QuickMap網絡地圖服務平臺設計與實現

劉昱君，談 帥，劉 杰

(江蘇省基礎地理信息中心，江蘇南京210013)

一、引 言

隨著經濟社會的發展，越來越多的政府部門認識到GIS在日常管理中的重要作用，測繪地理信息部門的服務范圍橫向上從國土、公安、交通等強GIS行業向文化、教育等中、弱GIS行業拓展，縱向上從省級廳局向市縣級局辦延伸。這樣的延伸與拓展使測繪地理信息服務部門面臨著一些之前未遇到的問題：

首先，項目經費問題。以往GIS項目以滿足強GIS應用需求為導向，強GIS部門的應用一般和單位的核心業務流程密切相關，對GIS系統的功能、穩定性要求非常高，領導往往非常重視也愿意投入較多的經費開發。而中、弱GIS部門的應用由于處于起步階段，領導重視程度不一，經費投入往往不足。這就導致之前一直采用的基于GIS平臺軟件定制開發的模式相對于中、弱GIS部門的投入過于龐大。

其次，數據來源問題。目前GIS項目呈現綜合化趨勢，現勢性要求越來越高，尤其是目前正在開展的“天地圖”項目建設，需要豐富、翔實，貼近用戶生活的地理信息。作為基礎測繪部門，這類興趣點數據并不在采集范圍之內，而且這類信息每天都在變化，如何高效地獲取每日更新的現勢數據是對GIS應用部門的挑戰。

再次，快速開發、靈活部署問題。隨著GIS應用的深入，客戶的要求越來越高，往往從項目啟動到部署運行只給一至兩個月時間。這要求開發人員對GIS平臺有著極深入的了解，碰到問題能夠快速解決，然而，GIS平臺廠商從自己的商業利益出發，不可能把底層技術透露太多給應用開發商，經常導致整個項目因為一兩個問題被拖延。而且，目前主流的大型GIS平臺過于龐大，系統開發完成后部署復雜，非常容易出問題。

基于以上幾個原因，筆者所在單位決定研發具有自主知識產權的網絡地圖服務平臺軟件。

二、研發內容

1)研發互聯網地理信息挖掘工具，針對各類互聯網地圖服務網站、商業務網站以及房產服務網站等編寫對應的數據提取算法，并將興趣點數據按照“天地圖”興趣點分類標準進行分類。

2)研發QuickMap Server軟件，支持 Shapefile、PostGIS、MySQL、Oracle等多種矢量數據源，支持Grid、Image等多種柵格數據源，提供簡單的空間數據分析服務功能，支持 WMS、WFS、WCS、WMTS等“天地圖”技術規范所指定的服務標準。

3)研發QuickMap Console軟件，支持多種矢量、柵格數據存儲格式，功能包括數據管理、數據入庫、空間數據可視化查詢、交互式符號化與專題制圖、地圖服務發布、地圖服務管理等，該軟件可集成互聯網地理信息挖掘工具的功能，還可以作為插件與軟件開發工具集成，組成WebGIS項目生命周期管理軟件。

4)研發QuickMap Application二次開發包，封裝QuickMap Server服務調用接口，設計方便、實用的WebGIS控件，便于快速搭建WebGIS應用，提供基于插件架構的Web客戶端框架，方便擴展客戶端功能。

三、技術方案

QuickMap網絡地圖服務平臺中采用了分層設計和插件設計相結合的架構，其中GIS核心組件采用分層架構設計，QuickMap Server與QuickMap Console復用 GIS核心組件。QuickMap Server、Quick-Map Console、QuickMap Application應用模版均采用插件式設計，針對桌面軟件、服務端軟件及Web客戶端分別開發插件式框架，實現3個軟件的靈活擴展。

1.系統架構

(1)GIS核心組件架構

GIS核心組件是QuickMap網絡地圖服務平臺的基石，主要提供空間數據訪問、空間數據渲染等GIS功能，該組件采用3層架構，即數據訪問層、數據模型層以及數據渲染層：

1)數據訪問層：該層定義了一組數據訪問接口，并針對不同的數據的存儲方式實現了這些接口，屏蔽了不同數據源的差別。

2)數據模型層：該層定義了統一要素訪問接口，屏蔽不同邏輯設計的空間數據的差異，上層應用人員只需要調用要素訪問接口而不需要知道具體要素類的設計。

3)數據渲染層：在統一數據模型基礎上，提供符號化、專題制圖接口，并將制圖結果繪制于屏幕、內存繪圖設備、圖片文件中。

(2)插件式架構設計

插件式架構相對于組件式具有更強的靈活性和擴展性，在對功能進行修改和擴充時不需要對整個系統進行重新編譯，只需要覆蓋舊的插件文件或者注冊新的插件即可完成系統的升級和功能擴展。插件式架構包括如下幾個部分。

1)插件框架：插件框架定義了一組應用程序核心與插件的通信契約，插件功能必須實現這些契約，在軟件運行的時候系統通過契約調用對應的插件。

2)插件配置持久化組件：該組件在系統啟動時讀取存儲在數據庫或者文件中的插件清單，按照一定的結構生成插件注冊表，并將插件功能映射到對應的界面元素的交互事件處理中。

3)插件運行時管理組件：該組件負責插件運行生命周期管理，插件配置持久化組件生成插件注冊表后，該組件根據配置信息通過反射等動態對象生成技術創建插件對象，并在插件不再使用時負責卸載插件并銷毀。

2.關鍵技術

(1)互聯網地理信息挖掘技術

本平臺開發的數據挖掘工具通過對多個互聯網站點的挖掘，提取興趣點數據，對這些原始數據按照“天地圖”國家節點查詢服務的分類標準進行分類和投影轉換，使其精度和坐標系符合“天地圖”建設的要求。具體流程如下：

1)依據“天地圖”國家節點提供的興趣點的類型，分析多個互聯網站點所能提供的信息，將興趣點分為普通興趣點，商住樓、住宅小區，公交站點、路線3類。其中，普通興趣點從主流互聯網地圖服務網站獲取;商住樓、住宅小區從大型互聯網房產服務站點獲取;公交站點、路線則通過對公交服務網站和互聯網地圖服務網站綜合挖掘獲取。

2)分析各個互聯網站點相關功能的后臺服務接口，按照請求方法將服務分為POST方式和GET方式兩類，按照結果返回的格式又進一步劃分XML返回方式和JSON返回方式，針對不同的請求方式、結果返回格式編寫不同的請求和解析算法。將不同來源的興趣點解析成統一的格式。

3)對重復的興趣點進行歸并后對興趣點數據進行分類。

4)分析不同互聯網站點所使用的網絡地圖的坐標系統，以縣、區為單位將興趣點投影到1980西安坐標系和CGCS2000坐標系。

(2)空間數據訪問技術

目前空間數據存儲格式非常多，常見的有Shapefile、Oracle、PostGIS、SQL Server等，它們對空間數據存儲組織方式也各有不同，如Shapefile空間數據和屬性數據存儲在不同的文件中，Oracle、SQL Server除了支持標準的SQL語言外還擁有各自特有SQL語言，此外這兩種數據庫既可以像ArcSDE那樣將一個要素類分別存儲在幾個表中，也可以將空間數據和屬性數據存儲在一個數據表中。因此本平臺設計了統一的數據訪問層和數據模型層，屏蔽各種存儲格式的差別，設計方案如下：

1)在開發數據訪問層時，主要使用了提供者模式(provider pattern)的設計思想，設計 IProvider接口，定義了空間數據庫常用的操作，包括屬性查詢、空間查詢、查詢要素的數目、查詢對象ID，以及獲取空間參考信息等。

2)針對不同的文件、數據庫編寫對應的數據訪問類，這些類都實現了IProvider接口，這樣上層開發人員在對數據進行操作時不需要知道實際的數據訪問類，只需要調用IProvider接口。

3)為了屏蔽空間數據與屬性數據分離存儲與集中存儲的區別，平臺設計了FeatureDataTable、FeatureDataRow等類型，在邏輯上實現空間數據與屬性數據一體化訪問，從用戶的角度來看IProvider只對Feature操作，而不是針對某個表或者文件。

(3)空間數據可視化技術

空間數據可視化采用了與設備無關的設計方案，針對符號化與專題制圖的需求定義了一系列的接口方便用戶使用，設計方案如下：

1)設計IStyle接口，該接口定義了顯示的最大、最小比例尺等最通用的符號化信息，實現它的類型則包含了線型、填充樣式等具體的符號化信息。

2)設計ITheme接口，該接口定義了根據要素屬性信息獲取IStyle對象的方法，即實現該接口的類需實現專題制圖算法，系統調用ITheme接口來獲取專題圖中每個地理要素的符號化信息。

3)設計Renderer類，該類根據獲取的IStyle對象，應用IStyle對象中定義的線型、填充樣式等信息將要素繪制在內存中的位圖對象中。

4)根據不同的需求將Renderer繪制的內存中的位圖輸出到不同的設備上，如桌面軟件則輸出到屏幕，網絡地圖服務器則通過HttpHandler輸出為二進制流，以實現地圖服務。

(4)地理信息服務化技術

地理信息服務化技術需要解決的問題是在空間數據訪問組件、空間數據可視化組件基礎上如何通過標準的Web服務接口對外提供空間數據的查詢服務和地圖服務，在這方面本平臺采用了如下的方案：

1)分析 OGC規范中的 WMS、WFS、WCS、WMTS等服務的各種操作及其對應的參數，將不同的操作請求封裝為不同的Operation類型并實現，這些Operation調用空間數據訪問組件及空間信息可視化組件來完成所請求的功能。

2)設計調度器Dispatcher類型，解析客戶端發送過來的請求，提取其操作參數及其他參數，創建對應的Operation并執行。

3)將Operation執行的結果寫入服務器響應，完成服務操作。

(5)地理信息服務負載均衡技術

為了保證地理信息服務可用性與性能，平臺采用了多種負載均衡設計，具體方案如下：

1)將不同級別的瓦片、不同的地理信息服務運行于不同的計算機集群中，避免服務集中、訪問集中的情況。

2)對于同一個服務建立多個集群，使用不同的域名，增強可用性與性能。

3)QuickMap Application二次開發包內置了客戶端負載均衡算法，主動避免每次都訪問同一個域名中的服務。

四、應用情況

1.在電子政務方面

于2010年12月完成的“江蘇省水利地理信息系統”采用了本項目中QuickMap Application二次開發模板中的插件式客戶端框架，實現了多源地理信息服務聚合，系統具有靈活的擴展性。該項目被鑒定為處于國際先進、國內領先水平。

基于QuickMap平臺開發的“江蘇省第三次全國文物普查不可移動文物管理信息系統”于2011年12月通過江蘇省文物局組織的專家組的驗收，專家組認為該系統利用自主知識產權軟件開發的系統界面設計、數據挖掘、分類專題統計等方面的功能具有創新，達到了國內先進水平。

基于本平臺開發的“南京文物管理信息系統”已經開發完成，系統實現了文物查詢、統計圖表生成、考古勘探發掘申報表生成、文物空間位置以及屬性信息修改等功能。

基于本平臺開發的“江蘇省廣播電影電視局數字電影流動放映監管系統”實現了按市、縣、院線對放映電影的內容、廣告內容、場次的監管，提供了電影放映機的歷史軌跡回放等數字電影流動放映監管工作中所需要功能。

以上應用系統有力地支持了相關業務部門的日常管理工作，提高了業務管理水平和工作效率，有的行業實現了從紙質媒體向信息化管理跨越。

2.在公共服務方面

基于本平臺開發的“天地圖·武進”實現了“天地圖”所規定的服務和功能之外，還通過本平臺的數據挖掘工具采集了團購信息、房產市場信息以及公交站點、路線信息等，豐富了“天地圖”服務的內容。

五、結束語

QuickMap網絡地圖服務平臺作為筆者所在單位自主研發的基礎GIS軟件，其功能、性能能夠滿足大多數非專業GIS應用部門對空間地理信息服務發布與應用開發的需求，在弱、中型WebGIS應用中完全可以替代商業GIS軟件，具有廣闊的應用前景。

下一步，本平臺將圍繞地理信息公共服務平臺、“天地圖”等項目建設，進一步增加適用的功能，改進其性能并將其打造為市縣級地理信息公共服務平臺的核心軟件。

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