基于WebGIS的环境地质灾害网络数据库系统

1、基于WebGIS 的环境地质灾害网络数据库系统陈植华1,关学峰2,胡 成2(11中国地质大学工程学院,武汉 430074; 2.中国地质大学研究生院,武汉 430074摘要:目前,大量环境和地质灾害数据库的建设主要处于单机、封闭的系统形式,导致数据信息的管理、更新和使用落后于社会对信息的需求,花费巨资建立的数据库资源无法被需要者利用,难于实现信息共享,从而变为数量众多/信息孤岛0。改变这种局面的主要技术途径就是建立一个通用、高效、开放的平台来管理、发布和共享这些空间数据。本文结合信息技术与GIS 的最新发展趋势,介绍了WebGIS,一种GIS 与网络技术相融合产物的主要技术特征,并结合实例,简

2、要论述了系统的建设要求、体系结构、技术构成等。利用ArcIMS 以及数据库、ASP 等技术建立起/环境与地质灾害网络数据库系统0,实现了地质环境和地质灾害空间信息的集中管理、远程浏览查询、信息共享等功能。关键词:WebGIS;地理信息系统;环境地质灾害;网络数据库中图分类号:P628+4;X43 文献标识码:A 文章编号:1000-3665(200302-0020-05收稿日期:2002-11-06;修订日期:2003-01-11基金项目:中国地质大学(武汉/数字地大0211建设经费资助作者简介:陈植华(1956-,男,博士,教授,主要从事GIS 在水资源和地质环境方面的应用开发、评价等教学与

3、科研工作。E -mail:zhchen近年来,随着我国经济建设迅速发展,地理信息系统技术(GIS的应用在我国进入了迅速普及的阶段。各领域的研究部门、管理部门乃至生产单位都已经或正在建立不同类型的GIS 应用系统,这些GIS 系统正在他们的日常工作中扮演不同的角色,并已经取得了良好的经济效益和社会效益。特别在地球科学领域,对GIS 技术的引进、开发和应用等始终处于其他应用学科的前列,在我国开展的新一轮的国土资源大调查工作部署中,结合工作任务,建立相应的GIS 空间数据库已是一项基本的要求。这些都表明我国数字工程建设正处于方兴未艾的重要历史阶段1。GIS 得以迅速发展,其原因不仅GIS 具有强大的

4、制图、可视化能力和方便的数据检索查询工具,更重要的是在其丰富数据库资源的支持下,人们可以利用GIS 的工具来提取和产生信息,以及实现信息资源共享的目的。特别对空间地学数据而言,这种重要的、具有多重属性特征的信息资源,它不仅面对地球科学不同研究领域专业研究人员的需要,同样也是人口、资源、环境和灾害等重大社会问题管理、决策部门的重要依据。因此,如何共享这些信息资源就显得尤为重要。但是,目前所开发、应用的GIS 系统主要基于独立的单机系统,往往是由不同部门,按不同的应用策略、不同的数据格式和使用不同的GIS 软件建造起来的。尽管这些系统在所建部门发挥着一定的作用,但并没有成为一种外向型的信息集散地,

5、花费巨资建立的数据库资源无法被其他所需要的单位、部门和研究者利用,而变为一个个的/信息(数据孤岛02,3。所以,尽管我们已经建成许多丰富的数据库,但由于不能实现真正意义上的信息资源共享,一定程度上它们已经成为一种变相的电子数据垃圾,造成极大的数据存储冗余和软硬件资源浪费。GIS 技术发展到今天,它所包含的概念、引用的技术手段已经接触到各信息技术领域的前沿,它的应用不仅由最初的地理领域拓宽到广义的信息服务,同时由于Internet 技术的不断发展和人们对GIS 的广泛需求,把GIS 与网络技术相融合,利用Internet 在Web 上发布和出版空间数据,为用户提供空间数据浏览、查询和分析的功能,

6、形成一个网络化的地理空间集成平台,已经成为GIS 发展的必然趋势5,6。2000年开始,中国地质大学(武汉启动了/数字地大0建设工程。作者承担了基于GI S 平台开发、建设资源、环境和地质灾害网络数据库的研制任务,其目的是将我们在水资源、地质环境和灾害、地学工程技术等方面长期研究和工程实践中积累的研究成果和基础资料,充分利用现代化信息技术,为/数字地大工程网站0提供资源、环境、地学工程技术等信息和服务,本文体现的是该项目研究的部分内容。1 关于WebGISWebGIS 又称网络地理信息系统或互连网地理信息系统,是地理信息系统从单机及主从式计算机上转移到网络环境下分布式的地理信息系统,是Inte

7、rnet技术应用于GI S开发的产物,属于当今计算机信息技术与GIS技术发展的制高点之一7。目前,计算机信息系统的体系结构正逐步从客户机P服务器(Client P Serv-er结构向浏览器P服务器(Browser P Server过渡。所谓Client P Server(C P S是指两个系统或两个处理之间的关系,即客户要求服务器为之完成某一工作,服务器在完成客户请求后将处理结果返回给客户。这种基本的C P S体系结构属于一种两层式体系结构,主要问题表现在服务器数据处理过分依赖数据库系统,系统无法有效扩充和提供良好的分布处理效率。浏览器P服务器结构(B P S是在C P S体系基础上扩充形成

8、的,用户界面的重心由Windows转向Browser;分布式计算结构由客户、服务器两个层次扩展到浏览器、Web服务器(应用服务器、数据库服务器三个层次。B P S结构在逻辑上是三层的,在物理上可以设置成三层的,也可以设置成两层的(即把Web服务器和数据库服务器安装在同一台计算机上。采用B P S体系结构,由于客户端不需要开发和安装特别的应用程序,所有的应用开发都集中在服务器端,从而使信息共享变得更为简单。也使得应用系统的灵活性及扩充性得到充分提高。为了提高系统处理的效率,可以充分利用分布式计算的资源,将不同的应用分布在不同的硬件环境中WebGIS采用的是B P S结构模式。从WW W的任意一个

9、节点,Internet用户可以通过一般浏览器查看WebGIS站点中的空间数据、制作专题图,以及进行各种空间检索和空间分析。这意味着一般用户并不需要在自己的本地计算机上安装GIS软件,就可以在Inter-net上访问远程服务器上的GIS数据资源和应用程序,并进行相应的GIS空间分析,真正实现了信息的动态查询,使各种空间信息的浏览和查询变得更加直观、方便、快捷。因此,WebGIS为我们提供了一种全新的信息共享手段,可以让各个不同的机构、组织和部门之间充分协同工作,共享信息资源8,9。WebGIS平台作为现代GIS与计算机信息技术发展的前沿,必然成为各大厂商激烈竞争的焦点。目前,国内外重要的GIS开

10、发商都已发布了各自的WebGIS 产品,如ESRI的Internet Map Server(IMSfor ArcVie w& MapObjects,MapInfo公司的MapInfo ProServer、Intergraph 公司的GeoMedia Web Map、CAD厂商Autodesk公司也推出了MapGuide。我校中地公司最新也推出了与MapGIS数据库相容的WebGIS平台。这些基础平台的发布为我们实现了地质环境和地质灾害空间信息的集中管理、远程浏览查询、信息共享等提供了坚实的基础。2系统设计目标与要求/环境地质灾害网络数据库系统0是数字地大重点建设项目之一,旨在建立起一个

11、开放的网络数据库,集中管理现已有的地质环境、地质灾害的空间信息数据,并使用WebGIS手段将之发布、共享。系统建设的主要目标可集中表述成:(1构建有关资源、环境和地质灾害方面的网络空间数据库。(2开发和提供空间信息的浏览及查询工具,为外界提供我国部分地区的地质环境、资源、灾害信息共享服务。(3为环境和灾害等相关学科的教学资源数字化系统提供网络化环境,为远程教育作好技术基础准备。系统设计要求:¹具备跨平台性和开放性,外界用户无论使用何种操作系统和浏览器,只要能连网就能远程访问该系统;º具备易用性和交互性,界面友好,显示查询功能丰富,有一定的空间分析功能;»系统扩展性

12、强,方便以后的数据更新或扩充;¼安全性好,用户虽然能访问和使用系统提供的数据信息,但一般不能在客户端存储这些数据。3系统平台选择与结构设计3.1WebGIS平台的选择系统WebGIS采用ESRI公司的ArcI MS3.1。采用原因一是因为目前大多数数据为shape格式或者cov-erage格式,选用ArcI MS可以避免数据转换造成的信息丢失;二是因为ArcI MS产品比较成熟,功能强大,支持多种方式的开发。ArcIMS是ESRI的第二代基于Web 的GIS平台,用于在Internet和Intranet环境中发布和共享空间数据并提供丰富的GIS互操作功能。ArcI MS 包括了客户端

13、和服务器端两方面的技术。在服务器端,ArcIMS提供两种空间数据发布方式栅格图像(如JPG、GIF格式和矢量数据流。在客户端,ArcI MS 支持多种连接方式:HTML vie wer、Java viewer、ArcGIS、ArcExplore等5。考虑到网络速度的限制、兼容性等因素,系统在服务器端使用栅格图像发布空间数据,用户在客户端以H TML viewer方式进行数据访问和显示10。3.2系统的体系结构设计系统采用三层体系结构数据层(Data Layer、业务逻辑层(Business Logic Layer和表示层(Presentation Layer。数据层主要负责空间数据、属性数据及

14、其元数据(Metadata的存储管理,包括各类数据,GIS 平台,数据库平台。业务逻辑层主要是响应用户的各种请求和查询操作,通过ArcI MS 及ASP 程序来实现。表示层是系统将用户所需的信息或请求处理结果返回给用户,方式主要为图片、文字以网页形式组织起来。这种体系结构可以很方便的实现系统数据的管理、应用和发布。三层体系结构的建立将数据和数据的应用分割开来,提高了系统运行的稳定性,也大大提高了系统运行的可扩展性。总体结构如图1所示: 图1 系统的三层体系结构F ig.1 The tr-i adm inistrative levels systematic structure本系统服务器端运行

15、在Microsoft Window2000操作系统,GIS 平台选用ArcGIS 8.1,WebGIS 采用ArcI MS 3.1,关系数据库采用Microsoft Access 2000,Web 服务器采用Microsoft IIS 5.0。客户端可以使用I E 浏览器,也可以使用ArcMap 等浏览器来远程访问这些数据信息。3.3 数据库的组织设计数据库的设计主要分为两部分空间信息数据库和非空间信息数据库(图2。空间数据库主要用于存贮、管理环境和地质灾害空间信息和属性信息。空间信息在内容上首先按空间区域(如地区、省份形式进行管理和组织,再按环境与灾害类别进行分类细化,如地质环境现状、水资源

16、开发利用、岩溶灾害、地下水资源分布、水利工程分布、其它地质灾害(如滑坡、地震等等。数据格式采用shape 文件和Coverage 格式。若是其他格式可以使用ArcGIS 的转化模块先转换为上述两种格式。整个过程就是根据用户所需利用ArcI MS 的Manager 工具组织一副副专题图,将一些与某类别有关的数据信息层叠加图2 空间数据库结构的组织形式Fig.2 The organizing model in the spactial database在一起(比如/地下水资源分布0该类别就包括行政分区、地表水系、湖泊、泉、暗河分布、地下水类型分区等图层,选用合适的显示方式,加上标注、比例尺等基本元

17、素,保存为工程文件。非空间信息主要是指有关空间数据的元数据信息和一些统计信息。元数据是关于数据的描述性信息,类似于图书馆中的书目卡片。在本系统中元数据包括空间信息的类别,大小,存储位置,描述信息,所属省份,名称等,投影,原始数据来源,数据精度等。因本次研究任务目的与经费的原因,需要管理的数据量不大,Access 使用操作简单等,故非空间信息数据库平台采用Microsoft Access 2000。4 系统功能简介4.1 数据输入与存储功能系统以ArcGIS 为基础,ArcGIS 可以支持多种空间数据格式,包括ESRI 公司所有平台的数据产品,如ArcVie w 的Shape 文件,ARC P

18、I NFO 的coverage 文件,还支持AutoCAD 的DXF,DWG 格式、ERDAS 的影象数据,能够间接接受MapGIS,MapInfo 格式的数据。所有数据信息通过ArcIMS 组织以工程文件的形式建立和存储。属性数据信息或非空间信息主要为文本及栅格图片,可以直接手工输入Access 数据库进行存储。4.2 信息检索、查询与分析功能信息检索查询分空间信息的查询和元数据信息检索查询。元数据信息查询由ASP 程序来完成,为用户提供有关共享数据的一些基本信息供用户选择,例如用户选择/云南省0和/岩溶灾害0类别,系统就会向用户返回所有系统有云南省岩溶灾害的基本信息(图3。空间信息的查询,

19、是由ArcI MS 的Spatial Server 来处理完成。对于空间信息的查询,系统提供多种方式进行可以直接在地图上点击欲查对象,或基于属性信息进行SQL 查询(比如/某地区流量大于XX 的泉分布在哪些区域?0。用户选择空间要素后,可以对其属性进行统计分析,或者做缓冲区分析(比如查询某岩溶塌陷周围泉的分布情况。 图3 系统的查询界面与查询结果F ig.3 The Interface for info querying and a querying result4.3 空间信息共享功能本系统的重要功能就是数据共享。用户用浏览器就可以制作专题图,也可以用ArcGIS 连接到网站,从而同时使用远

20、程和本地数据。这样用户获取的是数据的使用权而不是拥有权。如果用户拥有一定权限可以直接下载基础数据。4.4 空间信息可视化功能GIS 的长处在于它的强大的分析和显示功能。Ar -cIMS 为用户提供了放大,缩小,平移,标注,分层显示,专题图制作等功能。系统还可以通过超链接把图片、图像、视频、声音等媒体信息集中在一起,大大增强了其信息表现能力。5 存在的问题与研究的方向该系统的建立为外界提供一条新的、获取环境和地质灾害信息的途径,也为以后GIS 应用系统的开发提供了宝贵的经验。由于互联网技术和GIS 技术本身存在一些不足,系统还存在一定待改进的问题,比如系统本身的分析功能不强,远程访问运行速度较慢

21、等。系统数据不断的更新和完善也是该数据库系统运行过程中的一个关键问题。在下一阶段的工作中,除了更新和完善现有空间数据外,一个重要的步骤是改变目前以单个文件的方式来存储空间数据,而采用ArcSDE+大型商业数据库(如Oracle 、SQL Server来统一集中管理系统所有数据,包括空间数据和非空间数据。从空间数据管理的角度来看,ArcSDE 可看成是一个连续的空间数据模型(或者GIS 应用和商业数据库之间的连接,借助这一模型,我们可用关系型数据库管理系统(RDB MS管理空间数据。由于使用了大型商业数据库,利用ArcSDE 系统就可以对海量空间、非空间数据进行高效率操作。参考文献:1 袁西龙,

22、何庆成.空间数据库建设工作方法探讨J.水文地质工程地质,2002,29(3:68-70.2 铺就GIS 全球化之路解读 J.中国通讯,2001,9(11:2-5.3 屈春燕,叶洪,刘治.利用GIS 组件建立工程地震WebGIS 系统J.地震地质,2002,24(2:258-262.4 邬伦,刘瑜,张晶,等.地理信息系统原理、方法和应用M .北京:科学出版社,1998.5 曹菡,汤国安,王立平.试论网络地理信息系统建设及其对推动/数字地球0发展的作用J.陕西师范大学继续教育学报,2000,17(1:118-121.6 宋关福,钟耳顺,王尔琪.Web GIS 基于Internet 的地理信息系统J

23、.图像图形学报,1998.3:251-254.7 Bemd Jungwirth (Germany.Internet and Geographical In -formation System:Web GISJ.Geoinformation Magazi ne 1998(3.8 禹雪中,崔青安,等.水环境功能区管理信息系统研究与开发J.环境科学研究,200013(6:49-59.9 富融公司主页EB P OL .http:P P .Development of DBMS for environmental geologichazards on WebGISC HE N Zh-i hua1,GUA

24、N Xue-feng2,H U Cheng2(11Faculty o f Engineering,China University o f Geosciences Wuhan430074,China;21Graduate School,China University o f Geosciences,Wuhan430074,ChinaAbstract:At present,due to most of spatial databases for the mana gement of environment and geo-hazards were created based on indivi

25、dual PCs,a stand alone and close system,it is ou-t o-f da te and very inefficient in the database updating,managing and using.Many de manders are very difficult to access these valuable and expen-sive spatial databases to find that indispensable information for their scientific research.These databa

26、ses located on individual PCs have become some kind of/information-isolated0that are almost impossible to share with other info-demanders.So,an open,easy-to-use and efficient system to mange the database is the key to change the situation,which can be used for managing,sharing and distributing the i

27、nformation stored in the databases.In this paper,we illustrated the/WebGIS0,a simple and easy-to-use GIS running on Web,which is a comb-i nation of development in I T and GIS techniques.This article presents the procedure of building an open plat-form with the combina tion of ArcI MS,network databas

28、e and ASP.The system,na med/WebGIS-based Envir-onment and Geo-hazard Database System0,realizes the functions of central management,remote access and in-formation share of spatial data.Other aspects of the system,such as the require ments and the architecture,are also discussed here.Key words:WebGIS;Geographical Information Syste m;geo&environmental hazards;network database特邀编辑:徐恒力编辑:李善峰(上接第48页The slope stability analysis of Badong ChangjiangHighway Bridge by FEMJI A Hon