（地图制图学与地理信息工程专业论文）基于开源平台下的web+gis原理研究与应用.pdf

摘要 随着i n t e m e t 技术的不断发展和人们对地理信息系统( g i s ) 应用需求的持续增加， 利用网络发布空间数据，实时为大众和特定专业用户提供所需的各类基础性或专题类空 间数据的浏览、查询和分析等服务，已经成为g i s 发展的主要任务和必然趋势。应运而 生的w e bg i s 为地理信息的网络发布和各种服务提供了现实的基础平台。在w e b 基础 上，g i s 的功能得以强劲扩展和延伸，g i s 通过网络方式进入千家万户的时代已经来临。 本文首先系统介绍了w e b 的概念及所涉及的基本知识，剖析了w e bg i s 的物理构 成、基本原理及现阶段w e bg i s 实现的几种方式。在多方论证和现实可行性比较的基础 上，对时下国内几种较流行的商业化w e bg i s 平台，特别是其核心技术进行了优劣评价， 从而确定本文研究工作的w e bg i s 应用设想和解决方案。依据国防科工委的“核电厂工 程地质数据库和信息查询系统 项目具体需求，基于开源的w e b 平台( a p a c h e + t o m c a t ) 搭配a r c l m s 模块，设计、制作并组建了核电厂专题信息应用发布型w e bg i s 系统，初 步实现了基于i n t r a n e t 的核电厂地图数据网络发布和检索、查询等基本功能，对w e bg i s 平台下专题地理信息系统开发特别是信息发布、操作等技术实现做了有益探索。 在整个项目研究和论文写作过程中主要取得以下几个方面成果和收获： 1 ) 系统学习并掌握了w e b g i s 开发的基本理论和方法； 2 ) 根据项目需求和w e b g i s 发展现状，针对项目专题信息确定了现实可行的发布、 检索、查询一揽子解决方案； 3 ) 基于开源w 曲平台( a p a c h e + t o m c a t ) ，搭配a r c l m s 模块，组建w e bg i s 信息 发布平台，实现w e bg i s 开发应用； 4 ) 基于j a v a 开发平台，依据核工业工程勘察院项目具体需求，设计、制作了核电 厂网络版网页文件和网络版地图数据； 5 ) 在组建的基于开源w e b 平台的w e bg i s 系统上，成功发布核电厂项目相关信息， 实现此项目需求的信息发布、检索、查询等基本功能； 6 ) 在此w e bg i s 平台上，成功实现多种数据( s h a p e f i l e ，影像数据格式) 的信息 发布。 关键词：w e bg i s ，i n t e r n e t ，地理信息系统，开源平台，w e bg i s 原理 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fi n t e r a c tt e c h n o l o g ya n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m s ( g i s ) a p p l i c a t i o n sc o n t i n u et oi n c r e a s e dd e m a n d ，t h eu s eo fw e bp u b l i s h i n go fs p a t i a l d a t a , r e a l - t i m ep r o f e s s i o n a lf o rt h eg e n e r a la n ds p e c i f i ct y p e so f u s e r sw i t hb a s i cr e q u i r e m e n t s o rt h e m a t i cc a t e g o r i e so fs p a t i a ld a t ab r o w s i n g ，q u e r ya n da n a l y s i ss e r v i c e s ，t h a th a sb e c o m e g i s sm a i nt a s ko fd e v e l o p m e n ta n da ni n e v i t a b l et r e n d c a m ei n t ob e i n gf o rt h ew e bg i s g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o na n dt h ew e bp u b l i s h i n gs e r v i c ep r o v i d e r sb a s e do n ar e a l i s t i c p l a t f o r m i nt h ew e bb a s e do n ，g i sc a l lb eas t r o n gf u n c t i o no ft h ee x p a n s i o na n de x t e n s i o n ， g i si n t ot h et e n so ft h o u s a n d so fh o u s e h o l d st h r o u g ht h en e t w o r ke r ah a sa r r i v e d t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ef i r s ts y s t e m ，t h ec o n c e p to fw e ba n dt h eb a s i ck n o w l e d g e i n v o l v e di n ，w e bg i sa n a l y s i so f p h y s i c a lc o m p o s i t i o n ，t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n da tt h i ss t a g eo f w e bg i si ns e v e r a lw a y st oa c h i e v e a n dr e a l i t yi nt h ef e a s i b i l i t yo fm u l t i a r g u m e n tb a s e do n t h ec o m p a r i s o n ，s e v e r a lo ft h em o r ep o p u l a ra m o n gd o m e s t i cc o m m e r c i a lw e bg i sp l a t f o r m ， e s p e c i a l l yi t sc o r et e c h n o l o g yf o re v a l u a t i o no ft h es t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e s ，i no r d e rt o d e t e r m i n et h ew o r ko fw e bg i sa p p l i c a t i o n sa n ds o l u t i o n se n v i s a g e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n g t oc s t i n dt h e ”n u c l e a rp o w e rp l a n te n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ld a t a b a s ea n di n f o r m a t i o n s y s t e m ”p r o j e c ts p e c i f i cn e e d s w e b b a s e dp l a t f o r mf o ro p e ns o u r c e ( a p a c h e + t o m c a t ) w i t h a r c i m sm o d u l e ，d e s i g n ，p r o d u c t i o na n ds e tu pan u c l e a rp o w e rp l a n tr e l e a s e df e a t u r e i n f o r m a t i o n - b a s e dw e bg i sa p p l i c a t i o ns y s t e m ，i n t r a n e tb a s e do nt h ei n i t i a lr e a l i z a t i o no ft h e n u c l e a rp o w e rp l a n tm a pd a t an e t w o r kp u b l i s h i n ga n dr e t r i e v a l ，b a s i cf u n c t i o n ss u c ha s q u e r y , w e bg i sp l a t f o r mo ft h e m a t i cg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e md e v e l o p m e n t ，e s p e c i a l l y i ni n f o r m a t i o np u b l i s h i n g ，t e c h n o l o g yo p e r a t i o nh a sd o n eau s e f u le x p l o r a t i o n t h ee n t i r ep r o j e c ti nr e s e a r c ha n dt h e s i sw r i t i n gp r o c e s st oo b t a i nt h ef o l l o w i n gm a i n r e s u l t sa n dh a r v e s t ： 1 ) c o m p r e h e n s i v el e a r n i n ga n ds k i l l sd e v e l o p m e n to f t h ew e b g i st h eb a s i ct h e o r i e sa n d m e t h o d s ； 2 ) a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fp r o je c ta n dt h ed e v e l o p m e n to fw e b g i s ，c o n t r a r yt o p r o j e c tt h e m a t i ci n f o r m a t i o n ，i d e n t i f i e dr e a l i s t i cr e l e a s e ，r e t r i e v a l ，q u e r yp a c k a g es o l u t i o n ； 3 ) b a s e d o n o p e n s o u r c e w e bp l a t f o r m ，w i t ha r c l m sm o d u l e ，t h ef o r m a t i o no f i n f o r m a t i o nr e l e a s ep l a t f o r mo fw e bg i s ，r e a l i z a t i o nd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h ew e b g i s ； 4 ) b a s e do nj a v ad e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fp r o je c tf o rn u c l e a r e n g i n e e r i n gi n v e s t i g a t i o ni n s t i t u t e ，d e s i g n ，p r o d u c e dan u c l e a rp o w e rp l a n to n l i n ev e r s i o no f p a g e so fd o c u m e n t sa n d o n l i n ev e r s i o no fm a pd a t a ； 5 ) i nt h ef o r m a t i o no fo p e n s o u r c ew e b - b a s e dp l a t f o r mf o rt h ew e b g i ss y s t e m ，p u b l i s h e d i n f o r m a t i o no nt h en u c l e a rp o w e rp l a n tp r o j e c t s ，t h ed e m a n df o rt h er e a l i z a t i o no ft h i sp r o j e c t i n f o r m a t i o n ，r e t r i e v a l ，q u e r ya n do t h e r b a s i cf u n c t i o n s ； 6 ) i nt h ew e bg i sp l a t f o r m ，i m p l e m e n t a t i o no faw i d er a n g eo fd a t a ( s h a p e f i l e ，i m a g e d a t af o r m a t ) o fi n f o r m a t i o n k e yw o r d s ：w e bg i s ，i n t e r a c t ，g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，o p e ns o u r c ep l a t f o r m ， p r i n c i p l e so fw e bg i s i l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：拍、1 丰 彳年哕月斗目 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 砷年哆月印日 溯 年r 其咪日 | 长安大学硕士论文 1 1 研究背景 第一章绪论 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是融合计算机图形和数据库 于一体，用来存储和处理空间信息的高新技术，它把地理位置和相关属性有机地结合起 来，根据用户的需求将空间信息及其属性信息准确真实、图文并茂地输出给用户，满足 城市建设、企业管理、居民生活对空间信息的要求，借助其独有的空间分析功能和可视 化表达功能，进行各种辅助决策1 3 】。 在全球协作的商业时代，8 5 以上的企业决策数据与空间位置相关，例如客户的分 布、市场的地域分布、原料运输、跨国生产、跨国销售等。对于包罗万象的信息，传统 方法局限于枯燥无味的数据处理和表现，缺乏直观性和决策可视化，而g i s 能够帮助人 们将电子表格和数据库中无法看到的数据之间的模式和发展趋势，以图形的形式清晰直 观的表现出来，进行空间可视化分析，实现数据可视化、地理分析与主流商业应用的有 机集成，从而满足企业决策多维性的需求。g i s 可以将晦涩抽象的数据表格变为清晰简 明的彩色地图，帮助企业进行商业选址，确定潜在市场的分布、销售和服务范围；寻找 商业地域分布规律、时空变化的趋势和轨迹；此外，还可以优化运输路线，进行资源调 度和资产管理。 g i s 作为计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的一种边缘性学科， 其发展与其他学科的发展密切相关。近年来g i s 技术发展迅速，其主要的源动力来自日 益广泛的应用领域对地理信息系统不断提高的要求；另一方面，计算机科学的飞速发展 为地理信息系统提供了先进的工具和手段。许多计算机领域的新技术，如i n t e m e t 技术、 面向对象的数据库技术、三维技术、图像处理和人工智能技术等都可直接应用到g i s 中 从而使g i s 呈现出网络化、开放性、虚拟现实、集成化、空间多维性等发展趋势【3 】。 自2 0 世纪9 0 年代后期以来，互联网( i n t e m e t ) 技术得到了迅速的发展，几乎进入 了人类社会生活的各个领域，对社会文明的进步和经济的发展产生了极为深远的影响， i n t e m e t 技术正在改变着整个世界。人类进入2 1 世纪后，信息技术更加迅猛发展，随着 通信、视频、宽带等信息网络与i n t e m e t 相互融合步伐的加快，以及下一代互联网i n t e m e t 2 技术的日趋成熟，一些影响互联网普及和进一步应用的技术制约因素将得到解决，互 联网日益成为信息化社会信息交流、信息获取的重要工具。基于i n t e m e t 的b r o w s e r s e r v e r 第一章绪论 体系结构的应用模式已经成为一种新的工业标准，被广泛用于信息的发布、检索等诸多 领域。毫无疑问，互联网已经成为当今世界最大的信息网络【2 】。 g i s 技术的飞速发展虽然为地理信息的电子化、可视化、网络化、中央存储管理化 带来了重大革新，但地理信息只局限于局域网络内部使用，而社会对地理信息的需求在 不断增长。i n t e m e t 技术的迅速发展为g i s 提供了一种崭新而又非常有效的地理信息载 体，尤其是“数字地球 概念的提出引起了人们对g i s 技术的广泛关注，已经成为新的 研究热点。这就使得i n t e m e t 环境下的空间信息处理技术成为实现“数字地球 的关键 支撑技术之一，因而受到整个信息领域的高度重视。这种技术把多维虚拟现实技术 ( h y p e r v r ) 、计算机技术、遥感技术( r s ) 、地理信息系统( g i s ) 、全球定位系统( g p s ) 、 网络技术、通讯技术等融为一体。g i s 的网络化应用趋势已成为必然，以单机或局域网 络为操作平台的工作模式终将被i n t e m e t 操作平台所取代【2 】o 1 2 万维网地理信息系统( w e bg t s ) 基本概念 万维网地理信息系统( w 曲g i s ) 指基于i n t e r n e t 平台、客户端应用软件采用w w w 协议运行在万维网上的地理信息系统。时常人们也将这一技术通称为互联网地理信息系 统，即：互联网g i s ，因特网g i s ，i n t e m e tg i s 2 1 。它是利用互联网技术来扩展和完善 地理信息系统的一项新技术，其核心是在地理信息系统中嵌入h t t p 和t c p f l p 标准的 应用体系，实现互联网环境下的空间信息管理等地理信息系统功能。由于w e b 仅是基 于互联网技术而发展起来的一种技术，从更广泛的意义上讲，w e bg i s 仅是互联网地理 信息系统( i n t e m e tg i s ) 中的一种。随着技术的进步，客户端也可能采用新的应用协议， 产生新协议环境下的互联网地理信息系统。总之，它是地理信息系统技术和互联网技术 相结合产生的一种崭新的、革命性的新技术，使基于地图( 图形、图像) 的应用系统得 以通过互联网技术在各行各业中得到广泛的应用。 w e bg i s 是由多主机、多数据库与多台终端，通过i n t e m e t 、i n t r a n e t 连接而组成的。 实际上w e bg i s 常常是通过i n t e m e t 连接大量的、分布在不同地点的不同部门的独立的 g i s 系统组成。由于w e bg i s 具有客户服务器结构，因而客户端具有获得各种空间信 息和应用的功能，在服务器端系统向客户端提供信息或系统服务。对于g i s 应用来说， 人们要求在互联网上不仅能够浏览文字信息，而且需要浏览大量的动态交互图形信息， 并且不同的用户有着不同的需求。静态的主页不能满足要求，需要采取双向交互式方法 的动态主页来实现，即根据用户的指定从数据库里查寻数据生成页面，分发给用户【2 1 。 2 长安大学硕士论文 w e bg i s 在结构上属于分布式地理信息系统模型，通过i n t e r n e t w w w 机制可有效 地实现分布式地理信息处理。w e bg i s 一般由四部分组成：w e bg i s 浏览器( b r o w s e r ) ， 可以通过w e b 服务器连通到任何地点的另一个数据服务器上，读取各种地理信息；w e b g i s 信息代理( i n f o r m a t i o na g e n t ) ，是空间信息网络化的关键部门，主体( a g e n t ) 是信 息代理机制和信息代理协议，提供直接访问数据库的功能；w e bg i s 服务器，能解释中 间代理请求及操作数据库服务器和实现浏览器和服务器的动态交互；w e bg i s 编辑器 ( e d i t o r ) 。具有可视化、交互式、多窗口的功能，能建立g i s 对象、模型和进行空间数 据的编辑及显示【2 1 。 1 3 万维网地理信息系统( w e bg i s ) 主要特点 1 ) 基于i n t e m e t i n t r a n e t 标准1 1 4 】 w e bg i s 支持i n t e m e t 网络通信和t c p f i p 和h t t p ( 超文本传输协议) ，采用标准的 h t m l 浏览器作为应用外壳。支持通信标准对w e bg i s 来说是至关重要的。支持t c p i p 和h t t p ，就是意味着w e bg i s 能与任何地方的数据相连，不论是单位内部或外部。实 现这一层次的网络协议标准化是实现其他所有功能需求的基础和前提，也是w e bg i s 结 构优越性的前提。表1 1 为w e bg i s 体系结构所支持的主要技术标准。 表1 1w e bg i s 体系结构所支持的各种标准 基础技术项目 网络通讯协议 t c p i p 文档和文件传输 h t t p 文档显示与应用程序集成 h t m l 应用程序传送 客户端集成 p l u g - i n ，a c t i v e x ，j a v aa p p l e t 服务器端集成 c g i ，服务器a p i ，j a v a 应用程序扩张 客户端扩张 h t m l ，j a v a s c r i p t ，v b s c r i p t 服务器端扩张c g i ，服务器a p i ，j a v a 2 ) 分布式服务体系结构 分布式服务体系结构是在客户端和服务器端都能提供活跃的、可执行进程的体系结 构，它能有效地平衡两者之间的处理负载，诸如动态提取数据子集并进行分析的进程任 务，一般应当在服务器端执行，而不是在客户端，空间信息查询集的选定和按比例缩放 地图则适合在客户端执行。这种在客户机与服务器之间的进程分布式处理，最大限度地 发挥了现有计算机硬件资源的利用率。把数据量集中的任务放在服务器上，使得应用程 3 第一章绪论 序能支持其他的网络请求，分布式处理显著地降低了带宽要求并提高了系统的性能。它 允许用户嵌入自己定制的g i s 服务，使用的数据既可以是本地的也可以是分布的数据 集，从而使传统g i s 向分布式g i s 转变。 3 ) 发布速度快，范围广，维护方便 由于运用了i n t e m e t 技术，w e bg i s 的信息更新之及时、发布速度之快、发布范围 之广是其他传统地理信息系统难以比拟的。w e bg i s 的体系结构包括许多应用服务，如 制图、查询、地理编码等。传统的地理信息系统，当用户规模有所扩大，数据有所变更 之后，都需对原有系统做大量的改动。而在w e bg i s 中；则只需维护服务器端的一套数 据，用户端就能及时看到更新的数据。 4 ) 数据来源丰富、分布存储 w e bg i s 能充分利用已有的g i s 数据资源和属性数据库数据，将常用的多种g i s 数 据转换成自己的空间数据格式和相应的关系数据库，保护用户的先期投资。服务器端的 g i s 数据( 包括图形和属性数据) 不需要全部集中在一台机器上，可以分散安装在不同 的多台机器上，这些机器可分布在空间距离很远的地方，只要通过i n t e m e t i n t r a n e t 相联 就可以。这种分散存储数据的方式对于降低系统负载，加快访问速度，降低成本等方面 都很有帮助。这是w e bg i s 一个极其重要的优势。 5 ) 用户界面友好 w e bg i s 使用标准的i n t e r n e t 浏览器作为用户使用界面和工具，通过与用户交互可 定制网页。开发工具丰富，功能强大。所开发的用户界面具有较强的多媒体效果，甚至 使人获得虚拟现实的感受，并且操作简单明了，形象直观，一般用户也能使用。 6 ) 系统建设投资少 利用i n t e m e t 的基础设施，以较少的投资就可以建立一套覆盖整个企业或全行业甚 至世界范围内的空间信息发布体系。终端用户不需要购买任何专门的g i s 软件，就可以 享受到真正的、实时的g i s 信息服务。 7 ) 系统安全性 有的w e bg i s 软件( 如a u t og u i d e ) 具有对数据访问的安全控制。通过口令密码可 以限制访问人员的范围以及可访问的内容。对于面向全社会的专业信息系统，在实际应 用中，往往要求根据不同的用户( 如行政首长、各级部门工作人员、一般用户等) 提供 相应的信息。 一 8 ) 系统协同性 4 长安大学硕士论文 遍布全球的代理商可以直接为用户发布数据并提供服务。用户可以将广泛分布的数 据和本地数据结合在一起，使不同地区的计算机主机协同工作。这种技术使得全球的存 储在g i s 数据库中的现有的空间信息发挥出巨大的效力。w e bg i s 的用户可以在任何时 间、任何地点共享和使用彼此的数据。任何人通过一个简单的浏览器界面就可以访问经 过复杂的专业的g i s 分析产生的数据。通过不断提高的访问g i s 信息的能力，全社会和 各种组织作为一个整体将会更有效地利用现有的空间数据资源。 1 4w r e bg i s 所面临的问题与解决思路 1 4 1w e bg i s 面临的问题 w e bg i s 经过近几年的发展，从理论、技术、产品以及应用上都取得了很大的进步。 无疑，w e bg i s 的发展有力地促进了g i s 的社会化，也推动了地理空间数据的广泛应用。 然而我们应该看到，由于目前的w e bg i s 产品是在不同的环境中独立开发的，有着自己 的文化背景、领域背景和技术背景，形成了自己的数据模型和功能组织结构，虽然这些 产品在功能和问题描述能力方面大同小异，但实际操作上差别很大，加之内部空间数据 组织互相保密，形成了不同系统间的壁垒。对于这种系统，如果用户想在一个w e bg i s 系统中浏览或整合其他系统的数据是很难的，甚至是不可能的。这种封闭、独立的系统 由于对空间数据的处理保持着一种完全封闭的状态，导致了系统间无法共享数据和处理 方法( 如图1 1 所示) 。一方面，一种系统所产生的地理空间数据不能被另一个系统所使 用；另一方面，一个系统的服务功能也不能为另一系统使用。这种状况的产生严重阻碍 了w e bg i s 的进一步发展，同时也对f g d c 、n s d i 、g s d i d 和数字地球( d i g i t a le a r t h ， d e ) 的构想和实施十分不利【3 1 。 为了解决g i s 发展中地理信息不能互操作的瓶颈问题，近年来，许多政府机构、研 究组织、软件开发商及系统集成人员成立了“开放地理信息系统协会”( o p e ng i s c o n s o r t i u m ，o g c ) ，研究并且制定了一套支持o p e ng i s 的规范o g i s ( o p e i lg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns p e c i f i c a t i o n ) ，它鼓励软件开发商和系统集成者坚持o g i s 的标准，逐步地 开发出一系列符合规范的工具、数据库及其他地理信息互操作的产品，以最大限度地共 享资源及信息交互。从o g c 的w m t 文献以及n s d i 、g s d i 和数字地球的描述中可以 看出，o g c 所提倡的w e bg i s 系统至少应具有以下四个特征【2 】： 互操作性。允许数据在不同的w e bg i s 系统之间无缝传输，一个应用系统中的应 用可以调用另一个应用系统中的应用，来完成逻辑上统一的任务。 5 第一章绪论 可扩展性。要求尽可能利用已有空间数据设施，不做或少做改动，并且能够容纳 以后新出现的g i s 系统所生产的空间数据。 分布式特征。这包括数据的分布和应用的分布。 良好的交互性。根据用户对w e b 空间数据的要求，应当允许合法用户对已有的 空间数据进行增删和更新操作。 按照上述的要求，目前独立、封闭的w e bg i s 系统只实现了用户交互性和部分的可 扩展、分布能力，而没有实现n s d i 、g s d i 和数字地球对空间数据基本设施所要求的互 操作性。事实上，w e bg i s 要想进一步得到发展，必须走开放式的发展道路，开放式 w e bg i s 是未来w e bg i s 发展的必然。 图1 1 传统w e bg i s 系统问的封闭、独立性 1 4 2 解决问题的思路 从上面的分析可以看到，目前w e bg i s 所面临的问题，从根本上讲是系统的互操作 问题。所谓互操作，就是指异构环境下两个或两个以上的实体，尽管它们实现的语言、 执行的环境和基于的模型不同，但它们可以相互通讯和协作，以完成某一特定的任务。 这些实体包括应用程序、对象、系统运行环境等，而w e bg i s 的互操作主要是指分布式 异构数据源的互操作( 简称数据互操作) 以及异构地理信息处理环境下的功能互操作( 简 称功能互操作或服务互操作) 。 对于数据的互操作，由于传统的w e bg i s 系统采用的都是各自独特的数据存储和表 达方式，这使得各系统对数据的处理也不相同，从而导致了系统间失去了互操作的基础。 6 长安大学硕士论文 为此，研究w e b 环境下地理空间数据的开放式表达方法，则是解决目前w e bg i s 间数 据互操作的根本手段。 对于系统间功能的互操作，由于前述的原因，目前w e bg i s 系统的功能体系结构还 不统一，各系统使用的是各自的功能接口，这种各自独立的功能接口是导致目前w e bg i s 系统间不能互操作的另一个原因。为此，o g c 技术委员会制定了o p e ng i s 规范；该规 范是一个综合性的软件体系规范，它是开放系统地理处理的基础，基于该规范的软件接 口能够实现不同系统间的互操作。目前很多g i s 厂商基于该规范都推出了自己的互操作 产品，如o g c 的两个主要成员i n t e r g r a p h e u r o p e 和s i c a d g e o m a i c s 就首次通过o g i s 接口实现了在i n t r a n e t 上的互操作，此外g e o m e d i a ( i n t e r g r a p h ) 也采用o l e c o m 和 o g i s s f s ( 简单特征规范) 实现了开放的地理数据接口，采用标准的方法与o r a c l e 和 m s a c c e s s 数据库进行连接。然而这一切并没有彻底解决系统互操作的问题，其主要原 因在于：这些所谓的互操作产品通常都是构架在c o r b a 、d c o m 以及j a v ar m i 等分 布式计算技术之上，而这些分布式计算技术本身在互操作上就存在问题，即构架在不同 技术之上的系统不能实现互操作，这就给w e bg i s 的互操作带来了困难。因此，寻找新 的、能有效实现系统间互操作的技术，则成为开放式w 曲g i s 所面临的又一个课题【1 8 1 。 扩展标记语言( e x t e n d e dm a r k u pl a n g u a g e ，简称x m l ) 是世界万维网协会( w o r l d w i d ew e bc o n s o r t i u m ，简称w 3 c ) ( w 3 c ，1 9 9 8 ) 为适应网络发展而制定的、用于描述 复杂信息的结构化标记语言，尽管它的发展时间不长，但现在已经没有人怀疑它给信息 社会带来的革命性影响了。x m l 作为数据交互和网络计算的基础，无疑会成为网络通 用的语言。通过x m l 来表达知识、传递数据，不仅跨越了平台( l 具有天然的与平 台无关性) ，还跨越了空间( i n t e m e t 的范围扩展到无线) ，更跨越了设备( l 的数据 与表现的分离可以成为不同终端间交换信息的载体) 3 7 1 。 由于x m l 包含了大量“自我解释 型的标识文本，每个标识文本又由若干规则组 成，这些规则可用于创建标识，并能通过解析器( 如微软的m s v i l ) 处理所新创建的 标识。这样，x m l 就能够让不同的应用系统理解相同的语义，从而创建一种任何系统 都能读出和写入的世界语。正是由于这些标识的存在是x m l 能够有效地表达网上的各 种知识，为信息的交换和计算提供新的载体。可以这样说，x m l 相对于网络计算的作 用，完全可以与a s c i i 码的作用相提并论；x m l 可以说是网络信息的标准代码，它所 表示的不是符号信息，而是知识化的块状内容【3 引。 通过以上的分析，我们完全有理由相信，x m l 是解决上述w e bg i s 互操作问题的 7 第一章绪论 一把利器。事实上，g i s 领域在这方面已取得了一些研究成果，如o g c 于2 0 0 0 年5 月 基于x m l 所制定的地理标记语言( g e o g r a p h ym a r k u pl a n g u a g e ，g m l ) 就在g i s 领域 产生十分深远的影响，它对于w e bg i s 的数据互操作具有很重要的意义。此外，国外一 些g i s 软件厂商也推出了各自的基于x m l 的w e bg i s 产品，如e s r i 公司的a r c x m l ， 它被用来完成地图的配置、空间数据的表达和系统部件之间的通信等任务。i n t e r g r a p h 公司则在其新版的产品g e o m e d i a 和g e o m e d i ap r o f e s s i o n a l 中能够直接读取g m l 格式 的空间数据。 国内在这方面的研究起步较晚，然而，就目前的研究状况来看，x m l 在w e bg i s 中的研究仅是局部性的，缺乏一个基于x m l 的全面、细致的体系构架，也没有一个全 面、系统的w e bg i s 解决方案【3 】。 长安大学硕士论文 第二章计算机网络基本原理 2 1 计算机网络的基本原理 2 1 1 网络的概念 现代计算机网络系统简称为计算机网络，是建立在分组交换技术基础上的一种通信 体系。以分组为单位进行的传输，不仅大大简化了对计算机存储器的管理，而且加速了 信息在网络中的传输。由于分组交换网较之报文交换网和线路交换网具有一系列的优 点，故它已成为计算机网络的主流。 计算机网络系统是由网络操作系统和用以组成计算机网络的多台计算机以及各种 通信设备构成的。在计算机网络系统中，每台计算机都是独立的，任何一台计算机都不 干预其他计算机的工作，它们之间的关系是建立在通信和资源共享上的，所以计算机网 络的定义为：凡是将地理位置不同、并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和 线路连接起来、以功能完善的网络软件实现网络中资源共享的系统，称之为计算机网络 系统。它包括3 个方面的内容【1 4 】： ( 1 ) 计算机网络是由两台或两台以上的计算机连接起来的系统 ( 2 ) 两台或两台以上的计算机之间交换信息、数据必须有一条通信通道 ( 3 ) 计算机之间通信和交换信息需要有共同遵守的规则，这就是协议。计算机网 络软件就是根据协议开发出来的软件 计算机网络是突破地理范围限制的大量计算机设备群体，它们彼此用物理通道互 连，并遵守共同的协议而进行数据通信( 协议是计算机与计算机进行通信时，通信双方 共同遵守的一组规则) ，从而实现用户对网络系统中各互连计算机设备群体的共享。计 算机网络是人们彼此进行交流的工具，它能促进人们进行广泛的思想交流，促进知识迅 速更新，使信息得到充分利用和实现系统资源共享。 2 1 2t c p i p 协议 1 ) t c p i p 的产生与发展 t c p i p 是在美国国防部坚持其购买的计算机应能在某一种公共协议上进行通信的 观点上产生的。a r p a n e t 作为其研究成果于1 9 6 9 年投入使用，a r p a n e t 解决了异种 计算机之间互操作的基本问题，当时在美国得到了广泛的应用，并构成当今因特网的主 体。a r p a n e t 在1 9 7 1 年改为d a r p ，d a r p 致力于研究分组交换，其强调数据传输通 9 第二章计算机网络基本原理 过卫星和无线电技术完成。d a r p 于1 9 7 5 年被d c a ( d e f e n s ec o m m u n i c a t i o n sa g e n c y ) 接管。其间，提出了一些新的协议，这些协议构成了t c p i p 的基础。到1 9 7 8 年，t c p i p 协议取得了网络领域的主导地位。1 9 8 3 年，t c p i p 被作为因特网的网络节点协议。t c p i p 使各种单独的网络有一个共同的可参考的网络协议，实现了不同设备间的互操作。虽然 t c p i p 不是o s i 标准，但t c p i p 已被公认为当前的工业标准。t c p i p 协议具有以下特 点【7 】： ( 1 ) 协议标准具有开放性，其独立于特定的计算机硬件及操作系统，可以免费使 用 ( 2 ) 统一分配网络地址，使得整个t c p i p 设备在网络中都具有唯一口地址 ( 3 ) 实现了高层协议的标准化，能为用户提供多种可靠的服务 2 ) t c p i p 的体系结构 ( 1 ) t c p i p 体系结构 t c p i p 的核心思想是把千差万别的物理层数据链路层协议的物理网络在传输层网 络层建立一个统一的虚拟“逻辑网络 ，屏蔽或隔离所有物理网络的硬件差异。 ( 2 ) t c p i p 分层 t c p i p 是由一系列协议组成的，它是一套分层的通信协议。t c p i p 模型包括4 个 层次。 1 、网络接1 3 层( n e t w o r ki n t e r f a c el a y e r ) 。网络接1 3 层是t c p i p 协议的最底层， 负责网络层与硬件设备问的联系。这一层的协议非常多，包括逻辑链路控制和媒体访问 控制。 2 、网际层( i n t e r n e tl a y e r ) 。网际层解决的是计算机到计算机间的通信问题，它包 括3 个方面的功能：处理来自传输层的分组发送的请求，收到请求后将分组装入p 数据报，填充报头，选择路径，然后将数据报发送到适当的网络接口；处理数据报； 处理网络控制报文协议，即处理路径、流量控制、阻塞等。 3 、传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) 。传输层解决的是计算机程序到计算机程序之间的通 信问题。计算机程序到计算机程序之间的通信就是通常所说的“端到端”的通信。传输 层对信息流具有调节作用，能提供可靠性传输，确保数据到达无误。 4 、应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 。应用层提供一组常用的应用程序给用户。在应用 层，用户调节访问网络的应用程序，应用程序与传输层协议相配合发送和接收数据。每 个应用程序都有自己的数据形式，它可以是一系列报文或字节流，但不管采用哪种形式， 1 0 长安大学硕士论文 都要将数据传送给传输层，以便交换。 表2 1t c p i p 协议体系与o s i 体系结构的比较 o s it c p i p 7 、应用层 6 、表示层 5 、会话层 4 、传输层 3 、网络层 2 、数据链路层 1 、物理层 应用层 ( t e l n e t 、f t p 、s m t p 等) 传输层( t c p 、u d p ) 网际层 网络接口层 2 1 3d 地址的原理 1 ) 口地址的概念 i n t e m e t 工程任务组( i e t f ) 妇t e m e t 和p 的设计师选择了适合于机器表 示的数值来标识口网络和主机。因此i n t e m e t 中的每一个网络具有自己独一无二的数值 地址它的网络地址。网络管理人员要确信网络中的每一台主机有与之对应的唯一的 主机编号。 主机号码由3 2 位二进制数组成，这个由3 2 位二进制数组成的主机号码就是主机的 p 地址。p 地址是因特网中识别主机的唯一标识。为了便于记忆，把地址分成4 组， 每组8 位，组与组之间用“ 号分隔开，例如： 二进制：1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 十进制：2