WebGIS技术架构与应用.doc

WebGIS技術、系統架構與應用前言在GIS領域中，目前正有一新興的架構模式產生，此架構改變了GIS處理圖資的方式，此架構模式稱為DGIS(Distributed GIS-分散式地理資訊系統)。DGIS將傳統桌上型單機作業之GIS概念延伸至網際網路(WEB)之解決方案上，以能符合現行系統圖資處理之需求。而此種以分散式概念延伸至網際網路的架構稱之為網際網路地理資訊系統（WebGIS或Internet GIS）。近年來由於網際網路的蓬勃發展，隨著Internet的商業化趨勢，以及WWW的風行，各GIS廠商也致力於開發Web Base的相關產品，電子地圖才能走向大眾化，目前已有許多GIS廠商推出Internet上GIS的解決方案，如ESRI公司的 ArcView IMS、MapObjects IMS及ArcIMS、AutoDesk公司的MapGuide、MapInfo公司的Mapxsite、Mapxtreme、Intergraph公司的GeoMedia Web Map等。如今，使用者只需要透過網際網路瀏覽軟體，就能獲得許多豐富的地圖資訊，而我國許多縣市政府、學校及公司行號均已有提供許多這一方面的服務。這也是Web GIS與其他需要各種高級配備才能使用的單機式GIS最大的不同。從個人桌上型電腦透過瀏覽器，使用者可經由圖形伺服器，利用網際網路以達到圖資之傳播與交流。且由於網路有效率的傳送內容、地圖、圖形和其他相關訊息而形成互動。儘管桌上型地理資訊系統與工作站之地理資訊系統在其受到矚目之前，使用者仍是不斷地尋找低成本與改善存取地理資料之方法。WebGIS將GIS從獨立的單機作業領域帶到了網際網路之共同合作的領域。如此一來，以前所無法流通之訊息資源將可被廣泛的使用，且可減少在作業完成、技術持續支援與維護上之成本支出。於剛開始時，WebGIS之應用把焦點放在圖形展示與查詢上，使事情簡單化並具有成本效益(划算的)，而待使用者有所體認與技術發展後，隨之而來的便是更多的進階應用。圖1：WebGIS架構示意圖Web GIS的特點-Web GIS可以簡單定義為在Web上的GIS。當前Internet正在以驚人的速度迅速蓬勃發展，在這樣的情勢下，如何將GIS引入Internet世界，使GIS充分利用和發揮網際網路的優勢，就成為GIS發展研究的一個重要課題。與傳統的單機作業上的GIS相比，Web GIS具有以下的優點： 一、更廣泛的使用層面使用者可以同時造訪多個位於不同地方的伺服器上的最新地圖資訊，而Internet所特有的優勢大大方便了GIS的資料管理，使分散式的多資料模式的資料管理和合成更易於實現。 二、平台獨立性無論伺服器或客戶端是何種機器，無論Web GIS Server端使用何種GIS軟體，由於使用了通用的Web瀏覽器，使用者就可以很方便的使用GIS資料，在本機或某個Server上進行分散式元件的動態組合和空間資料的處理與分析，實現遠端資料共享的目標。 三、可以大規模降低系統成本一般專業的GIS軟體均非常昂貴，而使用者使用的經常只是一些最基本的功能，這實際上造成了極大的浪費。Web GIS在客戶端通常只需使用Web瀏覽器（有時還需要外掛模組Plug-Ins），其軟體成本與全套專業GIS軟體相比明顯要節省得多。另外，由於客戶端的簡單性而節省的維護費用也不容忽視。 四、更簡單的操作要廣泛推廣GIS，使GIS系統能為廣大的民眾所接受，而不僅僅侷限於少數受過專業訓練的專業用戶，就要降低對系統操作的要求。通用的Web瀏覽器無疑是降低操作複雜度的最好選擇。 五、有效的平衡圖資計算負載傳統的GIS其處理能力完全依賴客戶端機器，因而效率較低。而Web GIS能充分利用網際網路資源，將較基礎性、全面性的處理交由Server執行，而對資料量較小的簡單操作則由客戶端直接完成。這種計算模式能在Server端和客戶端靈活有效的使圖資計算負荷和網路流量負載做合理的分配，是一種較理想的最佳化模式。 Web GIS技術回顧一般來說WebGIS由兩個架構所組成，分別為Client-side與Server-side。Client-side之提供是利用Browser透過HTML或Java所產生；Server-side則是集中圖形伺服器管理員(Map Server Administrator)、圖形應用程式（Map AP）之設計、執行之配置。過去Web GIS的技術一般來說大致有CGI、Plug- In及Java Applet三種： 一、共通閘道介面（Common Gateway Interface；CGI）Web GIS最先使用的方法是CGI技術。GIS廠商在其成熟產品的基礎上發展Intranet解決方案，通常採用CGI方案，即提供專用空間資料的Web管道。CGI是一種連接應用軟體和Web Server的標準技術，是HTML的功能延伸。HTML超文字語言是一種不可在瀏覽器中編輯的靜態式文件，它的設計原則是顯示資料和文件，而不是處理資料，因而不能用來產生動態的資訊，缺乏互動性。但是，靈活易用的CGI介面與HTML的結合實現了互動式的動態連結。例如，為了讓User存取資料庫中的資訊，CGI可以被用來連接Server中的資料庫，在系統中扮演橋梁的角色。1997年ESRI推出了MapObjects Internet Map Server，使用HTML將客戶端的請求傳給Web Server，而Web Server則通過專用的CGI介面與GIS Server連結，GIS Server承擔了所有的查詢、計算工作，將結果構建成一個HTML文件傳回給Web Server，再將HTML文件傳給客戶端瀏覽器。圖：美國ESRI公司MapObjects IMS系統架構由於CGI是Web Server上可執行的程式，任何人要與Web Server進行溝通，都可以透過CGI介面。基本上所有的計算機語言都可以用來開發CGI介面，最常用的幾種包括C、C、Perl和VB。Web一出現，CGI技術很快就被用於建構能產生動態地圖的Web網站。根據CGI介面的特點，GIS CGI技術可分為以下兩類： (1)CGI啟動圖形產生器之方式運作 一個典型的例子是美國ESRI公司的MapObjects Internet Map Server。它是由開發者製作一個簡單的圖形產生器應用程式(Application program；AP)經由CGI程式，可以根據命令行參數產生各種不同的地圖。其結果通常以GIF或JPEG格式傳回給使用者。這種系統的好處是程式撰寫簡單、運作速度比較快。但由於它的簡單，比起單機上的GIS軟體則顯得能力不足，很難處理較複雜的圖資。 圖：CGI式的Web GIS以玉山國家公園電子文化與自然資源地圖為例(2)CGI啟動後端GIS軟體 很多GIS軟體是運用圖形使用者界面（GUI），用“事件”（Event）的方式驅動的，一旦啟動，就可以一直運作等待觸發事件。這種系統有許多優點，而且瀏覽器也是利用GUI界面由事件驅動的。一個瀏覽器上的事件，透過CGI介面很容易傳到後端GIS軟體上，CGI介面和後端GIS軟體的資訊交換是透過IP控制協定（IPC）來完成。常見的IPC協定技術有傳統Unix上的遠端程序呼叫（RPC）、Windows的動態資料交換技術（DDE）及OLEMAC上的Apple Event。利用這種CGI方法，只要使用者在瀏覽器上按一下，資訊就通過網際網路傳回到Web Server上，然後由CGI介面將此資訊透過IPC傳至後端的GIS軟體。例如，可以要求GIS軟體將地圖中的某個地區放大，然後將放大後的地圖傳給使用者端。 這種方法的優點在於，可以利用商業化GIS軟體產生出高品質的地圖。事實上，GIS軟體的很多功能都可以被利用。 但這種方法仍有許多不足之處。首先，很難同時執行多個CGI程式；其次，這種方法需要GIS軟體一直處於運作狀態，這不僅要求GIS軟體所在的Server一直在啟動狀態，而且也消耗不少電腦資源。ESRI的ArcView Internet Map Server就是這種系統運作方式。 圖：ArcView Internet Map Server二、嵌入式介面(Plug-Ins)因為CGI的系統僅提供給用戶端有限的GIS功能，傳給用戶的資訊都是靜態的，而且Client side的GIS操作都需要由Server來處理。解決這個問題的方法是把一部分Server上的功能移到Client side上，這樣不僅加快了使用者操作的反應速度，而且也減少了網上的流量。但標準WWW瀏覽器只提供了一些最基本的瀏覽和導航功能，而缺乏處理地理空間數據的能力。解決方法之一是安裝能與瀏覽器交換資訊的專門GIS軟體。這種增加瀏覽器功能的方法就叫嵌入式介面（Plug-Ins）。目前這種嵌入式軟體已被普遍採用，在多媒體領域尤為明顯。這種嵌入式軟體不但可以增加瀏覽器處理地理空間資料的能力，使人們更容易獲取地理資料，而且可以減少Web Server的流量，從而使Web Server更有效的為更多的使用者服務，因為大多數使用者的資料處理能力都可以由瀏覽器嵌入式軟體來完成。美國ARGUS公司的地圖顯示軟體MapViewer（）就屬於這類嵌入式軟體。與傳統的應用軟體類似，嵌入式軟體也需要先安裝再使用，因而傳統軟體中不同版本之間的不相容性及版本管理問題仍然存在。 此外，對嵌入的URL的支援可允許使用者在Internet中與其它網站建立直接的聯繫，從而使世界各地的設計人員能夠透過Internet在設計項目上進行合作。 圖：嵌入介面的Web GISMapViewer(本圖取材自任逍遙網站)三、Java Applet盡管嵌入式軟體可以和瀏覽器一起有效地處理空間資料，但這種方法仍有不少缺陷。首先，它將導致用戶端負擔過重，因為幾乎每個軟體廠商都希望它的軟體能與網際網路兼容。顯然這不符合標準瀏覽器的設計概念。其次，眾多嵌入式軟體的管理會成為資訊技術部門的一個大問題，因為無論任何人，只要可以連入網際網路就都可以下載安裝最新的嵌入式軟體。為解決上述問題，網際網路程式語言應運而生。目前最普及的網際網路程式語言是Java，另一種語言是由微軟公司提出的Active X。而與Java相比，Active X尚有網路安全問題。 網際網路程式語言與前面所述的幾種方法的不同之處主要在於，允許可執行的Applet從Web Server上傳到用戶端機器上，並直接在用戶端機器上執行，從而省略了一整套傳統軟體的安裝過程。由於程式是在用戶端執行的，因而避免了用戶和Server之間不必要的資訊流量，提高了整個網路的執行效率。另外，這種方法讓用戶可以自由地處理每個地理實體，而不只是獲取一幅由Server處理好的靜態地圖。 圖：Java Applet Web GISWebGIS技術的新趨勢以上所述為傳統開發WebGIS服務一般所常用的技術，而隨著網際網路的蓬勃發展，有兩種網際網路上的新技術是在開發WebGIS時值得注意的，一是JavaServlet技術，另一個則是XML的技術。一、 Java Servlet Java Applet 是在瀏覽器執行的 Java 應用程式，它可以延伸瀏覽器的功能。而Java Servlet是在 Java 型的 Web 伺服器中執行，並且可以延伸伺服器的功能。Servlet 可以建立一個組織架構，透過 Web 提供要求和回應服務，而藉此延伸 Web 伺服器的功能。當Client端傳送要求給伺服器時，伺服器可以將要求資訊傳給 Servlet，並且令 Servlet 建構回應，再讓伺服器傳回Client端。 Java Applet與常用的通用閘道介面 (CGI)程式不同，通用閘道介面 (CGI)程式必須執行整個程序才能處理使用者要求，但是 Servlet 只要使用執行緒就可以處理使用者要求了。 Servlet 的效率遠超過 CGI 程式，全要歸功於這項功能。Servlet 可以在 Web 伺服器啟動時自動載入，也可以在Client端第一次要求其服務程式時載入。載入之後，Servlet 會繼續執行，等待其它的Client端要求。 Servlet 可以執行許多功能；比方說，它可以： 根據Client端要求的性質，而建立並傳回含有動態內容的整個 HTML 網頁。 建立可內含於現有 HTML 網頁的部份 HTML 網頁（HTML 片段）。 與其它伺服器資源通信，包括資料庫和 Java Applet在內。 處理與多個Client端之間的連線，接受來自多個Client端的輸入，並且將結果廣播給多個Client端。比方說，Servlet 可以是多位使用者的圖形伺服器。 Web ServerJava Servlet Enginemap-Servlet ConnectorApplication Server(NT Service/Java Application)HTTPHTTPHTTPTCP/IPMap ServerTCP/IPDataClient 2Client 3Client 1 Java Servlet有著比CGI效能高、啟動時間快、Servlet間內部通訊容易、安全性高等優點。透過Applet與Servlet成對的使用，可提供資料流的壓縮及加密，新一代的WebGIS資料在網路封包加密採SSL傳輸機制，並依認證簽署解放資料，Java的金鑰保密政策採DSA簽署，若無對應的KEY，是無法拆解資料流的，這技術廣泛地用在全球電子商務的信用卡交易方面。目前Web GIS主要仍著重在圖形展示與查詢功能上，大多數的WebGIS目前主要功能仍在應用程式端的開發(Applet)，提供使用者查詢及圖形分類展示等，尚未能提供空間、路網、套疊分析等之功能、未來將繼續朝著伺服器應用(JavaServlet)分析功能，以提供更多的進階應用。二、 可延伸標記語言 (XML)XML (eXtensible Markup Language) 是定義文件標記語言所用的組織架構。簡而言之，文件標記語言是一組具備下列一或多項功能的元素（通常稱為標籤）： n 說明文件的結構。 n 說明文件的內容。 n 控制將文件呈現給使用者的方法。 HTML 是 Web 型文件最常用的文件標記語言，HTML 愈受歡迎，語言的限制就愈形明顯。這些限制還包括限制使用者使用相對小的標籤集在內。由於商用的 Web 瀏覽器並不了解不屬於瀏覽器支援的 HTML 標準，因此 HTML 作者無法建立他們自己的 HTML 標籤。 同時，由於控制呈現方式的標籤，是與說明文件內容的標籤位於同一個檔案，因此 HTML 更加受限。雖然 HTML 4 和階式樣式表可以讓 HTML 作者區隔內容和呈現方式，但 HTML 4 仍然無法充份說明文件的內容。XML是一套原則，能讓各行各業自行定義如 HTML 般的標注語，方便資料存取、處理、交換，轉換等。 OpenGIS聯盟（Open GIS Consortium, Inc.）於2000年五月發表一種名為地理標籤語言Geography Markup Language (GML)的文件標記語言，其目的在敘述、說明地理資訊，可以很容易的呈現空間資訊的結構及內容，並能做開放式空間資訊的交換及管理。其可達到的目的如下：n 分散式圖資的交換、管理及呈現n 敘述空間資訊的描繪及分析n WebGIS的加值應用n 執行高效率的空間資訊處理n 使地理空間關係更明瞭易懂n 可輕易的分別敘述空間及非空間資訊並能相互整合n 提供標準，可跨平台的使用並呈現空間資訊GML為空間資訊的敘述、管理、呈現提供一個標準的解決方案，並能使跨平台的空間資料做一有效率的交換及整合。美國ESRI公司於新一代的網際網路地圖伺服器（Internet Map Server）亦運用了名為ArcXML（AXL）標籤語言，其主要用途亦在處理空間資訊的敘述、呈現、交換及管理，並將空間資訊在不同的機器上進行通訊，ArcXML的標記及屬性用於描述下列結構：n 地圖服務的描述及配置，包刮圖層清單及圖層顯示、符號等內容。n 請求可以在一個已經存在的地圖服務配置文件上設置一個過濾器，指定地圖上的哪一部分及相關的資料將會被處理。n ArcXML設置地圖服務內容，並且在Client端、Web Server和MapServer處理請求及回應。新一代WebGIS運作模式 拜網際網路及通訊的蓬勃發展之賜，網路科技已由桌上型程式至Client/Server系統，進化到多層次應用程式的架構，借助管理資訊系統MIS先進的資料管理能力及網路強大的存取資料方式，GIS已走向網頁瀏覽器的介面處理能力、分散式資料儲存體、ASP(Application Service Provider)的三層式應用程式架構。換句話說，透過網路，使用者可整合本機、遠端伺服器、他端伺服器的空間資料在本機的瀏覽器上做一呈現，並透過XML的技術，大大的減少尋找圖資，處理圖資的時間，如下圖說明WebGIS的運作模式：用戶端介面是廣泛被接受的瀏覽器(IE或Netscape)軟體。而GIS的操作介面可以是Java的介面，也可以是HTML的介面，由架站的伺服端管理員開放的服務型態而定。客戶端執行Java Applet的介面對應著伺服端向量式資料傳遞的服務，若執行HTML的介面,對應的是伺服端影像式的資料傳遞。瀏覽器若使用向量式傳輸及java介面,則須安裝JRE(Java Runtime Environment)的程式在用戶端，肇因於Java的介面是用Sun Java SDK開發的，目前仍未有瀏覽器內含Java2的API機制。另一種選擇在瀏覽器用戶若延用影像式伺服器則傳回JPEG的圖像,無須安裝額外程式。Web Server須具備Java Servlet Engine，Java Servlet比CGI效能高、啟動時間快、Servlet間內部通訊易、安全性高。透過Applet與Servlet成對的使用，可提供資料流的壓縮及加密。Application Server負責將GIS的工具列運作在瀏覽器上，工具列是以Java Applet和Servlet製作的，以延伸瀏覽器及伺服器的功能。計算中心GIS小組WebGIS架構現行計算中心GIS小組已提供的WebGIS服務，係以美國Esri公司的MapObject Internet Map Server（MOIMS）及Arc Internet Map Server （ArcIMS）為主要提供地圖服務的核心，繼以自行開發Client端的使用者介面（UI）及Server端系統整合或資料庫整合，藉以提供完整的地圖及系統整合服務。現行計算中心GIS小組WebGIS架構如下：MapObject IMSMOIMS系統架構：n IMS Admin IMS的管理程式，用來增加 / 刪除 / 啟動 / 停止地圖服務及map server n IMS Catalog負責 web server 與各地圖程式之間的溝通，將指令由 web server 傳送到地圖程式，完成後再將結果傳回 web server n IMS Launch負責 IMS catalog 與地圖程式之間的溝通，將指令由 catalog 傳送到地圖程式, 完成後再將結果傳回給 catalog. Map Application 用 VB 及 MO 寫的地圖程式，是實際上執行查詢及產生地圖指令的部份MOIMS一般採用HTML為使用介面, 使用者不需再下載及安裝 plug-in， 除了一般的放大/縮小/移動/identify之外, 還可以依據需求設計特別的查詢功能及表現方式，但如果純粹為HTML的使用者介面，整體操作方式顯的不夠親和，如放大縮小不能以拉框的方式進行，若能加上JavaScript或完全以Java Applet設計整體介面，不僅操作使用上更為親和便利，也較能符合一般GIS的操作模式。同時亦可將 Map Server 與 Web Server 安裝在不同的機器上以分散系統的負載（Loading），並可視未來需求增加 map sever 的數目。ArcIMS為了增進整體系統的效能，客戶端、Web Server、Application Server、ArcIMS Server及DataBase等皆可選擇性地分置於不同的機器上及不同的機房，多層次架構的優勢在於下列幾點:1. 應用程式易管理:應用程式集中在Application Server的機器上,客戶端不須安裝應用程式,系統管理者不用到處至遠端客戶端安裝應用程式。2. 分攤系統負載:資料與伺服端應用系統不須共置於單機上，不同的系統如資料庫、GIS介面工具程式、GIS地圖服務程式、GIS資源管理程式皆可獨佔單一電腦，由CPU全力支援特定工作。甚至透過Java Broker(代理機器)的機制，可以分攤連上本站的上網人數量,良好的工作分派是未來網路世界趨勢。3. 資料分工收集:資料處理不用集中在同一機房及單機器上。ArcIMS系統架構其中Application Server負責將工具列運作在瀏覽器上，工具列是以Java Applet和Servlet製作的。Tasker專責於清除Image Server所輸出Image過期檔案。ArcIMS Server服務項目如下：n Feature Server-利用使用者自訂之地圖XML配置檔(*.axl)，它提供了Java使用端應用程式之向量式資料圖徵分類服務。任何ShapeFile或SDE資料庫之向量式資料均可輕易透過網路傳遞而呈現於Java Applet使用端之應用程式。Feature Server亦支援許多進階之功能，諸如線上編修圖資、動態註記、空間選擇等。在向量式資料下可套疊raster image。n Image Server由Server製作完整之地圖並將其以影像檔格式傳送至使用者端。利用使用者自訂之地圖配置檔，它提供了可將ShapeFiles、SDE與影像資料轉成製圖影像的服務，並可輸出成PNG、JPEG與GIF之格式。針對製圖之應用程式、簡易超文字標記語言(Simple HTML)與整合不同型態之資料而言，將大大減少Client端的機器負載。ArcIMS 與 MapObject IMS之比較ArcIMS 3.0MapObject IMS 2.0OSUNIX、NTNTWeb ServerNetscape、Microsoft IIS、JavaServer、Apache、OReilly與Oracle WebserverMicrosoft IISBrowserIE 4.0+、Netscape 4.0+視Client-Side介面開發而定IE 3.0+、Netscape 3.0+即可傳遞至Client-Side圖資型態可傳遞Vectors資料或由Server-Side執行後傳遞一張Image(*.jpeg、*.gif)至client-Side由Server-Side執行後傳遞一張Image(*.jpeg、*.gif)至client-Side分散式圖資管理有（亦可取得MapObject IMS及ArcView IMS圖資）無Client-Side介面開發可（可自動完成）可（需自行開發）Client-Side使用者介面HTML & Java ClientsMarkup & Redlining Java AppletVBScript、JavaScriptXML、ASP、JSP、etcHtmlJava AppletVBScript、JavaScriptClient-Side圖資編修可(Java Client)無Client-Side需下載Plug-In是（Java Client）Html Client不用否遠端管理可透過Browser進行Administrator遠端管理無Server-Side程式開發不需需自行撰寫VB應用程式Default圖資編修可在ArcExplorer Java或ArcIMS Author編修（ArcView亦可編修，需下載avx檔轉成AXL File）無（但網路上有人撰寫編修程式可供下載）WebGIS應用目前Web GIS應用大多包含了下列項目： 地圖展示 地圖平移與放大、縮小 地圖的查詢 列印 分類與符號標記 地圖量測 地址對位 除此之外新一代的WebGIS亦可提供線上編修圖資的機制，用戶端在權限認可後，透過瀏覽器上WebGIS工具列，編輯圖層上的圖徵(點、線、多邊形)及屬性資料，回存至Server上的檔案夾，此舉不會破壞到原始圖層的正確資料，經由管理者確認檔案夾內的異動圖徵後，將其轉成Shapfile，與原圖合併，完成異動更新，構成了網路線上分工最基本的動作。而WebGIS標準應用工具應包括下列項目：一、地圖查看、檢視u 圖層套疊u 框選所要放大之區域u 點選所要放大之區域u 框選所要縮小之區域u 點選所要縮小之區域u 展現全部之區域u 放大所選之圖層u 平移移u 回到上/下一頁之區域二、圖徵選擇、檢索、查詢u 尋找工具u 點、拉線、拉框、拉圓、不規則選取圖徵u 以屬性查詢方式選取u 表列所選之圖徵屬性u 圖徵之環域分析三、 其他u 圖例u 最大/最小比例尺之顯示u 索引地圖u 產生比例尺u 主題圖層之展現與分類（樹狀結構）u 列印、影像圖檔的產生而進階的應用工具應可包括：u 圖層之開啟/關閉u 修改圖層的顯示狀態u 地圖標籤u 圖資編修u 註記標籤u 開啟、儲存專案而依據專案主題的性質不同，設計不同的使用者介面：簡易之HTML介面與功能較強大的Java Applet介面。HTML語法之網頁以點陣格式之影像檔展現地理資訊，儘管在資料上之互動與功能受到限制，但其提供了最佳之性能與靈活性，因為它們支援所有大眾化的瀏覽器與電腦平台。它們適合簡易之應用專案。而若需較強大的GIS功能則需開發Java Applet之技術，當使用者連接網站後，此應用程式會自動下載到瀏覽器上供使用者使用，其在瀏覽器上增加了新的製、繪圖與GIS工具(如地圖之位移、放大與縮小、空間查詢、改變地圖之外觀、線上編修圖資與更新資料等)，且適用於所有大眾化之電腦平台與瀏覽器。Java Applet可安裝於使用者端，如此可避免每次因使用者連接網站時就必須再次下載的麻煩。若使用者欲得到較佳之製、繪圖與GIS功能的話，建議安裝Java Applet，有較好頻