目前，國内外著名的地理空間資訊生産商、圖商大都擁有自己成熟的産品線，基本涵蓋了從資料采集、資料編輯、資料管理、空間資料互操作、空間分析，再到網絡地理資訊服務注冊、釋出、聚合等所有地理資訊工程相關的功能子產品。但是，好的服務必定會有‘好的價格’，更何況某些特定場景下的‘定制化’。這時，按照研發慣性，開源方案或許值得一試，在這裡，使用WebGIS會是一個不錯的選擇。
一、開源GIS簡史
數字制圖和地理空間資訊系統（Geographic information System，GIS）的出現，徹底改變了人們對周圍世界思考、互動的方式。上世紀60年代，Lan McHarg（景觀設計師）首先提出了将位置資訊分層重疊用于決策的概念。大約同一時間，Roger Tomlinson（被人們稱之為“GIS之父”）完成了他的博士論文，主要研究使用計算方法處理分層的地理空間資訊。随後，Roger緻力于建立第一個計算機化的地理資訊系統——加拿大地理資訊系統（the Canada Geographic Infomation System），主要用于勘探測繪。
開源GIS的起源可追溯到1978年的美國内政部。從那時起，基于不同知識産權許可證的開源GIS，深入影響了許多行業的發展，包括政府和商業領域。開源GIS技術在過去的四十多年中持續發展，直到今天，演變出了許多具有開創性和影響力的應用。
1.1 GIS的起源：MOSS & GRASS
1978年，美國内政部建立了MOSS系統（the Map Overlay and Statistical System，地圖疊加和統計系統）。MOSS系統主要用于跟蹤和評估礦山開發對環境、野生植物、野生動物及其遷徙方式的影響。這是第一個廣泛部署、基于矢量、可互動的地理資訊系統。
随後不久，GRASS（“草”，Geographic Resource Analysis Support System， 地理資源分析支援系統）誕生。GRASS系統擁有350多個子產品用于處理栅格、拓撲向量、圖形圖像資料，該軟體最初設計提供給美國軍方使用，以協助土地管理和環境規劃。現如今，GRASS系統廣泛應用于科學研究和商業領域，包括地理空間資料管理和分析、圖像處理、空間和時間模組化，以及建立圖形和地圖。
1.2 GIS的發展：GeoTools、GDAL/OGR、PostGIS和GeoServer
1996年，利茲大學（the University of Leeds）開始建立一個基于Java的地理資訊庫的項目。其最終成果就是經典的GeoTools，一個可以操作空間資料的開源工具，如今被廣泛應用于Web地理空間資訊服務、網絡地圖服務和桌面應用程式，而且它還是現今最流行的地理服務系統GeoServer的核心元件。
四年後，一個跨平台的地理資訊庫GDAL（Geospatial Data Abstraction Library，地理空間資料抽象庫）誕生了。GDAL使得GIS應用程式可以支援不同的資料格式，它還附帶了各種有用的指令行工具，用于處理和轉換各種資料格式。GDAL支援超過50個栅格格式和20個矢量格式的資料，它是全世界使用最為廣泛的地理空間資料通路庫，支援的應用程式包括谷歌地球、GRASS、QGIS、FME（the Feature Manipulation Engine）和ArcGIS。
2001年，Refractions Research（加拿大IT咨詢機構）研發了開源項目PostGIS，使得空間資料可以存儲在Postgres資料庫。同年，前面提到的用于将空間資料釋出為标準Web服務的GeoServer建立。PostGIS和GeoServer項目都取得了令人難以置信的成功，是迄今為止被廣泛應用的開源GIS資料庫和GIS伺服器。
1.3 創新和教育：開源項目驅動
在開源GIS桌面系統中，QGIS被認為是其鼻祖。它于2002年釋出，內建了GRASS系統的分析能力，以及GDAL對于各種資料格式的支援，還提供了一個使用者友好的桌面應用程式進行資料編輯、地圖制圖與分析。QGIS可以和其他開源GIS進行互操作，例如，管理PostGIS資料庫，将資料釋出到GeoServer作為Web服務等。
在21世紀初，開源GIS繼續獲得發展動力，建立了開源孵化項目OSGeo和LocationTech。OSGeo于2006年推出，設計目标是支援開源GIS軟體的協同開發，以及促成相關軟體的廣泛應用。LocationTech是Eclipse基金會設立的一個工作組，旨在促進GIS技術在學術研究、産業和社群之間的合作。
2011年，“Geo for All”建立。它是開源地理空間基金會（Open Source Geospatial Foundation）的教育推廣項目，目的是使人人都能接觸到地理空間技術的教育機會。其緻力于在世界各地建立開源地理空間實驗室和研究中心，以支援開源的地理空間技術開發、教育訓練和研究。此外，可以算作該基金會的一項重要成果，其在網際網路上免費提供了許多開源GIS的教育資源，其中包括FOSS4G Academy和GeoAcademy。
1.4 标注化：OGC和OpenGIS
技術的發展必定伴随标準的形成，标準的相容對于GIS的發展，尤其是開源GIS的發展起到了重要的促進作用。
OGC（Open Geospatial Consortium，開放地理聯合會）是一個非盈利的國際标準組織，緻力于提供地理資訊行業軟體和資料及服務的标準化工作，它制定了資料和服務的一系列标準，GIS廠商按照這個标準進行開發可保證空間資料的互操作，其組成包括384家公司、政府機構、大學和個人。OpenGIS（Open Geodata Interoperation Specification，開放地理資料互操作規範）由OGC提出。其協定包括WMS（Web Map Service，網絡地圖服務）、WFS（Web Feature Service，網絡要素服務）、WCS（Web Coverage Service，網絡栅格服務）、WPS（Web Processing Service，網絡處理服務）、WMTS（Web Map Tile Service，網絡地圖瓦片服務）。
二、WebGIS架構
2.1 WebGIS組成
通常，一套完整的WebGIS架構方案主要包括以下三個部分：
圖1：WebGIS組成
1） 地理資訊資料庫和業務資料庫
- 地理資訊資料庫：用于存儲地理資訊資料（包含矢量、地名位址、專題及瓦片等資料）；
- 業務資料庫：用于存儲前端網站或者行業應用的關系型資料；
2） GIS伺服器& Web應用伺服器
- GIS伺服器用于提供WMS、WMTS、WFS和WCS等GIS服務；
- Web應用伺服器主要針對行業應用，用于調取GIS服務和背景的業務資料，以提供Web資訊浏覽服務；
3）用戶端
面向使用者，将所有資訊在前端展示。
2.2 開源WebGIS解決方案
針對上述WebGIS組成，一套完整的開源WebGIS有着相應的解決方案：
圖2：WebGIS架構
- 資料生産桌面軟體：使用uDig、QGIS、Grass等開源桌面GIS軟體采集、加工地理資訊資料；
- 資料存儲：關系型資料使用PostGIS或者MySQL Spatial資料庫存儲地理資訊資料和關系型業務資料，非關系型資料使用mongodb資料庫（瓦片、圖像）；
- GIS伺服器：使用GeoServer、MapServer等生産地圖瓦片，注冊、釋出地理資訊服務；
- Web伺服器：使用Geomajas、Tomcat或apache搭建網站，在網頁中嵌入地圖容器加載地圖，使用niginx作為反向代理或者負載均衡；這裡，web應用伺服器相對于GIS伺服器而言是用戶端，相對于浏覽者而言是伺服器；
- 前端渲染：個人用戶端或者web應用伺服器的前端展示。地理資訊服務使用OpenScales、支援Javascript的Openlayers或Leaflet地圖容器前端展示；前端其他資料展示使用Javascript、vue等流行網頁API；
當然，除此之外，也需要一些支撐性的軟體服務，比如雲環境、作業系統等。
以上列舉了開源WebGIS各個環節可使用的軟體或工具架構。在實際項目中，則應該根據需要進行選擇和使用，比如：uDig(QGIS) + PostgreSQL/PostGIS（Mongo）+ GeoServer + Tomcat + Openlayers組合。倘若，業務有高性能、高可用的需求，還應使用叢集技術，搭建資料庫叢集、GIS伺服器叢集、Web應用伺服器叢集等，以增加服務的備援，提高服務性能。畢竟地圖服務不是簡單的Web頁面服務，相比較之下，其需要更大的資源消耗，即便是簡單的空間查詢語句，對資料庫的性能消耗也是不可小觑的。
作者:劉豔鵬
來源:微信公衆号:搜狐技術産品
出處:https://mp.weixin.qq.com/s/LR4uS5gXheGFd5eSdhMc0Q