基于WebGIS的空間數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的應(yīng)用研究

李心穎　李峰　吳洪麗

【摘 要】在基于WebGIS的海南旅游地理信息系統(tǒng)中，通過對VML、SVG和Ajax等技術(shù)的分析來研究WebGIS中空間數(shù)據(jù)可視化問題。構(gòu)建WebGIS客戶端矢量圖形的方法，建立基于SVG、RESTful Web Services和Ajax的WebGIS體系結(jié)構(gòu)模型，對提高海南旅游地理信息系統(tǒng)的性能及功能有很重要的意義。

【關(guān)鍵詞】空間數(shù)據(jù)；可視化；SVG；Ajax

The Application of Spatial Data Visualization Based on WebGIS Technology Research

LI Xin-ying1 LI Feng2 WU Hong-li3

（1.Haikou College of Economics，Haikou Hainan 570100，China；2.Hubei University of Arts and Science，Xiangyang Hubei 441000，China；

3.Hainan Normal University， Haikou Hainan 570100，China）

【Abstract】In hainan tourism geographic information system based on WebGIS， through analyzing the VML， SVG and Ajax technology to study spatial data visualization in WebGIS. build WebGIS client vector graphic method， based on SVG， RESTful Web Services and Ajax WebGIS system structure model， to improve the performance of hainan tourism geographic information system has very important meaning and function.

【Key words】The spatial data；Visualization；SVG；Ajax

0 引言

隨著“數(shù)字地球”的研究興起，地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS），在全球范圍內(nèi)得到了飛速發(fā)展。由于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的用戶需要，地理信息系統(tǒng)將向著數(shù)據(jù)標準化、數(shù)據(jù)空間多維化、平臺網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)智能化的方向發(fā)展。而WebGIS技術(shù)的發(fā)展更進一步開拓了其應(yīng)用領(lǐng)域，使GIS能夠為更多的用戶在更廣泛的領(lǐng)域提供空間信息服務(wù)。利用互聯(lián)網(wǎng)在Web上發(fā)布空間信息，為用戶提供空間數(shù)據(jù)瀏覽、查詢和分析的功能己經(jīng)成為WebGIS的主要功能。但WebGIS自身還有一些關(guān)鍵技術(shù)函待解決，仍面臨著一系列的瓶頸。

（1）異構(gòu)、多源的空間數(shù)據(jù)的共享和互操作性。

目前現(xiàn)有的WebGIS已有自己特定的空間數(shù)據(jù)，為了便于管理和考慮安全問題，這些空間數(shù)據(jù)大多是面向行業(yè)、依賴于特定的支撐環(huán)境和運行平臺，并且各自獨立、無法相互溝通和協(xié)作。因此WebGIS用戶不能同時查看其他不同空間數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，無法實現(xiàn)異構(gòu)、多源空間數(shù)據(jù)的共享、交換和互操作。

（2）缺乏豐富的空間信息表現(xiàn)手法。

HTML、ASP是WebGIS中最主要的信息傳輸和表達的工具，但由于HTML、ASP采用的標記固定，缺乏對數(shù)據(jù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和關(guān)系的描述，而且不支持矢量圖形等缺陷，不能實現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上針對復雜空間地理信息的查詢、整合和定位，空間信息表現(xiàn)單一。

（3）圖形信息的傳輸速度與可視化。

由于Internet的網(wǎng)絡(luò)帶寬及路由限制，海量空間數(shù)據(jù)的傳輸及圖形圖像的表達一直是WebGIS的技術(shù)瓶頸。怎樣建立快速的響應(yīng)和傳輸機制，向用戶提供通俗易懂的、多樣化的圖形操作界面，動態(tài)地表現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)是目前WebGIS要突破的問題。

（4）無法實現(xiàn)跨平臺數(shù)據(jù)訪問。

由于微軟的DCOM、Sun的RMI和OMG的CORBA等分布式對象技術(shù)要求客戶端與服務(wù)器本身之間進行耦合，因此基于這些平臺開發(fā)的WebGIS無法實現(xiàn)跨平臺的數(shù)據(jù)訪問。

1 地理空間數(shù)據(jù)可視化相關(guān)技術(shù)

1.1 可視化技術(shù)與GIS應(yīng)用

3S技術(shù)的發(fā)展與融合，讓GIS技術(shù)深入到了我國經(jīng)濟建設(shè)中的各個領(lǐng)域及各個部門之中，應(yīng)用越來越廣泛。而今，空間信息已經(jīng)逐漸成為基于IT的信息系統(tǒng)及應(yīng)用的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。而可視化技術(shù)在對空間的數(shù)據(jù)分析中起著非常重要的作用，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：（1）可視化技術(shù)在空間信息和知識方面的表現(xiàn)方式，被用于展示空間數(shù)據(jù)分析的最終結(jié)果。（2）可視化通過對空間對象中幾何特征和拓撲關(guān)系的展現(xiàn)，使空間數(shù)據(jù)變得更加容易理解；（3）可視化作為一種空間數(shù)據(jù)分析的方法與工具往往被用于空間數(shù)據(jù)的知識發(fā)現(xiàn)。可視化分析能夠形象直觀地展示空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征、復雜關(guān)系和規(guī)律，進行空間對象的空間性質(zhì)計算，可以對知識進行更高層次的抽象概括，因此被廣泛地應(yīng)用于空間數(shù)據(jù)的理解和表現(xiàn)。

GIS的最佳狀態(tài)應(yīng)該是盡可能無差錯地體現(xiàn)地理世界，既做到數(shù)據(jù)最小，又要便于用戶從中獲取所需要的信息和規(guī)律，同時數(shù)據(jù)的范圍在原有的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上增加了應(yīng)用數(shù)據(jù)。目前，面對數(shù)據(jù)量急速擴張的狀態(tài)，如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速訪問和有效存儲是關(guān)鍵，因此構(gòu)建一個合理高效的空間數(shù)據(jù)模型極為必要。

空間數(shù)據(jù)的可視化已發(fā)展成為空間數(shù)據(jù)處理的重要手段和技術(shù)，GIS可以將空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為“地圖”，使這些數(shù)據(jù)所表達的空間關(guān)系可視化。GIS的可視化主要應(yīng)用是分析空間對象的空間分布規(guī)律，同時對深入分析的數(shù)據(jù)進行直接查詢。GIS中涵蓋的海量的空間地理信息，可以提供足夠的圖形圖像數(shù)據(jù)，并可與相關(guān)的數(shù)據(jù)和資料建立聯(lián)系，使得人們在分析對象屬性位置變化規(guī)律的時候，從中分析圖形圖像所表達的空間關(guān)系。

1.2 SVG與WebGIS

SVG——可縮放矢量圖形，是一種基于開放標準的、基于XML的用來描述二維矢量圖形和矢量/柵格混合圖形的語言。SVG在圖形圖像技術(shù)上不局限于一個固定的分辨率和大小，可以在不同分辨率的屏幕上任意顯示，也可以在同一個網(wǎng)頁中以不同的大小展示全局或細節(jié)。SVG描述的是直線、曲線、形狀等幾何圖形，無須像PNG、JPEG等圖像格式那樣逐象素進行描述，這使得XML文檔更小，下載速度也大大提高。同時它還提供了對矢量和矢量/柵格混合圖形的描述。

1.3 Ajax與RESTful Web Services

Ajax 的核心是JavaScript對象XMLHttpRequest，Ajax是幾種Web客戶端技術(shù)的集合：（1）基于CSS標準和XHTML的表示；（2）使用了JavaScript綁定一切；（3）使用服務(wù)器和XMLHttpRequest進行異步通信；（4）使用DOM實現(xiàn)動態(tài)交互和顯示。

Web Service是基于網(wǎng)絡(luò)的、分布式的模塊化組件，它主要利用 HTTP 和 SOAP 協(xié)議使業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在Web上傳輸，SOAP通過HTTP調(diào)用業(yè)務(wù)對象執(zhí)行遠程功能調(diào)用，Web用戶能夠使用SOAP和HTTP通過 Web調(diào)用的方法來調(diào)用遠程對象。而REST體系架構(gòu)風格的分布式Web應(yīng)用的實現(xiàn)與操作，顯然要比基于SOAP的RPC體系架構(gòu)風格更加的簡潔。Ajax 技術(shù)能夠充分運用 HTTP的統(tǒng)一接口來獲得網(wǎng)絡(luò)上的資源，而且完成了HTTP不能實現(xiàn)的異步數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋哪撤N意義上說Ajax 技術(shù)是調(diào)用 RESTful Web Services的最好技術(shù)，且滿足了JSON、XML等不同格式的數(shù)據(jù)傳輸。

2 基于WebGIS的空間數(shù)據(jù)可視化技術(shù)應(yīng)用

2.1 SVG、Ajax、REST在WebGIS中的應(yīng)用研究

SVG圖形擁有高質(zhì)量、高性能，能以任意分辨率顯示而不會降低圖形的質(zhì)量。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面，它具有支持用戶 與圖形的交互、可檢索性、可在分布式環(huán)境下創(chuàng)建圖形對象和兼容性好的特點。并且SVG 以文本描述矢量圖形，具有文件較小、傳輸速度快等優(yōu)點。SVG的這些優(yōu)點正好可以很好的滿足 WebGIS對于空間數(shù)據(jù)圖形顯示的要求，可以向用戶提供多樣化、直觀易懂、動態(tài)的圖形用戶界面，從而使它成為空間數(shù)據(jù)可視化的有效格式，可以提供高質(zhì)量的WebGIS服務(wù)。

在SVG中，地理數(shù)據(jù)可被唯一地標識，便于信息查詢和搜索，便于網(wǎng)上資源共享，提高WebGIS服務(wù)的互操作性，減少了服務(wù)器和客戶之間的頻繁交互，使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)負載大大減輕，從而提高GIS用戶的互操作速度。所以將SVG 技術(shù)應(yīng)用到WebGIS中是可行性的。

而Ajax技術(shù)的出現(xiàn)為Web開發(fā)提供了一種全新的可能性，Ajax技術(shù)優(yōu)秀的用戶體驗、提高Web程序的性能、提高可靠性等優(yōu)點，相對于傳統(tǒng)的Web技術(shù)中的交互方式都有著巨大的優(yōu)勢。傳輸數(shù)據(jù)的方式是Ajax模式與傳統(tǒng)模式在性能上的最大區(qū)別。Ajax模式是通過XML HttPRequest向服務(wù)端提交數(shù)據(jù)，并且通過XML返回需要的少量數(shù)據(jù)或者HTML Text片段；而在傳統(tǒng)的模式中數(shù)據(jù)提交是通過表單，獲取數(shù)據(jù)是整頁的HTML+CSS，與傳統(tǒng)的模式相比，Ajax模式必然是節(jié)約了很多的資源。

同時隨著REST設(shè)計思想的逐漸深入，Ajax和REST的結(jié)合做到了從客戶端JavaScript調(diào)用Web服務(wù)方法時，既能滿足REST對統(tǒng)一接口的要求，又無須對整個頁面進行刷新。這種Ajax調(diào)用WCF Web Services的方法同樣可以提高Web用戶的體驗。

因此，利用SVG、Ajax、REST三者的結(jié)合來實現(xiàn)WebGIS可以很好的解決地圖“按需”下載，對WebGIS平臺整體性能和響應(yīng)速度能有很大提升。

2.2 基于WebGIS的海南旅游地理信息系統(tǒng)的優(yōu)化

在基于WebGIS的海南旅游地理信息系統(tǒng)實現(xiàn)方法的基礎(chǔ)上，分析SVG、AJAX技術(shù)在減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸負載、加快地圖顯示速度、空間數(shù)據(jù)可視化方面的作用和可行性。實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)可視化技術(shù)在旅游地理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用，構(gòu)建基于SVG和Ajax、RESTful Web Services的WebGIS體系結(jié)構(gòu)模式，可以最大化的優(yōu)化基于WebGIS的海南旅游地理信息系統(tǒng)的性能，主要內(nèi)容有：

（1）地圖數(shù)據(jù)的符號化及B/S架構(gòu)下地圖數(shù)字化及其它編輯功能的設(shè)計，構(gòu)建WebGIS客戶端矢量圖形的方法。利用SVG、Ajax等技術(shù)實現(xiàn)WebGIS的基本功能。

（2）分析現(xiàn)存空間數(shù)據(jù)可視化不足，根據(jù) WebGIS圖像的傳輸方法，對VML、SVG和Ajax技術(shù)在 WebGIS 中的應(yīng)用進行分析，進行基于SVG、Ajax技術(shù)的WEBGIS空間數(shù)據(jù)可視化模型設(shè)計。

（3）引入ROA原則和REST體系架構(gòu)風格，且使用Web Services構(gòu)建分布式Web應(yīng)用的思想，來解決目前分布式Web在應(yīng)用開發(fā)中，存在的難以適應(yīng)Web應(yīng)用、緊密耦合以及規(guī)模可伸縮性不夠等情況。使客戶端和服務(wù)端的應(yīng)用得到充分的解耦，最終的開發(fā)模式是客戶端只負責數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)與解析，服務(wù)端只是負責數(shù)據(jù)的提供，二者都是通過Ajax技術(shù)來進行通信。

2.3 可視化技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵問題

（1）空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。GML文檔是包含了地理信息的XML文檔，用于進行集成異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的，且是以中間層的形式而存在的。GML文檔不能以地圖形式直接顯示，而是需要轉(zhuǎn)換成SVG、X3D、VML等矢量格式后來顯示，因此要去研究將GML文檔轉(zhuǎn)換成SVG的原理及方法。

（2）為確保系統(tǒng)具備更好的可擴展性，選取面向?qū)ο蟮目臻g建模技術(shù)進行數(shù)據(jù)組織，并將對象與屬性數(shù)據(jù)和應(yīng)用進行綁定。

（3）在系統(tǒng)分析 Web Services、REST 和 ROA 原則、WCF以及Ajax框架技術(shù)特點、工作原理的基礎(chǔ)上，建立以URI、資源抽象設(shè)計為中心的 RESTful Web Services 設(shè)計方案。

3 結(jié)論

在GIS應(yīng)用中利用計算機技術(shù)實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的圖形顯示和分析，以充分直觀的表示空間數(shù)據(jù)處理分析的結(jié)果尤為重要。由于傳統(tǒng)WebGIS技術(shù)存在著有限網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制、特定支撐環(huán)境的依賴、空間數(shù)據(jù)的有效轉(zhuǎn)換、缺乏豐富的數(shù)據(jù)表現(xiàn)力和數(shù)據(jù)共享困難等不足，使得GIS發(fā)展面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。

通過對VML、SVGA、Ajax及RESTful Web Services等技術(shù)能有效地消除針對現(xiàn)有專有空間數(shù)據(jù)格式所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳播中的問題，結(jié)合地理空間元數(shù)據(jù)的特點，分析元數(shù)據(jù)應(yīng)用流程和可視化的影響原因，建立空間數(shù)據(jù)可視化數(shù)學模型，構(gòu)建WebGIS客戶端矢量圖形的方法，為不同類型、不同需求的用戶提供高效可靠的解決方案。由此可以實現(xiàn)離散時序空間數(shù)據(jù)的解析、渲染和地理底圖的快速動態(tài)可視化，圖形質(zhì)量高、表現(xiàn)力強及傳輸速度快等優(yōu)點，這對提升基于WebGIS的海南區(qū)域旅游地理信息系統(tǒng)的性能及功能有非常重要的意義。

【參考文獻】

[1]張浩，郭燦.數(shù)據(jù)可視化技術(shù)應(yīng)用趨勢與分類研究[J].軟件導刊，2012（05）.

[2]李學義，李巖.SVG在線空間自相關(guān)分析方法及其應(yīng)用[J].地理與地理信息科學，2012（05）.

[3]陳瑛琦，扶曉，劉勁.可視化數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)[J].電腦編程技巧與維護，2011（14）.

[4]肖衛(wèi)東，孫揚.層次信息可視化技術(shù)研究綜述[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2011（1）：137-146.

[5]解永青.基于SVG的矢量WebGIS性能優(yōu)化方法研究[J].安徽農(nóng)業(yè)大學，2012.

[6]韓雙旺.基于SVG的矢量WebGIS實現(xiàn)技術(shù)研究[J].測繪科學，2010，35（2）：193-196.

[7]黃夢雄，朱勤東，趙躍.基于REST和AJAX的WebGIS設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪與空間地理信息，2013，36（7）：57-59.

[責任編輯：朱麗娜]