وب GIS به اشتراک گذاری داده های GIS، نقشه ها و پردازش فضایی

1. تعاریف
2. معرفی
3. معماری وب GIS
4. خدمات وب GIS
5. برنامه های کاربردی مشتری GIS
6. عملکرد وب GIS
7. امنیت و یکپارچگی داده ها در وب GIS
8. خدمات وب GIS در فضای ابری
9. وب GIS و جامعه

1. تعاریف

AJAX : جاوا اسکریپت ناهمزمان و XML. تکنیکی که به یک صفحه وب اجازه می دهد تا اطلاعات را از سرور بدون انجام یک رفرش کامل دریافت کند. در نقشه های وب برای ناوبری روان استفاده می شود.

API : رابط برنامه نویسی برنامه. مجموعه ای سازمان یافته از اجزای برنامه نویسی که می توانند برای توسعه برنامه ها با استفاده از یک زبان خاص استفاده شوند.

کلاینت : رایانه یا دستگاه دیگری که اطلاعات یا پردازش را از یک سرور درخواست می کند.

ابر : گروه شبکه ای از کامپیوترها که می توانند برای تکمیل زیرساخت محاسباتی خود استفاده شوند. دسترسی به ابرها اغلب با هزینه ای معین فروخته یا اجاره می شود.

HTTP(S) : پروتکل انتقال ابرمتن (ایمن). مجموعه ای از دستورات و پارامترهای قابل درک متقابل که اغلب توسط کلاینت ها و سرورها برای برقراری ارتباط از طریق اینترنت استفاده می شود.

سرور : رایانه ای قدرتمند که وظایف یا داده های تخصصی را ارائه می دهد و در صورت درخواست به رایانه ها یا دستگاه های دیگر (کلاینت ها) ارسال می کند.

SSL : لایه سوکت های امن. یک استراتژی امنیتی وب که در آن ارتباطات رمزگذاری شده و محدود به سایت هایی است که هویت آنها ثابت شده است. با پروتکل HTTPS استفاده می شود.

کاشی‌ها : بسته‌های تسلی‌شده یا بسته‌های داده‌های جغرافیایی، معمولاً به شکل مربع، که توسط سرور در مقیاس‌های مختلف تولید می‌شوند و برای بهبود سرعت تحویل نقشه در حافظه پنهان نگهداری می‌شوند. می تواند مختصات برداری یا تصاویر نقشه شطرنجی را ذخیره کند.

VGI : اطلاعات جغرافیایی داوطلبانه. داده های جغرافیایی ارائه شده توسط افراد غیر متخصص و جمع آوری شده از طریق فعالیت های روزمره و دستگاه های رایج، مانند گیرنده های GPS گوشی های هوشمند.

وب سرویس : کدی که روی سرور اجرا می شود و می تواند یک کار تخصصی را در پاسخ به درخواست مشتری انجام دهد.

2. مقدمه

وب GIS یک پیکربندی نرم‌افزاری و سخت‌افزاری رایانه‌ای است که امکان اشتراک‌گذاری نقشه‌ها، داده‌های مکانی و عملیات پردازش جغرافیایی را در سراسر شبکه خود و فراتر از آن با استفاده از پروتکل‌های ارتباطی رایج وب مانند HTTP (Dragićević، 2004) و WebSockets می‌دهد. در یک وب GIS، منابع اغلب بر اساس درخواست از یک ماشین متمرکز (یا “سرور”) ارسال می شوند. سازمان‌ها ممکن است برای به اشتراک گذاشتن قابلیت‌ها و منابع محاسباتی در میان بخش‌ها در اینترانت محلی، پیاده‌سازی وب GIS را انتخاب کنند، در حالی که سایرین ممکن است از وب GIS به عنوان وسیله‌ای برای انتشار اطلاعات به مخاطبان در سراسر جهان استفاده کنند (Plewe, 1997). در برخی شرایط حتی ممکن است از عموم دعوت شود تا داده ها را در یک محیط آنلاین به اشتراک بگذارند یا به روز کنند.

وب GIS نیاز کاربران نهایی به نصب نرم افزارهای پیچیده برای کار با اطلاعات جغرافیایی را کاهش می دهد، زیرا اکثر عملیات ها را می توان در مرورگرهای وب یا برنامه های سبک موبایل انجام داد. بنابراین، وب پتانسیل کاهش منحنی یادگیری GIS و افزایش دسترسی و قرار گرفتن در معرض GIS را برای عموم ارائه می دهد. پیاده‌سازی وب GIS بر روی سرورهای خود نیازمند سرمایه‌گذاری قابل توجهی در سخت‌افزار، نرم‌افزار و زیرساخت‌های اتصال و همچنین مهارت‌هایی برای پیوند دادن و پیکربندی آن اجزا است. در نتیجه، مدل‌های تجاری جدیدی در حال ظهور هستند که در آن GIS به عنوان بسته‌ای از خدمات در حال اجرا بر روی معماری‌های ابری فروخته می‌شود.

3. معماری وب GIS

یک وب GIS حول یک یا چند ماشین به نام سرورها متمرکز است که به درخواست‌های ماشین‌های دیگر به نام کلاینت پاسخ می‌دهند. سرورها معمولاً با قدرت محاسباتی بیشتری نسبت به کلاینت ها پیکربندی می شوند و عملیات تخصصی را در پاسخ به درخواست های مشتری اجرا می کنند. آنها همچنین ممکن است داده ها را برای پردازش به مشتریان ارسال کنند. سرورهای متمرکز بر GIS می توانند به ترتیب عملیات نقشه برداری و پردازش فضایی مانند ترسیم نقشه ها و اجرای الگوریتم های ژئومحاسباتی را انجام دهند (پنگ، 1999). کلاینت باید بداند که چگونه با پاسخ سرور کار کند، چه تصویری از نقشه، برخی مختصات جغرافیایی، فهرستی از ویژگی ها، برخی داده هایی که خود کلاینت باید پردازش کند و غیره.

سرورها باید به ترافیک شبکه ورودی و خروجی اجازه دهند که نیاز به پیکربندی قوانین فایروال توسط مدیران سیستم دارد. سرورهای GIS اغلب باید به انواع دیگر سرورها در شبکه متصل شوند تا وظایف خود را به طور کامل انجام دهند. برای مثال، وب سرور موجود یک سازمان باید برای نمایش و ارسال درخواست های دریافتی به سرور GIS پیکربندی شود. سازمان‌ها همچنین ممکن است یک سرور داده جداگانه داشته باشند که باید اجازه برقراری ارتباط با سرور GIS را داشته باشد. شکل 1 یک راه متداول را نشان می دهد که سرورها و کلاینت ها در یک معماری وب GIS به هم متصل می شوند.

شکل 1. عناصر یک معماری متداول وب GIS.

4. خدمات وب GIS

انواع گزینه های نرم افزاری تجاری و متن باز برای راه اندازی سرورهای GIS موجود است. به عنوان مثال می توان به GeoServer ، MapServer و Esri ArcGIS Enterprise اشاره کرد . ویژگی مشترک اصلی آنها توانایی ایجاد وب سرویس برای GIS و نقشه برداری است. وب سرویس قطعه ای از کد است که روی سرور اجرا می شود و می تواند در پاسخ به درخواست مشتری اقداماتی را انجام دهد. به عنوان مثال، یک سرویس وب ممکن است برخی مختصات مرزی و یک قالب تصویر را از مشتری دریافت کند، یک تصویر نقشه بکشد و سپس تصویر را برای مشتری ارسال کند. نوع دیگری از وب سرویس ممکن است مختصات ویژگی های برداری را دریافت کند، تقاطع آن ویژگی ها را محاسبه کند و مختصات مجموعه ویژگی های متقاطع را برای مشتری ارسال کند.

برای اینکه مشتری و سرور با موفقیت تعامل داشته باشند، هر دو باید فرمت و پروتکل صدور درخواست و دریافت پاسخ را درک کنند. اکثر تراکنش‌های وب GIS از طریق پروتکل انتقال فرامتن (HTTP) یا HTTPS مشابه رمزگذاری‌شده آن اجرا می‌شوند. علاوه بر این، کلاینت و سرور باید یک نحو مشترک برای پارامترهای درخواست و فرمت داده‌هایی که باید برگردانده شوند، درک کنند. برای تسهیل این امر، کنسرسیوم فضایی باز (OGC) مشخصات باز را برای خدمات وب GIS تعریف کرده است. این خدمات شامل سرویس نقشه وب (WMS) و سرویس کاشی نقشه وب (WMTS) برای درخواست نقشه، سرویس ویژگی وب (WFS) برای درخواست هندسه و ویژگی های ویژگی برداری، سرویس پوشش وب (WCS) برای درخواست های داده های شطرنجی و سرویس پردازش وب (WPS) برای عملیات پردازش داده های مکانی.

5. برنامه های کاربردی مشتری GIS

مشتریان یک وب GIS می توانند شامل برنامه های دسکتاپ نصب شده محلی، برنامه های مبتنی بر مرورگر و برنامه های موبایل بومی باشند. رابط‌های برنامه‌نویسی برنامه‌نویسی منبع باز و اختصاصی (API) برای ایجاد برنامه‌های وب و موبایل سفارشی که خدمات وب GIS را مصرف می‌کنند، فراوان است. اینها شامل لایه‌های باز ، برگه و APIهای ArcGIS هستند . به منظور ارائه یک تجربه کاربری بصری، این برنامه های مشتری و API ها اغلب جزئیات تمام درخواست های سرویس وب را که در پس زمینه رخ می دهند پنهان می کنند. به عنوان مثال، کاربر یک برنامه مشتری ممکن است بدون نیاز به دانستن تمام پارامترهای مورد نیاز برای وب سرویس پشتیبان برای ترسیم مجدد نقشه با مقیاس جدید و مختصات مرزی، نقشه را حرکت داده و بزرگنمایی کند.

بسیاری از نقشه های نمایش داده شده در برنامه های مشتری از چندین سرویس وب سرچشمه می گیرند که هر کدام به عنوان لایه در نقشه نمایش داده شده نهایی در نظر گرفته می شوند. به عنوان مثال، یک گردش کار رایج درخواست یک تصویر نقشه پایه از یک وب سرویس و یک پوشش نقشه موضوعی از وب سرویس دیگر است. لایه موضوعی را می توان به عنوان یک تصویر یا به عنوان داده های برداری برای ترسیم توسط مشتری درخواست کرد. برنامه مشتری لایه‌ها را ترکیب می‌کند و ممکن است به کاربر نهایی اجازه دهد تا قابلیت مشاهده یا سفارش خود را تغییر دهد. جداسازی نقشه پایه از لایه‌های موضوعی به مشتریان اجازه می‌دهد تا از نقشه‌های پایه در بسیاری از برنامه‌ها مجدداً استفاده کنند یا از نقشه‌های پایه از اشخاص ثالث معروف مانند Google Maps استفاده کنند. اصطلاح “mashup” اغلب برای توصیف یک نقشه ایجاد شده از دو یا چند سرویس وب به این روش استفاده می شود.

سرور می‌تواند داده‌های برداری را به‌عنوان یک فایل مستقل یا مجموعه‌ای از ویژگی‌ها به برنامه‌های مشتری ارائه دهد. فرمت های محبوب فایل برای این نوع داده ها عبارتند از GeoJSON، Esri GeoServices JSON و KML. OGC همچنین مشخصاتی را برای ویژگی های برداری به نام زبان نشانه گذاری جغرافیایی (GML) تعریف کرده است، اگرچه پرحرفی این قالب به نگرانی های عملکرد منجر شده است (Yang, Wong, Yang, Kafatos, & Li, 2005). رویکرد ترسیم گرافیک روی کلاینت تعامل را ارتقا می‌دهد و به طور کلی سرعت را بهبود می‌بخشد، اگرچه زمانی که فایل‌ها دارای ویژگی‌های زیادی هستند، می‌تواند سرعت برنامه‌ها را نیز کاهش دهد.

برخی از برنامه‌های سرویس گیرنده ممکن است امکان ویرایش ویژگی‌های برداری را که بین یک پایگاه داده GIS انجام می‌شود را فراهم کنند. مدیران وب GIS باید تصمیم بگیرند که آیا نسخه تولیدی پایگاه داده خود را برای ویرایش در معرض دید قرار دهند یا اینکه ویرایشگرها را به اصلاح یک نسخه میانی که توسط یک تحلیلگر با کیفیت بررسی می شود محدود کنند. همچنین زمانی که چندین ویرایشگر به طور همزمان روی یک پایگاه داده کار می کنند، باید خط مشی هایی برای حل تعارض ایجاد شود، به خصوص اگر این ویرایشگرها معمولاً تغییرات انبوه را پس از جلسات ویرایش آفلاین آپلود می کنند. یک راه حل ساده، خط مشی «آخرین در برد» است که در آن آخرین ویرایش آپلود شده اولویت دارد. موارد استفاده پیچیده‌تر ممکن است نیاز به نسخه‌سازی داده یا بررسی تضاد بر اساس ویژگی به ویژگی داشته باشند.

کاربران GIS به طور فزاینده ای از دستگاه های تلفن همراه مانند گوشی های هوشمند و تبلت ها به عنوان مشتریان سرورهای GIS استفاده می کنند. از آنجایی که این دستگاه ها به راحتی قابل حمل هستند، می توانند اطلاعات موقعیت مکانی را در زمان واقعی به سرور ارسال کنند، زیرا دستگاه از مکانی به مکان دیگر منتقل می شود. با این حال، سرویس گیرندگان تلفن همراه در شرایطی که اتصالات به سرور متناوب یا در دسترس نیستند نیز مفید هستند. برای پشتیبانی از این سناریوهای آفلاین یا نیمه متصل، سرور گاهی اوقات به استخراج داده یا عملکرد دانلود اجازه می دهد تا برخی از داده ها به صورت محلی در دستگاه قرار گیرند تا برای کار میدانی آماده شوند. سرور همچنین ممکن است اجازه آپلود داده یا اقدام همگام‌سازی را بدهد که در آن ویرایش‌های انجام‌شده در فیلد را می‌توان به سرور ارسال کرد و با نسخه سرور از داده‌ها تطبیق داد.

6. عملکرد وب GIS

کاربران وب انتظار پاسخ سریع از برنامه های خود دارند که می تواند با حجم عظیم داده ها و پردازش های مورد نیاز GIS چالش برانگیز باشد. مدیران می توانند با کاهش تعداد تراکنش های بین کلاینت ها و سرورها و همچنین میزان اطلاعات در هر تراکنش، سرعت را بهبود بخشند. فقط حداقل لایه های نقشه لازم و داده های ویژگی باید در درخواست ها و پاسخ های سرور گنجانده شود. ساده‌سازی نمادهای نقشه، هندسه مختصات برداری، و اعداد اعشاری (از طریق گرد کردن) می‌تواند اندازه یا بار تراکنش‌های وب را کاهش دهد، با آگاهی از این که چنین اقداماتی مقداری دقت را از بین می‌برد.

استراتژی های سرعت بخشیدن به عملکرد نقشه وب شامل استفاده از نمایه سازی درختی، چند رشته ای و محاسبات خوشه ای است (یانگ و همکاران، 2005). تاکتیک دیگر این است که نتایج درخواست های رایج را از قبل محاسبه کنید. برای مثال، اگر کاربران وب به طور مکرر نیاز به مشاهده اندازه‌گیری مساحت چند ضلعی‌ها داشته باشند، این مناطق را می‌توان با استفاده از نرم‌افزار دسکتاپ از قبل محاسبه کرد و در یک فیلد ویژگی نوشت. سرور می تواند این مقدار را سریعتر از محاسبه مساحت برگرداند.

یکی دیگر از مثال‌های رایج پیش‌محاسبه، تقسیم داده‌ها به یک هرم چند مقیاسی از مناطق تسلی‌شده یا «کاشی‌ها» است که سرور بدون نیاز به استخراج یا ترسیم داده‌ها در زمان واقعی، آن‌ها را ذخیره می‌کند و به مشتریان ارسال می‌کند. ادغام کاشی های نقشه شطرنجی شده از پیش ترسیم شده با تکنیک های واکشی جاوا اسکریپت ناهمزمان و XML (AJAX) یک تجربه ناوبری نقشه را به قدری سریع ایجاد می کند که می تواند “یکپارچه” به نظر برسد. این رویکرد که توسط Google Maps در اواسط دهه 2000 مورد استقبال قرار گرفت، اکنون در نقشه های وب رایج است.

اخیراً، موتیف کاشی به بسته‌های داده‌های برداری که توسط مشتری ترسیم می‌شوند، گسترش یافته است، که امکان تنظیم مجدد انعطاف‌پذیری نقشه‌برداری را نسبت به کاشی‌های شطرنجی‌شده فراهم می‌کند. فناوری WebGL (کتابخانه گرافیک وب) اغلب برای ترسیم کاشی‌های برداری یا ویژگی‌های موضوعی در سمت کلاینت به روشی سریع‌تر از روش سنتی SVG (گرافیک برداری مقیاس‌پذیر) استفاده می‌شود.

7. امنیت و یکپارچگی داده در وب GIS

مدیران وب GIS باید اطمینان حاصل کنند که داده های حساس برای مخاطبان بزرگتر از آنچه در نظر گرفته شده است، آشکار نمی شود. قوانین امنیتی را می توان در سطوح مختلف اعمال کرد و ممکن است دسترسی به برنامه های کاربر نهایی، سرویس های وب GIS، لایه های نقشه، ویژگی های جغرافیایی یا ویژگی های ویژگی را محدود کند (Bertino، Thuraisingham، Gertz و Damiani، 2008). هنگامی که داده های برداری اختصاصی یا دارای حق چاپ هستند، ممکن است مطلوب باشد که فقط یک تصویر شطرنجی از داده های نقشه نشان داده شود تا اینکه اجازه دانلود هر مختصات راس داده شود. محدودیت‌هایی باید در محدوده درخواست‌های خدمات وب قرار داده شود تا از خراش‌های وب، دانلودهای انبوه یا کارهای پردازش داده‌های عظیمی که سرور را (چه عمدی یا ناخواسته) سنگین می‌کند، جلوگیری شود.

مدیران وب GIS باید با کارکنان مدیریت فناوری اطلاعات موجود سازمان خود همکاری نزدیک داشته باشند تا از ایمن بودن خدمات وب اطمینان حاصل کنند. برای کنترل اداری بیشتر و راحتی کاربر نهایی، سیستم‌ها و برنامه‌های GIS وب باید در صورت امکان با زیرساخت ورود به سیستم موجود سازمان یکپارچه شوند. روش‌های استاندارد ایمنی وب می‌توانند امنیت یک GIS را افزایش دهند، مانند اعطای حداقل امتیازات لازم برای انجام کارهای خود، محدود کردن دسترسی فیزیکی به ماشین‌های سرور، نیاز به رمزهای عبور قوی که به طور منظم تغییر می‌کنند و غیره. تمام رمزهای عبور و هر داده مکانی یا جدولی حساس باید به صورت رمزگذاری شده از طریق اتصالات لایه سوکت های امن (SSL) منتقل شوند. هر ورودی کاربر مجاز به وب GIS باید توسط کد سرویس گیرنده و سرور برای اهداف مخرب بررسی شود.

8. خدمات وب GIS در فضای ابری

خدمات وب GIS و نقشه برداری می توانند بر روی سرورهای داخلی یا سخت افزار مبتنی بر ابر اجرا شوند. رایانش ابری همچنین امکان کالایی سازی GIS را از طریق یک مدل نرم افزاری به عنوان سرویس (SaaS) فراهم می کند که در آن شرکت ها خدمات وب GIS را در ازای هزینه استفاده ارائه می دهند. به عنوان مثال می توان به Esri ArcGIS Online ، CARTO و Mapbox اشاره کرد . خدمات مبتنی بر هزینه ارائه شده در ابر ممکن است شامل ذخیره سازی داده، مشاهده نقشه آنلاین، کدگذاری جغرافیایی، مسیریابی و استفاده از الگوریتم های پردازش فضایی باشد. یکی از مزایای این پیشنهادات این است که نیازی به خرید و مدیریت سرورهای GIS در محل نیست. با این حال، کاربران همچنان باید به سرعت اتصال به اینترنت و پهنای باند، و همچنین اندازه و امنیت انتقال داده ها توجه کنند.

یکی دیگر از مزیت های GIS در فضای ابری کشش یا قابلیت گسترش منابع محاسباتی back-end برای پاسخگویی به حوزه مشاغل بزرگ است. سازمان هایی با زیرساخت سایبری بزرگ می توانند خدمات GIS را در ابرهای خود ادغام کنند تا از مزایای کشش بهره ببرند.

کاربران خدمات ابر GIS باید به اقتصاد توجه کنند تا بفهمند که آیا هزینه های مربوط به خدمات ابری کمتر از هزینه های استقرار سرور در محل است یا خیر. این محاسبات باید شامل هزینه سخت افزار، نرم افزار، زیرساخت (مانند ساختمان فیزیکی و تاسیسات) و منابع انسانی مورد نیاز برای راه اندازی یک سرور باشد.

9. وب GIS و جامعه

سازندگان نقشه ها و داده های GIS اغلب به وب به عنوان یک راه ساده برای ارائه محتوا به عموم متکی هستند. این شامل اشتراک‌گذاری فایل‌های داده‌ای وکتوری و شطرنجی قابل دانلود از طریق وب‌سایت‌های قابل جستجو است که گاهی اوقات به آنها پورتال جغرافیایی می‌گویند. در جایی که دولت ها موظف به اشتراک گذاری داده ها هستند، انجام این کار به صورت آنلاین می تواند مقرون به صرفه تر از استفاده از فرمت های سنتی رسانه های سخت باشد (Plewe 1997). وب همچنین پتانسیل مشارکت عمومی GIS (PPGIS) را افزایش می دهد. به عنوان مثال، دعوت از بازدیدکنندگان پارک ملی برای اشاره و کلیک بر روی یک نقشه وب برای شناسایی مناطق با ارزش ذاتی بالا و مکان‌های فاقد نگهداری (براون و وبر، 2011).

تعامل فزاینده برنامه‌های مبتنی بر مرورگر و موبایل، همراه با ارزان بودن نسبی گیرنده‌های ناوبری ماهواره‌ای، امکان ایجاد عمومی عمومی داده‌های مکانی را از طریق وب فراهم کرده است. این قابل توجه است زیرا چنین فعالیت هایی به طور سنتی در انحصار کارشناسان آموزش دیده بود. تغییرات جزر و مد در بسیاری از لایه‌های ایجاد شده توسط کاربر به اشتراک گذاشته شده در Google Earth، ظهور پروژه‌های داوطلبانه اطلاعات جغرافیایی (VGI) مانند OpenStreetMap مشهود است.، یا پیوست ساده مختصات جغرافیایی به پست های رسانه های اجتماعی. علاوه بر این، قالب‌های برنامه کاربردی وب آماده و فریم‌های قابل جاسازی، معرفی نقشه‌ها و GIS به برنامه‌های مشتری را برای افراد غیر متخصص آسان‌تر کرده است. اینکه این اشکال «نئوجغرافی» تا چه اندازه نقشه برداری و ایجاد داده های مکانی را دموکراتیک کرده است، محل بحث فعال است (ترنر، 2006؛ گودچایلد، 2007؛ هاکلی، 2013)، اگرچه وب مطمئناً امکان دستیابی به نقشه برداری های جایگزین و نقشه های متقابل را فراهم کرده است. مخاطب گسترده تر از آنچه در غیر این صورت ممکن بود.