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土壤资源信息共享的 WEBGIS 实现 摘要：如何使用和共享现有的土壤科学数据一直是一个重要问题。为提高土壤资源信息的共享和利用效率，文章阐述了在因特网环境下实现土壤资源信息发布的体系结构及关键技术，讨论了其实现方法。采用 WebGIS 技术，以 ARCIMS 为平台，以广东省土壤系列图件为基础，构建土壤信息共享系统，通过 WEBGIS 进行土壤资源信息的发布和共享，并介绍了系统的主要功能。关键词：土壤资源；网络地理信息系统(WebGIS)；信息共享 中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2006）04-0827-04地理信息是描述地球表面的空间位置和空间关系的信息。空间数据包括带有空间位置特征的图像、图形数据和与此相关的文本数据。因特网地理信息系统（WEBGIS）是在因特网络环境下的一种兼容、存储、处理、分析和显示与应用地理信息的计算机信息系统1。WebGIS 的基本思想就是在网络上提供地理信息，让用户通过浏览器浏览和获得一个地理信息系统中的数据和功能服务2。土壤资源信息是指反映和描述土壤资源的数量、质量、分布、潜力和开发利用状况及其相互关系等方面的各种物理量记录，包括数字、文字、图形、图像、音频和视频等。土壤资源信息具有明显的空间信息特征，表现为空间性、时序性和分布性。上述特点决定了在对土壤资源信息网络化共享时，与普通方法不同，需要由 WEBGIS 支持3。1 1 WEBGIS 概述 1.1 1.1 主要构造模型 常见的 WebGIS 的结构体系是由数据库、应用服务器和客户端组成的三层结构体系（图 1）。它把数据库和地理信息系统的应用逻辑分开，相对于最初的两层结构，数据库的改变对应用的影响减少了。客户通过 HTTP 协议向 Web 服务器请求数据服务，服务器返回 HTML 方式书写的服务页面。按照浏览器和服务器端功能多少，可以划分为胖客户器/瘦服务器和瘦客户器/胖服务器两种。随着应用的复杂度增加、应用程序的复杂性的提高以及客户对应用服务器访问频率增加，单一服务器已经无法快速处理大量的地理信息服务需求，WebGIS 已经开始向多服务器发展。1.2 1.2 主要构造方法 1.2.1 CGI(Common Gateway Interface)方法 CGI 是 Web 服务器调用外部应用程序的接口。它允许用户通过网页命令启动一个服务器主机的程序(称为 CGI 程序)，并且接收这个程序的输出结果。当用户发送一个请求到 Web 服务器，Web 服务器通过CGI把该请求转发给后台运行的GIS服务程序，由 GIS 服务器生成结果交给 Web 服务器，Web服务器再把结果传递到用户端显示。CGI 使用户可以通过浏览器进行交互操作，并得到相应的操作结果。这种方法的缺点是服务器的负担重，同时不能直接在客户端进行复杂的空间分析。1.2.2 服务器应用程序接口(Server API)方法 Server API 类似于 CGI，不同之处在于 CGI 程序是可以单独运行的程序，而 Server API 依附于特定的 Web 服务器，其可移植性较差。但基于 Server API 的动态连接模块启动后会一直处于运行状态，因此其速度较 CGI 快得多。1.2.3 插件(Plug-ins)方法 利用 CGI 或者 Server API，虽然增强了客户端的交互性，但是仅提供给用客户端有限的功能，传给用户的信息依然是静态的。浏览器插件很好地解 图 1 WEBGIS 体系结构 Fig.1 Overview Structure of WEBGIS 地理空间数据库GIS应用服务器WEB服务器客户端浏览器HTTP请求/响应SQL查询/响应 决了这个问题，插件是在浏览器上扩充 Web 浏览器的可执行的 GIS 软件。插件的主要作用是使 Web浏览器支持处理特定格式的 GIS 数据，并为 Web浏览器与 GIS 服务程序之间的通讯提供条件。插件直接处理来自服务器的 GIS 矢量数据。同时，插件可以生成自己的数据，以供 Web 浏览器或其它插件显示使用。对 WebGIS 而言，GIS 插件不但可以增加网络浏览器处理地理空间数据的能力，使人们更容易获取地理数据，而且插件处理和传输的是矢量数据，其数据量小，网络也只需一次性传输 GIS 数据，加 快了用户操作的反应速度，减少网络服务器的信息流量从而使服务器更有效地为更多的用户服务。1.2.4 ActiveX方法 ActiveX 是建立在OLE 技术之上发展起来的因特网新技术，其基础是 COM(Component Object Model)，是为扩展浏览器功能而提供的公共框架。ActiveX 控件和 Plug-in 非常相似，所不同的是ActiveX 能被支持OLE 标准的任何程序语言或应用系统所使用。1.2.5 Java Applet方法 Java 语言具有跨平台特性、简单、动态性强、运行稳定、分布式、安全、容易移植等特点，是因特网上重要的编程语言。任何系统平台只要支持Java 虚拟机就可以解释执行 Java 程序。Java Ap-plet(小应用程序)，嵌入在 HTML 文件中，在网络浏览器下载该 HTML 文件时，Java 程序的执行代码也同时被下载到用户端的机器上，由浏览器解释执行。GIS Java Applet 具有体系结构中立，与平台和操作系统无关等优点。所有的 GIS 操作都是由本地GIS Java Applet 完成，服务器的负担很小，网络传输的负担轻。表 1 是这几种 WebGIS 实现技术的优缺点比较。2 2 系统设计 2.1 系统目标 本系统是土壤资源信息、数据库系统、地理信息系统的综合应用。建立基于 WebGIS 的土壤资源信息共享系统，可以在任何时间、任何地点为因特网上任何单位提供全省土壤资源状况的信息，指导生产、环保以及农林业等部门决策，提高科学数据的使用范畴和利用水平。2.2 2.2 系统设计框架 对于 WebGIS，除 GIS 核心外，GIS 服务器的体系结构无疑是最重要的一环，GIS 服务器的体系结构直接影响系统的扩展性、伸缩性和稳定性。土壤资源信息共享通过使用ESRI公司ArcIMS实现。ARCIMS 是计算机技术与地理信息技术相结合的典范。ArcIMS 体系结构是通用的多层体系结构，从层次上分为表现层、业务逻辑层和数据层。具体由浏览程序（Viewers）、应用服务器连接器（Connectors）、应用服务器（Application Server）、空间服务器（Spatial Server）和管理者（Manager）组成（见图 2）4。ArcIMS 服务器体系结构建立在业务逻辑层、数据层和管理层上，其中业务逻辑层为 ArcIMS 服务器体系结构的重中之重。3 3 系统实现 3.1 3.1 系统数据库的建立 收集广东省第二次土壤普查系列图件，包括土壤类型、土壤质地、土壤 pH 值、土壤有机质、土壤全氮、土壤全磷、土壤全钾、土壤有效磷、土壤有效钾、土壤硼含量、土壤钼含量、土壤铁含量、土壤铜含量、土壤锌含量以及土壤阳离子等十五个图件。同时为便于图件定位，收集广东省1100 万行政区划图。3.23.2 数据的组织与存储 经过数字化的土壤专题图件以及各类地理要素，在表 1 WebGIS 多种实现技术的对比 Table 1 Compare of constitution methods of WebGIS 技术类型 优点 缺点 CGI 大部分操作在服务器端实现，功能强大；充分利用服务器资源。对网络传输和服务器的要求较高。Server API 与 CGI 方法相仿，但速度较 CGI 快 与特定的 Web 服务器和计算机平台相关。Plug-in 很多操作和功能在客户端完成，服务器和网络传输的负担轻。插件与平台及操作系统相关。ActiveX Control 执行速度快 与操作系统相关;对于不同的 GIS 数据类型，需要有相应的控件支持。Java Applet 与平台和操作系统无关；GIS 操作速度快；服务器和网络传输的负担轻 功能有限；处理分析任务的能力有限 土壤资源信息共享的 WEBGIS 实现 829 ArcInfo中利用图层编辑模块ArcEdit进行修改、检验、编辑，建立拓扑关系；同时在各个土壤专题图层及地理要素图层中加入属性数据信息，形成各类图层文件，并存放到服务器的图层空间数据库中。系统采用 ArcGIS 的 Shape 数据模型建库。原始图件经数字化后得到的空间数据以图层的形式组织，必须把文件装入到数据库中，才能建立有实际内容的空间数据库，便于数据共享与多用户的并发访问，从而实现海量空间数据的集成式管理。3.3 系统建立 将建设好的土壤资源数据库的资料，利用 Arc IMS9.0 的各个工具将其在网上发布，ArcIMS9.0 主要管理部件有Author，Designer 和Administrator（图2）。使用 Author 工具直接连接空间数据库，组织原始数据，并结合文本编辑器或 XML 编辑器创建一个地图配置文件，该地图配置文件是 ArcXML 格式，它包含地图的描述信息，如使用什么数据层，每一层是如何显示的。在相应的 AXL 文件中对要发布的土壤资源数据进行正确的描述后，在Administrator 模块中创建相应的 ArcIMS 虚拟空间服务器。然后在 Manager 模块中进行 ArcIMS Web站点的设计。在设计过程中可供选用的 ArcIMS Viewer 有两种:Html Viewer 和 Java Viewer，Java Viewer 中又分Standard 和 Custom 两种，Viewers 决定了 ArcIMS站点的功能和外观，决定了提供哪些空间、属性查询工具和显示工具。站点设计完成之后，加以定制即可通过浏览器进行浏览。系统基于通用标准和用户定制的开发思想，利用数据库、GIS 等技术逐步实现数据和应用的标准化，通过标准数据接口形成开放、易集成的应用系统。针 对 来 自 因 特 网 的 普 通 用 户，访 问 由HTMLViewer 定制的简单界面。针对需要更多矢量数据操作的高级用户，操作界面是由 Java Viewer定制并修改的界面，有较强的定制和协作功能。3.4 3.4 系统客户端主要功能 系统可通过 soil/index.htm 访问(图 3，下页)，实现如下主要功能。3.4.1 地图发布功能 在 ArcIMS 地图发布软件的支持下，地图管理十分方便，并且管理员能通过内部网及时更新地图信息。用户也可以交互式方便快捷地获取空间数据的信息，其中包括地图的显示、缩放、漫游、地图元素选择、查询、超链接等功能。普通用户对发布的土壤资源信息资料进行简单的操作(如放大、缩小、查看比例尺、选择显示图层等)。3.4.2 信息查询功能 基于 WEB 集中统一管理的特点，管理员可以方便地更新页面和数据，并可以让用户方便快捷地获取相关土壤资源信息和资料。客户端可以进行空间数据图层选择、叠加、空间数据层信息查询、空间数据传输及一些简单的空间分析。在地图浏览过程中可以由用户自己控制图层的显示与否。3.4.3 属性和空间数据的检索功能 根据用户需求，任意查询某一样点或图斑的属性。也可以通过属性数据来反查空间数据，检索出相应的图形信息。针对普通用户，通过 ArcIMS 的HTML Viewer 的定制来提供简单的查询功能。3.4.4 数据更新功能 Java Viewer 提供的 Edit Notes 提供了一种客户端用户与服务器端管理员之间交流协作的方式。以服务器授权的方式，给分散在研究区域内的相关人员一定的权限对小范围的图形数据以编辑，更改，添加等操作。Edit Notes 允许用户把他们的修改意见传送给服务器端的管理人员，数据管理人员可以据其选择接收或忽略修改意见。4 结论 因特网地理信息技术是一个重要的新兴前沿研究方向，开放的因特网为土壤资源信息共享提供了广阔的应用前景。与传统的地理信息系统比较，因特网地理信息系统具有更广泛的客户访问范围、客户端平台独立性、更简单的操作和平衡高效的计算负载5。应用因特网建立基于 WWW 服务的土壤资源空间信息的发布及共享系统模式，实现了土壤资源信息的无限制查询、访问以及信息共享等功能，使土壤资源信息能够在更广泛的范围内被应用和研究。依靠先进的信息技术和科学方法加强土壤资源信息的管理和研究，能够实现多元土壤资源信 图 2 ARCIMS 体系结构 Fig.2 ArcIMS Architecture Overview 数据层业务逻辑层表现层ARCIMS浏览器WEB服务器ARCIMS应用服务器连接器ARCIMS应用服务器ARCIMS空间服务器管理层管理器(Administrator)设计器(Designer)创造器(Author)数据源 息数据及时、准确的发布，直接服务于多领域的用户6。这些方法和技术将在土壤资源信息的开发、利用和信息共享方面起重要作用。参考文献：1 宋关福,钟耳顺,王尔琪.WebGIS:基于 Internet 的地理信息系统J.中国图象图形学报,1998(3):251-254.2 冯晋军,王颖.基于 Web 服务的 WebGIS 技术研究J.华北电力大学学报,2006,33(2):101-104.FENG Jin-jun;WANG Ying.Research on WebGIS based on Web ser-vicesJ.Journal of North China Electric Power University,2006,33(2):101-104.3 赵其国,万红友.中国土壤科学发展的理论与实践J.生态环境,2004,13(01):1-5.ZHAO Qiguo,WAN Hongyou.Theory and practice of soil science development in ChinaJ.Ecology and Environment,2004,13(1):1-5.4 ESRI.ArcIMS 9 Architecture and Functionality R/OL.2006-3-23.5 李爱民,何正国.万维网 GIS 的若干关键技术及其实现J.测绘通报,2004(11):38-39.LI Aimin;HE Zhengguo.Some key techniques in WebGIS and their realizationJ.Bulletin of Surveying and Mapping,2004(11):38-39.6 赵其国,叶方.信息化与农业现代化J.土壤学报,2004,41(3):449-455.ZHAO Qiguo,YE Fang.Information technology and agro-modernizationJ.Acta Pedologica Sinica,2004,41(3):449-455.Share of soil resources information by WEBGIS GUO Zhixing1,2,4,LI Peijun1,WEN Ya3,DENG Nanrong2,LI Xingdong2 1.Institute of Applied Ecology,Chinese Academy of Sciences,Shengyang 110016,China;2.Guangdong Institute of Ecology and Environmental and Soil Sciences/Guangdong Key Laboratory of Integrated Control of Agro-environment,Guangzhou 510650,China;3.South China Agriculture University,Guangzhou 510642,China;4.Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China Abstract:Its an important issue to use and share the information of soil sciences.WebGIS is an efficiency method to share infor-mation of soil resources.Structure and key techniques of WebGIS was introduced.A sharing and distributing system of soil infor-mation was build by ARCIMS,and its main functions were introduced.Key words:soil resources;WebGIS;share of information 图 3 通过浏览器访问土壤信息共享 WebGIS 系统 Fig.3 Visit the website of soil information by browser