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基于Invocable地理空间Web服务的Javascript地理信息系统平台

马其顿中部技术教育学院，Terma Magnias，62124，Serres，Greece；priestont@gmail.com

*通信：kevan70@gmail.com；电话： 30-694-727-8769

接收日期：2018年1月28日；接受日期：2018年4月17日；发布日期：2018年4月20日

摘要：在过去的十年中，通过使用开放的标准来表达和服务地理空间数据，语义Web技术正越来越多地被地理空间界采用。人们在日常活动中越来越多地通过智能设备访问和使用地理地图和基于位置的服务，也大大促进了这一点。在本文中，

探讨了一种基于invocable地理空间Web服务的纯JavaScript客户端GIS平台的开发框架。我们还通过部署一个节点服务器来扩展服务器端的JavaScript利用率，该节点服务器充当开源WPS库和流行的地理处理引擎之间的桥梁。我们进行上述探索的工具是一个跨平台的Web浏览器，它能够解释JavaScript命令以实现与地理空间提供者的交互。该工具是一个通用的Web界面，提供获取空间数据集、组合布局和应用地理空间过程的功能。在理想的形式下，终端用户必须识别那些满足某个地理相关需求的服务，并将它们放在适当的行中。最终输出可以作为免费可用地理空间web服务的潜在收集器。它的服务器端组件可以利用地理空间处理供应方组成一个轻量级、完全透明的开放式Web GIS平台。

关键词：开源GIS；地理空间Web服务；地理空间Web语义；Web GIS；Node.js；

JavaScript；OGC服务

1. 介绍

地理空间功能涵盖了从简单的图像地图采集到空间数据基础设施（SDI）上的复杂地理处理。如今，越来越多的用户在日常活动中利用地理空间功能。这些用户是从事地球科学和工程学科的实践者、科学家和研究人员，以及使用地理信息系统（GIS）的个人[1,2]。此外，今天我们还面临着人们日常活动中越来越多地通过智能设备访问和使用地理地图和基于位置的服务 [3]。因此，新兴的计算模式在地理空间发展中显示出很高的渗透率，其中最新也是最重要的一种是云计算[4,5]。因此，现有的系统从80年代早期的专有桌面GIS软件应用程序转变为基于地理空间Web服务（GWS）的免费开源互操作云GIS解决方案[6]。0

GWSs和面向服务架构（service-oriented architecture，SOA）是实现Web GIS应用互操作性的关键组件。GWSs允许独立的地理空间功能在Web上运行，而SOA通过以统一的方式为请求者和提供者建立通信和数据交换来增强这些GWSs之间的互操作性[7,8]。地理空间社区采用的主要GWS标准是开放地理空间联盟（OGC）引入的标准，其中包括用于可视化的Web地图服务（WMS）[9]、Web特性服务（WFS）和用于获取的Web覆盖服务[10,11]、用于发现的网络目录服务（csw）以及处理空间数据的新兴网络处理服务(wps)[13]。

在这方面，许多研究项目和商业解决方案依赖于上述标准来实现自定义应用程序之间的地理空间数据互操作性，并满足特定项目的需求[14,15]。此外，在欧洲联盟（欧盟）层面，项目行动必须与第1312/2014号条例[16]保持一致，该条例实施了关于空间数据服务互操作性的激励指令[17]。根据这一点，所有地理空间数据都必须在可调用的空间数据服务下提供。因此，现在大多数应用程序都基于Web服务，使用通过Web提供或由用户生成的数据[18]，并在基于浏览器的跨平台界面上执行。在地理空间领域，基于GWSs和XML的开放式地理空间数据格式，如地理标记语言（Geography MarkUp Language，GML），已经成为桌面和Web GIS软件解决方案的基本组成部分。例如，ESRI的ArcGIS商业产品通过其流行的“添加数据”界面[19]。QGIS开放解决方案还支持通过适当的插件连接到gws[20]。对于单个基于Web的应用程序，可以通过开放的JavaScript库（例如Openlayers（http://Openlayers.org/）和GeoExt（https://GeoExt.github.io/geoext2））开发自定义GIS功能，并在客户端执行，无需安装任何东西，只需安装更新的Web浏览器。

利用开放或专有Web服务和空间应用框架的研究和商业项目的发展正在迅速增长。[21-28]。在流行的服务模型SaaS、PaaS和IaaS下，其他几种云GIS解决方案分别作为软件、平台和基础设施使用[4]。对于最近发布的Boundless Server[29]，我们必须单独提供一个特别的参考：一个可靠的服务器解决方案，用于在web上发布一系列数据和工作流。然而，由开放的可互操作Web服务组成的基于服务的应用程序可能是一个有效的例子。开发人员必须识别适当的GWS，并按照正确的顺序将它们绑定在一起，就像著名的“ArcGIS模型生成器”[30]中发生的那样。最终的结果对于由一组相互连接的Web服务组成的用户Web界面是透明的。这个案例可以扩展到一个Web GIS平台，该平台收集可用的GWS并充当构建GIS项目的平台。

本文探讨了满足常规地理空间需求的可调用地理空间服务开发框架。一个全面而复杂的实现可能包括一个Web界面，它允许终端用户在组成GIS项目的任务描述之间进行选择。我们演示了（http://gws.prieston.tech/）这样一个完全基于开放标准和服务的实现，这是一个轻量级的客户端纯JavaScript平台，它执行：（a）来自公共数据提供商的数据发现；（b）基于层的数据视图；（c）按属性选择数据；（d）功能数据采集和预览；（e）简单的地质处理任务。最后，我们还探讨了JavaScript在实现地理进程方面的适用性。在此之前，本文探讨了语义Web技术对基本地理空间元素的影响，并讨论了关键的架构和开发问题。

2. 地理空间Web语义对GIS的影响

从桌面和专有Web应用程序到云中开放的基于服务的GIS系统，由地理空间Web语义技术实现的接口的主要组件、主要操作和特征在整个GIS时间轴中都被识别和审查。地理空间领域采用Web语义技术标准[31] 通常是表示地理空间演变的历史点。以下简要讨论的三个主要领域是（a）格式，（b）互操作性和（c）自动化。

2.1 地理空间数据格式

2.1.1矢量数据

矢量数据被认为是地理信息系统的主要组成部分，它具有所表示的空间实体的关键特性，如其形状、空间表示和拓扑结构。传统上，矢量数据被地理学家和地理信息系统专家作为有价值的空间数据形式来处理，其原因有两个，一是矢量数据不依赖于尺度和矢量数据的关联能力，二是矢量数据具有无限量的描述性信息。此外，由于矢量数据是通过数字化地图图像或通过GPS野外数据采集获得的，因此矢量数据的生成成本高昂、耗时。

在整个地理信息系统时间线上，从覆盖范围和形状文件到专有和开放的地理数据库格式，各种形式的矢量数据被采用。今天，可以通过基于XML的开放格式（KML、GML、SVG）轻松地对构成矢量图形的顶点的空间坐标进行建模，并通过OGC-WFS服务请求进行传输。

2.1.2 光栅数据

传统上，扫描地图（gif、jpeg、tiff等）形式的栅格数据被用作通过数字化任务生成矢量数据的基础。因此，光栅越细、分辨率越高，其数字化过程就越具有分析性和精确性。因此，栅格数据通常体积庞大，在桌面GIS环境下对栅格数据的管理需要高效的计算机硬件资源。通过静态网页或光栅数据存储库为地图和卫星图像提供服务也取决于硬件效率，包括互联网基础设施。

当第一个地图服务器出现时，栅格数据作为地表的纹理由网络提供，主要是满足地球浏览器的导航体验。如今，图像压缩和平铺渲染技术，以及极高的无线互联网连接，使得采用高质量光栅数据作为背景，为智能设备用户提供基于位置的服务成为可能。作为地图背景的栅格数据通过OGC-WMS服务请求进行传输。用于覆盖目的的其他光栅格式（如高程或地理处理结果）通过OGC WCS标准提供。

2.1.3 描述性数据

地理信息系统的一个基本结构特征是将空间特征和与其相关的描述性数据相关联的能力。这样就有可能为决策者执行复杂的制图表示，并对描述性数据执行复杂的处理，产生有价值的地理信息。由于数据库技术的同时出现，描述性数据通常很容易在整个地理信息系统时间轴上进行管理。与空间功能相关联的外部数据源包括从简单的逗号分隔值和单个数据库文件到安装在远程服务器中的关系地理数据库等多种选择。

今天的数据网和相关的语义技术，支持互操作性和标准格式来建模和传输描述性数据。ISO 191xx系列和RDF是地理空间web中使用的XML编码数据标准[32]。

2.2 地理空间互操作性

地理空间互操作性是一个问题，因为不同地理空间利益相关者之间需要进行数据通信和交换。直到90年代早期，GIS供应商使用他们自己的专有格式，但是他们同意共同的标准和格式，并且他们建立了到共同共享存储库的连接。随着万维网联盟（W3C）技术的成熟，OGC引入了合适的空间相关技术来实现语法和语义的互操作性。

2.2.1句法互操作性

语法互操作性确保通过Web服务在连接的系统之间进行的数据传输。在地理空间领域，目前是通过OGC服务实现的。例如，WFS/GetFeatures请求为通过XML传输特性的Web服务提供了标准接口和消息类型。在过去，语法互操作性可以看作是通过ODBC连接应用SQL命令的结果。

2.2.2语义互操作性

语义互操作性是交换内容可以被机器理解的理想情况。要做到这一点，就必须通过适当的规范（如GML，基于服务的空间数据交换标准）正式和明确地将其概念化。传统上，语义互操作性只能通过预定义的领域特定数据模型（如ArcFM[33]，UML数据模型）产生的预先构建的数据格式来实现。

2.3 地理空间自动化

地理信息系统项目通常是单一地理空间活动的组成部分，通常从获取专题层和所涉及的其他数据以及应用地理空间过程开始，这取决于地球科学专门知识领域的确切领域。通过创建专门的批处理文件或脚本，可以在顺序执行流程的工作流下实现这些活动的自动化。传统上，地理空间自动化是通过流行的桌面GIS环境的复杂模块实现的，这些模块提供了管理地理空间过程的工具，例如ModelBuilder[30]或Processing Modeller[34]。

现在，所有类型的地理空间活动都可以通过地理空间Web服务来提供服务，自动化是通过“编排”这些Web服务来实现的。编排“描述了Web服务在预定义模式下的协作，基于它们在消息/执行级别上相互交互的本地决策”[35]。OGC WPS可以设计为调用web服务序列[13]。

表1收集了地理空间Web语义影响前后上述指定部分中的所有相关术语。

表1. Web语义对地理空间技术的影响。

3. 软件原型设计与开发

3.1 功能架构

一个基于GWSs的应用程序的成功运行，前提是存在用于数据采集和数据处理目的的可用开放地理空间Web服务。最终用户界面应支持通过Web浏览器访问服务，而无需安装其他软件。图1以图形方式表示了这种

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