（计算机应用技术专业论文）基于web+gis的水资源优化配置系统的研究与实现.pdf

论文题目：基于w e bg i s 的水资源优化配置系统的研究与实现 专业：计算机应用技术 硕士生：江昕 指导教师：李军民 摘要 ( 签名) ( 签名) 。；兰自红 垄鐾么 水资源优化配置是当前国内外环境科学与工程领域的研究热点，研究人员多侧重于 水资源优化配置的机理、模型和控制对策等，但缺乏一个良好的交互式的用户界面来发 布、管理和分析水资源优化问题。 以此为出发点，本文在深入分析w e bg i s 的功能和水资源优化配置需求的基础上提 出了基于w e bg i s 的水资源优化配置解决方案，并以水电站在调度周期内发电量最大为 目标建立了相应的水库优化调度数学模型。再对优化调度数学模型进行求解后利用g i s 的图形处理及空间分析功能对结果进行处理，并将处理数据传回g i s 平台。最终系统以 多种方式可视化地表达各类信息的空间分布及动态变化过程，为用户决策提供快速直观 的技术支持。 本文从全局出发，提出了系统的总体建设目标、主要功能、模块结构划分以及系统 得以实现的技术平台，建立了系统的总体框架。其中对w e bg i s 进行了深入的研究与分 析，突出了w e b g i s 在系统中的应用层面。系统采用数据流程分析、数据实体关系分析 以及数据字典分析的方法进行了系统属性数据库的设计，针对空间数据的特点采用图层 化分析的方法进行了空间数据库的设计，并且结合计算机模式的发展探讨了系统三层网 络体系架构的实现问题。 本文实现了基本地图操作、查询分析和扩展等功能，最终完成了水资源优化配置系 统的可视化分析与操作，其中突出了w e b g i s 图形处理及空间分析的优势，并在w e b g i s 的水资源配置应用领域中进行了尝试，取得了良好得效果。 关键词：w e b g i s ；水资源；优化模型；m a p x t r e m e 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no no p t i m i z a t i o na l l o c a t i o n s y s t e mo fw a t e rr e s o u r c e sb a s e do uw e bg i s s p e c i a l t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e ：j i a n g x i n i n s t r u c t o r ：l ij u n m i n ( s i g n a t u r e ) j l 继z i 垒 ( s i g n a t u 仲) 左兰么z 丝丛 a b s t r a c t a tt h ep r e s e n t , t h er e s e a r c ho fo p t i m a ld i s t r i b u t i o ns y s t e mo fw a t e rr e s o u r c ei sa n i n t e r e s t i n gt o p i ci ne n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n de n g i n e e rf i e l d s h o w e v e r , a l m o s ta l lt h e j o b si n t h i sf i e l dw c t l i m i t e dt ot h ec 羽j s eo ff o r m a t i o na n dt h em o d e la n dc o n t r o lm e a s u r e a n d l a c k e df o ra g o o di n t e r f a c et oc o m p l e t et h ep u b l i c a t i o na n dt h em a n a g e m e n ta n dt h ea n a l y s i s t h ep a p e rp r e s e n t saw e b - b a s e dg i so p t i m a la l l o c a t i o no f w a t e rr e s o u r c e ss o l u t i o n sa f t e r i n - d e p t ha n a l y s i so fw e bg i sf u n c t i o n sa n dr e q u i r e m e n t so fo p t i m a la l l o c a t i o no fw a t e r r e s o u r c e s i te s t a b l i s h e so p t i m a ld i s t r i b u t i o na n do p e r a t i o nm o d e lo fr e s e r v o i r sf o rt h et a r g e t o f g e n e r a t i n gm a x i m a le l e c t r i c i t yd u r i n g c o n t r o l l e rp e r i o da n ds o l v e st h i sm o d e lb y o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m t h eo p t i m i z a t i o n r e s u l t sa 托v i s u a l i z e dt h r o u g hg i st oa i d d e c i s i o n - m a k i n gb yg i sf u n c t i o n so f s p a t i a la n a l y s i sa n dm a po p e r a t i o n t h ep a p e rp r e s e n t st h eg e n e r a lo b j e c t , m a j o rf u n c t i o n , m o d u l ea n ds t r u c t u r ea n dt e c h n i c a l l e v e lo f t h i ss y s t e mi nt h ew h o l e ，t h e nc o n s t r u c t st h eg e n e r a lf i 2 1 i l l ef o rd e v e l o p i n gt h es y s t e n l t e c h n o l o g ya n a l y s i s0 nw e bg i si sp r o v i d e di nt h i sp a p e r ，w h i c he m p h a s i z e si t sa p p l y i n g a s p e c ti nw a t e rr e s o u r c em a n a g e m e n t t h ep a p e rc o m p l e t e st h ed e s i g no ft h ea t t r i b u t e d a t a b a s e 、析t ht h em e t h o do fd a t af l o wa n a l y s i s d a t ae n t i t y - r e l a t i o na n a l y s i sa n dd a t a d i c t i o n a r ya n a l y s i s , f i n i s h e st h ed e s i g no fs p a t i a ld a t a b a s ei nt h ew a yo fl a y e r i n ga n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo fs p a t i a ld a t aa n dd i s c u s s e st h ep r o b l e m si nt h e r e a l i z a t i o no f t h r e e - l a y e rn e t w o r k ss y s t e mc o m b i n i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rm o d e t h ep a p e rc o m p l e t e st h ev i s u a lo p e r a t i o na n da n a l y s i so no p t i m a ld i s t r i b u t i o ns y s t e mo f w a t e rr e s o u r c eb yr e a l i z i n gt h eb a s i cm a po p e r a t i o n , q u e r ya n da n a l y s i sa n dt h ee x t e n d e d f u n c t i o n s i tg i v e sp r o m i n e n c et ot h ep f i 鲥t yo fu t i l i 菌n gw e bg i sa n df i n i s h e se x p l o r i n gi n t h ef i e l do f a p p l y i n go f w e bg i si no p t i m a d i s t r i b u t i o ns y s t e mo f w a t e rr e s o u r c e k e y w o r d s ：w e b g i sw a t e rr e s o u r c e s o p t i m i z a t i o nm o d e lm a p x t r e m e t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构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 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j 工舅j 7日期：加, 0 7 - f 矿 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：砂l 始 揪燧0 日 w ，。) 一“。 1 绪论 1 1 选题背景及意义 1 1 1 水资源优化配置研究背景 1 绪论 继1 9 7 2 年联合国第一次人类环境会议发出“水将导致严重的社会危机”以来，水 资源问题不仅没有得到根本解决，而且愈来愈严重。在过去的5 0 多年间，全世界淡水 使用量增加了将近4 倍，每年使用量高达4 1 3 0 亿立方米。世界银行1 9 9 5 年8 月发表的 1 份报告表明目前全球有4 0 的人口面临水资源危机，发展中国家有1 0 亿人口饮用不 到清洁的水，1 7 亿人没有良好的饮水卫生设施，8 0 的疾病是由于饮用污染水而引起的， 并造成每年2 5 0 0 万人死亡，全球高达1 1 0 的河流受到了不同程度的污染【l - 2 1 。 我国的水资源形式也不容乐观，水问题比较严重，其基本特征是： ( 1 ) 水资源总量较丰富，达到2 8 1 0 0 亿立方米，但人均拥有的水量少，只有2 2 2 0 立 方米，比世界平均值的1 4 还少。 ( 2 ) 水资源分布极不均匀。长江及其以南地区的流域面积占全国总面积的3 6 5 ，却 拥有占全国8 0 9 0 4 的水资源总量，西北内陆地区及额尔齐斯河流域面积占全国的6 3 5 ， 拥有的水资源量仅占全国4 6 。 ( 3 ) 水资源与人口、耕地、矿产资源分布不匹配。我国北方地区长期缺水，黄河断流 十分频繁，长江流域洪水范围广、灾情重；南方特别是华南地区，直观上雨水丰沛，但 降水的时空分布极不均匀。丰水期受台风暴潮和洪水威胁，而枯水期则干旱缺水，沿海 地区还受咸潮的影响，特别是珠江三角洲等发达地区，经济发展迅速，城市化规模越来 越大，水质性缺水日益严重。 随着经济社会的发展，人口的急剧增加，生活和生产活动对水资源的需求不断加大， 水污染日趋严重，人均水资源量不断减少，供需缺口日益扩大，水资源短缺已成为制约 区域经济社会可持续发展的“瓶颈”。 综上所述。水资源问题是全球性共同面i 临的难题，它严重影响了人们的正常生活， 阻碍了经济社会的发展，给家庭、社会带来了灾难性的后果，并成为维系经济社会可持 续发展的战略性问题1 3 , 4 1 。 1 1 2 水资源优化配置研究意义 水资源的循环性、用途广泛性、不可替代性、时空分布不均匀性、利害双重性等特 点以及供求矛盾决定了对其开发利用必须结合流域各子区、各部门、各用户需水要求。 西安科技大学硕士学位论文 水资源优化配置不仅要适应人民生活和经济发展的需求，还应尽可能地满足人类所依赖 的生态环境对水资源的需求，以及未来社会对水资源的基本需求。为使流域水资源有效 使用，优化配置要考察各水资源需求主体对水资源需求的竞争性和协调性。水资源优化 配置是流域水资源可持续利用的核心之一，是流域水资源系统可持续发展的关键，也是 可持续发展观在水资源利用上的具体体现。在流域水资源天然配置格局的基础上，采取 各种工程与非工程措施，处理好水资源与社会经济发展和生态环境的关系，使水资源在 整体上发挥最大的效益，是实现水资源可持续开发利用的重要途径。因此，水资源配置 是解决水问题有效的办法，对其的研究工作，理论和实践意义都很大 5 - 6 。 1 2 水资源优化配置研究概况 1 2 1 水资源优化配置系统及其模式 以持续利用为理念的水资源管理中，包含有大量的多属性评价( e v a l u a t i o n ， a s s e s s m e n t ) 和决策( d e c i s i o n - m a k i n g ) ，比如地表水水量、水质评价；地下水水量、水 质评价：水资源开发利用评价；水利工程环境效应评价；水生态环境评价；水资源紧缺水 平评价；区域用水、节水水平评价；水资源承载能力评价；水资源调配方案决策分析；水 资源管理效能评价。这些评价、决策的依据准则通常不是唯一的，决策者的也不止一个， 相互之间的利益也许不一致，决策的环境也充满不确定性。要想做出正确的评价和决策， 需要综合科学、数学、管理学、经济学、社会学、水文学和水资源学等方面的知识，探索 水资源管理评价和决策规律，建立适合于现代水资源管理决策的理论和方法。目前，国内 外有关水资源问题的研究成果很多，产生了一系列卓有成效的解决或缓解水资源问题的措 施，概括起来分为工程性措旌和非工程性措施两大类【7 l 。 工程性措施主要是以开源节流为基础，如开发水资源，提高供水能力；改造现有水利 设施，兴建新的水资源工程，实施跨流域调水；节约用水，提高水资源利用；预防和治理 水污染等。 非工程性措施是以工程性措施为基础，主要包括建立或完善水资源管理体制，使水资 源的相关政策制度化和法制化；建立模拟仿真预警系统，模拟、预警未来的水问题，分析 问题原因所在，及早建立相应的补救措施。 通常，有效解决水问题的措施是工程性措施和非工程性措施的结合，通过非工程性 措施的研究，制定工程的运行规则，使工程性措施产生最大的经济效益和社会效益嗍。 1 2 2 水资源优化配置原则及目标 流域水资源系统优化配置遵循如下原则例： ( 1 ) 效率优先原则。水资源配置在满足城乡居民生活用水的基础上，以用水效率高 2 1 绪论 的地区优先配置水资源。 ( 2 ) 公平原则。水资源配置要保障整个流域经济和社会的均衡发展，体现公平性。 ( 3 ) 可持续性原则。兼顾改善生态环境，同时需处理流域上下游、左右岸、干支流、 城市与乡村、流域与区域、开发与保护、建设与管理、近期与远期等各方面的关系。 流域水资源优化配置总体目标是通过区域水资源的优化配置与科学管理，实现流域 水资源的可持续利用，支持社会经济的可持续发展。其分目标如下： ( 1 ) 经济目标。水资源系统各种可能配置方案产出相等情况下，优化配置方案总费 用最小；在满足重点城市最低用水需求的前提下，部门工业用水效益最大；在满足灌区 最低用水需求的前提下，部门农业用水效益最大等。 ( 2 ) 社会目标。满足人畜饮水安全，振兴工业，发展现代农业，社会效益最大。 ( 3 ) 环境目标。污染物量最小，尽可能满足河道内、河道外生态环境需水量要求。 ( 4 ) 水库供水目标。水库供水产生效益最大，水库弃水最少。 1 3g i s 研究概况 地理信息系统( 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 ，简称g i s ) 是近年发展起来的一 门新兴边缘学科，它是一个利用计算机图形和数据库等技术来数字化输入、存储、编辑、 查询、显示、分析和输出地理空间图形及其相应属性数据的计算机系统。凭借其特有的 混合数据模型( 矢量数据与栅格数据混合、图形数据与属性数据混合) ，g i s 可以方便快 捷地对各种信息，特别是具有空间属性的信息进行数字化采集、存储以及综合管理和分 析，并能以可视化的形式将空间数据加以描述和表达。同时，更为重要的是它还能实现 空间图形数据与其相应属性数据之间的实时无缝连接。对空间数据或具有空间属性的数 据进行综合管理和分析，并架起空间图形数据与其相应属性数据之间的联系桥梁【1 0 1 。 1 3 1g i s 应用于水资源优化配置的可行性 g i s 目前已成功应用到了包括资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域的规划、 人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等九大类别的一百多个领域， 而其在水利系统中的应用尤其广泛，不仅在水资源管理、水利环境和水上保持等方面起 到作用，同时在水利水电工程建设和管理中发挥着重要作用，其在水利系统中的应用大 致分为以下几个阶剧n , 1 2 ： ( 1 ) 数据管理，包括自然、地理、社会经济等基础背景数据，水利工程与设施，水 质与水量等等相互关联的历史与实时数据。 ( 2 ) 通过对时空信息的统计，对空间信息进行叠加与分析，从而实现信息的空间与 属性双向查询。 ( 3 ) 以多种方式直观地可视化表达各类信息的空间分布及动态变化过程。 3 西安科技大学硕士学9 - - 仑文 ( 4 ) 交互方式的方案决策。 g i s 本身具有建模功能，各用户系统可根据需要建立满足自身需求的数据分析模 型，从而实现有限的决策支持功能。目前水库优化调度工作已开展了几十年，优化调 度的数学模型己基本建立，从而为在调度过程中应用g i s 系统提供了良好的建模基 础；同时g i s 所具备的存储和处理海量信息的功能又恰好解决了水库优化调度过程中 必须面对的庞大数据计算的问题：而其强大的可视化动态表达又可直观地演示出水库 运用过程中的各种情况，从而最终为人们进行决策提供技术支持。 1 3 2g i s 与水资源优化配置相结合 g i s 技术在水资源综合开发利用中的应用始于8 0 年代后期，起初使用仅限于g i s 系统最基本的功能，比如数据查询、图像显示、打印等。进入9 0 年代后，g i s 的应用更 为广泛和深入，其较为高级的功能得以开发、普及，比如分析、辅助决策、模拟等，应 用范围也从最初的防洪信息系统发展到现在的水资源规划、水环境、水土保持、水利工 程规划与管理等方面。 g i s 在水资源规划等管理部门的应用，不仅使劳动生产率大大提高，节省了大量的 人力、物力，降低了成本，更重要的是提高了规划设计的科学性。借助于g i s 提供的扩 展功能，水资源优化配置系统可以自动生成流域自然地理和社会要素底图，以及以这些 底图为基础的流域水资源供需图、灌溉规划图、水污染分布图、洪水来源以及洪水影响 图等。通过这些空间数据图库的属性数据和空间数据进行分析，不仅可以减少重复劳动、 提高工效、节约投资，更重要的是利用地图综合、空间叠置分析、数字地形分析等功能 可以增强综合分析能力1 1 3 ，1 4 】。 1 4 论文研究内容 第一章绪论。本章简单讲述了选题背景及意义，并分别介绍了目前国内外水资源优 化配置和w 曲g i s 研究现状，最后叙述了本论文需要完成的主要研究内容、论文的章节 安排。 第二章w e bg i s 相关技术研究。本章详细介绍了w e bg i s 的相关应用技术及实现 模式。 第三章w e bg i s 平台选择及应用。本章在充分考虑水资源优化配置自身特点和对 国内外w e bg i s 软件平台进行了详细分析对比的基础上，对系统开发平台进行了选择。 并对m a p x t r e m e 进行了深入研究，讨论其在系统中的应用及需要实现的功能。 第四章水资源优化调度模型建立及求解。本章归纳了水资源优化调度的各种算法， 以水电站调度期内发电量最大为目标建立了优化调度的数学模型，并把动态规划和遗传 算法应用到水资源优化调度中。 4 1 绪论 ii i | | i 自i i i | i i i i i i | i _ 第五章系统设计与实现。本章介绍了系统的体系结构和各功能模块，并描述了软件 开发的整个过程，包括系统的分析和设计、数据库的设计及编程实现。 第六章结论。本章是对全文的一个全面性总结。提出了本论文所取得的研究成果， 指出了在有待于解决的问题，并对以后的工作进行了展望。 5 西安科技大学硕士学位论文 2w e bg i s 相关技术研究 随着水利信息化建设的进一步深入，计算机技术、遥感技术、地理信息系统技术等 高新技术在水利建设中已得到广泛的应用。地理信息系统( g i s ) 技术作为对空间分布及其 有关空间数据和信息进行储存、管理、分析的一项综合性信息技术，为水资源管理的定 性、定量、定位化和科学化，以及水利信息的快速查询和信息可视化提供了先进的技术 手段i l s , 1 6 】。目前，( 3 i s 已应用于防洪减灾，水资源管理，水环境监测与管理，旱情监测， 水土保持，河口、河道、湖泊和水库泥沙淤积调查，大型水利水电工程建设与管理等方 面。0 i s 己成为水利信息化建设的核心技术之一i l ”。 2 1w e b g i s 概述 w e bg i s 是i n t e m e t 和w w w 技术应用于g i s 开发的产物，是实现g i s 互操作的一 条最佳解决途径【l 司。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 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功能。从i n t e r n e t 的任意节点用户都可以浏览w e bg i s 站 点中的空间数据、制作专题图、进行各种空间信息检索和空间分析，因此w e b g i s 不但 具有大部分乃至全部传统g i s 软件具有的功能，而且还具有利用i n t e r a c t 优势的特有功 能，即用户不必在自己的本地计算机上安装g l s 软件就可以在i m e m c t 上访问远程的g i s 数据和应用程序，进行g i s 分析，在i n t e r a c t 上提供交互的地图和数据。 w 曲o i s 可以提供的功能主要表现在空间数据发布、空间信息检索、联机处理、空 间数据可视化、空间模型分析服务、w e b 资源共享等几个方面【1 9 】。w e bg i s 是传统g i s 的扩展，它能以图形的方式显示空间数据，能够利用浏览器提供的交互能力实现图形及 属性数据的查询检索，能通过w e b 传输把空间图形及属性数据以及分析结果传送到客 户端浏览器，能提供各种应用模型的分析与实现方法，通过接收户提供的模型参数进行 快速计算与分析，能够实现w e b 信息资源的组织和管理，为用户提供基于空间分布的 多种信息服务，提高资源的利用效率和共享程度。 w e bg i s 为分布式服务体系结构，其具有发布速度快，范围广，维护方便等特性， 与传统g i s 相比，w e bg i s 具有许多优势1 2 川： ( 1 ) w e bg i s 很容易跟w e b 中的其它信息服务进行无缝集成，可以建立灵活多样的 g i s 应用。例如，随着通信终端向多媒体和移动化方向发展，数字移动电话、p d a ( 个人 数字助理) 将成为w e bg i s 的客户端，w a p 服务器和w e bg i s 服务器将连为一体。 ( 2 ) 在w 曲g i s 以前，尽管一些g i s 厂商已经针对不同的操作系统提供了不同的 g i s 软件版本，但是迄今为止没有一个g i s 软件真正具有跨平台的特性。对于w e bg i s 6 2 w e b g i s 相关技术研究 而言，无论w e bg i s 服务器端使用何种操作系统的g i s 软件，由于使用了通用的w e b 浏览器，用户都可以轻松地访问w e bg i s 数据。 ( 3 ) 以往的g i s 由于成本高、技术难度大，往往成了少数专业人士拥有的专业工具， 很难进行推广，w e bg i s 则给更多的用户提供了使用g i s 的机会。w e bg i s 在客户端通 常只需使用浏览器进行浏览和查询( 有时还要加入一些免费使用的插件，a c t i v ex 控件 等) ，从而大大降低了系统成本。 ( 4 ) 客户可以同时访问多个位于不同地方的服务器上的最新数据，而这一 i n t e m e v 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，使分布式的多数据源的数据 管理和合成更易于实现。 ( 5 ) 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。w e bg 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。 2 2 w e b g i s 应用技术 目前己有多种不同的技术方法被应用于研制实现w e bg i s ，包括c g i ( c o m m o n g a t e w a yi n t e r f a c e ，通用网关接口) 方法、服务器应用程序接t l ( s e r v e ra p i ) 方法、插件 ( p l u g i n s ) t y 法、j a v a a p p l e t 方法以及a c t i v e x 方法等等【2 l 】。 2 2 1 通用网关接口( c g i ) 方法 c g i 是一个应用于w e b 服务器和客户端浏览器之间的特定标准，它允许网页用户通 过网页的命令来启动一个存在于网页服务器主机的程序( 称为c g i 程序) ，并且接收这个 程序的输出结果。c g i 是最早实现动态网页的技术，它使用户可以通过浏览器进行交互 操作，并得到相应的操作结果。利用c g i 可以生成图像，然后传递到客户端的浏览器。 远程用户通过浏览器发出请求，然后服务器将请求传递给服务器端，服务器端再进行 g i s 操作和分析，最后按照要求以图像和h t m l 文件的方式返回给远程用户。目前大多 c g i 是用p e r l 语言来编写，其程序是以独立的进程方式运行，这样当用户访问量增大 时，会严重损耗系统资源，并且其不是常驻内存，当用户频繁访问时，会导致大量磁盘 操作，从而造成系统性能下降。 基于c g i 的互联网地理信息系统的体系结构如图2 1 所示。服务器端有两个服务进 程w e bs e r v e r 和g i ss e r v e r ，这两者是通过t c p i p 协议进行通讯的，所以既可以运行 在一台主机上也可以分别运行在两台计算机上。 7 西安科技大学硕士学位论文 查询 w e b g i sg i s 浏 服 c g i 服数 览 h t m l 务据务 器 器器库 矢量数据 图2 i 基于c g i 的w e b g i s 体系结构 2 2 2 服务器应用程序接t 1 ( s e r v e ra p i ) 方法 s e r v e ra p i ( 服务器应用程序接口1 技术是为克服c g i 方法的低效率而研制的。这种 方法的基本原理与c g i 类似，所不同的是c g i 程序是可以单独运行的程序，而基于服 务器应用程序接口的程序必须在特定的服务器上运行，如i s a p i 依附于i i s ( i n t e m e t i n f o r m a t i o ns e r v e r ) 。它的特点是速度要比c g i 方法快得多，因为基于服务器a p i 的动 态连接模块启动后会一直处于运行状态，而不像c g i 每次都要重新启动。目前，主要的 s e v e r a p i 技术有a s p 和j s p s e r v l e t 。 ( 1 ) a s p a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e ) 是微软平台下的动态网页技术，利用它可以产生动态的、 交互的、高性能的w e b 服务应用程序。a s p 属于a c t i v e x 技术中的服务器端开发环境， 与常见的在客户端实现动态主页的技术如j a v aa p p l e t , a c t i v e x c o n t r o l ，v b s c r i p t , j a v a s c r i p t 等不同，a s p 中的命令和s c r i p t 语句都是由服务器来解释执行的，执行结果 产生动态生成的w e b 页面并送到浏览器端( 用户可以在服务器端执行用v b s e r i p t 或 j a v a , s c r i p t 编写的嵌入在h t m l 文件中的小程序，而在以前这些小程序的都是在客户端 的浏览器上执行的) ，而客户端技术的脚本语句则是由浏览器来解释执行。a s p 采用三 层计算结构，将w e b 服务器( 逻辑层) 、客户端浏览器( 表示层) 以及数据库服务器分 开，具有良好的扩充性。a s p 在服务器上执行，且是解释性语言，所以运行速度较馒， 并且与平台相关，只能运行在w m d o w s 平台，因此大大限制了它的应用。 ( 2 ) j s p s e r v l e ：t j s p ( j a v as e r v e rp a g e s ) 是s u n 推出的一种动态网页标准技术。它在传统的静态页面 文件中加入j a v a 程序片断和j s p 标记就构成j s p 页面。服务器在接受到客户端发送的 j s p 请求时，首先由j s p 引擎把j s p 代码转换成s e r v l c t 代码，然后由j s p 引擎调用服务 器端的j a v a 编译器s e r v l e t 代码进行编译，把它编译成字节码文件( c l a s s ) 再由3 v m ( j a v a 虚拟机) 执行词文件代码，最后执行结果以h t m l 格式返回客户端。 s e r v l e t 是建立在j a v a 基础上的一种技术。本身就是服务器端的j a v a 小程序，用于 响应客户机的请求。在默认情况下，s c r v l e t 采用一种无状态的请求相应处理方式，s e r v l e t 8 2 w e b g i s 相关技术研究 会把处理的结果以h l 的形式返回。 2 2 3 插件( p l u g i n ) 方法 浏览器插件是指能够同浏览器交换信息的软件【2 2 】。第三方软件开发商可以开发插件 以使浏览器支持其特定格式的数据文件。利用浏览器插件可以将一部分服务器的功能转 移到客户端，此外对于w e bg i s 而言，插件( p l u g - i n ) 可使w e b 浏览器支持特定格式的 g i s 数据处理，并为w e b 浏览器与g i s 服务程序之间的通信提供条件。它能直接处理来 自服务器的g i s 矢量数据，并生成符合浏览器显示格式的数据，以供浏览器或其它插件 ( p u g - 哟显示、使用、处理。由于插件( p l u g i n ) 传输的是矢量格式空问数据，其数据量较 小，这样就可以加快用户操作的反应速度，减少网络流量和服务器负载。插件的不足之 处在于，像传统应用软件一样，它需要先安装才能使用，给用户造成了不方便，并当客 户端安装了许多插件后会增加客户端的负载，如何管理这些插件也是一个的问题。 2 2 4j a v aa p p l e t 方法 j a v a 语言是一种面向对象的语言，它的最大优点就是s u n 公司提出的一个口号 “w r i t e c e ，r u na n y w h e r e ”，即其跨平台特性。j a v a 程序有两种，一种可以独立运行； 另一种就是j a v a a p p l e t ，它能被嵌入h t m l 文件中，被浏览器解释执行。用j a v a a p p l e t 实现w e bg i s 主要是通过将j a v a a p p l e t 自动下载到客户端的浏览器上并利用u r l 对象 来分布式地访问具有u r l 的数据对象。 j a v a a p p l c t 是一种运行在浏览器环境中的小程序，也可视为j a v a 插件。j a v a a p p l e t 通过 标签被嵌入h t m l 文件中，其执行代码同时被下载到浏览器上，并由浏览 器负责解释执行。由于是自动进行的，只要服务器端对j a v a a p p l e t 做了更新，浏览器就 会将最近版本的j a v aa p p l e t 文件下载到本地。j a v aa p p l e t 和w e bg i s 相结合就形成了 g i sj a v a a p p l e t 。它是用j a v a 开发的小应用程序，在程序运行时从服务器端自动下载到 浏览器，与浏览器紧密结合，用以增强w e b 浏览器的空间信息处理功能。不足之处是 对于叠置分析、资源分配及优化等空间分析功能的实现，g i sj a v aa p p l e 还比较薄弱； 使用己有的g i s 操作分析资源的能力弱，处理大型的g i s 分析能力( 空间分析等) 的能力 有限，无法与c g i 模式相比；g i s 数据的保存、分析结果的存储能力受到限制。 2 2 5a c t i v e x 方法 a c t i v e x 是在微软公司o l e 技术基础上发展起来的因特网新技术，其基础是d c o m ( d i s t r i b m e dc o m p o n e n to b j e 吐m o d e l ) ，是一种技术标准。基于这种标准开发出来的构件 称为a c t i v e x 控件，它可以嵌入到h t m l 文件中，并在因特网上运行。a c t i v e x 可以用多 种语言实现，这样就可以复用原有g i s 软件的源代码，提高了软件开发效率，运行速度 9 西安科技大学硕士学位论文 也相对较快。其缺点是只能运行与m s w i n d o w s 平台上，兼容性较差，a c t i v e x 控件目前 只有m 全面支持，在n e t s c a p e 中则必须有特制的p l u g - i n 才能运行，并且需要下载安装； 占有客户机端机器的磁盘空间；由于可以进行磁盘操作，其安全性也较差。下面对相关 技术进行比较，如表2 1 所示。 表2 1w e bo i s 常用技术比较 2 3 w e b g i s 实现模式 w e b g i s 的基本工作模式如下：用户启动客户端的交互程序( 通过w e b g i s 浏览器) ， 由代理协议向服务器发送请求，并对服务器回送的数据进行显示、操作，使用其提供的 g i s 功能。如果用户操作被定义在服务器一端，客户端交互程序还会将新的请求发回服 务器，服务器则运行服务端的g i s 应用，并再次将结果返回到客户端，由客户端交互程 序负责解释并显示给用户。目前，根据主要的图形属性数据所处的逻辑位置不同，构建 w 曲g i s 的主要技术可划分为基于服务器端的w 曲g i s 模式、基于客户端的w e bg i s 模式和基于服务器客户端的w e bg i s 混合模式1 2 3 - 2 5 1 。 2 3 1 基于服务器端w e bg i s 模式 基于服务器端技术的w e bg i s 由客户端浏览器向w e b 服务器发出服务请求，服务 器接受服务请求后调用相关的g i s 服务程序，由服务器访问地理矢量数据、执行g i s 功能，并将执行结果以静态w e b 页面的形式返回给客户端浏览器。在这种w e bg i s 中， 1 0 2 w e b g i s 相关技术研究 g i s 数据和g i s 处理功能都位于服务器端，客户端只负责向服务器发送请求和显示由服 务器送回的相应结果。 基于服务器端技术的w e bg i s 开发的优点是服务器可以进行许多难于在客户端处 理的复杂g i s 操作；系统易于维护和更新；同时系统对客户端的要求较低，凡是可以浏 览一般网页的客户均可以获得g i s 信息，即使是非专业的普通用户也同样可以轻松的使 用各种g i s 功能。缺点是所有和g i s 相关的操作都位于服务器端，因此客户端的每个请 求都必须发送到服务器端处理，影响了响应的性能和速度，且系统和客户的交互性能差。 2 3 2 基于客户端w e bg i s 模式 基于客户端技术的w e bg i s 允许g i s 分析和g i s 数据处理在客户端执行。这些g i s 分析工具和g i s 数据最初驻留在服务器上。用户通过浏览器向服务器发出需要g i s 数据 和g i s 处理工具的请求，服务器将所需要的g i s 数据和g i s 处理工具传送给客户端， 客户端接受所需要的g i s 数据和g i s 处理工具，按照用户的操作，进行g i s 数据处理 和分析，此时无须服务器的参与。由于所需要的g i s 数据和g i s 处理工具己经到达客户 端，因而具有操作方便、灵活、速度快等优势。基于客户端的w e bg i s 开发技术的优点 是增强了客户端处理能力，减少了服务器端处理的数据量和网络传输负荷，系统的交互 性强。其缺点是对客户端计算机的性能要求高，系统难以维护。 2 3 3 基于服务器偿沪端的w 曲g i s 混合模式 图2 2 客户端，服务器端混合模式体系结构 西安科技大学硕士擘住论文 由于基于客户端模式和基于服务器模式都存在着明显的不足，所以产生了第三种模 式一基于服务器客服端的w e bg i s 混合模式1 2 6 1 。客户端，胃艮务器端混合模式体系结构如 图2 2 所示。这种模式将另两种模式的优点结合构成一种混合模式，并很好的解决了其 它两种模式的不足。混合模式的特点在于：当需要执行大数据的处理和分析时，可以在 高性能的服务器上执行；当需要由用户来控制处理任务时，则可在客户端进行；在这种 混合模式下，客户端和服务器共享彼此的功能，数据和应用程序可以根据需要由客户端 来不断的请求，或者在客户端执行，或者在服务器端执行，从而使系统的执行效率达到 最优化。其缺点是如何有效的分配服务器端和客户端的数据处理。在目前很多的主流的 w e bg i s 产品都提供了多种的技术方案供用户选择使用。用户可以根据需要灵活的配置 服务器和客户端的功能，从而达到系统的最优化。 1 2 3w e bg i s 平台选择及应用 3w e bg i s 平台选择及应用 3 1w e bg i s 平台选择 国际上已有许多公司推出了w e bo i s 平台产品，如e s r i 公司的a r ci m s ，m a p i n f o 公司的m a p x l x e m e ，a u t o d e s k 公司的m a p g u i d e 和i n t c r g r a p h 公司的g e o m e d i aw e bm a p 等。国内也有相关的产品，如武汉吉奥信息工程技术有限公司的g e o s u r f , 国家遥感应 用工程技术研究中心的g e o b e a n s ，北京超图的s u p e r m a p 等f 2 7 , 2 8 1 。 ( 1 ) m a p x t r e m e m a p x t r e m e 是m a p l n f o 公司推出的一款基于i n t e r n e t i n t r a n e t 的地图应用服务器， 它采用标准的t c p i p 协议，支持分布式体系的三层结构，具有良好的可开发性，其技 术成熟，功能齐全，开发简单，使用方便，是目前使用较为广泛的w e bg i s 服务器。它 通过h r r p 进行文档和文件的传输，在浏览器端为标准的h t m l 语言，从而保证了与 客户端浏览器的无关性。m a p x t r e m e 能集中地控制和维护地图及数据库数据，并集中实 现应用程序功能，避免了以往系统的维护、同步困难的问题，尤其适合信息量大，用户 多的单位的实际情况。利用m a p x t r e m e 企业可以将其信息和资源在地图上以多种可视 化的方式展现出来，揭示数据之间的关系和发展趋势，实现企业信息的对外发布，帮助 企业进行合理的资源分配，从而有