一種基于MapServer和OpenLayers的地理空間信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布方案

逯永光(測繪出版社，北京 100045)

20世紀90年代，隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及人們對地理空間信息需求的不斷增加，進而兩者結(jié)合產(chǎn)生了WebGIS技術(shù)，這使得地理空間信息網(wǎng)絡(luò)共享成為可能。自WebGIS技術(shù)出現(xiàn)以來，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷推動下，WebGIS技術(shù)獲得了飛速發(fā)展。很多GIS廠商和組織推出了各自的WebGIS產(chǎn)品，主要分為商業(yè)軟件和開源軟件。其中，商業(yè)軟件主要有ArcGIS Server、SuperMap iServer、MapGIS Server等，開源軟件中主要有GeoServer、MapServer等。一般來說，商業(yè)軟件功能較為齊全，編輯操作頁面友好，有完善的售后支持服務(wù)，需要付費使用，利用其開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的成本很高。開源軟件主要由各種公益組織負責(zé)開發(fā)維護，不定時地補充其功能，利用其開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，難度一般較商業(yè)軟件高，需要結(jié)合其他軟件，但是成本相對較低。

目前，在國內(nèi)，開源軟件主要在科研院所和高校中應(yīng)用較多，不僅是因為其可以免費使用和分發(fā)，而且主流的開源軟件功能也很齊全，配合其他配套軟件，可以滿足一定的科研需求。本文主要對一種基于MapServer和OpenLayers的地理空間信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布方案進行了論述，并給出了一些優(yōu)化建議。

1 主要技術(shù)概述

1.1 MapServer

MapServer采用C語言編寫，起源于20世紀90年代中期美國明尼蘇達大學(xué)和NASA的一個合作項目——ForNet，用于在Web上發(fā)布地理空間數(shù)據(jù)和實現(xiàn)交互式地圖應(yīng)用，可支持所有主流的操作系統(tǒng),包括Windows、Linux等。

MapServer提供了2種工作模式：CGI和MapScript，一般選用CGI模式進行應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。當(dāng)客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)請求時，服務(wù)器端CGI程序基于Mapfile文件實時讀取和處理地理空間數(shù)據(jù)，并將處理結(jié)果返回到客戶端顯示。系統(tǒng)整合了GDAL、OGR、Pro4j等開源庫，通過Pro4j庫進行實時投影變換，支持Oracle Spatial、PostgreSQL、SHP、TIF等多種空間數(shù)據(jù)格式，在客戶端可通過OpenLayers等對返回的地理空間數(shù)據(jù)進行表達和繪圖，并且遵循OGC規(guī)范，支持WMS、WFS、WFS-T、WCS、WPS等操作。

Mapfile文件是MapServer應(yīng)用系統(tǒng)的核心，其對象層次組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。Map對象是Mapfile文件的根節(jié)點，包含其他所有的對象，是應(yīng)用級的參數(shù)，主要負責(zé)地圖空間范圍、坐標(biāo)單位、字體文件、符號文件、空間數(shù)據(jù)路徑等的設(shè)置。二級子節(jié)點中，Outputformat對象用來設(shè)置地圖輸出格式，Reference對象用來設(shè)置鷹眼圖，Legend對象用來設(shè)置地圖圖例，Scalebar對象用來設(shè)置地圖比例尺，Querymap對象用來定義查詢結(jié)果的渲染方式。Projection對象用來定義地圖坐標(biāo)系，Symbol對象用來設(shè)置地圖使用符號。Web對象用來定義一個Web接口運行時的參數(shù)，如臨時圖像存放路徑、查詢?yōu)榭栈蚴r返回值、最小最大縮放比例、Metadata等，其中Metadata在配置OGC服務(wù)時需要使用。Layer對象是指地圖所包含的圖層，圖層在地圖上顯示的順序為倒序(第一個圖層在最下面，最后一個圖層在最上面)，具體設(shè)置圖層元數(shù)據(jù)、比例尺、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)路徑、投影、對應(yīng)主題、標(biāo)簽等。一個Mapfile文件最多可以包含100圖層，可滿足絕大多數(shù)應(yīng)用需要。

圖1 Mapfile文件對象組織結(jié)構(gòu)

1.2 Openlayers

Openlayers是目前一個主流的用于WebGIS客戶端開發(fā)的JavaScript包，用于實現(xiàn)標(biāo)準格式發(fā)布的地圖數(shù)據(jù)訪問，其可以支持的地圖格式包括ArcGIS地圖、Bing地圖、Google地圖、OpenStreetMap、WorldWind、WMS、WFS、WCS及用戶自定義地圖等，可以結(jié)合MapServer實現(xiàn)輕量級的WebGIS系統(tǒng)。

OpenLayers代碼一般嵌在HTML代碼中，除了在代碼中添加已有控件即可實現(xiàn)的鼠標(biāo)拖動、要素選取、量測、放大縮小、滾輪縮放、鷹眼圖等操作功能外，基于Prototype.js還可實現(xiàn)地圖瀏覽的Ajax效果，或?qū)σ延械牟僮骱蛿?shù)據(jù)類型進行擴展，為系統(tǒng)開發(fā)更多的功能，如自定義查詢結(jié)果顯示方式、添加網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)(WPS)接口等。OpenLayers常見功能控件具體見表1。

1.3 OGC規(guī)范

開放地理空間信息聯(lián)盟(Open Geospatial Consortium，OGC)是一個公益性的國際標(biāo)準組織，它基于XML規(guī)范制定了數(shù)據(jù)和服務(wù)的一系列標(biāo)準，如WMS、WFS、WCS、GML等，目前已被絕大多數(shù)WebGIS軟件所支持，成為多源跨平臺實現(xiàn)地理空間信息網(wǎng)絡(luò)共享的重要方式之一。

表1 OpenLayers常見控件及實現(xiàn)功能

WMS(web map service)規(guī)范主要包含以下3個操作：GetCapabitities操作可返回服務(wù)級元數(shù)據(jù)；GetMap操作返回一幅地圖圖像，其坐標(biāo)系和圖像大小等參數(shù)通過HTTP請求傳入確定，也可以通過服務(wù)器端配置文件確定；GetFeatureInfo操作返回在地圖上指定位置處的要素信息。

WFS(web feature service)規(guī)范支持對地理要素的插入、更新、刪除等，對應(yīng)于桌面版GIS軟件中的查詢功能，包括空間查詢、屬性查詢，以及基于空間關(guān)系和屬性域的共同查詢。WFS主要操作包括GetCapabilities、DescribeFeatureType、GetFeature等。其中，GetCapabilities操作可返回服務(wù)級元數(shù)據(jù)；DescribeFeatureType操作返回選中要素結(jié)構(gòu)，以便客戶端進行查詢和其他操作；GetFeature操作可根據(jù)查詢條件返回一個GML數(shù)據(jù)文檔，該文檔可以被客戶端代碼解析和表達。

WCS(web coverage service)規(guī)范主要針對空間影像數(shù)據(jù)，主要包含以下3個操作：GetCapabilities、GetCoverage和DescribeCoverageType。GetCapabilities操作可返回服務(wù)級元數(shù)據(jù)；GetCoverage操作根據(jù)條件返回指定柵格數(shù)據(jù)；DescribeCoverageType操作可獲取某一個柵格數(shù)據(jù)圖層的描述信息。

2 地理空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布實現(xiàn)

本文設(shè)計的地理空間信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)框架如圖2所示，系統(tǒng)采用3層體系結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層、顯示層。其中，數(shù)據(jù)層主要存放系統(tǒng)所需的地理空間數(shù)據(jù)，可以選用空間數(shù)據(jù)庫或文件系統(tǒng)；業(yè)務(wù)層包括地圖服務(wù)器MapServer和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器Apache，Apache負責(zé)監(jiān)聽瀏覽器請求并轉(zhuǎn)發(fā)給MapServer CGI程序，由后者對請求進行解析，讀取數(shù)據(jù)層中地理空間數(shù)據(jù)并處理為指定格式，最后經(jīng)由Apache反饋給客戶端進行繪制；顯示層由Web瀏覽器組成，是用戶與WebGIS交互的接口。

圖2 發(fā)布方案框架

本文中，在服務(wù)器端采用文件系統(tǒng)存放待發(fā)布的矢量數(shù)據(jù)(SHP格式)和柵格影像，部署MapServer軟件和Apache。客戶端主要基于HTML和OpenLayers開發(fā)，實現(xiàn)地圖瀏覽和操作功能。

2.1 MapServer和Apache安裝

MapServer安裝方式分為源代碼編譯和二進制文件兩種，考慮源代碼編譯的難度較高，本文選擇二進制文件安裝方式。MapServer在Windows平臺下的安裝包有MS4W和OSGeo4W兩種，其中OSGeo4W是一個軟件合集，除了MapServer之外，還包含GRASS、OpenEV、uDig等數(shù)十種軟件，而MS4W則主要包含MapServer和Apache，可滿足本文需求，故選擇MS4W軟件包進行安裝。

MS4W軟件包中包含Apache Web服務(wù)器、MapServer和MapScript模塊，通過官網(wǎng)下載之后，將其解壓到硬盤的根目錄下，然后運行其根目錄下的apache_install.bat，即可完成Apache Web服務(wù)器的安裝，至此軟件安裝完成。打開瀏覽器，在地址欄輸入http:∥127.0.0.1/cgi-bin/mapserv.exe，如果返回信息為“No query information to decode.QUERY_STRING is set，but empty.”則表明安裝成功，可以進行下一步的地理空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。

2.2 地理空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

地理空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布包括WMS、WFS和WCS，WMS和WFS發(fā)布使用的數(shù)據(jù)為SHP格式的世界地圖，WCS發(fā)布使用的數(shù)據(jù)為TIF格式的遙感影像。

首先對待發(fā)布數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理，包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換等。將所有矢量數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為SHP格式數(shù)據(jù)，空間坐標(biāo)系為WGS-84。柵格影像使用ERDAS軟件進行規(guī)范處理，坐標(biāo)系選擇WGS-84。

其次需要配置網(wǎng)絡(luò)發(fā)布所需的字體文件、符號文件及Mapfile文件。字體文件和符號文件不再贅述，主要基于具體應(yīng)用需求進行制作和配置。Mapfile文件配置是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)布的核心，主要包括Map對象、Web對象、Layer對象、Class對象等。

Web對象主要用于配置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的元數(shù)據(jù)，包括WMS、WFS、WCS，部分代碼如下：

Web

Metadata

"wms_title" "worldmap-wms"

"wms_onlineresource" "http:∥127.0.0.1/cgi-bin/mapserv.exe?"

"wms_srs" "EPSG:4326"

"wms_enable_request" "*"

"wfs_title" "worldmap-wfs"

"wfs_onlineresource" " http:∥127.0.0.1/cgi-bin/mapserv.exe?"

"wfs_srs" "EPSG:4326"

"wfs_abstract" "This text describes the wfs

service"

"wfs_enable_request" "*"

"wcs_onlineresource" " http:∥127.0.0.1/cgi-bin/mapserv.exe?"

"wcs_enable_request" "*"

"wcs_label" "tif wcs"

End

End

Layer對象用于配置服務(wù)發(fā)布所需圖層，包括矢量數(shù)據(jù)圖層和柵格數(shù)據(jù)圖層，部分代碼如下：

Layer

Name "worldmap"

Type polygon

Data "../data/world"

Metadata

"wms_title" "layer01"

"wms_srs" "EPSG:4326"

"wfs_title" "layer02"

"wfs_srs" "EPSG:4326"

"gml_featureid" "id"

"wfs_enable_request" "*"

End

Class

Name "world"

Style

Color 255 255 255

Outlinecolor 96 96 96

Backgroundcolor 45 180 135

End

End

End

Layer

name "world_raster"

Type Raster

Data "../data/world.tif"

Metadata

"wcs_label" "name"

"wcs_rangeset_name" "my name"

"wcs_rangeset_label" "my label"

End

Projection

"init=epsg:4326"

End

End

Mapfile文件配置完成后，將其和對應(yīng)地理空間數(shù)據(jù)、符號文件、字體文件等置于相應(yīng)文件夾，并啟動MapServer和Apache，即可完成地理空間數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。

2.3 WebGIS客戶端開發(fā)

在客戶端通過使用OpenLayers和HTML進行WebGIS客戶端開發(fā)，加載WMS、WFS和WCS數(shù)據(jù)服務(wù)，實現(xiàn)了地理空間信息的在線瀏覽和操作功能，部分實現(xiàn)代碼如下：

var map=new OpenLayers.Map(“world_demo”);

var wmap=new OpenLayers.Layer.WMS(“wworld”，“http:∥127.0.0.1/cgi-bin/mapserv.exe? “，{layers:”worldmap”});

var wfs_pro=new OpenLayers.Protocol.WFS({version:”1.1.0”,url：”http:∥127.0.0.1/cgi-bin/mapserv.exe?”，featuretype:”worldmap”});

var vmap=new OpenLayers.Layer.Vector(“vworld”,{strategies:[new OpenLayers.Strategy.Fixed()],protocol:wfs_pro});

map.addLayer(wmap);

map.addLayer(vmap);

map.addControl(new OpenLayers.Control.LayerSwitcher());

…

2.4 系統(tǒng)優(yōu)化建議

(1) 矢量數(shù)據(jù)應(yīng)該盡量選用SHP格式文件。MapServer可以支持多種矢量數(shù)據(jù)格式，但是以SHP格式文件讀取和處理速度較快，并且可以為SHP數(shù)據(jù)建立空間索引，可進一步提高MapServer的處理效率。

(2) 引入Kamap或Tilecache的瓦片機制。WebGIS系統(tǒng)的底圖一般變動較小，與MapServer讀取矢量數(shù)據(jù)，然后進行處理，并將處理結(jié)果返回到客戶端的模式相比，采用瓦片地圖可以省去讀取數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的步驟，將極大地減少客戶端的響應(yīng)時間。

(3) 優(yōu)化投影文件。在Mapfile中需要設(shè)置地圖和圖層的投影參數(shù)，而MapServer的投影文件由數(shù)千種投影組成，如果每次都掃描整個文件查找所設(shè)置投影無疑會降低處理速度。因此，需要對投影文件進行優(yōu)化，刪除不需要的投影編碼，或?qū)?yīng)用較多的投影編碼的位置提到文件的前部，即可以減少投影參數(shù)的查找時間。

3 結(jié) 語

MapServer是一種應(yīng)用廣泛的開源WebGIS軟件，并且其功能在不斷增強。通過本文對基于MapServer和OpenLayers的地理空間信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布方案進行的論述，筆者認為其可以滿足一般的WebGIS開發(fā)需求，未來可考慮在服務(wù)器端引入其他軟件包或在客戶端引入其他JavaScript框架，進一步增強應(yīng)用系統(tǒng)的功能，這也是筆者下一步的研究內(nèi)容。

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