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上，結合HTML5中的Canvas、WebSocket、WebStorage技術，構建了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。
關鍵詞： HTML5；Canvas；WebGIS實時客戶端
0 引言
WebGIS是GIS技術與Internet的結合體，是對網絡GIS的發展，它將GIS從一種使用計算機的處理地理信息的系統工具，變為一種網絡共享資源，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[1]。WebGIS的實現手段主要是基于Web技術的多級B/S體系結構，即瀏覽器、GIS服務器、數據庫等。B/S模式的構架簡化了客戶端系統的部署，降低了用戶使用難度，同時也極大提高了系統的可維護性[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的架構研究，以前主要是對服務器端技術的改進，如使用CGI、Server API等服務端技術，但是這些技術對于服務器及網絡的要求較高。隨著客戶端技術的發展，Java Applet技術、Plug-in技術、Ajax技術的出現擴展了客戶端的功能，但是用戶需要預先安裝這些插件，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的新技術實現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，還有動態快速繪圖功能的提出，使實時客戶端的實現成為可能。
1 實時客戶端的WebGIS系統結構
HTML5是W3C推出的新標準，其強大功能已經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為實現實時客戶端提供了可能。用HTML5來實現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勢；且支持JavaScript腳本實現地圖的漫游、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備上運行[3]。根據這些特性，本文在傳統架構的基礎上，構建了圖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，實現數據地圖的繪制、本地存儲、數據傳輸等功能，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，減少了服務器的傳輸壓力，也增加了數據傳輸的效率，實現了客戶端的實時性。
2 WebGIS客戶端的具體設計
2.1 數據實時更新與傳輸設計
空間數據格式有柵格數據和矢量數據。柵格數據交互性能差，可用來展示空間數據，矢量數據交互性較好，可用來表示空間對象，但是客戶端不能直接支持矢量數據的二進制格式傳輸，所以數據在傳輸中就要進行格式編碼，目前使用的比較多的數據傳輸格式是GeoJSON（基于JSON數據格式的地理要素表示格式）。JSON（JavaScript Object Notation）是輕量級數據交換格式，適合于服務器與瀏覽器（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。空間數據傳輸大多使用Ajax的異步傳輸方式，但Ajax輪詢方式的時延較長，傳輸的實時性不高，因此將Ajax用于地圖數據的推送。實時性方面還是需要HTML5的WebSocket API實現。WebSocket使瀏覽器具有客戶機/服務器（C/S）模式下應用程序的實時通信能力[5]。WebSocket的優勢有：（1）為瀏覽器和服務器之間建立的更高效的雙向通信提供支持。其連接本質為TCP連接，因此瀏覽器通過JavaScript向服務器發出建立WebSocket連接的請求，onopen事件接收消息，連接建立以后，客戶端和服務器端就可通過TCP連接直接交換數據。（2）WebSocket有更為輕量級的Header，除了首次建立鏈接時需要發送頭部與普通Web鏈接類似的數據之外，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據傳輸[6]；通過新建WebSocket實例建立握手并完成與服務器的連接，建立好連接之后數據就可以以全雙工模式在客戶端與服務器之間進行雙向傳輸，并一直保持連接，直到用戶主動關閉[3]。圖2是傳統傳輸方式與WebSocket傳輸方式數據量的對比，從結果可以看出，當傳輸數據量增大時，WebSocket的效率更高。
需要在服務器端安裝開源的WebSocket支持數據庫，如Node.js、LibWebSockets、PHP WebSocket Server等，以調用接口使用。具體傳輸過程是：GIS服務器從空間數據庫獲取數據，將空間數據解析成JSON的格式，然后發送到已經與WebSocket服務器連接的客戶端，客戶端WebSocket實例的onmessage事件接收數據并使用JSON.parse函數將JSON字符串解析成JavaScript對象，再根據對象的內容在WebGIS的地圖中解析顯示。WebSocket API一個顯著特點是，連接建立后，服務器可主動推送消息。支持WebSocket協議的服務端接受請求和處理WebSocket任務，在客戶端可用WebStorage存儲模塊緩存傳輸過來的數據，WebSocket的中間傳輸機制就實現了數據實時更新。
2.2 客戶端空間數據緩存設計
客戶端緩存功能主要是由WebStorage API來實現，WebStorage API是以Key-Value形式來進行數據的持久性存儲。傳統客戶端一般是使用Cookie存儲數據，但是它效率低，存儲空間小，不能滿足大量矢量數據的存儲。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，存儲的數據只在當前頁面有效，當頁面關閉時，數據也會隨之刪除，據此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格式的矢量層數據，當需要數據時直接從SessionStorage中提取JSON數據，這比從空間數據庫中獲取再解析效率明顯更高，數據顯示模塊可以直接從中獲取數據進行繪制。另一種方式是LocalStorage，它是一個跨多窗口且數據永久存儲的方式，只有使用清除函數clear（）、removeItem（）或手動刪除數據時數據才會從瀏覽器中清除，同時它的數據可以在同源的窗口或標簽共享使用。因此它可以用來永久存儲空間分析后的數據或服務器發送的數據和用戶數據，下次用戶打開瀏覽器可直接使用這些數據。圖3是具體矢量數據本地存儲過程。將數據緩存到本地，不用與服務器發生交互，客戶端存儲的數據可以由JavaScript訪問。
WebStorage存儲技術和WebSocket技術可結合使用并與JavaScript一起實現數據的實時更新，減輕服務器壓力。用戶發送數據請求后，WebSocket建立連接，將得到的數據解析后存儲在WebStorage預先定義好的空間中，等待用戶提取。對于常須更新地圖數據的操作采用這種預先存儲的方式，可以加快數據的渲染效率。為了提高圖3的實時更新效果，可以設定異步存儲機制，過程如下：（1）創建并初始化WebStorage對象，設置緩存區大小（緩存區分段）；（2）用戶發出消息，觸發onopen事件；（3）為WebSocket對象的信息添加偵聽器；（4）服務器調用received（）函數處理事件；（5）客戶端接收服務器發送的消息，觸發緩存判斷函數，判斷緩存大小，如果超出，設置緩存片段的編號，對象異步sends數據請求服務器處理；（6）服務器將片段編號入隊（服務端設置），直到傳輸完成，清除編號。這種傳輸方式將進一步減少網絡流量，減少服務器的負載，提升傳輸效率。
2.3 數據顯示設計
HTML5現提供了Canvas API，它可以解決傳統開發瀏覽器支持度差、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圖形[7]，避免了安裝插件帶來安全風險。
2.3.1 繪制方法
Canvas API使用比較簡單，像其他HTML標簽一樣，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函數找到自己前面創建好的Canvas元素，最后用JavaScript調用繪圖API接口得到上下文繪圖環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[8]，使用beginPath（）開始繪制，使用moveTo（）、lineTo（）繪制直線，繪制完畢后調用fill（）、stroke（）進行填充或者設置邊框，最后調用closePath（）結束圖形繪制。Canvas在矢量數據方面是像素級管理，Canvas的路徑操作能充分滿足矢量數據中的點要素、線要素、面要素以及符號的表達要求。
2.3.2 數據顯示過程
用Canvas與JavaScript技術實現地圖實時繪制。地理實體對象可以根據OGC的簡單要素規范和GIS界的研究將其分為：點狀實體、線狀實體、面狀實體、標注實體和柵格實體[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文本轉化為JavaScript對象，根據該對象的信息，調用坐標轉換對象，將坐標轉換成Canvas元素里的屏幕坐標來對應顯示要素。實現實時繪圖的流程為：（1）服務器從數據庫獲取數據；（2）數據進行JSON格式解析；（3）瀏覽器加載地圖，調用Canvas畫布及函數實現繪圖和地圖的顯示；（4）地圖操作由自定義腳本實現地圖渲染。Canvas在客戶端展現地理數據的靈活性與互操作性要優于傳統的切片技術，并且在地圖加載速度方面有明顯的優勢[8]，因此將Canvas和WebStorage結合起來，可以提高實時性能，將要顯示或者要存儲的數據先經過緩存，再進行顯示或存儲，這種機制效率明顯更高。圖4說明了從數據推送到顯示的流程。
3 客戶端整體過程
Canvas實現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，以地圖放大操作為例，用戶提交請求，數據獲取函數可以從SessionStorage中獲取數據，然后將緩存的數據轉換成JavaScript對象，最后通過Canvas直接添加在地圖中，同時，緩存中的數據不斷更新。WebSocket的雙向通信機制和WebStorage的異步存儲機制加速了數據交換效率，空間數據庫也通過WebGIS服務器，在實時通信的基礎上，將數據以JSON文本格式傳輸到客戶端，存入SessionStorage中，窗口關閉后，所有數據存入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器獲取數據的方式高，實時性要好，如需要執行其他的交互操作，也可以基于這種方式實現。
4 結論
隨著Web技術的發展，客戶端的交互性和實時性要求不斷提升，據此，本文將HTML5的新特性與JavaScript技術結合，在WebSocket雙向通信機制和WebStorage緩存機制實現異步存儲提供的數據支撐，Canvas能實現動態繪圖和快速渲染的基礎上，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中的新技術雖然強大，還是有需要加強的地方，WebStorage讓數據能夠緩存在本地，但是由于是存儲在本地，數據容易泄漏，安全性還有欠缺。未來WebGIS的發展會隨著數據量的增大實現云平臺化，資源更龐大，數據更易共享，用戶使用起來也會更方便。
參考文獻
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