基于WebGis的態勢表達解決方案探討

劉讓國 彭會湘 陳莉

（中國電子科技集團公司第五十四研究所河北石家莊050081）

1 引言

WebGis是實現Internet 環境下地理空間信息服務的有效途徑，其核心是將GIS 的功能嵌入到Internet 應用體系中[1]。但迫于Web模式本身的能力及HTTP 無狀態連接協議的限制，在面臨處理復雜業務邏輯或大數據量操作等情況下，很容易引起頁面響應變慢，甚至會導致瀏覽器崩潰等問題。而基于WebGis的態勢表達往往涉及復雜的業務邏輯處理和海量標繪，需要從前端腳本的代碼優化、富客戶端技術、服務器端技術及其他相應算法等方面加以研究應用，以最大限度的降低頁面請求數，減少頁面元素的數量，加快頁面響應和渲染的速度，增強用戶使用體驗。

2 富客戶端解決方案

傳統的Web技術，已很難滿足WebGis的復雜應用。因此，通常采用富互聯網應用系統（R ich Internet Application，RIA）技術，RIA技術結合了桌面應用程序的反應快、交互性強的優點以及Web應用程序容易傳播的特性，使得應用程序可以提供更豐富、更具有交互性和響應性的用戶體驗。以下分別探討基于AJAX、Flex、Silverlight 等RIA技術的解決方案。

2.1 AJAX

AJAX 采用異步交互模式，如圖1 所示。在客戶端與服務器端之間引入AJAX 引擎，客戶端接口與AJAX 引擎交互，AJAX 引擎再通過HTTP 傳輸協議與Web服務器交互，消除了同步交互模式中的“處理- 等待- 處理- 等待”缺點。使用AJAX 引擎進行數據交換時，僅更新用戶需要的數據，不對整個頁面進行刷新，異步進行而不阻塞用戶，能夠減少冗余數據的下載，節省網絡帶寬，提高請求的響應速度。

圖1 傳統Web應用模型和AJAX 應用模型圖

主流的WebGis平臺，如ArcGIS Server、Supermap 等，都提供AJAX API。開源免費的OpenLayers 也是一個基于AJAX的WebGis客戶端組件。基于AJAX 的WebGis實現，無需在瀏覽器端安裝插件，使用簡單方便，但其矢量標繪能力有限，只能采用瀏覽器原生支持的SVG 或VML標記語言。因而，態勢表達能力不足，較適合于態勢處理簡單且標繪量不大的應用場合，如一些旅游服務的WebGis系統、基于地圖的查詢系統等。

2.2 Flex

Flex是由Adobe 公司推出的一種基于Flash 技術的富客戶端應用解決方案，保持著較大的RIA市場占有率[2]。Flex的運行環境為Flash Player，實現了跨瀏覽器、跨平臺。Flex使用Action Script 腳本語言編程，采用MXM L 標記語言描述界面，基于FlexSDK框架開發，最終編譯形成一個可以在Flash Player 上運行的字節碼文件，其執行效率要高于瀏覽器解釋執行的JavaScript 程序。FlexSDK框架提供了封裝完善的界面接口，具備整合Flash 動畫的能力，使得Flex在表現層比較出色。后臺的LCDS 數據服務器用來處理數據的傳輸和集成，能夠和Java 等后臺程序進行通信。

主流的商業WebGis平臺，一般也都提供Flex開發接口，而基于Flex的開源軟件OpenScales，框架結構類似于OpenLayers，正在迅速發展，預計不久將是基于Flex的開源WebGis客戶端的首選。在基于Flex的WebGis系統中，復雜的處理和繪制渲染將集中到瀏覽器端，雖然減輕了服務器端的壓力，但對客戶端機器要求較高。對于復雜的業務邏輯處理和海量的數據標繪渲染，會嚴重消耗客戶端資源，使系統整體響應緩慢，難以達到預期的用戶體驗。但Flex具有很強的用戶交互性和動畫表現能力，視覺效果好，可用于開發諸如臺風路徑監視活動的WebGis系統等。

2.3 Silverlight

Silverlight 是微軟推出的一個跨瀏覽器的插件，提供面向Web的基于.NET 的媒體體驗和豐富的交互式應用程序[3]。Silverlight 基于.NET Framework 技術，使用XAML語言進行二維矢量圖形的展現，可訪問.NET Framework 編程模型和相關工具，支持目前主流的瀏覽器，包括IE、Firefox、Safari、Opera等。Silverlight 自發布以來，版本不斷更新，功能持續增強，市場占有率不斷擴大。市場上主流的商業WebGis平臺，一般也提供了Silverlight 開發接口。和Flex類似，基于Silverlight 的WebGis系統，瀏覽器端需要安裝插件，其他特點也和Flex類似，無疑使開發者多了一個選擇。至于其他RIA插件，由于沒有成熟的基于WebGis的應用，不再過多探討。

3 服務器端解決方案

基于客戶端的解決方案，把態勢表達的處理和渲染集中在瀏覽器端進行，具有較好的人機交互性，但復雜的業務邏輯處理和海量標繪則顯得力不從心。如果將復雜的計算處理放在服務器端執行，則能在一定程度上提高效率。

基于服務器端的系統架構，如圖2 所示，分為用戶表現層、業務邏輯層和數據存儲層。復雜的業務邏輯處理和圖形渲染集中在WebGis服務器上，WebGis服務器根據客戶端請求的類型參數，從空間數據庫和屬性數據庫中檢索調用相應數據并執行計算處理，生成具有態勢表達信息的圖片，并作為一個地理圖層返回給瀏覽器，減少了客戶端和服務器端之間的通信量和交互頻度，降低了客戶端編程的復雜性。

圖2 服務器端解決方案架構

由于空間數據具有空間位置屬性、非結構化、空間關系、分類編碼等特征，一般的關系型數據庫管理系統難以滿足要求。為了提高對空間數據的管理能力，目前主要有“關系型數據庫＋空間數據引擎”和擴展對象關系型數據庫管理系統等多種解決方案。

“關系型數據庫＋空間數據引擎”是由GIS 廠商研發的一種中間件解決方案。用戶將自己的空間數據交給獨立于數據庫之外的空間數據引擎，由空間數據引擎來組織空間數據在關系型數據庫中的存儲；當用戶需要訪問數據的時候，再通知空間數據引擎，由引擎從關系型數據庫中取出數據，并轉化為客戶可以使用的方式。因此，關系型數據庫僅僅是存放空間數據的容器，而空間數據引擎則是空間數據進出該容器的轉換通道。這類系統的典型代表有ESR I 的ArcSDE 和M ap Info的Spatial W are，其優點是：訪問速度快，支持通用的關系數據庫，空間數據按二進制存取，與特定GIS 平臺結合緊密，應用靈活。其缺點主要表現為：空間操作和處理無法在數據庫內核中實現，數據模型較為復雜，擴展SQL 比較困難，不易實現數據共享與互操作。

擴展對象關系型數據庫管理系統是由數據庫廠商研發的管理空間數據的一種解決方案。借鑒面向對象技術，支持抽象數據類型及其相關操作的定義，將空間數據類型與函數從中間件（空間數據引擎）轉移到了數據庫管理系統中。不必采用空間數據引擎的專用接口進行編程，而是使用增加了空間數據類型和函數的標準擴展型SQL 語言來操作空間數據。這種支持空間擴展的產品有O racle 公司的O racle Spatial，微軟的SQL Server Spatial，開源的M ySQL Spatial Extend、PostGIS 等[4]。其優點是：空間數據的管理與通用數據庫系統融為一體，可在數據庫內核中實現空間操作和處理，擴展SQL 比較方便，較易實現數據共享與互操作。其缺點主要表現為：實現難度大，壓縮數據比較困難，目前的功能和性能與第一類系統尚存在差距。

4 自動綜合解決方案

GIS 環境下的態勢信息自動綜合，主要包括2個方面：一是按照一定規律和法則對現有的態勢空間數據進行綜合變換，推導出新的具有不同詳細程度的數據，即變換空間模型的復雜性；另一個是當用某一比例尺進行可視化顯示時，數據容量過大不能進行清晰的圖形表達所進行的綜合處理，即態勢數據的圖形表達。下面分別從聚類分組和屏幕網格算法這2個典型方法進行論述。

4.1 聚類分組

態勢信息聚類分組（或目標編群）可根據一定法則對態勢數據進行分析與分類，生成各個聚合類。聚合類就是一些相似的實體集合，分組后的態勢目標，數量將減少，也能更清晰的反映實體之間的協作關系和層次結構。

目前對態勢信息進行目標編群算法的研究，分為事先確定群數目和分群數目不定2 大類。事先確定群數目的算法主要包括：K- 均值算法、ISODATA（自組織迭代數據分析）算法和FCM（模糊C 均值編群）算法等[5、6]，主要適用于各類樣本密集且數目相差不多，不同類樣本間又明顯分開的情況，但這類算法的最大缺點是用戶要事先給出精確的分群數目，這在一定程度上影響了算法應用的合理性。分群數目不確定的算法包括，最近鄰算法、層次聚類法等[7]。這類算法又稱為試探法，它主要是憑直觀和經驗，結合空間層面的屬性，如航向等，針對實際問題定義一種相似性測度的閾值，根據相應規則指定某些目標屬于某一編群。這類算法具有直觀、計算量小、易于實現的特點，被廣泛應用在工程中。但此類算法的編群結果在很大程度上受第一個編群中心的選擇和待分類樣本排列順序的影響。

4.2 屏幕網格算法

在WebGis地圖上顯示眾多的態勢目標信息時會造成顯示互相壓蓋，降低用戶體驗感。采用屏幕網格算法可有效減少互相壓蓋的目標數量，使顯示更加快速、清晰和整潔。可根據態勢目標標注顯示的尺寸將屏幕劃分為若干網格，構成一個二維數組，假設目標顯示的尺寸為targetW idth×targetHeight，屏幕窗口分辨率為ScreenW idth×ScreenHeight，則

橫向網格數：ColsNum=ScreenW idth/targetW idth；

縱向網格數：Row sNum=ScreenHeight/targetHeight；

構造二維數組：ElementArray[Row sNum][ColsNum]

當地圖刷新需要重新繪制目標時，首先將數組元素初始化為0，在顯示每個目標時，根據其顯示位置、字體大小確定其要占用的屏幕位置，如果該區域位置未被占用，則顯示該目標，同時將對應的數組元素置1；如果該區域未被占用，則忽略該目標的顯示處理，然后繼續處理下一個目標，直至所有目標遍歷完畢。

5 結束語

探討了AJAX、Flex、Silverlight 富客戶端技術、WebGis服務器、空間數據庫及聚類分組、屏幕網格算法等相關技術，能夠為基于WebGis的態勢表達應用提供解決思路和方法。在實際工程應用中可綜合使用這些技術和方法，盡量將復雜的業務邏輯處理集中在服務器端，將用戶交互展現集中在富客戶端，以降低頁面請求數和數據傳輸量，加快頁面加載和渲染速度，讓用戶得到更好的使用體驗。

[1]趙娜.Ajax 技術在WebGis中應用的發展趨勢[J].湖北經濟學院學報,2011,8(8):207- 208.

[2]程光磊.Flex技術研究[J].軟件導刊,2011,10(3):56- 57.

[3]王靚,范德輝.基于Silverlight 的在線制圖和通訊系統[J],吉林師范大學學報,2011,8(3):131- 133.

[4]鐘遠軍,李照,林澍哲等.基于PostGIS 的地名數據庫設計與應用研究[J].測繪與空間地理信息,2011,34(3):100- 104.

[5]楊昕,彭玉青.結合螞蟻算法的K- Means 聚類分析[J].河北工業大學學報.2007,36(3):48- 52.

[6]S.C.Stubberud and K.A.Kramer.Data Association for Multiple Sensor Types Using Fuzzy Logic[C].Instrumentation and Measurement Technology Confere nce,2005,2154- 2159.

[7]劉文軍,游興中.一種改進的凝聚層次聚類法[J].吉首大學學報,2011,32(4):11- 13.