要素級地圖服務權限控制策略與技術研究

馮推亮，熊小青，王春曉

（1.自然資源部海南基礎地理信息中心，海南 海口 570203）

近年來，隨著計算機、通信、網(wǎng)絡等技術和測繪地理信息技術的快速發(fā)展以及國家政策的支持，各地市“數(shù)字城市”建設已基本完成，“智慧城市”、物聯(lián)網(wǎng)建設也相繼開展，對于基礎地理空間數(shù)據(jù)的需求將會不斷增長[1]。目前基礎地理空間數(shù)據(jù)的提供方式為地圖服務，ArcGIS Server作為地圖服務器，已被各政府機關、企事業(yè)單位和公眾認可，并得到了廣泛應用。為了保護數(shù)據(jù)所有者的權限，必須對空間數(shù)據(jù)進行安全保護[2]，針對不同的用戶，需配置不同的地圖服務，因此需要相關的運維管理平臺對地圖服務訪問進行管理[3]。 ArcGIS Server平臺服務器具有對應的運維管理模塊，包括地圖服務管理、權限管理和日志記錄等，但其地圖服務權限管理功能只能控制到用戶是否能訪問某些地圖服務的級別，無法對地圖服務中的要素訪問范圍和切片訪問范圍起到控制作用，需要進行二次開發(fā)才能實現(xiàn)該功能。鑒于此，為了滿足實際業(yè)務對數(shù)據(jù)細粒度的控制要求，本文設計并開發(fā)了基于ArcGIS Server的要素級地圖服務權限控制系統(tǒng)。系統(tǒng)在ArcGIS Server擴展接口的基礎上進行二次開發(fā)，采用REST接口[4]、SOI服務對象攔截器技術和OpenCV開源輕量級且跨平臺的視覺處理技術[5]等進行開發(fā)。系統(tǒng)建成后已應用到具體的業(yè)務中，實現(xiàn)了對地圖服務要素訪問范圍和切片訪問范圍的有效控制。

1 權限控制架構(gòu)設計

地圖服務權限控制采用SOA架構(gòu)，包括基礎層、數(shù)據(jù)層、服務層和應用層，如圖1所示。SOA架構(gòu)便于實現(xiàn)跨平臺和互操作，利用 REST接口實現(xiàn)一種松散耦合的異構(gòu)式環(huán)境的集成，采用OGC標準規(guī)范接口構(gòu)建面向服務的集共享服務提供方、使用方和管理方于一體的地理信息數(shù)據(jù)共享框架體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)基于統(tǒng)一注冊和分級授權的服務組織模式與運行管理機制，從而實現(xiàn)地理信息共享交換的持續(xù)發(fā)展[6-8]。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設計

基礎層包括存儲、網(wǎng)絡、系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、安全設備等，為數(shù)據(jù)層、服務層和應用層的建設與運行提供基礎保障。數(shù)據(jù)層采用Oracle關系型數(shù)據(jù)庫為基礎地理空間數(shù)據(jù)和應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)提供高效存儲，采用文件系統(tǒng)存儲地圖切片數(shù)據(jù)。服務層基于Web API開發(fā)框架，利用RESTful風格構(gòu)建地圖服務目錄、服務代理、切片訪問控制、要素訪問控制、切片處理和地圖服務權限管理等模塊，負責數(shù)據(jù)層業(yè)務邏輯的實現(xiàn)，為應用層的數(shù)據(jù)展現(xiàn)和功能實現(xiàn)提供服務接口。應用層包括外部的App移動端和Web應用程序端的服務使用方以及框架內(nèi)部的地圖服務運維系統(tǒng)的管理方。

2 權限控制策略設計

權限控制策略主要由地圖服務目錄、服務代理、切片處理、地圖服務權限管理端、切片訪問控制和要素訪問控制等模塊組成。具體控制策略和流程結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 權限控制策略流程圖

App移動端或Web客戶端通過訪問地圖服務目錄提供的服務地址訪問系統(tǒng)提供的地圖服務，目錄服務將客戶端的請求提交給服務代理，由服務代理根據(jù)請求的服務類型調(diào)用對應的處理程序，若是請求切片則調(diào)用切片訪問控制模塊來處理客戶端的請求，切片訪問控制模塊再調(diào)用切片處理工具，根據(jù)級別和行列號參數(shù)提取原始切片并進行空間關系運算和透明化等處理，最后將處理后的切片返回給客戶端；若是請求要素查詢則調(diào)用要素訪問控制模塊來處理該請求，根據(jù)客戶端傳遞的查詢參數(shù)進行要素查詢，并根據(jù)用戶的可訪問范圍對要素查詢結(jié)果進行空間過濾處理，最后將處理后的結(jié)果返回給客戶端。

2.1 權限控制數(shù)據(jù)庫設計

權限控制數(shù)據(jù)庫用于保存用戶、地圖服務、權限范圍信息。數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)主要包括用戶表、用戶組表、地圖服務表、范圍表、用戶與地圖服務關系表、用戶與范圍關系表、業(yè)務系統(tǒng)表、業(yè)務系統(tǒng)秘鑰表等，具體結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)說明

2.2 地圖服務目錄

REST是一種軟件架構(gòu)風格，由Roy Thomas Fielding 博士于2000年提出，是一種針對網(wǎng)絡應用的設計和開發(fā)方式，可降低開發(fā)的復雜性，提高系統(tǒng)的可伸縮性。通俗地說，即網(wǎng)絡中的所有資源都有唯一的網(wǎng)絡地址與其一一對應[9]。

地圖服務目錄模塊的主要功能是采用REST架構(gòu)風格將系統(tǒng)的地圖服務通過REST接口對外提供地圖服務的調(diào)用地址和詳細信息，類似于ArcGIS Server 的Services目錄服務，從而方便用戶快速查找相關的地圖服務。相關部分代碼為：

2.3 服務代理

服務代理模塊的主要功能是接收來自地圖服務目錄提交的服務地址。通過服務地址提取Token（ArcGIS 的令牌）、key（秘鑰）和userid（用戶id）參數(shù)驗證 key 的有效性，通過Token驗證用戶是否有權限訪問該地圖服務以及該服務是否設置了要素可訪問范圍的限制；再根據(jù)服務地址識別請求的服務類型，若請求切片，代理則將調(diào)用切片訪問控制模塊進行切片訪問控制操作，同時將傳遞范圍信息給該模塊，若請求要素查詢，代理則將調(diào)用要素訪問控制模塊進行要素查詢控制操作，同時將傳遞范圍信息給該模塊。

2.4 切片訪問控制

切片訪問控制模塊的主要功能是接收來自服務代理模塊傳遞的服務地址和訪問范圍信息。通過服務地址和訪問范圍信息進行數(shù)據(jù)庫查詢，得到切片處理工具處理好的切片存放路徑，并根據(jù)切片請求地址中的行列號和級別信息調(diào)用后臺切片讀取程序讀取相應的切片文件，再將切片以二進制流的形式返回給客戶端。

2.5 要素訪問控制

要素訪問控制模塊的主要功能是接收來自服務代理模塊傳遞的服務地址和訪問范圍信息。以Query查詢?yōu)槔瑢⒃L問范圍與用戶輸入的圖形進行空間關系運算，若訪問范圍與輸入圖形無交集，則結(jié)束請求并提示超出權限范圍；若訪問范圍包含輸入圖形，則將Query的geometry參數(shù)設置為用戶輸入的圖形；若訪問范圍與輸入圖形相交，則將Query的geometry的參數(shù)設置為訪問范圍與輸入圖形相交計算的交集。然后，調(diào)用ArcGIS Server 的對應接口獲取要素查詢結(jié)果，若客戶端請求地址的參數(shù)中設置了需對查詢結(jié)果進行裁剪，則將訪問范圍與查詢結(jié)果進行相交運算，只保留訪問范圍內(nèi)的要素，最后將結(jié)果以JSON格式返回給客戶端。

2.6 切片處理

切片處理模塊的主要功能是對ArcGIS Server生成的切片文件進行二次處理。讀取boundle文件中的每張瓦片，并與訪問范圍進行空間關系運算，將訪問范圍之外的部分進行透明化處理；然后將每張瓦片重新存儲到新的切片文件中。對每個服務切片、每個級別、每行每列進行相同處理，最終生成指定訪問范圍的地圖服務切片。相關部分代碼為：

2.7 地圖服務權限管理端

地圖服務權限管理端的主要功能是集成ArcGIS Server發(fā)布的地圖服務。集成業(yè)務系統(tǒng)獲取其用戶和角色數(shù)據(jù)，通過服務權限配置功能可為每個用戶配置可訪問的地圖服務以及每個服務里用戶能訪問的空間范圍，同時提供切片處理工具運行的啟動按鈕和工具運行相關的配置項管理。相關界面如圖3 所示。

圖3 地圖服務權限管理端界面

3 關鍵技術

3.1 SOI技術

ArcGIS Server平臺服務器提供SOI擴展開發(fā)接口，即服務對象攔截器接口，目前支持使用.NET或Java進行二次開發(fā)。利用攔截器可攔截到客戶端發(fā)送的地圖服務要素查詢請求或服務響應的結(jié)果，在攔截器中開發(fā)者可修改客戶端發(fā)送請求的參數(shù)再繼續(xù)請求服務，也可修改地圖服務查詢結(jié)果再將修改后的結(jié)果返回給客戶端。本系統(tǒng)采用攔截器攔截了客戶端的請求，并對查詢的參數(shù)進行了修改；再繼續(xù)請求服務；然后對服務響應的結(jié)果再次進行攔截，并修改查詢的結(jié)果；最后把修改后的結(jié)果返回給客戶端。

3.2 OpenCV技術

OpenCV是一種開源輕量級且跨平臺的視覺處理庫，支持C#、Java、C++等主流開發(fā)語言 。利用OpenCV可實現(xiàn)圖像處理操作、構(gòu)建圖形用戶界面、視頻分析、人臉和目標檢測以及形狀分析等功能。本系統(tǒng)采用OpenCV的圖像處理功能進行瓦片處理，將每張瓦片轉(zhuǎn)換為圖片，再利用特定的訪問范圍與瓦片圖片進行比較，對超出訪問范圍的圖片部分進行透明化圖像處理，最后將瓦片圖片保存到新的切片文 件中。

4 技術實現(xiàn)與對比實驗

4.1 技術實現(xiàn)

技術實現(xiàn)時，實驗網(wǎng)絡環(huán)境采用局域網(wǎng)，開發(fā)環(huán)境采用DotNet Framework 4.5+VS 2013，數(shù)據(jù)庫采用Oracle關系型數(shù)據(jù)庫，實驗數(shù)據(jù)采用地理國情普查地表覆蓋數(shù)據(jù)。系統(tǒng)利用ArcGIS Server SOI擴展接口進行二次開發(fā)，開發(fā)語言選用C#。

4.2 要素控制對比實驗

本文將某地區(qū)兩個行政區(qū)交界區(qū)域的地表覆蓋圖層發(fā)布為要素服務，通過上述要素訪問控制技術進行控制，并進行不同行政區(qū)劃下數(shù)據(jù)控制的對比實驗。實驗結(jié)果如圖4、5所示，可以看出，未對訪問范圍進行控制時，可同時查看兩個行政區(qū)的數(shù)據(jù)，空間點選查詢均正常；對其中的一個行政區(qū)的訪問范圍進行限制時，該行政區(qū)以外的數(shù)據(jù)沒有顯示，點選也無法查詢，能保證無限制訪問區(qū)域數(shù)據(jù)的顯示效果，點選效果正常。實驗結(jié)果表明，對用戶設置訪問范圍前，用戶可查詢?nèi)∫兀O置訪問范圍后用戶只能查詢指定范圍內(nèi)的要素。

圖4 要素訪問控制前效果圖

圖5 要素訪問控制后效果圖

4.3 切片控制對比實驗

本文將上述地表覆蓋圖層發(fā)布為切片服務，通過切片訪問控制技術進行控制，并進行不同行政區(qū)劃下數(shù)據(jù)控制的對比實驗。實驗結(jié)果如圖6、7所示，可以看出，未對訪問范圍進行控制時，可同時查看兩個行政區(qū)的數(shù)據(jù)，空間點選查詢均正常；對其中的一個行政區(qū)的訪問范圍進行限制時，該行政區(qū)以外的數(shù)據(jù)沒有顯示，點選也無法查詢，能保證無限制訪問區(qū)域數(shù)據(jù)的顯示效果，點選效果正常。實驗結(jié)果表明，對用戶設置訪問范圍前，用戶可查看該服務全省的切片，而設置訪問范圍后用戶只能查看指定范圍內(nèi)的切片。

圖6 切片訪問控制前效果圖

圖7 切片訪問控制后效果圖

4.4 結(jié)果分析

針對該地圖服務，在未對用戶設置訪問范圍權限時，用戶可查看全省的切片和進行全省的要素查詢，但在對用戶設置訪問范圍權限后，用戶只能看到指定區(qū)域的切片和進行指定區(qū)域的要素查詢。通過切片訪問控制效果對比圖和要素訪問控制效果對比圖可知，本系統(tǒng)提出的權限控制策略可根據(jù)用戶可訪問范圍進行切片顯示和要素查詢的空間范圍控制。

5 結(jié) 語

針對當前ArcGIS Server的地圖服務權限管理體系只能控制到用戶是否有權限訪問某些服務的級別，無法滿足對地圖服務中指定空間范圍內(nèi)要素的訪問控制問題，本文基于SOI服務對象攔截器技術和OpenCV開源圖像處理技術等關鍵技術，提出了基于ArcGIS Server的要素級地圖服務權限控制策略，利用DotNet Framework 4.5+VS 2013的開發(fā)環(huán)境、Oracle關系型數(shù)據(jù)庫環(huán)境和局域網(wǎng)網(wǎng)絡環(huán)境進行了技術實現(xiàn)，并利用地理國情普查地表覆蓋數(shù)據(jù)進行了實驗。實驗結(jié)果表明，該策略可對地圖服務進行要素級別和訪問范圍級別的精細化權限控制，加強了地圖服務權限的管理。該策略建成后經(jīng)過不斷的測試和完善，已運行穩(wěn)定并及時應用到實際生產(chǎn)環(huán)境中，滿足了實際業(yè)務對地圖服務訪問更精細化控制的需求，增強了地圖服務權限精細管理能力。