开源GIS解决方案之路

今天跟大家分享一下我的开源GIS解决方案经历。

--额-- 考虑到单聊技术解决方案你可能会很快睡着，所以我今天会把重点放在我封装地图API这个事情上，以封装地图API的经历为线索，穿插着讲一些当时用到的开源GIS架构。

文章稍微有点长，如果你只是想了解一下最新的开源GIS架构，可以直接跳过前面，去看第五版和最后的总结，但我建议你还是从第一版开始看，因为没有前面的 4 个版本就不会有第五版，只看总结就和读名言警句效果一样，看的时候觉得有道理，过后就忘了，因为不能感同身受。

缘起

我一直在传统IT行业的公司工作，公司都是以做政府项目为主，俗称toG业务。

这种公司里，GIS在其中的应用通常为两种，一种是GIS结合公司的业务形成一个xx地理信息系统，或是xx一张图系统，另一种是结合公司业务封装一套地图API，为公司的其它业务系统提供地图技术支撑，类似于高德地图API、百度地图API。地图API的背后通常有一套GIS解决方案作为支撑

今天我们就来聊一聊封装地图API这点事。

从我封装的第一个地图API版本诞生到现在，已经过去了7年时间，中间经历了 3 家公司，迭代了 5 个版本。5 个版本中，第 1 个版本使用的ArcGIS，后面 4 个版本主要使用的开源GIS。

第一版 2014年

背景

公司做环保业务，业务系统主要用C#开发，业务系统中涉及地图的部分使用ArcGIS Flex API开发，由GIS开发人员负责。那个年代，地图还主要是用Flex开发，因为Flex在那时给人感觉是很炫酷。

随着项目的增加，发现很多业务功能在项目里是通用的，再后来发现，如果把业务功能和地图功能分离，再把Flex编写的地图功能封装一套面向JS的接口，C#开发人员就可以自己完成地图相关的工作，不用受Flex语言的限制了。

于是我们准备封装一套用Felx编写的，面向C#开发人员的JS地图API。

技术架构

1. 前台使用ArcGIS Flex API开发地图功能，Flex支持和JS交互，利用这一特性将Flex开发的地图功能，封装成面向JS的接口。
2. 地图后台使用 ArcGIS Server，空间分析使用 GP 服务。
3. 空间数据库使用 Arc SDE。
4. 开发了一个简单的帮助网站，提供前台JS接口的调用示例和使用说明。

经验总结

地图API发布后，在做技术支持的过程中发现一个有趣的现象，关于地图API的使用，完全不懂GIS的初级C#开发人员觉得好用，原因是能帮他们解决问题，有困难时可以随时找我们技术支持。

了解一点GIS的中级C#开发人员觉得不好用，他们会拿我们的地图API和ArcGIS JS API对比，觉得后者更好用，但由于ArcGIS JS API的地图偏丑，我们也不提供技术支持，需要他们自己去研究，最终还是选择用我们的地图API。

了解一点GIS的高级C#开发人员基本不用，其中有两个同事的反应令我印象深刻，一个同事说：”你们自己开发的东西，自己都不用“。言外之意是，你们自己都不用的东西不会好用。但我们的想法是，把Flex封装一套JS的地图接口是因为Flex入门有门槛，我们GIS开发人员既然都会Flex了，而且我们开发的地理信息系统，整个都是用Flex开发的，那肯定是直接用ArcGIS Flex API会更灵活，所以不用。

还有一个同事更牛，他直接去研究Flex，不会的就问我们，入门后直接封装了一套地图接口自己用。我们研究过他封装的接口，虽然功能简单了些，但定义接口时的出发点感觉明显和我们不一样，我们是站在功能的角度封装，尽量保证接口的复用度高，比如添加点，添加线，缓冲等功能。他是站在用户的角度封装，比如从数据库查出来一堆数据，把这堆数据直接丢给接口，就在地图上展示出来了。总体而言，他的接口封装度更高，更贴近他的实际使用习惯，而我们的接口更像是把ArcGIS的Flex接口翻译了一套JS的。

还注意到一个现象，经常有使用我们接口的业务开发人员跑过来问，为什么我的地图不显示？经历的多了，发现通常有两种原因，一种是地图服务的地址不对，当时的地图服务都是用ArcGIS server发布的，ArcGIS server地图服务的rest地址是个网页，这个网页打开后，有很多级的链接地址，业务人员不知道应该拷贝哪一级的地址，经常拷错，所以地图出不来。另一种是，添加多个地图时，地图间的坐标不一致，导致添加的地图不显示。

想想也是，地图服务和地图坐标这些知识对于不懂GIS的开发人员来说还是挺难的。

虽然第一版有这样那样的问题，但在当时还是提升了部门的整体工作效率。不光是C#开发人员可以自己去开发地图功能了，GIS组内部也通过这种形式，把分散在各个项目中的技术成果收集了起来，并不断的积累完善。

第二版 2016年

背景

换公司了，新公司做网安业务，有海量定位数据，GIS在其中的作用是，对定位数据进行提取、分析、展示，从而帮助客户解决业务问题。

公司的所有系统必须部署在客户内网，客户的内网是无法访问互联网的，而地图使用的又是互联网地图，这就需要把互联网地图瓦片下载下来，拷贝到客户内网发布。

公司有一个GIS应用系统，和GIS强关联的业务功会能放在这里。另外，其它部门有地图功能需求时，也会找到我们GIS部门，这个场景和上家公司很像。

所以，二话不说，第二版地图API走起。

技术架构

1. 这一版开始使用开源GIS。GIS前台选择了openlayers，有了第一版的经验，这一版重点解决了地图资源问题，和地图坐标问题。
   1. 解决地图资源问题。统一管理底图资源，提供多种互联网地图，包括高德地图、谷歌地图、天地图等，每种地图有个id，初始化地图时，根据id使用不同的底图。
   2. 解决地图坐标问题。对外统一使用wgs84坐标，地图API内部负责将wgs84坐标转换为和底图匹配的坐标，包括gcj02坐标、bd09坐标等。
2. GIS后台方面，因为定位数据都存放在大数据框架的数据库中，后台只有互联网离线地图瓦片需要发布，所以直接使用了tomcat发布瓦片，再在openlayers中写一个加载本地瓦片的功能，这就算GIS后台了。
3. 没有使用空间数据库，空间分析使用ArcGIS Engine开发控制台程序，再用Java后台调用控制台程序。
4. 接口写了详细的说明文档和调用示例。没有做包装，直接是word文档+html示例文件。

经验总结

1. 解决地图资源和坐标问题，可以大大提升用户体验。
2. 关于地图下载器，虽然大家都有能力自己写一个出来，但真的挺不划算的，最好的解决方案就是花公司的钱去买一个许可，站在公司的角度这都没几块钱。
3. ArcGIS Engine的版本，C#版的比较稳定，Java版的超级难用，非常不稳定，动不动就死给你看，更不要尝试去把它部署到Linux服务器，不要问我是怎么知道的。我当时为了在linux上部署，先开发了一版java的，部署后一天崩溃好几次，动不动就内存溢出，根本没法用，没办法只能重新写了一版C#的部署在windows服务器上。

第三版 2017年

背景

换公司了，新公司做管网业务，相比前面两家，业务和GIS的相关性更强一些，业务中需要对管网GIS数据进行编辑、存储、发布和应用。公司之前地图都是使用ArcGIS开发的，正在准备转开源GIS，于是我到公司后就顺理成章的开始了第三版地图API的开发。

在开发之前，我先仔细研究了高德和百度地图API，并问了自己两个问题：

一、为什么非GIS开发人员，能够用高德、百度地图API解决问题，却用不了ArcGIS，openlayers，leaflet？

二、非GIS开发人员在用互联网地图API时遇到了哪些问题？

下面是我自己的理解：

第一个问题是因为：1、非GIS开发人员不需要自己发布地图数据，地图都是官方提供的，只管用就行。2、互联网地图API的帮助文档和示例都是中文的。

第二个问题，我自己尝试使用后发现：1、互联网地图API的离线使用是个问题，它们都只能在线使用，如果遇到不能访问互联网的情况，就无法使用了，这问题在toG业务中还是挺常见的。2、互联网地图API只能用官方提供的地图坐标，不能集成其它坐标的地图资源。

从这一版起，我们开始尝试在用户体验上对标高德、百度地图API，学习对方的优点，避免对方的问题。

技术选型

GIS前台没有再继续使用openlayers，而是转向了更为轻巧的leaflet，当时的考虑是：

1. leaflet很小巧，核心代码结构简单容易理解，可塑性强，适合拿来改造为自己的API。
2. leaflet可以同时兼容web端和移动端。
3. 有esri维护的leaflet插件，能更好的兼容公司之前发布的ArcGIS地图服务。

GIS后台选择了geoserver。因为geoserver的资料比较丰富，能同时支持postGIS和SDE空间数据库。

GIS空间数据库选择了 postGIS，空间分析也主要使用 postGIS 的空间分析函数实现。

桌面端开发继续使用ArcGIS Engine，没有去尝试QGIS，主要原因是，公司之前在ArcGIS Engine上有大量的技术积累，已经形成了成熟的产品，转换成本会很高。

技术架构

在leaflet的基础上封装了一层自己的接口，原生leaflet接口不对外，当时的考虑是：

1. 和上一版一样，封装后容易解决互联网地图偏移的问题，对外统一使用wgs84坐标，内部根据不同的底图将数据转换为对应的坐标。
2. 可以实现类似JQuery那样的扁平化接口，简单易用。
3. leaflet中点的写法是[纬度,经度]，而我们通常更习惯使用[经度,纬度]的写法，可以通过封装顺便解决这个问题。

当需要复杂的GIS空间分析时，编写geoserver的扩展插件，插件连接PostGIS数据库，通过使用PostGIS空间分析功能，自己编写函数完成空间分析工作。

基于geoserver的rest接口实现地图服务的自动发布。在ArcGIS Engine开发的桌面软件中，先将GIS数据导入到空间数据库，再调用geoserver的rest接口发布地图，最终实现的效果和ArcGIS发布地图的体验相同。

搭建一个门户网站，内容包括帮助文档、地图资源、更新说明等，帮助文档以接口为线索，接口内部有接口说明和调用事例。地图资源中提供可以使用的所有地图，包括互联网地图和自己发布的业务地图，每个地图有个id，根据id就可以在API中轻松加载地图，不需要关心地图服务是如何发布的。

将PostGIS、geoserver、tomcat全部修改为绿色版本，方便项目部署。

经验总结

1. 可以使用SLDEditor软件解决geoserver不容易配图的问题。geoserver的配图不好用，尝试了在QGIS上配图，然后发布到geoserver上，发现QGIS上配图后生成的sld样式文件格式，有很多geoserver都不支持，也不知道是版本没对应上还是其它原因，最后找了个开源工具SLDEditor来编辑样式文件，完美解决问题，但整体的使用体验跟ArcGIS差很多。
2. PostGIS的空间分析功能很好用、很强大。所以空间分析功能，我们就主要用PostGIS来实现了，比如之前分享过的图形缓冲功能。
3. geoserver扩展更适合开发和生成地图服务相关的功能。GIS的空间分析功能一开始通过geoserver扩展插件实现，后来发现扩展插件的后台程序主要作用是数据传输，最主要的分析环节是在空间数据库PostGIS中实现的，而geoserver的扩展开发环境比较复杂，不如自己写的java后台好维护。geoserver扩展的优势是可以直接调用geoserver的资源和功能，它更适合开发和生成地图服务相关的功能。

第四版 2019年

背景

开发出第三版后，在部门中使用了一年多，整体反应良好，有一部分懂GIS的同事，之前使用的ArcGIS JS API，用了leaflet封装的上一版地图API后，他们的第一反应是这个好轻便，比ArcGIS JS API 小了好多，加载很快。

上一版发布后，我们留意了用户的使用习惯，大家的使用习惯基本都是先看示例，找到示例后，会直接把代码拷走使用，当示例不完全满足要求时，再去翻看API说明，最好的情况就是示例代码注释完善，一眼就能看懂，拷过来就能用。

当然在使用的过程中，也慢慢发现了一些问题。

懂GIS的同事反馈最强烈的是，能不能把原生接口放开。有个同事，每次都会先自己在网上找leaflet代码，确认能实现了再来找我们，让我们添加这个功能，甚至把资料链接都发过来了，整的我们都挺不好意思的。如果能把leaflet原生接口放开，有很多工作他自己就能解决了。

然后是我自己，当我需要研究一个新功能时，我的第一反应不是去用我自己封装的地图API，而是更愿意使用原生leaflet去写，因为是我觉得自己封装的地图API用起来不够灵活。

天呐！！！

这不就和第一版时，同事说：”你们自己开发的东西，自己都不用”，是一样一样的嘛，如果说第一版时还有Flex语言的因素，那这第三版从内到外都是JS写的，没什么好解释的，就是让人家说中了。

我们平时的工作，除了封装地图API，我们还有其它工作要做，上一版中，感觉我们很大一部分精力被消耗在了封装基础功能这件事上，导致没有时间去研究高级地图功能。如果能把原始接口放开，基础功能就可以直接使用原生接口，我们就有更多时间去研究高级地图功能。

能不能放开原生接口？

要放开原生接口面临几个问题：

1. 地图坐标偏移问题。
   之前通过封装，在对外接口和地图之间构建了一个坐标适配层，解决了坐标偏移问题。如果放开原生接口，就没有办法再使用这方式，需要想其它办法。
2. 用户使用习惯问题。
   不懂GIS的用户会不会习惯了扁平化接口，放开后觉得原生接口不好理解？leaflet中点的写法是[纬度,经度]，和平时使用的[经度，纬度]不同，会不会有人适应不了？
3. 版本向前兼容问题。
   上一个版本中为了追求接口的极简性，简化了很多数据格式类型，如果放开原生接口后，还要兼容这些格式将会产生很大的工作量，而且后续每增加一个功能都要考虑兼容这类数据的问题。

解决方案：

1. 针对坐标偏移问题。

   有两个方案，一是给用户提供一个坐标转换的接口，用户自己来转换坐标，但这样对用户不友好。二是对互联网地图瓦片进行纠偏，让地图统一坐标，不再偏移，这是最理想的，但有技术难点。不过，我们最终还是攻克了技术难点，采用了第二种解决方案，详见：leaflet中如何优雅的解决百度、高德地图的偏移问题。

2. 针对用户习惯问题。

   为什么百度、高德的地图API并没有使用扁平化接口，大家也没有觉得它们难用？我们研究后得出的结论是：在接口没有特别复杂的前提下，地图API如果能做到：能解决用户问题，bug少，示例丰富，说明文档清晰，大家就会觉得好用。接口是否是扁平化其实不怎么重要。而且，leaflet的原生接口本身就已经非常简洁了，单从简洁性考虑的话，没必要再封装。

3. 针对版本向前兼容问题。
   我们决定不对上一个版本兼容，让两个版本同时保留，慢慢过渡，新项目新产品推荐大家用这一版，老项目我们继续提供技术支持，但不再做功能升级。这样经过1、2年后，就能慢慢切换过来。事实证明这个决定是对的，现在已经过去2年多时间，部门里大部分系统都已经切换都了新版本。

技术架构

技术架构在上一版的基础上做如下调整：

1. 放开leaflet原生接口，不再对接口进行封装，改为以插件形式进行功能扩展。
2. 集成多种互联网地图资源，通过对瓦片纠偏的方式解决它们的坐标偏移问题，对外统一使用wgs84坐标。
3. 帮助文档由接口为线索改成以示例为线索，示例中的注释保证完善清晰，将示例代码中用到的方法给出类参考链接。
4. 将leaflet的类参考文档进行翻译，放到平台中。
5. 当有新的功能需求时，简单的功能不封装，直接给出示例，复杂的功能再考虑封装到插件中。
6. 和geoserver相关性不强的地图分析功能，迁移到java后台，geoserver中只保留和制图相关的功能。

经验总结

1. leaflet类参考的翻译工作没做好，一共没翻译几页，但奇怪的是大家从来没有抱怨过这个问题。后来观察发现，用户基本不看文档，更多的是看示例，示例没有的，会直接问我们，文档其实只有我们在看（捂脸）。
2. 有人问问题时，尽量以示例的方式记录下来，后续大家在示例中能找到这个问题就不会再问了。
3. 调用示例的名称目前是文字列表形式，文字毕竟有表达上的局限性，对比高德、百度地图API，他们在示例列表的前一步，用动图的方式直接展示示例的最终效果，这样更加直观容易理解。
4. 要尽量通过工具，让平台的维护变得简单，太复杂自己就不爱维护，最后平台容易废掉。

第五版 2021年

背景

这一版还没有完成，年前刚做完技术预研工作，这里先把整体的思路简单和大家分享一下。

总的来说，上一版已经很好用了，现在已经很少有来自用户的负面反馈。产品还曾在大项目中作为技术中台，提供给其他公司使用，同样效果很好。

但我们自己还是有追求的，和高德、百度地图API相比，我们在下面几点上还需要改进：

1. 地图美观度问题。
   地图的底图目前都是使用互联网地图瓦片，叠加上业务数据后，会遮盖底图中的注记，业务数据间的注记也不容易实现自动避让，再加上没有好用的地图配图工具，导致地图在展示多样数据时就会显得很乱、很丑。
2. 展示性能问题。
   地图有时需要一些动画效果，比如用动画效果表达管网中水的流动方向和快慢，在数据量较大时会出现明显的卡顿。
3. 地图配图问题。
   geoserver配图不好用，这个问题前面已经提到过，虽然使用SLDEditor可以生成配色文件，但一次只能生成一个图层，没有办法整体预览，效率太低，体验太差。高德、百度地图的自定义地图配图工具就很好用，美工可以直接上手，眼馋很久了。

这一版的目标是解决上面3个问题，并继续优化用户体验。

技术选型

前台改为使用mapboxgl，不再使用leaflet，原因有两个：

1. 性能。leaflet的上限在10万左右（详见：leaflet如何加载10万数据），而mapboxgl基于webgl技术开发，最大数据量取决于显卡性能和网络传输速度，理想情况下可以轻松达到百万级别。
2. 美观度。mapboxgl对矢量瓦片支持特别好，再结合maputnik可以轻松实现高德、百度地图的自定义地图功能。

地图配图使用maputnik，业务数据使用geoserver发布矢量瓦片，正常maputnik是不支持geoserver发布的矢量瓦片的，不过我们已经把这个问题解决了，详见：如何让矢量瓦片配图神器maputnik支持 geoserver

底图数据有两种方案：

1. 继续使用互联网地图栅格瓦片，适合对底图数据准确性要求较高的情况。
2. 在本地发布OSM矢量瓦片地图，目前网上没有可以直接使用的免费矢量瓦片资源，只能自己把OSM数据下载到本地自己发布。OSM地图在国内的数据质量比较差，如果你的业务对底图数据的准确性要求不高，对样式要求比较高，比如大屏展示系统，可以选用这个方案。具体方法详见： 如何实现OSM地图本地发布并自定义配图

地图可视化效果使用deck.gl、L7来实现。

经验总结

1. 使用maputnik同时加载geoserver发布的业务图层和本地发布的OSM底图，可以实现业务数据和底图的深度融合，比如把业务数据中的河流放到底图道路图层的下方，并实现标签的自动避让功能，类似这样的体验还是非常爽的。
2. OSM地图的合规性存疑，建议自行将中国的国界线校准一遍再用。

后续展望

1. 解决OSM地图数据量少的问题。

   第五版解决方案有一点不完美的地方是，OSM地图在国内的数据量较少，这也是在我年初的Flag中，想要通过机器学习自动提取建筑物轮廓的起因。

2. 研究三维GIS。

   之前的工作一直是二维GIS，三维GIS的业务比较少，也研究了cesium、ArcGIS js API 4.x、three.js 等，并在项目上有过使用，但对三维GIS的整体理解还是不像二维GIS那样通透，不能像二维GIS那样信心十足的给出一个自己满意的开源解决方案，所以在这块儿需要继续努力。

总结

关于地图API

在toG业务的公司中，想要通过开源GIS，打造一套在易用性上比肩高德、百度地图的API，需要注意以下几点：

1. 解决地图资源问题。把网上的地图资源整理好，把项目上的业务地图资源整理好，对外让用户可以直接使用。
2. 解决地图坐标系问题。要搞定互联网地图的偏移问题，和多种地图坐标间的转换问题，对外让用户只使用一种坐标。
3. 基础地图功能通过用户教育的方式实现，也就是提供完善的调用示例和说明文档。高级地图功能通过封装插件的方式实现，这样可以避免随着时间的推延，核心API越来越冗余。
4. 场景丰富的、可以直接使用的调用示例，比接口是否简介、文档是否详细更重要。
5. 用户觉得地图API是否好用的影像因素，从高到低排序：能不能解决问题、有没有bug、有没有丰富的示例、技术支持是否到位、文档是否清晰。
6. 己所不欲勿施于人。找一个真实的业务场景去使用自己的API，并不断的从中发现问题，解决问题，完善功能，直到自己觉得非常好用为止，这样可以强迫自己站在用户的角度去思考问题。如果自己都不愿意去用，那就肯定是不好用，最终不会走的长远。
7. 要做好技术支持工作。开发地图API需要一个长期的、持续迭代的过程，这个过程中难免有这样那样的问题，如果你的用户支持好，它能帮你弥补那些问题给用户带来的不好体验。
8. 学会通过工具提高平台维护效率。多去想想平台维护的过程中，哪些环节可以通过自动化或半自动的方式完成，比如生成文档环节、更新部署环节等，节省了时间好去研究更深层次的东西。

关于开源GIS解决方案

下面是我推荐的两种组合方案，其实都是前面提到过的，这里汇总一下。

轻量版：leaflet + geoserver + postGIS

这个组合网上的资料多，软件简单易用，普适性强，能满足绝大多数人对二维GIS的需求。

矢量瓦片版：mapboxgl + maputnik + geoserver + postGIS + openmaptiles + three.js

这个组合可以搭建出一套类似高德、百度地图的自定义地图，也可以实现白模三维地图，如果你比较看重地图可视化效果，那么推荐你使用这一套。

好了，就到这里吧。如果觉得对你有帮助，可以通过持续关注和多多分享来支持我们。

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