WebGIS系统的设计与实现

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什么是WebGIS？

WebGIS是Internet技术应用于GIS开发的产物。WebGIS，即互联网地理信息系统，以互联网为环境，以Web页面作为GIS软件的用户界面，把Internet和GIS技术结合在一起，为各种地理信息应用提供GIS功能。GIS通过Web功能得以扩展，通过Web发布地图、浏览空间数据，制作专题图，例如大家熟悉的Go2Map、Google Map、MapBar等等。

[使用的技术：GIS基本开发、.net Remoting、ASP.net开发和控件开发、设计模式]

[代码下载：/Files/maweifeng/WebGIS.rar]

WebGIS的基本原理

WebGIS的原理并不复杂，主要流程如下（下图）：
（1）首先，设计一个可以交互的Web页（可以应用ASP、PHP、ASP.net、JSP等，商用WebGIS大多选择除了PHP的其他语言，而开源WebGIS大都选择了PHP），通过此Web页，向Web服务器提交有关GIS服务的请求；
（2）此请求会包含对地图数据的请求，包括查询等，请求会通过Web服务器提交给GIS应用服务器；
（3）GIS应用服务器可以使用几种技术，CGI、COM、Java Serverlet或者.net技术、Web Service技术，通过这些组件包装已有的GIS软件，获取客户端的请求，将用户需求转化为具体的操作，返回需求的数据（一般是一个地图图片或者查询的数据集），这个过程称为地图的Render，实际上也是最为耗时的操作；
（4）Web服务器获取了GIS应用服务器返回的图片，然后作为一个Web页返回给客户。

这就是WebGIS的基本原理，另外一类基于客户端插件，如ActiveX或者Applet的WebGIS系统，差别在于GIS服务器不生成图片，而返回矢量数据集。

这样，可以看出，WebGIS的关键是设计GIS应用服务器，该服务器的性能和效率很大程度上决定了WebGIS的性能。

WebGIS的设计

接着我们来设计一个自己的WebGIS系统。我们的需求非常简单，可以将一个地图以固定的分辨率显示在Web浏览器，可以放大、缩小和移动。这个功能虽然简单但五脏俱全，大概可以一窥WebGIS的基本原理。

我们选择使用.net技术，首先需要对系统进行划分，Web开发使用ASP.net的Web Control来封装一个简单的控件，ASP.net的Web页通过此控件来显示地图，控件包括几个主要操作的接口。此Control每次Render的时候都需要调用GIS服务器获取需要的数据，然后将此图片Render为Web页的一部分。

GIS服务器负责打开GIS空间数据，接受请求，生成图片，然后返回之。我们知道，空间数据的打开、关闭是非常耗时的操作，因此，GIS服务器应该保证“一直开着”，而不是一个简单的组件，每次请求时都打开、关闭GIS数据。要获得这样的功能可以通过几种方式：（1）使用一般控件或Web Service，在Global.asax中的 Application_Start 中启动打开数据；（2）使用Windows服务（CSDN的一篇翻译文章对使用Windows服务有详细说明：http://editblog.csdn.net/msdncolumn/archive/2005/05/26/3710.aspx）；（3）使用Remoting技术，采用Singleton方式的服务器端，可以保证所有请求使用的都是同一对象，而且对象在生存期内不会频繁打开和关闭。实际系统大概是同时使用了几种技术，例如使用Windows服务在开机时启动，然后创建Remoting服务器端。

一般来说，GIS服务器都使用了创建Map Service（地图服务）的方式，就是说，可以在GIS服务器创建多个Service，提供Map服务。这样，前端的Web页调用Map Service服务，服务控制空间数据，在Web程序调用之前，GIS服务器已经打开了空间数据，等待提供服务。这样，我们一方面对程序进行了分层，另一方面通过分层，意外的获得了可以通过在GIS服务器端控制Map Service的方式更新、修改地图数据，而不影响Web服务的好处。

以下即为一个基于.net设计的WebGIS的架构示意，不同颜色表示可以部署于不同的机器。其中GIS应用服务器上运行Map Service，为前端的Web程序提供地图数据。



详细设计与系统实现

GIS服务器（基于.net Remoting）

在运行于不同进程中的对象之间建立通信（无论是在同一台计算机上，还是在相距数千公里的计算机上）是常见的开发目标。通过 .NET 远程处理，客户端应用程序可以使用同一台计算机（或其网络中其他任何可用的计算机）上的其他进程中的对象。可以从 Web 应用程序、控制台应用程序、Windows 服务进行通信。因此我们将基于.net Remoting技术实现GIS服务器。

MapRender接口

我们首先设计如下的一个MapRender接口，在服务器端实现之，客户端则通过Remoting远程调用，使用Server端的服务。



MapService类



MapService实现了MapRender接口，提供Map服务，返回生成的Map的文件名。其实现是通过bridge模式，调用 _mapEngine 来完成具体的操作。在构造函数（New）内，使用Factory模式初始化  _mapEngine，打开数据（如下代码），在Dispose中关闭数据。

 1Dim strMapEngine As String
 2strMapEngine = "Simple"
 3
 4Select Case strMapEngine
 5    Case "Simple"
 6        _mapEngine = New SimpleMapEngine
 7    Case "Mo"
 8        _mapEngine = New MoMapEngine
 9    Case "Supermap"
10        _mapEngine = New SupermapMapEngine
11    Case Else
12End Select
13
14_mapEngine = New SimpleMapEngine
15_mapEngine.OpenMapDB("")
16

实际的程序可以从配置文件里读入需要的数据，然后初始化MapEngine，这里直接初始化为SimpleMapEngine。

MapEngine（具体的地图引擎）



地图引擎首先实现了一个基类，然后在此基础上继承不同的引擎。对于使用MO和SuperMap的引擎，可以使用Adapter模式来实现。本文实现了一个“假的”Simple引擎只是返回一个已有的图片地址（Server Stub模式）。

[本来准备使用SuperMap Object实现一个Map引擎，但有些COM互操作的问题解决不了，暂时作罢，这样也有一个好处，即任何人都可以测试此程序]

启动Map Service服务

我们在Main函数内启动MapService服务：

1Dim chan1 As TcpChannel
2chan1 = New TcpChannel(8085)
3
4ChannelServices.RegisterChannel(chan1)
5RemotingConfiguration.RegisterWellKnownServiceType(GetType(MapService), "MapService", WellKnownObjectMode.Singleton)
6
7System.Console.WriteLine("Hit <enter> to exit")
8System.Console.ReadLine()
9

实际的实现，可以使用类似代码和配置文件，启动多个Map Service服务，供不同的地图程序调用。

测试Map Service服务

我们可以创建一个WinForm程序来测试此Map Service服务，首先，添加MapRender接口IMapRender的引用，对在Form Load事件里初始化远程对象MapService：

1Dim chan As TcpChannel
2chan = New TcpChannel
3ChannelServices.RegisterChannel(chan)
4_map = CType(Activator.GetObject(GetType(IMapRender.MarsWebGIS.IMapRender), "tcp://localhost:8085/MapService"), IMapRender.MarsWebGIS.IMapRender)
5
6

这样，我们就可以使用 _map 对象获取Map Service服务，返回需要的数据。

 1Dim strFileName As String
 2Dim img As Bitmap
 3Dim l, t, r, b As Double
 4
 5strFileName = _map.GetMap(t, l, r, b, _path)
 6Me.lblImg.Text = strFileName
 7img = New Bitmap(strFileName)
 8Me.picMap.Image = CType(img, Image)
 9
10

运行结果如下：



下面，我们就可以在使用ASP.net创建使用此远程服务的控件，在Web上使用GIS地图服务，实现WebGIS。

Map Control的创建和测试

现在，我们已经可以在ASP.net开发中直接使用上面实现的Map Service，我们可以通过控制GetMap的参数，来实现移动、大小缩放等基本功能。

为了文章的完整性，我们来封装一个简单的Map Control控件。



该控件在New事件内初始化 _map 调用远程的Remoting服务（Map Service），和前面的测试一样，可以使用如下方法初始化：

_map = CType(Activator.GetObject(GetType(IMapRender.MarsWebGIS.IMapRender), "tcp://localhost:8085/MapService"), IMapRender.MarsWebGIS.IMapRender)

然后在Render事件内调用GetMap。我们可以在此控件内通过GetMap参数封装移动、大小缩放等基本功能。

下面我们测试一下此控件。新建一个ASP.net页，增加以下引用：

<%@ Register Assembly="MapControlLibrary" Namespace="MapControlLibrary" TagPrefix="MapControlLibrary" %>

然后就可以使用控件：

<MapControlLibrary:MapControl id="Map1" runat="server">
</MapControlLibrary:MapControl>

运行结果如下：



这样，我们就完成了一个简单的WebGIS框架。

总结

该框架可以算作WebGIS的一个简单的纵剖面，由此我们可以明白WebGIS系统的架构，需要的技术，设计和设计模式的应用。

由于笔者对于Remoting和ASP.net控件技术不太熟悉，文中难免有所疏漏，存在不少错误和问题，还欢迎大家一起讨论。最后希望所有做GIS的同行可以更多关注架构和模式，提高我们的设计能力。