李 浩，何永強(qiáng)

(河南工程學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系，河南鄭州451191)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用Internet技術(shù)在Web上發(fā)布空間數(shù)據(jù)，供用戶瀏覽和使用，是GIS發(fā)展的必然趨勢．WebGIS是GIS技術(shù)與Web技術(shù)集成的產(chǎn)物，側(cè)重于地理信息與空間處理的共享．它與傳統(tǒng)的GIS相比具有訪問范圍廣、平臺(tái)獨(dú)立、大規(guī)模降低系統(tǒng)成本和維護(hù)、升級(jí)方便等特點(diǎn)．傳統(tǒng)的GIS應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)模式將用戶界面和業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)源以及通訊協(xié)議綁定在一起，一般需在后臺(tái)運(yùn)行1個(gè)或多個(gè)GIS應(yīng)用程序．這種模式只解決了在Web上發(fā)布空間信息的問題，并沒有針對(duì)Web應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化，因此在功能和效能上不能滿足人們的需求．分布式WebGIS就是利用最先進(jìn)的分布式計(jì)算技術(shù)來處理分布在網(wǎng)絡(luò)上的異構(gòu)多源的地理信息，集成網(wǎng)絡(luò)上不同平臺(tái)上的空間服務(wù)，構(gòu)建一個(gè)物理上分布，邏輯上統(tǒng)一的地理信息系統(tǒng)．作者針對(duì)WebGIS在分布式環(huán)境中的不足，將SVG和SOAP引入WebGIS的設(shè)計(jì)中．SVG以矢量化的形式發(fā)布和顯示地圖數(shù)據(jù)［1］，擺脫了GIS系統(tǒng)制作發(fā)布地圖時(shí)地圖數(shù)據(jù)格式必須為空間數(shù)據(jù)格式的限制．SOAP使用基于XML的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了不同協(xié)議和組件之間的互操作性，降低了程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性［2］．本研究結(jié)合這2種技術(shù)，提出了一種新的WebGIS體系結(jié)構(gòu)，討論了該體系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)．并給出了一個(gè)具體的基于該體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例．

2 WebGIS的典型實(shí)現(xiàn)方式

WebGIS與其它采用B/S結(jié)構(gòu)的信息系統(tǒng)類似，一般采用由數(shù)據(jù)庫、GIS應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器和客戶端組成的多層體系結(jié)構(gòu)，客戶端一般為Web瀏覽器，而服務(wù)器端則包含Web服務(wù)器、GIS應(yīng)用服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫［3］．

2．1 Internet空間數(shù)據(jù)處理的分層模型及3種WebGIS模式

OGC(Open geospatial consortium)提出了在Internet上訪問異構(gòu)空間數(shù)據(jù)源的分層模型，空間數(shù)據(jù)的顯示(或可視化)要經(jīng)過下面的4個(gè)層次．(1)數(shù)據(jù)資源層．從空間數(shù)據(jù)源中選擇要顯示的地理實(shí)體的數(shù)據(jù)．(2)數(shù)據(jù)提供層．把選擇出來的地理實(shí)體數(shù)據(jù)組合生成一個(gè)顯示元素的序列．(3)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層．將顯示元素系列生成最終要顯示的地圖結(jié)果．(4)數(shù)據(jù)顯示層．準(zhǔn)備好的地圖在顯示設(shè)備進(jìn)行最終顯示．在這4層中，每相鄰2層是服務(wù)與被服務(wù)的關(guān)系．分層模型并沒有限制相鄰2層的執(zhí)行必須要在1臺(tái)機(jī)器上，當(dāng)其中某相鄰2層被Internet分開時(shí)，就得到了3種WebGIS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu):瘦客戶(Thin client)模式、胖客戶(Thick client)模式和混合(Medium client)模式．這3種WebGIS體系結(jié)構(gòu)的分層結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)具有較大的靈活性和可維護(hù)性．但同樣存在以下不足之處．(1)空間信息通常與特定的GIS產(chǎn)品綁定．空間信息具有各種各樣的結(jié)構(gòu)，GIS平臺(tái)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸通過專有的通信協(xié)議來進(jìn)行，用戶只能使用特定的GIS平臺(tái)來訪問某個(gè)空間信息，無法實(shí)現(xiàn)WebGIS跨網(wǎng)絡(luò)，跨平臺(tái)的數(shù)據(jù)交換和信息共享．(2)在客戶端由于大量智能終端(如PDA)的使用，對(duì)空間數(shù)據(jù)的發(fā)布形式提出了新的要求．相對(duì)于瀏覽器，PDA的數(shù)據(jù)處理能力較弱．在客戶端大量使用插件、構(gòu)件也不現(xiàn)實(shí)．(3)服務(wù)器與客戶端之間的數(shù)據(jù)傳輸量大，相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)據(jù)是以GIF或JPEG圖像的形式存在的．增加了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)．

2 SVG和SOAP技術(shù)及其在Web-GIS中應(yīng)用的可行性

2．1 SVG 技術(shù)

SVG(Scalable vector graphics)是W3C頒布的矢量圖形Web標(biāo)準(zhǔn)，它是基于XML的一個(gè)全新的標(biāo)準(zhǔn)，SVG不同于傳統(tǒng)的二維圖形和動(dòng)畫制作，它使用簡單的一維(文本)語句完成矢量圖形，能夠包含復(fù)雜元素，如漸變、動(dòng)畫及簡單的文本命令等．

在WebGIS中引入SVG作為空間數(shù)據(jù)的傳輸格式和發(fā)布形式的優(yōu)勢在于［4，5］:①SVG 是基于XML的，使用XML作為空間數(shù)據(jù)的傳輸格式，有助于解決異構(gòu)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)共享問題．②SVG是可編程的．可以針對(duì)SVG的DOM或SAX接口進(jìn)行編程，動(dòng)態(tài)地生成包含SVG圖形的Web頁面．③SVG是可擴(kuò)充的．由于SVG是基于XML的，因此，可根據(jù)地理空間數(shù)據(jù)的特點(diǎn)對(duì)SVG進(jìn)行必要的擴(kuò)展，以便通過SVG能夠有效地描述地理空間數(shù)據(jù)．④SVG支持?jǐn)?shù)據(jù)的分層管理和顯示，這符合人們使用GIS的習(xí)慣．

2．2 SOAP 技術(shù)

SOAP(Simple object access protocol)是一個(gè)基于XML的通信協(xié)議，在該協(xié)議下，軟件組件和應(yīng)用程序能夠通過標(biāo)準(zhǔn)的HTTP協(xié)議通信．使現(xiàn)有的軟件不論基于何種編程模型都可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信［6］．現(xiàn)有的 WebGIS系統(tǒng)要廣泛地應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)，還存在著以下一些問題．(1)防火墻穿越和用戶認(rèn)證．(2)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換．當(dāng)前流行的組件技術(shù)主要是DCOM，CORBA和JavaBean，它們運(yùn)行在不同的平臺(tái)之上，使用不同的協(xié)議來進(jìn)行通信．這些組件之間的相互通信需要進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，方法很復(fù)雜并容易出錯(cuò)．把SOAP綁定到HTTP，很好地解決了以上問題．在HTTP中攜帶SOAP消息，將構(gòu)建在HTTP之上的SOAP語義自然地對(duì)應(yīng)到了HTTP語義上．SOAP自然地遵循HTTP的請(qǐng)求應(yīng)答消息模型，這使得SOAP的請(qǐng)求和應(yīng)答參數(shù)可以包含在HTTP請(qǐng)求和應(yīng)答中．

3 基于SVG和SOAP的WebGIS體系結(jié)構(gòu)

基于SVG及SOAP的WebGIS多層體系結(jié)構(gòu)如圖1所示．系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用4層分布式體系結(jié)構(gòu)，即客戶端、Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫．客戶端包括PC，PDA，手機(jī)等多種用戶終端．服務(wù)器端包括3部分，前端采用傳統(tǒng)的Web服務(wù)器，用于處理用戶的請(qǐng)求與響應(yīng)．中間是應(yīng)用服務(wù)器，所有處理邏輯全集中在該服務(wù)器中，后端是數(shù)據(jù)庫．在該體系結(jié)構(gòu)中，使用SVG作為空間數(shù)據(jù)的傳輸格式和發(fā)布形式，使用SOAP作為服務(wù)器端的通信協(xié)議．

3．1 基于SVG和SOAP的WebGIS體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

基于SVG和SOAP的WebGIS體系結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)．(1)具有良好的可擴(kuò)展性．SVG及SOAP的基礎(chǔ)是XML，易于理解、使用簡便，而且可以根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展．(2)提高了人機(jī)交互能力．客戶端與服務(wù)器端傳輸?shù)氖腔赬ML的SVG文本文件，減少了網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)流量．SVG可以在瀏覽器上顯示高質(zhì)量的矢量圖形，借助于JavaScript腳本語言，可實(shí)現(xiàn)用戶與地圖元素的交互．(3)具有良好的平臺(tái)無關(guān)性．SVG和SOAP技術(shù)都是完全開放的技術(shù)，SVG文件是符合XML規(guī)范的文本文件，從SOAP的定義可以看出，SOAP就是XML+HTTP．由SVG和SOAP組合可以構(gòu)成與平臺(tái)無關(guān)的Web-GIS的數(shù)據(jù)顯示及傳輸模式．這就使得基于這種技術(shù)的WebGIS更容易將分布式異構(gòu)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行集成處理，使系統(tǒng)的開放性大大加強(qiáng)［7，8］．

圖1 基于SVG和SOAP的WebGIS體系結(jié)構(gòu)Fig．1 WebGIS architecture based on the SVG and SOAP

3．2 基于SVG和SOAP的WebGIS體系結(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)

根據(jù)實(shí)際需要，本研究對(duì)OGC提出的訪問異構(gòu)空間數(shù)據(jù)源的分層模型進(jìn)行了改進(jìn)，新增加了1個(gè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備層，將Web服務(wù)器與應(yīng)用服務(wù)器分離開來．體系結(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)包括客戶端的實(shí)現(xiàn)、服務(wù)器端的實(shí)現(xiàn)以及SOAP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)．(1)客戶端的實(shí)現(xiàn)．根據(jù)分層模型，客戶端包括空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層和空間數(shù)據(jù)顯示層．?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層的功能是將SVG形式的地圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以在瀏覽器上顯示的矢量格式．這一功能的實(shí)現(xiàn)是通過Adobe公司開發(fā)的瀏覽器端插件SVG Viewer實(shí)現(xiàn)的，通過該插件，就可以在瀏覽器上顯示SVG格式的矢量圖形．?dāng)?shù)據(jù)顯示層是根據(jù)用戶的要求，在瀏覽器上以分層的形式顯示矢量地圖．SVG Viewer可以完成對(duì)矢量圖形的瀏覽、放大及縮小等簡單操作．具體實(shí)施時(shí)，就是在SVG文檔的宿主頁面中，通過JavaSript腳本語言來操作SVG文檔的DOM樹，以實(shí)現(xiàn)諸如圖形漫游、屬性信息查詢、圖層顯示控制等功能［9］．(2)服務(wù)器端的實(shí)現(xiàn)．服務(wù)器端分為數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)提供層和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備層．它們分別由Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)．?dāng)?shù)據(jù)提供層通過JDBC或ODBC訪問處于分布式環(huán)境中的數(shù)據(jù)資源層．?dāng)?shù)據(jù)準(zhǔn)備層作為數(shù)據(jù)客戶端向數(shù)據(jù)提供層通過SOAP請(qǐng)求數(shù)據(jù)．

數(shù)據(jù)源層主要指數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫中存貯空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)．?dāng)?shù)據(jù)源層的功能相對(duì)較簡單，根據(jù)用戶的查詢請(qǐng)求，返回符合要求的空間和數(shù)據(jù)．?dāng)?shù)據(jù)提供層由數(shù)據(jù)查詢組件、數(shù)據(jù)管理組件、SOAP引擎等構(gòu)成，完成GIS的核心功能．?dāng)?shù)據(jù)查詢組件根據(jù)用戶發(fā)出的請(qǐng)求，通過ODBC或JDBC連接數(shù)據(jù)庫，完成對(duì)空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)的提?。?dāng)?shù)據(jù)管理組件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類解析，處理數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為基于XML的SVG格式．SOAP引擎處理來自數(shù)據(jù)準(zhǔn)備層的SOAP請(qǐng)求，調(diào)用相應(yīng)的組件完成用戶的請(qǐng)求，并將最后生成的SVG格式的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備層．該層中的組件可以采用JavaBeans實(shí)現(xiàn)．?dāng)?shù)據(jù)準(zhǔn)備層要實(shí)現(xiàn)2個(gè)方面的功能．一方面接收客戶端的請(qǐng)求，將用戶的請(qǐng)求封裝成SOAP請(qǐng)求發(fā)到數(shù)據(jù)提供層;另一方面解析來自數(shù)據(jù)提供層的響應(yīng)，提取其中的SVG數(shù)據(jù)，嵌入到HTML頁面中，發(fā)送到客戶端進(jìn)行顯示．由于采用了分布式組件技術(shù)，各層之間以一種松散的方式進(jìn)行耦合，只要接口不變，各層具體實(shí)現(xiàn)方式的改變并不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行造成如何影響．各層可以部署在1臺(tái)機(jī)器上，也可以部署到不同的機(jī)器上．

4 應(yīng)用實(shí)例

基于上述體系結(jié)構(gòu)，作者設(shè)計(jì)了1個(gè)簡單的應(yīng)用實(shí)例，創(chuàng)建了1個(gè)陜西省社會(huì)、經(jīng)濟(jì)地圖，實(shí)現(xiàn)了SVG地圖的圖層顯示及與用戶的交互(圖2)．具體使用的技術(shù)為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器使用MySQL，Web服務(wù)器使用Tomcat4．1，應(yīng)用服務(wù)器由JavaBean組件構(gòu)成，客戶端通過SVG Viewe，由JavaScript腳本處理用戶對(duì)地圖的操作．服務(wù)器端代碼用Java實(shí)現(xiàn)．

圖2 陜西省社會(huì)、經(jīng)濟(jì)地圖Fig．2 Social and economic map of Shanxi Province

陜西省社會(huì)、經(jīng)濟(jì)地圖可以顯示陜西省各個(gè)地區(qū)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)基本數(shù)據(jù)，用戶可以選擇顯示鐵路、公路、城市邊界、城市位置等圖層，各個(gè)圖層可以相互疊加，也可以根據(jù)用戶的需要只顯示某個(gè)圖層．地圖采用矢量圖形形式表現(xiàn)空間數(shù)據(jù)，以字符形式表現(xiàn)文本注記，以圖形屬性形式表現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)，可以無級(jí)縮放，且不會(huì)產(chǎn)生任何失真．地圖除能實(shí)現(xiàn)放大、縮小和漫游外，還可以通過腳本與SVG圖元對(duì)象進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)了柵格地圖中無法實(shí)現(xiàn)的圖形要素選擇、屬性信息查詢等交互功能．

5 結(jié)語

計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，為WebGIS的實(shí)現(xiàn)提供了更多更好的實(shí)現(xiàn)方式，SVG和SOAP所構(gòu)成的地理信息的發(fā)布和數(shù)據(jù)傳輸模式無疑為實(shí)現(xiàn)Weg-GIS體系構(gòu)架提供了一種新的方法．本研究提出的體系結(jié)構(gòu)使用SOAP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了瀏覽器端與Web服務(wù)端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，服務(wù)器端以SVG的格式將響應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送到瀏覽器端，利用瀏覽器客戶端技術(shù)實(shí)現(xiàn)了圖層顯示、圖形標(biāo)注、用戶交互及初步的空間分析，豐富了WebGIS的功能，有利于不同組件之間的數(shù)據(jù)交換，提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性．但由于SVG和SOAP都是近年出現(xiàn)的新技術(shù)，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也在不斷的完善當(dāng)中．在某些方面也存在一些欠缺之處，如SVG插件對(duì)地圖操作功能支持有限，還必須在客戶端編寫腳本實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的操作．SOAP傳輸數(shù)據(jù)的安全性也是亟待解決的問題．

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