基于ArcIMS和数据分割技术的WebGIS设计与实现

2023-02-10

WebGIS可以简单定义为在Internet上的GIS, 就是利用互联网技术和WWW技术, 完善和扩展传统的地理信息系统功能的一门新技术[1]。随着网络技术的飞速发展, WebGIS的开发也涌现出许多新技术, 其中基于ArcIMS的动态地图技术以及数据分割方式的静态地图技术成为目前比较主流的WebGIS技术。

ArcIMS是由Esri公司开发的Web GIS软件产品, 提供了一种通过网络获取动态地图、空间数据以及各种相关服务的途径[2]。所有的空间数据均由IMS空间服务器动态从数据库中获取, 保证了空间数据的现势性。地图数据分割技术基于预生成的地图图片, 通过地图图片坐标与地理坐标的正反算实现地图的Web显示以及空间分析等GIS功能。

1 基于ArcIMS技术实现WebGIS

ArcIMS是功能完善的高性能Web GIS开发软件, 主要包括客户端表现层、业务逻辑层和数据层三层体系结构, 各层之间均使用ArcXML语言进行通信。业务逻辑层包含了网络服务器、ArcIMS应用服务器、空间服务器以及服务连接器。其中, 服务器中最前端的是网络服务器, 它通过HTTP协议处理客户端请求, 发送给应用服务器并把请求结果返回给客户端;应用服务器记录在每个空间服务器上运行的服务, 接收网络服务器的请求以后, 负责将不同的请求分发给相应的空间服务器。连接器提供网络服务器和空间服务器的通道。空间服务器是整个ArcIMS的核心, 它运行ArcIMS服务, 并最终处理请求, 从数据层读取相应数据与请求处理信息一起返回客户端。

使用Arc IMS开发Web GIS系统, 首先用Author将处理好的数据进行符号化配置, 并设置服图层显示比例尺等, 保存成.axl配置文件;接着使用Administrator配置地图服务, 最后基于地图服务, 开发完成客户定制化的Web GIS的系统。

2 基于数据分割技术实现WebGIS

地图数据分割技术指的是, 根据指定的尺寸和图片格式, 将指定地理坐标范围内的地图切成若干行列的正方形 (或矩形) 图片, 按照一定的索引规则保存在数据库服务器。网络服务器接收客户端请求以后, 根据请求的地理坐标范围, 反算出需要显示的地图数据分割, 调出并返回显示在客户端的技术。其中, 地图数据分割也被称为瓦片 (Tile) 。基于数据分割技术, 通过加入坐标的正反算, 也可实现量算、空间分析等GIS功能。其中地图的数据分割生成和地图坐标的正反算是数据分割技术的两个核心。

2.1 地图的数据分割

根据细节层次模型 (LOD) 的思想, 在不同比例尺下, 用户通过地图关注的地理要素细节会发生变化。因此, 对于某一特定范围的地图数据, 需要根据比例尺的大小切分不同详细程度级别的地图数据分割。一般来说, 比例尺越大, 加载的地理要素越多, 地图内容越丰富, 相应地, 地图数据分割的数量也就越多。

2.2 地理坐标与地图数据分割的正反算

(1) 正算:通过行列号 (i, j) 推算出坐标范围

第k级下i行j列位置地图数据分割的坐标范围计算公式如下:

其中, XMin, YMax为第k级地图的x, y坐标极值;Δx, Δy为地图数据分割的横纵坐标差;m, n为第k级地图数据分割的行列数, 以下同。

(2) 反算:由x, y坐标值推算出地图数据分割的行列号i, j

3 ArcIMS技术与数据分割技术相结合的WebGIS架构

的无级缩放和控制显示, 以及基于空间数据强大的WebGIS功能;不足在于, 每次客户端请求新的地图范围, 空间服务器均需要进行复杂的空间运行, 重新生成一张新的地图, 当用户访问量较大时, 服务器压力较大。地图数据分割技术最大的优势在于, 服务器端不需要复杂的空间计算, 充分利用了客户端的图片缓存技术, 减轻了服务器端的压力。

与某项业务系统相结合的Web GIS, 以某银行网点的网上查询维护系统为例, 数据一般包括两部分, 一部分为地理底图数据, 如面状行政区域及线状道路数据等;另一部分为业务数据, 如银行网点及相关点状POI数据。其中, 地理底图数据较为复杂, 且由国家测绘相关部门提供, 数据相对较稳定, 更新周期较长;而银行网点数据相对简单, 由银行业务人员维护, 新开、变迁网点等银行业务发生相对频繁。可见, 地理底图数据部分适合使用地图数据分割技术实现, 使用ArcIMS动态生成地图会使得空间服务器资源大量浪费在复杂地理底图的生成;银行网点数据适合ArcIMS技术实现, 使用地图数据分割技术实现网点的数据维护及空间分析较为困难。

因此, 使用ArcIMS技术与数据分割技术相结合的方式, 是一种更为合理的WebGIS架构。如图1所示。

基于上述架构, 实现了一个银行网点的WebGIS原型系统。其中, 银行的网点数据及图标由ArcIMS动态生成, 其余水系、道路等地理底图由预生成的地图数据分割组合得到。该原型系统可实现地图的放大、缩小等基本操作, 比使用ArcIMS动态生成地图响应时间更短。可以基于此原型系统进一步的研究实现基于银行网点的数据维护及空间操作等。

摘要：本文基于笔者多年从事WebGIS开发和应用的相关工作经验, 以ArcIMS和数据分割技术为研究对象, 深度探讨了ArcIMS技术、地图数据分割技术的体系结构与工作原理, 在此基础上提出了一种结合ArcIMS技术与数据分割技术的WebGIS架构方式, 并实现了一个原型系统, 相信本文的研究对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：WebGIS,动态地图,数据分割