CN109977510B - 一种基于gis技术的水文模型网络发布方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于GIS技术的水文模型网络发布方法，其将原来单计算机单用户使用的水文模型计算程序通过GIS技术及地理服务框架等相关技术构建为网络水文计算服务，并通过网络发布提供给任何能够访问网络服务器的用户使用。用户使用水文模型计算服务时，只需利用通用客户端将基本参数和计算请求通过网络发送至后台服务器，服务器调用数据资源和水文模型模块根据用户需求进行水文模拟计算，计算完毕后将水文模型计算结果返回给用户。这使得模型使用人员可以直接通过计算机网络调用模型计算并且得到计算结果，摆脱对基础参数数据管理的要求和计算机性能的限制，这对于水文模型的高效方便使用和应用推广有着非常好的促进作用。

Description

一种基于GIS技术的水文模型网络发布方法

技术领域

本发明涉及地理信息和水利信息化技术领域，具体是一种基于GIS技术的水文模型网络发布方法。

背景技术

水文模型是水文科学研究中水文过程的模拟基础，在水资源开发利用、防洪减灾、水库规划和设计、点面污染源评价、人类活动的流域响应等诸多方面有着非常重要的作用。目前水文模型的运用存在着不同研究区域所需基础资料各不同和计算量相对较大的特点，而且对于例如分布式水文模型一类的新型水文模型，其算法复杂度高，所需的计算数据的种类更多、数量更大，总之现代水文模型的使用对于参数数据的管理和计算机计算能力都提出了不小的要求。

本申请的发明人在实现本发明的过程中经过研究发现：利用网络信息技术，将水文模型发布为网络计算服务，使得模型使用人员可以直接通过计算机网络调用模型计算并且得到计算结果，摆脱对基础参数数据管理的要求和计算机性能的限制，这对于水文模型的高效方便使用和应用推广有着非常好的促进作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对水文模型应用对数据管理和计算性能的要求，面向现代网络计算服务的需要，提出一种基于GIS技术的水文模型计算服务网络发布方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于GIS技术的水文模型计算服务网络发布方法，包括如下步骤：

第一步、根据水文模型原理，将水文模型编程实现为单独的本地非托管运行类库，即水文模型类库，在水文模型类库中集成GDAL库，并提供统一的数据输入和输出接口；

第二步、利用中间件编程技术，制作水文模型类库的服务器调用模块，以能够被地理服务器应用程序编程接口所集成使用；

第三步、基于地理服务器提供的应用程序编程接口，结合水文模型服务器调用模块制作地理服务器水文模型工具插件，并在地理服务器中集成制作的工具插件，然后配置相关参数发布为网络水文计算WPS网络服务；

第四步、将水文模型所必需的基础地理数据，在地理服务器中发布为网络地图服务WMS、网络地理要素服务WFS，以供网络水文计算WPS网络服务使用；

第五步、将地理服务器所提供的网络水文计算WPS、网络地图服务WMS、网络地理要素服务WFS，利用客户端编程语言整合为水文模型计算工具并通过网络发布，提供给客户端用户使用。

进一步的，第一步中所述数据输入和输出接口分为空间数据接口和非空间数据接口两种类型，空间数据接口负责二维矩阵形式的空间栅格数据和点线面形式的空间矢量数据的输入输出，由GDAL库提供功能支持；非空间数据接口负责浮点数、字符串等普通非空间数据的输入输出。

进一步的，在第二步中，制作水文模型类库的服务器调用模块的方法是：使用通用语言框架CLI技术构建与水文模型类库类似的Wrapper程序组件，其功能接口表现为能够被地理服务器应用程序编程接口所使用的类型，功能接口的具体计算功能则通过混合编程嵌入引用水文模型类库来实现提供，实现为水文模型非托管类库为核心，Wrapper程序组件为外壳的托管服务器调用模块。

进一步的，在第三步中，制作地理服务器水文模型工具插件的具体方法是：利用ArcGIS Server的ArcObjects.NET SDK，编程构建GeoProcessing工具DLL插件。

进一步的，在第三步中，在地理服务器中发布网络水文计算WPS网络服务的方法是：在ArcGIS Server地理服务器中注册制作的水文模型工具插件和配置相关参数，选择服务的发布路径，ArcGIS Server生成以水文模型工具插件为实际计算功能的WPS网络服务。

进一步的，在第四步中，在地理服务器中发布网络地图服务WMS具体为：对于栅格数据，在ArcGIS Server地理服务器中设置栅格数据的物理存储路径，配置相关地图服务参数和URL路径，在地理服务器管理界面中发布为网络地图服务WMS。

进一步的，在第四步中，在地理服务器中发布网络地理要素服务WFS具体为：对于矢量数据，首先将其存储到空间数据库，利用ArcSDE空间数据引擎将SQL Server拓展为空间数据库，并将矢量数据存储在其中，然后在ArcGIS Server地理服务器中连接空间数据库，配置相关地理要素服务参数和URL路径，在地理服务器管理界面中发布为网络地理要素服务WFS。

进一步的，所述第五步具体为：利用ArcGIS API for JavaScript框架将网络水文计算服务、网络地图服务、网络地理要素服务编程整合，形成水文计算网页脚本工具，水文模型计算工具实现网络水文计算WPS服务的请求、参数的设定，以及计算结果的回调处理和渲染显示。

本发明利用GIS技术，借助于通用语言框架和地理服务器等手段和平台，将水文模型实现为网络水文模型计算服务，以达到方便水文模型使用和拓展水文模型应用范围的目的。实验结果表明，该技术为水文模型计算功能的网络化提供了一套完整的技术流程方案，能较好地满足实际应用的需要。

附图说明

图1是本发明将水文模型编程实现为单独的计算机类库的示意图；

图2是本发明制作水文模型类库的服务器调用模块的示意图；

图3是本发明使用水文模型服务器调用模块制作水文模型工具插件，并发布为WPS网络服务的示意图；

图4是本发明将水文模型所需的基础地理数据发布为WMS、WFS等网络服务的示意图；

图5是本发明将相关网络服务编程整合为水文模型计算工具并通过网络发布的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实施例提供一种基于GIS技术的水文模型计算服务网络发布方法，包括以下步骤：

第一步、根据水文模型原理，将水文模型编程实现为单独的本地非托管运行类库(即水文模型类库)，在水文模型类库中集成GDAL库，并提供统一的数据输入和输出接口(见图1)。

根据水文模型的算法原理，利用合适的计算机语言，将水文模型具体实现为可运行类库。实现的水文模型类库类型为本地非托管运行类库，这类类库由操作系统直接执行，不需要额外运行环境，目的在于获得较高计算效率和较快运行速度。GDAL是一套用于读写空间栅格和矢量数据的跨平台开源库，在水文模型类库中同时集成GDAL库，用以提供水文模型读入和产生空间数据的需要。水文模型类库的输入和输出接口分为空间数据接口和非空间数据接口两种类型：空间数据接口负责二维矩阵形式的空间栅格数据和点线面形式的空间矢量数据的输入输出，由GDAL库提供功能支持；非空间数据接口负责浮点数、字符串等普通非空间数据的输入输出，这样对于水文模型类库，就构成了能够覆盖其读取和生成各种类型数据的统一输入和输出接口。

第二步、利用通用语言框架(CLI)中间件编程技术，制作水文模型类库的服务器调用模块，以能够被地理服务器应用程序编程接口所集成使用(见图2)。

针对水文模型类库的实现是本地非托管运行类库，难以被地理服务器应用程序编程接口直接使用的技术难点，利用通用语言框架(CLI)制作水文模型类库的服务器调用模块。服务器调用模块使用公共语言运行库环境托管代码实现，具有独立于操作平台和编程语言的优点，能够被地理服务器框架的应用程序编程接口方便使用来进行功能的集成。在进行具体的水文计算任务时，地理服务器只与服务器调用模块进行计算指令和数据交换，具体的水文模型类库的使用则由服务器调用模块负责，对地理服务器隐藏使用细节，使得水文模型类库具有较广的跨环境应用范围。

制作水文模型类库的服务器调用模块的方法是：利用CLI技术可混合编程托管代码和非托管代码的特性，使用CLI语言(如C++/CLI)构建一个形式与水文模型类库类似的Wrapper程序组件。Wrapper程序组件具有与水文模型类库全部相同的功能接口，接口的形式按照地理服务器的要求，表现为能够被地理服务器应用程序编程接口所使用的类型，但是功能接口的具体计算功能则通过混合编程嵌入引用水文模型类库来实现提供，这样实现为水文模型非托管类库为核心，Wrapper程序组件为外壳的托管服务器调用模块。

第三步、基于地理服务器提供的应用程序编程接口，结合水文模型服务器调用模块制作地理服务器水文模型工具插件，并在地理服务器中集成制作的工具插件，然后配置相关参数发布为网络水文计算WPS网络服务(见图3)。

本步骤中，依托于ArcGIS Server地理服务器和其提供的ArcObjects.NET应用程序编程接口，制作一个独立的水文模型插件工具DLL类库，该插件工具DLL编程结合前一步所制作的水文模型类库的服务器调用模块来提供具体的水文计算功能。

制作地理服务器水文模型工具插件的具体方法是：利用ArcGIS Server的ArcObjects.NET SDK，编程构建GeoProcessing工具DLL插件构建水文模型工具插件，即GeoProcessing工具插件DLL，按照SDK规定，在工具里的Execute函数方法中使用水文模型服务器调用模块进行具体的水文计算和结果数据产生返回。

水文模型插件工具制作完毕后，在ArcGIS Server地理服务器中集成插件工具，并发布为网络地理服务，这样就形成了一个水文计算网络服务，这个计算服务由地理服务器进行维护和管理，用户在网络上通过HTTP网络协议调用WPS服务发送水文计算请求，地理服务器接到请求后调用相关工具模块计算并将计算结果也通过网络返回至用户。

在地理服务器中发布网络网络水文计算WPS网络服务的方法是：在ArcGIS Server地理服务器中注册制作的水文模型工具插件DLL，验证通过工具功能的有效性，在地理服务器管理页面中设置WPS请求服务的元数据、请求进程的详细信息等必需配置内容，选择服务的发布路径，然后ArcGIS Server生成以水文模型工具插件为实际功能的WPS网络服务。这里是发布网络水文计算WPS网络服务的流程，ArcObjects.NET SDK是用来制作水文模型工具插件的。先要用服务器的ArcObjects.NET SDK编程制作工具插件DLL，然后在地理服务器中发布这个工具插件，发布后的工具插件就成为网络水文计算WPS网络服务。

第四步、将水文模型所必需的基础地理数据，在地理服务器中发布为网络地图服务WMS、网络地理要素服务WFS等网络服务，以供网络水文计算WPS网络服务使用(见图4)。

水文模型所必需的基础空间数据数据量较大不易在网络上传输，将空间数据存储放置在地理服务器并发布为OGC标准的WMS、WFS服务，水文计算需要使用某些空间数据的时候，直接请求地理服务器上的空间数据服务，避免用户自行组织和传输空间数据，满足了水文WPS服务的数据需求，实现了数据的规范化管理与应用。

对于数字高程模型DEM、降雨数据等栅格数据，在ArcGIS Server地理服务器中，设置栅格数据的物理存储路径，配置相关地图服务参数和URL路径，在地理服务器管理界面中发布为网络地图服务WMS。

对于河道、流域边界等矢量数据，首先将其存储到空间数据库，空间数据库是数据库技术在管理空间数据方面的拓展，使得数据库具备存储管理空间矢量数据的能力，这里利用ArcSDE空间数据引擎将SQL Server拓展为空间数据库，并将矢量数据存储在其中，然后在ArcGIS Server地理服务器中连接空间数据库，配置相关地理要素服务参数和URL路径，在地理服务器管理界面中发布为网络地理要素服务WFS。

第五步、将地理服务器所提供的网络水文计算WPS、网络地图服务WMS、网络地理要素服务WFS等网络服务，利用客户端编程语言整合为水文模型计算工具并通过网络发布，提供给客户端用户使用。

地理服务器发布的网络水文计算服务、网络地图服务、网络地理要素服务等网络服务需要特定格式的HTTP请求和参数提交方式，这一般是通过客户端编程语言输入相应的指令来实现的，这对于普通用户来说是非常不方便的。所以需要利用客户端编程语言，根据特定编程规范，将网络水文计算服务、网络地图服务、网络地理要素服务整合为一个方便使用的水文模型计算工具，以具有良好人机交互界面网页的形式提供给用户，用户在这个页面上就可以提交水文计算服务请求、得到和查看计算结果。

制作网页水文模型计算工具的方法是：利用ArcGIS API for JavaScript框架将网络水文计算服务、网络地图服务、网络地理要素服务等网络服务编程整合，形成水文计算网页脚本工具，水文模型计算工具实现网络水文计算WPS服务的请求、参数的设定等内容，以及计算结果的回调处理和渲染显示。

具体的，在本步骤中，利用JavaScript客户端语言和ArcGIS API for JavaScript框架将网络水文计算服务、网络地图服务、网络地理要素服务等网络服务编程整合，形成进行水文计算完整的JavaScript脚本工具，工具中需要实现网络水文计算WPS服务的请求、参数的设定和WMS、WFS的引用，以及计算完毕后计算结果的回调处理方式。然后在网站页面中引用嵌入该工具脚本，随着网页的发布将水文计算工具提供给各网络用户使用。水文模型计算服务计算完毕后所生成的计算结果将被地理服务器赋予相应的地理空间属性，并以网络地图服务的形式提供给调用计算服务的网页，这样用户就可以在网页电子地图中叠加渲染水文计算结果，以更加直观的方式展示计算结果。

经过上述步骤，可以实现水文模型计算服务网络发布。图1-图5为运用本方法，基于GIS技术的水文模型计算服务网络发布的各步骤效果图。可以看到，各步骤处理过程都很好地围绕水文模型计算服务网络发布展开，没有出现明显偏离。因此，最终得到水文模型网络计算服务能够满足实际需求，较好地提供水文计算网络服务，为水文模型地推广应用做出了贡献。

本发明的创新点在于，提出一套通用规范的技术流程方法，将原来单计算机单用户使用的水文模型计算程序通过GIS技术及地理服务框架等相关技术构建为标准的地理网络处理服务(WPS)，并通过网络发布提供给任何能够访问网络服务器的用户使用。用户使用水文模型计算服务时，只需利用通用客户端(如网页浏览器)将基本参数和计算请求通过网络发送至后台服务器，服务器调用数据资源和水文模型模块根据用户需求进行水文模拟计算，计算完毕后将水文模型计算结果返回给用户。

在常规水文模型程序使用过程中，用户需要掌握程序的使用步骤，自行管理与提供计算所需的数据，并检查计算结果的有效性，这对水文模型的使用带来诸多不便，也妨碍了非相关专业背景的用户对于水文模型功能的需求。而且不同水文模型程序有着不同的使用方法与数据提供类型，对运行计算机的性能要求也往往不同，这种模型使用与数据管理模式的不统一、非标准化和单平台性很不利于水文模型的应用推广。

而本发明将水文模型的计算功能实现为网络地理处理服务(WPS)(图5中所示网络水文计算服务)，模型所需基础地理数据发布为网络地图服务(WMS)和网络地理要素服务(WFS)的形式提供给网络水文计算WPS(WPS服务是一个大的类别和通用概念，将水文模型计算功能实现为WPS服务，成为一种特定类型和种类的WPS服务，即网络水文计算WPS服务)服务使用，以这样一套框架结构形成水文模型计算服务。WPS服务是由开放地理空间联盟(OGC)所规定的用于在网络上提供和执行地理计算处理的国际规范，实现为WPS的水文模型计算服务可以在不同的平台和客户端之间以一种开放并统一的方式提供水文计算功能，这样任何用户都能够通过HTTP网络协议方便使用水文模型功能，简化了水文模型使用的操作步骤，并将全部的计算任务放置在服务端上进行，降低了对用户计算机性能要求，扩大了水文模型应用范围。同时水文模型计算所需要的地理栅格数据和地理矢量数据具有数据量大、数据类型多、不易管理的特点，将这些必需数据放置在地理服务器并发布为标准的WMS、WFS服务实现了数据的规范化管理与应用，并且WMS、WFS也属于OGC所规定的网络服务规范，可以方便提供给水文WPS服务直接使用，解决了用户自行组织计算数据的不便之处。水文模型计算服务计算完毕后所生成的计算结果将被赋予相应的地理空间属性，并以网络地图服务的形式提供给用户，这样用户就可以在电子地图叠加渲染水文计算结果，以更加直观的方式展示计算结果。

考虑到运行效率和实现方便性，水文模型会被具体实现为本地非托管的运行类库，这些类库由操作系统直接执行，不需要额外运行环境，优点在于计算效率高、速度较快，但是这种类库实现形式往往不符合地理服务器使用的规范要求，所以需要利用中间件编程技术构建一个水文模型类库的服务器调用模块，起到地理服务器与水文计算类库使用之间的桥梁作用。服务器调用模块使用托管代码实现，能够被地理服务器框架的应用程序编程接口直接使用，在进行具体的水文计算任务时，地理服务器只与服务器调用模块进行指令和数据交换，具体的水文模型类库的使用则由服务器调用模块负责，对地理服务器隐藏使用细节，这样对于不同种类的水文模型均可被地理服务器充分使用，而不用关心水文模型类库的实现和使用方式，提供了统一规范的水文模型与地理服务器的集成方式。

网络地理处理服务WPS是运行在地理服务器之上的网络服务，所以网络网络水文计算WPS服务需要按照地理服务器的规定要求，同时结合水文模型类库和服务器调用模块进行设计制作以进行服务的发布和管理。本发明依托于ArcGIS Server地理服务器，利用其提供的.NET SDK构建地理服务器可以直接使用的水文模型工具插件，然后再进行相关配置发布为网络水文计算WPS服务。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于GIS技术的水文模型网络发布方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步、根据水文模型原理，将水文模型编程实现为单独的本地非托管运行类库，即水文模型类库，在水文模型类库中集成GDAL库，并提供统一的数据输入和输出接口；

第二步、利用中间件编程技术，制作水文模型类库的服务器调用模块，以能够被地理服务器应用程序编程接口所集成使用；

第三步、基于地理服务器提供的应用程序编程接口，结合水文模型服务器调用模块制作地理服务器水文模型工具插件，并在地理服务器中集成制作的工具插件，然后配置相关参数发布为网络水文计算WPS网络服务；

第四步、将水文模型所必需的基础地理数据，在地理服务器中发布为网络地图服务WMS、网络地理要素服务WFS，以供网络水文计算WPS网络服务使用；

第五步、将地理服务器所提供的网络水文计算WPS、网络地图服务WMS、网络地理要素服务WFS，利用客户端编程语言整合为水文模型计算工具并通过网络发布，提供给客户端用户使用。

2.如权利要求1所述的基于GIS技术的水文模型网络发布方法，其特征在于：第一步中所述数据输入和输出接口分为空间数据接口和非空间数据接口两种类型，空间数据接口负责二维矩阵形式的空间栅格数据和点线面形式的空间矢量数据的输入输出，由GDAL库提供功能支持；非空间数据接口负责浮点数、字符串的输入输出。

3.如权利要求1所述的基于GIS技术的水文模型网络发布方法，其特征在于：在第二步中，制作水文模型类库的服务器调用模块的方法是：使用通用语言框架CLI技术构建与水文模型类库类似的Wrapper程序组件，其功能接口表现为能够被地理服务器应用程序编程接口所使用的类型，功能接口的具体计算功能则通过混合编程嵌入引用水文模型类库来实现提供，实现为水文模型非托管类库为核心，Wrapper程序组件为外壳的托管服务器调用模块。

4.如权利要求1所述的基于GIS技术的水文模型网络发布方法，其特征在于：在第三步中，制作地理服务器水文模型工具插件的具体方法是：利用ArcGIS Server的ArcObjects.NET SDK，编程构建GeoProcessing工具DLL插件。

5.如权利要求1所述的基于GIS技术的水文模型网络发布方法，其特征在于：在第三步中，在地理服务器中发布网络水文计算WPS网络服务的方法是：在ArcGIS Server地理服务器中注册制作的水文模型工具插件和配置相关参数，选择服务的发布路径，ArcGIS Server生成以水文模型工具插件为实际计算功能的WPS网络服务。

6.如权利要求1所述的基于GIS技术的水文模型网络发布方法，其特征在于：在第四步中，在地理服务器中发布网络地图服务WMS具体为：对于栅格数据，在ArcGIS Server地理服务器中设置栅格数据的物理存储路径，配置相关地图服务参数和URL路径，在地理服务器管理界面中发布为网络地图服务WMS。

7.如权利要求1所述的基于GIS技术的水文模型网络发布方法，其特征在于：在第四步中，在地理服务器中发布网络地理要素服务WFS具体为：对于矢量数据，首先将其存储到空间数据库，利用ArcSDE空间数据引擎将SQL Server拓展为空间数据库，并将矢量数据存储在其中，然后在ArcGIS Server地理服务器中连接空间数据库，配置相关地理要素服务参数和URL路径，在地理服务器管理界面中发布为网络地理要素服务WFS。

8.如权利要求1所述的基于GIS技术的水文模型网络发布方法，其特征在于：第五步具体为：利用ArcGIS API for JavaScript框架将网络水文计算服务、网络地图服务、网络地理要素服务编程整合，形成水文计算网页脚本工具，水文模型计算工具实现网络水文计算WPS服务的请求、参数的设定，及计算结果的回调处理和渲染显示。

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