趙娜

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京100029）

Ajax技術(shù)在WebGIS中應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)

趙娜

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京100029）

WebGIS即互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統(tǒng)，WebGIS在結(jié)合AJAX技術(shù)后產(chǎn)生了新的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)變革。通過(guò)結(jié)合AJAX技術(shù)WebGIS由同步變?yōu)楫惒?，架?gòu)也更加層次清晰，同時(shí)還將采用了非實(shí)時(shí)生成圖像、地圖切塊、服務(wù)器端圖片緩存、圖像拼接、瀏覽器端緩存、異步請(qǐng)求、動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)疊加等技術(shù)，極大提高了WebGIS的性能與用戶交互性。這些都將是AJAX技術(shù)在WebGIS發(fā)展的新趨勢(shì)新應(yīng)用。

Ajax；WebGIS；地理信息系統(tǒng)

一、引言

地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System,GIS）是一種采集、處理、存貯、管理、分析、輸出地理空間數(shù)據(jù)及其屬性信息的計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等的發(fā)展以及應(yīng)用的不斷深化，使得GIS技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)和趨勢(shì)，基于互聯(lián)網(wǎng)的WebGIS就是其中之一。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展和人們對(duì)GIS需求的增長(zhǎng)，在Web上共享和發(fā)布空間數(shù)據(jù)，并為用戶提供空間數(shù)據(jù)瀏覽、查詢和分析的功能，已經(jīng)成為GIS發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。WebGIS是一個(gè)將地理信息處理和地理信息分布于Web計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)化GIS系統(tǒng)，它是面向?qū)ο筌浖?gòu)件技術(shù)、信息互操作技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。在目前基于瀏覽器應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)技術(shù)中，AJAX(Asynchronous JavaScript and XML)無(wú)疑是最新的技術(shù)。AJAX是基于Web Applications的瀏覽器的一種重要的開(kāi)發(fā)模型。它使用了幾種技術(shù)[2]，這幾種技術(shù)整合在一起并且相互合同工作，從而來(lái)創(chuàng)建功能強(qiáng)大的新應(yīng)用。組成AJAX的模型的有XML、JavaScript、HTTP和XHTML，其中XMLHttpRequest是關(guān)鍵，這些技術(shù)都是被大家所熟悉并且廣泛應(yīng)用的。

二、WebGIS的發(fā)展階段與趨勢(shì)

縱觀GIS發(fā)展，可以將其分為三個(gè)發(fā)展階段，即傳統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)階段、同步B/S結(jié)構(gòu)階段以及異步B/S結(jié)構(gòu)階段。目前的最新技術(shù)都是第三個(gè)發(fā)展階段的產(chǎn)品。

（一）傳統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)的GIS

第一階段的GIS是傳統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)的GIS。早期的GIS功能較弱，主要用于電子地圖的發(fā)布和簡(jiǎn)單的空間分析與數(shù)據(jù)編輯，難以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的圖形交互應(yīng)用（如GIS數(shù)據(jù)的修改和編輯、制圖）和復(fù)雜的空間分析，以傳統(tǒng)的C/S結(jié)構(gòu)的GIS應(yīng)用為主，C/S結(jié)構(gòu)涉及客戶端與服務(wù)器端之間大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輸。此時(shí)的GIS面臨需要用戶安裝客戶端，并對(duì)用戶系統(tǒng)性能要求高，造成僅在科研機(jī)構(gòu)應(yīng)用，難以大面積推廣的局面。

（二）同步B/S結(jié)構(gòu)的WebGIS

隨著Internet的發(fā)展，基于B/S結(jié)構(gòu)的Web GIS開(kāi)始逐步成為GIS應(yīng)用的主流，Web GIS相對(duì)于C/S結(jié)構(gòu)而言，具有部署方便、使用簡(jiǎn)單、對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬要求低的特點(diǎn)，為地理信息服務(wù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)瀏覽器調(diào)用服務(wù)器端的功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)GIS所具有的功能，最終使B/S結(jié)構(gòu)取代C/S結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，通過(guò)GIS應(yīng)用服務(wù)器之間的互操作和協(xié)同計(jì)算，使億萬(wàn)網(wǎng)民隨時(shí)根據(jù)需要來(lái)查詢GIS。第二階段主要將功能從C/S結(jié)構(gòu)逐步移植到B/S平臺(tái)，解決了部署客戶端困難的問(wèn)題，同事降低了用戶端對(duì)硬件系統(tǒng)的性能要求，使得用戶受眾大大增加。隨著訪問(wèn)量的逐步提高、帶寬消耗越來(lái)越大，性能與交互性成為WebGIS所面臨的新問(wèn)題。服務(wù)器需要對(duì)每一個(gè)用戶請(qǐng)求實(shí)時(shí)生成地圖圖片，由于是同步操作，用戶移動(dòng)地圖后需要等待整張圖片返回后才能看到頁(yè)面更新，在等待的時(shí)候只能面對(duì)一大塊屏幕空白無(wú)法操作，造成WebGIS在用戶交互時(shí)等待時(shí)間長(zhǎng)、后臺(tái)服務(wù)器端CPU壓力大。且系統(tǒng)架構(gòu)中各層次無(wú)法緩存GIS數(shù)據(jù)，造成網(wǎng)絡(luò)帶寬資源消耗過(guò)多。

（三）異步B/S結(jié)構(gòu)的WebGIS

第三階段即異步B/S結(jié)構(gòu)WebGIS的階段。目前GIS正朝著一個(gè)可運(yùn)行的、分布式的、開(kāi)放的、網(wǎng)絡(luò)化的全球GIS發(fā)展。隨著AJAX技術(shù)的出現(xiàn)和普及，WebGIS從同步發(fā)展到了異步。通過(guò)利用AJAX技術(shù)，使得瀏覽器端可以異步加載多張圖片，于是WebGIS將返回用戶的一張大圖片切分成多個(gè)小圖片。通過(guò)利用AJAX技術(shù)可以利用瀏覽器對(duì)圖片數(shù)據(jù)的自動(dòng)緩存技術(shù)，WebGIS將切割的小圖片大小標(biāo)準(zhǔn)化、命名統(tǒng)一化、內(nèi)容層次化、切割坐標(biāo)規(guī)則化，使得服務(wù)器端不需要重復(fù)生成圖片，只需要一次性的將所有比例尺的圖片生成好即可。通過(guò)利用AJAX技術(shù)的異步加載使得用戶不需要漫長(zhǎng)的等待，多張小圖片異步加載速度大大優(yōu)于單張大圖片的同步加載速度，并且在圖片加載過(guò)程中可以依據(jù)比例尺先加載低精度的圖片然后加載高精度的圖片，在加載的過(guò)程中用戶無(wú)需等待還可進(jìn)行其他操作。通過(guò)利用AJAX對(duì)頁(yè)面HTML代碼的動(dòng)態(tài)控制，使得地圖顯示部分可以縱向分成多個(gè)層次，將基礎(chǔ)地圖和應(yīng)用地圖數(shù)據(jù)分開(kāi)，做到基礎(chǔ)地圖后臺(tái)一次性生成，行業(yè)應(yīng)用地圖數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)獲取疊加顯示。通過(guò)利用AJAX的異步功能，使得用戶交互越來(lái)越人性化，地圖的平移、放縮、結(jié)果的交互顯示效果越來(lái)越絢麗逼真。第三階段結(jié)合AJAX技術(shù)的異步WebGIS是發(fā)展的大趨勢(shì)，不僅降低了服務(wù)器端的成本、將數(shù)據(jù)層與應(yīng)用層分開(kāi)、極大擴(kuò)展了用戶的數(shù)量、降低了行業(yè)應(yīng)用的門檻、提高了用戶體驗(yàn)。新的結(jié)合AJAX技術(shù)的異步WebGIS將是未來(lái)應(yīng)用的發(fā)展的主流。

三、AJAX結(jié)合WebGIS的應(yīng)用趨勢(shì)

（一）AJAX帶來(lái)架構(gòu)、性能與交互性方面的變革

AJAX技術(shù)結(jié)合WebGIS，深刻推動(dòng)了WebGIS的發(fā)展，在技術(shù)上帶來(lái)了質(zhì)的飛躍，通過(guò)以下技術(shù)手段解決了同步WebGIS面臨的問(wèn)題。

1.地圖切塊技術(shù)

運(yùn)用Ajax技術(shù)，客戶端與服務(wù)器可以進(jìn)行異步多線程數(shù)據(jù)交互，這樣在地圖服務(wù)中可以切塊傳輸?shù)貓D[3]。

開(kāi)發(fā)一個(gè)靜態(tài)地圖生成器，固定地圖的多級(jí)顯示比例尺，一次性由服務(wù)器端提前把所有級(jí)別比例尺的地圖圖片生成好，同時(shí)支持矢量格式GIS數(shù)據(jù)與遙感格式GIS數(shù)據(jù)，將生成的圖片按照一定規(guī)則命名，根據(jù)比例尺不同存儲(chǔ)到不同目錄中。用戶請(qǐng)求時(shí)服務(wù)器端，服務(wù)器端不需要重復(fù)生成圖片，生成的靜態(tài)圖片容易緩存，可以充分利用各種成熟的服務(wù)器端靜態(tài)化緩存方案。

2.服務(wù)器端圖片緩存技術(shù)

利用反向代理技術(shù)，將地圖圖片根據(jù)區(qū)域或者比例尺切分分別存儲(chǔ)到多臺(tái)服務(wù)器上，并且每一類圖片都可以做負(fù)載均衡，這樣用戶訪問(wèn)量再大致需要增加服務(wù)器的數(shù)量就可以支持更高的并發(fā)訪問(wèn)量。利用內(nèi)存緩存技術(shù)可以極大減少硬盤讀寫，響應(yīng)時(shí)間提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且降低硬盤頻繁讀寫帶來(lái)的物理?yè)p傷。

3.圖像拼接技術(shù)

用戶瀏覽器端將請(qǐng)求返回的多張小圖片動(dòng)態(tài)拼接成整幅地圖，在平移或者放縮的時(shí)候由瀏覽器端的程序判斷需要從服務(wù)器端下載哪些圖片，這樣極大地減少了圖片的傳輸，加快了傳輸?shù)乃俣取?/p>

4.瀏覽器端緩存技術(shù)

通過(guò)在用戶的瀏覽器端增加一層緩存，在瀏覽器端加載圖片時(shí)由程序判斷是否已緩存該圖片，如果緩存則直接從緩存中讀取圖片，不需要從服務(wù)器端請(qǐng)求圖片，緩存中儲(chǔ)存的是經(jīng)常使用的圖片，這樣可以節(jié)省大量帶寬。同時(shí)還利用了瀏覽器自動(dòng)支持異步多線程圖片加載的功能，大大提高了用戶的響應(yīng)速度。

5.瀏覽器端動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)繪制技術(shù)將具體行業(yè)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與地圖基本數(shù)據(jù)分開(kāi)，查詢返回的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過(guò)瀏覽器端AJAX技術(shù)動(dòng)態(tài)疊加到地圖上，并支持氣泡提示，大大增強(qiáng)用戶交互性。在前臺(tái)采用JS繪圖，由于JS繪圖的速度比后臺(tái)程序要慢100倍左右，性能就成了至關(guān)重要的因素，利用點(diǎn)、線、面抽稀和截取算法化簡(jiǎn)前臺(tái)繪制的圖形，使性能滿足響應(yīng)要求。

6.異步請(qǐng)求技術(shù)

利用AJAX的XMLHttpRequest請(qǐng)求消除了交互過(guò)程中的“停止-開(kāi)始”的弱點(diǎn)，用戶在與服務(wù)器交互的過(guò)程變?yōu)楫惒剑瑥亩鬼?yè)面上的數(shù)據(jù)不必一次又一次的全部刷新。利用這個(gè)技術(shù)可以大大增強(qiáng)交互效果?？梢杂肵MLHttpRequest來(lái)實(shí)現(xiàn)各種GIS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接口的服務(wù)調(diào)用。交互采用XML形式收發(fā)請(qǐng)求，這樣前后臺(tái)就可以消除語(yǔ)言依賴，調(diào)用的接口統(tǒng)一，具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同。

（二）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)兼容方面的變革

GIS互操作性的欠缺一直是WebGIS業(yè)界亟待解決的一大難題。不同GIS間的互操作性已經(jīng)成為一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題,制訂地理信息的互操作標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范是解決問(wèn)題的關(guān)鍵[4]。 GIS互操作的實(shí)現(xiàn)還需要從技術(shù)上制定共同遵循的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。這里，互操作是指各種功能單元之間的通訊、執(zhí)行程序或轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的能力,即便用戶不了解各功能單元獨(dú)立特征或?qū)ζ渲跎?。因此，解決GIS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的支持問(wèn)題可以使WebGIS的互操作性大大提高。通過(guò)支持一系列國(guó)際GIS標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)據(jù)層可以支持各種不同格式的GIS數(shù)據(jù)共享與相互轉(zhuǎn)換，在服務(wù)層可以對(duì)外提供各種復(fù)合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的GIS服務(wù)調(diào)用接口，系統(tǒng)間交互采用XML格式，可以支持異構(gòu)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換和服務(wù)調(diào)用,可以將GIS數(shù)據(jù)提供商與GIS內(nèi)容提供商區(qū)分開(kāi)來(lái)，更加清晰的劃分彼此的角色。

制定標(biāo)準(zhǔn)并不是一個(gè)公司或一個(gè)單位單獨(dú)可以完成的，它包括收集現(xiàn)有互操作信息，發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)，推廣可以接受的標(biāo)準(zhǔn)，以及按照反饋進(jìn)行更新等繁雜的任務(wù)?，F(xiàn)有兩個(gè)國(guó)際化組織進(jìn)行了業(yè)界廣泛認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)化工作：一個(gè)是國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織ISO（International Standard Organization），另一個(gè)是開(kāi)放地理信息系統(tǒng)協(xié)會(huì)OGC。ISO的TC211小組（簡(jiǎn)稱ISO/TC211）定義了與GIS Web服務(wù)有關(guān)的框架與規(guī)范，OGC作為全球最大的空間信息互操作規(guī)范的制訂者和倡議者，在參照ISO/ TC211標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制訂了相應(yīng)的地理信息服務(wù)規(guī)范。

可見(jiàn)ISO/TC211主要側(cè)重于定義數(shù)據(jù)格式和相應(yīng)規(guī)范。OGC則側(cè)重于共享方式的定義。

（三）二次開(kāi)發(fā)方面的變革

通過(guò)實(shí)現(xiàn)國(guó)際GIS標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)可對(duì)外提供XML級(jí)服務(wù)調(diào)用接口和JavaScript級(jí)的頁(yè)面腳本調(diào)用接口。通過(guò)對(duì)具體操作的抽象，為開(kāi)發(fā)人員提供了靈活的調(diào)用方式，極大降低了GIS的應(yīng)用門檻，不需要學(xué)習(xí)部署、關(guān)注底層的細(xì)節(jié)，開(kāi)發(fā)人員只需要將精力集中在具體業(yè)務(wù)層即可，也大大提高了開(kāi)發(fā)的速度。JavaScript二次開(kāi)發(fā)接口將AJAX的XMLHttpRequest請(qǐng)求包裝起來(lái)，用戶就像調(diào)用JavaScript函數(shù)一樣調(diào)用即可，自動(dòng)支持異步請(qǐng)求和局部刷新，也降低了AJAX的使用門檻。

四、結(jié)語(yǔ)

地理信息系統(tǒng)從上世紀(jì)60年代發(fā)展到本世紀(jì)初，空間分析等GIS功能已經(jīng)發(fā)展成熟，不再是推動(dòng)GIS進(jìn)步的主要?jiǎng)恿?。?dāng)前信息化的浪潮給GIS帶來(lái)了進(jìn)一步騰飛的契機(jī)。通過(guò)結(jié)合AJAX技術(shù)解決性能、用戶交互、標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題，并積極拓展應(yīng)用模式，GIS將走向社會(huì)化和網(wǎng)絡(luò)化，為人民大眾服務(wù)，真正成為數(shù)字地球的支撐技術(shù)。我們對(duì)結(jié)合AJAX技術(shù)的異步WebGIS的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了研究，然而，現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外的Ajax技術(shù)應(yīng)用在WebGIS的時(shí)候，最復(fù)雜的就是要考慮到GIS的算法，否則JavaScript的性能比java差100倍以上，尤其在用Ajax方式繪圖的時(shí)候，這需要做許多算法上的優(yōu)化。另外也是Ajax技術(shù)在WebGIS應(yīng)用中，特別是在GIS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題上的一個(gè)重要缺陷。這也是我們今后研究的方向。

[1]Sebillo M.A WebGIS for promoting Archaeologieal Assets[J].In: ICHIM.Parigi.France,2003.56-74.

[2]Garrett,J.J.,Ajax:A New Approach to Web Applications[EB/OL].http:// www.adaptivepath.com/ideas/essays/archives/000385.php,2005.

[3]Geoffrey andeson,Rafael Moreno-Sanchez.Building Web-Based Spatial Information Solutions around Open Specifications and Open Source Software[J].Transactions in GIS,2003,7(4):448-458.

[4]鮑虎軍,等.我國(guó)GIS技術(shù)與應(yīng)用的現(xiàn)狀和對(duì)策[EB/OL].http://www. spatialdata.org/xzdc.htm 2009.