摘  要： 由于長期積累的生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)類型繁多、指標(biāo)變化各異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)可視化差、時(shí)空分析困難。以武夷山生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，開展多源異構(gòu)生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化集成管理和基于高并發(fā)地圖切片服務(wù)引擎技術(shù)的動(dòng)態(tài)圖表可視化設(shè)計(jì)研究，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行服務(wù)封裝，以動(dòng)態(tài)圖表的形式將監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空分布可視化表達(dá)，實(shí)時(shí)展現(xiàn)各種類別生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，有效地提高了生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)表現(xiàn)能力和時(shí)空分析水平。
關(guān)鍵詞： 生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)；標(biāo)準(zhǔn)化；地圖切片服務(wù)引擎；動(dòng)態(tài)圖表；可視化

    及時(shí)準(zhǔn)確地了解、掌握生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量狀況和變化趨勢，為進(jìn)一步加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和管理的措施提供依據(jù)，需要對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控和監(jiān)測[1]。十多年來，武夷山生態(tài)保護(hù)區(qū)積累了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，隨著監(jiān)測年份的增多，數(shù)據(jù)量也越來越大，傳統(tǒng)采用Excel和文檔的記錄格式的方法，已經(jīng)不能有效地管理這些海量數(shù)據(jù)，而且也阻礙了海量信息的價(jià)值發(fā)現(xiàn)和時(shí)空變化分析。因此，需要利用新一代的地理空間信息技術(shù)及動(dòng)態(tài)圖表可視化技術(shù)[2-3]，實(shí)現(xiàn)對(duì)海量的、多源異構(gòu)生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空動(dòng)態(tài)分析和挖掘利用，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)律認(rèn)識(shí)。
    可視化的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析根據(jù)多種不同的時(shí)間和空間尺度、不同的觀察角度、不同數(shù)據(jù)的選擇與聚類等多維綜合探索與處理，揭示生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)所隱含的內(nèi)在聯(lián)系與發(fā)展演變規(guī)律[4]。本文采用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的方式，將生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、生態(tài)監(jiān)測文檔進(jìn)行服務(wù)封裝；采用富客戶端技術(shù)，以動(dòng)態(tài)圖表形式展示各種從數(shù)據(jù)服務(wù)接口中獲取的生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)；采用網(wǎng)絡(luò)地圖切片服務(wù)引擎（Web Map Tile Service Engine），通過服務(wù)器端預(yù)先生成地圖圖像和遙感影像的網(wǎng)格切片，與數(shù)據(jù)、圖表實(shí)時(shí)渲染成圖，實(shí)現(xiàn)生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)可視化。
1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)概況
    武夷山生態(tài)保護(hù)區(qū)包括武夷山自然保護(hù)區(qū)、九曲溪上游保護(hù)區(qū)和國家級(jí)重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)。本區(qū)保存著較為完整的中亞熱帶常綠闊葉林。其生物多樣性表現(xiàn)為物種多樣性、遺傳多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性，素有“世界生物之窗”、“鳥的天堂”、“蛇的王國”和“昆蟲世界”等美譽(yù)[5]。
    武夷山生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)由于每年的監(jiān)測單位、監(jiān)測手段的不同，導(dǎo)致在數(shù)據(jù)格式、監(jiān)測指標(biāo)以及數(shù)據(jù)語義上都存在差異。具體表現(xiàn)為：數(shù)據(jù)類別較混亂，沒有根據(jù)監(jiān)測類別的信息，對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類整理；監(jiān)測指標(biāo)各異，不同年份的數(shù)據(jù)監(jiān)測指標(biāo)不完全相同或者相同的監(jiān)測指標(biāo)使用了不同的數(shù)據(jù)單位；監(jiān)測站點(diǎn)名稱及同一站點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)內(nèi)容也存在差異；由于歷史上不同時(shí)期對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的記錄采用適合需要的格式，造成監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄格式不一致。
    這些存在的差異性都給監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析帶來了困難，需要開展數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織管理與集成研究。
2 多源異構(gòu)生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化集成
2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織與處理
    通過對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)現(xiàn)狀、數(shù)據(jù)建庫需求的調(diào)研與分析，制定數(shù)據(jù)建庫方案。根據(jù)武夷山生態(tài)保持區(qū)監(jiān)測單位對(duì)各類監(jiān)測信息的管理與分析需求，以及監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)的封裝與應(yīng)用，將原始生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)分為7大類，包括水文、環(huán)境、土壤、動(dòng)物、植物、景觀和旅游。每一大類按監(jiān)測指標(biāo)的內(nèi)容進(jìn)行細(xì)分組織，共分為30個(gè)小類。
    數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理是根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)研和分析的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)整，主要標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容包括監(jiān)測指標(biāo)、監(jiān)測站點(diǎn)、數(shù)據(jù)格式等標(biāo)準(zhǔn)化。監(jiān)測指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化是對(duì)監(jiān)測指標(biāo)的類型、內(nèi)容和單位的統(tǒng)一，設(shè)定每一類統(tǒng)一的監(jiān)測記錄，采用相同的監(jiān)測元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)單位，例如土壤化學(xué)性質(zhì)監(jiān)測中監(jiān)測指標(biāo)K的單位統(tǒng)一為g/Kg（原始數(shù)據(jù)部分采用g/kg，部分采用%）。監(jiān)測站點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化是生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)空間化的基礎(chǔ)，避免了因?yàn)槊Q相同的監(jiān)測站點(diǎn)而在不同的監(jiān)測類別中代表不同的地點(diǎn)導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析錯(cuò)誤。例如，交通噪聲監(jiān)測中監(jiān)測站點(diǎn)石壁頭采用石壁頭交通噪聲，而在區(qū)域噪聲監(jiān)測中使用石壁頭區(qū)域噪聲。數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化是設(shè)計(jì)統(tǒng)一的監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄格式與監(jiān)測表格樣式，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化入庫和數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理。
2.2 多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的建庫與集成
    各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織為數(shù)據(jù)的建庫提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分類，獨(dú)立設(shè)計(jì)每一小類數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表，將監(jiān)測指標(biāo)與數(shù)據(jù)字段一一映射，各個(gè)數(shù)據(jù)表相互松耦合，便于監(jiān)測指標(biāo)及數(shù)據(jù)的更新維護(hù)。為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息的空間可視化，獨(dú)立設(shè)計(jì)站點(diǎn)數(shù)據(jù)表，通過監(jiān)測站點(diǎn)的具體地理位置與其他監(jiān)測數(shù)據(jù)表關(guān)聯(lián)，建立數(shù)據(jù)表關(guān)系，如圖1所示。

    數(shù)據(jù)集成入庫主要實(shí)現(xiàn)將不同類別的監(jiān)測數(shù)據(jù)從日常監(jiān)測管理的Excel表格導(dǎo)入到新建立的數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)不同監(jiān)測類別的特點(diǎn)，采用不同的導(dǎo)入方法，并將其統(tǒng)一封裝到數(shù)據(jù)導(dǎo)入服務(wù)接口中。通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入服務(wù)方法能夠判斷導(dǎo)入的數(shù)據(jù)格式和信息是否正確，實(shí)時(shí)進(jìn)行信息重新規(guī)范化處理。
3 動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
3.1 系統(tǒng)技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)采用面向服務(wù)的開發(fā)思想，運(yùn)用B/S[6-7]架構(gòu)，將系統(tǒng)分為用戶層、表示層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層，如圖2所示。數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取與存儲(chǔ)，主要包括地圖切片庫、生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和生態(tài)監(jiān)測文檔庫。地圖切片庫是以區(qū)劃、道路、水系、地表、地名、影像等基礎(chǔ)地圖要素為基礎(chǔ)，建立的多級(jí)、多尺度矢量地圖切片庫、影像地圖切片庫和注記地圖切片庫。生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫包括各類監(jiān)測數(shù)據(jù)和站點(diǎn)信息，生態(tài)監(jiān)測文檔數(shù)據(jù)庫主要為每年的監(jiān)測報(bào)告。服務(wù)層是監(jiān)測數(shù)據(jù)管理相關(guān)操作的服務(wù)封裝，包括數(shù)據(jù)服務(wù)和功能服務(wù)，可以為表現(xiàn)層提供功能調(diào)用，也可以從數(shù)據(jù)層獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)或地圖服務(wù)。用戶層通過各瀏覽器獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析結(jié)果的地圖可視化。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
    為了實(shí)現(xiàn)生態(tài)監(jiān)測的可視化管理和綜合分析，針對(duì)系統(tǒng)功能需求，通過信息圖層（列表）與空間展示（分布）兩種方式展示生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    系統(tǒng)功能模塊分為空間展示和信息圖層管理兩大部分，空間展示是將生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)按照監(jiān)測站點(diǎn)的空間分布在地圖上展示，主要包括空間動(dòng)態(tài)圖表展示、監(jiān)測站點(diǎn)定位查詢等。其中空間圖表展示是在監(jiān)測站點(diǎn)位置以氣泡的方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過圖表（折線圖、柱狀圖等）的方式形象地展示數(shù)據(jù)規(guī)律。
    信息圖層管理包括生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)列表展示、數(shù)據(jù)分析、導(dǎo)入與下載管理、監(jiān)測站點(diǎn)維護(hù)等。其中數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)按照同一指標(biāo)不同年份進(jìn)行變化趨勢分析，結(jié)果以趨勢圖、直方圖等統(tǒng)計(jì)圖表展示。
4 監(jiān)測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)圖表可視化技術(shù)
4.1 動(dòng)態(tài)圖表制作流程
    為了能夠形象地展現(xiàn)出數(shù)據(jù)的變化情況，本文結(jié)合Fusion Charts組件[8-10]和Web Services技術(shù)，通過腳本設(shè)計(jì)與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)圖表展現(xiàn)形式。首先，解析客戶端發(fā)出的服務(wù)請求，將分析結(jié)果發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，通過數(shù)據(jù)分析的服務(wù)接口調(diào)用GetData方法獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，將查詢到的源數(shù)據(jù)返回。然后，通過數(shù)據(jù)查詢服務(wù)接口GetString方法將源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成XML格式，再傳送到客戶端。最后，由Flash插件解析XML數(shù)據(jù)及SWF文件，生成實(shí)現(xiàn)展現(xiàn)生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)Flash圖表。其制作流程如圖4所示。

4.2 地圖切片引擎技術(shù)
    地圖切片引擎部署在服務(wù)器端，用于響應(yīng)客戶端的地圖請求，并把相應(yīng)的地圖數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端，它基于地圖切片服務(wù)(WMTS)[11-12]接口實(shí)現(xiàn)，定義了GetCapabilities和GetTile操作方法，在分布式的環(huán)境下通過HTTP獲取地圖切片與對(duì)象信息。GetCapabilities返回服務(wù)的元數(shù)據(jù)信息，詳細(xì)定義了服務(wù)器可接受的請求參數(shù)值，是一個(gè)包含服務(wù)元數(shù)據(jù)的XML文檔，該文檔根據(jù)XML Schema[13]規(guī)定的格式書寫。GetTile用于獲取一張地圖切片圖像文件，定義的參數(shù)包括服務(wù)類型、請求名稱、地圖名稱、地圖風(fēng)格、切片級(jí)別、行號(hào)、列號(hào)、請求版本等參數(shù)，它所允許的響應(yīng)對(duì)象僅為地圖圖片，不支持矢量數(shù)據(jù)格式。
4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)空分布展現(xiàn)
    監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)空分布展現(xiàn)整合了基于AJAX的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)用架構(gòu)，以JSON或XML格式進(jìn)行消息交換。整合切片地圖與監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)空分布展現(xiàn)，實(shí)際上是一組在AJAX和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)之間進(jìn)行的異步調(diào)用活動(dòng)?？蛻舳藶g覽器向服務(wù)器的服務(wù)引擎發(fā)送請求，該服務(wù)經(jīng)過計(jì)算或查找出結(jié)果數(shù)據(jù)，按客戶端指定的格式響應(yīng)客戶端請求，異步返回對(duì)象。瀏覽器端調(diào)用切片地圖服務(wù)獲取疊加底圖，然后通過AJAX調(diào)用數(shù)據(jù)查詢服務(wù)獲取服務(wù)端的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并用JavaScript腳本對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，最后按站點(diǎn)位置以各種圖表的樣式添加到地圖底圖上。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

4.4 系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)
    基于空間信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)SircMap[14]設(shè)計(jì)開發(fā)了系統(tǒng)的主要功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的規(guī)范管理和動(dòng)態(tài)圖表可視化管理。系統(tǒng)主界面如圖6所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)空分布和切片地圖整合，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視化，如圖7所示。

    本文從解決傳統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)記錄、處理與展示方式出發(fā)，結(jié)合動(dòng)態(tài)圖表和地圖切片服務(wù)引擎技術(shù)，建立了基于B/S模式的武夷山生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)圖表可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)、分析與管理，為海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與顯示提供了新路徑。系統(tǒng)通過空間可視化技術(shù)，將生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)基于空間監(jiān)測站分布，將時(shí)態(tài)變化的對(duì)象信息屬性以多維圖表等可視化模型表現(xiàn)出來，使得普通用戶更易理解與接受。
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