开源WebGIS探索

原创刘艳鹏搜狐技术产品

目前，国内外著名的地理空间信息生产商、图商大都拥有自己成熟的产品线，基本涵盖了从数据采集、数据编辑、数据管理、空间数据互操作、空间分析，再到网络地理信息服务注册、发布、聚合等所有地理信息工程相关的功能模块。但是，好的服务必定会有‘好的价格’，更何况某些特定场景下的‘定制化’。这时，按照研发惯性，开源方案或许值得一试，在这里，使用WebGIS会是一个不错的选择。

一、开源GIS简史

数字制图和地理空间信息系统（Geographic information System，GIS）的出现，彻底改变了人们对周围世界思考、互动的方式。上世纪60年代，Lan McHarg（景观设计师）首先提出了将位置信息分层重叠用于决策的概念。大约同一时间，Roger Tomlinson（被人们称之为“GIS之父”）完成了他的博士论文，主要研究使用计算方法处理分层的地理空间信息。随后，Roger致力于创建第一个计算机化的地理信息系统——加拿大地理信息系统（the Canada Geographic Infomation System），主要用于勘探测绘。

开源GIS的起源可追溯到1978年的美国内政部。从那时起，基于不同知识产权许可证的开源GIS，深入影响了许多行业的发展，包括政府和商业领域。开源GIS技术在过去的四十多年中持续发展，直到今天，演变出了许多具有开创性和影响力的应用。

1.1 GIS的起源：MOSS & GRASS

1978年，美国内政部创建了MOSS系统（the Map Overlay and Statistical System，地图叠加和统计系统）。MOSS系统主要用于跟踪和评估矿山开发对环境、野生植物、野生动物及其迁徙方式的影响。这是第一个广泛部署、基于矢量、可互动的地理信息系统。

随后不久，GRASS（“草”，Geographic Resource Analysis Support System，地理资源分析支持系统）诞生。GRASS系统拥有350多个模块用于处理栅格、拓扑向量、图形图像数据，该软件最初设计提供给美国军方使用，以协助土地管理和环境规划。现如今，GRASS系统广泛应用于科学研究和商业领域，包括地理空间数据管理和分析、图像处理、空间和时间建模，以及创建图形和地图。

1.2 GIS的发展：GeoTools、GDAL/OGR、PostGIS和GeoServer

1996年，利兹大学（the University of Leeds）开始创建一个基于Java的地理信息库的项目。其最终成果就是经典的GeoTools，一个可以操作空间数据的开源工具，如今被广泛应用于Web地理空间信息服务、网络地图服务和桌面应用程序，而且它还是现今最流行的地理服务系统GeoServer的核心组件。

四年后，一个跨平台的地理信息库GDAL（Geospatial Data Abstraction Library，地理空间数据抽象库）诞生了。GDAL使得GIS应用程序可以支持不同的数据格式，它还附带了各种有用的命令行工具，用于处理和转换各种数据格式。GDAL支持超过50个栅格格式和20个矢量格式的数据，它是全世界使用最为广泛的地理空间数据访问库，支持的应用程序包括谷歌地球、GRASS、QGIS、FME（the Feature Manipulation Engine）和ArcGIS。

2001年，Refractions Research（加拿大IT咨询机构）研发了开源项目PostGIS，使得空间数据可以存储在Postgres数据库。同年，前面提到的用于将空间数据发布为标准Web服务的GeoServer创建。PostGIS和GeoServer项目都取得了令人难以置信的成功，是迄今为止被广泛应用的开源GIS数据库和GIS服务器。

1.3 创新和教育：开源项目驱动

在开源GIS桌面系统中，QGIS被认为是其鼻祖。它于2002年发布，集成了GRASS系统的分析能力，以及GDAL对于各种数据格式的支持，还提供了一个用户友好的桌面应用程序进行数据编辑、地图制图与分析。QGIS可以和其他开源GIS进行互操作，例如，管理PostGIS数据库，将数据发布到GeoServer作为Web服务等。

在21世纪初，开源GIS继续获得发展动力，创建了开源孵化项目OSGeo和LocationTech。OSGeo于2006年推出，设计目标是支持开源GIS软件的协同开发，以及促成相关软件的广泛应用。LocationTech是Eclipse基金会设立的一个工作组，旨在促进GIS技术在学术研究、产业和社区之间的合作。

2011年，“Geo for All”创建。它是开源地理空间基金会（Open Source Geospatial Foundation）的教育推广项目，目的是使人人都能接触到地理空间技术的教育机会。其致力于在世界各地建立开源地理空间实验室和研究中心，以支持开源的地理空间技术开发、培训和研究。此外，可以算作该基金会的一项重要成果，其在互联网上免费提供了许多开源GIS的教育资源，其中包括FOSS4G Academy和GeoAcademy。

1.4 标注化：OGC和OpenGIS

技术的发展必定伴随标准的形成，标准的兼容对于GIS的发展，尤其是开源GIS的发展起到了重要的促进作用。

OGC（Open Geospatial Consortium，开放地理联合会）是一个非盈利的国际标准组织，致力于提供地理信息行业软件和数据及服务的标准化工作，它制定了数据和服务的一系列标准，GIS厂商按照这个标准进行开发可保证空间数据的互操作，其组成包括384家公司、政府机构、大学和个人。OpenGIS（Open Geodata Interoperation Specification，开放地理数据互操作规范）由OGC提出。其协议包括WMS（Web Map Service，网络地图服务）、WFS（Web Feature Service，网络要素服务）、WCS（Web Coverage Service，网络栅格服务）、WPS（Web Processing Service，网络处理服务）、WMTS（Web Map Tile Service，网络地图瓦片服务）。

二、WebGIS架构

2.1 WebGIS组成

通常，一套完整的WebGIS架构方案主要包括以下三个部分：

图1：WebGIS组成

1）地理信息数据库和业务数据库

地理信息数据库：用于存储地理信息数据（包含矢量、地名地址、专题及瓦片等数据）；
业务数据库：用于存储前端网站或者行业应用的关系型数据；

2） GIS服务器& Web应用服务器

GIS服务器用于提供WMS、WMTS、WFS和WCS等GIS服务；
Web应用服务器主要针对行业应用，用于调取GIS服务和后台的业务数据，以提供Web信息浏览服务；

3）客户端

面向用户，将所有信息在前端展示。

2.2 开源WebGIS解决方案

针对上述WebGIS组成，一套完整的开源WebGIS有着相应的解决方案：

图2：WebGIS架构

数据生产桌面软件：使用uDig、QGIS、Grass等开源桌面GIS软件采集、加工地理信息数据；
数据存储：关系型数据使用PostGIS或者MySQL Spatial数据库存储地理信息数据和关系型业务数据，非关系型数据使用mongodb数据库（瓦片、图像）；
GIS服务器：使用GeoServer、MapServer等生产地图瓦片，注册、发布地理信息服务；
Web服务器：使用Geomajas、Tomcat或apache搭建网站，在网页中嵌入地图容器加载地图，使用niginx作为反向代理或者负载均衡；这里，web应用服务器相对于GIS服务器而言是客户端，相对于浏览者而言是服务器；
前端渲染：个人客户端或者web应用服务器的前端展示。地理信息服务使用OpenScales、支持Javascript的Openlayers或Leaflet地图容器前端展示；前端其他数据展示使用Javascript、vue等流行网页API；

当然，除此之外，也需要一些支撑性的软件服务，比如云环境、操作系统等。

以上列举了开源WebGIS各个环节可使用的软件或工具框架。在实际项目中，则应该根据需要进行选择和使用，比如：uDig(QGIS) + PostgreSQL/PostGIS（Mongo）+ GeoServer + Tomcat + Openlayers组合。倘若，业务有高性能、高可用的需求，还应使用集群技术，搭建数据库集群、GIS服务器集群、Web应用服务器集群等，以增加服务的冗余，提高服务性能。毕竟地图服务不是简单的Web页面服务，相比较之下，其需要更大的资源消耗，即便是简单的空间查询语句，对数据库的性能消耗也是不可小觑的。

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