QuickMap網(wǎng)絡地圖服務平臺設計與實現(xiàn)

劉昱君，談 帥，劉 杰

(江蘇省基礎地理信息中心，江蘇南京210013)

一、引 言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，越來越多的政府部門認識到GIS在日常管理中的重要作用，測繪地理信息部門的服務范圍橫向上從國土、公安、交通等強GIS行業(yè)向文化、教育等中、弱GIS行業(yè)拓展，縱向上從省級廳局向市縣級局辦延伸。這樣的延伸與拓展使測繪地理信息服務部門面臨著一些之前未遇到的問題：

首先，項目經(jīng)費問題。以往GIS項目以滿足強GIS應用需求為導向，強GIS部門的應用一般和單位的核心業(yè)務流程密切相關，對GIS系統(tǒng)的功能、穩(wěn)定性要求非常高，領導往往非常重視也愿意投入較多的經(jīng)費開發(fā)。而中、弱GIS部門的應用由于處于起步階段，領導重視程度不一，經(jīng)費投入往往不足。這就導致之前一直采用的基于GIS平臺軟件定制開發(fā)的模式相對于中、弱GIS部門的投入過于龐大。

其次，數(shù)據(jù)來源問題。目前GIS項目呈現(xiàn)綜合化趨勢，現(xiàn)勢性要求越來越高，尤其是目前正在開展的“天地圖”項目建設，需要豐富、翔實，貼近用戶生活的地理信息。作為基礎測繪部門，這類興趣點數(shù)據(jù)并不在采集范圍之內(nèi)，而且這類信息每天都在變化，如何高效地獲取每日更新的現(xiàn)勢數(shù)據(jù)是對GIS應用部門的挑戰(zhàn)。

再次，快速開發(fā)、靈活部署問題。隨著GIS應用的深入，客戶的要求越來越高，往往從項目啟動到部署運行只給一至兩個月時間。這要求開發(fā)人員對GIS平臺有著極深入的了解，碰到問題能夠快速解決，然而，GIS平臺廠商從自己的商業(yè)利益出發(fā)，不可能把底層技術透露太多給應用開發(fā)商，經(jīng)常導致整個項目因為一兩個問題被拖延。而且，目前主流的大型GIS平臺過于龐大，系統(tǒng)開發(fā)完成后部署復雜，非常容易出問題。

基于以上幾個原因，筆者所在單位決定研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的網(wǎng)絡地圖服務平臺軟件。

二、研發(fā)內(nèi)容

1)研發(fā)互聯(lián)網(wǎng)地理信息挖掘工具，針對各類互聯(lián)網(wǎng)地圖服務網(wǎng)站、商業(yè)務網(wǎng)站以及房產(chǎn)服務網(wǎng)站等編寫對應的數(shù)據(jù)提取算法，并將興趣點數(shù)據(jù)按照“天地圖”興趣點分類標準進行分類。

2)研發(fā)QuickMap Server軟件，支持 Shapefile、PostGIS、MySQL、Oracle等多種矢量數(shù)據(jù)源，支持Grid、Image等多種柵格數(shù)據(jù)源，提供簡單的空間數(shù)據(jù)分析服務功能，支持 WMS、WFS、WCS、WMTS等“天地圖”技術規(guī)范所指定的服務標準。

3)研發(fā)QuickMap Console軟件，支持多種矢量、柵格數(shù)據(jù)存儲格式，功能包括數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)入庫、空間數(shù)據(jù)可視化查詢、交互式符號化與專題制圖、地圖服務發(fā)布、地圖服務管理等，該軟件可集成互聯(lián)網(wǎng)地理信息挖掘工具的功能，還可以作為插件與軟件開發(fā)工具集成，組成WebGIS項目生命周期管理軟件。

4)研發(fā)QuickMap Application二次開發(fā)包，封裝QuickMap Server服務調(diào)用接口，設計方便、實用的WebGIS控件，便于快速搭建WebGIS應用，提供基于插件架構的Web客戶端框架，方便擴展客戶端功能。

三、技術方案

QuickMap網(wǎng)絡地圖服務平臺中采用了分層設計和插件設計相結合的架構，其中GIS核心組件采用分層架構設計，QuickMap Server與QuickMap Console復用 GIS核心組件。QuickMap Server、Quick-Map Console、QuickMap Application應用模版均采用插件式設計，針對桌面軟件、服務端軟件及Web客戶端分別開發(fā)插件式框架，實現(xiàn)3個軟件的靈活擴展。

1.系統(tǒng)架構

(1)GIS核心組件架構

GIS核心組件是QuickMap網(wǎng)絡地圖服務平臺的基石，主要提供空間數(shù)據(jù)訪問、空間數(shù)據(jù)渲染等GIS功能，該組件采用3層架構，即數(shù)據(jù)訪問層、數(shù)據(jù)模型層以及數(shù)據(jù)渲染層：

1)數(shù)據(jù)訪問層：該層定義了一組數(shù)據(jù)訪問接口，并針對不同的數(shù)據(jù)的存儲方式實現(xiàn)了這些接口，屏蔽了不同數(shù)據(jù)源的差別。

2)數(shù)據(jù)模型層：該層定義了統(tǒng)一要素訪問接口，屏蔽不同邏輯設計的空間數(shù)據(jù)的差異，上層應用人員只需要調(diào)用要素訪問接口而不需要知道具體要素類的設計。

3)數(shù)據(jù)渲染層：在統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型基礎上，提供符號化、專題制圖接口，并將制圖結果繪制于屏幕、內(nèi)存繪圖設備、圖片文件中。

(2)插件式架構設計

插件式架構相對于組件式具有更強的靈活性和擴展性，在對功能進行修改和擴充時不需要對整個系統(tǒng)進行重新編譯，只需要覆蓋舊的插件文件或者注冊新的插件即可完成系統(tǒng)的升級和功能擴展。插件式架構包括如下幾個部分。

1)插件框架：插件框架定義了一組應用程序核心與插件的通信契約，插件功能必須實現(xiàn)這些契約，在軟件運行的時候系統(tǒng)通過契約調(diào)用對應的插件。

2)插件配置持久化組件：該組件在系統(tǒng)啟動時讀取存儲在數(shù)據(jù)庫或者文件中的插件清單，按照一定的結構生成插件注冊表，并將插件功能映射到對應的界面元素的交互事件處理中。

3)插件運行時管理組件：該組件負責插件運行生命周期管理，插件配置持久化組件生成插件注冊表后，該組件根據(jù)配置信息通過反射等動態(tài)對象生成技術創(chuàng)建插件對象，并在插件不再使用時負責卸載插件并銷毀。

2.關鍵技術

(1)互聯(lián)網(wǎng)地理信息挖掘技術

本平臺開發(fā)的數(shù)據(jù)挖掘工具通過對多個互聯(lián)網(wǎng)站點的挖掘，提取興趣點數(shù)據(jù)，對這些原始數(shù)據(jù)按照“天地圖”國家節(jié)點查詢服務的分類標準進行分類和投影轉換，使其精度和坐標系符合“天地圖”建設的要求。具體流程如下：

1)依據(jù)“天地圖”國家節(jié)點提供的興趣點的類型，分析多個互聯(lián)網(wǎng)站點所能提供的信息，將興趣點分為普通興趣點，商住樓、住宅小區(qū)，公交站點、路線3類。其中，普通興趣點從主流互聯(lián)網(wǎng)地圖服務網(wǎng)站獲取;商住樓、住宅小區(qū)從大型互聯(lián)網(wǎng)房產(chǎn)服務站點獲取;公交站點、路線則通過對公交服務網(wǎng)站和互聯(lián)網(wǎng)地圖服務網(wǎng)站綜合挖掘獲取。

2)分析各個互聯(lián)網(wǎng)站點相關功能的后臺服務接口，按照請求方法將服務分為POST方式和GET方式兩類，按照結果返回的格式又進一步劃分XML返回方式和JSON返回方式，針對不同的請求方式、結果返回格式編寫不同的請求和解析算法。將不同來源的興趣點解析成統(tǒng)一的格式。

3)對重復的興趣點進行歸并后對興趣點數(shù)據(jù)進行分類。

4)分析不同互聯(lián)網(wǎng)站點所使用的網(wǎng)絡地圖的坐標系統(tǒng)，以縣、區(qū)為單位將興趣點投影到1980西安坐標系和CGCS2000坐標系。

(2)空間數(shù)據(jù)訪問技術

目前空間數(shù)據(jù)存儲格式非常多，常見的有Shapefile、Oracle、PostGIS、SQL Server等，它們對空間數(shù)據(jù)存儲組織方式也各有不同，如Shapefile空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存儲在不同的文件中，Oracle、SQL Server除了支持標準的SQL語言外還擁有各自特有SQL語言，此外這兩種數(shù)據(jù)庫既可以像ArcSDE那樣將一個要素類分別存儲在幾個表中，也可以將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存儲在一個數(shù)據(jù)表中。因此本平臺設計了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問層和數(shù)據(jù)模型層，屏蔽各種存儲格式的差別，設計方案如下：

1)在開發(fā)數(shù)據(jù)訪問層時，主要使用了提供者模式(provider pattern)的設計思想，設計 IProvider接口，定義了空間數(shù)據(jù)庫常用的操作，包括屬性查詢、空間查詢、查詢要素的數(shù)目、查詢對象ID，以及獲取空間參考信息等。

2)針對不同的文件、數(shù)據(jù)庫編寫對應的數(shù)據(jù)訪問類，這些類都實現(xiàn)了IProvider接口，這樣上層開發(fā)人員在對數(shù)據(jù)進行操作時不需要知道實際的數(shù)據(jù)訪問類，只需要調(diào)用IProvider接口。

3)為了屏蔽空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)分離存儲與集中存儲的區(qū)別，平臺設計了FeatureDataTable、FeatureDataRow等類型，在邏輯上實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)一體化訪問，從用戶的角度來看IProvider只對Feature操作，而不是針對某個表或者文件。

(3)空間數(shù)據(jù)可視化技術

空間數(shù)據(jù)可視化采用了與設備無關的設計方案，針對符號化與專題制圖的需求定義了一系列的接口方便用戶使用，設計方案如下：

1)設計IStyle接口，該接口定義了顯示的最大、最小比例尺等最通用的符號化信息，實現(xiàn)它的類型則包含了線型、填充樣式等具體的符號化信息。

2)設計ITheme接口，該接口定義了根據(jù)要素屬性信息獲取IStyle對象的方法，即實現(xiàn)該接口的類需實現(xiàn)專題制圖算法，系統(tǒng)調(diào)用ITheme接口來獲取專題圖中每個地理要素的符號化信息。

3)設計Renderer類，該類根據(jù)獲取的IStyle對象，應用IStyle對象中定義的線型、填充樣式等信息將要素繪制在內(nèi)存中的位圖對象中。

4)根據(jù)不同的需求將Renderer繪制的內(nèi)存中的位圖輸出到不同的設備上，如桌面軟件則輸出到屏幕，網(wǎng)絡地圖服務器則通過HttpHandler輸出為二進制流，以實現(xiàn)地圖服務。

(4)地理信息服務化技術

地理信息服務化技術需要解決的問題是在空間數(shù)據(jù)訪問組件、空間數(shù)據(jù)可視化組件基礎上如何通過標準的Web服務接口對外提供空間數(shù)據(jù)的查詢服務和地圖服務，在這方面本平臺采用了如下的方案：

1)分析 OGC規(guī)范中的 WMS、WFS、WCS、WMTS等服務的各種操作及其對應的參數(shù)，將不同的操作請求封裝為不同的Operation類型并實現(xiàn)，這些Operation調(diào)用空間數(shù)據(jù)訪問組件及空間信息可視化組件來完成所請求的功能。

2)設計調(diào)度器Dispatcher類型，解析客戶端發(fā)送過來的請求，提取其操作參數(shù)及其他參數(shù)，創(chuàng)建對應的Operation并執(zhí)行。

3)將Operation執(zhí)行的結果寫入服務器響應，完成服務操作。

(5)地理信息服務負載均衡技術

為了保證地理信息服務可用性與性能，平臺采用了多種負載均衡設計，具體方案如下：

1)將不同級別的瓦片、不同的地理信息服務運行于不同的計算機集群中，避免服務集中、訪問集中的情況。

2)對于同一個服務建立多個集群，使用不同的域名，增強可用性與性能。

3)QuickMap Application二次開發(fā)包內(nèi)置了客戶端負載均衡算法，主動避免每次都訪問同一個域名中的服務。

四、應用情況

1.在電子政務方面

于2010年12月完成的“江蘇省水利地理信息系統(tǒng)”采用了本項目中QuickMap Application二次開發(fā)模板中的插件式客戶端框架，實現(xiàn)了多源地理信息服務聚合，系統(tǒng)具有靈活的擴展性。該項目被鑒定為處于國際先進、國內(nèi)領先水平。

基于QuickMap平臺開發(fā)的“江蘇省第三次全國文物普查不可移動文物管理信息系統(tǒng)”于2011年12月通過江蘇省文物局組織的專家組的驗收，專家組認為該系統(tǒng)利用自主知識產(chǎn)權軟件開發(fā)的系統(tǒng)界面設計、數(shù)據(jù)挖掘、分類專題統(tǒng)計等方面的功能具有創(chuàng)新，達到了國內(nèi)先進水平。

基于本平臺開發(fā)的“南京文物管理信息系統(tǒng)”已經(jīng)開發(fā)完成，系統(tǒng)實現(xiàn)了文物查詢、統(tǒng)計圖表生成、考古勘探發(fā)掘申報表生成、文物空間位置以及屬性信息修改等功能。

基于本平臺開發(fā)的“江蘇省廣播電影電視局數(shù)字電影流動放映監(jiān)管系統(tǒng)”實現(xiàn)了按市、縣、院線對放映電影的內(nèi)容、廣告內(nèi)容、場次的監(jiān)管，提供了電影放映機的歷史軌跡回放等數(shù)字電影流動放映監(jiān)管工作中所需要功能。

以上應用系統(tǒng)有力地支持了相關業(yè)務部門的日常管理工作，提高了業(yè)務管理水平和工作效率，有的行業(yè)實現(xiàn)了從紙質媒體向信息化管理跨越。

2.在公共服務方面

基于本平臺開發(fā)的“天地圖·武進”實現(xiàn)了“天地圖”所規(guī)定的服務和功能之外，還通過本平臺的數(shù)據(jù)挖掘工具采集了團購信息、房產(chǎn)市場信息以及公交站點、路線信息等，豐富了“天地圖”服務的內(nèi)容。

五、結束語

QuickMap網(wǎng)絡地圖服務平臺作為筆者所在單位自主研發(fā)的基礎GIS軟件，其功能、性能能夠滿足大多數(shù)非專業(yè)GIS應用部門對空間地理信息服務發(fā)布與應用開發(fā)的需求，在弱、中型WebGIS應用中完全可以替代商業(yè)GIS軟件，具有廣闊的應用前景。

下一步，本平臺將圍繞地理信息公共服務平臺、“天地圖”等項目建設，進一步增加適用的功能，改進其性能并將其打造為市縣級地理信息公共服務平臺的核心軟件。

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