冊到OGC注冊中心，私有注冊中心作為通用UDDI的節點添加到通用注冊中心，通過OGC中規定的訪問協議發現和調用空間信息服務；②將OGC私有的空間信息服務注冊到UDDI，用戶直接通過通用UDDI查詢和訪問已注冊的空間信息服務或非空間信息服務。

圖2 OGC服務注冊實現結構

2. 按需擴展定制描述UDDI

現有的UDDI提供了3種核心的分類標識系統：北美工業分類系統、通用標準產品和服務產品、地理區域分類法。UDDI描述雖增加了地理位置分類法和網絡地理分類法，但僅針對區域進行劃分，不能體現空間信息服務的特征，造成查全率和查準率較低的問題。使用地理區域分類法對UDDI進行按需擴展定制描述，可實現數據服務和地理處理服務的自動分類。

私有和通用注冊中心具有相同結構的服務注冊和發現方法，實質是將空間信息服務元數據發布到私有注冊中心，需要考慮與數據緊密耦合和與數據松散耦合的服務(如圖3所示)，前者不僅要注冊服務本身的元數據，還需要與之相關數據的元數據。按需擴展定制實現服務注冊和發現的工作流程為：①服務提供者將分類信息發布注冊到目錄中心，并注冊其校驗服務；②使用空間信息服務分類方法對服務進行分類；③服務使用者查找服務，目錄中心發現并調用空間信息服務分類法校驗，如果成功，服務實體包含的分類信息則標記為已校驗，同時返回空間信息服務結果集合。

圖3 空間信息服務注冊與發現的框架結構

根據具體數據服務和應用特點，空間數據有按類型和按比例尺兩種分類方法。結合ISO和OGC對空間信息服務的分類，空間信息服務可分為描繪服務、注冊服務、數據服務和處理服務4大類。對每一種分類法進行設計，并定義其名稱、層次結構和分類編碼規則，存儲為XML文檔，供目錄中心調用。分析ISO和OGC對空間信息服務的分類，可發現前者是從信息的角度劃分，后者則是從具體應用的角度劃分。本文綜合參考二者的優勢，建立具體的分類編碼規則如下：采用3位阿拉伯數字表示空間信息服務的一層，子類節點的編碼在父類基礎上進行擴展，如處理服務在第1層第3位編碼為003，空間分析服務在父類空間處理服務下的第3位，則編碼為003003。

3. 空間信息服務組合方法

空間信息服務組合是將若干個功能互補的地理數據和處理模型服務按一定順序排列組合，協同完成復雜的空間分析任務，常結合工作流技術進行管理。工作流是能夠自動或半自動完成執行的經營過程，使得空間信息服務根據一系列過程規則、文檔或任務能夠在不同執行之間傳遞與執行。

空間信息服務工作流管理空間信息和非空間信息及其處理過程，由執行任務的活動及其處理的數據構成，其邏輯關系構成空間處理過程的控制流，前一活動的輸出流作為后一活動的輸入流。BPEL為基于XML的描述業務流程和交互的編程語言，流程中的每一活動由Web Service具體實現，包括兩種類型的業務流程：①可執行流程，定義了內部具體任務和相應處理接口，整個流程能夠被引擎執行；②抽象流程，詳細定義了公共的消息交換方法，但沒有內部具體細節，不能被引擎直接執行。

工作流參考模型對具體的業務流程抽象化表示，定義工作流交互的構成接口，包括流程定義工具、工作流引擎、工作流執行服務、調用應用程序、客戶端應用和監控管理工具。空間信息服務工作流建模將具體的業務流程進行形式化表示，由過程、活動和子過程3個實體組成，并應用組成、先序、集成和引用等描述流程過程之間關系。Petri網是由表示狀態及狀態變化的元素組成的網狀信息流模型，工作流網根據Petri網性質[11]，定義順序、并行、選擇和循環4種過程邏輯，同時定義與分叉、與合并、或分叉、或合并4種構造模塊，其中與分叉、與合并表示并行過程邏輯，或分叉、或合并表示一個選擇過程邏輯。

以空間信息服務為節點，基于工作流參考模型定義服務之間的邏輯關系，形成服務組合的順序、并行、選擇和循環4類邏輯結構，如圖4所示，執行詳細過程為：①順序結構，由按照前后順序執行的過程組成；②并行結構，由同時并發執行的分支過程組成，由與分叉、與合并組成；③選擇結構，彼此過程之間具有相互排斥關系，并添加約束條件以從中選擇一個或多個過程執行，由或分叉、或合并組成；④循環結構，某一個過程變遷在給定的條件下可反復執行多次，直到滿足結果條件。

三、地理空間信息鏈典型應用實現

1. 地理空間信息鏈參考模型

地理空間信息鏈將多個可用的單位服務按照一定的流程規則組合形成功能復雜且可執行的服務，按需滿足信息和知識請求，實現空間信息服務增值。應用工作流參考模型管理地理空間信息鏈，實現空間信息服務工作流的建模、組合、發布、執行和監控，結合SOA架構和工作流參考模型，對地理空間信息鏈參考模型進行改進設計，主要由以下5部分組成：①服務鏈引擎，負責流程實例的生成和執行；②服務鏈請求者，調用服務鏈的客戶端及應用程序；③服務鏈定義，負責生成服務鏈的業務流程；④服務鏈管理和監控，負責監控整個服務鏈生命周期中流程的執行情況；⑤空間信息服務，為服務鏈提供數據和處理功能。

圖4 地理空間信息鏈模型邏輯結構

地理空間信息鏈參考模型為空間信息服務的相互組合提供模型支持。以城市建設鐵路規劃分析中網絡地圖可視化業務為例，目的是在客戶端輸出一份包含地圖、比例尺線、指北針和圖例在內的完整地圖，首先需要調用GetMap請求返回待打印的地圖，然后調用GetLegendGraphic請求獲取地圖圖例信息，最后將專題地圖附屬信息輸出，此執行過程對應上述服務鏈參考模型為：

1) 按照順序結構、并行結構、選擇結構或循環結構，將地圖打印關聯的服務按照業務需求組合。

2) 請求者調用步驟1)定義的網絡地圖打印服務鏈，向地理空間信息鏈引擎提交調用請求。

3) 地理空間信息鏈引擎接受調用請求，實例化步驟1)定義的網絡地圖可視化業務流程，調用WMS請求和其他非處理服務請求，執行并將處理的結果(完整的專題地圖)提交客戶端。

4) 在地理空間信息鏈引擎執行工作流程時，服務鏈管理和監控工具負責對執行的情況進行監測，并及時與地理空間信息鏈引擎交互。

2. 典型地理空間信息鏈實現

城市建設鐵路規劃分析服務鏈實現的功能是檢索位于城市某區的鐵路沿線50 m范圍內的所有房屋和土地利用數據，并統計分析拆遷結果信息。規劃分析服務鏈的實現原理為：先在地圖上通過點選、框選或緩沖區查詢獲取地理要素；再應用WFS的GetFeature接口中的GetFeatureIntersects方法將上述獲取的要素和行政區作相交查詢，獲取城區結果數據。

具體的，調用Intersection服務將獲取的城區多邊形要素和鐵路圖層數據作相交查詢，獲取某區內的鐵路線；調用buffer服務作獲取的某區內鐵路線的50 m范圍緩沖區，獲取緩沖區多邊形A；再調用Intersection服務將A和該區居民地數據作相交查詢，獲取落入鐵路50 m范圍內的房屋數據，即為拆遷分析結果；調用Intersection服務將A和該區土地利用數據層作相交查詢，獲取落入鐵路50 m范圍內的土地數據，對結果土地數據按照地塊類型進行統計輸出，即為征地分析結果；服務鏈緩沖區A和檢索的待拆遷房屋結果如圖5所示，即圖中陰影遮擋區域；拆遷分析服務鏈的待征收的土地分類及其面積統計結果如圖6所示，地理空間信息鏈分析可一并執行，多種結果一目了然。

圖5 房屋拆遷分析結果

圖6 拆遷分析土地征用統計

四、總結與展望

面向服務的體系架構為地理信息系統的數據共享和功能共享提供了新的體系架構和概念模式。面向服務的體系架構將各類網絡資源以服務規范形式發布，提供標準調用接口，實現業務邏輯和執行過程的分離。本文針對空間信息服務借鑒SOA思想，將網絡數據和地理處理模型作為原子服務進行了統一注冊、發布和調用，基于工作流參考模型設計了空間信息服務組合的邏輯結構。實際應用中，網絡中存在大量相互獨立的地理信息服務，如何有效地檢索和編排所需服務并反饋結果仍需要深入研究。

SOA為地理空間信息鏈提供了架構的支持，Web Service技術為地理空間信息鏈提供了具體的實現技術，OGC的各種服務規范提供了地理空間信息鏈的規范依據，工作流引擎提供了地理空間信息鏈的流程定義和控制。本文以地理空間信息鏈的構建與應用為研究內容，著重探討了地理空間信息鏈的原理及其關鍵技術，對空間信息共享和增值服務進行了有益嘗試，設計了地理空間信息鏈參考模型并應用典型案例進行了驗證。地理空間信息鏈是分布式網絡環境下地理信息發展的新趨勢，是數字城市和智慧城市建設的重要支撐，以實現空間信息的按需服務和主動推送。地理空間信息鏈構建開放互操作的地理信息基礎設施，可為地理信息的網絡化普適化服務化應用打下堅實基礎。

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P208

B

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2015-09-06

國家自然科學基金(41271390；41601426)；湖南省自然科學基金(12JJ9023)；湖南省教育廳科學研究項目(14C0429)；寧波市自然科學基金(2013A610061)

王艷軍(1984—)，男，博士，講師，研究方向為地理空間信息共享與服務應用。E-mail: wongyanjun@163.com