基于WebGIS的空間數據可視化技術的應用研究

李心穎 李 峰 吳洪麗

（1.?？诮洕鷮W院，海南 ?？?70100；2.湖北文理學院，湖北 襄陽441000；3.海南師范大學，海南 ?？?70100；）

基于WebGIS的空間數據可視化技術的應用研究

李心穎1李 峰2吳洪麗3

（1.?？诮洕鷮W院，海南 ?？?70100；2.湖北文理學院，湖北 襄陽441000；3.海南師范大學，海南 ?？?70100；）

在基于WebGIS的海南旅游地理信息系統中，通過對VML、SVG和Ajax等技術的分析來研究WebGIS中空間數據可視化問題。構建WebGIS客戶端矢量圖形的方法，建立基于SVG、RESTful Web Services和Ajax的WebGIS體系結構模型，對提高海南旅游地理信息系統的性能及功能有很重要的意義。

空間數據；可視化；SVG；Ajax

0 引言

隨著 “數字地球”的研究興起，地理信息系統（Geographic Information System，GIS），在全球范圍內得到了飛速發展。由于相關技術的發展和應用領域的用戶需要，地理信息系統將向著數據標準化、數據空間多維化、平臺網絡化、系統智能化的方向發展。而WebGIS技術的發展更進一步開拓了其應用領域，使GIS能夠為更多的用戶在更廣泛的領域提供空間信息服務。利用互聯網在Web上發布空間信息，為用戶提供空間數據瀏覽、查詢和分析的功能己經成為WebGIS的主要功能。但WebGIS自身還有一些關鍵技術函待解決，仍面臨著一系列的瓶頸。

（1）異構、多源的空間數據的共享和互操作性。

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

（2）缺乏豐富的空間信息表現手法。

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，缺乏對數據的內部結構和關系的描述，而且不支持矢量圖形等缺陷，不能實現在互聯網上針對復雜空間地理信息的查詢、整合和定位，空間信息表現單一。

（3）圖形信息的傳輸速度與可視化。

由于Internet的網絡帶寬及路由限制，海量空間數據的傳輸及圖形圖像的表達一直是WebGIS的技術瓶頸。怎樣建立快速的響應和傳輸機制，向用戶提供通俗易懂的、多樣化的圖形操作界面，動態地表現地理空間數據是目前WebGIS要突破的問題。

（4）無法實現跨平臺數據訪問。

由于微軟的DCOM、Sun的RMI和OMG的CORBA等分布式對象技術要求客戶端與服務器本身之間進行耦合，因此基于這些平臺開發的WebGIS無法實現跨平臺的數據訪問。

1 地理空間數據可視化相關技術

1.1 可視化技術與GIS應用

3S技術的發展與融合，讓GIS技術深入到了我國經濟建設中的各個領域及各個部門之中，應用越來越廣泛。而今，空間信息已經逐漸成為基于IT的信息系統及應用的數據基礎。而可視化技術在對空間的數據分析中起著非常重要的作用，主要體現在如下幾個方面：（1）可視化技術在空間信息和知識方面的表現方式，被用于展示空間數據分析的最終結果。（2）可視化通過對空間對象中幾何特征和拓撲關系的展現，使空間數據變得更加容易理解；（3）可視化作為一種空間數據分析的方法與工具往往被用于空間數據的知識發現?？梢暬治瞿軌蛐蜗笾庇^地展示空間數據結構特征、復雜關系和規律，進行空間對象的空間性質計算，可以對知識進行更高層次的抽象概括，因此被廣泛地應用于空間數據的理解和表現。

GIS的最佳狀態應該是盡可能無差錯地體現地理世界，既做到數據最小，又要便于用戶從中獲取所需要的信息和規律，同時數據的范圍在原有的空間數據和屬性數據基礎上增加了應用數據。目前，面對數據量急速擴張的狀態，如何實現數據的快速訪問和有效存儲是關鍵，因此構建一個合理高效的空間數據模型極為必要。

空間數據的可視化已發展成為空間數據處理的重要手段和技術，GIS可以將空間數據轉化為“地圖”，使這些數據所表達的空間關系可視化。GIS的可視化主要應用是分析空間對象的空間分布規律，同時對深入分析的數據進行直接查詢。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據，并可與相關的數據和資料建立聯系，使得人們在分析對象屬性位置變化規律的時候，從中分析圖形圖像所表達的空間關系。

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，也可以在同一個網頁中以不同的大小展示全局或細節。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）使用服務器和XMLHttpRequest進行異步通信；（4）使用DOM實現動態交互和顯示。

Web Service是基于網絡的、分布式的模塊化組件，它主要利用HTTP和SOAP協議使業務數據在Web上傳輸，SOAP通過HTTP調用業務對象執行遠程功能調用，Web用戶能夠使用SOAP和HTTP通過Web調用的方法來調用遠程對象。而REST體系架構風格的分布式Web應用的實現與操作，顯然要比基于SOAP的RPC體系架構風格更加的簡潔。Ajax技術能夠充分運用HTTP的統一接口來獲得網絡上的資源，而且完成了HTTP不能實現的異步數據傳輸的功能。從某種意義上說Ajax技術是調用RESTful Web Services的最好技術，且滿足了JSON、XML等不同格式的數據傳輸。

2 基于WebGIS的空間數據可視化技術應用

2.1 SVG、Ajax、REST在WebGIS中的應用研究

SVG圖形擁有高質量、高性能，能以任意分辨率顯示而不會降低圖形的質量。在網絡應用方面，它具有支持用戶 與圖形的交互、可檢索性、可在分布式環境下創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、傳輸速度快等優點。SVG的這些優點正好可以很好的滿足 WebGIS對于空間數據圖形顯示的要求，可以向用戶提供多樣化、直觀易懂、動態的圖形用戶界面，從而使它成為空間數據可視化的有效格式，可以提供高質量的WebGIS服務。

在SVG中，地理數據可被唯一地標識，便于信息查詢和搜索，便于網上資源共享，提高WebGIS服務的互操作性，減少了服務器和客戶之間的頻繁交互，使系統網絡負載大大減輕，從而提高GIS用戶的互操作速度。所以將SVG技術應用到WebGIS中是可行性的。

而Ajax技術的出現為Web開發提供了一種全新的可能性，Ajax技術優秀的用戶體驗、提高Web程序的性能、提高可靠性等優點，相對于傳統的Web技術中的交互方式都有著巨大的優勢。傳輸數據的方式是Ajax模式與傳統模式在性能上的最大區別。Ajax模式是通過XML HttPRequest向服務端提交數據，并且通過XML返回需要的少量數據或者HTML Text片段；而在傳統的模式中數據提交是通過表單，獲取數據是整頁的HTML+CSS，與傳統的模式相比，Ajax模式必然是節約了很多的資源。

同時隨著REST設計思想的逐漸深入，Ajax和REST的結合做到了從客戶端JavaScript調用Web服務方法時，既能滿足REST對統一接口的要求，又無須對整個頁面進行刷新。這種Ajax調用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三者的結合來實現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速度能有很大提升。

2.2 基于WebGIS的海南旅游地理信息系統的優化

在基于WebGIS的海南旅游地理信息系統實現方法的基礎上，分析SVG、AJAX技術在減輕網絡傳輸負載、加快地圖顯示速度、空間數據可視化方面的作用和可行性。實現空間數據可視化技術在旅游地理信息系統中的應用，構建基于SVG和Ajax、RESTful Web Services的WebGIS體系結構模式，可以最大化的優化基于WebGIS的海南旅游地理信息系統的性能，主要內容有：

（1）地圖數據的符號化及B/S架構下地圖數字化及其它編輯功能的設計，構建WebGIS客戶端矢量圖形的方法。利用SVG、Ajax等技術實現WebGIS的基本功能。

（2）分析現存空間數據可視化不足，根據 WebGIS圖像的傳輸方法，對VML、SVG和Ajax技術在WebGIS中的應用進行分析，進行基于SVG、Ajax技術的WEBGIS空間數據可視化模型設計。

（3）引入ROA原則和REST體系架構風格，且使用Web Services構建分布式Web應用的思想，來解決目前分布式Web在應用開發中，存在的難以適應Web應用、緊密耦合以及規?？缮炜s性不夠等情況。使客戶端和服務端的應用得到充分的解耦，最終的開發模式是客戶端只負責數據的呈現與解析，服務端只是負責數據的提供，二者都是通過Ajax技術來進行通信。

2.3 可視化技術應用中的關鍵問題

（1）空間數據轉換。GML文檔是包含了地理信息的XML文檔，用于進行集成異構空間數據的，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文檔轉換成SVG的原理及方法。

（2）為確保系統具備更好的可擴展性，選取面向對象的空間建模技術進行數據組織，并將對象與屬性數據和應用進行綁定。

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

3 結論

在GIS應用中利用計算機技術實現空間數據的圖形顯示和分析，以充分直觀的表示空間數據處理分析的結果尤為重要。由于傳統WebGIS技術存在著有限網絡帶寬的限制、特定支撐環境的依賴、空間數據的有效轉換、缺乏豐富的數據表現力和數據共享困難等不足，使得GIS發展面臨著嚴峻的挑戰。

通過對VML、SVGA、Ajax及RESTful Web Services等技術能有效地消除針對現有專有空間數據格式所產生的數據轉換和傳播中的問題，結合地理空間元數據的特點，分析元數據應用流程和可視化的影響原因，建立空間數據可視化數學模型，構建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。由此可以實現離散時序空間數據的解析、渲染和地理底圖的快速動態可視化，圖形質量高、表現力強及傳輸速度快等優點，這對提升基于WebGIS的海南區域旅游地理信息系統的性能及功能有非常重要的意義。

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［責任編輯：朱麗娜］

The Application of Spatial Data Visualization Based on WebGIS Technology Research

LI Xin-ying1LI Feng2WU 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）

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.

The spatial data;Visualization;SVG;Ajax

海南省自然科學基金項目(the National Natural Science Foundation of Hainan No.614250，613169，20156231，20156219)資助，?？诮洕鷮W院校級研究項目（Haikou college of economic field research project No.hjkz14-07，Hjyj2015009）資助，海南省教育廳科研項目(Education department of hainan province science projects No.hnky2015-60)資助。

李心穎（1972—），女，湖北襄陽人，博士研究生，副教授，研究方向為地理信息工程及GIS應用、計算機網絡。

李峰（1970—），男，北京人，博士后，教授，研究方向為應用經濟學。