WebGIS原理及开发-基于开源框架的WebGIS技术 课件 04-WebGIS的Web服务

基于开源框架的WebGIS技术WebGIS原理及开发1.WebGIS概述2.WebGIS基础技术3.WebGIS技术原理4.WebGIS的Web服务8.OpenLayers进阶9.移动GIS10.三维WebGIS5.地图发布6.WebGIS客户端开发7.OpenLayers多源数据汇聚11.WebGIS应用案例12.未来展望与研究热点第4章WebGIS的Web服务互操作和地理Web服务标准4.4从Web站点到Web服务4.1地理Web服务的功能4.2Web服务的接口类型4.34.1从Web站点到Web服务互系统之间缺乏良好的互操作性每个WebGIS是仅能独立使用的网站，是孤立、封闭的系统不同的系统之间无法调用对方的功能和数据，不能进行互操作系统内部耦合度强，应用模式不够灵活每个WebGIS系统是“独立解决方案”系统中各个模块之间的接口是紧耦合的在系统更改和维护上代价高，不够灵活早期Web的局限性4.1从Web站点到Web服务产生原因很多Web应用需要调用、组合、嵌套其他Web应用的功能目标：开放、互相调用90年代后期，整个信息技术行业（不光是WebGIS行业）的需求当时很多机构等都在研究Web服务技术概念Web服务是一种运行于Web

server上的程序，它们具有可以被别的程序通过互联网协议（主要为HTTP）来调用的编程接口Web服务是分布式计算的重要进展利用远程（Remote）计算机上的功能来代替本地（Local）计算机上的功能Web服务4.1从Web站点到Web服务Web服务体系的三部分门户网站：包含web服务资源的网站提供者：将自己的Web服务信息注册到门户网站中使用者：查询门户网站，找到所需服务，使用服务Web服务体系服务注册中心服务提供者服务请求者注册发布查询发现动态绑定4.1从Web站点到Web服务优势开放性：和Web上的其它计算机进行功能和信息的交换和共享独立于编程语言和操作系统：以Web为平台，以Http协议远程调用跨编程语言（Java，C++，C#）跨操作系统（windows，Linux，Mac，Android，iOS）跨Web应用服务器（IIS，Apache/Tomcat）客户端也可以自由选择编程语言：.Net,Java,JS,Python,Flex,Silverlight等松散耦合的可集成性：对于客户端，只要web服务的接口相同，可以使用新的URL，而无需再做其它改动对于服务端，可以改变服务，只需保持接口不变，调用者不必改动。发布和更新的统一性：服务端更新后，调用的便是最新的Web服务Web服务4.1从Web站点到Web服务WebGIS产品分化和新市场形成的加速器以Web服务为中心，来实现地理资源的制作(Author),服务的发布(Publish),服务的发现(Discovery)和使用(Use)一整套流程。Web服务对地理空间的影响服务注册代理服务请求者服务提供者查找发布绑定服务描述服务描述服务服务提供者向服务代理发布所提供的服务服务的具体实现服务请求者向服务代理发出服务查询请求WSDL,

UDDI服务代理服务请求者服务提供者4.1从Web站点到Web服务WebGIS产品分化和新市场形成的加速器在服务器方面如果拥有大量数据，可以成为数据和地图服务的提供者如果有独特的分析模型，可以作为地理处理服务发布（免费或按次收费）在客户端方面：开发桌面客户端或者手机客户端在门户网站方面：收集一定区域、一定专题、符合一定标准的Web服务，把信息编目发布，供使用者查询Web服务对地理空间的影响4.1从Web站点到Web服务GIS融入主流信息系统的基本组件以往GIS是专业人员的工具，在“本地”实现：数据、软件，GIS功能的调用很复杂，也很有局限很多年来，GIS都局限于一个小圈子地理Web服务隐藏了上述复杂性其它的信息系统也可以方便调用和集成远程的地理web服务，来获得地图、数据和地理分析功能Web服务对地理空间的影响4.1从Web站点到Web服务实现互操作的一种新途径互操作是GIS应用的挑战之一以往，互操作在数据格式层面完成，定义交换格式（FME）Web服务将互操作提升到基于Web服务的层面，超越了数据转换和安装转换工具这个层面只要遵循OGC和ISO的Web服务标准，不同厂商之间的server和client就可以互操作Web服务对地理空间的影响4.1从Web站点到Web服务实现空间数据基础设施的一个重要架构空间数据基础设施（SpatialDataInfrastructure，SDI）是地理信息的采集、处理、存储、发布、利用和保护所必需的技术、政策、标准和人力资源的总称。建设SDI的关键是标准、共享、协作和协调。Web服务体系在服务提供者和信息使用者之间建立了一个动态交流和集成的方式，是构建SDI的关键。Web服务使用的协同方式为不同机构之间地理信息共享和协作提供了一个新的、灵活的技术框架。Web服务对地理空间的影响4.2地理Web服务的功能地图和要素服务：提供地图和数据服务地图服务地理要素服务分析服务：提供地理分析功能几何服务地理处理服务地理编码服务网络分析服务数据目录服务：提供服务查询功能地理web服务的分类4.2地理Web服务的功能地图服务：矢量地图服务、栅格影像服务、三维地图服务地图服务：允许客户端请求一定地理范围内的地图，它以JPG、PNG、GIF等图像格式将地图返回给客户的。地图可以是动态制作（onthefly），或是预先制作好的瓦片（Tile）。瓦片地图：提高系统效率，缩短响应时间，一般用于更新频率较低的基础底图动态地图：从地理数据库中实时读取数据制作地图，用于更新频率较高的地图网络影像地图服务已经成为人们获取影像地图数据的重要手段，如天地图、百度地图、高德地图等网络影像地图服务地图服务可以是二维或者三维的三维地图服务数据类型包括数字高程模型、建筑物白模、三维BIM模型、城市CIM模型、点云数据、倾斜摄影、三维实景影像、虚拟三维地图等地图和要素服务4.2地理Web服务的功能地理要素服务地理要素服务（FeaturingService）：允许客户端对服务器端的地理数据库中的矢量地理数据进行读写操作，对地理要素进行增、删、改。编辑地理要素的属性数据，上载PDF、照片、视频等允许设计者快速在数字地图上勾勒出设计草图，并分享方案，允许其它同事修改，支持协同式的地理设计（GeoDesign）。便于公众在Web地图上进行标注，分享所见所闻。地理要素搜索查询服务支持在客户端通过关键字等方式查询搜索用户所需的GIS资源，能够对GIS资源的内容进行索引，根据地理要素的单个或多个属性进行模糊匹配，通过地理要素的范围及空间关系进行查询地图和要素服务4.2地理Web服务的功能几何服务：几何服务用于辅助应用程序执行各种几何计算。如面积量算、距离量算、坐标投影变换、几何变换、缓冲区计算、质心计算、要素合并、要素分割、要素旋转、要素镜像、要素缩放等地理处理服务：地理处理服务可以把用户创建的多种功能和分析模型发布成Web服务，地理处理服务的功能很广泛。如缓冲区分析、叠加分析、裁剪分析、相交分析、融合分析、回归分析、影像分类、光照潜力计算、可视区计算、地形剖面计算网络分析服务：计算最佳路径查找最近设施：LBS中应用较多，查找最近的银行等查找服务范围：可达性（一定时间内可以到达的街区），选址服务。分析服务4.2地理Web服务的功能地理编码服务：正向地理编码服务(Geocoding)：将街道地址转换成地理坐标的过程反向地理编码(ReverseGeocoding)：将地理坐标转换成相应地址的过程。免费的地理编码服务：百度、ArcGISonline、Google等分析服务4.2地理Web服务的功能元数据：关于数据的数据，描述GIS数据和服务，记录了关于数据的组织、数据域及其关系的信息元数据目录服务：以地理空间信息元数据为基本的目录来描述地图、GIS数据集和遥感图像等各种地理空间信息的，并实现地理空间信息的发布、发现、获取、访问和管理等功能，揭示各类型地理信息的内容和其他特征，实现地理空间信息和服务的共享。数据目录服务4.3Web服务接口类型SOAP

(SimpleObjectAccessProtocol)简单对象访问协议：使用封装过的XML进行信息交换SOAP风格的Web服务采用HTTPPost和SOAP封装的XML在客户端与服务器之间发送请求和传输结果SOAP将XML信息体封装在另外一个XML信封中-“XML套XML”XML嵌套的格式不便于手工创建SOAP请求和解析SOAP结果调用SOAP服务困难SOAP风格的Web服务4.3Web服务接口类型REST（RepresentationalStateTransfer）是一组协作的架构约束和新颖的架构风格REST可以充分发挥HTTP优势，降低开发的复杂性，提高系统的扩展性REST风格的Web服务通过HTTP发送数据，将请求参数放在URL中，通过URL发送请求参数Web服务常以JSON和不经SOAP封装的XML向客户端返回结果用户可以采用很多种编程语言，来产生这个URL字符串并发送URL请求REST接口比SOAP接口更加简洁REST风格的Web服务4.3Web服务接口类型REST风格的Web服务在REST中，每个资源对应于一个URI（统一资源标识符）在不严格的情况下可以将URI理解为URLURL构成一个层次结构Arcgis服务的目录：/ArcGIS/rest/services4.3Web服务接口类型REST风格的Web服务World_Street_Map的地图服务：在上面的URL后面添加服务名和服务类别(MapServer)/arcgis/rest/services/World_Street_Map/MapServerWorld_Street_Map的地图服务的第一个数据层：在上面URL后面添加0(第一个图层从0开始计数)/arcgis/rest/services/World_Street_Map/MapServer/04.3Web服务接口类型SOAP与REST的比较比较项SOAPREST框架轻量级对象访问协议一组协作的架构消息格式支持XML格式的消息支持纯文本、HTML、XML、JSON等格式的消息协议方式可使用HTTP、HTTPS、SMTP、TCP、UDP等只使用HTTP调用方式使用RPC使用HTTP驱动模式功能驱动数据驱动或资源驱动成熟度较为成熟，开发语言之间通过SOAP来交互的WebService都能够较好地互通一种基于HTTP协议实现资源操作的思想，通用性要求不高缓存机制完全忽略Web缓存机制充分利用Web缓存机制无状态性具有用于状态实现的规范仅遵循无状态模型安全性通过使用XML-Security和XML-Signature两个规范组成WS-Security来实现安全控制HTTP协议层提供了安全性，如基本认证和通过TLS的通信加密规范性定义良好的机制来描述接口，如WSDL+XSD、WS-Policy正式描述标准尚未广泛使用复杂灵活性缺乏灵活性，需要更多的带宽和资源更加灵活，对资源和带宽的需求更少效率易用性学习较难高效、简洁易用4.4互操作和地理Web服务标准意义让不同厂家的软件和数据能一起工作A调用B的数据和功能，B也能调用A主要途径：指定标准Web服务标准本质上是规定请求和响应的具体格式如：请求中包含哪几个参数，参数类型，响应的返回信息中包含什么结果GIS互操作的历史最早：数据转换中期：插件接口，利用插件直接读取近期：Web服务标准，避免了格式转换和安装插件Web服务只要符合业界标准，就能通过Web服务互相调用实现互操作基于Web服务的互操作4.4互操作和地理Web服务标准OGC（开放地理空间信息联盟）/成立于1994年，专门从事地理空间信息技术标准化的国际组织主要工作之一：建立OWS（OGC网络服务）-建立让地理信息能够无缝应用于各种Web、无线、LBS和主流IT技术应用之中。Web服务的标准：WMS：网络地图服务（WebMapService，WMS）WMTS：网络地图切片服务（WebMapTileService，WMTS）WFS：网络要素服务（WebFeatureService，WFS）WCS：网络覆盖服务（WebCoverageService，WCS）WPS：网络处理服务（WebProcessingService，WPS）其他服务标准：CSW、OpenLS、KML、GeoRSSWeb服务的标准OpenGeospatialConsortium4.4互操作和地理Web服务标准/standards/wmsWMS标准通过HTTP协议从地理数据库中请求图像格式（JPG、PNG、GIF等）的地图注意：WMS1.3和ISO19128是同一个标准任何符合WMS标准的Web服务必须支持两个必要的请求GetCapabilitiesGetMapWMS接口描述GetCapabitities（必选）返回服务级元数据，服务级元数据是对服务信息内容和要求参数的一种描述GetMap（必选）返回一个地图影像，地图影像的地理空间参考和大小参数是明确定义的GetFeatureInfo（可选）返回可以显示在地图上的某些特殊要素的信息GetLegendGraphic（可选）返回地图的图例信息4.4互操作和地理Web服务标准GetCapabilities-获取元数据向Client返回该服务的描述信息，返回格式是XML，描述该服务的名称、简介、关键词、覆盖范围、包含的图层、每层的坐标系、具有的属性及是否能被查询。还包括server能产生的地图图片文件格式、支持的操作，每个操作的URL等。如：

http://localhost:8089/geoserver/giswlc/wms?service=WMS&version=1.1.0&request=GetCapabilitiesWMS参数名称参数含义是否是必需的参数备注version版本号否1.3.0service服务名称是wmsrequest请求类型是GetCapabilitiesformat返回格式否—4.4互操作和地理Web服务标准GetCapabilities-获取元数据利用ArcCatalog来获取WMS4.4互操作和地理Web服务标准GetCapabilities-获取元数据利用ArcMap中同样可以查看WMS4.4互操作和地理Web服务标准GetMap-获取地图根据Client的请求返回地图参数有包括哪些图层、地图的长、宽，空间参考等有些WMS还支持风格化图层定义(StyleLayerDescriptor,SLD)，用户可以动态指定各个图层的显示风格返回栅格格式的图片：PNG、JPG、GID等如：/demo/cubeserv/simple?SERVICE=WMS&VERSION=1.3.0&REQUEST=GetMap&LAYERS=Ffacp_1m,Foundation.coastl_1m&STYLES=&SRS=EPSG:4326&BBOX=-179,-89,179,89&WIDTH=1600&HEIGHT=1400&FORMAT=image/png&WMS4.4互操作和地理Web服务标准GetMap-获取地图将上述URL输入到浏览器中WMS4.4互操作和地理Web服务标准GetFeatureInfo（可选）-查询地图上某一位置的信息（坐标和属性信息）GetLegendGraphics（可选）-返回图例（图片格式）WMSNOAA（美国国家海洋和大气管理局）提供的WMS/gis/otherpage.htmlUSGS（美国地质调查局）提供的WMS/wms.html4.4互操作和地理Web服务标准WMS是用于在Web上显示GIS数据的最广泛使用和最简单的标准，它具有多种优势，包括能够提供GIS数据的地理空间视图。WMS通过互联网提供具有基本查询选项的可视化数据，提供基本的缩放、平移等操作，支持快速地将GIS数据渲染成图像进行展示。建议在以下情况下选择使用WMS：

快速渲染数据；

执行基本查询；

制作简单的地图；

发布时保持样式。WMS4.4互操作和地理Web服务标准/standards/wmts发布瓦块地图的web服务标准WMS与WMTS相互补充WMS生成动态地图：client连接到server时，服务器实时（onthefly）生成地图，适用于数据经常更新的地图服务WMTS：server预先制作好瓦块，提高web服务的性能和伸缩性，适用于数据相对静态，更新较少的数据WMTS接口描述GetCapabilities（必选）返回服务级元数据，服务级元数据是对服务信息内容和要求参数的一种描述GetTile（必选）返回切片信息GetFeatureInfo（可选）返回可以显示在地图上的某些特殊要素的信息4.4互操作和地理Web服务标准WMS是用于在Web上显示GIS数据的最广泛使用和最简单的标准，它具有多种优势，WMTS是OGC制定的一种发布切片地图的Web服务，WMTS的地图是服务器预先制作好的切片，这种方法可以提高Web服务的性能和伸缩性。建议在以下情况下选择使用WMTS：

为查看缓存的图像切片提供最佳速度；

在互联网上显示大量数据，但分析能力有限；

以最佳性能提供地图。WMTS4.4互操作和地理Web服务标准/standards/wfs对矢量地理要素及数据进行操作（检索、插入、更新、删除）的web服务标准还可用于地理数据的切割、投影转换和在线下载（如向公众提供全国各地气温、风、降水量等数据的下载）WFS接口描述GetCapabilities返回服务级元数据，服务级元数据是对服务信息内容和要求参数的一种描述DescribeFeatureType返回WFS支持的要素类型的描述GetFeature可根据查询要求返回一个符合GML规范的数据文档LockFeature用户通过Transaction请求时，为了保证要素信息的一致性，当一个事务访问某个数据项时，其他事务不能修改该数据项Transaction与要素实例的交互操作，支持要素读取、在线编辑和事务处理。Transaction操作是可选的，服务器根据数据性质选择是否支持该操作4.4互操作和地理Web服务标准基本型WFS(BasicWFS)只支持GetCapabilities、DescribeFeatureType、GetFeature，只能进行要素查询和读取-只读型WFS事务WFS(TransactionWFS，WFS-T)除了基本型支持的操作外，还支持事务操作（在线编辑和处理）-读写型WFS传输格式地理信息的主要传输是GML(GeographyMarkupLanguage)格式WFS为希望创建具有各种功能（包括搜索功能、过滤、排序选项等）的交互式地图的企业和个人提供了基本工具，建议在以下情况下选择使用WFS：

创建、操作和删除要素；

执行高级查询以检索要素信息；

查看和编辑属性表记录。WFS4.4互操作和地理Web服务标准发布栅格地理数据的web规范返回栅格原始数据(Rawdata)，如DEM、卫星影像等与WMS不同：WMS返回渲染过、已失去原始值的图片与WFS不同：一个是矢量数据，一个是栅格数据WCS接口描述GetCapabilities返回服务级元数据，服务级元数据是对服务信息内容和要求参数的一种描述GetCoverage可根据查询要求返回一个包含或者引用被请求的覆盖数据的响应文档DescribeCoverage支持用户从特定WCS服务器获取一个或多个覆盖数据的详细描述文档4.4互操作和地理Web服务标准WCS类似于WFS，WCS处理的是任何类型的基于光栅的图像，适用于卫星图像、航空摄影、海拔山体阴影或温度网格。建议在以下情况下可选择使用WCS：

表示多维格式，如HDF或GRIB；

包含多年数据，如温度数据；

分析栅格数据。WCS4.4互操作和地理Web服务标准通过互联网进行地理空间分析的web服务标准规定了地理空间分析服务的输入和输出（请求和响应）格式，以及client如何请求地理分析的执行地理空间数据可以通过web传输到server，也可利用server上已有的数据WPS接口描述GetCapabilities返回服务级元数据，服务级元数据是对服务信息内容和要求参数的一种描述DescribeProcess此操作允许客户端请求并接收可在服务实例上运行的流程的详细信息，包括所需的输入、允许的格式和可生成的输出Execute此操作允许客户端运行由WPS实现的指定进程，使用提供的输入参数值并返回可生成的输出4.4互操作和地理Web服务标准当想要为跨网络访问提供和执行地理处理工具时，WPS定义了所有输入和输出格式，以执行GIS操作。例如，WPS可以包括任何与地理空间数据相关的标准化WPSXML模式的覆盖、邻近度和路由工具。建议在以下情况下选择使用WPS：

在没有适当软件的情况下执行地理空间分析；

接收一组标准的输入和输出；

将空间操作简化为Web地图中的小部件。WPS4.4互操作和地理Web服务标准Web目录服务（CSW-CatalogServiceforWeb）目录服务用于共享空间信息让提供者发布、更新元数据，让使用者查询元数据类型1：只读型CSW，支持GetCapabilities、DescribeRecord、GetRecordById、GetDomain等操作，仅支持元数据查询类型2：事务型CSW，支持元数据的读写，允许用户通过transaction、harvest操作来发布、编辑、删除元数据ArcGISGeoportalServer产品提供了CSW服务开放位置接口（OpenLS-OpenLocationService）为LBS提供的web服务标准包含黄页搜索、追踪手机用户的位置和导航服务其他Web服务标准4.4互操作和地理Web服务标准传感器网络整合框架（SWE-SensorWebEnablement）包含一系列web服务标准：传感器观测服务（SOS）、传感器规划服务（SPS），传感器报警服务（SAS）等可以发现和获取传感器网络的传感器数据KML（KeyholeMarkupLanguage-钥匙孔标记语言谷歌公司和OGC的基于XML的描述地理要素及其可视化的文件格式Keyhole公司于2004年被谷歌收购，其产品EarthViewer3D被改名为GoogleEarthKML就是GoogleEarth支持的格式，2008年成为OGC官方标准KML可以描述地理要素，如点、线、多边形、图像、3D模型等，并可以定义它们的显示符号、相机位置(即观察者所在的地点、高度、视线方向、俯仰角)KMZ是要压缩过的KML文件，查看KMZ，先将其后缀改为Zip，再解压其他Web服务标准4.4互操作和地理Web服务标准从RSS到GeoRSSRSS是建议资讯聚合（ReallySimpleSyndication）的简称，或称为丰富站点摘要（RichSiteSummary）是web上发布具有时效性的信息（如新闻、火灾简讯等）的主要格式包含RSS(1999)和ATOM(2003)格式，都是简单的XML格式，用标签描述每条信息的名称、摘要、全文链接和发布时间等订阅者可以将自己感兴趣的多个RSS“聚合”到RSS阅读器中，提供“一站式”服务（GoogleReader）GeoRSS，给RSS增加“where”，事件是在哪里发生的GeoRSS是在RSS和其它XML中添加位置信息的标准三种格式：W3CGeo、OGCGeoRSS-Simple和GeoRSS-XML其他Web服务标准4.4互操作和地理Web服务标准W3CGeo只能描述点状要素、采用WGS84经纬度坐标，过时，不推荐使用OGCGeoRSS-Simple描述基本几何形状及其属性，设计简洁明了，采用WGS84空间参考GeoRSS-XML支持更多的地理要素，坐标缺省为WGS84，但也支持其它的坐标系GeoRSS实例Twitter提供“谁在哪里，说了什么”的信息，可在地图上显示推文Flickr在线相册以GeoRSS格式返回一个给定区域的照片信息全球灾难警报和协调系统提供准实时的全球自然灾害信息，包括地震、飓风、洪水GlobalIncidentM网站提供威胁信息，包括儿童绑架警报、危险品状况、恐怖主义等其他Web服务标准4.4互操作和地理Web服务标准标准化机构面临的挑战复杂性OGC需要考虑多种情况，标准具有包容性，但也导致其太复杂需要把握简单、易用与完整、全面之间的平衡滞后性标准有一个工作流程，发布出来会有滞后4.4互操作和地理Web服务标准Web服务的优化Web服务的质量性能(Performance):描述系统的反应效率，以响应时间衡量伸缩性(Scalability):在用户数量增加的情况下，能否保持较高的性能，常以同时支持的用户数量来衡量可用性(Avalability):系统的可访问和可操作程度，以系统允许时间的百分比来衡量，若一个系统的可用性是99.99%，则该系统每天最多只能有9秒的宕机时间安全性(Security):系统的保密能力和防御能力Web服务优化方法预处理算法和系统的优化降低对互联网宽带的压力Web服务的安全保护4.4互操作和地理Web服务标准Web服务的优化预处理系统预先生成地图或执行其它任务，把结果存储起来以备后用（WMTS），而非