摘 要： 目前，主流的客戶端緩存地圖切片技術都是基于C/S結構，這種技術在移動設備的地圖APP程序中應用較廣泛。B/S結構由于安全機制的限制，不能夠在客戶端存儲大容量的文件，這一特點嚴重阻礙了基于WebGIS技術的地圖應用程序的發(fā)展。最新的HTML5文件系統API技術能夠實現在客戶端存儲大批量文件，可以將海量地圖切片緩存到用戶的電腦硬盤或者移動設備中，在需要訪問地圖時從客戶端調出使用。基于該功能，用戶在B/S結構下將地圖切片緩存到客戶端，在離線環(huán)境中瀏覽預先存儲好的地圖數據，縮短系統的響應時間，改善用戶體驗。
關鍵詞： HTML5技術; 網絡地理信息系統;地圖切片預存儲;離線瀏覽;客戶端緩存;B/S結構
0 引言
近年來隨著移動設備的快速普及，出現了很多基于C/S模式的地圖應用程序，并實現了下載離線地圖數據的功能，方便了人們的生活。離線瀏覽地圖切片功能是指把事先下載好的地圖切片放在離線環(huán)境中使用[1]。離線情況大致可以分為以下幾種：筆記本電腦或手機在“飛行模式”時、Web應用無法與服務器正常通信、野外移動設備網絡信號弱或不穩(wěn)定等。有兩種形式在離線情況下存儲地圖：第一種是在網速正常的情況下預先下載地圖切片，地圖切片被存儲到客戶端，當用戶在野外網絡信號弱時，系統會從客戶端取出地圖切片的信息，供用戶瀏覽地圖 [2]。還有一種是在瀏覽地圖的過程中，程序自發(fā)地存儲瀏覽過的地圖，被保存過的地圖可以重復瀏覽，不需要與服務器端交互，系統反應的時間變短，節(jié)省了用戶大量的寬帶流量[3]。后者使用更加普遍，這種被動智能化存儲，可以增強用戶體驗，讓瀏覽地圖變得更加快捷[2]。
上述離線瀏覽地圖切片功能都是基于C/S模式的開發(fā)技術，運行在B/S模式中的WEB應用程序由于受到安全因素的限制[2]，不能進行大容量文件的本地存儲。與同類產品相比，離線情況下無法使用地圖已經成為了Web程序的一大缺陷，使WebGIS的發(fā)展受到了極大的限制[4]。
HTML5有關文件系統標準的出現，填補了Web應用程序不能在客戶端上存儲大文件的空白[1]。盡管處于安全的考慮，HTML5對這一功能有一定的限制，不能自由地去訪問客戶端的文件系統，但是文件API標準已經足以解決在客戶端緩存地圖切片的難題[5]。
1 系統原理
1.1 地圖切片主要參數
自Google Maps推出地圖切片以來，WebGIS得到了空前的發(fā)展[4]。地圖切片主要是指按照分辨率等級的不同，將原先動態(tài)生成的地圖圖片提前保存為靜態(tài)圖片，存儲在服務器上，等到用戶瀏覽地圖時，服務器將靜態(tài)圖片傳送到客戶端瀏覽器中。地圖切片有效縮短了服務器端動態(tài)生成地圖的時間和網絡傳送圖片的時間，提高系統響應速度[5]。
在用戶與地圖進行交互的那一片區(qū)域（簡單稱為地圖窗口[6]）有幾個重要的參數，包括：當前窗口的寬高、中心點坐標和zoom值，這些參數的變化決定地圖切片的選取。
1.2 系統流程
典型的WebGIS系統如圖1所示，通常由兩部分組成[7]，即客戶端地圖操作和服務器端數據返回。當用戶進行瀏覽操作時，客戶端程序會判斷用戶的操作，把當前窗口的寬高、中心點坐標和zoom值發(fā)送給服務器端。地圖服務器根據傳送過來的參數值計算出所有地圖切片的編號，返回給客戶端，客戶端程序根據地圖編號，以異步的方式訪問地圖切片的URL，瀏覽器繪制出圖片給用戶。上述流程中，客戶端與服務器發(fā)生了兩次交互，一次是請求地圖切片編號，還有一次是獲取地圖圖片。這兩步過程都決定了傳統WebGIS系統無法在離線環(huán)境中使用，并且經過實驗得知，服務器端獲取圖片這一過程，對網絡速度的要求極高，當該系統在網絡信號不好的移動端使用時，地圖操作的響應速度極慢，網頁加載地圖時間漫長，由此可以得出結論，傳統WebGIS在網速較差的環(huán)境中幾乎無法使用。
本項目中改變了傳統WebGIS系統中地圖操作后系統響應的方式，即在客戶端增加了地圖切片預存儲功能，如圖2所示。客戶端的瀏覽器不再把地圖窗口參數發(fā)送給服務器，而是直接在前端計算出地圖切片的編號信息，根據編號信息從文件沙箱中取出相應圖片的內容，所有過程在前端腳本中完成，實現了離線方式操作地圖，使用這種方式將會使系統響應速度變得更快。根據實驗得知，地圖切片交互時所需的寬帶數據量占整個系統中的絕大部分，所以當地圖切片放在離線環(huán)節(jié)時，即使在網絡速度不佳的野外，當請求數據量適中的矢量圖形或者打開網頁圖片時，也不會影響系統的整體運行，經過改變系統響應方式的新系統在網速不佳的情況下也能正常使用[8]。
2 系統實現
2.1 地圖切片預存儲
本項目用到的地圖切片為上海市航拍影像圖，按分辨率的不同共分為6個等級，這里把文件系統的目錄結構分成6個主目錄。而每一級切片下，又細分出了A、B、C、D 4個子文件夾。在非離線情況下系統訪問地圖切片時的文件夾管理結構如圖3所示。文件API具有特殊管理機制，保存文件前需要設定虛擬的文件夾結構來管理本機上的文件對象，文件對象中的文本信息具有嚴格的編碼格式，可以防止數據的意外泄露。本系統所創(chuàng)建虛擬文件夾路徑與真實路徑保持統一，減少中間過程的轉換計算，具體可設定為Map/A1/A/A001_002.jpg。具體的路徑加上文件名，構成了唯一的鍵名，保證了離線系統中地圖信息的準確性[9]。
文件API支持文字信息的存儲，單個圖片信息以Base64的文字編碼方式保存下來。根據用戶的需求針對某個鄉(xiāng)鎮(zhèn)進行下載，利用本系統中的geoserver平臺可以查詢到指定區(qū)縣或鄉(xiāng)鎮(zhèn)下所有切片的名稱tileName和切片等級Level，根據文件夾結構可計算出該切片的文件路徑Path。返回的Path代表了文件存放的具體位置，使用PHP技術將名稱為tileName的切片顏色信息提取出來，通過網絡傳輸到客戶端以文件API形式保存[10]。下載地圖切片信息的過程如圖4所示。
2.2 地圖切片離線瀏覽
本項目所使用到的WebGIS系統是基于實驗室自主研發(fā)的Geoserver平臺，所有后臺數據以及地圖信息的交互都是基于該平臺，并非市場上流行的ArcGIS Server平臺[3]。在調用地圖切片環(huán)節(jié)中，地圖切片的編號都是使用Geoserver平臺計算，具有較強的創(chuàng)新性和自主性[6]。在離線瀏覽切片地圖時，系統得到的地圖切片編號也就是存放在服務器中的靜態(tài)圖片的URL地址，可以根據原來的URL地址，使用文件API來訪問具有相同文件結構的客戶端地圖切片[7]。保存在文件系統的格式為Base64編碼的文本信息，直接將切片容器中的src指向這段編碼信息，瀏覽器就能繪制出正確圖片。文件系統可以保存硬盤容量內的任意大小的文件，保證了海量切片的批量存儲，并且單個切片信息存取速度快，操作簡單，這些特點為離線切片的存取創(chuàng)造了良好的條件。
3 系統性能
為了測試離線模式給系統交互有效性帶來的提高，現在對離線和在線兩種模式的地圖響應速度進行測試。測試所使用的電腦硬件配置為Intel 3.30 GHz雙核CPU和4 GB內存。
網絡情況正常的情況下，在PC端進行1 000次的地圖操作，并對30張和100張不同數量級的切片進行比較，把縮放和平移之后系統響應切片的等待時間記錄下來，此過程由專門開發(fā)的程序實現，測試結果如表1所示。從表1中可以看出，30張切片時離線中的切片等待時間大約為在線情況下的1/15，而當切片增加到100張時，系統的響應速度得到了極大的提高[8]。
由此可見，地圖簡單操作時，系統響應切片花費在網絡上的時間過多，而通過預存切片的方式可以減少網絡的通信時間，并且可預知在野外當網絡速度緩慢時使用系統，在線模式的響應時間可令系統無法使用或瀏覽器崩潰。
4 總結
本系統是一個基于B/S結構的多功能系統，旨在結合遙感照片人工采集上海市農業(yè)信息的數據。離線瀏覽地圖切片的難題是本文探討的重點，Web瀏覽器對用戶本地文件讀寫的支持，極大地促進了WebGIS系統的發(fā)展，有助于方便地開發(fā)出更豐富的應用，許多只能在C/S結構上才能完成的功能，如今在Web應用程序上也能夠完成[11]。
離線瀏覽地圖切片以及地圖切片預存儲這兩大功能，很好地促進了WebGIS的發(fā)展，在今后富客戶端的趨勢下，許多工作都可以放到前端來完成，這樣帶來的好處是，地圖的交互速度將會更快，同時，這種方式還可以消除周圍環(huán)境的影響，例如網速的強弱和穩(wěn)定性，甚至在完全沒有網絡的情況下，如在野外、海上遠行、飛機起降時，用戶可以照常工作，等到有需要時再將電腦或移動設備中的數據進行上傳或更新。
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