復(fù)雜空間裁切分析的ArcGIS JavaScript API方法對(duì)比研究

童凌飛

（1.常州市新北自然資源和規(guī)劃技術(shù)保障中心，江蘇 常州 213022）

富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（RIA）技術(shù)作為Web2.0時(shí)代的主流技術(shù)，在很大程度上超越了瀏覽器的限制，解決了頁(yè)面無(wú)刷新的異步調(diào)用問(wèn)題，具有豐富美觀的界面和交互能力，可進(jìn)行快速修改和部署。ArcGIS Server REST API中的Flex和Silverlight代表了WebGIS RIA實(shí)現(xiàn)的高峰[1-4]。然而，隨著Adobe和Microsoft相繼停止對(duì)新版本的Flex和Silverlight的升級(jí)，各大瀏覽器也逐漸停止對(duì)插件的支持，ESRI公司也正式從2014年起停止對(duì)Flex API和Silverlight API的版本更新和產(chǎn)品維護(hù)，RIA開(kāi)發(fā)WebGIS將變得愈發(fā)困難[5]。近年來(lái)，HTML5技術(shù)成為Web瀏覽器既定支持的標(biāo)準(zhǔn)，為HTML原生支持的腳本語(yǔ)言JavaScript API帶來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)，JavaScript API將成為ArcGIS Server發(fā)布服務(wù)的唯一更新和維護(hù)的客戶端產(chǎn)品，是未來(lái)Web API發(fā)展的重點(diǎn)和方向。

1 Arc GIS API for Java Script及其運(yùn)行原理

ArcGIS API for JavaScript（以下簡(jiǎn)稱ArcGIS JS API）是ESRI根據(jù)JavaScript技術(shù)實(shí)現(xiàn)的快速簡(jiǎn)潔地創(chuàng)建交互式WebGIS應(yīng)用的輕量級(jí)解決方案。通過(guò)Arc?GIS JS API可以調(diào)用ArcGIS Server提供的地圖資源或在線資源，繪制和展示空間數(shù)據(jù)，根據(jù)自己的業(yè)務(wù)需求聚合不同服務(wù)器、不同類型的服務(wù)，借助封裝的功能類對(duì)地圖和數(shù)據(jù)進(jìn)行空間查詢、分析等，實(shí)現(xiàn)地圖應(yīng)用和地理處理功能[6-9]。通過(guò)符號(hào)化實(shí)現(xiàn)專題圖的生成和展示專業(yè)的分析結(jié)果，并提供導(dǎo)出多種格式的地圖和服務(wù)器端打印地圖的功能。

ArcGIS JS API開(kāi)發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)一旦部署到Web應(yīng)用服務(wù)器上向公眾開(kāi)放，用戶便可在瀏覽器端或移動(dòng)端進(jìn)行訪問(wèn)和操作請(qǐng)求，此時(shí)ArcGIS JS API一直偵聽(tīng)用戶的操作行為。當(dāng)用戶發(fā)起查詢或分析請(qǐng)求時(shí)，ArcGIS JS API捕捉到請(qǐng)求消息后將其轉(zhuǎn)化為RESTful形式的HTTP請(qǐng)求提交給ArcGIS Server，同時(shí)附帶請(qǐng)求的地址和參數(shù)。ArcGIS Server在接收到REST請(qǐng)求后進(jìn)行處理，生成JSON格式的結(jié)果，再以REST請(qǐng)求的響應(yīng)返回給ArcGIS JS API。ArcGIS JS API對(duì)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析轉(zhuǎn)化成API中的對(duì)象，客戶端應(yīng)用程序最后將結(jié)果可視化地展示在用戶面前，完成WebGIS應(yīng)用與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互和通信。ArcGIS JS API在整個(gè)通信過(guò)程中所起的作用如圖1所示。

圖1 Arc GIS API for JavaScript的運(yùn)行原理

2 復(fù)雜空間裁切分析

ArcGIS JS API可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求構(gòu)建復(fù)雜的空間分析，例如，在城市資源管理應(yīng)用中，城市資源的管理單位需要以預(yù)制的或者自定義的范圍線分析儲(chǔ)備地塊相應(yīng)的城鄉(xiāng)規(guī)劃、土地利用規(guī)劃、土地利用現(xiàn)狀、公建配套、周邊住宅等各類專題的屬性信息，并要求按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的用地性質(zhì)以唯一值符號(hào)在地圖上進(jìn)行渲染顯示，同時(shí)標(biāo)注用地性質(zhì)和圖上裁切部分的面積。此類需求可轉(zhuǎn)化為以簡(jiǎn)單幾何多邊形范圍裁切附帶屬性的幾何多邊形組合，獲取裁切后的幾何多邊形組合的屬性和裁切后所得的面積，同時(shí)在地圖上匹配顯示。幾何多邊形組合的裁切可使用ArcGIS JS API中相應(yīng)的裁切方法調(diào)用幾何服務(wù)進(jìn)行裁切處理，但是，ArcGIS Server的幾何裁切服務(wù)僅僅返回裁切后的多邊形組合的幾何形狀，且裁切所得的各個(gè)多邊形面積并不能直接獲得，應(yīng)當(dāng)間接計(jì)算獲取。另外，多邊形組合中各個(gè)單體的屬性信息并未予以返回，如果要將原有屬性、原始的渲染符號(hào)與面積正確的配對(duì)，那么應(yīng)專門對(duì)其進(jìn)行處理。

2.1 方案一

地理處理服務(wù)（GP服務(wù)）表現(xiàn)為一系列空間操作和分析信息的工具集，每一個(gè)已發(fā)布的工具可執(zhí)行一項(xiàng)或多項(xiàng)操作，如進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、緩沖區(qū)分析等。每一個(gè)工具接收輸入?yún)?shù)，如要素集、表、屬性值，對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作處理，輸出符合要求的結(jié)果，客戶端可對(duì)結(jié)果進(jìn)一步處理得出最終需要的成果。本文的多邊形裁切、面積計(jì)算和屬性配對(duì)等操作均可使用GP服務(wù)。要使用GP服務(wù)，需先建立GP模型。在ModelBuilder窗口中可創(chuàng)建、編輯和管理模型[10]，按照先裁切，再計(jì)算裁切面積，最后進(jìn)行屬性配對(duì)的順序，在可視化的窗口中創(chuàng)建GP模型，如圖2所示。

圖2 空間裁切分析配對(duì)的GP模型

輸入?yún)?shù)中指定了用于裁切的多邊形、被裁切的多邊形組合、輸出類型以及輸出要素的關(guān)聯(lián)屬性，輸出參數(shù)為空間求交裁切分析所得的多邊形組合要素，最后的結(jié)果為屬性、面積等與多邊形幾何、渲染符號(hào)配對(duì)所得的結(jié)果。

圖2中構(gòu)建的GP模型在ArcMap中運(yùn)行成功后即可發(fā)布成GP服務(wù)。發(fā)布過(guò)程中，需要指定GP服務(wù)的名稱，設(shè)置必填的輸入?yún)?shù)。GP模型圖中，將裁切多邊形定義為inputPolygon，類型為Feature Set，被裁切的多邊形組合定義為inputFeatures，類型為Feature Class。通常GP服務(wù)有同步任務(wù)執(zhí)行調(diào)用和異步任務(wù)執(zhí)行調(diào)用2種方式，分別對(duì)應(yīng)execute方法和submitJob方法。為了減少用戶等待的時(shí)間，提高用戶體驗(yàn)，本文選擇以異步調(diào)用的方式將GP模型發(fā)布成服務(wù)。當(dāng)GP服務(wù)異步執(zhí)行并成功處理完成后，在回調(diào)函數(shù)中可對(duì)返回的輸出結(jié)果作進(jìn)一步的處理，最終在瀏覽器端渲染到地圖上進(jìn)行展示，如圖3所示。在實(shí)際應(yīng)用中，為便于清晰地展示圖面，圖3中僅顯示當(dāng)前比例尺下圖面面積大于50的地塊標(biāo)注。

圖3 調(diào)用GP服務(wù)對(duì)結(jié)果渲染顯示

2.2 方案二

ArcGIS JS API調(diào)用幾何服務(wù)進(jìn)行異步求解面積的速度較快，無(wú)需等待當(dāng)次的計(jì)算結(jié)果即可進(jìn)行下一個(gè)多邊形要素的面積計(jì)算。但求解得到面積之后，無(wú)法在計(jì)算結(jié)束的同時(shí)獲知是哪一個(gè)要素的面積，計(jì)算所得結(jié)果無(wú)法和多邊形要素及其屬性進(jìn)行配對(duì)?？扇〉淖龇ㄊ菍惒秸?qǐng)求幾何服務(wù)計(jì)算面積改為同步請(qǐng)求，依次計(jì)算裁切后的多邊形要素面積，在多邊形組合要素的面積全部求解完成之后，再與地塊要素屬性和渲染符號(hào)進(jìn)行匹配關(guān)聯(lián)，最后將結(jié)果在瀏覽器端渲染顯示。

2.3 方案三

上一種方法將求解面積的任務(wù)轉(zhuǎn)給了ArcGIS Server，客戶端再利用ArcGIS API進(jìn)行調(diào)用，此種情況并未充分利用客戶端的資源。為充分挖掘客戶端的計(jì)算能力，發(fā)揮客戶端本機(jī)計(jì)算耗時(shí)較少的優(yōu)勢(shì)，將求解裁切后的多邊形面積的任務(wù)交由客戶端進(jìn)行處理。由于GeometryEngine是ArcGIS JS API提供的客戶端幾何引擎，可使開(kāi)發(fā)者在缺少ArcGIS Server支持的環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)的幾何操作，另外，在效率優(yōu)先的需求下，該幾何引擎是均衡負(fù)載的最佳選擇方案。在裁切完成后，即可調(diào)用GeometryEngine的面積計(jì)算方法對(duì)裁切后的多邊形組合要素進(jìn)行面積計(jì)算。當(dāng)然，也可以使用自定義的方法在客戶端本地計(jì)算幾何面積。面積計(jì)算完成之后，存儲(chǔ)多邊形與面積之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再次發(fā)起異步請(qǐng)求查詢地塊屬性與之匹配，最后按照查詢所得的屬性獲取渲染符號(hào)進(jìn)行圖面顯示。對(duì)于被裁切的多邊形組合要素而言，例如劃定的多邊形范圍足夠大，此時(shí)調(diào)用GeometryEngine進(jìn)行處理，必然會(huì)將過(guò)多的數(shù)據(jù)資源壓入到內(nèi)存堆棧中，瀏覽器的內(nèi)存不斷增大，這樣勢(shì)必造成瀏覽器的崩潰，影響幾何處理效率。因此，這種情形宜采用ArcGIS Server來(lái)進(jìn)行幾何裁切，將大量的計(jì)算直接交由服務(wù)器承擔(dān)。對(duì)于小數(shù)據(jù)量的空間裁切則可以直接由客戶端進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)GeometryEngine的計(jì)算效率要比GeomertySer?vice Task高很多。

3 幾種方案的分析比較

為比較上述3種裁切分析方法的性能優(yōu)劣，針對(duì)不同的分析裁切范圍設(shè)計(jì)了三組實(shí)驗(yàn)，每一組實(shí)驗(yàn)所裁切的空間范圍大致呈倍數(shù)遞增。每一組實(shí)驗(yàn)在相同的條件下分別測(cè)試3種方法的性能，每一種方法測(cè)試3次。用作測(cè)試的客戶機(jī)配置以及網(wǎng)絡(luò)配置情況如表1所示。

表1 客戶機(jī)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境配置情況

在以上測(cè)試環(huán)境下，取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4~6所示。為便于表述和顯示，下文將以上3種方法分別標(biāo)為方法1、方法2和方法3。

方法1：利用ArcGIS JS API調(diào)用GP服務(wù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間裁切分析的方式，將空間裁切、幾何運(yùn)算、面積計(jì)算、符號(hào)配對(duì)與屬性配對(duì)等操作全權(quán)交由服務(wù)器進(jìn)行處理，充分利用了服務(wù)器的資源和高效的運(yùn)算能力。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，由于網(wǎng)絡(luò)延遲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘肯拗频瓤陀^因素，運(yùn)行效率不高。尤其當(dāng)裁切分析中等范圍和小范圍時(shí)，并不能體現(xiàn)服務(wù)器端處理請(qǐng)求的性能優(yōu)勢(shì)。當(dāng)裁切分析的范圍足夠大時(shí)，其運(yùn)行效率的優(yōu)勢(shì)才有所體現(xiàn)。方法2：先空間裁切分析后，再同步調(diào)用幾何服務(wù)的方式，從圖4~6可以看出，隨著裁切分析范圍的增大，分析響應(yīng)的時(shí)間甚至比調(diào)用GP服務(wù)的響應(yīng)時(shí)間還要長(zhǎng)，此種方法的弊端顯而易見(jiàn)。方法3：先空間裁切分析，再在客戶端同步請(qǐng)求計(jì)算面積最終異步實(shí)現(xiàn)配對(duì)渲染顯示的方式，不僅利用了服務(wù)器端的處理能力，也充分考慮了客戶端的計(jì)算優(yōu)勢(shì)，找到了兩者之間的負(fù)載均衡，使得數(shù)據(jù)交互和通信不全依賴于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俾?，是?duì)前兩種方法的改進(jìn)。這種方法在中、小型裁切范圍的空間分析時(shí)性能優(yōu)勢(shì)尤其顯著。

圖4 裁切小范圍分析測(cè)試結(jié)果

圖5 裁切中等范圍分析測(cè)試結(jié)果

圖6 裁切大范圍分析測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文在分析ArcGIS JS API的運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，對(duì)比剖析了基于ArcGIS JS API的復(fù)雜空間裁切分析的幾種實(shí)現(xiàn)方法，筆者通過(guò)研究以及應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，先空間裁切分析再利用客戶端本地資源進(jìn)行同步計(jì)算裁切的幾何面積，最終異步執(zhí)行配對(duì)渲染和顯示的方式，是比較可取的實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)于用戶體驗(yàn)的改善，挖掘客戶端的計(jì)算潛力，均衡服務(wù)器端的負(fù)載具有顯著的體現(xiàn)?？梢?jiàn)，利用此種方法進(jìn)行復(fù)雜空間裁切分析的同時(shí)，結(jié)合其他數(shù)據(jù)展示、分析的第三方API開(kāi)發(fā)包，可以實(shí)現(xiàn)功能更加強(qiáng)大，分析數(shù)據(jù)展示更加直觀的WebGIS應(yīng)用。在ArcGIS平臺(tái)下融入HTML5技術(shù)，ArcGIS JS API將在國(guó)土空間規(guī)劃大數(shù)據(jù)的應(yīng)用實(shí)踐中發(fā)揮更大的作用。