网络地图服务（WMS）详解

阅读本文之前可参考前文：《地图服务器GeoServer的安装与配置》与《GeoServer发布地图服务（WMS、WFS）》。

1.概述

经过前文的介绍，相信我们对WMS/WFS服务已经有了一个非常直观的认识，最起码我们知道了地图服务的数据从何而来，又是如何发布出去的。更进一步的说，OGC给WMS/WFS分别定义了非常详尽的标准规范，其主要内容是通过HTTP（Hypertext Transfer Protocol，超文本传输协议 ）实现的各种操作。在这里，我们要介绍的WMS支持标准HTTP的Get和Post请求，不过通常情况下基于GET方式（将参数以键值对的形式放置在URL中）进行服务请求较为方便。

HTTP协议用于客户端和服务器之间的通信，为了满足各种各样的通信需求，HTTP协议规定了多种不同的请求方法，其中Get和Post是最基础的两种。Get用于请求已被URI识别的资源，Post则用来传输实体的主体，两者的功能比较相近，但其实有着不小的区别。不过在本文中，我们将会主要看到这个区别：Get请求是将参数拼接到URL上进行参数传递的，而POST是将参数写入到请求正文中传递的；因此，Get请求有URL长度的限制，通常用于查询；Post请求则没有长度限制，通常用于增添、删除和修改。

根据《OpenGIS Web Map Server Implementation Specification》的1.3.0版本，WMS主要支持如下几种操作，如下表1所示所示：

【表1 WMS支持的操作】

操作	必要性	描述
GetCapabilities	必要	查询服务的元数据，包括支持的操作、参数、以及图层列表等
GetMap	必要	检查询指定区域和内容的地图图像
GetFeatureInfo	可选	查询地图上像素位置的基础数据，包括几何和属性值

2.GetCapabilities

GetCapabilities操作的目的是获取服务的元数据，主要包括WMS服务器提供的操作、请求参数等信息。GetCapabilities请求的参数如下表2所示：

【表2 WMS GetCapabilities请求参数】

请求参数	必要性	描述
VERSION=version	可选	请求的版本：值是1.1.0，1.1.1，1.3.0三者之一。
SERVICE=WMS	必要	服务的类型。
REQUEST=GetCapabilities	必要	请求操作的名称。
FORMAT=MIME_type	可选	服务元数据的格式。
UPDATESEQUENCE=string	可选	用于缓存控制的序列号或字符串。

根据表2所示的参数，我们在浏览器中输入如下地址：

http://localhost:8080/geoserver/ows?service=WMS&version=1.3.0&request=GetCapabilities

浏览器响应的结果如下图所示。可以看到返回的结果其实是一个XML文件，这个文件中描述的就是WMS服务具体的元数据信息。

3.GetMap

GetMap操作用于请求服务器生成地图并返回，这个操作也是WMS服务最主要的功能。不难想象，为了保证正确的输出结果，我们必须配置足够多的参数，比如地理范围，空间参考、输出宽高以及格式等。具体的请求参数如下表3所示：

【表3 WMS GetMap请求参数】

请求参数	必要性	描述
VERSION=1.3.0	必要	请求的版本。
REQUEST=GetMap	必要	请求操作的名称。
LAYERS=layer_list	必要	一个或多个地图图层列表，使用逗号分隔。
STYLES=style_list	必要	渲染样式列表，使用逗号分隔。
CRS=namespace:identifier	必要	坐标参考系统。
BBOX=minx,miny,maxx,maxy	必要	边界框包围盒（从左下到右上，使用CRS的单位）。
WIDTH=output_width	必要	地图图像的宽度。
HEIGHT=output_height	必要	地图图像的高度。
FORMAT=output_format	必要	地图的输出格式。
TRANSPARENT=TRUE|FALSE	可选	地图背景透明度（默认不透明）。
BGCOLOR=color_value	可选	背景颜色的十六进制红绿蓝颜色值（默认白色）。
EXCEPTIONS=exception_format	可选	WMS报告异常的格式（默认为XML）。
TIME=time	可选	图层需要的时间值。
ELEVATION=elevation	可选	图层需要的高程值。
Other sample dimension(s)	可选	其他维度的值，备用。

这些参数具体的参数值可以参考GetCapabilities操作返回的XML文件。例如，我们填充好所有的必要参数，在浏览器中输入如下地址来访问前文中配置好的矢量数据集：

http://localhost:8080/geoserver/wms?
VERSION=1.3.0
&REQUEST=GetMap
&LAYERS=test:multipolygons
&STYLES
&CRS=EPSG:4326
&BBOX=38.8920794,-77.0495419,38.9096339,-77.0199063
&WIDTH=768
&HEIGHT=454
&FORMAT=image/png

这时，浏览器就会返回一个PNG格式的图像地图文件，如下图所示。GetMap响应的地图图像大小、格式等并不是固定的，具体取决于请求的参数。如果我们对矢量和栅格足够熟悉的话，我们能大概猜出WMS服务返回地图文件大概的处理算法流程：

1. 由于数据源是矢量数据，所以我们关键是矢量栅格化的算法。
2. 根据传递的参数坐标参考系统CRS、地理范围BBox、宽WIDTH以及高HEIGHT足够帮助我们确定一个栅格数据集。
3. 通过矢量栅格化算法对栅格数据集填充像素值，这中间涉及到图像的重采样操作。
4. 最后将栅格数据集的文件流传输到浏览器端。

如果我们想访问前文中配置好的栅格数据集，URL请求参数大致相同，如下所示：

http://localhost:8080/geoserver/wms?
VERSION=1.3.0
&REQUEST=GetMap
&LAYERS=test:japan_tmo_2011057_geo
&STYLES
&CRS=EPSG:4326
&BBOX=23.034667983398435,120.15380860839844,52.990722641601565,153.88916014160156
&WIDTH=768
&HEIGHT=682
&FORMAT=image/png

此时，浏览器也会返回一张PNG格式的图像地图，如下图8.30所示：

有一点要注意的是在WMS另一个广泛使用的版本1.1.1中，边界框包围盒的参数BBOX的x、y坐标顺序是与1.3.0版本是相反的，WMS版本1.1.1的请求URL如下所示：

http://localhost:8080/geoserver/wms?
VERSION=1.1.1
&REQUEST=GetMap
&LAYERS=test:multipolygons
&STYLES
&CRS=EPSG:4326
&BBOX=-77.0495419,38.8920794,-77.0199063,38.9096339
&WIDTH=768
&HEIGHT=454
&FORMAT=image/png

这个问题与GDAL2.0升级3.0版本时地理坐标系相关参数x和y需要进行调换有点类似，经过查阅相关资料才知道，原因是要保证x和y的顺序要与坐标参考系定义的轴顺序保持一致。但是在笔者看来，这种设计多少有点破坏向下兼容的原则。

4.GetFeatureInfo

GetFeatureInfo是可选操作，用于查询地图上给定位置的空间和属性信息。这个操作有点类似于鼠标在数字地图上拾取一点，高亮显示该点位置的要素并显示该要素关联的属性。不难理解，由于WMS使用的HTTP协议是无状态的，所以GetFeatureInfo请求参数包含了GetMap请求的大部分参数（除VERSION和REQUEST之外的所有参数）。毕竟，要获取地图某一点的要素信息，就先得把地图给获取了。GetFeatureInfo操作的标准请求参数如下表4所示：

【表4 WMS GetFeatureInfo请求参数】

请求参数	必要性	描述
VERSION=1.3.0	必要	请求的版本。
REQUEST=GetFeatureInfo	必要	请求操作的名称。
map request part	必要	GetMap请求的大部分参数。
QUERY_LAYERS=layer_list	必要	要查询的层级列表，以逗号分隔。
INFO_FORMAT=output_format	必要	特征信息返回格式（MIME类型）。
FEATURE_COUNT=number	可选	返回的特征数目 (默认为1)。
I=pixel_column	必要	x方向像素坐标。
J=pixel_row	必要	y方向像素坐标。
EXCEPTIONS=exception_format	可选	WMS 报告异常的格式（默认为XML）。

我们按照表4所示的参数来查询前文中配置好的基于矢量数据集的地图，具体在某个像素位置的要素信息，可以在浏览器中输入如下地址：

http://localhost:8080/geoserver/wms?
VERSION=1.3.0
&REQUEST=GetFeatureInfo
&LAYERS=test:multipolygons
&STYLES
&CRS=EPSG:4326
&BBOX=38.8920794,-77.0495419,38.9096339,-77.0199063
&WIDTH=768
&HEIGHT=454
&FORMAT=image/png
&QUERY_LAYERS=test:multipolygons
&INFO_FORMAT=application/json
&I=384
&J=227

此时，浏览器会返回一个JSON，描述了该像素位置的几何信息，其关联的属性信息，以及一些元数据信息。如下图所示：

同样的，如果使用类似的参数来查询前文中配置好的基于栅格数据集的地图，在浏览器中输入如下地址：

http://localhost:8080/geoserver/wms?
VERSION=1.3.0
&REQUEST=GetFeatureInfo
&LAYERS=test:japan_tmo_2011057_geo
&STYLES
&CRS=EPSG:4326
&BBOX=23.034667983398435,120.15380860839844,52.990722641601565,153.88916014160156
&WIDTH=768
&HEIGHT=682
&FORMAT=image/png
&QUERY_LAYERS=test:japan_tmo_2011057_geo
&INFO_FORMAT=application/json
&I=384
&J=341

此时，浏览器会返回一个JSON，不过内容就简单多了，返回的是该地图在指定像素位置的包含RGB三个波段的像素值。如下图所示。这其实也不难理解，如果把栅格数据当作是点要素的集合，那么点的像素值自然就是其关联的属性数据了。