基于ArcIMS的校園WebGIS查詢系統(tǒng)研究與開發(fā)

摘要：本文將ArcIMS技術應用于校園WebGIS查詢系統(tǒng)的開發(fā)過程，首先從系統(tǒng)的總體目標、總體結(jié)構、系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)庫四個方面描述了系統(tǒng)的設計思想與過程，接著為系統(tǒng)的運行配置軟硬件環(huán)境并完成地圖服務的創(chuàng)建、設計和發(fā)布，最后利用ArcIMS定制HTML Viewer的瘦客戶端模式建立Web站點，由此開發(fā)和實現(xiàn)了系統(tǒng)的瀏覽、編輯及基本地圖操作等功能。

關鍵詞：WebGIS；ArcIMS；地圖服務；查詢

中圖分類號：G202.271 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 15-0000-03

與傳統(tǒng)的單機或局域網(wǎng)的GIS相比，基于Internet技術的WebGIS可使用戶在Web任意節(jié)點中通過瀏覽器進行簡單易行的可視化查詢、瀏覽WebGIS站點的空間信息、制作各種需要的統(tǒng)計報表和統(tǒng)計專題圖以及發(fā)布地理空間數(shù)據(jù)等，并能夠進行相關的空間檢索與空間分析。ArcIMS作為一個在數(shù)據(jù)傳輸和瀏覽器端地圖操作方面表現(xiàn)優(yōu)異的WebGIS 應用系統(tǒng)開發(fā)軟件，人們通過ArcIMS體系框架來搭建WebGIS應用平臺則具有簡單實用、易于操作等特點。本文利用ArcIMS技術來設計實現(xiàn)一個基于服務的校園WebGIS查詢系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了校園地理信息瀏覽、查詢、編輯及基本地圖操作等功能。

1 WebGIS查詢系統(tǒng)的設計

1.1 系統(tǒng)的總體目標

系統(tǒng)總體目標是以華南師范大學康大教育園區(qū)地圖數(shù)據(jù)庫為依據(jù)對象，對教育園區(qū)地理空間數(shù)據(jù)進行分層管理，使用戶通過任意網(wǎng)絡節(jié)點即可實現(xiàn)校園空間信息和屬性信息的瀏覽、查詢、空間選取、空間分析、縮放、測量以及顯示、打印統(tǒng)計報表、統(tǒng)計專題圖等功能；系統(tǒng)面向校園來訪的瀏覽器端用戶使用，為其提供交互式的地理信息服務以及相應的網(wǎng)絡電子地圖服務，要求系統(tǒng)運行安全、穩(wěn)定、可靠且能夠進行并發(fā)訪問；用戶可以通過電子地圖查詢定位目標、計算空間距離和進行路徑尋優(yōu)分析，使校園地圖數(shù)據(jù)庫能夠更好地為公眾服務。

1.2 系統(tǒng)的總體結(jié)構

本W(wǎng)ebGIS查詢系統(tǒng)與教育園區(qū)內(nèi)各部門、各單位以及各終端用戶形成的局域網(wǎng)相連接，并通過路由器等設備與Internet連接起來，方便用戶通過網(wǎng)絡節(jié)點進行信息交換、空間信息數(shù)據(jù)的瀏覽以及相關信息的發(fā)布，同時有助于教育園區(qū)內(nèi)各行政、教學部門的統(tǒng)一管理。WebGIS查詢系統(tǒng)總體結(jié)構如圖1所示。在分布式環(huán)境中運行的ArcIMS系統(tǒng)，采用的是多層次的體系結(jié)構，主要構成包括客戶端和服務器兩個部分。在本系統(tǒng)中處于核心樞紐的是ArcIMS空間服務器，大量的高負荷運算主要在這里完成，例如計算多個點之間的路徑距離；對大量的空間數(shù)據(jù)的處理，例如查找和檢索相匹配的地圖特征數(shù)據(jù)、創(chuàng)建影像文件等，對處理的結(jié)果如地圖、數(shù)據(jù)等轉(zhuǎn)化為正確的格式后傳遞給瀏覽器。ArcIMS應用服務器對地圖服務以及運行著的ArcIMS空間服務器進行跟蹤和統(tǒng)一管理，并以此對來自客戶端的請求分配合適的ArcIMS空間服務器以及對應的地圖服務。ArcIMS連接器一方面可作為Web服務器與ArcIMS應用服務器連接的通道，另一方面可將來自不同類型的第三方服務引擎請求轉(zhuǎn)換為ArcXML格式后傳送給ArcIMS應用服務器，并對ArcIMS應用服務器處理的結(jié)果進行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，形成正確的ArcXML格式或圖像格式后返回給瀏覽器。Web服務器對創(chuàng)建的Web頁面通過客戶端進行發(fā)布。ArcIMS管理器集成了三個獨立的工具：ArcIMS Author、ArcIMS Desiger、ArcIMS Administrator，通過它們既可以很方便的實現(xiàn)地圖服務的創(chuàng)建、設計和發(fā)布也可以進行遠程站點的管理。

當客戶端向服務器發(fā)送查詢請求時，服務器接到請求后從數(shù)據(jù)庫中提取需要的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)并進行相應的處理，之后將結(jié)果返回客戶端，由客戶端將所獲取的請求信息在終端用戶上顯示；Web服務器接受客戶端的數(shù)據(jù)請求，創(chuàng)建與地圖服務進行通訊的Web頁面并發(fā)布，將ArcIMS空間服務器處理的最終結(jié)果返回給用戶；通過ArcIMS連接器傳遞，ArcIMS應用服務器接收到客戶端的請求后，為其分配合適的ArcIMS空間服務器以及對應的地圖服務；最后由ArcIMS空間服務器負責處理相應的空間數(shù)據(jù)請求，并將地圖、數(shù)據(jù)等處理結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應的格式后返回客戶端。

1.3 系統(tǒng)的功能設計

本系統(tǒng)設計的主要功能就是實現(xiàn)WebGIS系統(tǒng)的校園地圖數(shù)據(jù)查詢，通過IE瀏覽器所提供的地圖顯示和系統(tǒng)的交互性能以及結(jié)合GIS對圖層控制和處理所具有的優(yōu)勢，系統(tǒng)的設計與開發(fā)功能包括：1.校園地圖數(shù)據(jù)的瀏覽與查詢。對校園地理空間數(shù)據(jù)的訪問，一方面把現(xiàn)有的地圖信息諸如園區(qū)道路狀況、道路布局、建筑物位置、教學區(qū)、宿舍區(qū)、各行政部門等地圖數(shù)據(jù)按某種方式進行分組管理，以便用戶查詢時能夠有的放矢，突出重點；另一方面，用戶進行系統(tǒng)查詢時瀏覽器的結(jié)果顯示中應包含地理圖形信息與屬性信息的結(jié)合，這樣用戶在查詢空間信息時可同時獲取相關的屬性信息，反之亦然。兩者的結(jié)合有助于信息的互查與管理，既可顯示空間信息的屬性特征也可實現(xiàn)屬性信息的地理定位。用戶進行基本地圖操作應具有如下功能：地圖分層瀏覽、縮放、漫游、回退、全幅顯示、距離測量、鷹眼導航、圖例圖層控制等；2.校園地圖數(shù)據(jù)的輸入輸出管理。在瀏覽器端輸入的請求數(shù)據(jù)以及服務器返回客戶端的空間信息和各種屬性數(shù)據(jù)，能夠在終端用戶上顯示、瀏覽、標注和打印。例如：在瀏覽器端輸入校園地物屬性的查詢信息以及在輸出終端設備中顯示、打印統(tǒng)計報表、統(tǒng)計專題圖等信息；3.校園地圖數(shù)據(jù)的維護與后臺管理。為防止惡意攻擊對整個系統(tǒng)造成的破壞和影響，系統(tǒng)須對用戶訪問的權限提供合法性的校驗功能。系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)維護與管理能夠?qū)崿F(xiàn)各種地理圖形數(shù)據(jù)和各種屬性數(shù)據(jù)的備份、還原、添加、修改等基本操作。

1.4 數(shù)據(jù)庫設計

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用空間信息數(shù)據(jù)庫和非空間信息數(shù)據(jù)庫分別存儲的結(jié)合方式，非空間信息數(shù)據(jù)保存在SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫中，空間信息數(shù)據(jù)庫存儲的是空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式以ArcIMS的Shapefile和Coverage為主。非空間信息數(shù)據(jù)庫和空間信息數(shù)據(jù)庫通過地物對象序號id來連接和檢索，建立起來的數(shù)據(jù)庫通過中間件ArcSDE實現(xiàn)與ArcIMS的連接。

系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)信息都通過ArcIMS組織，利用ArcIMS將數(shù)據(jù)按各層順序逐層疊加生成系統(tǒng)需要的AXL文件。對數(shù)據(jù)信息的錄入，分為空間信息數(shù)據(jù)的錄入和非空間信息數(shù)據(jù)的錄入兩種。本系統(tǒng)的非空間信息數(shù)據(jù)類似于圖書館的書目索引，是用來描述空間數(shù)據(jù)的名稱、存儲地址、類別等索引信息。對于空間信息數(shù)據(jù)的輸入可利用ArcMap來完成并由其來組織地圖數(shù)據(jù)。由于GIS地物類型所具有的復雜性，其所描述的屬性特征也會呈現(xiàn)多樣性。因此，對空間信息數(shù)據(jù)中屬性數(shù)據(jù)的錄入采用編輯、制作圖形時與空間數(shù)據(jù)一起輸入的方式，即將制作的多種專題圖與相同類別的屬性數(shù)據(jù)疊加在一起，以工程文件的形式保存。通過空間信息數(shù)據(jù)庫與非空間信息數(shù)據(jù)庫的關聯(lián)完成地圖數(shù)據(jù)庫的建立。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設計，包括建筑物數(shù)據(jù)結(jié)構、園區(qū)分布數(shù)據(jù)結(jié)構、校園道路數(shù)據(jù)結(jié)構等數(shù)據(jù)表的設計，下面以校園道路數(shù)據(jù)結(jié)構表為例給出說明，其具體字段如下表2所示。

2 WebGIS查詢系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 搭建系統(tǒng)運行平臺

基于本系統(tǒng)需要提供和實現(xiàn)并發(fā)訪問的服務，對采用B/S結(jié)構開發(fā)的校園WebGIS查詢系統(tǒng)，為使其具有良好的請求處理速度及安全、穩(wěn)定、可靠的運行性能，本系統(tǒng)軟、硬件配置情況如下：

（1）軟件配置：服務器采用包含IIS的Windows Server 2003作為操作系統(tǒng)；WebGIS服務器采用ArcIMS9.0；搭建Web技術應用平臺：IIS6.0+j2sdk1.4.2+Servlet5.0；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)選用SQL Server 2005；地圖編輯軟件選用ArcGIS 9.0；使用Dreamweaver 8.0結(jié)合JavaScript腳本進行網(wǎng)頁編輯；客戶端采用操作系統(tǒng)Windows XP/7即可。

（2）硬件配置：采用戴爾服務器作為中心服務器；Cisco Catalyst 3550-12T交換機、Cisco 2651XM路由器各一臺；掃描儀、數(shù)字化儀和打印機。

完成配置后從服務器端啟動ArcIMS服務，用戶在客戶端輸入URL地址即可瀏覽地圖、查詢空間信息。

2.2 生成矢量交通地圖

電子地圖是點、線、面等幾何圖形對象和對應屬性數(shù)據(jù)的集合，將電子地圖進行矢量化處理而生成的矢量交通地圖，可為本系統(tǒng)提供基本的地理信息服務，這個矢量地圖可以很好地應用于我們的WebGIS查詢系統(tǒng)。在生成矢量地圖的過程中，首先將校園紙制的彩色地圖通過掃描的方式輸入到計算機中，通過道路識別的方法提取出校園地圖的道路、區(qū)域等信息以此生成黑白地圖，然后應用地圖MapHandle矢量化軟件將所得到的線狀黑白地圖進行ArcGIS矢量化操作，提取出模式特征不同的圖層，接著通過MapEditor地圖編輯軟件將矢量化的地圖進行編輯和校正，添加地圖相關數(shù)據(jù)，最后生成系統(tǒng)需要的矢量交通地圖。

由于系統(tǒng)需要實現(xiàn)地圖分析、地圖查詢等功能，因此在地圖矢量化過程中須對每一圖層進行嚴格建庫，把地圖空間數(shù)據(jù)和對應的屬性數(shù)據(jù)以二維表的邏輯結(jié)構形式建表并存儲到數(shù)據(jù)庫中。由ArcIMS管理器中的ArcIMS Author 工具所創(chuàng)建的AXL文件，可實現(xiàn)地圖定制、地圖投影、SQL查詢及專題地圖顯示等功能。AXL文件存儲了圖層數(shù)據(jù)的索引信息及顯示方式，并不真正存儲數(shù)據(jù)地圖。本系統(tǒng)基于ARCXML的配置文件AXL的部分代碼如下：

<？xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\"？>

……

…../.

……

在配置文件中，元素提供本地配置信息，

2.3 創(chuàng)建和更新地圖服務

用戶根據(jù)選擇的地理數(shù)據(jù)通過Author來生成所需要的地圖。地圖文件生成之后，則通過地圖發(fā)布工具ArcIMS Administrator來創(chuàng)建和啟動地圖服務，通過ArcIMS服務器將地圖文件作為一個服務進行發(fā)布。本系統(tǒng)使用的地圖服務方式為影像服務（Image Service），其所創(chuàng)建的影像服務就是根據(jù)AXL文件所定義的擬發(fā)布數(shù)據(jù)的視圖。

校園地理空間信息的發(fā)布有時會因校園道路或建筑物的改建而需要修改、添加或刪除相應的空間信息，此時系統(tǒng)代碼也需要逐段進行修改，這樣導致了大量重復的工作。為解決這個問題，我們對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的更新采用了Imagine或ArcInfo等工具軟件來更新和編輯圖形、圖像等空間數(shù)據(jù)，然后將這些處理的數(shù)據(jù)直接關聯(lián)到非空間信息數(shù)據(jù)庫引擎中。由于在數(shù)據(jù)的更新過程中，所處理數(shù)據(jù)的文件名稱、圖層名字和屬性數(shù)據(jù)結(jié)構等都沒有發(fā)生改變，因此系統(tǒng)仍然可以正常運行而不會受到任何影響。

2.4 系統(tǒng)界面的定制

安裝了Web Manager組件的ArcIMS Designer工具軟件不僅可以快速生成HTML或Java客戶端程序，還可以快速生成一個供用戶使用的Web地圖應用程序。本系統(tǒng)采用基于Internet的瘦客戶端HTML Viewer模式。在 HTML Viewer中包含一組HTML頁和JavaScript文件，其中有一個重要的參數(shù)文件ArcIMSparam.js，里面包含了可以改變地圖服務、獲取站點布局、定義屬性字段顯示和修改工具條等一系列JavaScript變量。通過修改這些變量的取值，不但可以對站點外觀和工作方式產(chǎn)生影響，而且還可以實現(xiàn)更專業(yè)的Web站點定制。此外，使用ArcXML和JavaScript函數(shù)庫也可以實現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴展和系統(tǒng)的深度定制。ArcXML可實現(xiàn)基本的地圖顯示和復雜的系統(tǒng)功能。例如ArcXML中的CONFIG元素可根據(jù)用戶給定的屬性數(shù)據(jù)和設定的圖層來進行地圖配置；REQUEST元素用來表示從客戶端向ArcIMS空間服務器發(fā)送操作請求。JavaScript函數(shù)庫包含有為數(shù)眾多的函數(shù)和全局變量，它們定義了用戶可操作的地圖功能。我們可以通過改寫或補充函數(shù)的方式來擴充JavaScript函數(shù)庫以添加對HTML Viewer的操作，從而完成定制和開發(fā)系統(tǒng)所需的功能。通過將擴充或改寫的函數(shù)進行歸類和功能分組，系統(tǒng)在使用JavaScript函數(shù)庫進行系統(tǒng)界面定制時，能夠達到簡易、快速、高效地完成HTML Viewer的定制。

2.5 系統(tǒng)基本地圖操作功能的實現(xiàn)

系統(tǒng)面向瀏覽器端用戶提供交互式的網(wǎng)絡電子地圖服務，用戶可以對地圖圖形進行放大縮小、漫游、鷹眼、圖層控制與標注等基本操作以及實現(xiàn)雙向查詢、路徑尋優(yōu)和距離測量等功能。對地圖的縮放在不改變分辨率的情況下實現(xiàn)地圖的放大、縮小操作；圖層控制與標注可實現(xiàn)圖層選擇及著色標注等操作；雙向查詢可實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的相互查詢，查詢方式可采用條件查詢或非條件查詢。本系統(tǒng)SQL查詢代碼為：

case \"query\"：

queryStartRecord=1；

if （canQuery） {

LayerFields.length=1；

LayerFieldType.length=1；

LayerFieldCount=0；

toolMode=8；

modeBlurb=modeList[15]；

fieldIndex=0；

setQueryString=\"\"；

hideLayer（\"measureBox\"）；

queryForm（）；

}

else {

alert（msgList[46]）；

}

showGeocode=1；

showBuffer=1；

break；

路徑尋優(yōu)即是從初始位置開始從地圖中尋找最優(yōu)行進路徑并計算空間距離，給用戶提供最佳行進建議；距離測量則是通過系統(tǒng)提供的地圖測量工具進行多點距離的計算。本系統(tǒng)距離測量代碼為：

case \"measure\"：

if （clickCount>0） {

if （totalMeasure==0） resetClick（）；

}

toolMode = 20；

setCursor（\"theTop\"， \"crosshair\"）；

modeBlurb = modeList[12]；

if （clickType==1） {

showLayer（\"measureBox\"）；

updateMeasureBox（）；

}

showGeocode=1；

break；

3 結(jié)束語

本文充分利用了ArcIMS技術強大的地圖處理、顯示、定位、距離測量等功能，圍繞校園地理空間數(shù)據(jù)查詢主題進行了較為深入的探索性研究與開發(fā)工作，初步完成了基于WebGIS的校園空間信息查詢系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)了開發(fā)和創(chuàng)建具有地圖服務通訊功能的Web 頁面、制作和發(fā)布地圖，并進行有效的ArcIMS站點管理。系統(tǒng)采用瘦客戶端模式在Web上實現(xiàn)了地圖數(shù)據(jù)查詢業(yè)務中常用的目標查詢定位、空間距離計算和路徑尋優(yōu)分析等功能，大大提高了系統(tǒng)應用的效用性和實用性。

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