童凌飛, 王 剛 ,關 穎

（1.江西理工大學 建筑與測繪工程學院,江西 贛州 341000；2.廣東省國土資源測繪院 ，廣東 廣州 510500）

隨著Internet技術的不斷發(fā)展,尤其是吸納網(wǎng)絡服務模式和互操作標準以后，我們可以利用Internet在Web上發(fā)布和出版空間數(shù)據(jù),提供地理信息服務,為用戶提供空間數(shù)據(jù)瀏覽、查詢和分析功能的WebGIS。利用WebGIS來發(fā)布空間數(shù)據(jù)，能夠最大限度地為用戶提供更加直觀、完善的空間數(shù)據(jù)資源[1]。

1 空間數(shù)據(jù)發(fā)布存在的問題

互聯(lián)網(wǎng)與地理信息系統(tǒng)的結(jié)合能有效改善地理空間信息的獲取、共享、發(fā)布與分析。采用現(xiàn)有技術實現(xiàn)的WebGIS系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)所需的功能，但由于各基礎平臺之間相互封閉、獨立，導致一個系統(tǒng)所產(chǎn)生的地理空間數(shù)據(jù)不能被另一個系統(tǒng)所使用；同樣一個系統(tǒng)的服務功能也不能為另一個系統(tǒng)使用，這種狀況的產(chǎn)生嚴重阻礙了空間數(shù)據(jù)的共享與互操作。GML技術為解決這一問題提供了一種有益的思路[2]。因此，開放地理信息系統(tǒng)聯(lián)盟(Open GIS Consortium,OGC)制定了基于XML的獨立于任何廠商和任何系統(tǒng)平臺的地理信息編碼規(guī)范——地理標識語言(Geography Markup Language,GML)[3]，用于地理信息的傳輸、存儲和發(fā)布。

2 改進的空間數(shù)據(jù)發(fā)布體系

2.1 空間數(shù)據(jù)發(fā)布模型中的關鍵技術

2.1.1 GML

GML是為了解決不同來源、不同內(nèi)容、不同數(shù)據(jù)模型以及不同數(shù)據(jù)格式的空間數(shù)據(jù)的共享與互操作而由OGC制定的一個基于XML和OpenGIS“簡單要素”(Simple Feature)數(shù)據(jù)模型的空間數(shù)據(jù)交換格式。其主要用于空間數(shù)據(jù)的編碼、轉(zhuǎn)換和傳輸，以一種互聯(lián)網(wǎng)上容易共享的方式來描述、表達地理要素的空間與非空間屬性[3]。

GML已經(jīng)被公認為GIS數(shù)據(jù)共享和互操作的技術標準，它將地理數(shù)據(jù)與表現(xiàn)完全分開，可實現(xiàn)業(yè)務邏輯服務鏈，而且支持復雜的數(shù)據(jù)分布關系，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的鏈接關系，為實現(xiàn)在WebGIS環(huán)境下地理空間信息的共享和互操作、跨平臺數(shù)據(jù)訪問和在分布式體系中運作提供了強大的支持。但是，由于在GML開發(fā)過程中嚴格遵循數(shù)據(jù)和表達分離的準則，所以沒有構建GML數(shù)據(jù)描述和可視化的機制，正是由于在表達空間信息方面的不完善才使得它需要與SVG結(jié)合互為補充，使地理空間數(shù)據(jù)的傳送和顯示變得簡單有效。

2.1.2 SVG

可縮放矢量圖形 (Scalable Vector Graphic，SVG)是W3C制定的一套基于XML的用于描述二維矢量圖形和矢量/點陣混合圖形的標記語言規(guī)范。SVG的功能包括嵌套變換、路徑剪裁、透明度處理、濾鏡效果以及其他擴展[4]。SVG的純文本特性, 使它具備了像文字信息一樣的可檢索性, 從而實現(xiàn)了對Web圖形的檢索。同時SVG圖像可以包含支持交互的腳本代碼，通過事件來控制腳本的執(zhí)行。SVG中大多數(shù)元素(尤其是可視化元素)都支持諸如onClick事件和onMouseover事件，通過編程來實現(xiàn)和用戶的動態(tài)交互，以增強顯示層的交互能力。

SVG的優(yōu)點是很明顯的，可任意放大縮小而不會影響地圖圖像的質(zhì)量；SVG文本中的信息可以很容易地被查詢和修改，實時地更新圖像內(nèi)容；SVG文件較小，易于在Internet上快速傳輸和下載。當然SVG也有缺點，因為它主要是用來瀏覽矢量數(shù)據(jù)的，所以目前的SVG不支持拓撲結(jié)構、地理坐標系統(tǒng)以及3D數(shù)據(jù)。但是，SVG的提出對充斥著大量圖形圖像等多媒體信息的互聯(lián)網(wǎng)來說應當是一個解決網(wǎng)絡帶寬日益緊張的方案,所以OGC在定義WMS時可把SVG文件作為Web地圖服務的一個基本的文件格式[5，6]。

2.1.3 Ajax

Ajax(Asynchronous JavaScript and XML)包含了JavaScript、XHTML、CSS、DOM、XML、XSLT 和XMLHttpRequest 等7種技術[7]。它主要通過CSS、XHTML、DOM來表現(xiàn)網(wǎng)頁的內(nèi)容和樣式；通過XMLHttpRequest對象進行客戶端與服務器端的異步通信；通過JavaScript處理相關業(yè)務邏輯。這種在設計和編程上將內(nèi)容、表現(xiàn)、業(yè)務和數(shù)據(jù)分層的開發(fā)模式給用戶帶來了一種全新的交互體驗，提高了Web的應用性能。在基于Ajax的Web應用模式下，在用戶向服務器提交請求的同時，Ajax引擎在后臺異步運行，用戶無需等待服務器的處理而仍然可以對網(wǎng)頁的其他部分進行操作，當請求的數(shù)據(jù)返回時，只需對網(wǎng)頁中部分內(nèi)容進行必要的修改處理就能呈現(xiàn)給用戶，不用重新加載整個網(wǎng)頁，從而減少了網(wǎng)絡的延遲，使用戶的交互連續(xù)順暢。

2.1.4 Oracle Spatial

Oracle為空間數(shù)據(jù)提供了一種完全開放、高度集成的體系結(jié)構——Oracle Spatial。Oracle Spatial支持OpenGIS規(guī)范，它可以把復雜的地圖對象作為一個對象存入一個關系數(shù)據(jù)庫表的一列中，相關的屬性數(shù)據(jù)存儲在這個表的其他列中，同時建立空間數(shù)據(jù)索引，從而實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的一體化存儲和管理，也使得Oracle Spatial直接對空間對象的查詢成為現(xiàn)實。Oracle Spatial支持對空間對象的兩步查詢機制，可以對空間對象實現(xiàn)高效的查詢。此外，結(jié)合SQL語句可以實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的查詢和其他復雜的空間分析功能，在發(fā)布體系中將會提高對空間對象的管理能力。

2.1.5 地圖切片技術

當前主流的WebGIS應用，如GoogleMaps、E都市等都采用切片技術將一整幅地圖圖像分割成許多小的地圖切片平鋪在客戶端制圖區(qū)域。利用地圖切片組織地圖減輕了網(wǎng)絡負擔，增強了用戶體驗。采用Ajax技術后使得每個地圖切片會自行從服務器上異步下載到客戶端，客戶端并不需要一次性載入所有切片，僅下載可見區(qū)域內(nèi)的切片，而且，緩存它們后不用重復下載，從而減少了用戶的等待時間，改善了用戶體驗；同時采用地圖切片技術也減輕了服務器的負擔。

2.2 空間數(shù)據(jù)發(fā)布服務的模型

單純的瘦客戶端模式和胖客戶端模式都存在著明顯的不足[1]： 對于瘦客戶端，當客戶端需要頻繁地傳輸空間數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)的執(zhí)行效率將會受到帶寬和網(wǎng)絡流量的制約，降低了系統(tǒng)的執(zhí)行效率；對于胖客戶端，系統(tǒng)的執(zhí)行效率主要受到客戶端運算能力的限制，當處理需求和處理能力之間發(fā)生矛盾時，整個系統(tǒng)的執(zhí)行效率也將大大降低。因此，一種比較理想的方法是將2種模式的優(yōu)點結(jié)合在一起，構成一種混合模式來解決這些問題。首先，考慮到傳統(tǒng)GIS軟件采用混合結(jié)構模型來存儲空間數(shù)據(jù)的固有缺陷，以及商業(yè)WebGIS平臺受網(wǎng)絡帶寬的限制影響空間數(shù)據(jù)的高效傳輸，其次考慮到要充分利用GML編碼在數(shù)據(jù)交換、傳輸、集成和互操作方面的優(yōu)勢，再考慮平衡客戶端和服務器端的負載，以及解決海量地理信息的訪問而造成空間數(shù)據(jù)庫并發(fā)訪問的巨大壓力，本發(fā)布模型加入了對基于分級緩存地圖的切片式地圖的OGC服務方式的支持，結(jié)合GML、SVG、WMTS、WMS、WFS等應用提出了一個由顯示層、業(yè)務邏輯層、OWS服務層和數(shù)據(jù)存儲層組成的多層次的空間數(shù)據(jù)發(fā)布服務體系。模型系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

圖1 空間數(shù)據(jù)發(fā)布服務模型

發(fā)布模型的顯示層由用戶瀏覽器和Ajax引擎組成；業(yè)務邏輯層由Web服務器和GIS Web服務器組成；OWS服務層包括WMS/WMTS服務、WFS服務、WCS服務以及其他的空間數(shù)據(jù)處理服務；數(shù)據(jù)存儲層由GIS空間數(shù)據(jù)庫、矢量柵格數(shù)據(jù)文件和切片地圖緩存文件組成，各自的功能分別闡述如下：

顯示層：它負責用戶的請求和數(shù)據(jù)的輸入，實現(xiàn)與業(yè)務邏輯層的連接通信。它可以顯示圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，響應用戶的交互操作請求，可提供空間查詢功能，支持對地理對象的訪問，負責與業(yè)務邏輯層通信。

業(yè)務邏輯層：業(yè)務邏輯層的Web服務器是顯示層進入服務層的入口。Web服務器為客戶端提供地圖數(shù)據(jù)訪問與轉(zhuǎn)換接口，而GIS Web服務器主要響應Web服務器的數(shù)據(jù)請求，協(xié)調(diào)與Web服務器的交互通信；組織訪問數(shù)據(jù)服務器端的空間數(shù)據(jù)。根據(jù)Web服務器的空間數(shù)據(jù)服務請求通過SOAP或RESTful Web Services調(diào)用OWS服務層中相應的服務模塊。

OWS服務層：為業(yè)務邏輯層提供了OGC服務模塊的服務接口，以方便服務的訪問。為了形成較為完善的系統(tǒng)功能，各個服務模塊需要相互協(xié)作通信。為響應GIS Web服務器的服務請求，相應的服務模塊通過各自的數(shù)據(jù)源API訪問空間數(shù)據(jù)庫和相關數(shù)據(jù)文件，提取所需的數(shù)據(jù)并編碼成GML的格式回傳給服務模塊，服務實現(xiàn)后部署到GIS Web服務器上，對外提供地理信息服務。

數(shù)據(jù)存儲層：它是整個系統(tǒng)結(jié)構的數(shù)據(jù)源，存儲著地理信息數(shù)據(jù)，包括屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)。對于XML編碼的數(shù)據(jù)，可以通過XSLT將其轉(zhuǎn)化為GML文檔；對于非XML編碼的數(shù)據(jù)，可以通過GML轉(zhuǎn)換引擎直接轉(zhuǎn)換為GML。由此可見，GML是實現(xiàn)多源異構空間數(shù)據(jù)共享的關鍵所在。同時數(shù)據(jù)層還提供基于瓦片式地圖服務的切片地圖緩存文件，為OWS服務層中的WMS/WMTS提供數(shù)據(jù)源。此外，數(shù)據(jù)層還支持來自服務層對數(shù)據(jù)的更新和刪除等操作。

2.3 空間數(shù)據(jù)發(fā)布服務模型的工作機理

首先在用戶請求GIS服務之前，OWS服務層的各項服務都事先通過GML編碼的方式注冊到服務注冊中心，經(jīng)由服務注冊中心向顯示層公開發(fā)布，顯示層通過Ajax引擎進行服務的發(fā)現(xiàn)搜索和綁定，向服務層請求所需的服務。發(fā)布體系中，用戶操作瀏覽器可以通過Ajax引擎或者直接向Web服務器發(fā)送XMLHTTP或HTTP請求。

如果瀏覽器發(fā)出的是普通的HTTP請求，Web服務器收到請求后，對于非GIS功能的請求，服務器獨立處理完成后再將處理結(jié)果返回顯示層；對于GIS功能的請求，Web服務器經(jīng)過處理向GIS Web服務器發(fā)出空間數(shù)據(jù)服務請求。GIS Web服務器對該請求進行分析處理：當空間數(shù)據(jù)請求是一般的空間數(shù)據(jù)請求時，GIS Web服務器直接將向數(shù)據(jù)存儲層發(fā)出請求，數(shù)據(jù)存儲層接受請求并做出響應；當空間數(shù)據(jù)請求是OGC形式的服務時，GIS Web服務器將通過SOAP或RESTful Web Services調(diào)用OGC服務，通過服務層每一個服務模塊提供的服務接口訪問相應的服務模塊，再由服務模塊各自的數(shù)據(jù)源API訪問數(shù)據(jù)存儲層以獲取數(shù)據(jù)源信息。數(shù)據(jù)層以GML/XML編碼文件返回給OWS服務層的對應的服務模塊，服務模塊在完成服務之后再交給GIS Web服務器做分析處理，利用XSLT技術將GML文檔轉(zhuǎn)化成SVG文件后，返回給Web服務器，Web服務器再將請求結(jié)果以SVG文檔的形式返回給瀏覽器呈現(xiàn)。

2.4 空間數(shù)據(jù)發(fā)布服務的關鍵步驟

上述模型的工作機理涉及到的關鍵步驟有：顯示層瀏覽器的地圖瀏覽，業(yè)務邏輯層與顯示層之間的通信，對GML文檔的解析，其他GIS數(shù)據(jù)格式到GML文檔的轉(zhuǎn)換，GML到SVG的轉(zhuǎn)換等。

1）GML空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換?；贕ML的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原理就是將多源異構的空間數(shù)據(jù)利用GML的統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)模型來描述[8]，所以應將數(shù)據(jù)層中其他GIS格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GML格式，保存到文件流中，以便數(shù)據(jù)服務層能對GIS應用服務器層數(shù)據(jù)請求做出響應。解決空間數(shù)據(jù)向GML格式數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換的關鍵是對空間數(shù)據(jù)類型的解析，其實質(zhì)是解析出其他數(shù)據(jù)格式(如shapefile)的地理要素信息，根據(jù)它與GML幾何模型之間的對應關系構建GML數(shù)據(jù)模型。

2） 業(yè)務邏輯層與顯示層之間的通信。它是通過GML文檔來實現(xiàn)的，需要定義一個用于傳輸信息的基于XML的通信協(xié)議，通過在業(yè)務邏輯層與顯示層之間的請求和響應來形成通信。客戶端與服務器端的通信也可以用SOAP協(xié)議，客戶端通過SOAP協(xié)議來調(diào)用服務器的服務組件接口。

3）GML到SVG的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。GML文檔實質(zhì)上是包含空間信息的XML文檔，基于上述分析可知，要將地理信息發(fā)布出去，就要將GML文檔轉(zhuǎn)換為合適的圖形格式文件——SVG。因為SVG也是基于XML的，所以GML文檔到SVG的轉(zhuǎn)換實質(zhì)上是將一種格式的XML文檔轉(zhuǎn)換成另一種格式的XML文檔[9]。將GML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SVG數(shù)據(jù)要實現(xiàn)坐標轉(zhuǎn)換、空間數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換和圖層轉(zhuǎn)換，可以使用XSLT來轉(zhuǎn)換。XSLT定義了一套規(guī)則，用以描述GML元素和SVG元素之間存在的對應關系，這套規(guī)則就是XSLT樣式表，XSLT處理器按照這些規(guī)則編輯GML源文件“**.gml”，再實施轉(zhuǎn)換，將GML元素中的幾何模型轉(zhuǎn)換為SVG圖形。利用XSLT將GML幾何模型對象轉(zhuǎn)換成SVG對應的對象的過程如圖2所示。

4）SVG與顯示層的動態(tài)交互。盡管SVG具有很強的圖形交互功能，可滿足一般圖形操作的需要，但對于地圖的顯示和操作，還需要對其功能進行擴充。由于DOM提供了對SVG文檔進行操作的接口，因此，就為功能的擴充奠定了良好的基礎[9，10]，但要利用這些接口來操作SVG文檔中的元素必須使用JavaScript腳本語言。將JavaScript腳本嵌入到SVG地圖文檔中，通過改變SVG文檔中對象的屬性、響應對象的時間以實現(xiàn)用戶與地圖之間的交互。除了實現(xiàn)一般數(shù)字地圖的顯示功能之外，采用JavaScript還可以進行SVG地圖的圖層控制、地圖坐標的顯示、地圖投影的變化以及地圖對象的屬性查詢等，另外通過外部腳本還可完成與業(yè)務邏輯、數(shù)據(jù)庫、Ajax引擎調(diào)用相關的操作。

圖2 GML對象轉(zhuǎn)換成SVG對象

3 結(jié) 語

本文通過分析空間數(shù)據(jù)發(fā)布中存在的問題，提出了一種改進的基于GML的空間數(shù)據(jù)發(fā)布模型，將SVG和GML應用于網(wǎng)絡的空間數(shù)據(jù)發(fā)布，克服了原有空間數(shù)據(jù)存儲、矢量數(shù)據(jù)的傳輸和顯示問題，是空間信息系統(tǒng)發(fā)布的新發(fā)展方向；同時充分考慮了發(fā)布體系結(jié)構的完善性，加入了OGC形勢的WMS、WFS以及切片地圖等服務模塊。由于地理空間數(shù)據(jù)的復雜性，本文還有許多不成熟的地方，如在空間數(shù)據(jù)發(fā)布過程中，還存在網(wǎng)格理論、多序列特征數(shù)據(jù)的發(fā)布問題；為了實現(xiàn)空間信息網(wǎng)上分析功能，還需要解決其在可視化過程中的拓撲關系和坐標系定義等。

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