（模式识别与智能系统专业论文）基于winsock的网络地理信息系统的研发.pdf

大连理j ：人学硕士学位论文 摘要 网络地理信息系统( w e b g i s ) 是地理信息系统与互联网技术相结合的产物，为海 量地理信息资源的共享提供了方便，但目前除了国外几家的公司拥有大型网络的g i s 系 统之外，在国内还处于试制的阶段。因此，研制出自主版权的网络g i s 产品，并在技术 手段上达到国际先进水平，是地理信息系统发展的一个重要方向。 本文首先介绍地理信息系统的发展，网络技术给社会和g i s 领域带来的巨大影响， 以及当前桌面g i s 软件的局限性。通过对比国内外的g i s 产品的特点，分析当前w e b g i s 的主要实现技术及其优缺点，讨论了w e b g i s 发展面临的问题；阐述基于t c p i p 协议 的套接字技术通信特点，结合套接字网络编程模型与c s 网络框架，开发g i s 网络平台。 本文定义了统一的数据组织形式( m g i s 绘图文件和+ a t t 属性文件) ，采用矢量方式管理 地理数据，来解决海量的地理数据给网络通信带来的部分困难。阐述了并规定了客户端 和服务器端的地图操作部分的通信协议，即发送端数据包到接收端的数据包双方解释规 则。最终选取c s 模型，搭建基于i n t e m e t 的一套完整的网络g i s 平台。本文主要完成 了客户端设计，服务器设计，使服务器端与客户端协调工作的网络通信部分设计以及相 关编码与调试。该系统使用户在信息管理的平台上结合g i s 功能完成对普通地理对象的 操作，实现了地图显示、地图缩放、图层控制、专业查询、远程编辑( 即删除、添加、 修改) 地理对象、上传和下载文件等功能。 本系统自主设计、自主开发完成了网络地理信息系统的一些基本的功能，是网络 g i s 方面一次有意义的尝试，具有良好的发展前景。 关键词：网络地理信息系统i 网络；通信；套接字 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t o fw e b g i sb a s e do nw i n s o c k a b s t r a c t w e b g i s ( w e bg e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) i sar e s u l t o fc o m b i n i n gg i sw i t h c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n i q u e ，a n di tb r i n g sg r e a tb e n e f i tf o rt h es h a r i n go fl a r g eq u a n t i t yo f i n f o r m a t i o n h o w e v e r ，o n l yaf e wc o m p a n i e si nt h eo v e r s e a so w nt h en e te d i t i o no fg i s s o f t w a r ep r o d u c t s a n di no u rn a t i o n ，i ti ss t i l li nt h es t a t eo fd e v e l o p i n ga n dt e s t i n g s o d e v e l o pa n di m p l e m e n tt h e n e tv e r s i o no fg i sf o ro u ro w nt h a tc a nc h a l l e n g e st h eo t h e r i n t e r n a t i o n a lg i sp r o d u c t s a n dt h i si sa ni m p o r t a n td e v e l o p m e n t a lw a yi nt h ef u t u r e t h ea r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fg i s ，t h eg r e a te f f e c t so ns o c i e t ya n dg i s f i e l dc a u s e db yt h en e t w o r k ，a sw e l la st h el i m i t a t i o no fd e s kg i s t h e ni tc o n t r a s t st h e c h a r a c t e r so fd i f f e r e n tg i sp r o d u c t s ，a n a l y z e st h ei m p l e m e n tt e c h n i q u e ，a d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g eo fc u r r e n tw e b g i s ，a n dp u t sf o r w a r dt h ep r o b l e mt h a td e v e l o p i n gaw e b g i s c o n f r o n t s t h ep a p e re x p o u n d st h ec o m m u n i c a t i o no fs o c k e t st e c h n i q u ec h a r a c t e r sb a s e do n t c p i pp r o t o c o l ，c o m b i n i n gw i t ht h em o d e lo fs o c k e tn e tp r o g r a m m i n ga n dt h ec sn e t w o r k f r a m et oe m p o l d e rg i sn e t w o r ke n v i r o n m e n t t h ep a p e rc o n f i n e sau n i q u ef o r m a tf o r i n f o r m a t i o nr + g i sd a t af i l ea n d 。a t ta t t r i b u t ef i l e s ) i no r d e rt or e s o l v ep a r t so fn e tt r a n s p o r t p r o b l e mb r o u g h tb yt h eg r e a tg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o n ，t h ep a p e ra d o p t sv e c t o rf o r m a tt o m a n a g et h eg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o n t h ea r t i c l ed e s c r i b e st h ep a r t i c u l a ro ft r a n s p o r tp r o t o c o l b e t w e e nc l i e n t s i d ea n ds e r v e r s i d eo fm a pm a n i p u l a t i o n ，t h a ti st h ei n t e r p r e tr e g u l a t i o n so f t h ed a t aw r a p sb e t w e e ns e n da n dr e c e i v ee n d s f i n a l l yt h ea r t i c l ec h o o s e st h ec sm o d e lt o b u i l da n i n t e g r i t y n e tp l a t f o r mf o rg i sb a s e do ni n t e r a c t t h es y s t e mh a sc o m p l e t e d c l i e n t s i d ed e s i g n s e r v e r s i d ed e s i g na n dt h ei n f o i t l l a t i o nc o m m u n i c a t i o nw h i c hm a k e st h e s e r v e ra n dc l i e n tm nh a r m o n y t h eu s e r sc a no p e r a t et h eg e o g r a p h i c a lo b j e c t so nt h em i s p l a t f o r mc o m b i n e dw i t ht h eg 1 sf u n c t i o n s ，a n da l s oc a ne d i tt h eg e o g r a p h i c a lo b j e c t si nt h e m a pr e m o t e l y ( s u c ha sd e l e t e ，a d d ，a m e n d ) ，u p l o a do rd o w n l o a dt h ef i l ea n dm a n yo t h e r f i l n c t i o n s i nt h ec l i e n t - s i d e u s e r sc a nv i e wa n dm a n i p u l a t et h em a pa sw e l la ss o m es p e c i a l q u e r i e se t c t h i si sad e s i g n e da n de m p o l d e r e di n d e p e n d e n t l ys y s t e mw h i c hi n c l u d e st h eb a s i c f u n c t i o n so fw c bg i s a n di ti sar e w a r d i n gp r a c t i c ei nt h ef i e l do fw e bg i s ，a n dh a sg r e a t f u t u r ei nt h ed e v e l o p i n gf i e l d s k e yw o r d s ：w e b g i s n e t w o r k ：c o m m u n i c a t i o n ：s o c k e t 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： o d 6 、p 、 f 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：蔓垃鱼 导师签名： 奎! 盈 一孕! 盈一 ! 年上三月二上日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 地理信息系统概述 1 1 1 地理信息系统原理简介 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 简称g i s ) 起源于2 0 世纪6 0 年代， 是近2 0 年来发展起来的一门综合应用系统，它把各种信息同地理位置和有关的视图结 合起来，将地理学、几何学、计算机科学以及各种应用对象、i n t e m e t 、多媒体技术及虚 拟实现技术等融为一体，利用计算机图形与数据来采集、存储、编辑、显示、转换、分 析和输出地理图形及其属性数据【1 】：使普通的管理信息系统( m i s ) 与矢量图形结合在 一起，提高了系统的直观性和可操作性。 虽然g i s 是一门多学科综合的边缘学科，但其核心是计算机科学，基础技术是数据 库、地图可视化及空间分析如图1 1 。因此，可以这样定义：g i s 是处理地理数据的输 入、输出、管理、查询、分析和辅助决策的计算机系纠m 】。 图1 1 地理信息系统的组成 f i g 1 1t h e s t r u c t u r eo fg i s 目前，世界上常用的g i s 软件很多，它们大小不一，风格各异。国外的g i s 系统平 台以e s r i 和m a p l n f o 两家公司为代表，他们的产品包括了g i s 的全套解决方案，软件 的功能强大完善，然而价格昂贵。e s r i 的a r c i n f o 在国内外的应用非常广泛，它推出 的系列产品包括地图浏览器a r c e x p l o r e r ，桌面g i sa r c v i e w ，空间数据库引擎a r c s d e ， 以及用于网络的组件m a p o b j e c t s 和空间分析模块等。国内较著名的g i s 产品，最有代 表性的是北京超图地理信息技术有限公司开发的超图s u p e r m a p ，还有中国地质大学的 基于w i n s o c k 的网络地理信息系统的研发 m a p g i s 和武汉吉奥信息工程技术有限公司开发的吉奥之星g e o s t a r 等。虽然g i s 起步 较晚，但它发展很快，目前已成功地应用到多个领域【3 】0 1 1 2 地理信息系统的发展趋势 近年来地理信息系统技术发展迅速，其主要的原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。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【引，许多计算机领域的新技术，如面向对象技术、三维技术、时空技术、图像处 理技术、网络技术和人工智能技术都可直接应用到地理信息系统中【5 1 。 目前，g i s 的研究趋势主要体现在以下几个方面： ( 1 ) g i s 中面向对象( o b j e e to r i e n t e d ) 【6 】技术研究。由于空间信息较之传统数据库 处理的一维信息更为复杂、琐碎，面向对象的方法为描述复杂的空间信息提供了直观、 结构清晰、组织有序的方法。因而面向对象技术在g i s 中的应用，已成为g i s 的发展方 向。 ( 2 ) g i s 中的三维技术研究。三维地理信息系统，以及分布式异构空间数据库的集 成是g i s 研究领域的新热点。随着机器处理速度的加快和存储芯片容量的增大，三维地 理信息系统会流行起来，而且在网络宽带允许的情况下，也将使三维网络地理信息系统 的出现成为可能。 0 1g i s 中时空技术研究。时空系统【7 】( s p a t i a l t e m p o r a ls y s t e m ) ，主要研究时空 模型，时空数据的表示、存储、操作、查询和时空分析。目前比较流行的做法是在现有 数据模型基础上进行扩充，如在关系模型的元组中加入时间，在对象模型中引入时间属 性。对g i s 的时态研究将被应用于环境监溅、地震救援、天气预报等诸多方面。 ( 4 ) g i s 中智能化技术研究。g i s 的发展依赖于计算机软、硬件技术，也依赖于地理 学、测绘学、统计学、航天技术、遥感技术、g p s 技术 8 j 和人工智能与专家系统等技术 的进步与发展，g i s 与相关技术的结合将推动g i s 向集成化、自动化和智能化方向发展。 岱) g i s 中网络技术研究【9 j 。因特网技术的发展，成为新的g i s 的操作平台，集中在 空间数据的发布、查询和地图的显示。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【1 0 】。它将数据的可视化、空间分析以及地图绘制等功能结合在一起，并借 助互联网技术使人们获得地理信息更加方便，有利于更好地理解地理空间之间的关系、 制定决策。 大连理工大学硕七学位论文 1 2 课题背景 1 2 1 网络地理信息系统 白8 0 年代末以来，特别是随着计算机技术的飞速发展，地理信息的处理、分析手 段日趋先进，g i s 技术日臻成熟，已广泛地应用于环境、资源、石油、电力、土地、交 通、公安、急救、航空、市政管理、城市规划、经济咨询、灾害损失预测、投资评价、 政府管理和军事等与地理坐标相关的几乎所有领域。2 0 世纪9 0 年代后期， i n t e r n e t 技 术得到了迅速发展，对社会文明的进步和经济发展产生了极为深远的影响，不断地改变 着整个世界1 4 j 。 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 r n e t 相互融合步伐的加快，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 r n e t 的g i s 作为一种新的标准，被广泛应用于信息的发布、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。g i s 技术的飞速发展虽然为地理信息的电子化、 可视化、网络化带来了重大革新，但地理信息只局限于局域网内部使用，而社会的地理 信息的需求在不断增长。i n t e r n 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”【1 1 】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。使得i n t e r n 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。 目前地理信息系统软件主要有三种类型1 1 2 1 ： ( 1 ) 以主机为中心的单机环境体系。 ( 2 ) 基于局域网( i n t r a n e t ) 的客户机服务器( c s ) 体系。 ( 3 ) 基于i n t e r a c t 的浏览器服务器( b s ) 体系。 传统的g i s 是一种集中式的软件系统，系统的开发多是基于具体、相互孤立和封闭 的平台。就使用上来说，从基本的地理数据采集、组织、存储、管理到复杂的空间分析、 信息查询与地图输出都集中到单一的操作环境下，因此数据共享和信息交换十分困难， 被称为“信息孤岛”1 1 ”。 c s 结构是1 9 8 0 年代末到1 9 9 0 年代初，针对大型集中式主机和网络文件服务器体 系结构的不足提出的一种新的协同式分布处理的体系机构【悼1 5 1 。这种模式通常在局域网 上运行，用来发布地图和数据，基本可以满足用户的需求，但对于分布式广域网环境下 的g i s 应用，c s 结构则显得力不从心，特别是涉及分布式环境下的异构多数据库系统， 这种两层的体系结构就存在着很大的障碍。 基于w i n s c ) c k 的网络地理信息系统的研发 到了以i n t e r a c t 为代表的网络时代以后，由c 幅结构演变出了基于i n t e r a c t 的g i s 系统。该模型是一种从传统c s 结构发展起来的新的计算模式，浏览器朋最务器模式( b ，s ， 即b r o w s e r s e r v e r ) 。b s 结构本质上是一种三层结构的客户机服务器结构，它把c s 结构进一步深化，在服务器端形成w 曲服务器和数据库两层，浏览器和服务器之间通 过文本标记语言( h r m l ) 和超文本传输协议( h t r p ) 来实现信息的描述和组织。 在后两个阶段，g i s 体系的实现方式都是基于网络实现的，可将其统称为w e b g i s 。 w e b g i s ，即互联网地理信息系统，可以简单的定义为w 曲上的g i s ，是利用互连网技 术，扩充和完善传统地理信息系统的功甜1 6 1 。 w e b g i s 实现空间数据信息的开放和网络共享，对于扩大地理学信息来源，提高地 理学信息的时效性具有重要作用。通过空间数据的网上发布，能够为传统的非空间数据 库提供丰富的空间背景信息，提高对空间和非空间数据库信息的挖掘能力，使人类对社 会和自然界的研究更加深入。 1 2 2 研究网络地理信息系统的意义 w e b g i s 是基于i n t e r n e t 平台、客户端应用软件采用w w w 协议运行在互联网上的地 理信息系统。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 i p 和t c p i 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的功能。它将数据的可视化、空间分析以及地图绘制等功能结合在 一起，并借助互联网技术使得人们获得地理信息更加方便，有利于更好地理解地理空间 之间的关系、制定决策【1 7 1 。与传统g i s 相比，w e b g i s 具有以下几个优点【1 s - 2 0 l ： ( 1 ) 客户机服务器应用全球化：全球范围内任意一个互联网用户都可以享受 w c b g l s 服务器提供的各种g i s i 艮务，甚至还可以进行全球范围内的g i s 数据更新。 ( 2 ) 广泛的访问范围，简单的操作：互联网的爆炸性发展，使w e b 服务进入千家万 户，即使普通用户也能方便地获取所需的信息。 ( 3 ) 跨平台特性：无论客户机服务器是何种机器，也无论w e b g i s h 务器端使用何 种g i s 软件，用户都可以透明地访问w e b g i s 数据，实现远程异构数据的共享。 ( 4 ) 大规模降低系统成本：w e b g i s 利用通用的浏览器进行地理信息的发布，通常使 用免费的插件，如a c t i v e x 或j a v a a p p l e t ，最大限度地降低用户的经济负担。此外，由于 客户端的简单性也使维护费用大大降低。 ( 5 ) 计算负载平衡高效：当今一些高级w e b g i s 能充分利用网络资源，将基础性、全 局性的处理交由服务器执行，而对数据量较小的简单操作则由客户端直接完成。这种模 式灵活、高效地寻求计算负荷和网络流量负载在服务器端和客户端的最优分配，大大降 低了服务器端的计算量，是一种理想的优化模式。 4 大连理工大学硕士学位论文 利用i n t e m c t 在w c b 上发布空间数据，为用户提供空间数据浏览，制作专题图，以及 进行各种空间检索和空间分析，方便用户操作；但是目前w e b g i s 的功能，仍然局限在 放大、缩小、漫游等一些简单通用的方面，不能很好的满足用户对专业性地图的操作需 求。将桌面g i s 的基本功能应用于网络平台，不但能很好的实现地理信息的在资源上的 共享，而且可以保证地理信息的实时更新，大大方便用户和管理的需求。 1 3 本文研究内容 本文对基于桌面g i s 系统和b s 模式的w e b g i s 系统深入研究，采用v i s u a lc + + 6 0 开发环境，利用网络套接字( s o c k e t ) 技术，并借鉴单机版的地理信息系统的具体功能， 以大连市某自来水厂的管线信息为主要的数据来源，开发研制出网络平台的g i s 系统。 主要完成以下工作： ( 1 ) 采用c s 结构，搭建基于h t e m e t 的g i s 网络平台，规范g i s 数据操作类型及 文件的组织形式；均衡服务器和客户端的负载。 ( 2 ) 客户端设计，提供友好的用户界面，负责地图的显示和基本的地图操作功能，同 时负责接收和发送与服务器端交互的数据包。 ( 3 ) 服务器设计，处理服务器端的逻辑，提供连接信息，处理并发现象，及时响应 用户操作，合理完成各种数据文件的共享、实时更新等方面的管理，实现服务器自身的 维护等等。 ( 4 ) 网络通信部分，主要完成客户端与服务器端的数据传输，在遵守标准的通信协 议t c p i p 协议的基础上，建立客户端与服务器端的通信协议和双方数据包的解析规则， 保证服务器端与客户端协调工作。 基于w i n s o c k 的网络地理信息系统的研发 2 网络地理信息系统模型分析 网络g 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。 实际上网络g 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 b g i s 具有客户机服务器( c s ) 结构，因而客户端具有获得各 种空间信息和应用的功能，在服务器端系统向用户端提供信息或系统服到1 2 1 。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 的图形信息，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 交互式的动态主页来实现，根据用户的指令从数据库里查询数据生成页面，分发给用户。 目前比较成熟的网络地理信息系统( w e b g i s ) 一般由四部分组成：w e b g i s 浏览器 供客户端即客户机( c l i e n t ) 使用，可以通过网络连接到w c b 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，代理( 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 b g i s 服务器，能提 供中间代理请求、操作数据库服务器、实现浏览器和服务器的动态交互；w e b g 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 间数据编辑及显示。 2 1w e b g i s 的实现方法 支持网络化通信技术标准，对于一个网络化g i s 系统应用至关重要。支持t c p i p 和h i t p 就意味着网络化g i s 能够与任何地方的数据相连接。网络化g i s 系统技术应用 体系结构的优点是，在客户端与服务器端均能够提供方便的可执行进程，能够有效的平 衡客户端与服务器端之间的负载。其主要实现方法如下【1 0 l ： ( 1 ) c g i 通用网关接口法 c g i 是万维网服务器调用外部程序的接口，是连接应用软件和w e b 服务器的标准 技术，是h t m l 的功能扩展，c g i 程序和h t m l 结合实现交互式通信。基于c g i 的 w e b g i s ，在服务器端，g i s 软件( 以应用服务器形式存在) 通过c g i 与互联网的h t r p 服务器相连。远程用户通过h t m l 将客户端请求传给服务器，服务器理解请求后，调 用后端的c g i 程序，完成相应的数据操作，最后把结果回传给客户端，工作细节如图 2 1 所示。 采用这种方法需要解决两个技术难点：一方面是现有的网络浏览器不能读取矢量图 形数据，矢量数据在网上传输需要先在服务器端转换成栅格图形数据，如b m p ，j p e g 等。这样的转换使得图形数据量成倍加大，网络不堪重负1 2 1 i ；另一方面由于服务器必须 - g - 大连理工大学硕士学位论文 为客户端的每一个请求创建进程，所以当用户数多时，服务器资源大量消耗，使运行速 度大大降低，因此不适合用来开发有多个用户访问的交互式w e b g i s 。 客户机 隔 1 - 一 ，u r l 请求、 心 一 ，i n t e m e t、 一 、传输结果厂 p w e b 浏览器 图2 1 基于c g i 方法的w e b g i s f i g 2 1w e b g i sb a s e do nc g i ( 2 ) 插件( p l u g - i n s ) 方法 p l u g - i n 是在浏览器上扩充w e b 浏览器的可执行的g i s 软件，图2 2 为基于p l u g - i n 的w e b g i s 结构框图。 w e b 浏览器w w w 服务器 图2 2 基于插件的w e b g i s f i g 2 2w e b g i sb a s e do np l u g i n 基于w i n s o c k 的网络地理信息系统的研发 它的主要作用是使浏览器支持处理特定格式的g i s 数据，并为浏览器与g i s 服务程 序之间的通讯提供可行的条件。p l u g - i n 直接处理来自服务器端的g i s 矢量数据，同时 它可以生成自己的数据以供浏览器或其它p l u g i n s 插件显示使用。 利用c g i ，虽然增强了客户端的交互性，但是用户得到的信息依然是静态的。用户 不能操作单个地理实体以及快速缩放地图，因为在客户端，整个地图是一个实体，任何 g i s 操作都需要服务器完成并将结果返回。当网络流量较高时，系统反应变慢。而利用 插件技术，将一部分服务器的功能转移到客户端，增加了浏览器处理地理空间数据的能 力，而且插件处理的是矢量格式空间数据，其数据量较小，这样就加快了用户操作的反 应速度，减少了网络流量和服务器负载，使得服务器更有效地为更多的用户服务。 但是p l u g - i n 也有它的缺点，它与运行平台、操作系统以及g i s 数据类型相关，对 于不同的平台、操作系统和数据类型需要有不同的p l u g - i n 支持；它需要先下载安装后 才能使用，如果用户准备使用多种数据类型，还必须安装多个插件；另外还存在插件程 序的版本升级问题等l z z j 。 ( 3 ) 利用a c t i v e x 控件和d c o m 组件对象模型建立w e b g i s a c t i v e x 技术是在微软公司0 u ! ( 对象链接与嵌入) 技术基础上发展起来的互联网 新技术，其基础是组件对象模型d c o m ，它不是计算机语言，而是一个技术标准。基 于这种标准开发出来的构件称为a c t i v e x 控件，与p l u g i n 类似，如图2 3 所示。 g i s 数据对象请求 l ， 一r 一传送a c t i c e x 控件和 g i s 数据对象 图2 3 基于控件的w e b g i s f i g 2 3w e b g l sb a s e do i la c t i v e x d c o m 和a c t i v e x 控件技术方法具备构造各种g i s 系统模块的能力，利用这些技 术方法和与之相应的o l e 、s d e ( 空间数据引擎) 技术方法相结合，可以开发出功能 大连理工大学硕士学位论文 强大的w c b g i s 系统。采用这种技术方法构建的w e b g i s 系统，具有很好的灵活性，使 w e b 页面成为一种动态的、跳跃的页面，扩展能力强，可充分利用客户机服务器体系 结构优势，也是现今较为流行的一种实现方法 2 3 1 。 但是a c t i v c x 控件目前只有全面支持，在n e t s c a p e 中则必须有特别的p u l g - i n 才 能运行，兼容性较差，并且只能运行于m s w i n d o w s 平台上；由于可以进行磁盘操作， 其安全性较差。它的优点是执行速度快，并且由于它可以用多种语言实现，因此可以复 用原来g i s 软件的源代码，提高了软件开发效率。 “) 利用j a v a 编程语言建立w e b g i s 系统 美国s u n 公司于1 9 9 5 年推出的j a v a 编程语言是基于网络应用开发的面向对象的新一 代计算机编程语言。它具有对象封装、多态性和继承性等面向对象语言的基本特征。由 于采用了虚拟机技术( j a v av i r t u a lm a c h i n e ) 技术，因j h s j a v a 语言程序实现了目标代码与 平台无关的特性，同时具有支持i n t r a n e t i n t e r n e t 网络模式下的数据分布与计算分布的特 性。j a v a 程序有两种，一种可以独立运行，另一种称为j a v aa p p l e t ，只能嵌入h 眦l 文件 中，被浏览器解释执行。用j a v aa p p l e t 实现w c b g i s ，与平台和操作系统无关，在具有j a v a 虚拟机的浏览器上都能动态运行，无须在用户端预先安装；由于j a y a 语言本身支持网络 功能，可以实现a p p l e t 与服务器程序的直接连接，从而使数据处理操作既可以在服务器 上实现，又可以在客户端实现，以实现两端负载的平衡【驯。 毋 g i s 数据对象请求 一， 一 g i s j a v aa p p l e t 一传送g i sj a v aa p p l e t + 和g i s 数据对象 图2 4 基于j a v aa p p l e t 的w e b g i s f i g 2 4w e b g i sb a s e do l lj a v aa p p l e t 目前利用j a v a 编程语言开发w e b g i s 系统可分为两种方式：一种是仅利用j a v a 语言开 发客户端的g i s 功能，服务器后台仍以传统的开发方式进行，特点是系统开发简单易行， 基于w i n s o c k 的网络地理信息系统的研发 可大大缩短系统开发周期：而另一种方式是在客户端和服务器端都采用j a v a 编程语言从 系统的底层开发，让简单的g i s 功能在客户端解决，较复杂的g i s 功能在服务器端实现， 此方案具有b r o w s e r s e r v e r 的结构体系，但系统开发工作量大，周期长，难度大。图2 4 为基于j a v aa p p l e t 的g i s 的功能结构图。 在实现w e b g i s 时，除了考虑客户机服务器模式、分布式数据管理以外，还要着 重考虑控制网络传输数据量、与用户进行交互、安全性和可移动性。综合以上几种实现 模式，可以看出，c g i 方法，数据处理在服务器端进行，容易造成服务器端负载过重， 而且这种方法传输到客户端的图形是栅格图形，网络传输慢，而且不利于浏览器的交互 操作。如果客户端要操作矢量数据，则可以选择插件、a c t i v c x 技术以及j a v aa p p l c t 技 术，利用它们许多地图操作可以在本地执行，例如放大、缩小、漫游等，并且可以加快 网络数据传输速度，减轻服务器端的负担等瞄】。但是插件方法要先安装，使用不方便， 对已有的g i s 资源操作分析能力弱，安全性也较差；而a c t i v e ) ( 技术与平台相关；以j a v a 语言实现w e b g i s ，该工具支持多线程并行计算，具有地图显示和查询等空间操作基本 功能，与具体平台和操作系统无关，可实现各种g i s 数据的传输与共享，g i s 操作速度 快，并且j a v a 有自己的安全框架，不允许对本地文件直接操作，相对于其它实现模式更 安全，但是它只能嵌入h t m l 文件中使用，被浏览器解释执行。表2 1 介绍了w e b g i s 的各种实现模式的具体情况。 表2 1 w e b g i s 实现模式比较 t a b 2 1 t h e f o u r m o d e s a d v a n t a g e s v e r s u sd i s a d v a n t a g e s o f w e b g i s 大连理工大学硕士学位论文 2 2w e b g l s 面临的问题 w e b g i s 经过近年来的发展无论从理论上、技术上还是应用上都取得了巨大的进步。 它的发展有力地促进了g i s 的社会化，同时也推动了地理空间数据的广泛应用。它是 g i s 走向“社会化”的必由之路。所谓“社会化”就是使g i s 满足社会各界对相关地理 信息的需求，通过互联网实现地理数据的共享，使人们能够获取对自己有用的地理信息。 然而现有的w e b g i s 系统在根本上无法满足w e b g i s 发展的要求。结合开放式地理信息 系统联盟( o g c ，o p e ng i sc o n s o r t i u m ) 2 6 1 提出的开放式地理信息系统应该具有的特征 和w e b g i s 系统自身的特性，w e b g i s 的发展面l 临以下的挑战： 地理数据的共享。由于各单位的地理原始数据采用的空间数据建模方法不同以及对 地理实体认识上的差异，使得各单位的数据相对独立，在语义表达上存在着不可调和的 矛盾，它们是一个个“信息孤岛”。另外，当前绝大多数w e b g i s 系统的建立只是为了 将g i s 地图数据和某一特定领域相结合，只是从有限的用户需求出发，因此它们只注重 于g l s 数据的网络发布而忽略了数据的共享。 g i s 空间数据描述专业化。目前网络上描述g i s 空间信息数据的手段主要有两种： 一种是h t m l 内嵌图片，另外一种是各大w e b g i s 软件开发商自己定义的矢量数据。 超文本标记语言h t m l 通常以栅格图片和简单属性的描述形式表达地理空间数据，对 于矢量的地图数据无能为力。而栅格图片的数据传输量比矢量数据传输量要大的多，这 就造成了网络传输负担问题，另外客户端操作的是栅格地图，不能直接对图像进行放大、 缩小、漫游等操作，必须交由服务器完成，因此客户端交互性差。而一些w e b g i s 系统 的数据是以矢量格式描述的，但是它们的数据格式是开发商自定义的，需要专门的接口， 不同系统间的数据格式差异很大，没有一种带语义的、自描述的通用语言进行沟通，不 利于结构复杂的空间地理信息数据的查询和整合，无法达到数据共享的要求。 因此，g i s 数据描述需要一种“专业化”的描述手段，这样的描述必须精炼，适于 网络传输，这就对“专业化”的空间信息描述语言提出了更高的要求。 2 3 网络地理信息统的模型选取 2 3 1c s 网络构架 一方面，孤立、自主、异构的集成式地理信息系统已经不能满足i n t e r a c t 时代人们 对于实现空间信息共享和互操作的迫切需求，网络地理信息系统的发展成为一种必然趋 势。 另一方面，目前常用的w e b g i s 软件不但价格昂贵，而且各自存在着缺陷【卅： 基于w i n s o c k 的网络地理信息系统的研发 ( 1 ) 有些g i s 产品传送的是栅格数据，网络和服务器负担重。 ( 2 ) g i s 还是被认为是信息孤岛，某一个g i s 应用系统的用户只能局限于本应用系 统的数据服务，为了使用其它g i s 系统的数据服务，必须改变自己的系统服务商。 ( 3 ) 有些g i s 产品较为庞大，软硬件要求高。为了能够支撑运行这些g i s 系统专业 开发工具，往往对系统的软、硬件有较高的要求。 ( 4 ) 采用太多的专有技术，对普通用户和二次开发者而言，系统缺乏开放性。 ( 5 ) 没有系统版权。这一点，在很大程度上，是制约使用这些g i s 系统专业开发工 具的重要因素。利用它们开发的g i s 系统，实际上只是在原有系统的基础上做一些简单 的应用开发，开发完成的产品同样需要这些专业开发工具的支撑平台，也就是用户除了 支付开发费用以外，还需要再购买这些支撑平台。对于g i s 系统开发者来说，这就等于 没有自己的产品，没有自主的系统版权，还要受到软件升级等各种因素的制约。 同时，c s 模式存在着自身的优越性1 2 8 1 。实现对等服务是c s 模式的理想，目前网 络市场上越来越多的产品支持全功能的对等服务，c s 在构造分布式应用系统时成为最 佳的方式。它支持企业更好地利用桌面计算技术；使得处理和被处理的数据合理分布， 大大降低网络开销和响应时间，减少网络带宽和成本需求；提供p c 机以及服务器上的 g u l 人机界面；支持和倡导标准化和开放系统等等。 鉴于以上原因，本文采用c s 模式的处理方式，矢量的形式组织数据文件，来减轻 网络、服务器负担；最大限度的发挥现有计算机硬件资源的效用。以自来水管网信息系 统为数据来源，开发一套自主版权的网络地理信息系统软件。此系统能够为用户提供特 定的、友好的浏览界面，以更好的满足用户对地图操作的专业需求，同时为具有特殊权 限的技术管理人员，提供了远程控制、编辑地图的服务；不但能实现海量地理数据的信 息共享，而且保证了信息实时最新。随着研究和开发的不断深入，可使其扩展到其他领 域，成为具有综合功能的大型网络g i s 软件平台。 2 3 2 矢量式地图数据结构 网络g i s 作为g i s 在网络应用中的特定技术，主要是用来实现特殊的空间数据类型， 即矢量( v e c t o r ) 和栅格( r a s t e r ) 等图形数据在网络环境下最大程度的共享。矢量和栅 格是地理信息系统中两种主要的空间数据结构【2 9 1 ，它们的数据来源、结构和格式都各不 相同。栅格图就是一个规则的阵列( m a t r i x ) ，其中各个像元( p i x ) 互不影响；而矢量 图是由一些坐标和由这些坐标组成的线、面、体，它们之间有着密切的关系。 栅格图像，也称光栅图像，是指在空间和亮度上都已经离散化了的图像。可以把一 幅栅格图像考虑为一个矩阵，矩阵中的任一元素对应于图像中的一个点，而相应的值对 大连理丁大学硕士学位论文 应于该点的灰度级，数字矩阵中的元素叫做像素。数字图像与马赛克拼图相类似，是 由一系列像素组成的矩形图案，如果所有的像素有且仅有两个灰度级( 黑或白) ，则称 其为二值图像，也即位图，否者称其为灰度图像或彩色图像( 常见的格式有t i f f 、b m p 、 p c x 、j p e g 等) 。 矢量图像，也称为面向对象的图像或绘图图像，在数学上定义为一系列由线连接的 点。矢量文件中的图形元素称为对象。每个对象都是一个自成一体的实体，它具有颜色、 形状、轮廓、大小和屏幕位置等属性。每