基于Linux的WebGIS平臺架構方案

蘇小冰

（西南林業大學，云南 昆明 650224）

1 引言

近年來，隨著操作系統的發展，Linux作為一個開源的操作系統，擁有良好的安全性、可靠性和穩定性，尤其在可靠性方面，Linux和很多商用的UNIX系統具有可比性。它比大多數的桌面操作系統更加的穩定可靠，特別是作為Web服務器、數據庫服務器時，它的這一特點將會使它在眾多操作系統中脫穎而出。

與此同時，隨著計算機技術的快速發展，地理信息系統（GIS，Geographic Information System）應用程度的不斷深入和應用范圍的逐漸擴大，GIS正處于急劇變化與發展之中，WebGIS成為近年來GIS研究領域的一個前沿課題。如今已有很多基于Linux的WebGIS軟件，因此建立一個基于Linux的WebGIS平臺，把Linux的安全、穩定可靠與WebGIS結合起來，有利于GIS軟件的研究、開發和應用。

2 常見的Web系統架構

隨著Web技術的發展，出現了數據與服務處理分離、服務與數據分布式等變化，交互性能大大增強，其系統架構也由原來的兩層架構發展成為三層架構乃至多層架構（N－tier architecture）。多層架構是在三層架構的基礎上對中間層進行細分，對于典型的三層架構，系統被劃分為：表示層（UI）、業務邏輯層（BLL）和數據訪問層（DAL）。表示層負責內容的展現和與用戶的交互；業務邏輯層是表示層與數據訪問層的橋梁，負責邏輯的判斷、業務處理、數據傳遞等；數據訪問層完成所有與數據庫交互的操作。使用三層或多層架構可以使系統結構清楚，分工更明確，有利于后期的維護和升級。

目前，現有的WebGIS按照負載的輕重和處理性質分為基于服務端的WebGIS模式和基于客戶端的Web-GIS模式。基于服務端的WebGIS大部分都采用的是三層或多層架構，GIS的絕大部分功能是在服務器端實現，而基于客戶端的 WebGIS則采用插件技術（Plugin）模式、ActiveX模式和GIS Java Applet模式，GIS數據和數據處理功能在客戶端實現，對于一般應用具有操作方便、靈活等優點，但對于處理大量數據和完成復雜的GIS空間操作能力有限。因此，本文主要探討基于服務端的WebGIS實施方案。

3 WebGIS軟件分析

當前，支持Linux系統的商用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的管理和維護等工具，此外還為專業用戶提供了二次開發的接口，比如ArcGIS Server為用戶提供用于空間數據管理、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。對于開發人員而言，提供的多層組件可用于為桌面、移動客戶端、智能客戶端、網絡瀏覽器和企業模式構建和部署Java的應用和服務。這類商業軟件功能強大、界面友好，但軟件和維護費用高，有時受條件限制，不能選用。其實在Linux系統下，還有一些開源的 WebGIS軟件做的也不錯，比如 MapServer，它起源于明尼蘇達大學自然資源學系和NASA（美國航空航天局）合作的UMN ForNet項目。

MapServer是一套基于胖服務器端／瘦客戶端模式的實時地圖發布系統，客戶端發送數據請求時，服務器端實時的處理空間數據，并將生成的數據發送給客戶端。MapServer基于C語言，利用GEOS、OGR／GDAL對多種矢量和柵格數據的支持，通過Proj.4共享庫實時的進行投影變換。同時，還集合PostGIS和開源數據庫PostgreSQL對地理空間數據進行存儲和SQL查詢操作，基于ka－map、MapLab、Cartoweb和Chameleon等一系列客戶端JavaScript API來支持對地理空間數據的傳輸與表達，并且遵守OGC制定的 WMS、WFS、WCS、WMC、SLD、Gml和Filter Encoding等一系列規范，支持GNU／Linux等Unix系統、Windows及MacOS X等。

MapServer的工作流程如圖1所示：①用戶的訪問的參數由 Apache Web Server傳遞給 MapServer；②MapServe收到Web Server傳送的參數時，先由參數所定義的文檔（Map File）中獲得空間數據的相關信息；③獲得空間數據信息后，向空間數據發出數據服務請求；④在得到相應空間數據后，再把這些信息傳遞給MapS－erver；⑤MapServer通過空間變換等一系列處理后，由GD Graphics library將空間數據生成為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），把相應的圖形動態的嵌入到html文檔中；⑦最后，將生成的符合瀏覽器標準的html文檔由Web Server將結果返回給客戶端。

圖1 MapServer工作流程

4 方案總體設計

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

圖2 WebGIS平臺方案

OpenLayers是一個用于開發WebGIS客戶端的JavaScript包。OpenLayers實現訪問地理空間數據的方法都符合行業標準，比如OpenGIS的WMS和WFS規范。在使用中通過OpenLayers.Layer.WMS可以直接調用 MapServer地圖服務，在操作方面，OpenLayers除了可以在瀏覽器中幫助開發者實現地圖瀏覽的基本效果，比如放大（Zoom In）、縮小（Zoom Out）、平移（Pan）等常用操作之外，還可以進行選取面、選取線、要素選擇、圖層疊加等不同的操作。甚至可以對已有的OpenLayers操作和數據支持類型進行擴充，為其賦予更多的功能。

WEB服務負責將復雜的GIS功能轉交給地圖服務器處理，并將地圖服務器處理后的結果返回給客戶端。提供WEB服務的Apache是世界使用排名第一的Web服務器軟件，它免費、穩定且性能卓越，可以運行在幾乎所有廣泛使用的計算機平臺上，由于其跨平臺和安全性被廣泛使用，是最流行的Web服務器端軟件之一。

MapServer提供地圖服務，前面也介紹了 MapS－erver的特點和工作流程，在MapServer工作過程中，MapFile文件很重要，它是MapServer唯一能夠識別的地圖配置文件，文件中包含了對數據源、數據格式、用戶交互、相關規范的支持等描述信息。

地圖數據則可以靈活的選擇不同的存儲方式，MapServer自身支持多種矢量、柵格格式數據，比如ESRI的shapefile。此外MapServer還集合PostGIS和開源數據庫PostgreSQL對地理空間數據進行存儲和SQL查詢操作。因此，可以根據不同的應用進行選擇地圖數據的存儲方式。

關于開發，可以使用 MapServer CGI模塊或 Map－Script模塊開發WebGIS程序。利用MapServer CGI模塊開發要準備MapFile需要的資源，配置MapFile，設計用戶交互界面（即html文件，可以使用腳本語言，如JavaScript）。利用MapScript模塊就需要其他服務器端解決方案（指腳本語言），MapScript支持的語言有PHP、Perl、Python、Java、Tcl等，程序員在服務器端就可以使用這些語言通過調用MapScript的API靈活的進行開發。

5 系統的實現

基于上述方案，筆者采用Ubuntu操作系統，根據數據配置了Mapfile文件，使MapServer能正確的發布地圖數據，并使用Openlayers連接訪問 MapServer，在瀏覽器中實現了地圖的放大、縮小、平移、距離度量、點查詢等基本功能，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的開源軟件，整體框架兼容OGC規范，可以方便地與其他支持WMS規范的系統進行互操作。并且在使用中，整個系統能夠流暢的進行各種操作，系統運行穩定。當然本方案也由不足之處，在進行二次開發的時候，由于不同軟件支持的開發語言不同，如Openlayers使用JavaScript和html語言，MapServer使用PHP或Java等開發語言，因此復雜的二次開發需要開發人員掌握多種編程語言才能進行熟練的開發。

6 結語

本文提出的方案成本低廉，系統架構較易擴展，支持多種數據源，對于簡單的應用可以快速的開發實現，復雜的應用也可通過二次開發實現，對于中小型Web－GIS系統或者研究都是一個不錯的選擇。

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