第3章-地理Web服务

WebGIS原理与应用朱进苏州科技大学环境学院2024年5月30日第3章地理Web服务2024/5/30slide2地理Web服务3.1从Web站点到Web服务3.2地理Web服务的功能3.3Web服务的接口类型3.4互操作和地理空间Web服务标准3.5Web服务的优化2024/5/30slide33.1从Web站点到Web服务2024/5/30slide4早期Web的局限性局限1：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共享信息，不能进行互操作(Interoperability)2024/5/30slide5早期Web的局限性局限2：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高度耦合的在系统更改和维护上代价高，不够灵活好的系统：松散耦合2024/5/30slide6Web服务的产生产生原因很多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如Sun、MS、Oracle、IBM、W3C等都在研究Web服务技术2024/5/30slide7Web服务概念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2024/5/30slide8Web服务Web网页与Web服务的比较网页是供人阅读的，如HTML，包含内容和样式Web服务是一种基于Web的编程组件供计客户计算机来调用的，结果主要为XML和JSON等程序能解析的格式，而不是供人直接阅读的（尽管可以阅读，体验不佳）slide9Web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slide10Web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slide11Web服务优势松散耦合的可集成性：对于客户端，当web服务不可用时，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slide12地理空间Web服务的影响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。slide13地理空间Web服务的影响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slide14地理空间Web服务的影响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slide15地理空间Web服务的影响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slide16地理空间Web服务的影响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。slide173.2地理Web服务的功能2024/5/30slide18地理空间Web服务的功能三类地图和要素服务：提供地图和数据服务分析服务：提供地理分析功能元数据目录服务：提供服务查询功能slide19地理空间Web服务地图和要素服务地图服务：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slide20地理空间Web服务地图和要素服务地图服务可以是二维或者三维的三维地图服务（Globe服务）可将地面高程作为第三维，展现地形slide21地理空间Web服务地图和要素服务三维地图服务（Globe服务）将建筑物高度作为第三维，加上表面纹理模型，展现城市轮廓slide22地理空间Web服务地图和要素服务三维地图服务（Globe服务）用某一属性字段值作为第三维，突出该主题（例如人口统计信息等）slide23地理空间Web服务地图和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。Ex：编辑地理要素的属性数据，上载PDF、照片、视频等slide24地理空间Web服务地图和要素服务Ex：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）。Ex：便于公众在Web地图上进行标注，分享所见所闻。slide25地理空间Web服务地图和要素服务全景(panorama)服务：提供全景照片服务slide26地理空间Web服务搜索服务对GIS资源的内容进行索引，让Web用户根据关键字查询自己所需的GIS资源。与下面要介绍的元数据目录不同搜索主要针对地理数据本身，尤其是属性表slide27地理空间Web服务影像服务通过Web服务来提供栅格数据（遥感影像、数字高程模型）ArcGISforServerImageExtension允许发布影像服务，并可以进行快速实时处理、例如拼接、增强和衍生出多种影像产品slide28地理空间Web服务分析服务地理编码服务(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slide29地理空间Web服务分析服务网络分析服务：计算最佳路径计算服务区：可达性（一定时间内可以到达的街区），选址服务。查找最近设施：LBS中应用较多，查找最近的银行等slide30地理空间Web服务分析服务几何服务：进行几何变换、缓冲区计算、制图综合（要素化简）、地理要素的合并、切割、计算面积和长度、坐标投影变换等地理处理服务：缓冲区（Buffer）分析、叠加（Overlay）分析、回归分析、影像分类光照潜力计算、污染物泄漏扩散分析、可视区计算、地形剖面计算等slide31地理空间Web服务元数据目录服务元数据：关于数据的数据，描述GIS数据和服务元数据目录服务用于发布和搜索元数据，促进地理信息和服务的共享slide323.3Web服务的接口类型2024/5/30slide33Web服务的接口类型主要分两类SOAP风格REST风格Web服务不局限于这两类，通过HTTP协议传输格式化数据的Web程序，都是Web服务slide34Web服务的接口类型SOAP风格的Web服务SOAP

(SimpleObjectAccessProtocol)简单对象访问协议：使用封装过的XML进行信息交换2003年成为标准，被W3C采用SOAP不简单，2007年放弃了“简单对象访问协议”这一全名SOAP风格的Web服务采用HTTPPost和SOAP封装的XML在客户端和服务器间发送请求和传递结果。slide35Web服务的接口类型SOAP风格的Web服务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消息基本结构->slide36Web服务的接口类型SOAP风格的Web服务WSDL(WebServiceDescriptionLanguage，网络服务描述语言)可以简化SOAP服务的调用WSDL以XML格式来描述一个Web服务所提供的具体编程接口，便于开发人员理解和使用服务但是仍然很复杂！slide37Web服务的接口类型REST风格的Web服务REST（RepresentationalStateTransfer，表象状态转移）2000年RoyFielding于其博士论文中提出的一种架构风格他认为SOAP没有充分利用HTTP的优势，REST可以充分发挥这种优势，降低开发的复杂性，提高系统的扩展性slide38Web服务的接口类型REST风格的Web服务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REST接口比SOAP接口更加简洁slide39Web服务的接口类型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/servicesslide40Web服务的接口类型REST风格的Web服务ESRI_StreetMap_World_2D的地图服务：在上面的URL后面添加服务名和服务类别(MapServer)http:///arcgis/rest/services/ESRI_StreetMap_World_2D/MapServerslide41Web服务的接口类型REST风格的Web服务ESRI_StreetMap_World_2D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)http:///arcgis/rest/services/ESRI_StreetMap_World_2D/MapServer/0slide42Web服务的接口类型REST风格的Web服务支持对地图服务单个数据层的查询操作：结果以JSON格式返回。EX:请求ArcGIS

server地图服务制作一副美国地图，返回800×500的JPEG：slide43Web服务的接口类型REST风格的Web服务EX:请求ArcGIS

server地图服务查询加州每个县的中等家庭收入：slide44Web服务的接口类型REST风格的Web服务URL方式容易理解可以用很多编程语言生成URL字符串来发送请求也可以直接将URL放到browser中查看结果REST是“Web的命令行”slide45SOAP和REST的比较很多时候，REST的简洁和高效胜过了SOAP的严谨slide46SOAP服务REST服务传输方式HTTPPOST主要是HTTPGET，虽然定义了PUT、POST和DELETE,但很少使用请求参数以SOAP封装XML参数(键-值对)一般放在URL中响应结果以SOAP封装XMLJSON、XML(非SOAP封装)和二进制文件流等优点成熟、接口严谨、功能强大轻便、简易、效率高缺点笨重、复杂，以SOAP封装的XML传输和解析效率较低不够严谨、略随意REST的优越性对服务提供商降低创建服务的成本和服务托管的经费对开发者减少入门难度、加快开发速度、降低开发费用对管理者REST有较好的系统架构，能获得较高的系统响应速度、可靠性和可扩展性slide47ArcGISServer的Web服务ArcGISServer同时提供SOAP和REST服务ArcGISDesktop和ArcGISExplorerDesktop通过SOAP接口调用服务ArcGISAPIsforJavascript,Flex,Silverlight和智能手机API，通过REST接口调用服务slide483.4互操作和地理空间Web服务标准2024/5/30slide49互操作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slide50互操作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优点：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slide51文件格式转换直接读取的插件标准的Web服务地理空间Web服务的标准化组织OGC（开放地理空间信息联盟）/OpenGeospatialConsortium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。slide52地理空间Web服务的标准化组织ISO/TC211（国际标准化组织地理信息技术委员会211）/ISO于1994年设立的指定地理空间信息标准的技术委员会ISO标准更抽象，而OCG的更加具体ISO/TC211与OGC紧密合作，OCG的WMS标准同时也是ISO标准slide53地理空间Web服务的标准化组织W3C（万维网联盟）/从事万维网信息技术标准化的组织1994年于麻省理工学院（MIT）成立GeoRSS（/）略显过时，但仍在使用slide54地理空间Web服务的标准化组织W3C（万维网联盟）关于地理信息的标准slide55Web服务的标准Web地图服务（WMS-WebMapService）http:///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GetCapabilitiesGetMapslide56WMSGetCapabilities-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。Ex/demo/cubeserv/simple?SERVICE=WMS&VERSION=1.3.0&REQUEST=GetCapabilitiesslide57WMSGetCapabilities-获取元数据slide58WMSGetCapabilities-获取元数据slide59WMSGetCapabilities-获取元数据利用ArcCatalog来获取slide60WMSGetCapabilities-获取元数据利用ArcCatalog来获取slide61WMSGetCapabilities-获取元数据利用ArcCatalog来获取slide62WMSGetCapabilities-获取元数据利用ArcMap中同样可以查看slide63WMSGetCapabilities-获取元数据利用ArcGlobe中同样可以查看slide64WMSGetMap-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Exhttp:///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&slide65WMSGetMap-获取地图将上述URL输入到浏览器中slide66WMSGetFeatureInfo（可选）-查询地图上某一位置的信息用户点击地图上某个点，返回该地理要素的坐标和属性信息GetLegendGraphics（可选）-返回图例根据client指定的图层，制作和返回该图层的图例（图片格式）slide67WMSNOAA（美国国家海洋和大气管理局）提供的WMShttp:///gis/otherpage.htmlslide68WMSUSGS（美国地质调查局）提供的WMShttp:///wms.htmlslide69WMTSWeb地图瓦块服务（WMTS-WebMapTileService）http:///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slide70WMTSWeb地图瓦块服务（WMTS-WebMapTileService）两个必选操作和一个可选操作GetCapabilities：获取服务的元数据GetTile：获取瓦块GetFeatureInfo(可选)：获取选取的要素属性slide71WFSWeb要素服务（WebFeatureService）http:///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）slide72WFS主要操作GetCapabilities-获取元数据DescribeFeatureType-获取WFS支持的要素类型的结构GetFeature-获取与查询条件匹配的地理要素及其属性LockFeature-请求server在一项事务期间锁定一个或多个地理要素Transaction-请求server创建、删除、修改地理要素slide73WFS类型基本型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WFSslide74WFS传输格式地理信息的主要传输是GML(GeographyMarkupLanguage)格式2006年，OGC通过了GML简单要素专用标志(GMLSimpleFeaturesProfile)，以加快WFS请求和响应的速度slide75WCSWeb覆盖服务（WCS-WeCoverageService）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slide76WCS操作GetCapabilities-获取元数据DescribeCoverage-获取栅格图层的详细信息，如时间、覆盖范围、空间参考、输出格式等GetCoverage-根据client的请求参数（栅格图层、时空范围、内插方式等），返回栅格格式的数据slide77WPSWeb处理服务（WPS-WeProcessingService）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slide78WPS操作GetCapabilities-获取元数据DescribeProcess-获取Execute-根据slide79其它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slide80其它Web服务标准开放位置接口（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slide81Web服务相关标准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slide82Web服务相关标准KML（KeyholeMarkupLanguage-钥匙孔标记语言）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，再解压压缩文件，并可包含其它类型的文件（KML中符号和链接所需的图片）slide83Web服务相关标准KML应用发布接近实时的地震信息发布天气预报、恶劣天气警报、雷达影像和传感器观测数据发布飓风行进路线slide84Web服务相关标准KML实例slide85Web服务相关标准从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）slide86Web服务相关标准从RSS到GeoRSSGeoRSS，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-XMLslide87Web服务相关标准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slide88Web服务相关标准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slide89OGC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slide903.5Web服务的优化2024/5/30slide91Web服务质量Web服务质量（QualityofService，QoS）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2024/5/30slide92Web服务质量预处理(缓存，Cache，快取)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），而非实时生成地图（WMS）从缓存中找到结果，而不需要到数据库中读取数据，再实时生成地图减少了GISserver和数据库server的负担2024/5/30slide93Web服务质量预处理(缓存，Cache，快取)生成地图缓存，也称为地图瓦块或切片，按照一定的比例尺，预先生成一系列的地图切片（瓦块