基于WebSocket和GeoJSON的WebGIS的設計與實現

丁克奎，鐘凱文，周旭斌，孫彩歌

(1.廣州地理研究所，廣東廣州510070;2.廣東省遙感與地理信息系統應用重點實驗室，廣東廣州510070;3.中國科學院廣州地球化學研究所，廣東廣州510640;4.中國科學院大學，北京100049;5.廣東省國土資源技術中心，廣東 廣州510075)

一、引 言

人民國防是國防的重要組成部分，是為了防備敵人空襲、保護人民生命財產，政府動員并組織人民群眾所采取的措施和行為［1］。自然災害、人為災難的頻發和環境質量的不斷下降，給人民的生命財產造成了巨大損失，并對各級人民政府及相關部門的應急管理能力帶來了嚴峻的考驗。因此，人民防空需要統籌戰備效益、經濟效益、社會效益、環境效益、軌道交通效益［2］，實現人防工程的“平戰結合”。加快防空防災一體化建設是國家作出的重大戰略決策，是人防信息化進程的必然要求。

近年來，云計算、物聯網、大數據、移動互聯、智能設備及各種技術之間的融合、跨界都取得了飛速發展，由于多方面原因，人防現代化建設采用最新理論和技術的步伐相對滯后［3-4］。為了突破地理時空局限，同時加快人防業務流程，并增強相關各部門之間在應急救災中的合作和相關信息的共享，提高決策水平和效率，筆者基于ArcGIS Server API for Java Script開發了廣東省人防公共服務平臺。

二、關鍵技術

1.WebSocket

要實現Web應用的動態交互需要瀏覽器發出請求，服務器端接受并審核成功后返回處理結果，客戶端瀏覽器將返回信息呈現出來。這種通信機制對于實時要求比較高的應用，不能保證客戶端的信息是最新的，傳統上使用折中方案，如輪詢、長輪詢和流技術，這些Ajax解決方案增加了編程實現的復雜度和服務器端負載，制約了應用系統的擴展性［5］。

WebSocket是 HTML5的一種新協議，在單一TCP連接上實現客戶端瀏覽器和服務器之間的雙通道通信，減少了不必要的網絡流量與延遲，并提供了API供客戶端調用，提高了開發效率，降低了開發難度。服務器端啟動套接字監聽程序來監聽客戶端連接請求，解析客戶端WebSocket“握手”信息，依據協議標準［6］生成包含WebSocket協議頭的回應信息。在客戶端和服務器端“握手”之后，客戶端和服務器端的 WebSocket連接就建立起來了，雙方通過該通道傳遞信息，并且該連接會持續存在，直到其中一方主動關閉連接(見表1)。

2.GeoJSON

JSON是一種基于JavaScript的輕量級的數據交換格式，獨立于語言和平臺，可以自我描述，易于機器和人理解，以鍵/值(key/value)對的形式存在。GeoJSON是基于JSON的數據格式，可以對地理要素進行編碼。GeoJSON對象包括幾何特征、屬性或屬性集，幾何特征遵循OGC簡單要素規范(simple features specification，SFS)。GeoJSON定義了以下幾種幾何類型:Point、LineString、Polygon、MultiPoint、MultiLineString、MultiPolygon 和 GeometryCollection，屬性包含幾何對象及附加信息，以及屬性集［7］。GeoJSON比基于XML數據交換格式的GML更為簡潔，有利于地理數據的傳輸，客戶端可以直接利用JavaScript進行解析［8-9］。

表1 WebSocket“握手”頭信息

GeoJSON數據示例如下:

圖1 系統體系結構圖

ArcGIS Server REST接口響應客戶端請求返回GeoJSON格式的地理數據。目前網上已經提供了各種語言和平臺的JSON庫［10］，在客戶端可以將解析的GeoJSON數據放在Web Stroage中，地理數據一般比較龐大，可以將數據存儲在SQLite數據庫中，避免重復請求并分擔服務器端壓力，HTML5內置支持SQLite。

三、系統總體結構

1.總體框架設計

廣東省人防公共服務平臺在B/S結構基礎上采用4層體系結構，如圖1所示。

1)數據層:包括人防專題數據、基礎空間數據、人防辦公業務數據和人防工程數據。

2)服務層:利用ArcGIS Server讀取Geodatabase空間數據，通過REST接口提供Web服務，將一些GIS功能和關系型數據(辦公業務數據和人防工程數據)結合在服務器端進行人防業務邏輯的實現，采用Web Services技術［11-12］，以REST接口形式提供Web服務。

3)動態交互層:在客戶端實行內容、形式和樣式的分離，瀏覽器接收用戶的數據服務請求和功能服務請求，利用WebSocket協議和服務器端進行GeoJSON數據的交換，在客戶端解析數據，利用HTML5和JavaScript進行數據和功能服務的展現。

4)用戶層:不同的用戶具有不同的功能和服務權限。

2.數據庫設計

系統數據庫存儲在關系型數據庫系統Oracle 11 g中，其中空間數據(包括人防專題數據和基礎空間數據)通過ArcSDE空間數據庫引擎存儲在Oracle 11 g，并通過Geodatabase進行數據庫組織，業務數據(人防辦公業務數據和人防工程數據)直接存儲在Oracle 11g，并通過數據訪問接口進行訪問。

1)人防專題數據:包括人防警報器、地下人防工程分布、地鐵、地下商場、重要經濟軍事目標、城市重要生產及危險物品等具有空間分布且與人防密切相關的數據。

2)基礎空間數據:包括廣東省全省TM影像，從1∶2500至1∶2 500 000的10種比例尺地形圖，以及道路、鐵路、街道、行政區劃等矢量基礎地理信息。基礎空間數據采用ArcGIS Server提供的地圖緩存技術，圖片采用 PNG8格式，緩存格式采用Compact［13］格式。

3)人防辦公業務數據:包括用戶數據、日志信息、部門信息、單位信息、業主聯系人等與人防相關的單位、個人及平臺管理維護信息。

4)人防工程數據:工程建設、工程分期建設、工程異地建設、工程建設繳費、工程(設施)改造、工程(設施)拆除等與人防工程相關的狀態、屬性、設備及建設維護信息。

3.開發環境

系統采用Microsoft Visual Studio 2010作為開發平臺，利用 ArcGIS Server API for JavaScript 3.6 開發方式，GIS服務采用ArcGIS Server 10.0，數據庫使用Oracle 11g，服務器端語言采用 C#(.NET 3.5)語言，客戶端使用HMTL5、CSS3和JavaScript。

四、功能設計與實現

廣東省人防公共服務平臺對不同人員和部門提供不同的服務和功能，廣東省各級人防部門進行人防工程管理和人防業務處理，相關政府部門之間可以進行人防信息的共享和人防管理決策協作、向相關領導進行空間分析和空間決策支持，它還是公眾查詢人防信息的一個管理和共享平臺。

平臺功能包括以下部分(如圖2—圖5所示):

1)地圖基本操作:放大、縮小、漫游、全屏、鷹眼、地圖與遙感影像圖的切換、行政區劃目錄樹、圖層管理等。

2)量算:進行坐標查詢、長度和面積的測量。

3)人防工程管理:包括點、線、面狀人防工程和相關地物的添加、刪除、修改和管理。

4)查詢檢索:包括模糊查詢、自定義查詢條件、圖數結合雙向查詢及利用SQL語句查詢人防相關信息，以及查詢結果信息的展示。

5)專題地圖:可以查詢防空襲部署圖、防空襲敵情判斷圖、防空襲物資保障圖、防空襲人員就地就近隱蔽圖、防空襲人口疏散圖等21個人防專題預案地圖。

6)空間分析:緩沖區分析、路徑分析、疏散分析，以及結合人防工程承載力、資源及人口分布等進行資源分配分析。

7)報表統計與分析:進行人防報表的查詢和編輯、人防報表信息展示，以及相關人防業務的操作。

8)系統管理:系統基本設置如注冊管理、日志管理、用戶信息和角色管理、幫助。

圖2 查詢檢索

圖3 面積和長度測量

圖4 緩沖區分析

圖5 人防辦公

五、結束語

廣東省人防公共服務平臺滿足了人防“平戰結合”的需求，在和平時期，提供人防信息管理與共享、人防辦公，以及應急救災;在戰時，為指揮人員提供地圖信息查詢、圖上作業，同時與衛星、應急指揮車、應急指揮中心對接，提供人防空間決策支持。平臺還具備兼容性、可拓展性，以確保平臺能不斷優化升級，提供接口能與其他平臺系統進行聯動、銜接，為城市日常管理、應急指揮和人防提供了強有力的技術支持。

目前廣東省人防公共服務平臺提供的空間分析和空間決策能力相對還比較薄弱，如何將強大的GIS空間分析能力與人防相關領域知識相結合建立、加速和簡化人防空間決策時間和流程，還有待進一步加強。

［1］國家人民防空辦公室基本知識［EB/OL］.2011-05-05.http:∥ www.ccad.gov.cn/view/zhishibolan/renminfangkong/rfjbzs/20110505/276.html.

［2］李運平.我國城市人防工程綜合效益評價研究［D］.南京:南京航空航天大學，2011:15-23.

［3］郗篤剛，劉玉，趙忠東，等.基于GIS與MIS集成技術的人防工程管理信息系統［J］.測繪與空間地理信息，2010，33(2):69-72.

［4］鐘凱文，黃建明，梅其岳，等.基于WebGIS的廣州市人防工程地理信息系統研制［J］.熱帶地理，2003，23(2):130-133.

［5］使用 HTML5 WebSocket構建實時 Web應用［EB/OL］.2011-12-05.http:∥www.ibm.com/developerworks/cn/web/1112_huangxa_websocket/.

［6］RFC 6455［EB/OL］.2011-09-01.http:∥datatracker.ietf.org/doc/rfc6455/?include_text=1.

［7］The GeoJSON Format Specification［EB/OL］.2008-06-01.http:∥geojson.org/geojson-spec.html.

［8］陳德權.基與GeoJSON的 WFS實現方式［J］.測繪科學技術學報，2011，28(1):66-69.

［9］李細杰，鄔群勇，蔡旺華.基于JSON的輕量級WebGIS模型與應用［J］.測繪工程，2011，20(2):53-56.

［10］Introducing JSON［EB/OL］.［2013-12-16］.http:∥www.json.org/.

［11］謝喆，趙紅蕊，唐中實.基于Web Services的GIS模型服務［J］.測繪通報，2007(3):63-66.

［12］鐘廣銳.基于GIS Web Services的城市污染源管理信息系統的設計與實現［J］.測繪通報，2009(8):50-53.

［13］何正國，杜娟，毛海亞.精通ArcGIS Server應用與開發［M］.北京:人民郵電出版社，2013:81-92.