基于WebGIS的科考船實時監控系統

張軍 上海致達信息產業股份有限公司智能化事業部

引言

地球的南北兩極，蘊藏著豐富的自然科學資源，它擔負著將人類居住的地球與其他星球能良好聯系的重要責任。因此，極地科考的研究工作對國家以及全世界的發展都具有十分重要的戰略意義。作為中國目前最為先進的科學考察船之一，“雪龍”號是專門為極地航行而設計的破冰船。它能夠連續沖破1.2米厚的冰層。目前，國家正進一步擴大極地科學考察工作，并制定了具體的國家科考行動計劃。但是，無論是極地地區還是科考途中，環境都極度惡劣，使得科考人員面臨各種各樣未知的困難與危險。例如進出極地航行時將要穿越危險的西風帶、嚴寒的環境會使得考察船船體發生變形、科考船可能受浮冰影響而導致滯留等。因此，考察船的動態情況，以及數據的實時傳輸等問題都得到了國人甚至世界各地的關注，特別是在考察船遇到突發情況時，相關工作人員以及領導需要及時根據考察船直觀、明了的實時動態信息做出正確的判斷和及時的任務部署。

構建科考船實時監控系統，為用戶動態展示了科考船的可視化信息，實現極地考察數據的實時監控、分析與統計，具有十分重要的意義。

1 相關技術概述

1.1 WebGIS概述

隨著應用科學和技術不斷發展與進步，GIS在應用上已經被廣泛認可。目前，大多數的商用GIS軟件功能龐大，但價格昂貴，無法滿足大眾對GIS的迫切的渴望。這使得操作簡單、價位適中的WebGIS產品顯得格外的貼心。當人們需要得到一些與地理位置有關的信息時，人們對于網頁中配色美觀的地圖、簡單易用的地理位置查詢與檢索功能的需求就變得十分的迫切，正因此，WebGIS才能如此的發展迅速。

WebGIS是運行在Web瀏覽器中的地理信息系統。作為一個分布式的信息系統，它至少要有一個服務器和一個客戶端來完成文字、圖形和圖像等多媒體數據的顯示工作。另外，在客戶端，空間數據是GIS數據的主要來源，空間數據主要通過圖片的形式展現。通過WebGIS技術，人們不再受制于昂貴的GIS軟件，便可以靈活自如的操作Web來尋找有用的地理信息，大規模降低了系統成本。與此同時，通過使用WebGIS技術，用戶可以同時訪問多個Server上的最新信息，能更加方便地對分布式數據進行處理與集成。

1.2 RIA概述

富互聯網應用 (RIA)技術的出現，解決了Web技術相對簡單的交互技術與GIS系統所需的豐富的用戶交互之間的矛盾。傳統的網絡程序開發是利用HTML頁面和Server端進行數據交互的模式，但是HTML僅適合文本形式，并不適合把表示層建立在它之上，這使得傳統的系統已經無法跟上目前網絡用戶的各種高端的體驗要求。因此，本系統采用富互聯網應用程序。通過RIA技術，可以大大提高應用程序的響應速度，改進系統的交互性。同時，RIA在消息確認和格式排版增添了豐富多彩的界面控制元素，它們可以與數據模型進行緊密的融合，給用戶提供了實時互動的圖像和音效。

2 系統功能模塊圖

在南北兩極地區進行科考航行的船舶面臨著許多非常特殊的危險，例如途中復雜多變的氣候情況，船員身體適應能力以及嚴重的海面污染等情況，這些都是科考船員必須要面臨的挑戰。尤其是在船舶遇險時，與遇難船只有關的所有航行信息對后期的緊急醫療救助以及海上搜救作業等工作都是必不可少的。為了更好地協助各個研究人員和領導進行有效地監控、部署、規劃和檢測等工作，本系統基于WebService、富互聯網體系結構、ArcGIS for Flex等技術對“雪龍”號科考船進行實時監控，系統基本功能包括航跡查看（可對比查看）、底圖切換、數據統計、航跡下載、位置信息、航速航向、水深信息等十余項功能模塊，如圖1所示。

從圖1可以看出，基于RIA的實時監控GIS系統主要包括航跡管理、底圖切換、數據統計、位置信息管理和測量功能五大功能模塊。其中，通過歷史航跡查詢與展示模塊不僅可以查詢科考船的歷史航線，還可以隨時將其下載備份；底圖切換模塊主要是完成海洋矢量圖、衛星遙感圖和海洋暗色圖三種類型圖的切換功能；實時屬性信息查詢與展示模塊主要實現航行實時數據統計和科考船要素信息統計的功能；實時空間信息查詢與展示模塊主要顯示科考船目前行駛位置信息和鼠標當前所選位置的信息；測量功能是實現徒手畫線測量和區域面積的測量功能。

圖1 系統功能圖

3 系統總體架構設計

通過對系統的功能、性能以及用戶的需求進行詳細地分析后，本文設計了系統的總體架構圖，如圖2所示。

從圖2可以看出本系統總體架構主要分為3 層，即數據層、應用層和表現層。

（1）數據層。數據層位于系統的底層，用于存取船載傳感器采集到的相關屬性數據以及空間數據。其中，空間數據庫中的數據通過ArcGIS Server進行調用和顯示，屬性數據庫由Oracle數據庫存儲后，實現了數據存檔和數據備份的功能，為整個系統的數據源提供了安全保障。

（2）應用層。應用層主要完成對Flex富客戶端請求的響應工作，它是整個架構的核心層。客戶端先發出請求，應用層接收到后，根據不同的請求類型分別給出響應。通過 J2EE/.NET 應用服務器、WebService以及 ArcGIS Server來響應數據層的請求，對空間DB中的信息進行分析和支配，最后，采用應用網關進行交互，實現檢索數據的功能。

（3）表現層。在表現層中，富客戶端通過Flex框架、Web瀏覽器和ArcGIS for Flex的應用程序編程接口進行交互，為用戶呈現了多姿多彩的監控界面、極地海洋地圖管理界面、應用工具管理界面和系統配置管理界面等可視化信息。

4 總結

本文對基于WebGIS的科考船實時監控系統進行了整體架構分析和設計,采用了基于富互聯網應用的WebGIS for Flex技術反向推送，即長輪詢，避開了HTTP 協議無狀態、單向的性質。通過互聯網上進行數據發布，使得國人甚至世界各地的用戶能夠便捷地訪問“雪龍”號的最新動態。面對極度惡劣嚴寒的極地地區環境，本系統實現了實時動態地監控以及發布極地科學考察過程中的科考船以及船員的狀態，為極地科考事業提供了有力的信息支撐。