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)的動態(tài)圖表可視化設(shè)計研究，對標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行服務(wù)封裝,，以動態(tài)圖表的形式將監(jiān)測數(shù)據(jù)進行時空分布可視化表達,，實時展現(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,；動態(tài)圖表,；可視化

    及時準(zhǔn)確地了解、掌握生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量狀況和變化趨勢,，為進一步加強生態(tài)環(huán)境保護和管理的措施提供依據(jù),，需要對生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)控和監(jiān)測[1]。十多年來,，武夷山生態(tài)保護區(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值發(fā)現(xiàn)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(shù)及動態(tài)圖表可視化技術(shù)[2-3],，實現(xiàn)對海量的、多源異構(gòu)生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行時空動態(tài)分析和挖掘利用,，為生態(tài)環(huán)境保護提供監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)律認識,。
    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)測文檔進行服務(wù)封裝；采用富客戶端技術(shù),，以動態(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),、圖表實時渲染成圖，實現(xiàn)生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)可視化,。
1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)概況
    武夷山生態(tài)保護區(qū)包括武夷山自然保護區(qū),、九曲溪上游保護區(qū)和國家級重點風(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[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，對所有的數(shù)據(jù)進行歸類整理,；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)測站點名稱及同一站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)內(nèi)容也存在差異,；由于歷史上不同時期對監(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,、動物、植物,、景觀和旅游,。每一大類按監(jiān)測指標(biāo)的內(nèi)容進行細分組織，共分為30個小類,。
    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,、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),，避免了因為名稱相同的監(jiān)測站點而在不同的監(jiān)測類別中代表不同的地點導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析錯誤,。例如，交通噪聲監(jiān)測中監(jiān)測站點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，獨立設(shè)計每一小類數(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,。為了實現(xiàn)監(jiān)測信息的空間可視化,，獨立設(shè)計站點數(shù)據(jù)表,，通過監(jiān)測站點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,，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,，實時進行信息重新規(guī)范化處理,。
3 動態(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
    系統(tǒng)采用面向服務(wù)的開發(fā)思想，運用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)層負責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取與存儲，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、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
    為了實現(xiàn)生態(tài)監(jiān)測的可視化管理和綜合分析,，針對系統(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)測站點的空間分布在地圖上展示,，主要包括空間動態(tài)圖表展示,、監(jiān)測站點定位查詢等,。其中空間圖表展示是在監(jiān)測站點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)測站點維護等,。其中數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)按照同一指標(biāo)不同年份進行變化趨勢分析，結(jié)果以趨勢圖,、直方圖等統(tǒng)計圖表展示,。
4 監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)圖表可視化技術(shù)
4.1 動態(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)計與開發(fā),，實現(xiàn)生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(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,，生成實現(xiàn)展現(xiàn)生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(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獲取地圖切片與對象信息。GetCapabilities返回服務(wù)的元數(shù)據(jù)信息,，詳細定義了服務(wù)器可接受的請求參數(shù)值,，是一個包含服務(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,、切片級別、行號,、列號,、請求版本等參數(shù)，它所允許的響應(yīng)對象僅為地圖圖片,，不支持矢量數(shù)據(jù)格式,。
4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)時空分布展現(xiàn)
    監(jiān)測數(shù)據(jù)的時空分布展現(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格式進行消息交換,。整合切片地圖與監(jiān)測數(shù)據(jù)的時空分布展現(xiàn),，實際上是一組在AJAX和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)之間進行的異步調(diào)用活動?？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腳本對該數(shù)據(jù)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(xiàn)流程如圖5所示,。

4.4 系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)
    基于空間信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺SircMap[14]設(shè)計開發(fā)了系統(tǒng)的主要功能,，實現(xiàn)了對監(jiān)測數(shù)據(jù)的規(guī)范管理和動態(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)的時空分布和切片地圖整合,，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時動態(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)動態(tài)圖表可視化系統(tǒng),，實現(xiàn)了生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效存儲、分析與管理,，為海量數(shù)據(jù)的存儲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，將時態(tài)變化的對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,。
參考文獻
[1] 張治軍，唐芳林,，周紅斌,，等.我國生態(tài)監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].林業(yè)建設(shè)，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(shù)據(jù)可視化及其應(yīng)用[D].江西：江西師范大學(xué)，2008.
[5] 張完英.福建武夷山國家級自然保護區(qū)生態(tài)補償機制研究[J].地理科學(xué),，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(jié)構(gòu)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(tǒng)計制圖與應(yīng)用分析[J].地球信息科學(xué),，2010,，12(2)：248-253.
[9] 彭杰.基于Citrix的異地軟件共享系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[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(wǎng)絡(luò)地圖分塊服務(wù)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)（WMTS）分析[J].地理信息世界，2011(4)：10-14.
[12] 王剛,，關(guān)昆,，周樹旺.面向服務(wù)的Web GIS技術(shù)在城建服務(wù)熱線中的應(yīng)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(guī)范化研究[J].計算機科學(xué),，2010，37(1)：192-196.
[14] 福州大學(xué)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.