亢曉琛,張艷玲,閆浩文

(蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院,甘肅蘭州 730070)

基于 ISAPI技術(shù)的柵格數(shù)據(jù)瓦片服務(wù)研究

亢曉琛,張艷玲,閆浩文

(蘭州交通大學(xué)數(shù)理與軟件工程學(xué)院,甘肅蘭州 730070)

在分析 GoogleMaps瓦片式服務(wù)模型的基礎(chǔ)上,提出可擴(kuò)展性的數(shù)據(jù)服務(wù)方案。以 ISAPI技術(shù)為通訊手段,設(shè)計并實現(xiàn)了高性能的柵格數(shù)據(jù)瓦片服務(wù)系統(tǒng)。從系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲設(shè)計、Web服務(wù)架構(gòu)、應(yīng)用服務(wù)模塊與服務(wù)接口設(shè)計等方面進(jìn)行論述,并給出系統(tǒng)性能測試與相關(guān)的服務(wù)應(yīng)用。

柵格數(shù)據(jù);瓦片服務(wù);存儲設(shè)計;接口設(shè)計;ISAPI

一、引 言

計算機(jī)軟硬件技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展,極大地增強(qiáng)了地理信息系統(tǒng)的服務(wù)能力。成熟的商業(yè)數(shù)據(jù)庫技術(shù)為海量空間信息的高效存儲管理提供了基礎(chǔ)的保障,數(shù)據(jù)的檢索能力得到了極大提高。與此同時,先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)則滿足了空間信息數(shù)據(jù)高效發(fā)布的需求。地理信息系統(tǒng)經(jīng)歷了技術(shù)研究、集成應(yīng)用到產(chǎn)品服務(wù),直至今天正在向地理信息服務(wù)轉(zhuǎn)變。地理信息服務(wù)這一概念強(qiáng)調(diào)“服務(wù)”,這里的服務(wù)可以理解為“輔助用戶進(jìn)行行為決策”,那么將地理信息轉(zhuǎn)化為輔助用戶進(jìn)行行為決策的工具這一過程中所有的問題均可以認(rèn)為是地理信息服務(wù)所需要研究的內(nèi)容[1]。

當(dāng)前,地理信息服務(wù)的服務(wù)模式多種多樣,而標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)服務(wù)始終是構(gòu)建其他復(fù)雜地理信息服務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。由于地理數(shù)據(jù)服務(wù)基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),并且具有良好的跨平臺性質(zhì),因此,以服務(wù)的方式實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的發(fā)布以及互操作成為技術(shù)的主流[2]。

類似于 GoogleMaps,當(dāng)前有許多網(wǎng)絡(luò) GIS應(yīng)用基于瓦片服務(wù)模式來構(gòu)建。但大多以二維顯示應(yīng)用為主,服務(wù)的數(shù)據(jù)多為簡單的圖片。本文所論述的服務(wù)模型具有良好的數(shù)據(jù)擴(kuò)展性,同時可以為二維顯示與三維應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)。以具體的瓦片式柵格地圖服務(wù)的具體實現(xiàn)為例,詳細(xì)分析了瓦片式柵格數(shù)據(jù)服務(wù)的實現(xiàn)原理與關(guān)鍵技術(shù)。

二、柵格數(shù)據(jù)瓦片服務(wù)系統(tǒng)模型

在 GIS與模型集成的多層體系結(jié)構(gòu)中,可以劃分為表示層、商業(yè)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層,這三層構(gòu)成了一個經(jīng)典的三層體系結(jié)構(gòu)[3]。

柵格數(shù)據(jù)瓦片服務(wù)系統(tǒng)模型可以以數(shù)據(jù)源形式封裝來自數(shù)據(jù)庫與文件方式組織的不同數(shù)據(jù)來源。對于多種不同的數(shù)據(jù)源,向上服務(wù)的數(shù)據(jù)調(diào)用接口是一致的。這樣,以接口繼承的方式很容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)源類型的擴(kuò)展與多源數(shù)據(jù)的融合,這一優(yōu)勢正是開源桌面軟件 QGIS所采用的數(shù)據(jù)管理方式。通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)調(diào)用接口,應(yīng)用邏輯可以實時進(jìn)行數(shù)據(jù)請求。為了應(yīng)對較高的并發(fā)請求,在應(yīng)用邏輯與數(shù)據(jù)源層之間預(yù)先建立可控的連接池。在連接池中保留了實時可用的有效數(shù)據(jù)源連接,用于數(shù)據(jù)請求與各種操作請求。Web Server層可以實時捕捉到來自客戶端的URL請求,應(yīng)用邏輯將URL所攜帶的信息進(jìn)行解析,然后根據(jù)數(shù)據(jù)請求參數(shù)從數(shù)據(jù)源調(diào)取數(shù)據(jù),再由Web Server發(fā)送給客戶端。系統(tǒng)模型參見圖1。

三、數(shù)據(jù)瓦片與數(shù)據(jù)組織

1.數(shù)據(jù)瓦片編碼與生產(chǎn)

數(shù)據(jù)瓦片 tile是通過將柵格數(shù)據(jù)按照一定的像素寬高進(jìn)行裁剪得到,對裁剪后的數(shù)據(jù)小文件重新命名,使它能夠反映在原始文件中所處的像素位置與金字塔級別。

圖1 瓦片服務(wù)系統(tǒng)模型

GoogleMaps、Google Earth以數(shù)字地圖與高分辨率衛(wèi)星圖像兩種數(shù)據(jù)源提供地圖服務(wù)。Google分層組織地圖數(shù)據(jù),分層存放結(jié)構(gòu),簡化了系統(tǒng)模型及處理過程[4]。GoogleMaps中,衛(wèi)星影像的 tile采用256×256像素大小的 jpg圖片來表達(dá)地面內(nèi)容,tile的命名規(guī)則是采用“qrst”4個字符排列而成的字符串來表達(dá)當(dāng)前級別與像素位置。這樣每一幅圖在數(shù)據(jù)請求時就表現(xiàn)為一個 URL(如:http:∥kh0. google.com/kh?n=404&v=8&t=trtqtt,其中參數(shù)t=trtqtt代表了請求的級數(shù)與位置)。根據(jù) zoom in (放大)級別的不同,tile進(jìn)行適當(dāng)?shù)牧鸦?每塊的編碼規(guī)則為:左上“t=tq”,右上“t=tr”,右下“t=ts”,左下“t=tt”。依此類推,每放大一倍,每一小塊都裂分為四,從左上到右下順時針按 qrst編號,裂分后的編碼為裂分前的編號上小塊的編號。本研究所實現(xiàn)的瓦片數(shù)據(jù)服務(wù)所需的數(shù)據(jù)通過 GDAL進(jìn)行生產(chǎn)(用 GDAL進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)讀寫),不同的是,作為基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)服務(wù),所提供的數(shù)據(jù)格式不僅僅局限于用于顯示的 jpg或者 png格式。在當(dāng)前應(yīng)用需求下,通過擴(kuò)展,增加了對DEM數(shù)據(jù)的支持。這樣,瓦片服務(wù)將更加靈活,tile的大小不局限于 256×256,如本應(yīng)用需求中所需的DEM數(shù)據(jù)瓦片就是 150× 150大小。數(shù)據(jù)調(diào)用方通過元數(shù)據(jù)服務(wù)了解 DEM瓦片數(shù)據(jù)的存儲格式,就可以以URL方式進(jìn)行調(diào)度并使用。

2.數(shù)據(jù)組織方式與數(shù)據(jù)索引

由于空間數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多樣、表達(dá)形式復(fù)雜的特點,各種空間操作計算量大,因此空間索引的有無及其性能的發(fā)揮直接影響到空間數(shù)據(jù)引擎和地理信息服務(wù)網(wǎng)格的整體性能[5]。類似于 GoogleMaps,本系統(tǒng)瓦片數(shù)據(jù)采用分級組織方式,既可以采用文件系統(tǒng)方式組織數(shù)據(jù),也可以分級存儲于數(shù)據(jù)庫中。

在文件系統(tǒng)模式下,同一級別數(shù)據(jù)存儲在同一目錄下。各級數(shù)據(jù)配置用標(biāo)準(zhǔn) XML格式文件作為當(dāng)前目錄的索引,具體格式參見圖 2。

圖2 文件組織方式

在數(shù)據(jù)庫存儲模式下,數(shù)據(jù)組織采用與文件存儲類似的方案,不同的是,同級別數(shù)據(jù)以大對象格式存儲于有固定標(biāo)識的一批數(shù)據(jù)表中,即一個數(shù)據(jù)表相當(dāng)于一個文件目錄。元數(shù)據(jù)也存儲于相關(guān)的數(shù)據(jù)庫表中。

采用這種方式組織數(shù)據(jù)的優(yōu)勢為:系統(tǒng)初始化時,首先將索引信息與元數(shù)據(jù)信息加載到內(nèi)存中。系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)請求時,在內(nèi)存中快速分級檢索,如果檢索到數(shù)據(jù),則直接定位到數(shù)據(jù)葉結(jié)點的文件路徑下,如果是數(shù)據(jù)庫模式則讀出該記錄。

四、應(yīng)用服務(wù)器模塊與接口設(shè)計

1.基于 ISAPI的應(yīng)用程序模塊

ISAPI(internet server application program interface)是微軟提供的一套面向Web服務(wù)的API接口,它能實現(xiàn) CGI(公共網(wǎng)關(guān)接口)提供的全部功能。ISAPI應(yīng)用大多數(shù)以 DLL動態(tài)庫的形式使用,可以在被用戶請求后執(zhí)行,在處理完一個用戶請求后不會馬上消失,而是繼續(xù)駐留在內(nèi)存中等待處理別的用戶輸入。此外,ISAPI的DLL應(yīng)用程序和Web服務(wù)器處于同一個進(jìn)程中,效率要明顯高于 CGI。

對于本系統(tǒng) ISAPI應(yīng)用程序模塊,數(shù)據(jù)庫模式數(shù)據(jù)源在系統(tǒng)初始化時,會自動建立一個可伸縮的數(shù)據(jù)庫連接池。數(shù)據(jù)庫連接池通過提供一套連接的分配、使用策略,來解決連接頻繁分配、釋放所造成的問題,最終實現(xiàn)高效的連接、安全的復(fù)用[6]。而對文件系統(tǒng)則需要對索引文件進(jìn)行加載。大量數(shù)據(jù)請求并發(fā)而來時,可以同時從多個連接池棧中獲取數(shù)據(jù)庫連接,用于從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù),或者從索引中快速定位并讀取數(shù)據(jù)。通過對系統(tǒng)相關(guān)配置,可以實時對當(dāng)前系統(tǒng)的運行配置狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。由于數(shù)據(jù)在服務(wù)器端,數(shù)據(jù)安全可以得到保證,而且由于只需處理用戶請求的區(qū)域,數(shù)據(jù)傳輸量恒定,不會隨著數(shù)據(jù)量加大而導(dǎo)致性能線性下降[7]。

2.基于OGC標(biāo)準(zhǔn)的元數(shù)據(jù)服務(wù)接口與數(shù)據(jù)服務(wù)接口

接口設(shè)計是系統(tǒng)多種地理信息服務(wù)應(yīng)用實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的關(guān)鍵所在。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)接口基于OGC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,數(shù)據(jù)與服務(wù)通訊借助 URL來實現(xiàn),每個數(shù)據(jù)瓦片 tile通過一個URL來唯一定位。URL的結(jié)構(gòu)為:http:∥host[:port]/path[?{name=[value]&}][8]。本系統(tǒng)目前支持 DescribeTiles與 Get-Tile兩種操作。

DescribeTiles操作用于獲取服務(wù)元數(shù)據(jù),服務(wù)元數(shù)據(jù)描述了服務(wù)的信息內(nèi)容以及服務(wù)器可以接受的請求參數(shù)值。元數(shù)據(jù)的請求字符串為:

http:∥127.0.0.1/mapserver.dll?SERV ICE= WMS&VERS ION=＊&REQUEST=DescribeTiles。

返回結(jié)果采用 xml格式文檔來描述,基本元素包括:"WMS_DescribeTilesResponse","TiledLayer","TiledStyles","TiledFor mats","TiledDimension","Value","TiledCrs","TileMatrixSet","Tile-Matrix","NonEmptyString"等節(jié)點。

GetTile操作用于請求數(shù)據(jù),服務(wù)器會對應(yīng)返回符合URL請求參數(shù)的各種格式的地圖數(shù)據(jù)瓦片。本系統(tǒng)目前支持兩種基本的數(shù)據(jù)格式,png/jpeg圖片與柵格數(shù)據(jù)瓦片。其中 png/jpeg圖片主要用于顯示使用,而柵格數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)主要用于計算與三維建模?；菊埱蟾袷綖?http:∥127.0.0.1/ mapserver.dll??SERV I CE=WMS&VERS ION=＊&REQUEST=GetTile&LAYER=＊&STYLE=＊&CRS=＊&FORMAT=＊&SCALE=＊&T IME=＊&T ILEROW=＊&T ILECOL=＊。

五、系統(tǒng)測試與系統(tǒng)應(yīng)用

1.系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

在W indow XP/Server 2003環(huán)境下,通過配置IIS+SQL Server 2000集成運行環(huán)境,進(jìn)行系統(tǒng)壓力測試。測試結(jié)果參見表 1。

表1 壓力測試結(jié)果

從表 1分析可知,在一定并發(fā)量請求下,通過配置符合系統(tǒng)環(huán)境的數(shù)據(jù)庫連接池,系統(tǒng)具備以較高的服務(wù)性能響應(yīng)數(shù)據(jù)服務(wù)請求的能力。

2.系統(tǒng)應(yīng)用

目前該系統(tǒng)已經(jīng)在實際項目中部署應(yīng)用,可以同時為二維與三維應(yīng)用提供各種服務(wù)。在二維應(yīng)用中,可以通過OpenLayers(JavaScript編寫)在 IE中顯示瀏覽影像數(shù)據(jù)。在三維地理信息系統(tǒng)中,對外同時提供DEM與影像瓦片數(shù)據(jù)服務(wù),響應(yīng)速度良好。其中DEM數(shù)據(jù)用于顯示地形,影像數(shù)據(jù)在對應(yīng)地理位置進(jìn)行背景顯示。

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Study on Tile Service for Raster Data Based on ISAPI

KANG Xiaochen,ZHANG Yanling,YAN Haowen

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2010-01-19

多尺度地理空間相似關(guān)系計算模型及其在地圖自動綜合中的應(yīng)用研究(40871208)

亢曉琛(1983—),男,山西襄汾人,碩士生,主要從事網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)研究。