基于GeoTools的WMS设计与实现

暑假看OGC标准的时候做了一个简单的WMS(Web Map Service),用的是GeoTools工具包。其实做出来用处也不大,应为已经有GeoServer这个项目在做基于GeoTool的网络GIS应用,并且已经做的比较完善了。我这个纯粹是做着玩,顺便学习Java网络编程和GeoTools的。

OGC的WMS标准我就不多说了,可以直接去看标准文档。GeoTools搞开源GIS开发的应该也不陌生,是一个用Java语言编写的遵循OGC规范的开源GIS工具包,其功能涵盖了地理信息数据读写、处理、坐标转换、查询分析、格式化输出等多个方面,详细的情况请访问GeoTools的主页:www.geotools.org。下面主要介绍一下我的设计方案。

WMS服务器的整体架构
WMS服务器的整体架构主要包括:请求分发模块、数据读取模块、样式设置模块、图层加载模块、地图绘制模块属性查询模块。

首先请求分发模块根据客户端的请求参数判断出操作的种类,并分别调用相应的模块。数据读取模块负责加载地图数据文件。样式设置模块负责获取图层的渲染样式。图层加载模块负责将各个数据集和样式对应并按顺序排列,生成地图对象。地图绘制模块负责将地图对象渲染成为图像。查询模块则根据位置返回指定要素的属性信息。最终将具体操作的结果返回给客户端。

WMS服务器整体架构图
WMS服务器整体架构图

请求分发模块主要实现对用户请求参数的解析。在Servlet中一般通过Request对象的getParameter方法获取客户端的请求参数。在请求的解析中需要首先判断客户端要执行的是GetCapabilities、GetMap、GetFeatureInfo中的哪一种操作,然后根据每种操作的参数列表读取参数值,并对参数的有效性进行检验。对于非必须的请求参数需要设置缺省值。最后生成请求参数对象,传递给各个操作的具体实现方法。对于不符合要求的请求参数,需要返回给客户端错误信息,并停止后续的操作,以避免运行错误。这部分的代码如下:

public void doService(HttpServletRequest request,
HttpServletResponse response) throws IOException {
Map map = request.getParameterMap();
Map param = new HashMap();
for (String k : map.keySet()) {
String s1 = "";
if (param.containsKey(k.toUpperCase())) {
s1 = param.get(k.toUpperCase()) + ",";
}
String[] s2 = (String[]) map.get(k);
for (int i = 0; i < s2.length; i++) {
s1 += s2[i] + (i == 0 ? "" : ",");
}
param.put(k.toUpperCase(), s1);
}
if (!param.containsKey("REQUEST")) {
WMSException.exception(response);
} else {
String wmsRequest = param.get("REQUEST");
if (wmsRequest.equals("GetCapabilities")) {
GetCapabilitiesRequest gcr = new GetCapabilitiesRequest(param);
doGetCapabilities(gcr, response);
} else if (wmsRequest.equals("GetMap")) {
GetMapRequest gmr = new GetMapRequest(param);
doGetMap(gmr, response);
} else if (wmsRequest.equals("GetFeatureInfo")) {
GetFeatureInfoRequest gfr = new GetFeatureInfoRequest(param);
doGetFeatureInfo(gfr, response);
} else {
WMSException.exception(response);
}
}
}

数据读取模块主要是利用GeoTools提供的Shape file reader模块来读取指定位置的shp格式地图文件,并创建所需要的Data Store对象。地图样式是用SLD文件定义的。SLD是OGC制定的用于描述图层样式的XML文件格式,通过制定一系列的样式规则对指定的要素类型进行样式化,包括设置显示的符号、颜色、填充样式、线条样式、标注等。GeoTools中图层的管理是通过MapContext对象来实现。调用MapContext对象的addLayer方法,可将图层按照从最底层开始依次加载到地图中。这部分代码如下:

private static void addShapeLayer(String name) throws Exception {
File file = new File("C:\\data\\" + name + ".shp");
File sldFile = new File("C:\\data\\" + name + ".sld");
FileDataStore store = FileDataStoreFinder.getDataStore(file);
((ShapefileDataStore) store).setStringCharset(Charset.forName("GB2312"));
FeatureSource featureSource = store
.getFeatureSource();
Configuration config = new SLDConfiguration();
Parser parser = new Parser(config);
InputStream sld = new FileInputStream(sldFile);
StyledLayerDescriptor styleSLD = (StyledLayerDescriptor) parser.parse(sld);
Style style = SLD.defaultStyle(styleSLD);
map.addLayer(featureSource, style);
}

WMS服务器的GetMap操作需要根据客户端的请求将地图对象的指定区域进行渲染,并返回图像文件。首先需要根据用户的请求参数生成一个ReferencedEnvelope对象作为地图输出的范围,然后使用StreamingRenderer对象进行渲染,并将输出绘制在用户指定的大小和格式的图像文件中。最后将图像以二进制编码的形式通过Response对象返回给用户。这部分的代码如下:

private void doGetMap(GetMapRequest gmr, HttpServletResponse response)
throws IOException {
double x1, y1, x2, y2;
int width, height;
try {
x1 = Double.parseDouble(gmr.getBBOX()[0]);
y1 = Double.parseDouble(gmr.getBBOX()[1]);
x2 = Double.parseDouble(gmr.getBBOX()[2]);
y2 = Double.parseDouble(gmr.getBBOX()[3]);
width = Integer.parseInt(gmr.getWidth());
height = Integer.parseInt(gmr.getHeight());
} catch (Exception e) {
WMSException.exception(response);
return;
}
// 设置输出范围
ReferencedEnvelope mapArea = new ReferencedEnvelope(x1, x2, y1, y2, crs);
// 初始化渲染器
StreamingRenderer sr = new StreamingRenderer();
sr.setContext(map);
// 初始化输出图像
BufferedImage bi = new BufferedImage(width, height,
BufferedImage.TYPE_INT_ARGB);
Graphics g = bi.getGraphics();
((Graphics2D) g).setRenderingHint(RenderingHints.KEY_ANTIALIASING,
RenderingHints.VALUE_ANTIALIAS_ON);
((Graphics2D) g).setRenderingHint(RenderingHints.KEY_TEXT_ANTIALIASING,
RenderingHints.VALUE_TEXT_ANTIALIAS_ON);
Rectangle rect = new Rectangle(0, 0, width, height);
// 绘制地图
sr.paint((Graphics2D) g, rect, mapArea);
// 编码图像
PNGEncodeParam encodeParam = PNGEncodeParam.getDefaultEncodeParam(bi);
if (encodeParam instanceof PNGEncodeParam.Palette) {
PNGEncodeParam.Palette p = (PNGEncodeParam.Palette) encodeParam;
byte[] b = new byte[] { -127 };
p.setPaletteTransparency(b);
}
//将图像数据输出到Servlet相应中
response.setContentType("image/png");
ServletOutputStream out = response.getOutputStream();
com.sun.media.jai.codec.ImageEncoder encoder = ImageCodec
.createImageEncoder("PNG", out, encodeParam);
encoder.encode(bi.getData(), bi.getColorModel());
bi.flush();
}

WMS服务器的GetFeatureInfo操作需要通过位置对要素集进行查询,返回指定要素的属性信息。由于用户所给的查询坐标是图像的像素坐标,因此需要将坐标转换地图要素所使用的实际坐标。知道了实际坐标,就可以创建一个Filter对象来描述查询的约束条件。然后调用要素集的查询方法,就可以获取符合要求的要素子集,最后按一定的格式返回各个要素的属性信息给客户端。这部分的代码如下:

private void doGetFeatureInfo(GetFeatureInfoRequest gfr,
HttpServletResponse response) throws IOException {
double x1, y1, x2, y2;
int width, height, i, j;
try {
x1 = Double.parseDouble(gfr.getBBOX()[0]);
y1 = Double.parseDouble(gfr.getBBOX()[1]);
x2 = Double.parseDouble(gfr.getBBOX()[2]);
y2 = Double.parseDouble(gfr.getBBOX()[3]);
width = Integer.parseInt(gfr.getWidth());
height = Integer.parseInt(gfr.getHeight());
i = Integer.parseInt(gfr.getI());
j = Integer.parseInt(gfr.getJ());
} catch (Exception e) {
WMSException.exception(response);
return;
}
// 计算点选范围的地图坐标
double cx1, cy1, cx2, cy2;
cx1 = x1 * (width - i + 0.5 + GET_FEATURE_INFO_BUFFUR) / width + x2
* (i - 0.5 - GET_FEATURE_INFO_BUFFUR) / width;
cx2 = x1 * (width - i + 0.5 - GET_FEATURE_INFO_BUFFUR) / width + x2
* (i - 0.5 + GET_FEATURE_INFO_BUFFUR) / width;
cy1 = y1 * (j - 0.5 + GET_FEATURE_INFO_BUFFUR) / height + y2
* (height - j + 0.5 - GET_FEATURE_INFO_BUFFUR) / height;
cy2 = y1 * (j - 0.5 - GET_FEATURE_INFO_BUFFUR) / height + y2
* (height - j + 0.5 + GET_FEATURE_INFO_BUFFUR) / height;
ReferencedEnvelope clickArea = new ReferencedEnvelope(cx1, cx2, cy1, cy2, crs);
MapLayer[] maplayers = map.getLayers();
FilterFactory2 ff = CommonFactoryFinder.getFilterFactory2(null);
response.setContentType("text/html");
response.setCharacterEncoding("GBK");
PrintWriter out = response.getWriter();
out.println("location: " + ((cx1 + cx2) / 2.0) + ", "
+ ((cy1 + cy2) / 2.0) + "<br/>");
// 分别在每个图层中查找点选范围内的对象
for (int k = 0; k < maplayers.length; k++) {
FeatureSource fs =
(FeatureSource) maplayers[k].getFeatureSource();
String geometryPropertyName = fs.getSchema().getGeometryDescriptor().getLocalName();
Filter filter = ff.bbox(ff.property(geometryPropertyName), clickArea);
FeatureCollection fc = fs.getFeatures(filter);
SimpleFeatureType schema = fc.getSchema();
FeatureIterator fi = fc.features();
if (fi.hasNext()) {
out.println("Selected feature(s) in layer ["+schema.getTypeName()+"]:<br/>");
while (fi.hasNext()) {
SimpleFeature f = fi.next();
out.println("id:" + f.getID() + "<br/>");
for (AttributeDescriptor type : schema
.getAttributeDescriptors()) {
String name = type.getLocalName();
if (!name.equals(geometryPropertyName))
out.println(name + ":"
+ f.getProperty(name).getValue().toString()
+ "<br/>");
}
out.println("<br/>");
}
}
}
out.flush();
out.close();
}

最后的效果:

WMS运行效果
WMS运行效果

当时还准备做一个WFS的实例,做了一半,有其他的事情就放下了,以后有时间再做。

《基于GeoTools的WMS设计与实现》有4个想法

  1. 您好,我现在正在做动态发布WMS服务,看到您的这篇文章,感觉很有收获,但是代码我调试不通,希望能得到您的帮助。

  2. 文章中给出的只是整个项目中关键的代码片段,不能直接调试运行。整个项目需要依赖GeoTools 2.6和JAI,运行在Tomcat 6或其他Sevlet容器上。还需要有shp格式的地图数据和SLD格式的地图的配置文件。可以结合GeoTools的开发手册再研究研究。

  3. 整个工程文件比较大,包含许多依赖库,还有地图数据等等,所以暂时无法满足你的要求。但是整个工程的核心部分已经包含在文章中。写这个程序的主要目的用来辅助学习GeoTools,不是用来做WMS实际应用的。

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