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(wèn)題。為提高客戶端的交互性和實(shí)時(shí)性，在解決瀏覽器不支持矢量繪圖和渲染速度慢、存儲(chǔ)空間小、傳輸速率慢這些問(wèn)題的基礎(chǔ)上，結(jié)合HTML5中的Canvas、WebSocket、WebStorage技術(shù)，構(gòu)建了WebGIS實(shí)時(shí)客戶端，有效地改善了客戶端存在的問(wèn)題，改善用戶的體驗(yàn)。

　　關(guān)鍵詞： HTML5；Canvas；WebGIS實(shí)時(shí)客戶端

0 引言

　　WebGIS是GIS技術(shù)與Internet的結(jié)合體，是對(duì)網(wǎng)絡(luò)GIS的發(fā)展，它將GIS從一種使用計(jì)算機(jī)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(jià)值得以充分體現(xiàn)[1]。WebGIS的實(shí)現(xiàn)手段主要是基于Web技術(shù)的多級(jí)B/S體系結(jié)構(gòu)，即瀏覽器、GIS服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)等。B/S模式的構(gòu)架簡(jiǎn)化了客戶端系統(tǒng)的部署，降低了用戶使用難度，同時(shí)也極大提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性[2]。但是這種被動(dòng)的工作模式無(wú)法滿足用戶實(shí)時(shí)性的需求。對(duì)于WebGIS的架構(gòu)研究，以前主要是對(duì)服務(wù)器端技術(shù)的改進(jìn)，如使用CGI、Server API等服務(wù)端技術(shù)，但是這些技術(shù)對(duì)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(kuò)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(lái)了一定的安全隱患和不方便性。對(duì)比這兩種形式，使用HTML5的新技術(shù)實(shí)現(xiàn)的功能并不需要插件支持，且其本地存儲(chǔ)功能和高效率的雙向通信功能，還有動(dòng)態(tài)快速繪圖功能的提出，使實(shí)時(shí)客戶端的實(shí)現(xiàn)成為可能。

1 實(shí)時(shí)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(qiáng)大功能已經(jīng)被大部分的瀏覽器支持，同時(shí)，相對(duì)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(yǔ)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(shí)時(shí)繪圖（Canvas和SVG）、離線存儲(chǔ)（WebStorage）、實(shí)時(shí)通信（WebSocket）API等，這些API為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)客戶端提供了可能。用HTML5來(lái)實(shí)現(xiàn)WebGIS有地圖無(wú)限縮放而圖不失真，地圖的顯示渲染效果逼真的優(yōu)勢(shì)；且支持JavaScript腳本實(shí)現(xiàn)地圖的漫游、縮放、查詢等功能，這些功能都無(wú)需插件支持并可在不同平臺(tái)與設(shè)備上運(yùn)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(shí)時(shí)客戶端。

　　在客戶端這些模塊中使用HTML5和JavaScript技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)地圖的繪制、本地存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，將部分?jiǎn)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?，?shí)現(xiàn)了客戶端的實(shí)時(shí)性。

2 WebGIS客戶端的具體設(shè)計(jì)

　　2.1 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新與傳輸設(shè)計(jì)

　　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(lái)展示空間數(shù)據(jù)，矢量數(shù)據(jù)交互性較好，可用來(lái)表示空間對(duì)象，但是客戶端不能直接支持矢量數(shù)據(jù)的二進(jìn)制格式傳輸，所以數(shù)據(jù)在傳輸中就要進(jìn)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(jí)數(shù)據(jù)交換格式，適合于服務(wù)器與瀏覽器（通過(guò)JavaScript）交互[4]，在瀏覽器端JSON能夠簡(jiǎn)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(jìn)行操作?？臻g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(shí)延較長(zhǎng)，傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性不高，因此將Ajax用于地圖數(shù)據(jù)的推送。實(shí)時(shí)性方面還是需要HTML5的WebSocket API實(shí)現(xiàn)。WebSocket使瀏覽器具有客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）模式下應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)通信能力[5]。WebSocket的優(yōu)勢(shì)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(guò)JavaScript向服務(wù)器發(fā)出建立WebSocket連接的請(qǐng)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(guò)TCP連接直接交換數(shù)據(jù)。（2）WebSocket有更為輕量級(jí)的Header，除了首次建立鏈接時(shí)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(huì)很簡(jiǎn)潔，大大減少了冗余的數(shù)據(jù)傳輸[6]；通過(guò)新建WebSocket實(shí)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(jìn)行雙向傳輸，并一直保持連接，直到用戶主動(dòng)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(duì)比，從結(jié)果可以看出，當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)量增大時(shí)，WebSocket的效率更高。

　　需要在服務(wù)器端安裝開源的WebSocket支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，如Node.js、LibWebSockets、PHP WebSocket Server等，以調(diào)用接口使用。具體傳輸過(guò)程是：GIS服務(wù)器從空間數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)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(duì)象，再根據(jù)對(duì)象的內(nèi)容在WebGIS的地圖中解析顯示。WebSocket API一個(gè)顯著特點(diǎn)是，連接建立后，服務(wù)器可主動(dòng)推送消息。支持WebSocket協(xié)議的服務(wù)端接受請(qǐng)求和處理WebSocket任務(wù)，在客戶端可用WebStorage存儲(chǔ)模塊緩存?zhèn)鬏斶^(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，WebSocket的中間傳輸機(jī)制就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新。

　　2.2 客戶端空間數(shù)據(jù)緩存設(shè)計(jì)

　　客戶端緩存功能主要是由WebStorage API來(lái)實(shí)現(xiàn)，WebStorage API是以Key-Value形式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的持久性存儲(chǔ)。傳統(tǒng)客戶端一般是使用Cookie存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，但是它效率低，存儲(chǔ)空間小，不能滿足大量矢量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。WebStorage提供的兩種存儲(chǔ)方式可以改善這個(gè)狀況，一種是SessionStorage，它是一種會(huì)話級(jí)別的存儲(chǔ)方式，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)只在當(dāng)前頁(yè)面有效，當(dāng)頁(yè)面關(guān)閉時(shí)，數(shù)據(jù)也會(huì)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(dòng)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(shí)直接從SessionStorage中提取JSON數(shù)據(jù)，這比從空間數(shù)據(jù)庫(kù)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(jìn)行繪制。另一種方式是LocalStorage，它是一個(gè)跨多窗口且數(shù)據(jù)永久存儲(chǔ)的方式，只有使用清除函數(shù)clear（）、removeItem（）或手動(dòng)刪除數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)才會(huì)從瀏覽器中清除，同時(shí)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(lái)永久存儲(chǔ)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(chǔ)過(guò)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(chǔ)的數(shù)據(jù)可以由JavaScript訪問(wèn)。

　　WebStorage存儲(chǔ)技術(shù)和WebSocket技術(shù)可結(jié)合使用并與JavaScript一起實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，減輕服務(wù)器壓力。用戶發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，WebSocket建立連接，將得到的數(shù)據(jù)解析后存儲(chǔ)在WebStorage預(yù)先定義好的空間中，等待用戶提取。對(duì)于常須更新地圖數(shù)據(jù)的操作采用這種預(yù)先存儲(chǔ)的方式，可以加快數(shù)據(jù)的渲染效率。為了提高圖3的實(shí)時(shí)更新效果，可以設(shè)定異步存儲(chǔ)機(jī)制，過(guò)程如下：（1）創(chuàng)建并初始化WebStorage對(duì)象，設(shè)置緩存區(qū)大?。ň彺鎱^(qū)分段）；（2）用戶發(fā)出消息，觸發(fā)onopen事件；（3）為WebSocket對(duì)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(hào)，對(duì)象異步sends數(shù)據(jù)請(qǐng)求服務(wù)器處理；（6）服務(wù)器將片段編號(hào)入隊(duì)（服務(wù)端設(shè)置），直到傳輸完成，清除編號(hào)。這種傳輸方式將進(jìn)一步減少網(wǎng)絡(luò)流量，減少服務(wù)器的負(fù)載，提升傳輸效率。

　　2.3 數(shù)據(jù)顯示設(shè)計(jì)

　　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(tái)性不強(qiáng)和繪制矢量圖形需要插件的問(wèn)題，通過(guò)JavaScript在瀏覽器不依賴任何插件的情況下高效地繪制動(dòng)態(tài)圖形[7]，避免了安裝插件帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。

　　2.3.1 繪制方法

　　Canvas API使用比較簡(jiǎn)單，像其他HTML標(biāo)簽一樣，只需在HTML5的頁(yè)面中添加一個(gè)<canvas>元素即可。Canvas繪圖首先要獲得上下文（context），因?yàn)镃anvas自己本身并沒(méi)有繪圖能力，所以所有的繪圖工作要由JavaScript完成。它的工作過(guò)程為：先定義Canvas元素的id，然后通過(guò)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(jìn)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(jí)管理，Canvas的路徑操作能充分滿足矢量數(shù)據(jù)中的點(diǎn)要素、線要素、面要素以及符號(hào)的表達(dá)要求。

　　2.3.2 數(shù)據(jù)顯示過(guò)程

　　用Canvas與JavaScript技術(shù)實(shí)現(xiàn)地圖實(shí)時(shí)繪制。地理實(shí)體對(duì)象可以根據(jù)OGC的簡(jiǎn)單要素規(guī)范和GIS界的研究將其分為：點(diǎn)狀實(shí)體、線狀實(shí)體、面狀實(shí)體、標(biāo)注實(shí)體和柵格實(shí)體[3]。Canvas可直接使用這些實(shí)體，對(duì)于柵格實(shí)體，可以用JavaScript對(duì)象表示，通過(guò)API drawImage直接在HTML5 Canvas中繪制。矢量實(shí)體的地理要素從GeoJSON文本轉(zhuǎn)化為JavaScript對(duì)象，根據(jù)該對(duì)象的信息，調(diào)用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換對(duì)象，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成Canvas元素里的屏幕坐標(biāo)來(lái)對(duì)應(yīng)顯示要素。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)繪圖的流程為：（1）服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)；（2）數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)繪圖和地圖的顯示；（4）地圖操作由自定義腳本實(shí)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(shì)[8]，因此將Canvas和WebStorage結(jié)合起來(lái)，可以提高實(shí)時(shí)性能，將要顯示或者要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)先經(jīng)過(guò)緩存，再進(jìn)行顯示或存儲(chǔ)，這種機(jī)制效率明顯更高。圖4說(shuō)明了從數(shù)據(jù)推送到顯示的流程。

3 客戶端整體過(guò)程

　　Canvas實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(chǔ)技術(shù)，以地圖放大操作為例，用戶提交請(qǐng)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(duì)象，最后通過(guò)Canvas直接添加在地圖中，同時(shí)，緩存中的數(shù)據(jù)不斷更新。WebSocket的雙向通信機(jī)制和WebStorage的異步存儲(chǔ)機(jī)制加速了數(shù)據(jù)交換效率，空間數(shù)據(jù)庫(kù)也通過(guò)WebGIS服務(wù)器，在實(shí)時(shí)通信的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)以JSON文本格式傳輸?shù)娇蛻舳?，存入SessionStorage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(huì)比從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)的方式高，實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)時(shí)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(jī)制和WebStorage緩存機(jī)制實(shí)現(xiàn)異步存儲(chǔ)提供的數(shù)據(jù)支撐，Canvas能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)繪圖和快速渲染的基礎(chǔ)上，提出了一種實(shí)時(shí)性更強(qiáng)的WebGIS客戶端，為建立實(shí)時(shí)的WebGIS客戶端提供了一種方案。HTML5中的新技術(shù)雖然強(qiáng)大，還是有需要加強(qiáng)的地方，WebStorage讓數(shù)據(jù)能夠緩存在本地，但是由于是存儲(chǔ)在本地，數(shù)據(jù)容易泄漏，安全性還有欠缺。未來(lái)WebGIS的發(fā)展會(huì)隨著數(shù)據(jù)量的增大實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)化，資源更龐大，數(shù)據(jù)更易共享，用戶使用起來(lái)也會(huì)更方便。

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