WebGIS与Mashup在黑河流域信息化平台构建中的应用

何振芳，张耀南

（ 1．中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，兰州 730000；2．中国科学院超级计算兰州分中心，兰州 730000；3.中国科学院大学，北京 100049)

WebGIS与Mashup在黑河流域信息化平台构建中的应用

何振芳1,3，张耀南1,2

（ 1．中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，兰州 730000；2．中国科学院超级计算兰州分中心，兰州 730000；3.中国科学院大学，北京 100049)

随着eScience的发展，大量的科研信息化。如何综合应用共享的信息资源，再次产生新的科研成果，为科研问题的解决提供决策支持，是信息化研究需解决的问题。本文设计了基于信息聚合与WebGIS技术支持的黑河流域信息化平台，主要通过Mashup与WebGIS技术搭建该信息化平台，重点研究科研信息的聚合应用。基于WebGIS与信息聚合的黑河流域信息化平台,能够实现黑河流域空间信息的聚合共享，以更直观快捷的方式实现科研信息化，数据与应用服务的共享与交换，使科研成果服务于大众，便于数据的共享与互操作，形成多学科交叉的新组织模式和协作环境。以地下水、土壤等数据的信息聚合应用为案例，基于ArcGIS云平台，通过WebGIS技术实现数据资源信息的聚合共享应用。

黑河流域；eScience；信息聚合（Mashup）；WebGIS

黑河流域历来是科学工作者研究寒区、旱区气象、生态、水文、水资源等的典型区域，长时间的科研工作积累了丰富的数据与科研成果（程国栋和赵传燕，2008；黄少鹏和安芷生，2010）。随着eScience的发展（Yang，2010；Zhang et al，2006；Williams et al，2008），黑河流域在科研信息化方面也取得了大的进展，完成了黑河流域数据与科研成果共享平台的构建（秦大河，2004；张耀南等，2005，2006； Wang et al，2010）。科研信息化工作为科研工作者提供丰富的科研信息，如何实现信息资源的聚合，再次产生新的科研成果与生产应用是黑河eScience发展亟需解决的问题。

英国科学家John Taylor于1999年提出eScience，英国e-Science研究院的Malcolm Atkinson将其定义为利用先进计算思想的研究方式的系统发展（Atkinson et al，2005）。我国对e-Science的理解集中在信息化的科研活动上，包括信息化的数据采集、处理、分析等，包括建模方式、模型计算方式与科研协同工作方式等，但是在共享信息如何聚合产生新的成果或生产应用方面研究较少，在信息聚合方面的难点，造成了共享资源的浪费。如何运用共享数据、共享工具等各类共享信息资源产生新的科研应用是eScience的深入发展。

本文通过WebGIS与mashup技术搭建信息化平台,实现科研信息浏览器端的聚合，用户能够在浏览器端快速、便捷的实现服务的聚合。通过信息化平台，不仅仅是专业人员，而且普通的用户也能够方便地获取所需的信息资源，实现数据、服务、计算与可视化等功能的共享、交换与聚合。

1 基于信息聚合与WebGIS的黑河流域信息化平台的研究思路与平台特点

1.1 系统需求分析

地理信息是黑河流域的重要基础信息之一，大部分的流域信息都跟空间信息相关，运用先进的信息管理手段有利于推进流域的科研信息化进程。GIS的空间分析功能便于对数据进行深层次研究分析，使系统起到辅助决策的作用。节省科研人员在数据处理方面的时间。通过信息聚合技术，可根据研究的问题及目标查找资源，即通过Internet或信息化平台采集共享数据、功能模块等，聚合产生新的应用。

1.2 基于信息聚合与WebGIS的信息化平台特点

空间信息聚合主要是从不同数据源抽取数据和服务，其中包括地理数据或功能，主要有服务器端的信息聚合与浏览器端的信息聚合（王桂玲等，2005；何亚文等，2011；南志文等，2011）；通过Web协议，资源1提供的空间数据相关的内容与资源2在浏览器端聚合，即可实现空间信息的聚合（翟石艳和宋根鑫，2009；刘先锋等，2013）。

基于WebGIS的信息化平台是实现数据共享与发布，提供空间信息服务的关键手段。WebGIS利用通用的浏览器进行地理信息的发布，使得不仅仅是专业人员，而且普通的用户也能够方便地获取所需的信息，产生新的应用支持决策分析。黑河流域的数据资源大多数都具有空间分布特征，利用WebGIS对这些信息进行组织管理，可以为用户提供基于空间分布的多种信息服务，将计算结果以图形或文字等方式返回至浏览器端。

2 信息化平台系统构建

2.1 系统结构

基于WebGIS与信息聚合技术支持的信息化平台系统结构如图1，系统可分为3层，分别为资源层、Mashup信息聚合层和应用层。资源提供层主要是外部的共享资源与内部共享资源。黑河流域贡献的信息资源主要是相关基础地理空间数据、经济、生态、水文、气象等方面的专业数据、模拟数据、在线计算模型、数据处理模型、可视化服务、统计分析、决策模型等。内部资源主要是提供黑河流域的相关数据及基于GIS的空间分析服务资源。通过Mashp技术在应用层聚合目录中获取聚合应用。

图1 系统结构Fig.1 System architecture

2.2 资源采集、聚合及相关技术实现

数据与模型是黑河流域科学研究的重要手段，数据与模型的聚合服务、不同来源共享空间数据资源的聚合服务是研究需解决的重点问题。通过这两种聚合服务形式解决模型与数据的信息孤岛问题及数据的异质性问题。聚合服务可以重新发布服务作为共享资源，也可不发布服务直接在桌面端应用。通过平台整合黑河流域的共享数据与在线模型服务，将不同用户提供的数据与在线模型服务结合起来，通过“即拿即用”的方式融合黑河流域数据与模型，并不断优化组合，发挥聚合服务的最大价值。黑河流域的数据是研究的基础，空间数据服务的聚合主要是通过在线地图资源开放的API，空间数据共享符合OGC标准服务接口规范WMS、WFS、WCS、WPS、WMTS等；空间数据共享符合基于Web服务的相关规范GML、KML、Geo-RSS、Geo-JSON。

2.3 实现框架

基于可聚合的设计思路，设计了基于信息聚合的WebGIS实现框架，如图2。该框架将所有的通用功能模块封装，并以Web Services形式进行功能服务发布，向应用系统开发用户提供GIS功能服务。服务的粒度越细，服务接口越贴近底层系统组件，拥有更多的灵活性，专业用户可以利用专业知识，将细粒度、功能相关的服务聚合成新的应用服务，为普通用户提供服务，不必关心聚合服务的内部结构。框架提供组件库和WebService两种方式实现GIS应用功能和数据的发布，以达到应用接口统一、GIS数据访问统一的效果，避免专业应用系统中GIS业务的重复开发，以及由此造成的信息共享障碍。服务通过松耦合的、基于消息的方法（如XML文档交换）连接到其他的服务或客户端。服务器端服务聚合可以聚合来自其他服务器上发布的GIS服务，模型服务等。这种服务的聚合可简单的实现浏览器端的聚合，提供Web服务目录及服务权限控制。通过数据目录管理、服务目录管理和元数据管理相结合，查询资源目录，可以找到所需资源信息，为黑河流域的数据提供统一的管理方法。平台提供三种数据共享与交换机制，并实现统一资源目录管理和应用。数据共享方式：一是元数据共享方式，将黑河流域数据的元数据在系统平台上注册与发布，实现元数据层次上的共享；二是数据库直接访问共享方式，通过权限控制实现基于数据访问授权的数据库直接连接访问；三是服务共享方式，将数据发布成服务，并在平台上注册，实现符合WMS/WFS/WCS等规范的服务层次上的数据共享方式。

图2 信息化平台实现框架Fig.2 Information technology platform framework

3 黑河流域科研信息化WebGIS与信息聚合应用案例

3.1 地下水信息化应用案例

应用云服务软件即服务、平台即服务、基础设施即服务的特点，通过ArcGIS Online云服务平台提供的软件、服务、功能、数据等共享资源，基于ArcGISFlex API设计了黑河流域基于WebGIS与信息聚合技术的简单应用案例。如图3为服务聚合流程图。

应用案例研究的目标为地下水位监测井的分布与区域地下水的动态变化分析，为水利工作者提供决策支持；所需资源为流域基础地理底图与地下水专题数据,通过黑河流域数据共享平台获取专题数据,ArcGIS Online云服务获取在线资源基础底图影像图；基于开放的API开发运行于浏览器端的WebGIS应用基本GIS功能，发布地下水相关数据监测井分布、地下水埋深等专题数据服务，并提供数据的统计分析功能服务，简单的实现了WebGIS功能与信息聚合，分析地下水位的区域分布与动态变化。如图4为应用案例的实现。

3.2 信息化平台在线模型应用案例

在线模型设计以黑河马粪沟流域的无线传感器传输站点为例，通过信息化平台将无线传输与在线的数据处理与可视化集成到一个信息化平台中。黑河马粪沟流域实验站点每间隔15分钟传输一次数据，以时间作为无限维，将某一时刻，站点传输的所有土壤湿度、土壤温度等要素定义为一个站点记录，长时间序列的多个站点记录定义为一个NETCDF数据集合。各类用户通过统一的Web浏览器界面提出集成NetCDF数据文件或分析、可视化等请求后, 由后台程序对提交的时空数据的属性、变量及数据维数等信息进行校验和处理，生成相应的NetCDF数据文件及分析结果，并形成可供浏览的页面结果。在具体实施中为了提高计算速度并方便数据的可视化，采取了Matlab与Java混编的模式完成基于Web的数据集成服务。如图5为无线传感器获得的马粪沟流域10月份土壤温度与湿度数据。

图3 服务聚合流程图Fig.3 Service aggregation flowchart

图4 地下水应用案例Fig.4 Groundwater applications

站点不规则地分布在空间和时间中，因此在集成NetCDF数据模型时分为2个部分进行设计：一部分是描述站点的站号，经纬度及其海拔高度等信息；一部分是描述测量的土壤要素、气象要素、水文要素等。在本研究中无线传感器网络获取的数据存储为通过matlab可读取的数据格式，设计写入NetCDF数据模型，如下例:

netcdf point-station {

dimensions:

time = UNLIMITED；表示站点记录的时间序列

station = 1；表示站点数量

variables:

int stationID (station)；表示站点号

f oat longitude (station)；表示站点地理位置f oat soiltemperature (station);

…

stationID = netcdf.defDim (ncid, 'stat', 1);

timeID = netcdf.defDim (ncid, 'time', 1869);

...

[num，txt, raw] = xlsread(站点记录.xls, '站点记录');

for i=1:1869

time (i) = num (i, 1); 提取时间序列数据

end;

for i = 1:1869

soilTemperature (i) = num (i, 4);提取土壤温度数据

end;

soilTemperature = soilTemperature ';

my_varID = netcdf.defVar (ncid, 'var', 'double',

[stationID, timeID] );

netcdf.endDef (ncid); ...}，

将以上数据集成m函数文件转变为组件，可以加入集成、分析组件库，实现在线模型的集成应用，通过WebGIS的相关功能组件可直接读取NETCDF数据，及进行相关的数据处理，即通过WebGIS与Mashup实现信息化平台的不同功能。

4 结论与讨论

本文设计了基于mashup与WebGIS的信息化平台框架，综合应用共享信息资源数据、模型、功能等服务，再次产生新的科研成果与生产应用。通过“即拿即用”的方式融合黑河流域数据与模型，并不断优化组合，发挥聚合服务的最大价值。平台中在线模型（生态、水文、经济模型等）、数据、统计分析、可视化、WebGIS功能等共享资源的信息聚合方法需进一步深入研究以更充分地利用各平台的共享资源服务于科研以及生产应用。

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Research on eScience of Heihe River basin based on Mashup and WebGIS

HE Zhen-fang1,3, ZHANG Yao-nan1,2
(1. Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China; 2.Lanzhou Super Computing Center, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Heihe basin is always the typical region of cold, arid meteorology, ecology, hydrology, water resources in science research. There are rich research results, data resources, the polymerization of information resources, but the integration and application of scientific research is the problem to need solve. With the development of eScience, a number of scientif c and technical information, how to use the shared information resource, again to generate new research results, should be problems to be solved by eScience research. The development trend of eScience is how to use the shared data, tools and other kinds of sharing information resources, to provide decision support for solving scientific problems or new applications. This paper has designed eScience platform system structure of Heihe River basin based on information aggregation and WebGIS technology, and focused on the research of the application of scientif c research information polymerization, mainly through Mashup and WebGIS technology. EScience platform of Heihe River Basin based on WebGIS, could achieve the aggregation sharing of the Heihe River basin information, implementation of scientific research information, sharing and exchange of data and application service with more convenient way, the public service of the research achievements, to facilitate data sharing and interoperability, the formation of thenew organization mode and collaborative environment cross regional, time, multidiscipline based on WebGIS. With the groundwater application and online model application as a case, the ArcGIS cloud platform based on WebGIS technology could realize polymerization sharing application of groundwater resources information.

Heihe River basin; eScience; Information aggregation (Mashup); WebGIS

P208

A

1674-9901(2014)01-0042-07

10.7515/JEE201401007

2014-01-13

中国科学院信息化专项项目（INFO-115-D01-2007，J0930003/J0109）

张耀南，E-mail: yaonan@lzb.ac.cn