GeoServer瓦片緩存機制研究

陽華 劉振宇 許文明

南華大學計算機科學與技術學院 湖南 421001

0 引言

GeoWebCache通過存儲(緩存)地圖圖片或瓦片，當它們被請求時，GeoWebCache致力于充當客戶端(OpenLayer或Google Maps)服務端(GeoServer或其他WMS服務)間的代理。GeoWebCache(GWC)是一個采用Java實現用于緩存WMS(eb Map Service)Tile的開源項目。當地圖客戶端請求一張新地圖和Tile時，GeoWebCache將攔截這些調用然后返回緩存過的Tiles。如果找不到緩存再調用服務器上的Tiles，從而提高地圖展示的速度，實現更好的用戶體驗。如圖1所示，服務器中藍色的柱體就是瓦片的倉庫。事實上，我們只需直接請求瓦片倉庫而不需要咨詢WMS服務，就可以拼湊出龐大的地圖，因為GeoWebCache每秒鐘可以應答成百上千的請求。

圖1 eoWebCache在架構中所處的位置

1 實現的關鍵技術

1.1 金字塔模型

對于Web而言，將矢量圖層渲染為柵格數據是一個昂貴的計算過程。如果矢量圖層并不是經常修改，這樣一次次重復描繪同樣的線條就是在浪費寶貴的CPU。當Google Maps推出瓦片地圖后，大一些的地圖網站紛紛效仿，都是預先渲染好標注得很完美的海量圖片，然后將這些大圖片分割為256*256像素的瓦片，這些瓦片很小，以致它們下載很快，它們的文件名不會改變，以致瀏覽器能快速緩存起來。

研究Google Maps可以發現，google地圖有0～17共十八級縮放比例，其瓦片大小為256*256，當0級比例尺為1:10000公里時，是一副循環的世界地圖圖片，以后每放大一級，比例尺增大一倍，在上一級的瓦片基礎上再一分為四個256*256的瓦片，分辨率也越來越高，顯示的內容越來越豐富，17級最豐富。這就是WebGIS中常用的金字塔模型，如圖2所示。

圖2 字塔模型

1.2 地圖切割原理

創建地圖緩存之前先要設計地圖，在實際應用中Web地圖通常包含底圖和功能性的專題圖層，需要對它們分別切割。GeoServer也可采用類似google同樣的切割方法，切割完的圖片按照 c_r.png的格式進行編碼命名，存儲于名為EPSG_投影編碼_s的文件夾中，s為比例尺級別；r為行號，c 為列號，0＜r＜2s，0＜c＜2s，第一行行號為 00，第一列列號為：00。其命名規則如圖3所示。

圖3 片分割命名規則

根據以上圖片切割編碼規則，可以得到如下換算公式來完成圖片像素坐標和實際地理坐標之間的換算關系：

（1）已知條件和變量：

① 已知待切地圖范圍：左上角坐標 (Xmin,Ymax)；右下角坐標 (Xmax,Ymin)。

② 已知切圖后圖片的高寬：width。

③ 地圖跨度： ΔX=Xmax-Xmin； ΔY=Ymax-Ymin。

④ 當前坐標：(X,Y) 。

⑤ 當前瓦片名：c_r.png，所在列cv= c；所在行rv=r；所在的文件夾名EPSG4326_b，比例尺級別loc=b。

⑥ 當前瓦片范圍：左上角坐標 (tileXmin,tileYmax)；右下角坐標 (tileXmax,tileYmin)。

（2）根據當前瓦片名稱計算當前瓦片范圍：（3）根據坐標和比例尺計算當前圖片所在的行列號：

（4）當前坐標在當前圖片上的像素坐標( , )pXpY：

1.3 一致性機制

一致性維護機制保證 Web緩存庫中的地圖信息與底層空間數據庫中的地圖信息一致，各Web緩存數據庫之間信息一致。具體的一致性維護是通過并行的兩步實現的。

第一，客戶端修改地圖，向服務器發出修改信息，Web服務器在完成修改后，會計算出此次請求所改動的圖片，于是向應用服務器請求并獲得更新的圖片，然后用新圖片替代緩存中的舊圖片，從而使當前緩存數據庫與底層空間數據庫中的信息一致。

第二，Web服務器感知信息，當應用服務器成功響應客戶的修改地圖請求后，應用服務器會通知各Web服務器，各Web服務器判斷此更改是否影響本地Web緩存，如果不影響就不處理該消息，否則就向應用服務器發送新的獲取地圖請求，將緩存中原有地圖圖片替換。

2 部署與訪問

由于GeoWebCache是一個采用Java實現用于緩存WMS Tile的開源項目，開源的GWC和Geoserver均滿足J2EE規范，發布的時候只需將geowebcache.war文件復制于tomcat的webapp目錄下，可修改tomcat端口為8088，以中國地圖Chinese為例，將一副中國地圖發布至 GeoServer后，修改tomcat下WEB-INF/class目錄下的geoserver.xml，添加如下xml：

＜wmsLayer＞

＜name＞China＜/name＞

＜mimeFormats＞＜string＞image/png＜/string＞＜/mimeFormats＞

＜!-- Grid Subset Example --＞

＜gridSubsets＞

＜gridSubset＞

＜gridSetName＞EPSG:4326＜/gridSetName＞

＜extent＞

＜coords＞

＜double＞73.447＜/double＞

＜double＞3.048＜/double＞

＜double＞135.086＜/double＞

＜double＞53.558＜/double＞

＜/coords＞

＜/extent＞

＜/gridSubset＞

＜/gridSubsets＞＜

wmsUrl＞

＜string＞http://localhost:8080/geoserver/wms＜/string＞

＜/wmsUrl＞

＜wmsLayers＞Chinese:bou2_41＜/wmsLayers＞

＜transparent＞false＜/transparent＞

＜bgColor＞0x0066FF＜/bgColor＞

＜expireCacheList＞

＜expirationRule minZoom="0" expiration="60" /＞

＜/expireCacheList＞

＜expireClientsList＞

＜expirationRule minZoom="0" expiration="500" /＞

＜/expireClientsList＞

＜/wmsLayer＞

在geowebcache目錄下新建Chinese.html，加入如下客戶端訪問代碼：

var map, layer;

function init(){

map = new OpenLayers.Map('map');

var bounds = new OpenLayers.Bounds(73.447,3.408,135.086,53.558);

layerpublic = new OpenLayers.Layer.WMS( "china",

"http://localhost:8088/geowebcache/service/wms?layers=China",

{

layers: 'China',

format: 'image/png',

tiled: false,

transparent: true

},

{

reproject: true,isBaseLayer: true

}

);

map.addLayer(layer);

map.zoomToExtent(bounds);

}

打開瀏覽器，輸入http://localhost:8088/geowebcache/Chinese.html，就可以訪問一副由瓦片構造的中國地圖了。

3 結語

目前，WebGIS整合Ajax客戶端的技術日趨成熟，客戶端框架也逐漸增多，隨著空間地圖數據的日益增多，空間交互也變得越來越復雜，單獨依賴開源的客戶端和成熟的WebGIS服務已經不能滿足大型 WebGIS系統開發的要求，所以在開發過程中需要整合第三方平臺，實現更高效的開發，本文通過對瓦片金字塔的創建、內部原理、發布等關鍵技術的描述，對多平臺整合有一定的幫助。

[1]GeoWebCache Documention[EB/OL]. http://geowebcache.org/docs/current/ntroduction/whatis.html.

[2]Scott Davis,蔣波濤譯.GIS for Web Developers[M].北京:電子工業出版社.2008.

[3]殷福忠,孫立民.基于瓦片金字塔技術的地圖發布平臺開發研究[J].測繪與空間地理信息.2010.

[4]張俊麗,李艷明,李欣.WebGIS地圖圖片緩存技術研究[J].微計算機信息.2009.