基于GeoServer和OpenLayers的開源WebGIS框架研究

曾新勵 廖靖

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-5345

通信作者：曾新勵（1991—），男，碩士，工程師，?研究方向為計算機應用技術。E-mail：1361116508@qq.com。

摘??要：WebGIS是互聯網環境下存儲、管理、分析和發布出版空間信息數據的分布式計算機應用系統。首先在分析WebGIS服務端的基礎上，基于GeoServer對外發布離線瓦片與矢量圖層地圖服務，然后設計并構建了基于OpenLayers的WebGIS客戶端，客戶端調用地圖服務分別加載相應URL地址返回的圖層影像數據進行圖層疊加，最后通過解析航空器ADSB實時位置信息數據，將航班信息通過WebSocket的方式主動推送到客戶端，客戶端在圖層上顯示實時航班動態，能直觀地顯示出進出機場飛行中的航班信息。此方案開發的WebGIS服務平臺具有良好的可擴展性，結構層次清晰，提高了開發效率，為開源組件實現WebGIS空間應用研究提供了新的思路，可運用于智慧機場建設等領域。

關鍵詞：GeoServer ?OpenLayers??WebGIS客戶端??網絡地圖服務

中圖分類號：P208;TP311.52

隨著網絡技術的飛速發展，機場對地理信息系統的需求不斷增加，地理信息系統（Geographic Information System， GIS）為航空信息管理提供基礎數據，利用網絡傳輸協議來存儲、管理、分析和發布出版空間信息數據供用戶檢索和分析，為機場運營和維護決策方面提供有效的數據支撐，是智慧機場建設發展的必然趨勢。WebGIS是利用Web技術和GIS技術的結合以擴展和完善地理信息系統的一項技術，基于網絡的B/S架構在服務端和客戶端之間通過互聯網進行信息交換。目前流行的開源WebGIS軟件打破了傳統商業GIS軟件高價格對利用和發布空間數據的限制，其開放源代碼使軟件平臺具有更高的開放性和可擴展性，更低的開發和維護成本，用戶可以根據需要靈活配置。

1 關鍵技術分析

1.1 OGC相關標準

OGC是英文Open?Geospatial Consortium開放地理空間信息協會的簡稱，主要研究地理信息服務、內容、信息處理以及數據共享[1]。OGC組織各成員單位制定了開放式地理數據的互操作規范OpenGIS，依照該規范應用開發者能夠在單一的環境和工作流中使用分布在網絡上的任何地理數據，構建本地化的地理信息服務軟件系統。OGC的規范中比較重要的和WebGIS中用的最多的服務規范有WMS（Web?Map Service）、WFS（Web?Feature Service）和WMTS（Web?Map Tile Service）。

1.2 WMTS切片地圖服務

WMTS切片地圖服務主要是把地圖以若干個固定比例尺寸圖塊的形式提供服務。切片地圖即地圖瓦片技術，將一定坐標范圍投影后的地圖，在不同分辨率層次下按照固定比例切割成若干行列的正方形圖片。切割后的每張圖片也叫作Tile瓦片，瓦片模型表示的地圖范圍相同，從瓦片模型頂層到底層，分辨率越來越高，瓦片按指定格式預先緩存在文件系統或數據庫中，形成金字塔模型的靜態地圖緩存。WMTS規范定義了兩個基礎性操作接口：GetCapabilities（請求地圖服務相關元數據XML文檔）、GetTile（根據參數請求取得png、jpeg等格式的瓦片圖塊），提供了一種預定義圖塊的形式進行數字地圖服務發布的標準化方法[2]。

1.3 GeoServer

GeoServer是標準J2EE架構的開源WebGIS服務器[3]，全面遵循OGC網絡地圖服務和網絡要素服務規范，利用GeoServer可以方便地將地理位置信息數據轉換為圖層影像發布地圖。GeoServer支持多種數據源，支持上百種投影方式，能夠將網絡地圖輸出為png、jpg、gif、pbf等多種格式資源，并且還支持Google Maps和Google Earth，地圖影像疊加后能做出生動的應用[4]。

1.4 OpenLayers

2?基于GeoServer和OpenLayers的WebGIS設計

2.1 總體結構

WebGIS地理信息服務系統涉及客戶端顯示、地圖服務器、空間數據存儲表示，在邏輯上按照層次抽象成三層結構進行開發，包括與用戶交互的視圖層、提供數據的中間層和空間數據存儲層。視圖層體現為WebGIS客戶端，選用OpenLayers作為地圖可視化渲染引擎作為前端用戶交互平臺，視圖層響應用戶請求，通過HTTP連接到中間層。中間層體現為WebGIS服務端，根據請求類型分別調用提供空間數據的GeoServer地圖服務器和提供業務數據處理的Web服務器，GeoServer服務器將空間數據存儲層中的空間信息以圖層形式返回視圖層，與此同時Web服務器加載帶有地理信息屬性的業務數據返回視圖層，經OpenLayers疊加優化后渲染到Web客戶端實現對空間數據的顯示和用戶交互。

2.2 WebGIS服務端

服務端的搭建選用開源的Tomcat服務器，將GeoServer和開發的Web項目都部署到Tomcat下。要使用GeoServer發布地圖服務首先要登錄其提供的Web管理界面進行配置，主要包括工作空間、數據存儲、圖層、圖層樣式和圖層組，按照OGC開放地理信息標準完成空間數據的編輯和發布。一個工作空間下可以包含多個數據存儲，各個數據存儲有獨立的字符集編碼。GeoWebCache作為GeoServer中集成好的一個模塊，可以用于矢量地圖切圖，也可用于緩存和發布預先切好或下載好的目標區域瓦片數據。將已經切好的瓦片數據存儲在服務器上，當客戶端請求一張新底圖和瓦片時，GeoWebCache將攔截這些調用，返回預先緩存過的地圖瓦片，提高地圖加載速度，實現更好的用戶瀏覽效果，同時也便于對較大數據量的地圖切片緩存進行移植復用和私有化部署[7]。

2.3 電子地圖數據制作

通常機場系統位于內部局域網，不具備連接外網的能力，而Google Maps需要持續連接公網才能獲得實時地圖數據，因此有必要建立本地離線地圖服務。使用電子地圖下載工具將已經切好的不同分辨率層級的目標區域瓦片數據存儲在服務器上，使用GeoWebCache對外發布提供服務。

機場位于遠離城市地區，離線地圖不具備較高的場面覆蓋精度。因此機場地圖使用工程項目DWG格式的CAD設計文件經過ArcMap格式轉換與矢量配圖，形成Shapefile格式的點、線、面的矢量數據，配圖后對效果進行檢查確保經緯度無偏移。使用GeoServer發布本地文件中Shapefile格式的矢量數據，將其添加到數據存儲，新建圖層并對待發布圖層使用uDig軟件進行sld樣式渲染，并導出sld樣式發布到GeoServer使得地圖更美觀鮮明，之后即可完成電子地圖的發布并對外提供WMS服務。

本文選用Google離線地圖作為客戶端加載的地圖底圖，同時將機場地圖動態添加為WMS服務作為疊加層，與全球數據統一顯示，以增強用戶體驗。

2.4 WebGIS客戶端

客戶端選用OpenLayers作為WebGIS地圖顯示引擎。OpenLayers提供了Map類作為網頁中動態地圖展示的一個容器，Map類提供了地圖圖層、縮放比例、投影信息、地圖顯示范圍等多個屬性的設置，可以向Map中添加Layer圖層和Control控件。Layer類用于描述圖層數據源及格式信息，Control類提供各種控件實現地圖的縮放、查詢、編輯等功能，Feature類用于在Layer圖層中添加圖形要素信息。

在國際上，每個坐標系統都會被分配一個 EPSG 代碼，WGS84 的代碼為EPSG：4326，由 Google提出的Web墨卡托代碼為EPSG：3857，Google Maps數據基于Web墨卡托投影。OpenLayers支持多種地圖數據源類型，支持常用的三維WGS84經緯度坐標數據到二維平面Web墨卡托坐標的自動投影轉換[8]。

下面以OpenLayers調用GeoServer發布的WMS地圖服務和Google 離線瓦片數據為例說明如何在客戶端實現地圖數據和航班動態數據的加載。主要用到OpenLayers的Map類、Layer類、Source類和Feature類，在瀏覽器請求頁面時各Layers圖層分別加載相應URL地址返回的圖層影像數據進行疊加渲染，最底層圖層實現離線瓦片數據的讀取和顯示，底層圖層上疊加顯示機場矢量地圖，最上層Source圖層用于表示地圖上航班位置信息，在Source圖層中通過添加Feature對象表示航班位置信息。

系統后臺把每架航班定義為一個Flight類對象，對象中包含航班呼號、經度、緯度、高度、飛行速度、角度、始發站、目的站、24位地址碼等屬性，通過解析航空器ADSB實時位置信息數據，將每架航班信息封裝到Flight對象中通過WebSocket的方式主動推送到客戶端。OpenLayers客戶端結合從后臺Web服務器獲取的航空器ADSB實時位置信息數據，將瀏覽器內存中的航班對象在頁面中動態更新或創建成新的Feature類，設置好圖標、經緯度和角度參數添加到Source圖層，Feature對象載入地圖圖層上后客戶端呈現出實時航班動態地圖，直觀地顯示出進出機場飛行中的航班信息。

3?結語

本文分析了以開源的GeoServer作為地理信息數據服務的發布端，以OpenLayers作為客戶端地圖顯示引擎，構建WebGIS應用程序開發框架的整體過程。框架實現了基本的WebGIS功能，并結合航空器ADSB數據實例，實現了航空器實時位置信息的監視功能，可以直觀地了解到機場空域此刻正在執行飛行的航班動態，將難以用文字表述的信息呈現在動態地圖界面，達到了良好的用戶體驗效果，為機場生產運營保障提供非常有價值的信息。隨著開源GIS功能的不斷完善，WebGIS將在地理信息展示、共享和利用上發揮更重要的作用，用戶可以結合自身需求融入更多地理信息資源，實現功能更強大的WebGIS平臺。

參考文獻

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[3] 金巖.基于GIS的數據展示平臺的設計與實現[D].濟南：山東大學，2016.

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[7] 張濤.基于切片技術的電子地圖制作與發布[J].科技資訊，2018，16（17）：7-8.

[8] 胡振彪，趙軍，韓磊，等.矢量電子地圖瓦片制作性能評估與應用[J].測繪科學，2020，45（2）：138-144，165.