遵循Java EE标准体系的开源GIS服务平台架构

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一、平台现状

        近年来由于信息科技的演进，在其推动下地理信息系统的应用也较以往更为广泛；而对于空间资料（Spatial Data）的生成也已从早期必须经由专家学者处理才能发布，到现在普通人只需要简单的工具，甚至是通过自动设备就有可能生成这些具有地理信息的资料。
        然而空间资料的建立仅仅是提供服务最基本的一环，如果需要将这些原始的资料转变成可以提供他人使用的服务，则需要额外的处理。完整的服务平台架构如下所示。分为用户端（Client）、应用服务（Application Services）和服务提供者（Service Provider）三个部分。 
        就目前市面上的商用软件而言，如果要建立地理信息的服务，已经存在很多种解决方案，在此不便评述。本文主要探讨的是如何通过整合开源软件（Open Source）来构建此服务平台。此外，笔者从事过Java EE和Android开发，对Java EE平台较为熟悉。结合近期的业务需求，需要提供一种基于Java EE标准体系的GIS解决方案。因此，期望通过本文的介绍，能给那些想要转型Web GIS应用的童鞋提供参考。
二、应用服务
        以一般的信息系统为例，即便后台拥有功能强大的服务器主机与系统，通过该系统可以处理想打庞大的资料，不过资料毕竟是要给人操作的，如何提供友好的用户界面也是相当关键的一环。对于地理信息系统，纵然我们拥有高效的服务器与强大的计算能力，也同样需要提供一个良好的操作界面给用户。
        在地理信息系统中，除了后台可以处理地图资源以外，在前端亦需要有一个合适的界面可以提供GIS的基本操作（如：缩放、平移、叠加图层等）。
OpenLayers
        OpenLayers是通过JavaScript脚本语言所开发的一种工具，提供丰富的地图资源支持，包含由ArcGIS Server所发布的资料（ArcGIS Cache）、服务（ArcGIS REST、ArcIMS等），对于其他在线地图服务（如：Google Map、Bing Map等）都有很好的支持。非常适合用于开发地理信息系统的用户界面。
三、服务提供者
        在地理信息系统中，如果需要将具有空间属性的资源显示在网络上，必须先借助适当的软件才能达到，通过客户端才能存取服务端提供的服务。
GeoServer
        GeoServer是一套由Java语言开发的免费软件，它提供分享和编辑具有空间信息的资源的功能。虽说它只是一套由社区所维护的软件，不过对于一般商用软件所具有的功能，它大多都也提供类似的服务。值得一提的是，由于它是免费软件，所以对于标准的交换格式也都支持。在GIS领域中，由开发地理空间协会（Open Geospatial Consortium）所订制的网络地图服务（Web Map Service，WMS）、网络图徽服务（Web Feature Service，WFS）、网络网格资源服务（Web Coverage Service，WCS）、KML等资源交换规范，GeoService都支持。
        在地理信息系统中，为了让整个系统的实用性更高，往往都会搭配层叠丰富的形象资源，包含地图、卫星影像、航空照片影像等。然而，如果资源数量庞大到需要耗费时间才能通过网络传送，可以预见整个系统的效率会大幅度降低。为了解决加载大量地图资源的问题，瓦片地图（Map Tile）的技术相继被提出。
        瓦片地图就是将影像资源依据一定的比例尺、命名规则、存储目录结构等事先定义好的规范进行处理。当需要展示特定区域的资源时，仅取出该范围的若干片拼接在一起即可。如此一来，不仅可以节省即时处理庞大影像所花费的系统资源，而且大大降低了系统的延迟时间。因为图片资源都是已处理好的瓦片，获取时仅需通过服务器提供服务即可。
        生成瓦片地图的机制多种多样，其中包括商用软件的解决方案（如：ESRI ArcGIS Server生成Cache的方式），或者开发者可以依照相关规范自行编写程序来生成切片；不过在免费软件中，也有提供类似服务的软件GeoWebCache。
GeoWebCache
        GeoWebCache是一个采用Java实现用于缓存WMS（Web Map Service）Tile的开源项目。当地图客户端请求一张新地图和Tile时，GeoWebCache将拦截这些调用然后返回缓存过的Tiles。如果找不到缓存再调用服务器上的Tiles，从而提高地图展示的速度。实现更好的用户体验。
        针对大量数据的进行处理时，往往会使用数据库系统（DBMS）进行管理，以增强其运行效率。因此，数据库系统的使用在整个系统运行中是非常常见的一环。这类软件包括商用软件的解决方案，如：Oracle、SQL Server等，或者免费软件MySQL等。
        同样的问题也会出现在地理信息系统上，如果大量的数据需要存放在GIS上，采用原有的数据存储方式，系统的执行效率势必大大地降低。如果想要得到改善，就必须通过数据库系统来管理大量的数据资源。然而地理信息的资源与普通资源最大的差异，也就是再于地理信息资源中含有大量的空间属性。因此，被选为处理空间资源的数据库必须具有这项能力。
        近几年来，Orace数据库针对这个部分进行研发，诞生了Oracle Spatial；而Microsoft在新版本的SQL Server中也添加了处理空间属性的功能。对于免费数据库这块，PostgreSQL本身作为一个相当不错的数据库，再搭配PostGIS之后，也具有处理空间信息的能力。
PostgreSQL
        PostgreSQL是一种对象-关系型数据库管理系统（ORDBMS），也是目前功能最强大、特性最丰富和最复杂的自由软件数据库系统。它起源于伯克利（BSD）的数据库研究计划，目前是最重要的开源数据库产品开发项目之一， 有着非常广泛的用户。PostGIS在对象关系型数据库PostgreSQL上增加了存储管理空间数据的能力，相当于Oracle的spatial部分。PostGIS最大的特点是符合并且实现了OpenGIS的一些规范，是最著名的开源GIS数据库。
四、总结
        由于地理信息技术的不断发展，GIS在开源软件阵营中也得到了长足的进步。开源软件的特点就是需要遵循一定的规范才能协同工作。故而，本文提供了一种基于Java EE标准体系的GIS服务平台架构：OpenLayers+GeoServer+GeoWebCache+PostgreSQL+Eclipse/MyEclipse+Tomcat/Jetty，同时对所涉及的软件进行了简单介绍和职责分派。说明了在不借助商用软件提供的解決方案的前提下，我们同样也可以构建出具有高效能品质的地理信息服务。