蘇小冰

（西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224）

1 引言

近年來(lái)，隨著操作系統(tǒng)的發(fā)展，Linux作為一個(gè)開(kāi)源的操作系統(tǒng)，擁有良好的安全性、可靠性和穩(wěn)定性，尤其在可靠性方面，Linux和很多商用的UNIX系統(tǒng)具有可比性。它比大多數(shù)的桌面操作系統(tǒng)更加的穩(wěn)定可靠，特別是作為Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器時(shí)，它的這一特點(diǎn)將會(huì)使它在眾多操作系統(tǒng)中脫穎而出。

與此同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）應(yīng)用程度的不斷深入和應(yīng)用范圍的逐漸擴(kuò)大，GIS正處于急劇變化與發(fā)展之中，WebGIS成為近年來(lái)GIS研究領(lǐng)域的一個(gè)前沿課題。如今已有很多基于Linux的WebGIS軟件，因此建立一個(gè)基于Linux的WebGIS平臺(tái)，把Linux的安全、穩(wěn)定可靠與WebGIS結(jié)合起來(lái)，有利于GIS軟件的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

2 常見(jiàn)的Web系統(tǒng)架構(gòu)

隨著Web技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)與服務(wù)處理分離、服務(wù)與數(shù)據(jù)分布式等變化，交互性能大大增強(qiáng)，其系統(tǒng)架構(gòu)也由原來(lái)的兩層架構(gòu)發(fā)展成為三層架構(gòu)乃至多層架構(gòu)（N－tier architecture）。多層架構(gòu)是在三層架構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)中間層進(jìn)行細(xì)分，對(duì)于典型的三層架構(gòu)，系統(tǒng)被劃分為：表示層（UI）、業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層（DAL）。表示層負(fù)責(zé)內(nèi)容的展現(xiàn)和與用戶的交互；業(yè)務(wù)邏輯層是表示層與數(shù)據(jù)訪問(wèn)層的橋梁，負(fù)責(zé)邏輯的判斷、業(yè)務(wù)處理、數(shù)據(jù)傳遞等；數(shù)據(jù)訪問(wèn)層完成所有與數(shù)據(jù)庫(kù)交互的操作。使用三層或多層架構(gòu)可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清楚，分工更明確，有利于后期的維護(hù)和升級(jí)。

目前，現(xiàn)有的WebGIS按照負(fù)載的輕重和處理性質(zhì)分為基于服務(wù)端的WebGIS模式和基于客戶端的Web-GIS模式?；诜?wù)端的WebGIS大部分都采用的是三層或多層架構(gòu)，GIS的絕大部分功能是在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，而基于客戶端的 WebGIS則采用插件技術(shù)（Plugin）模式、ActiveX模式和GIS Java Applet模式，GIS數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理功能在客戶端實(shí)現(xiàn)，對(duì)于一般應(yīng)用具有操作方便、靈活等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于處理大量數(shù)據(jù)和完成復(fù)雜的GIS空間操作能力有限。因此，本文主要探討基于服務(wù)端的WebGIS實(shí)施方案。

3 WebGIS軟件分析

當(dāng)前，支持Linux系統(tǒng)的商用WebGIS軟件已有很多，這類軟件提供了豐富的GIS功能，例如制圖、地圖查詢、地理編碼等空間分析功能，還附帶了WebGIS的管理和維護(hù)等工具，此外還為專業(yè)用戶提供了二次開(kāi)發(fā)的接口，比如ArcGIS Server為用戶提供用于空間數(shù)據(jù)管理、制圖、3D可視化和基于瀏覽器的編輯、地理處理、空間分析、建模等功能。對(duì)于開(kāi)發(fā)人員而言，提供的多層組件可用于為桌面、移動(dòng)客戶端、智能客戶端、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器和企業(yè)模式構(gòu)建和部署Java的應(yīng)用和服務(wù)。這類商業(yè)軟件功能強(qiáng)大、界面友好，但軟件和維護(hù)費(fèi)用高，有時(shí)受條件限制，不能選用。其實(shí)在Linux系統(tǒng)下，還有一些開(kāi)源的 WebGIS軟件做的也不錯(cuò)，比如 MapServer，它起源于明尼蘇達(dá)大學(xué)自然資源學(xué)系和NASA（美國(guó)航空航天局）合作的UMN ForNet項(xiàng)目。

MapServer是一套基于胖服務(wù)器端／瘦客戶端模式的實(shí)時(shí)地圖發(fā)布系統(tǒng)，客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器端實(shí)時(shí)的處理空間數(shù)據(jù)，并將生成的數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端。MapServer基于C語(yǔ)言，利用GEOS、OGR／GDAL對(duì)多種矢量和柵格數(shù)據(jù)的支持，通過(guò)Proj.4共享庫(kù)實(shí)時(shí)的進(jìn)行投影變換。同時(shí)，還集合PostGIS和開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)PostgreSQL對(duì)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和SQL查詢操作，基于ka－map、MapLab、Cartoweb和Chameleon等一系列客戶端JavaScript API來(lái)支持對(duì)地理空間數(shù)據(jù)的傳輸與表達(dá)，并且遵守OGC制定的 WMS、WFS、WCS、WMC、SLD、Gml和Filter Encoding等一系列規(guī)范，支持GNU／Linux等Unix系統(tǒng)、Windows及MacOS X等。

MapServer的工作流程如圖1所示：①用戶的訪問(wèn)的參數(shù)由 Apache Web Server傳遞給 MapServer；②MapServe收到Web Server傳送的參數(shù)時(shí)，先由參數(shù)所定義的文檔（Map File）中獲得空間數(shù)據(jù)的相關(guān)信息；③獲得空間數(shù)據(jù)信息后，向空間數(shù)據(jù)發(fā)出數(shù)據(jù)服務(wù)請(qǐng)求；④在得到相應(yīng)空間數(shù)據(jù)后，再把這些信息傳遞給MapS－erver；⑤MapServer通過(guò)空間變換等一系列處理后，由GD Graphics library將空間數(shù)據(jù)生成為PNG或JPG圖形；⑥圖形文件生成后，MapServer按照定義獲取指定的模版文檔（Template File），把相應(yīng)的圖形動(dòng)態(tài)的嵌入到html文檔中；⑦最后，將生成的符合瀏覽器標(biāo)準(zhǔn)的html文檔由Web Server將結(jié)果返回給客戶端。

圖1 MapServer工作流程

4 方案總體設(shè)計(jì)

經(jīng)以上分析，筆者提出一種基于Linux的WebGIS平臺(tái)方案，如圖2所示，前端模塊選擇Openlayers，A-pache提供WEB服務(wù)，MapServer提供地圖服務(wù)。

圖2 WebGIS平臺(tái)方案

OpenLayers是一個(gè)用于開(kāi)發(fā)WebGIS客戶端的JavaScript包。OpenLayers實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)地理空間數(shù)據(jù)的方法都符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，比如OpenGIS的WMS和WFS規(guī)范。在使用中通過(guò)OpenLayers.Layer.WMS可以直接調(diào)用 MapServer地圖服務(wù)，在操作方面，OpenLayers除了可以在瀏覽器中幫助開(kāi)發(fā)者實(shí)現(xiàn)地圖瀏覽的基本效果，比如放大（Zoom In）、縮?。╖oom Out）、平移（Pan）等常用操作之外，還可以進(jìn)行選取面、選取線、要素選擇、圖層疊加等不同的操作。甚至可以對(duì)已有的OpenLayers操作和數(shù)據(jù)支持類型進(jìn)行擴(kuò)充，為其賦予更多的功能。

WEB服務(wù)負(fù)責(zé)將復(fù)雜的GIS功能轉(zhuǎn)交給地圖服務(wù)器處理，并將地圖服務(wù)器處理后的結(jié)果返回給客戶端。提供WEB服務(wù)的Apache是世界使用排名第一的Web服務(wù)器軟件，它免費(fèi)、穩(wěn)定且性能卓越，可以運(yùn)行在幾乎所有廣泛使用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，由于其跨平臺(tái)和安全性被廣泛使用，是最流行的Web服務(wù)器端軟件之一。

MapServer提供地圖服務(wù)，前面也介紹了 MapS－erver的特點(diǎn)和工作流程，在MapServer工作過(guò)程中，MapFile文件很重要，它是MapServer唯一能夠識(shí)別的地圖配置文件，文件中包含了對(duì)數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)格式、用戶交互、相關(guān)規(guī)范的支持等描述信息。

地圖數(shù)據(jù)則可以靈活的選擇不同的存儲(chǔ)方式，MapServer自身支持多種矢量、柵格格式數(shù)據(jù)，比如ESRI的shapefile。此外MapServer還集合PostGIS和開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)PostgreSQL對(duì)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和SQL查詢操作。因此，可以根據(jù)不同的應(yīng)用進(jìn)行選擇地圖數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式。

關(guān)于開(kāi)發(fā)，可以使用 MapServer CGI模塊或 Map－Script模塊開(kāi)發(fā)WebGIS程序。利用MapServer CGI模塊開(kāi)發(fā)要準(zhǔn)備MapFile需要的資源，配置MapFile，設(shè)計(jì)用戶交互界面（即html文件，可以使用腳本語(yǔ)言，如JavaScript）。利用MapScript模塊就需要其他服務(wù)器端解決方案（指腳本語(yǔ)言），MapScript支持的語(yǔ)言有PHP、Perl、Python、Java、Tcl等，程序員在服務(wù)器端就可以使用這些語(yǔ)言通過(guò)調(diào)用MapScript的API靈活的進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

5 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于上述方案，筆者采用Ubuntu操作系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)配置了Mapfile文件，使MapServer能正確的發(fā)布地圖數(shù)據(jù)，并使用Openlayers連接訪問(wèn) MapServer，在瀏覽器中實(shí)現(xiàn)了地圖的放大、縮小、平移、距離度量、點(diǎn)查詢等基本功能，以及比例尺、鷹眼地圖、地圖單位等信息的顯示。

本方案所涉及的軟件全為免費(fèi)的開(kāi)源軟件，整體框架兼容OGC規(guī)范，可以方便地與其他支持WMS規(guī)范的系統(tǒng)進(jìn)行互操作。并且在使用中，整個(gè)系統(tǒng)能夠流暢的進(jìn)行各種操作，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。當(dāng)然本方案也由不足之處，在進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的時(shí)候，由于不同軟件支持的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言不同，如Openlayers使用JavaScript和html語(yǔ)言，MapServer使用PHP或Java等開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，因此復(fù)雜的二次開(kāi)發(fā)需要開(kāi)發(fā)人員掌握多種編程語(yǔ)言才能進(jìn)行熟練的開(kāi)發(fā)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出的方案成本低廉，系統(tǒng)架構(gòu)較易擴(kuò)展，支持多種數(shù)據(jù)源，對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用可以快速的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜的應(yīng)用也可通過(guò)二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于中小型Web－GIS系統(tǒng)或者研究都是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

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