切片URL的格式为: http://{0}{1}.ortho.tiles.virtualearth.net/tiles/{0}{2}.{3}?g={4}, 参数{0}取值范围为{a, r, h}, 表示地图形式。Bing Maps提供卫星地图(a)、普通地图(r)和混合地图(h)3种地图数据; 参数{1}取值范围为{0, 1, 2, 3}, 代表4个Bing Maps的服务器, 用来平衡负载; 参数{2}表示地图切片的键值, 可以通过位置和需要显示的尺度计算得出; 参数{3}取值范围{png, jpeg, jpg}, 表示图片类型; 参数{4}是当前地图的版本, 一直在变化中。

Bing Maps地图切片数据采用金字塔结构组织存储。在第一层, 全球数据被分成2× 2个分块, 全球地图的大小为512 像素× 512像素。在下一个尺度, 每一分块又被分成4块, 因此, 每一层地图的大小为256× 2^level像素× 256× 2^level像素。

计算地图切片的键值, 首先需要将地理坐标换算为像素坐标。由于每一放大级别的地图大小都不同, 因此相同的地理坐标对应的像素坐标也不同。Bing Maps规定地图左上角坐标为(0, 0), 右下角坐标为(地图宽度-1, 地图高度-1)。这样, 如果给定了经纬度(WGS 84)和放大级别, 就可以计算出对应的像素坐标。即

pixelX=[(Longitude+180)/360]× 256× 2^level (1)

pixelY={0.5-lg[1+sin(Latitude× PI/180)]/[1-sin(Latitude× PI/180)]}/(4* PI)× 256× 2^level(2)

式中, (pixelX, pixelY)为目标点对应的像素坐标; Longitude为目标点的经度; Latitude为目标点的纬度; level为当前放大级别; PI为π 。

因此, 如果得到了像素坐标, 就可以计算出该像元所在的地图切片的行列号, 即

tileX=floor(pixelX/256)(3)

tileY=floor(pixelY/256)(4)

为了提高地图切片的索引和存储效率, Bing Maps为地图切片建立了四叉树索引, 用0、1、2、3分别表示切片的序号, 如图1所示^[1]。

图1

Fig.1

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	图1 Bing Maps切片编码方式Fig.1 Bing Maps Tiled System

切片的二维坐标被合并为一个一维字符串, 即“ 键值” 。每一个键值都唯一确定了在某一尺度上的一个地图切片。将地图切片坐标转换为键值的方法为: 首先将地图切片坐标以二进制形式表示, 然后将X和Y的编码交叉, 交叉的结果再以四进制表示, 最后转换为字符串。例如, 分块属于第3层, 坐标为(3, 5), 键值的计算方式为:

tileX=3=011₂(5)

tileY=5=101₂(6)

Key=100111₂=213₄=“ 213” (7)

得到键值以后, 就可以根据URL的格式获取指定坐标位置的地图切片了。这一步骤将是实现WMS的数据基础。

GetCapabilities请求用于查询WMS服务的元数据, 包括支持的服务、格式、空间坐标、地图列表及地图样式等。其主要目的是使客户端在使用GetMap请求前可以对WMS服务有一个基本的了解, 从而可以设置正确的参数。发送GetCapabilities请求以后, 服务器将返回一个XML文件, 包括Service、Capability等部分。

2.1.1 GetCapabilities请求

GetCapabilities通过URL向服务器发送请求, 请求的参数如表1所示。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 GetCapabilities参数说明 Tab.1 The parameters of GetCapabilities 请求的参数 是否强制 代表意义 VERSION=version 否 版本号 SERVICE=WMS 是 WMS服务器有可能同时提供了其他类型的服务, 该强制性参数指示哪个可用的服务类型将被激活 REQUEST=GetCapabilities 是 用来激活GetCapabilities操作 FORMAT=MIME_type 否 UPDATESEQUENCE=string 否

表1 GetCapabilities参数说明 Tab.1 The parameters of GetCapabilities

以下是一个请求样例:

http://< host> /< SERVICE> ?VERSION=1.1.1& REQUEST=getcapabilities& service=WMS

2.1.2 GetCapabilities响应

GetCapabilities请求返回的是一个元数据的XML文档, 该文档是对服务信息内容和可接受请求参数的一种描述, 这些文档是根据Web地图服务规范所规定的格式编写的。元数据的第一部分是< service> 元素, 为服务器提供元数据概览, 其中必须包括Name、Title和Online Resource URL; 第二部分是< capability> 元素, 该元素定义了服务所支持的实际操作, 包括< Request> 、< Exception> 和< Layer> , 其中最关键部分是< Layer> , WMS服务器提供的地理信息都被组织成了“ Layer” 用来绘制, 一个地图服务必须至少包含一个< Layer> 元素。

GetMap是WMS服务的核心内容, 服务器接收到GetMap请求以后, 按照URL的内容, 返回一幅包含空间参考信息的地图图片。

2.2.1 GetMap请求

GetMap的参数如表2所示。

表 2

Tab.2

表 2(Tab.2)

表 2 GetMap参数说明 Tab.2 The parameters of GetMap 请求的参数 是否强制 代表意义 VERSION=1.3.0 是 版本号 REQUEST=GetMap 是 用来激活GetMap操作 LAYERS=layer_list 是 该参数值是一个逗号分隔的列表, 列表元素为有效的图层名称 STYLES=style_list 是 以逗号分隔列表形式表示请求的每一图层的样式, STYLE值应该有效, 并且与LAYERS一一对应 CRS=namespace: identifier 是 声明了请求的地图的坐标投影系统代码 BBOX=minx, miny, maxx, maxy 是 该参数允许客户请求一个特定的显示范围。该参数的值为逗号分隔的一串实数列表, 形如: minx, miny, maxx, maxy WIDTH=output_width 是 该强制参数指定产生地图的大小, 单位为像素 HEIGHT=output_height 是 FORMAT=output_format 是 该强制参数声明了地图的要求格式 TRANSPARENT=TRUE|FALSE 否 该可选参数定义地图背景是否透明, 可取值“ TRUE” 和“ FALSE” , 默认和缺省时取值FALSE, 绘制透明像素的能力使得不同的地图请求可以被叠置生成一个复合地区 BGCOLOR=color_value 否 该可选参数为一个字符串, 用来指定地图将要使用的背景色(无数据区)。BGCOLOR通常的格式为一个RGB值的十六进制编码, 其格式为oxRRGGBB, 如果该参数在请求中缺失, 则默认的值为oxFFFFFF(白色) EXCEPTIONS=exception_format 否 TIME=time 否 ELEVATION=elevation 否 Other sample dimension(s) 否

表 2 GetMap参数说明 Tab.2 The parameters of GetMap

下面是一个请求样例:

http://< host> /< SERVICE> ?VERSION=1.1.1& REQUEST=Getmap& LAYERS=topp: states& STYLES=population& SRS=EPSG: 4326& BBOX=-125, 24, -67, 50& WIDTH=400& HEIGHT=200& FORMAT=image/png

2.2.2 GetMap响应

一个有效的GetMap请求响应应该是其请求的一幅地图图片。该地图图片满足要求的样式, 指定了地理参考系统、外包矩形、大小、格式和透明度。

对于GetCapabilities, 返回的结果是一个固定格式的XML文档。因为GetCapabilities提供了服务的元数据信息, 为了使其他客户端程序都能够正确解析Bing Maps-WMS服务, XML文档必须按照OGC规范的要求包含所有必须的元素, 并保证参数正确, 元数据的格式在文献^[2]中有明确的定义和说明, 在这里就不再赘述。

Bing Maps-WMS服务的核心是根据GetMap请求的参数返回地图图片。根据前面对Bing Maps切片原理的分析, 获得Bing Maps地图切片数据的关键就是确定当前的放大级别, 然后根据地理坐标计算在当前放大级别下地图切片的位置。GetMap请求中包含BBOX、WIDTH和HEIGHT 3个关键的参数, BBOX确定了显示数据的范围(地理坐标), WIDTH和HEIGHT限定了地图的大小(像素坐标)。通过这几个参数可以计算显示的尺度。用C#编写的核心代码如下:

double latRate=bbox[3]-bbox[1]/(MaxLatitude-MinLatitude);

double lonRate=bbox[2]-bbox[0]/(MaxLongitude-MinLongitude);

double rate=(lonRate> latRate)?lonRate: latRate;

double dis=(double)Math.Max(width, height);

double wholeDis=dis/rate;

int levelof Detail=(int)Math.Log(wholeDis/256, 2);

得到显示的尺度以后, 就可以计算在当前尺度下, BBOX范围内地图切片的位置。由于BBOX是矩形范围, 只需计算两个对角位置所在的地图切片序号。根据前面的分析, 首先需要将地理坐标换算为像素坐标, 用C#编写的核心代码如下:

double x=(longitude+180)/360;

double sinLatitude=Math.Sin(latitude* Math.PI/180);

double y=0.5-Math.Log((1+sinLatitude)/(1-sinLatitude))/(4 * Math.PI);

uint mapSize=(uint)256< < levelOfDetail;

int pixelX=(int)Clip(x* mapSize+0.5, 0, mapSize-1);

int pixelY=(int)Clip(y* mapSize+0.5, 0, mapSize-1);

得到像素坐标以后, 再将像素坐标换算为地图切片的坐标, 然后根据前面介绍的方法就可以计算出地图切片URL中所需要的键值了。由于Bing Maps地图切片数据都是256× 256的图片, 得到两个角点的地图切片坐标以后, 还需要将所有图片按正确的位置拼接起来, 形成一幅整个的地图。用C#编写的核心代码如下:

Bitmap bitmap=new Bitmap(imageWidth, imageHeight);

Graphics g=Graphics.FromImage(bitmap);

for(int i=minTileY; i< =maxTileY; i++)

{

for(int j=minTileX; j< =maxTileX; j++)

{

string keys=TileXYToQuadKey(j, i, levelofDetail);

string url=“ http://a1.ortho.tiles.virtualearth.net/tiles/a” +keys+“ .png?g=50” ;

WebRequest wr=WebRequest.Create(url);

WebResponse res=wr.GetResponse();

Image img=new Bitmap(res.GetResponseStream());

int pX=(j-minTileX) * mapSize;

int pY=(i-minTileY) * mapSize;

g.DrawImage(img, new Point(pX, pY));

}

}

通过前面介绍的步骤就可以获得GetMap请求中BBOX范围内的地图, 最后还要根据另外两个参数WIDTH和HEIGHT计算额外需要下载的地图切片, 最后组成由WIDTH和HEIGHT规定大小的图片。将拼接好的地图返回给客户端, 就完成了GetMap请求的响应过程。

Bing Maps-WMS服务是标准的WMS服务, 可以通过URL的方式发送请求, 以获得响应。GetCapabilities请求的URL示例如下:

http://localhost:8304/BMWMS/wms.ashx?SERVICE=WMS& REQUEST=GetCapabilities

服务器返回XML格式的元数据片段如图2所示, 该片段是元数据的< Service> 部分, 提供了元数据的概览。

图2

Fig.2

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	图2 GetCapabilities响应(片段)Fig.2 The Response of GetCapabilities

GetMap请求的URL示例如下:

http://localhost:8304/BMWMS/wms.ashx?REQUEST=GetMap& LAYERS=Bing& STYLES=& CRS=EPSG:4326& BBOX=-180, -85, 180, 85& WIDTH=600& HEIGHT=600& FORMAT=image/png& VERSION=1.3.0

根据参数BBOX=-180, -85, 180, 85可知, 将返回整个地球的地图, 服务器返回的图片如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 GetMap响应Fig.3 The response of GetMap

与其他WMS服务一样, Bing Maps-WMS可以被任何支持WMS服务的客户端程序加载。ArcGIS支持WMS服务, 首先在ArcCatalog中加载Bing Maps-WMS服务, 就可以在ArcMap中方便地使用Bing Maps数据了。图4是在ArcCatalog中加载Bing Maps-WMS服务的方法。

图4

Fig.4

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	图4 在ArcCatalog中加载Bing Maps-WMS服务Fig.4 Add Bing Maps-WMS with ArcCatalog