摘  要： 在WebGIS的瀏覽器端存在繪圖效率差、不能直接支持矢量繪圖等問題。為提高客戶端的交互性和實時性，在解決瀏覽器不支持矢量繪圖和渲染速度慢、存儲空間小、傳輸速率慢這些問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合HTML5中的Canvas、WebSocket、WebStorage技術(shù)，構(gòu)建了WebGIS實時客戶端，有效地改善了客戶端存在的問題，改善用戶的體驗。

　　關(guān)鍵詞： HTML5；Canvas；WebGIS實時客戶端

0 引言

　　WebGIS是GIS技術(shù)與Internet的結(jié)合體，是對網(wǎng)絡(luò)GIS的發(fā)展，它將GIS從一種使用計算機的處理地理信息的系統(tǒng)工具，變?yōu)橐环N網(wǎng)絡(luò)共享資源，提高了地理信息的使用效率，使地理信息的價值得以充分體現(xiàn)[1]。WebGIS的實現(xiàn)手段主要是基于Web技術(shù)的多級B/S體系結(jié)構(gòu)，即瀏覽器、GIS服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫等。B/S模式的構(gòu)架簡化了客戶端系統(tǒng)的部署，降低了用戶使用難度，同時也極大提高了系統(tǒng)的可維護性[2]。但是這種被動的工作模式無法滿足用戶實時性的需求。對于WebGIS的架構(gòu)研究，以前主要是對服務(wù)器端技術(shù)的改進，如使用CGI、Server API等服務(wù)端技術(shù)，但是這些技術(shù)對于服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)的要求較高。隨著客戶端技術(shù)的發(fā)展，Java Applet技術(shù)、Plug-in技術(shù)、Ajax技術(shù)的出現(xiàn)擴展了客戶端的功能，但是用戶需要預(yù)先安裝這些插件，安裝插件帶來了一定的安全隱患和不方便性。對比這兩種形式，使用HTML5的新技術(shù)實現(xiàn)的功能并不需要插件支持，且其本地存儲功能和高效率的雙向通信功能，還有動態(tài)快速繪圖功能的提出，使實時客戶端的實現(xiàn)成為可能。

1 實時客戶端的WebGIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　HTML5是W3C推出的新標(biāo)準(zhǔn)，其強大功能已經(jīng)被大部分的瀏覽器支持，同時，相對于以前的版本，HTML5的改變不僅僅是使用更方便。第一，它新增了更具有語義化的標(biāo)簽和使用更智能化的表單；第二，HTML5還新增了許多JavaScript API，如實時繪圖（Canvas和SVG）、離線存儲（WebStorage）、實時通信（WebSocket）API等，這些API為實現(xiàn)實時客戶端提供了可能。用HTML5來實現(xiàn)WebGIS有地圖無限縮放而圖不失真，地圖的顯示渲染效果逼真的優(yōu)勢；且支持JavaScript腳本實現(xiàn)地圖的漫游、縮放、查詢等功能，這些功能都無需插件支持并可在不同平臺與設(shè)備上運行[3]。根據(jù)這些特性，本文在傳統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了圖1所示的WebGIS實時客戶端。

　　在客戶端這些模塊中使用HTML5和JavaScript技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)地圖的繪制、本地存儲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，將部分簡單的功能交給客戶端完成，增加了WebGIS客戶端的交互能力，減少了服務(wù)器的傳輸壓力，也增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩瑢崿F(xiàn)了客戶端的實時性。

2 WebGIS客戶端的具體設(shè)計

　　2.1 數(shù)據(jù)實時更新與傳輸設(shè)計

　　空間數(shù)據(jù)格式有柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)交互性能差，可用來展示空間數(shù)據(jù)，矢量數(shù)據(jù)交互性較好，可用來表示空間對象，但是客戶端不能直接支持矢量數(shù)據(jù)的二進制格式傳輸，所以數(shù)據(jù)在傳輸中就要進行格式編碼，目前使用的比較多的數(shù)據(jù)傳輸格式是GeoJSON（基于JSON數(shù)據(jù)格式的地理要素表示格式）。JSON（JavaScript Object Notation）是輕量級數(shù)據(jù)交換格式，適合于服務(wù)器與瀏覽器（通過JavaScript）交互[4]，在瀏覽器端JSON能夠簡單快速地解析成可以被客戶端操作的JavaScript地理信息，不需要使用專門的文本解析API進行操作。空間數(shù)據(jù)傳輸大多使用Ajax的異步傳輸方式，但Ajax輪詢方式的時延較長，傳輸?shù)膶崟r性不高，因此將Ajax用于地圖數(shù)據(jù)的推送。實時性方面還是需要HTML5的WebSocket API實現(xiàn)。WebSocket使瀏覽器具有客戶機/服務(wù)器（C/S）模式下應(yīng)用程序的實時通信能力[5]。WebSocket的優(yōu)勢有：（1）為瀏覽器和服務(wù)器之間建立的更高效的雙向通信提供支持。其連接本質(zhì)為TCP連接，因此瀏覽器通過JavaScript向服務(wù)器發(fā)出建立WebSocket連接的請求，onopen事件接收消息，連接建立以后，客戶端和服務(wù)器端就可通過TCP連接直接交換數(shù)據(jù)。（2）WebSocket有更為輕量級的Header，除了首次建立鏈接時需要發(fā)送頭部與普通Web鏈接類似的數(shù)據(jù)之外，連接建立后，相互溝通的Header就會很簡潔，大大減少了冗余的數(shù)據(jù)傳輸[6]；通過新建WebSocket實例建立握手并完成與服務(wù)器的連接，建立好連接之后數(shù)據(jù)就可以以全雙工模式在客戶端與服務(wù)器之間進行雙向傳輸，并一直保持連接，直到用戶主動關(guān)閉[3]。圖2是傳統(tǒng)傳輸方式與WebSocket傳輸方式數(shù)據(jù)量的對比，從結(jié)果可以看出，當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)量增大時，WebSocket的效率更高。

　　需要在服務(wù)器端安裝開源的WebSocket支持數(shù)據(jù)庫，如Node.js、LibWebSockets、PHP WebSocket Server等，以調(diào)用接口使用。具體傳輸過程是：GIS服務(wù)器從空間數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)，將空間數(shù)據(jù)解析成JSON的格式，然后發(fā)送到已經(jīng)與WebSocket服務(wù)器連接的客戶端，客戶端WebSocket實例的onmessage事件接收數(shù)據(jù)并使用JSON.parse函數(shù)將JSON字符串解析成JavaScript對象，再根據(jù)對象的內(nèi)容在WebGIS的地圖中解析顯示。WebSocket API一個顯著特點是，連接建立后，服務(wù)器可主動推送消息。支持WebSocket協(xié)議的服務(wù)端接受請求和處理WebSocket任務(wù)，在客戶端可用WebStorage存儲模塊緩存?zhèn)鬏斶^來的數(shù)據(jù)，WebSocket的中間傳輸機制就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時更新。

　　2.2 客戶端空間數(shù)據(jù)緩存設(shè)計

　　客戶端緩存功能主要是由WebStorage API來實現(xiàn)，WebStorage API是以Key-Value形式來進行數(shù)據(jù)的持久性存儲。傳統(tǒng)客戶端一般是使用Cookie存儲數(shù)據(jù)，但是它效率低，存儲空間小，不能滿足大量矢量數(shù)據(jù)的存儲。WebStorage提供的兩種存儲方式可以改善這個狀況，一種是SessionStorage，它是一種會話級別的存儲方式，存儲的數(shù)據(jù)只在當(dāng)前頁面有效，當(dāng)頁面關(guān)閉時，數(shù)據(jù)也會隨之刪除，據(jù)此SessionStorage可以用在矢量圖繪制的緩存方面，即讓SessionStorage自動緩存解析好的JSON格式的矢量層數(shù)據(jù)，當(dāng)需要數(shù)據(jù)時直接從SessionStorage中提取JSON數(shù)據(jù)，這比從空間數(shù)據(jù)庫中獲取再解析效率明顯更高，數(shù)據(jù)顯示模塊可以直接從中獲取數(shù)據(jù)進行繪制。另一種方式是LocalStorage，它是一個跨多窗口且數(shù)據(jù)永久存儲的方式，只有使用清除函數(shù)clear（）、removeItem（）或手動刪除數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)才會從瀏覽器中清除，同時它的數(shù)據(jù)可以在同源的窗口或標(biāo)簽共享使用。因此它可以用來永久存儲空間分析后的數(shù)據(jù)或服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)，下次用戶打開瀏覽器可直接使用這些數(shù)據(jù)。圖3是具體矢量數(shù)據(jù)本地存儲過程。將數(shù)據(jù)緩存到本地，不用與服務(wù)器發(fā)生交互，客戶端存儲的數(shù)據(jù)可以由JavaScript訪問。

　　WebStorage存儲技術(shù)和WebSocket技術(shù)可結(jié)合使用并與JavaScript一起實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時更新，減輕服務(wù)器壓力。用戶發(fā)送數(shù)據(jù)請求后，WebSocket建立連接，將得到的數(shù)據(jù)解析后存儲在WebStorage預(yù)先定義好的空間中，等待用戶提取。對于常須更新地圖數(shù)據(jù)的操作采用這種預(yù)先存儲的方式，可以加快數(shù)據(jù)的渲染效率。為了提高圖3的實時更新效果，可以設(shè)定異步存儲機制，過程如下：（1）創(chuàng)建并初始化WebStorage對象，設(shè)置緩存區(qū)大小（緩存區(qū)分段）；（2）用戶發(fā)出消息，觸發(fā)onopen事件；（3）為WebSocket對象的信息添加偵聽器；（4）服務(wù)器調(diào)用received（）函數(shù)處理事件；（5）客戶端接收服務(wù)器發(fā)送的消息，觸發(fā)緩存判斷函數(shù)，判斷緩存大小，如果超出，設(shè)置緩存片段的編號，對象異步sends數(shù)據(jù)請求服務(wù)器處理；（6）服務(wù)器將片段編號入隊（服務(wù)端設(shè)置），直到傳輸完成，清除編號。這種傳輸方式將進一步減少網(wǎng)絡(luò)流量，減少服務(wù)器的負載，提升傳輸效率。

　　2.3 數(shù)據(jù)顯示設(shè)計

　　HTML5現(xiàn)提供了Canvas API，它可以解決傳統(tǒng)開發(fā)瀏覽器支持度差、跨平臺性不強和繪制矢量圖形需要插件的問題，通過JavaScript在瀏覽器不依賴任何插件的情況下高效地繪制動態(tài)圖形[7]，避免了安裝插件帶來安全風(fēng)險。

　　2.3.1 繪制方法

　　Canvas API使用比較簡單，像其他HTML標(biāo)簽一樣，只需在HTML5的頁面中添加一個<canvas>元素即可。Canvas繪圖首先要獲得上下文（context），因為Canvas自己本身并沒有繪圖能力，所以所有的繪圖工作要由JavaScript完成。它的工作過程為：先定義Canvas元素的id，然后通過getElementById函數(shù)找到自己前面創(chuàng)建好的Canvas元素，最后用JavaScript調(diào)用繪圖API接口得到上下文繪圖環(huán)境后就可在畫布上繪制任何的圖形了。但Canvas只支持一種基本圖形——矩形，想使用Canvas繪制其他的圖形，就要使用其提供的路徑（Path）繪制函數(shù)[8]，使用beginPath（）開始繪制，使用moveTo（）、lineTo（）繪制直線，繪制完畢后調(diào)用fill（）、stroke（）進行填充或者設(shè)置邊框，最后調(diào)用closePath（）結(jié)束圖形繪制。Canvas在矢量數(shù)據(jù)方面是像素級管理，Canvas的路徑操作能充分滿足矢量數(shù)據(jù)中的點要素、線要素、面要素以及符號的表達要求。

　　2.3.2 數(shù)據(jù)顯示過程

　　用Canvas與JavaScript技術(shù)實現(xiàn)地圖實時繪制。地理實體對象可以根據(jù)OGC的簡單要素規(guī)范和GIS界的研究將其分為：點狀實體、線狀實體、面狀實體、標(biāo)注實體和柵格實體[3]。Canvas可直接使用這些實體，對于柵格實體，可以用JavaScript對象表示，通過API drawImage直接在HTML5 Canvas中繪制。矢量實體的地理要素從GeoJSON文本轉(zhuǎn)化為JavaScript對象，根據(jù)該對象的信息，調(diào)用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換對象，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成Canvas元素里的屏幕坐標(biāo)來對應(yīng)顯示要素。實現(xiàn)實時繪圖的流程為：（1）服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)；（2）數(shù)據(jù)進行JSON格式解析；（3）瀏覽器加載地圖，調(diào)用Canvas畫布及函數(shù)實現(xiàn)繪圖和地圖的顯示；（4）地圖操作由自定義腳本實現(xiàn)地圖渲染。Canvas在客戶端展現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的靈活性與互操作性要優(yōu)于傳統(tǒng)的切片技術(shù)，并且在地圖加載速度方面有明顯的優(yōu)勢[8]，因此將Canvas和WebStorage結(jié)合起來，可以提高實時性能，將要顯示或者要存儲的數(shù)據(jù)先經(jīng)過緩存，再進行顯示或存儲，這種機制效率明顯更高。圖4說明了從數(shù)據(jù)推送到顯示的流程。

3 客戶端整體過程

　　Canvas實現(xiàn)實時繪圖和快速渲染，WebSocket API在通信方面提供了支持。WebStorage提供了客戶端的本地存儲技術(shù)，以地圖放大操作為例，用戶提交請求，數(shù)據(jù)獲取函數(shù)可以從SessionStorage中獲取數(shù)據(jù)，然后將緩存的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成JavaScript對象，最后通過Canvas直接添加在地圖中，同時，緩存中的數(shù)據(jù)不斷更新。WebSocket的雙向通信機制和WebStorage的異步存儲機制加速了數(shù)據(jù)交換效率，空間數(shù)據(jù)庫也通過WebGIS服務(wù)器，在實時通信的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)以JSON文本格式傳輸?shù)娇蛻舳耍嫒隨essionStorage中，窗口關(guān)閉后，所有數(shù)據(jù)存入LocalStorage，供用戶下次直接使用。這種方式的效率很明顯會比從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)的方式高，實時性要好，如需要執(zhí)行其他的交互操作，也可以基于這種方式實現(xiàn)。

4 結(jié)論

　　隨著Web技術(shù)的發(fā)展，客戶端的交互性和實時性要求不斷提升，據(jù)此，本文將HTML5的新特性與JavaScript技術(shù)結(jié)合，在WebSocket雙向通信機制和WebStorage緩存機制實現(xiàn)異步存儲提供的數(shù)據(jù)支撐，Canvas能實現(xiàn)動態(tài)繪圖和快速渲染的基礎(chǔ)上，提出了一種實時性更強的WebGIS客戶端，為建立實時的WebGIS客戶端提供了一種方案。HTML5中的新技術(shù)雖然強大，還是有需要加強的地方，WebStorage讓數(shù)據(jù)能夠緩存在本地，但是由于是存儲在本地，數(shù)據(jù)容易泄漏，安全性還有欠缺。未來WebGIS的發(fā)展會隨著數(shù)據(jù)量的增大實現(xiàn)云平臺化，資源更龐大，數(shù)據(jù)更易共享，用戶使用起來也會更方便。

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