基于WebGIS的智慧型测绘地理信息共享服务系统设计

匡 庆

（宣城市宣州区自然资源和规划局，安徽 宣城 242000）

0.引言

GIS是一种集采集、查询、分析和显示地理位置数据于一体的空间信息系统，在能源勘测及城市规划上得到了广泛应用[1]。传统GIS系统有着数据产品形式单一、标准规范不统一、数据更新周期长等不足。随着WebGIS地理服务广泛应用，空间数据采集的规模不断升级，为了满足复杂的功能需求，其计算能力也需不断增强，为此设计一种基于WebGIS的智慧型测绘地理信息共享服务系统。国外针对地理信息共享服务系统设计研究较早，各界学者从不同学术角度对信息共享服务系统进行了创新与优化，共享服务系统已经应用在实际中。

国内针对共享服务系统研究较晚，但随着我国云计算技术的迅速发展，已在地理信息共享服务系统设计上取得初步的进展。董通等[2]为加强土壤数据的信息化管理，提高土壤信息的共享性，设计开发出基于WebGIS技术的新疆绿洲农田土壤信息集成与共享系统，该系统提高了数据利用效率。翟皓等[3]基于WebGIS技术、数据库技术和ASP.NET技术，开发了草地资源信息管理系统，为提高草地精细化管理水平提供信息基础和决策支持。上述研究虽然实现对土壤、草地等信息的集成和共享，但是未对该系统投入使用后的响应状况进行分析和深入研究。为此，本文设计了基于WebGIS技术的智慧型测绘地理信息共享服务系统，该系统实现了不同地点的地理数据资源共享，操作方便快捷，并通过实验与传统系统进行了对比，结果显示该系统响应时间短、效率高，适用于地理信息共享服务工作中。

1.智慧型测绘地理信息共享服务系统设计

为让测绘地理信息数据满足多样化的需求，基于WebGIS技术设计智慧型测绘地理信息共享服务系统，整合地理信息相关数据后向所需要的相关部门提供数据共享和交换服务。为使设计的系统可以稳定并且快速响应工作，从硬件和软件两部分进行设计，在硬件部分设置双模仲裁单元，以FPGA及两套ARM为基础，外置一个SDRAM和FLASH，经FPGA连接到ARM芯片外部总线上，利用计算机自带的双模冗余CAN总线，为信息共享数据提供数据传输通道。连接处理器及时钟振荡电路，在电路中设置一个过流保护装置，并联总线驱动电路，形成系统的硬件整体结构。软件部分的设计，主要采用WebGIS技术建立一个可访问的Web组件，构建WebGIS技术架构，利用该架构处理硬件部分采集的地理信息数据，并对数据进行预处理以及对控制系统运行负载均衡控制，从而完成智慧型测绘地理信息共享服务系统设计。

1.1 智慧型测绘地理信息共享服务系统硬件设计

1.1.1 设计双模仲裁结构

计算机承载智慧型测绘地理信息共享服务系统的正常运行，所以在设计系统硬件时，主要针对承载系统运行的计算机进行设计。在系统整体硬件结构上，系统总线经FPGA后连接到CPU上，FPGA在系统上电时形成一个EDAC逻辑电路，逻辑电路能够对总线上的数据进行同步纠错处理，保证共享数据的准确。

为了保证整个系统可靠运行，将双模仲裁单元分为5部分：看门狗模块、仲裁逻辑、切换单元、接口映射以及EDAC逻辑。设计得到的仲裁单元结构如图1所示。

由图1可知：设计看门狗模块监视整个硬件运行状态，看门狗内部采用三信号串行通信方式，仲裁逻辑采用一个TSC695F处理器作为CPU，连接看门狗电路，设定EDAC逻辑内部的时钟源为40 MHz，控制切换单元在2分频后产生系统时钟，设定双模仲裁单元的运行主频为20 MHz，在该运行主频控制下，设计硬件子计算单元元件。

图1 设计的双模仲裁单元结构

1.1.2 设计AT697E子计算元件

子计算单元以AT697E处理器为处理核心，在处理器底板总接口连接电平转换接口及总线驱动，设置时钟电路为20 MHz，调整处理器内部倍频后系统主频为80 MHz，在处理器配置外连接一个8 MB的SRAM处理器及256 K的程序处理器，采用8 MB的FLASH储存器，采用FPGA芯片作为数据收发芯片，子计算单元的电路结构如图2所示。

由图2可知：子计算单元电路结构采用一个独立的RC振荡器连接一个计数器作为总线上的看门狗时钟，在EDAC模块内设置七个检验位，实现地理信息共享数据自动纠错。设置处理器采用DSU启动方式[4]，在芯片外部设置DSUEN，保证信号高电平有效。综合上述处理，完成对测绘地理信息共享服务系统的设计。

图2 子计算单元电路结构

1.2 智慧型测绘地理信息共享服务系统软件设计

1.2.1 矢量空间数据的预处理

在预处理矢量空间数据前，利用WebGIS技术架构如图3所示，处理硬件部分采集的地理信息数据。

由图3可知：该架构主要是利用WebGIS技术对服务层进行优化设计，主要包括服务请求者、服务注册中心以及服务提供商三部分，服务层作为整个框架的核心，提供WebGIS地图服务和远程服务。利用硬件部分的应用服务器，为客户端提供栅格地图、矢量地图、属性查询等服务。

图3 WebGIS技术架构

将在以上过程汇总，需要对地理信息矢量数据进行预处理，采用WCF编程模型处理完成预处理过程，利用Linux的阶层目录结构归类编程代码，变换Linux软件包管理器如表1所示。

通过上述过程，将预处理计算所得数据通过不断变换至如表1所示的Linux软件包管理器，将测绘地理信息矢量空间数据预处理过程以代码的形式在软件中实现，将测绘地理信息整合到系统软件后，控制系统运行负载均衡，完成对测绘地理信息共享服务系统软件部分的设计。

表1 Linux软件包管理器

1.2.2 控制系统运行负载均衡

在控制系统运行负载均衡时，根据共享服务系统的请求到达顺序及IP地址哈希值分发请求[5]，均衡系统请求分配，采用剩余负载来决定后台服务器的优先级依据，计算服务器的优先级Fi，如式（1）所示：

式（1）中，i为集群中的节点；Si为服务器剩余负载；Ci为服务器的性能系数。当计算出的Fi优先值的数值越大，表明服务器被选中的优先级越高。

考虑到服务器对测绘地理信息收集存在延迟，选择一台服务器进行测绘地理信息分发共享信息数据，为了避免该服务器负载超过限制或请求时间过长的异常情况，设置一个中央控制节点，周期性收集各个服务器节点的信息。中央控制点处理动态负载均衡处理的流程如图4所示。

由图4可知：将收集得到的服务器节点信息发送至含有负载均衡算法代码的模块中，并在modules文件配置一个指令，保证系统运行负载的均衡状态。综合上述处理，完成对智慧型测绘地理信息共享服务系统软件设计。

图4 动态控制均衡负载过程

2.仿真实验

2.1 实验准备

实验采用已有的云平台、软件负载均衡器、WebGIS应用软件以及服务器集群，搭建系统测试硬件环境。系统交互界面如图5所示，使用的WebGIS软件环境如表2所示。

图5 系统交互界面

由表2可知：采用三台服务器分别管理文件、网页及数据库，客户端采用硬盘容量为500 GB、内存容量为4 GB的8台计算机设备，作为系统的测试端口，部署的系统测试环境如图6所示。

表2 WebGIS软件环境

图6中，分别使用文献[1]基于Cesium的地方大地测量数据库平台、文献[5]基于无人机倾斜摄影测量的大比例尺地形图测绘方法与文中设计的基于WebGIS的智慧型测绘地理信息共享服务系统进行实验，对比三种共享服务系统的性能。

图6 系统测试环境

2.2 实验结果及分析

基于上述实验准备，为保证实验结果的有效对比性，用不同方法进行实验的数据类型与数据量均是相同的。控制三种测绘地理信息共享服务系统在同一测试环境下，将测试环境中的计算机配置在负载均衡模块中，并访问同一静态页面，变换并发数值，统计三种系统最终的响应时间，响应时间结果如表3所示。

表3 系统响应时间 单位：s

由表3可知：随着并发数量不断增多，三种测绘地理信息共享服务系统的响应时间均有延长，但整体来讲，在相同并发数量控制下，传统共享服务系统1的系统响应时间最长，传统共享服务系统2的响应时间较短，但文中设计的共享服务系统的响应时间最短，即使并发数量在1900 h，响应时间也控制在了3.9 s左右。与两种传统共享服务系统相比，设计系统的响应时间最短。

保持现有实验环境，根据控制的并发数量及对应的响应时间，计算三种系统的传输数据效率，如式（2）所示：

式（2）中，L为系统传输数据效率；B为并发数量；Tx为并发数量对应的响应时间。采用式（2）计算表3中的各项数据得到系统传输数据的效率，将此作为自变量，测量在不同传输效率下，承载三个系统计算机的功耗，功耗结果如图7所示。

图7 功耗实验结果

由图7可知：三种共享服务系统在相同传输效率控制下，表现出了不同的功耗结果。从整体来讲，传统共享服务系统1在相同数据传输速率下所消耗的平均功耗在240 W左右，传统共享服务系统2所消耗的平均功耗在160 W左右，而文中设计的共享服务系统消耗的平均功耗在60 W左右。与两种传统共享服务系统相比，文中设计的共享服务系统在相同数据传输速率时，消耗的功率最小。综上所述，文中设计的共享服务系统在实际操作时，系统的响应时间最短、功耗数值最小，适合在测绘地理信息共享中使用。

3.结束语

随着Web技术不断发展，对智慧型测绘地理信息共享服务的需求不断提升，系统承载共享数据量不断增多，也就对信息共享服务系统提出了更高的要求。本文提出的基于WebGIS的智慧型测绘地理信息共享服务系统，数据处理过程简单、服务响应时时间短、系统功耗小，具有较强的应用前景。由于条件有限，本文设计的系统主要是基于关系型数据库来实现的，未来将对非关系型数据库进行测试，以进一步提高系统的服务共享性能。