（计算机应用技术专业论文）webgis互操作模型研究与应用.pdf

中文摘要 摘要 地理信息系统是用于采集、存储、管理、处理、检索、分析和表达地理空间 数据的计算机系统。w e b g i s 软件发展很快，它是最近g i s 研究的热点也是g i s 发展的方向。研究、分析、探讨w e b g i s 互操作模型，对于提高我国各行业、特 别是城市规划建设、管理与服务的数字化水平，促进地理信息系统的发展，充分 利用网络资源给更多用户提供使用g i s 都有着极为重要的学术和实用意义。 早期的g i s 平台采用了不同的技术标准，采用的数据库系统也不尽相同， 随着数字城市的发展和信息管理的发展，需要把不同平台的g i s 集成起来，实 现数据共享。特别是基于i n t e m e t 之上的w e b g i s 的发展，对异构w e b g i s 实现 互操作的需求越来越强烈。 针对以上问题，在广泛调研了国内外相关技术及应用现状后，本文进行 了下述的研究工作： 本文首先探讨地理信息系统的主要构成和发展趋势及研究的主要内容。接着 对w 曲g i s 的体系结构、构造模型进行了研究，总结出了实现异构w 曲g i s 互操 作的三种互操作模型：数据源互操作、发布数据的互操作及功能的互操作。在 数据源的互操作中，对连接池服务做了研究。对发布数据的互操作，首先阐述了 数据发布的模式及可视化方法，然后对s v g m l 技术作了较为详细的介绍，并 设计了用s v g x m l 表示空间对象的规则，最后研究了如何利用s v g x m l 技术 发布地图数据，并对实现发布数据互操作的技术做了研究。 本文接着对实现数据源互操作的两种主流技术( c o r b a 、c o m d c o m ) 做 了简单对比，侧重介绍了实现过程中涉及到的c o r b a 、j a v a 技术，然后对基于 c o r b a j a v a 的w 曲g i s 系统结构进行了研究。 本文最后结合电力g i s 中的两个不同系统：基于g e o m e d i a 的输电g i s ( 采 用a c c e s s 数据库) 和基于m i r c o s t a t i o n 的配电g i s ( 采用o r a c l e 数据库) ，讨论 了如何利用数据源的互操作技术实现异构数据库的互操作，并且使用s v g 压m l 技术，发布、解析了空间数据。通过提出的理论模型成功地实现了w e b g i s 的互 操作。 本文提出的互搡作理论及模型，在g i s 还不十分规范的情况下，对“数字城 市”建设中的不同g i s 系统实现互操作提供了一种途径和方法。因此，对目前城 市数字化的推进具有现实意义和指导意义。 关键词：w 曲g i s ，数据源，互操作，空间数据发布 要文捅要 a b s t r a c t g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e mi sac o m p u t e rs y s t e mf o rt h ec o l l e c t i o n , s t o r a g e ， m a n a g e m e n t ，p r o c e s s i n g , i n d e x ，a n a l y s i sa n dr e p r e s e n t a t i o no fg e o g r a p h ys p a t i a ld a t a w e b g i sn o wh a sg a i n e dar a p i dp r o g r e s s i ti st h e h o ts p o to fg i sr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n td i r e c t i o n i tw i l lp r o m o t et h ed i g i t a ll e v e lo fa l li n d u s t r ye s p e c i a lc i t y p l a n n i n g ，c o n s t r u c t i o n ，m a n a g e m e n ta n ds e r v i c e ，t h ed e v e l o p m e n to fg i s i ta l s oh a s as i g n i f i c a n tr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nb e n e f i t sb yt h ep r o v i d i n go fg i st ou s e rw i t h n e t w o r kr e s o u r c e i ns o m ee x i s t i n gg i ss y s t e m s ，t h e yh a v ed i f f e r e n tt e c h n o l o g ys t a n d a r da n d d a t a b a s e w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lc i t ya n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，t h e r e e x i s t st h er e q u i r e m e n to fi n t e g r a t eg i so nd i f f e r e n tp l a t f o r m sa n ds h a r i n gd a t a ，i tn o w h a sas 仃o n gr e q u i r e m e n to fi n t e r e p e r a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tg i ss y s t e m s ，e s p e c i a l l y t ot h ed e v e l o p m e n to fw e b g i sb a s e do ni n t e m e t f o ra l lt h e s eq u e s t i o n s ，aw i d er e s e a r c ho nc o r r e l a t i o nt e c h n o l o g ya n d a p p l i c a t i o nh a sb e e nm a d e t h ef o l l o w i n gh a sb e e nd o n ei nt h i sp a p e r t h i sp a p e rf w s td i s c u s s e st h em a i ns t r u c t u r e d e v e l o p m e n tt r e n da n dm a i n r e s e a r c hf i e l do fg i s w ei n t r o d u c et h ea r c h i t e c t u r ea n dm o d e lo f 、e b g i s a n d c o n c l u d et h r e ei n t e r o p e r a t i o nm o d e l s ：d a t as o u r c ei n t e r o p e r a t i o n ，i n t e r o p e r a t i o no f d a t ap u b l i s ha n df u n c t i o ni n t e r o p e r a t i o no fw e b g i so fd i f f e r e n ta r c h i t e c t u r e s w e g i v es o m er e s e a r c ho nt h es e r v i c e so fc o n n e c t i o np o o lo fw e b g i so nd i f f e r e n t d a t a b a s e w ef i r s ti n t r o d u c et h em o d u l e so fp u b l i s h i n gd a t a ，a n dt h em e t h o do f v i s u a l i z i n gs p a t i a ld a t a s e c o n d ，w eg i v ead e t a i li n t r o d u c eo nt h es v g x m lt e c h n o l o g y , a n d d e s i g nt h er u l eo fs p a t i a lo b j e c te x p r e s s e db ys v g a n dx m l i nt h ee n d w e a n a l y s et h et e c h n o l o g yo fi n t e r o p e r a f i o no np u b l i s h i n gm a pd a t ab a s e do ns v g x m l i np a p e r , w ea l s oc o m p a r et w om a i nt e c h n o l o g y ( c o r b a ，c o m d c o m ) o f d a t a s o u r c ei n t e r o p e r a t i o n w ef o c u so nc o r b aa n dj a v af o ri n t e r o p e r a t i o no fd i f f e r e n t g i s w ea l s or e s e a r c ho nt h es y s t e ma r c h i t e c t u r eo fw e b g i sb a s e do n c o r b a j a 讼， t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e dh o wt ou s et h ei n t e r o p e r a f i o no fd a t a s o u r c et or e a l i z e d t h ei n t e r o p e r a t i o no fd i f f e r e n td a t a b a s e ，a n dp u b l i s ha n dp a r s es p a t i a ld a t a b a s eb y s v g x m l ，b a s e do nt w od i f f e r e n tp l a t f o r mo fe l e c t r i cp o w e rg i s ：t r a n s m i t e l e c t r i c i t yg i so ng e o m e d i a ( w i t ha c c e s sd a t a b a s e ) a n d e l e c t r i cg i so n i i i 重庆大学硕士学位论文 m i c r o s t a t i o n ( w i t ho r a c l ed a t a b a s e ) t h et h e o r ya n dm o d e lo fi n t e r o p e r a t i o n , p u t t i n gf o r w a r db yt h i sp a p e ri na c o n d i t i o no fh a v i n gn o ts t a n d a r di ng i s ，p r o v i d eo n em e t h o da n da p p r o a c ht o d i f f e r e n tg i ss y s t e m so fd i g i t a lc i t yf i e l d s i ti sv e r yp r a c t i c a la n dg u i d a b l ef o r p r o m o t i n gc i t y sd i g i t a ln o w a d a y s k e y w o r d s ：w e b g i s ，d a t a s o u r c e ，i n t e r o p e r a t i o n ，s p a t i a ld a t ap u b l i s h i n g i v 1 绪论 l 绪论 地理信息系统，简称g i s ( 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 ) 。顾名思义，地 理信息系统是处理地理信息的系统。地理信息是指直接或问接与地球上的空间位 置有关的信息，又常称为空间信息。同时g i s 也是一门综合了经济管理学、运 筹学、地理学、测量学及计算机科学等多学科的科学技术，它是对地球空问数据 进行采集、存储、检索、建模、分析和表示的计算机系统，不仅可以管理以数字、 文字为主的属性信息，而且可以管理以图形图像为主的空间信息，它通过各种空 间分析方法对各种不同的空间信息进行综合分析解释，确认空间实体之间的相互 关系，分析在一定区域内发生的各种现象和过程。因此g i s 可定义为：“用于采 集、存储、管理、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机系统，是分析 和处理海量地理数据的通用技术”l l j 。 1 1g i s 的产生和发展 地理信息系统的存在与发展已历经3 0 多年。用户的需要、技术的进步、应 用方法论的提高，以及有关组织机构的建立等因素，深深地影响着地理信息系统 的发展。综观g i s 发展，可将地理信息系统发展分为以下几个阶段拉j ： ( 1 ) 6 0 年代为地理信息系统开拓期，注重于空间数据的地学处理。 ( 2 ) 7 0 年代为地理信息系统的巩固发展期，注重于空问地理信息的管理。 ( 3 ) 8 0 年代为地理信息系统大发展时期，注重于空间决策支持分析。 ( 4 ) 9 0 年代为地理信息系统的用户时代。 随着网络技术和计算机软硬件的不断成熟，对空间应用需求的不断扩大。 g i s 的技术也越来越成熟。而当前g i s 与r s ( 遥感系统) 及g p s ( 全球定位系统) 技术的融合，将g i s 的研究范围扩展到全球乃至更大的地理空间。与此同时g i s 也从单机向网络( 包括w e b g i s ) 、二维向多维、封闭向开放的方向发展。 1 2g i s 的基本结构 目前主流的g i s 系统按功能层次划分为三个相对独立，而又密切相连的子 系统：数据库系统，g i s 通用系统，g i s 专业应用系统”。如下图1 1 所示： 1 数据库系统 由于g i s 应用系统不仅要处理大量的空间图形数据，也要处理大量的与空 重庆大学硕士学位论文 间实体相关的属性数据和管理数据，因此如何组织和管理这些数据是g i s 面临 的首要问题。 g i s 专业应用系统 + g i s 通用系统 + 数据库系统 图1 1g i s 系统的基本结构 f i g1 1b a s i cf r a m e w o r ko f g i s 关系数据库系统经过几十年的发展和完善，提供了一系列高速可靠的数据存 取机制，如多用户控制，并发控制，客户服务器机制等。由于数据库系统一般 只提供属性数据的存储和检索，而地图数据是一些特殊的格式化的数据，因此必 须要经过一个中间层来进行格式转换。 2 g i s 通用系统 尽管不同的应用系统有其特殊的需求，但都需要一组基本的操作，如地图显 示、地理数据输入、进行坐标转换等。现在主流的g i s 通用系统，例如i n t e r g r a p h 公司的g e o m e d i a 采用了组件技术来完成这一中间层，见图1 2 。 图1 2 g i s 通用系统结构 f i g1 2s t r u c t u r eo f g e n e r a lg i s 2 1 绪论 3 ，g i s 专业应用系统 专业应用系统面向用户的具体应用。如电力系统的配电g 1 s ，消防g i s ，规 划部门的市政规划g i s 等。它向用户提供符合用户习惯的操作环境、提供某个 领域内的专用分析工具、为用户提供决策支持信息。正是由于g i s 技术在国防、 城市规划、交通运输、环境监测等与国民经济乃至国家命脉相关的重要领域的成 功应用极大地推动了社会生产力的发展。同时，也极大地刺激了g i s 及数据 库的迅速发展，使之成为世界各国激烈竞争的高科技热点之。 1 3g i s 研究的热点及发展趋势 g i s 技术依托的主要平台是计算机及其相关设备。进入9 0 年代以来，计算 机核心部件c p u 的处理速度愈来愈快、性能价格比更高：其存储器可实现将大 型文件映射至内存的能力，且能存储海量数据。随着多媒体技术、空间技术、虚 拟现实、数字测绘技术、数据仓库技术、计算机图形技术以及三维图形芯片、大 容量光盘技术与宽频光纤通讯技术的突破性进展，特别是消除数据通讯瓶颈的卫 星互联网的建立，以及能够提供接近实对对地戏铡图像的高分辨、高光谱、短周 期遥感卫星的大量发射，所有这些为g i s 技术的广泛、深入应用展示了更加光 明的前景。同时，也使得当前的g i s 已不能满足信息时代、数字时代的要求， 目前g i s 总体上呈现出网络化、开放性、虚拟现实、集成化、空间多维性等发 展趋判3 1 。 1 w 曲g i s 一网络g i s 计算机网络技术的最新发展，使得建立万维网g i s ( w w - w g i s 或w e b g i s ) 成为近年来g i s 研究领域的一个前沿课题。w 拍g i s 是指在r n t e m e t 的信息发布、 数据共享、交流协作基础之上实现g i s 的在线查询和业务处理等功能。w e b 分 布式交互操作是工作重点。由于速率、安全性及面向业务处理等关键要素， w e b g i s 正在i n t e m e t 上获碍广泛应用，利用j a v a 、c g l 、p l u g i n s 等开发技术， 使企业用户直接通过b r o w s e r 对g s 数据进行访问，实现编辑修改、检索查询、 信息分析、制图输出等g i s 基本功能。 2 具有建模功能的地理信息系统 目前通用g i s 大多通过提供进行二次开发工具和环境来解决这一问题。如 m 汜，矾f o 提供的进行二次开发宏语言a m l 。二次开发工具的一个主要问题是 它对于普通用户而言过于困难。而g i s 成功应用于专门领域的关键在于支持建 立该领域特有的空闯分析模型，g i s 应当支持面向用户的空闫分析模型的定义、 生成和检验的环境，支持与用户交互、建立基于g i s 的分析、建模和决策。这 种g i s 系统又称为地理信息建模系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nm o d e l i n gs y s t e m 重庆大学硕士学位论文 简称g i m s ) ，g i m s 是目前g i s 研究的热点问题之一1 4 l 。 3 g i s 和其它空间技术的综合 g i s 技术的综合。主要体现在g i s 与其它信息技术的结合之上，如我们常常 所说的“3 s ”即g i s 、g p s 、r s 的一体化，就是技术综合的体现。现在的g i s 已 经远远超出了这些，它已经与c a d 、多媒体、通信、i n t e r n e t 、办公自动化、虚 拟现实等多种技术结合，形成了综合的信息技术。综合是g i s 技术开发和应用 值得注意的重要方向。 4 数据库技术与g i s 技术的融合 由于通用数据库并没有提供g i s 所需的处理空间数据的能力，g s 必须通过 中间件( m i d d l e w a r e ) 来访问数据库中的g i s 数据，因此不能使用标准s q l 查询来 处理g i s 数据，也不能利用通用数据库所提供的大量先进的功能和特性，如 c l i e n t s e r v e r 机制、安全和恢复机制及分布式处理机制等。 随着g i s 应用的快速发展，通用的数据库系统开始提供一些直接支持g i s 应用的机制以满足g i s 应用不断提高的需求。如o r a c l e 中的s p a t i a ld a t a o p t i o n s p a t i a lc a r t r i d g e 来满足g i s 系统对大量数据处理的需求。值得注意的是 当前已经有几个标准机构正在制定空间数据的存储和查询标准，如开放g i s 协 会( o p e ng i sc o n s o r t i u m ，简称o g c ) ，美国国家标准组织( a m e r i c a nn a t i o n a l s t a n d a r d si n s t i t u t e ，简称a n s i ) 等，通过扩展s q l 查询( 如：带有空间查询的 s q l3 标准) ，使得g i s 得到通用数据库系统更有力的支持，两者将真正实现完 全融合。 5 o p e n g i s - - 开放式g i s 开放式地理信息系统( o p e n g i s ) 是指在计算机和通信环境下，根据行业标准 和接口所建立起来的地理信息系统。它不仅使数据能在应用系统内流动，还能在 系统间流动。o p e n g i s 是为了使不同的地理信息系统软件之间具有良好的互操作 性，以及在异构分布数据库中实现信息共享的途径。o p e n g i s 规范是o g c 制定 的一系列开放标准和接口。 o g c 促进了g i s 的互操作。它通过规范，改变了地理数据及其服务的处理 方式，通过互操作的开放式系统将它们集成，从而在i n t r a n e t o n t e m e t 环境下，通 过分布式平台从异构信息中直接获取信息。o c r c 促进了地理数据提供者、厂商 和服务商之间的联合，推动了全球范围内的标准化进程，拓宽了地理数据服务市 场。o p e n g i s 技术将使g i s 始终处于一种有组织、开放式的状态，真正成为服 务于整个社会的产业以及实现地理信息全球范围内的共享与互操作，是未来网络 环境下g 1 s 技术发展的必然趋势。 1 绪论 1 4w 曲g i s w 曲g i s 的设计思想就是将g i s 系统提供的数据和服务作为一系列的u r l ( u n i f o r mr e s o u r c el o c a t o r ) 资源，因此任何一个因特网用户都可以访问和使用 系统提供的数据和服务。因此相对相对于传统的g i s 系统，它具有以下的特点： 更广泛的访问范围。客户可以同时访问多个位于不同地方的w e b 服务器上 的最新数据，而这一i n t e m e t i n t r a n e t 所特有的优势大大方便了g i s 的数据管理， 使分布的多数据源的数据管理和集成变得更易于实现。 平台独立性。无论服务器和客户机是何种机器，无论w 曲g i s 服务器端使用 何种g i s 软件，使用通用的w e b 浏览器，用户就可以透明地访问w e b g i s 提供 的数据，在本机或某个服务器上进行分布式部件的动态组合和空间数据的协同处 理与分析，实现远程异构数据的共享。 降低系统成本。传统的g i s 在每个客户端都要配备昂贵的专业g i s 软件， 而用户使用的经常只是一些最基本的功能，这实际上造成了极大的浪费。w e b g i s 在客户端通常只需使用w e b 浏览器( 有时还要加一些插件) ，其软件成本与全套 专业g i s 相比明显要节省得多。另外，由于客户端的简单住而节省的维护费用 也不容忽视。 更简单的操作。要广泛推广g s ，使g i s 系统为广大的普通用户所接受，而 不仅仅局限于少数受过专业培训的专业用户，就要降低对系绞操作的要求。通用 的w e b 浏览器无疑是降低操作复杂度的最好选择。 平衡计算负载。传统的g i s 大都使用文件服务器结构的处理方式，其处理 能力完全依赖于客户端，效率较低。当今一些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。这种计算模式能灵活高效地寻求计算负荷和网络流量负载在服务器端 和客户端的合理分配，是一种较理想的优化模式。 目前w e b o l s 还存在着许多不成熟的方面，如进入i n t e m e t 带来的网络速率 的限制及相应的安全性问题等等。因此预计在今后的一段时期内，w e b g i s 将首 先在i n t r a n e t 上获得广泛的应用。 w e b g i s 是当今g i s 的制高点，已成为各大厂商激烈竞争的焦点。几个重要 的g i s 厂商争相发布各自的w e b g i s 产品如m a p l n f o 公司的m a p l n f o p r o s e r v e r 、i n t e r g r a p h 公司的g e o m e d i aw e bm a p 、e s i u 的i n t e r n e tm a p s e r v e r ( i m s ) f o ra r c v i e w & m a p o b j e c t s ，著名的c a d 厂商a u l o d e s k 公司也推出 了m a p g u i d e 。这些产品大多发布于1 9 9 7 1 9 9 8 年。最近b e n t l y 公司和m a p l n f o 公司又相继推出了m o d e l s e r v e r d i s c o v e r y 和m a p xs i t e 。 重庆大学硕士学位论文 1 5 论文的选题及研究意义 随着i t 行业的不断发展和社会的不断进步，g i s 软件理论和技术必须有一 个大的变革才能适应需要。与此同时，又提出了开放式o i s 和第四代g i s 等思 想。围绕这些思想的提出和发展，w e b g i $ 将主要向以下的几个趋势发展： | 地理标记语言网络环境下开放的空间数据交换格式 - 开放式地理信息系统 一体化的空间数据管理与分析 基于分布式计算的w e b g 氇 网络虚拟地理环境 移动通信技术g i s 应用 w e b g i s 软件发展很快，它是屉近g i s 研究的热点也是g i s 发展的方向。研 究、分析、探讨w e b g i s 互操作模型，对于提高我国各行业、特另是城市规划建 设、管理与服务的数字化水平，促进地理信息系统的发展，充分利用9 吲络资源给 更多用户提供使用g i s 都有着重要的学术和实用意义。 在早期的g i s 系统中，不同g i s 平台采用了不同的技术标准，采用的数据 库系统也不尽相同，随着数字城市的发展和信息管理的发展，需要把不同平台的 g i s 系统集成起来，实现互操作，从而实现共享。特别是i n t e m e t 和w e b g i s 的 发展，对异构w e b g i s 实现互操作的需求越来越强烈。如本论文中涉及到的电力 部门的两个不同的g i s 系统：输电g i s 和配电g i s ，输电g s 是较早开发的系 统，其管理的对象( 主要是高压线) 比较少，采用的g 1 s 平台为g e o m e d i a 以及 a c c e s s 数据库；而配电g i s 是后面开发的系统，管理对象较为复杂，采用的g i s 平台是m i c r o s t a f i o n 和o r a c l e 数据库。在实际使用中，需要对两系统的数据进行 共享，此时，我们就需要实现两系统的互操作。 为了解决w c b g i s 之间的互操作问题，开放地理信息系统协会于1 9 9 8 年倡 导了“网络地图实验环境”( 简称w m t ) 来推动具有互操作性和可移植性的w e b 制图技术的发展。从o g c 的w m t 文献以及n s d i ( 国家空间数据基础设施) ， g s d i ( 全球空间数据基础设施) 和数字地球的描述中可以看到，w m t 所倡导的、 能够作为n s d i 、g s d t 和数字地球地理信息传输及应用的w e b g i s 系统至少应具 有以下四个特征： 1 ) 互操作性。允许数据在不同的w e b g 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。 2 ) 可扩展性。要求尽可能利用已有的空阈数据设慈，不做或少做改动，并 能够容纳以后新出现的g i s 系统所产生的空间数据。 l 绪论 3 ) 分布式特征。包括数据分布和应用分布。 4 ) 良好的交互性。根据用户对w e b 空间数据应用的需求，应当允许合法用 户对已有的空间数据进行更新和删节。 w e b g i s 开拓了地理信息资源利用的新领域，为g i s 信息的高度社会化共享 提供了可能。同时，w e b g i s 作为数字地球的主要技术依托，已经成为i t 领域 十分重要的研究方向。 此学位论文的研究工作是对电力g 1 s 中不同g i s 平台( 输电g i s 和配电g i s ) 实现互操作的研究。具有一定的实际的适用意义。同时，本论文提出的理论模型 也是国家“十五”科技攻关项目：城市规划、建设、管理与服务的数字化工程( 项 目编号：2 0 0 2 b a l 0 7 b ) 的一部分。 1 6 论文的主要研究内容 本文在对w e b g i s 主要构造模型研究的基础上，以o g c 倡导的w e b g i s 所 应具有的四个基本特征为依据，结合当前的分布式技术，研究并提出一种具有良 好的开放性、互操作性的w e b 空间数据应用系统。本论文的组织结构如下： 第一章：绪论，主要介绍了g i s 的产生及发展、g i s 的基本结构及发展趋势、 w e b g i s 概念、以及本论文选题研究意义以及研究的主要内容。 第二章：介绍了开放式w e b g i s 的系统结构。 第三章：在研究w e b g i s 三种构造模型的基础上，提出了w e b g i s 互操作模 型。 第四章：阐述了实现w e b g i s 异构数据库互操作采用的连接池技术。 第五章：阐述了w e b g i s 数据发布的模式，然后详细讨论了发布数据互操作 要求的空间数据标准化表示一s v g m l 。 第六章：详细阐述了w e b g i s 互操作的实现技术c o r b a j a v a ，以及该技 术之下的w e b g i s 互操作体系结构。 第七章：以一个原型系统对前面介绍的技术作出了验证。 第八章：结束语，总结全文。 2w e b g i s 体系结构研究 2w e b g i s 体系结构研究 w e b g i s 是i n t e r n e t 技术应用于g i s 系统的产物。它利用现有的w e b 浏览 器和现有的i n t e m e t 通信协议( 如h t t p ) 来实现g i s 信息的共享，使得用户以 最低的系统配置获取不同g i s 信息提供者提供的数据和服务。 本章的主要内容有：o p e n g i s ，o g c 建议的w e b g i s 系统结构、开放式 w e b g i s 的系统结构、w e b g i s 实现技术分析。 2 1 o p e n g i s o p e n g i s 是开放式地理信息系统的简称，它是开放式系统设计思想在g i s 系统设计中的一种体现【5 1 。在过去的十几年，随着g i s 技术的迅速发展，g i s 广 泛地运用到各个领域，并随之出现了许多优秀的g i s 软件，它们各具特色，在 数据格式、数据处理、数据显示等方面都有独到之处，因此被不同的单位、部门 应用。但是随着网络技术、通讯技术的迅速发展特别是i n t e m e t 的发展，人们在 进行空间分析和查询时往往要求综合不同系统中的数据来求解问题。如何在不同 的g i s 软件之间，以及在异构系统之间的数据共享和协同计算异构系统之 间的互操作，就提到议事日程。g i s 系统之间的互操作成为g i s 研究领域的一个 重要分支，也是o p e n g i s 研究的核心问题。 o p e n g i s 不仅仅关心异构系统之间数据的交换，它更加关注如何实现异构系 统之间共享信息处理的能力，即能够在不同的系统之间共享服务。要实现数据和 服务的共享，除了需要定义一系列的数据格式和操作数据的规范外，系统之间需 要一种各个系统能够识别和接受的通讯手段进行信息和数据的交互1 6 】。 t c p i p 和h t t p 协议是异构系统之间用来交换信息所采用的最广泛的通信 协议。x m l 技术是当前同来实现异构系统之间数据交换的最热门的技术。 c o b r a 技术实现异构系统之问的相互调用。当前o p e n g i s 和w e b g i s 的研究大 都基于这些技术。 大多数o p e n g i s 是以i n t e m e t 为实现环境。因此w e b g i s 和o p e n g i s 之间的 研究是密不可分的。如果一定要给出这两者的差异，可以这样说w e b g i s 是强调 用户如何通过w e b 浏览器获取空间数据，而o p e n g i s 更强调g i s 服务器之间如 何通过i n t e n e t 交互。 o g c 促进了g i s 的互操作。它通过规范，改变了地理数据及其服务的处理 方式，通过互操作的开放式系统将它们集成，从而在i n t r a n e t i n t e m e t 环境下，通 重庆大学硕士学位论文 过分布式平台从异构信息中直接获取信息。o p e n g i s 技术将使g i s 始终处于一 种有组织、开放式的状态，真正成为服务于嫠个社会的产业以及实现地理信息的 全球范围内的共享与互操作，是未来网络环境下g i s 技术发展的必然趋势。 2 2o g c 建议的w e b g i s 系统结构 w e b g i s 具有多层结构，从功能层次上将它分成三个主要的部分：客户端系 统，w e b g i s 服务器系统和g i s 数据服务器系统。各个系统又可以进一步细分成 若干个子系统。 图2 k a ) 纯图形方式2 1 0 3 ) 图形元素方式 f i 9 2 1 ( a ) t h e p i c t u r e c a s ef i g2 1 毋) t h e g r a p h i c e l e m e n t c a s e 图2 1 ( c ) 数据方式 f i 9 2 i ( c ) t h e d a mc a s e 如何划分和定义各层的功能是定义w e b g i s 体系结构重要的工作，它决定 o 2w e b u i s 仟系垢构计艽 了系统各部分采用什么技术，各层之间如何通信的问题。下面就o g c ( o p e ng i s c o n s o r t i u m ) 对w 曲m a ps e r v e r 的结构的描述来说明该问题。o g c 建议的w 曲 m a ps e r v e r 是指在因特网上发布地图数据的服务器基本模型，它建议的模型根据 客户端的功能强弱分成三种口 ：纯图形方式、图形元素方式、数据方式。见图 2 1 ，其中r e n d e rs e r v i c e 是指图形图像生成服务程序，d e gs e r v i c e 是指数据 元素生成服务程序， f i l t e rs e r v i c e 是指空间数据查询服务程序。 第一种方式( 图2 1 ( a ) ) 纯图形工作方式，它是一种瘦客户( t h i nc l i e n t ) 方式，客户端只需要一个通用的w e b 浏览器，客户端的所有请求都由服务器端 处理。服务器端收到客户端的请求后将处理的结果转换成图像格式( b m p ，g f ， j p e g 等) 等传给客户端，由浏览器直接显示。 这种方式对于客户端的系统的配置没有特殊要求，通用的图形浏览器就可以 访问服务器上提供的各种功能，例如m a p l n f o 的m a p l n f op r o s e r v e r 。这类g i s 系统是早期w e b g i s 实现的主要形式。实际上，最早的w 曲g i s 出现时，就是简 单地将固定的地图图片链接到网页上，对于所有的用户查询，系统返回的是预先 制成的相同的地形文件和数据。这种方案的局限性是显而易见的，随后的改进方 案是在服务器端使用c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ) 技术，由c g i 程序负责处 理用户输入，将用户的操作指令传递到运行在后台的g i s 服务器，然后将服务 器返回的结果反馈给用户。服务器动态地查询空间数据库，并将查询结果生成静 态的图像。c g i 可以用任何一种能运行在服务器上的语言如c 、c + + ，v b 甚至 是p e r l 、s h e l l s c r i p t 等解释型语言写成。近期许多网站开始用a s p ( a c t i v es e r v e r p a g e s ) 来代替c g i ，它们的原理不同，但所起的作用是一致的，都起到了管理和 传递输入输出的作用。这种w 曲g i s 的特点是： ( 1 ) 基本不用改变原有的g i s 服务器端的调用函数，构造w e b 时较为简便迅 速，开发效率高； ( 2 ) 针对不同的用户操作完成相应的响应，能完成g i s 的大多数功能； ( 3 ) 对服务器要求较高。由于用户发出的所有指令最终都由g i ss e r v e r 来完 成，用户端实际上是起了一个图形终端的作用，致使服务器端负担过重，要求服 务器端的硬件速度快，内存容量大。当用户数量多时，容易在服务器端形成瓶颈， 进而影响整个系统的效率； ( 4 ) 由于回传用户的地图是在服务器生成的图像数据，因此网络数据流量 较大，在慢速的网络上用户的等待现象十分突出； 第二种方案( 图2 1 ( b ) ) 是采用图形元素方式，它是一种中客户方式( m e d i u m c l i e n t ) ，服务器根据客户端的查询请求在空间数据库中查找到满足条件的数据， 然后根据一定的格式( 通常是矢量格式，例如s c a l e a b l ev e c t o rg r a p h i c ) 返回给 重庆大学硕士学位论文 客户，图形的生成由客户端的程序( 如：j a v aa p p l e t ，a c t i v e x ) 来完成。目前 的w e b g i s 系统大多采用中客户方式，这种方式下服务器并不包办用户的一切请 求，而是通过服务器向客户端发送一段运行在本地机上的客户程序。这个程序可 以与用户相交互，处理用户的一些简单请求，如地图的开窗、放大等。所需的矢 量地图数据可以直接向服务器申请。当客户发出一些较复杂、高级的操作要求而 客户程序不能处理时，才请求w e b g i s 服务器处理，其处理结果也以矢量数据的 形式发还给客户端。采用这种方式的w e b g i s 系统的特点在于： ( 1 ) 这种方法传送给用户的是矢量的地理元素实体，而不只是一幅由服务器 处理好的静态图像，给予了用户更大的操作自由度，可以自由地处理每个元素， 不但可以查询地图数据，还可以分析和更新数据。 f 2 1 嵌入浏览器中运行的客户端程序直接在用户机器上执行，不会产生复杂 的软硬件兼容性问题，简便可靠。 f 3 ) 在网上传输的是各类矢量图形数据和属性数据，较之图像数据流量大大 降低，同时由于程序是在用户端执行的，许多简单操作无须通过网络传交服务器 处理，也减少了用户和服务器之间的数据流量，从而提高了整个网络的运行效率， 加快了响应速度。 ( 4 ) 服务器的处理负载降低，使之可以响应更多的请求。 ( 5 ) 需要开发客户端程序，制定一套完整的信息交换扩展协议并修改原有的 g i s 服务器软件，使之接受信息交换协议，在软件上需投入的工作量较大，周期 较长。 第三种方案( 图2 1 ( c ) ) 数据元素方式，这实际上是一种胖客户( t h i c kc l i e n t ) 方式。系统中的图形数据按o g c 定义的简单特征规范( s i m p l ef e a t u r e s s p e c i f i c a t i o n ) 存储和传送，客户端发送查询请求后要负责完成数据元素的生成 并从服务器端获得这些数据元素的显示属性( 如颜色、线性等) ，这些图形元素 的描述符合统一的规范，然后客户端处理程序根据这一规范来显示这些数据。因 此它要求客户端具有很强的处理能力，并且服务器端应采用统一的图形格式和访 问接口。 这种方式是地理信息系统向开放和互操作发展的方向，但是这种模式要求从 底层重新开发系统软件，并要求将现有的数据转换成o g c 规定的格式存放，因 而在短期内是很难直接应用于工程实践。 目前，几个重要的g i s 厂商争相发布各自的w e b g i s 产品。针对这些w e b g i s 系统我们可以得到以下的结论： 所有的w e b g i s 都采用瘦客户的模式和中客户的模式，而且采用中模式的产 品占了主导的地位。这与中模式较好地处理了负载平衡的问题有关。事实上最近 2w e b g i s 恽糸笫嗣研，艽 的一些产品如：m a p l n f o 公司的m a p x s t r e a m 则为了结合这两种模式的优点，采 用了混合的模式。即用户可以根据自己的需要选择是采用瘦客户方式还是采用中 客户的方式。至于胖客户的方式除了o g c 与一些公司做了一个实验性平台 w m t ( w e bm a pt e s t b e 由，目前还没有商业化的产品。 每一种w 曲g i s 系统都可以运行在w i n d o w sn t ，而且广泛地采用微软的 a c t i v e x 组件技术，使得用户方便地进行应用系统的设计和对该系统进行有效的 扩展，其中最具有代表性的是i n t