GeoServer瓦片緩存機制研究

陽華 劉振宇 許文明

南華大學計算機科學與技術學院 湖南 421001

0 引言

GeoWebCache通過存儲(緩存)地圖圖片或瓦片，當它們被請求時，GeoWebCache致力于充當客戶端(OpenLayer或Google Maps)服務端(GeoServer或其他WMS服務)間的代理。GeoWebCache(GWC)是一個采用Java實現(xiàn)用于緩存WMS(eb Map Service)Tile的開源項目。當?shù)貓D客戶端請求一張新地圖和Tile時，GeoWebCache將攔截這些調(diào)用然后返回緩存過的Tiles。如果找不到緩存再調(diào)用服務器上的Tiles，從而提高地圖展示的速度，實現(xiàn)更好的用戶體驗。如圖1所示，服務器中藍色的柱體就是瓦片的倉庫。事實上，我們只需直接請求瓦片倉庫而不需要咨詢WMS服務，就可以拼湊出龐大的地圖，因為GeoWebCache每秒鐘可以應答成百上千的請求。

圖1 eoWebCache在架構中所處的位置

1 實現(xiàn)的關鍵技術

1.1 金字塔模型

對于Web而言，將矢量圖層渲染為柵格數(shù)據(jù)是一個昂貴的計算過程。如果矢量圖層并不是經(jīng)常修改，這樣一次次重復描繪同樣的線條就是在浪費寶貴的CPU。當Google Maps推出瓦片地圖后，大一些的地圖網(wǎng)站紛紛效仿，都是預先渲染好標注得很完美的海量圖片，然后將這些大圖片分割為256*256像素的瓦片，這些瓦片很小，以致它們下載很快，它們的文件名不會改變，以致瀏覽器能快速緩存起來。

研究Google Maps可以發(fā)現(xiàn)，google地圖有0～17共十八級縮放比例，其瓦片大小為256*256，當0級比例尺為1:10000公里時，是一副循環(huán)的世界地圖圖片，以后每放大一級，比例尺增大一倍，在上一級的瓦片基礎上再一分為四個256*256的瓦片，分辨率也越來越高，顯示的內(nèi)容越來越豐富，17級最豐富。這就是WebGIS中常用的金字塔模型，如圖2所示。

圖2 字塔模型

1.2 地圖切割原理

創(chuàng)建地圖緩存之前先要設計地圖，在實際應用中Web地圖通常包含底圖和功能性的專題圖層，需要對它們分別切割。GeoServer也可采用類似google同樣的切割方法，切割完的圖片按照 c_r.png的格式進行編碼命名，存儲于名為EPSG_投影編碼_s的文件夾中，s為比例尺級別；r為行號，c 為列號，0＜r＜2s，0＜c＜2s，第一行行號為 00，第一列列號為：00。其命名規(guī)則如圖3所示。

圖3 片分割命名規(guī)則

根據(jù)以上圖片切割編碼規(guī)則，可以得到如下?lián)Q算公式來完成圖片像素坐標和實際地理坐標之間的換算關系：

（1）已知條件和變量：

① 已知待切地圖范圍：左上角坐標 (Xmin,Ymax)；右下角坐標 (Xmax,Ymin)。

② 已知切圖后圖片的高寬：width。

③ 地圖跨度： ΔX=Xmax-Xmin； ΔY=Ymax-Ymin。

④ 當前坐標：(X,Y) 。

⑤ 當前瓦片名：c_r.png，所在列cv= c；所在行rv=r；所在的文件夾名EPSG4326_b，比例尺級別loc=b。

⑥ 當前瓦片范圍：左上角坐標 (tileXmin,tileYmax)；右下角坐標 (tileXmax,tileYmin)。

（2）根據(jù)當前瓦片名稱計算當前瓦片范圍：（3）根據(jù)坐標和比例尺計算當前圖片所在的行列號：

（4）當前坐標在當前圖片上的像素坐標( , )pXpY：

1.3 一致性機制

一致性維護機制保證 Web緩存庫中的地圖信息與底層空間數(shù)據(jù)庫中的地圖信息一致，各Web緩存數(shù)據(jù)庫之間信息一致。具體的一致性維護是通過并行的兩步實現(xiàn)的。

第一，客戶端修改地圖，向服務器發(fā)出修改信息，Web服務器在完成修改后，會計算出此次請求所改動的圖片，于是向應用服務器請求并獲得更新的圖片，然后用新圖片替代緩存中的舊圖片，從而使當前緩存數(shù)據(jù)庫與底層空間數(shù)據(jù)庫中的信息一致。

第二，Web服務器感知信息，當應用服務器成功響應客戶的修改地圖請求后，應用服務器會通知各Web服務器，各Web服務器判斷此更改是否影響本地Web緩存，如果不影響就不處理該消息，否則就向應用服務器發(fā)送新的獲取地圖請求，將緩存中原有地圖圖片替換。

2 部署與訪問

由于GeoWebCache是一個采用Java實現(xiàn)用于緩存WMS Tile的開源項目，開源的GWC和Geoserver均滿足J2EE規(guī)范，發(fā)布的時候只需將geowebcache.war文件復制于tomcat的webapp目錄下，可修改tomcat端口為8088，以中國地圖Chinese為例，將一副中國地圖發(fā)布至 GeoServer后，修改tomcat下WEB-INF/class目錄下的geoserver.xml，添加如下xml：

＜wmsLayer＞

＜name＞China＜/name＞

＜mimeFormats＞＜string＞image/png＜/string＞＜/mimeFormats＞

＜!-- Grid Subset Example --＞

＜gridSubsets＞

＜gridSubset＞

＜gridSetName＞EPSG:4326＜/gridSetName＞

＜extent＞

＜coords＞

＜double＞73.447＜/double＞

＜double＞3.048＜/double＞

＜double＞135.086＜/double＞

＜double＞53.558＜/double＞

＜/coords＞

＜/extent＞

＜/gridSubset＞

＜/gridSubsets＞＜

wmsUrl＞

＜string＞http://localhost:8080/geoserver/wms＜/string＞

＜/wmsUrl＞

＜wmsLayers＞Chinese:bou2_41＜/wmsLayers＞

＜transparent＞false＜/transparent＞

＜bgColor＞0x0066FF＜/bgColor＞

＜expireCacheList＞

＜expirationRule minZoom="0" expiration="60" /＞

＜/expireCacheList＞

＜expireClientsList＞

＜expirationRule minZoom="0" expiration="500" /＞

＜/expireClientsList＞

＜/wmsLayer＞

在geowebcache目錄下新建Chinese.html，加入如下客戶端訪問代碼：

var map, layer;

function init(){

map = new OpenLayers.Map('map');

var bounds = new OpenLayers.Bounds(73.447,3.408,135.086,53.558);

layerpublic = new OpenLayers.Layer.WMS( "china",

"http://localhost:8088/geowebcache/service/wms?layers=China",

{

layers: 'China',

format: 'image/png',

tiled: false,

transparent: true

},

{

reproject: true,isBaseLayer: true

}

);

map.addLayer(layer);

map.zoomToExtent(bounds);

}

打開瀏覽器，輸入http://localhost:8088/geowebcache/Chinese.html，就可以訪問一副由瓦片構造的中國地圖了。

3 結語

目前，WebGIS整合Ajax客戶端的技術日趨成熟，客戶端框架也逐漸增多，隨著空間地圖數(shù)據(jù)的日益增多，空間交互也變得越來越復雜，單獨依賴開源的客戶端和成熟的WebGIS服務已經(jīng)不能滿足大型 WebGIS系統(tǒng)開發(fā)的要求，所以在開發(fā)過程中需要整合第三方平臺，實現(xiàn)更高效的開發(fā)，本文通過對瓦片金字塔的創(chuàng)建、內(nèi)部原理、發(fā)布等關鍵技術的描述，對多平臺整合有一定的幫助。

[1]GeoWebCache Documention[EB/OL]. http://geowebcache.org/docs/current/ntroduction/whatis.html.

[2]Scott Davis,蔣波濤譯.GIS for Web Developers[M].北京:電子工業(yè)出版社.2008.

[3]殷福忠,孫立民.基于瓦片金字塔技術的地圖發(fā)布平臺開發(fā)研究[J].測繪與空間地理信息.2010.

[4]張俊麗,李艷明,李欣.WebGIS地圖圖片緩存技術研究[J].微計算機信息.2009.