摘 要： 由于長期積累的生態監測數據類型繁多、指標變化各異，導致數據可視化差、時空分析困難。以武夷山生態監測數據為例，開展多源異構生態監測數據的標準化集成管理和基于高并發地圖切片服務引擎技術的動態圖表可視化設計研究，對標準化的監測數據進行服務封裝，以動態圖表的形式將監測數據進行時空分布可視化表達，實時展現各種類別生態監測數據，有效地提高了生態監測數據表現能力和時空分析水平。
關鍵詞： 生態監測數據；標準化；地圖切片服務引擎；動態圖表；可視化
及時準確地了解、掌握生態環境的質量狀況和變化趨勢，為進一步加強生態環境保護和管理的措施提供依據，需要對生態環境進行監控和監測[1]。十多年來，武夷山生態保護區積累了大量的監測數據，隨著監測年份的增多，數據量也越來越大，傳統采用Excel和文檔的記錄格式的方法，已經不能有效地管理這些海量數據，而且也阻礙了海量信息的價值發現和時空變化分析。因此，需要利用新一代的地理空間信息技術及動態圖表可視化技術[2-3]，實現對海量的、多源異構生態監測數據進行時空動態分析和挖掘利用，為生態環境保護提供監測數據服務規律認識。
可視化的生態環境監測數據分析根據多種不同的時間和空間尺度、不同的觀察角度、不同數據的選擇與聚類等多維綜合探索與處理，揭示生態環境監測數據所隱含的內在聯系與發展演變規律[4]。本文采用網絡服務的方式，將生態監測數據、生態監測文檔進行服務封裝；采用富客戶端技術，以動態圖表形式展示各種從數據服務接口中獲取的生態監測數據；采用網絡地圖切片服務引擎（Web Map Tile Service Engine），通過服務器端預先生成地圖圖像和遙感影像的網格切片，與數據、圖表實時渲染成圖，實現生態監測數據的動態可視化。
1 研究區及數據概況
武夷山生態保護區包括武夷山自然保護區、九曲溪上游保護區和國家級重點風景名勝區。本區保存著較為完整的中亞熱帶常綠闊葉林。其生物多樣性表現為物種多樣性、遺傳多樣性和生態系統多樣性，素有“世界生物之窗”、“鳥的天堂”、“蛇的王國”和“昆蟲世界”等美譽[5]。
武夷山生態監測數據由于每年的監測單位、監測手段的不同，導致在數據格式、監測指標以及數據語義上都存在差異。具體表現為：數據類別較混亂，沒有根據監測類別的信息，對所有的數據進行歸類整理；監測指標各異，不同年份的數據監測指標不完全相同或者相同的監測指標使用了不同的數據單位；監測站點名稱及同一站點的監測數據內容也存在差異；由于歷史上不同時期對監測數據的記錄采用適合需要的格式，造成監測數據記錄格式不一致。
這些存在的差異性都給監測數據的分析帶來了困難，需要開展數據的標準化組織管理與集成研究。
2 多源異構生態監測數據的標準化集成
2.1 監測數據的標準化組織與處理
通過對現有監測數據現狀、數據建庫需求的調研與分析，制定數據建庫方案。根據武夷山生態保持區監測單位對各類監測信息的管理與分析需求，以及監測數據服務的封裝與應用，將原始生態監測數據分為7大類，包括水文、環境、土壤、動物、植物、景觀和旅游。每一大類按監測指標的內容進行細分組織，共分為30個小類。
數據標準化處理是根據數據調研和分析的結果，實現監測數據的標準化規整，主要標準化內容包括監測指標、監測站點、數據格式等標準化。監測指標的標準化是對監測指標的類型、內容和單位的統一，設定每一類統一的監測記錄，采用相同的監測元數據和數據單位，例如土壤化學性質監測中監測指標K的單位統一為g/Kg（原始數據部分采用g/kg，部分采用%）。監測站點的標準化是生態監測數據空間化的基礎，避免了因為名稱相同的監測站點而在不同的監測類別中代表不同的地點導致數據分析錯誤。例如，交通噪聲監測中監測站點石壁頭采用石壁頭交通噪聲，而在區域噪聲監測中使用石壁頭區域噪聲。數據格式的標準化是設計統一的監測數據記錄格式與監測表格樣式，便于實現數據的標準化入庫和數據的規范化管理。
2.2 多源監測數據的建庫與集成
各類監測數據的標準化組織為數據的建庫提供了統一的標準。根據監測數據分類，獨立設計每一小類數據庫的數據表，將監測指標與數據字段一一映射，各個數據表相互松耦合，便于監測指標及數據的更新維護。為了實現監測信息的空間可視化，獨立設計站點數據表，通過監測站點的具體地理位置與其他監測數據表關聯，建立數據表關系，如圖1所示。
數據集成入庫主要實現將不同類別的監測數據從日常監測管理的Excel表格導入到新建立的數據庫中，根據不同監測類別的特點，采用不同的導入方法，并將其統一封裝到數據導入服務接口中。通過數據導入服務方法能夠判斷導入的數據格式和信息是否正確，實時進行信息重新規范化處理。
3 動態可視化系統體系結構
3.1 系統技術結構設計
系統采用面向服務的開發思想，運用B/S[6-7]架構，將系統分為用戶層、表示層、服務層和數據層，如圖2所示。數據層負責監測數據的獲取與存儲，主要包括地圖切片庫、生態監測數據庫和生態監測文檔庫。地圖切片庫是以區劃、道路、水系、地表、地名、影像等基礎地圖要素為基礎，建立的多級、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。生態監測數據庫包括各類監測數據和站點信息，生態監測文檔數據庫主要為每年的監測報告。服務層是監測數據管理相關操作的服務封裝，包括數據服務和功能服務，可以為表現層提供功能調用，也可以從數據層獲取監測數據或地圖服務。用戶層通過各瀏覽器獲得監測數據及分析結果的地圖可視化。
3.2 系統功能設計
為了實現生態監測的可視化管理和綜合分析，針對系統功能需求，通過信息圖層（列表）與空間展示（分布）兩種方式展示生態監測數據。結構如圖3所示。
系統功能模塊分為空間展示和信息圖層管理兩大部分，空間展示是將生態監測數據按照監測站點的空間分布在地圖上展示，主要包括空間動態圖表展示、監測站點定位查詢等。其中空間圖表展示是在監測站點位置以氣泡的方式將監測數據通過圖表（折線圖、柱狀圖等）的方式形象地展示數據規律。
信息圖層管理包括生態監測數據列表展示、數據分析、導入與下載管理、監測站點維護等。其中數據分析實現了監測數據按照同一指標不同年份進行變化趨勢分析，結果以趨勢圖、直方圖等統計圖表展示。
4 監測數據動態圖表可視化技術
4.1 動態圖表制作流程
為了能夠形象地展現出數據的變化情況，本文結合Fusion Charts組件[8-10]和Web Services技術，通過腳本設計與開發，實現生態監測數據的動態圖表展現形式。首先，解析客戶端發出的服務請求，將分析結果發送給網絡服務器，通過數據分析的服務接口調用GetData方法獲取監測數據，將查詢到的源數據返回。然后，通過數據查詢服務接口GetString方法將源數據轉換成XML格式，再傳送到客戶端。最后，由Flash插件解析XML數據及SWF文件，生成實現展現生態監測數據的動態Flash圖表。其制作流程如圖4所示。
4.2 地圖切片引擎技術
地圖切片引擎部署在服務器端，用于響應客戶端的地圖請求，并把相應的地圖數據發送到客戶端，它基于地圖切片服務(WMTS)[11-12]接口實現，定義了GetCapabilities和GetTile操作方法，在分布式的環境下通過HTTP獲取地圖切片與對象信息。GetCapabilities返回服務的元數據信息，詳細定義了服務器可接受的請求參數值，是一個包含服務元數據的XML文檔，該文檔根據XML Schema[13]規定的格式書寫。GetTile用于獲取一張地圖切片圖像文件，定義的參數包括服務類型、請求名稱、地圖名稱、地圖風格、切片級別、行號、列號、請求版本等參數，它所允許的響應對象僅為地圖圖片，不支持矢量數據格式。
4.3 監測數據時空分布展現
監測數據的時空分布展現整合了基于AJAX的網絡服務應用架構，以JSON或XML格式進行消息交換。整合切片地圖與監測數據的時空分布展現，實際上是一組在AJAX和網絡服務之間進行的異步調用活動。客戶端瀏覽器向服務器的服務引擎發送請求，該服務經過計算或查找出結果數據，按客戶端指定的格式響應客戶端請求，異步返回對象。瀏覽器端調用切片地圖服務獲取疊加底圖，然后通過AJAX調用數據查詢服務獲取服務端的監測數據，并用JavaScript腳本對該數據進行解析，最后按站點位置以各種圖表的樣式添加到地圖底圖上。具體實現流程如圖5所示。
4.4 系統開發與實現
基于空間信息網絡服務平臺SircMap[14]設計開發了系統的主要功能，實現了對監測數據的規范管理和動態圖表可視化管理。系統主界面如圖6所示，監測數據的時空分布和切片地圖整合，實現監測數據的實時動態可視化，如圖7所示。
本文從解決傳統的海量數據記錄、處理與展示方式出發，結合動態圖表和地圖切片服務引擎技術，建立了基于B/S模式的武夷山生態監測數據動態圖表可視化系統，實現了生態監測數據的有效存儲、分析與管理，為海量數據的存儲與顯示提供了新路徑。系統通過空間可視化技術，將生態監測數據基于空間監測站分布，將時態變化的對象信息屬性以多維圖表等可視化模型表現出來，使得普通用戶更易理解與接受。
參考文獻
[1] 張治軍，唐芳林，周紅斌，等.我國生態監測發展現狀與展望[J].林業建設，2012(5)：19-22.
[2] TORY M，M T.Human factors in visualization research[J]. IEEE Transactions on Visualization and Computer Grapphics，2004，10(1)：72-84.
[3] KELLY T J J，MA K L，GERTZ M.A model and framework for visualization exploration[J].IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics，2007，13(2)：357-369.
[4] 鐘曉軍.鄱陽湖濕地數據可視化及其應用[D].江西：江西師范大學，2008.
[5] 張完英.福建武夷山國家級自然保護區生態補償機制研究[J].地理科學，2011，31(5)：594-599.
[6] Deng Xinxin，Qiu Zhongpan，Yang Xiaofang.Research and design of network behavior management system based on B/S architecture[C].The 6th International Conference on Computer Science&Education(ICCSE 2011)，2011.
[7] 張柏林，石文杰，魏中輝.Web GIS幾種體系結構研究[J].地理空間信息，2008，6(3)：97-99.
[8] 游娟，周艷兵，王紀華，等.基于Fusion Charts與Arc IMS 的統計制圖與應用分析[J].地球信息科學，2010，12(2)：248-253.
[9] 彭杰.基于Citrix的異地軟件共享系統的設計與實現[J]. 計算機工程，2009，35(1)：49-51.
[10] Shi Liang，Gao Zhen，Wang Min，et al.A mainframe CPU capacity prediction system based on the mathematicmatical modeling[C].The 9th International Conference on Service Systems and Service Management(ICSSSM)，2012.
[11] 周旭.Open GIS網絡地圖分塊服務實現標準（WMTS）分析[J].地理信息世界，2011(4)：10-14.
[12] 王剛，關昆，周樹旺.面向服務的Web GIS技術在城建服務熱線中的應用[J].測繪與空間地理信息，2013，36(1)：11-13.
[13] 殷麗鳳，郝忠孝.存在XML強多值依賴的XML Schema規范化研究[J].計算機科學，2010，37(1)：192-196.
[14] 福州大學福建省空間信息工程研究中心.SircMap介紹[EB/OL][2013-07-25].http：//www.sircweb.cn.