第7部分地理信息系统的高级技术

1、第七部分 地理信息系统的高级技术（一）1第二十章 分布式地理信息系统随着计算机网络技术的发展，基于客户/服务器、浏览器/服务器体系结构以及它们的混合体系结构的分布式系统结构已成为地理信息系统的发展趋势。由于GIS固有的特点，使得运行于网络上的GIS比单机体系结构的GIS更适合构造较大规模的GIS工程应用。2第一节 分布式地理信息系统的概念一、分布式地理信息系统的概念分布式地理信息(DGI，Distributed Geographic Information)指在互联网上以多种形式分布式发布地理信息，如地图、图像、数据集合、分析操作和报告等。3第一节 分布式地理信息系统的概念分布式地理信息系统是

2、指在计算机网络环境下，以分布式计算的理论技术和计算机网络技术为应用指导，用来设计地理信息系统中的时空数据采集、存储、管理、分析、表现等运算的理论计算模型。它是按照系统中的数据分布的特征和针对其中数据处理的计算特征而分类的，是描述系统级各功能模块与数据之间的运算关系的计算模型。其研究对象是网络上分布存在的地理信息数据以及受其影响的数据和操作。目的是要解决网络上地理信息系统中存在的数据异构、数据共享、复杂运算等问题，也是实现网络地理信息系统的途径和重要的计算模式。它可采取局域网环境的客户机服务器模式，也可采取别因特网环境的浏览器/服务器模式，如Web模式。 4第一节 分布式地理信息系统的概念二、分

3、布式的主要表现分布式主要表现在四个方面，一是数据的分布特点。空间数据是GIS的主要操作对象，由于数据的分布性、数据的专业性，并因此产生的数据的权威性、数据的资源性，都决定了数据的采集、更新、管理和维护等是以分布式的方式存在于分离的计算机上的。而数据的共享性又要求数据需通过计算机网络来实现其目的。二是应用功能的分布。GIS的功能组成了由空间数据输入到输出的一个工作流程，不同的人员由于其关注的信息不同，需要不同的GIS功能服务对数据进行处理，将应用分布在网络上，可以解决这个问题。 5第一节 分布式地理信息系统的概念三是外设的共享。外设的分布是服务分布的一种，由于许多GIS外设较为昂贵，通过分布式系

4、统可以实现设备的资源共享。四是并行计算。在GIS中，许多模型的计算是费时的，低性能的计算机提供复杂而巨大的计算能力，并行计算可将计算任务分摊在不同的计算机上。另外，某些特殊条件的数据资源供给也只会提供计算结果，而保护原始数据的任意下载。6第一节 分布式地理信息系统的概念三、为什么选择分布式GIS地理信息的在线共享和交换需求，是选择分布式GIS的最根本原因。地理信息的分布式共享和交换可以满足：7第一节 分布式地理信息系统的概念1、政府投资需求 许多典型数据是在政府的资助下，由代理部门生产的，信息的拥有权和版权归政府所有。从原则上讲，这些数据也应该为公众所拥有，政府应将这些数据提供给公众使用。2、

5、实现价值要求 空间信息是投入大量资金和时间生产的，对生产部门和用户而言，它们具有很高的使用价值。许多用户愿意支付一笔可观的费用去购买这些空间信息。因而，要实现空间信息的固有价值就必须在互联网上实现分布式的有偿或免费共享。8第一节 分布式地理信息系统的概念3、免费服务要求 互联网上许多信息是政府、大学和非赢利机构生产的。他们的目的不是为了挣钱。空间信息作为互联网中的服务部分，由个人或机构分布式提供。免费的分布式地理信息，能有效推动互联网的发展。 4、相关信息服务需求 免费的分布式地理信息服务，往往作为具有很高价值的信息和产品的附属品为公众提供。它是用户查找可用产品和服务某个具体位置的导航工具。通

6、过地图用作查询工具或查询结果的显示，得到更多的有关主要产品的详细信息。5、企业内部网需求 企业内部网为企业内的人员提供信息通讯服务。空间信息是企业内部网的特殊信息之一。分布式地理信息服务的应用系统为企业内部空间信息的使用提供了有用的工具。 9第一节 分布式地理信息系统的概念四、分布式系统与集中式系统的比较从技术意义讲，分布式系统的定义是一组独立计算机的集合，从用户的角度来看，如同于一台计算机。分布式系统与集中式系统在概念模型上存在的根本区别是，在信息交换方面，中心系统与子系统之间的信息交换关系不同，前者提供双向交换，后者提供由中心系统到子系统的单向交换。在任务处理方面，前者由中心系统和子系统共

7、同分担，后者主要由中心系统分担，在资源内容方面，前者子系统可以拥有不同的信息资源和处理功能，后者所有子系统则享有相同内容的数据资源和处理功能 10第一节 分布式地理信息系统的概念集中式与分布式系统的区别 11第一节 分布式地理信息系统的概念在系统的性能上，分布式系统的一些优点是明显的，但也存在一些缺点 ：12第一节 分布式地理信息系统的概念同分布式系统一样，集中式系统也具有一些优点和缺点 ：13第二节 分布式地理信息系统的体系结构一、分布式地理信息系统的的体系结构 分布式GIS的结构是一个分层的结构体系。它包括数据服务层、应用接口层、应用层和用户界面层。通过传输层将各层联系起来。14第二节 分

8、布式地理信息系统的体系结构分布式GIS的结构 15第二节 分布式地理信息系统的体系结构二、分布式地理信息系统的网络结构 分布式GIS的硬件支撑系统是计算机网络。由于GIS的特点，对网络的性能和技术指标均高于普通计算机网络的要求。在实用中可构建分布式结构，也可构建分布式与集中式的混合结构。16第二节 分布式地理信息系统的体系结构分布式结构 分布式与集中式的混合结构 17第三节 分布式地理信息系统的计算模式实现分布式GIS计算功能的计算模式主要是客户/服务器模式（Client/Server, C/S）、浏览器/服务器模式(Browser/(Web)Server , B/S)以及它们的混合计算模式。

9、18第三节 分布式地理信息系统的计算模式一、客户/服务器计算模式客户/服务器计算模式19第三节 分布式地理信息系统的计算模式客户/服务器计算模式的结构是分层的，根据服务器和客户机之间的联系方式，可分为两层结构、三层结构和三层混合结构 ：20第三节 分布式地理信息系统的计算模式 C/S的结构 21第三节 分布式地理信息系统的计算模式客户/服务器计算模式在资源的分配上也存在多种配置模式。它们提供了在客户机、服务器之间的不同负载平衡程度。22第三节 分布式地理信息系统的计算模式 C/S的资源配置模式 23第三节 分布式地理信息系统的计算模式二、浏览器/服务器计算模式浏览器/（Web）服务器计算模式的

10、结构同样是分层结构，根据服务器和浏览器之间的联系方式，可分为两层结构、三层结构、四层结构和它们的混合结构 。24第三节 分布式地理信息系统的计算模式 B/S的结构 25第三节 分布式地理信息系统的计算模式C/S、B/S计算模式在应用中，可以构建复杂的网络计算模式，提供强大的计算与数据管理能力 。26第三节 分布式地理信息系统的计算模式复杂的分布式计算网络27第四节 分布式地理信息系统的计算技术当前实现分布式GIS的计算技术主要包括分布式组件对象模型（Distribute Component Object Model , ）及其程序设计技术、公用对象请求代理结构（Common Object Re

11、quest Broker Architecture , CORBA）及其程序设计技术、EJB(Enterprise JavaBeans ,EJB) 及其程序设计技术等。11.1928第四节 分布式地理信息系统的计算技术一、 1、 概念COM（组件对象模型），用以使用户将组件连接到运行在同一台计算机或运行在另一台计算机上的服务。其局限性之一是对各种操作系统应用请求的接口必须通过硬连接接入到应用中。 是基于ActiveX技术的，是对COM技术的延续。主要增加了远程调用COM部件的功能。 支持现有的TCP/IP、HTTP网络协议，对JAVA语言兼容。同时微软公司也授权在UNIX、SOLARIS等操作

12、系统上使用这种技术。29第四节 分布式地理信息系统的计算技术 的特点在于每个程序模块无须存储在各客户端，更无须下载本程序在客户端运行，只要在服务器内存放一份 部件，不同地方的用户可通过网络来访问这一部件。使用 构成的大型应用程序，可以把处理相同任务的部分分割出来，组成一个专门的软件模块完成，其他程序或部件只需对其调用，即可获得所需信息。30第四节 分布式地理信息系统的计算技术2、 的结构 的结构程序运行的同一进程、不同进程、不同计算机之间是不同的 。31第四节 分布式地理信息系统的计算技术不同进程的 结构32第四节 分布式地理信息系统的计算技术不同计算机的 结构 33第四节 分布式地理信息系统

13、的计算技术二、CORBA公共对象代理结构是OMG提出的对象分布计算规范。它规定了对象请求代理机制，已成为事实上的企业分布计算和集成框架开发和应用标准。有四个部分组成：（1）对象请示代理（ORB-Object Request Broker），使对象在分布式环境透明地收发请求和响应，是构造分布式对象应用，及其对象在不同层次的异构环境下互操作的基础；（2）对象服务（OS-Object Services）是为使用和实现对象而提供的基础服务集合。（3）通用设施（ mon Facilities）是为许多应用提供的的共享服务的集合。（4）应用对象（AO-Application Objects）,相当于传统的

14、应用。34第四节 分布式地理信息系统的计算技术CORBA工作模式 35第四节 分布式地理信息系统的计算技术 CORBA规范充分利用了现今软件技术发展的最新成果，在基于网络的分布式应用环境下实现应用软件的集成，使得面向对象的软件在分布、异构环境下实现可重用、可移植和互操作（图20-12）。其特点可以总结为如下几个方面：（1）引入中间件（MidWare）作为事务代理，完成客户机（Client）向服务对象方（Server）提出的业务请求(引入中间件概念后分布计算模式。（2）实现客户与服务对象的完全分开，客户不需要了解服务对象的实现过程以及具体位置(参见图20-13所示的CORBA系统体系结构图);3

15、6第四节 分布式地理信息系统的计算技术（3）提供软总线机制，使得在任何环境下、采用任何语言开发的软件只要符合接口规范的定义，均能够集成到分布式系统中； （4）CORBA规范软件系统采用面向对象的软件实现方法开发应用系统，实现对象内部细节的完整封装，保留对象方法的对外接口定义。 在以上特点中，最突出的是中间件的引入, 在CORBA系统中称为对象请求代理（ORB，Object Request Broker）和采用面向对象的开发模式。 对象模型是应用开发人员对客观事物属性和功能的具体抽象。由于CORBA使用了对象模型，将CORBA系统中所有的应用看成是对象及相关操作的集合，因此通过对象请求代理（OR

16、B），使CORBA系统中分布在网络中应用对象的获取只取决于网络的畅通性和服务对象特征获取的准确程度，而与对象的位置以及对象所处的设备环境无关。37第四节 分布式地理信息系统的计算技术CORBA 体系结构 38第四节 分布式地理信息系统的计算技术 CORBA组件对象的调用过程如图：39第四节 分布式地理信息系统的计算技术CORBA规范的推出，重新调整了客户机与服务器之间的关系。客户机可以向服务器提出事务请求，同时也可以为下一个请求充当服务器角色。由于CORBA系统引入了中间件的概念，即事务代理，由中间件完成客户机与服务器之间的通信，使得服务器对于客户机的位置相对透明，取消了原有分布式计算模型中客

17、户机、服务器之间的一一对应关系。CORBA客户机可以在运行时动态获得服务对象的位置，并且可以对多个服务对象提交事务请求，因此，极大推动了分布计算的发展。分布计算是指网络中两个或两个以上的软件相互共享信息资源。这些软件可以位于同一台计算机中，也可以部署在网络节点的任意位置。基于分布式模型的软件系统具有均衡运行系统负载、共享网络资源的技术优势 。40第四节 分布式地理信息系统的计算技术另外，CORBA规范约束采用面向对象的分布式软件的构造方法，以接口定义语言的形式实现对象内部细节的完整封装，从而降低了软件系统的复杂程度，增加了软件功能的可重用性。CORBA提供到C/C+、Java、SmallTal

18、k等高级语言的映射，很大程度地减小了对程序设计语言的依赖性，使软件开发人员可以在较大范围内共享已有成果。正是以上特点推动了分布式多层软件体系结构的发展。目前，CORBA技术在银行、电信、保险、电力和电子商务领域都有广泛的应用。软件市场中能够见到的CORBA中间件产品很多，但基于不同公司的产品战略以及研发方向，各个产品在服务性能、对高级语言的支持和所依赖的系统平台方面有很大区别（表20-3）。 41第四节 分布式地理信息系统的计算技术42第四节 分布式地理信息系统的计算技术基于CORBA的代理结构的分布式GIS结构 43第四节 分布式地理信息系统的计算技术三、EJB（Enterprise Jav

19、aBeans）1、EJB的概念 EJB是Java中的商业应用组件技术。一个完整的EJB分布式计算结构有六个角色组成，每个角色遵循SUN公司提供的EJB规范。（1）EJB组件开发者负责开发执行商业逻辑规则的EJB组件，开发的组件打包成EJB-jar文件。负责定义EJB的Remote和Home的接口，编写执行商业逻辑的EJB Class,提供EJB的部署文件（2）应用组合者负责利用EJB组件组合一个完整的应用系统。需要知道Remote ,Home的接口使用，但不需知道如何实现。（3）部署者 负责将EJB-jar文件部署到用户的系统环境中。用户环境包括EJB sever，EJB Container。

20、44第四节 分布式地理信息系统的计算技术（4）EJB服务器提供者是系统领域的专家，精通分布式交易管理，分布式对象管理和其它系统级服务，一般由操作系统开发商、中间件开发商或数据库开发商提供。（5）EJB容器提供者提供EJB部署工具为部署好的EJB组件提供运行环境。必须是系统级的编程专家，还需要具备应用领域的经验。（6）系统管理员45第四节 分布式地理信息系统的计算技术负责为EJB服务器和容器提供一个企业级的计算机网络环境。负责监管组件的运行。EJB体系结构是三层体系结构 ：46第四节 分布式地理信息系统的计算技术47第四节 分布式地理信息系统的计算技术第一层是瘦客户机。通常是 Web 浏览器，它

21、可以处理普通 Web 数据类型，如 HTML 和 GIF，并支持 HTTP 通信。第二层是 Web 应用程序服务器，它是用代码扩充的 Web 服务器，用来对能够通过 Web 服务器调用的应用程序提供运行时支持。现有的 Web 应用程序都沿用 CGI-BIN 编程模型，但预计第二层应用程序开发将转向 Java servlet 编程模型，后者提供大幅改善的性能和可移植性。除支持 Java Servlet 外，Web 应用程序服务器还将添加 EJB 服务器功能，以支持使用 EJB 组件的应用程序。第三层代表企业级信息资源，可以包括关系数据库和面向对象的数据库、事务监视器和定制的应用程序。EJB 技术

22、在这一设计中扮演着关键角色，因为，它使驻留在第二层上的应用程序组件，与组成第三层的企业资源之间的接口，得以标准化。48第四节 分布式地理信息系统的计算技术JavaBeans 组件，JavaBeans 规范将“组件软件”的概念引入到 Java 编程的领域。组件是自含的、可重用 的软件单元；而 JavaBeans 组件，则可以使用可视的应用程序开发工具，可视地将它们 编写到 Java 程序中。JavaBeans 规范为 Java 开发人员提供了一种“组件化”其 Java 类的方法：Bean 是一些 Java 类，可在一个可视的构建器工具中操作它们，并且可以将它们一起编写到应用程序中。任何具有某种特

23、性和事件接口约定的 Java 类都可以是一个 Bean。（见 JavaSorft，“Using the Beans Development Kit 1.0”） JavaBeans 概念是为了在 Java 编程环境中支持可重用的组件，它是一种一般性的设计方法，适用于客户机或服务器机器上运行的 Java 程序。由于对可视的构建器工具的强调，也由于许多 Java bean 都是图形用户界面 (GUI) 组件，所以 JavaBeans 组件可能被视为一种客户端技术。但是，并不要求 Java bean 都是可视的，并且它们也可以用于服务器环境中。49第四节 分布式地理信息系统的计算技术J2EE（Java

24、 2 Platform, Enterprise Edition ，J2EE），Sun Microsystems 发起了这项项技术创新，旨在将 Java 平台的范围扩展到大规模服务器环境。J2EE 为 Enterprise JavaBeans 技术提供了工作环境。事实上，Sun 把若干项软件技术都设想为这样的构件块，它们将使大型企业能够把以任务为关键的业务系统移植到 Java 环境 中，而 Enterprise JavaBeans 技术不过是这些技术之一。EJB 组件是按它们自己的规范定义 的，但 EJB 技术并不是一项独立的技术。它建立在 其他 Java 技术之上，这些技术由 Sun 和其他

25、IT 公司联合规定，它们一起提供了这个框架的内容，该框架就称为 Java 2 Platform, Enterprise Edition。50第四节 分布式地理信息系统的计算技术服务器和容器，EJB 体系结构包括 EJB 服务器和 EJB 容器两个概念 EJB 的服务器和容器51第四节 分布式地理信息系统的计算技术EJB 服务器充当一种组件执行系统，正如 EJB 白皮书中所述： “Enterprise JavaBeans 规范为每个支持完全可移植性的 Java 应用程序服务器定义了一个标准模型。任何厂商都可以使用此模型来实现对 Enterprise JavaBeans 组件的支持。多种系统（如

26、TP 监视器、CORBA 运行时系统、COM 运行时系统、数据库系统、Web 服务器系统或其它基于服务器的运行时系统）都可以调整到能够支持可移植的 Enterprise JavaBeans 组件。”(Thomas, Enterprise JavaBeans Technology: Server Component Model for the Java Platform)52第四节 分布式地理信息系统的计算技术EJB 白皮书这样描述容器的作用，“EJB 容器管理部署于其中的 enterprise bean。客户机应用程序并不直接与 enterprise bean 进行交互。相反，客户机应用程序通

27、过由容器生成的两个封装接口（ EJB Home 接口和 EJB Object 接口）与 enterprise bean 进行交互。当客户机使用封装接口调用各种操作时，容器截获每个方法调用，并插入管理服务。”(Thomas, Enterprise JavaBeans Technology: Server Component Model for the Java Platform) 53第四节 分布式地理信息系统的计算技术2、CORBA 和 EJB 技术的关系公用对象请求代理程序体系结构 (CORBA) 为分布式对象的平台中立和语言中立的计算环境奠定了基础。在 CORBA 环境中，功能驻留于对象之

28、中，而客户机可通过对象请求代理程序 (ORB) 访问这些对象。完整的 CORBA 实现提供 ORB，外加称为 CORBA 对象服务和 CORBA 公用工具的几个运行时服务。也可只提供 ORB，不提供相关联的对象服务和公用工具（例如，IBM 就提供这样的两种独立 ORB）。实现基本 ORB 功能的软件称为 ORB 核心。为了支持语言无关性，CORBA 应用程序是用接口定义语言 (IDL) 编写的。该语言在语法上类似于 C+，但不包含语义：IDL 中指定的操作是操作接口，而不是操作实现。由于它对多种平台和多种语言的支持，以及源自其分布式特征的可伸缩性，CORBA 非常适合于管理企业规模的信息系统。

29、54第四节 分布式地理信息系统的计算技术设计EJB 规范也是为了支持企业信息系统。这样说来，CORBA 是一个竞争者吗？根据 Frequently Asked Questions for Enterprise JavaBeans，答案是否定的。“实际上，EJB 技术很好地补充了 CORBA。CORBA 提供了一个强大的基于标准的基础结构，可在此结构之上构建 EJB 服务器。EJB 技术使得在 CORBA 基础结构的顶层构建应用程序变得更为容易。”（Enterprise JavaBeans 常见问题解答） 55第四节 分布式地理信息系统的计算技术EJB和CORBA的关系 56第七部分 地理信息系

30、统的高级技术（二）57第二十一章 数字工程与空间信息基础设施随着计算机网络技术和GIS技术的发展，人们期待建立更大范围、更多层次、满足更多需求的、内容丰富的地理信息共享与交换网络。并以此为工具或平台，来研究解决人们关注的全球、地区或地方内的资源、环境、经济、社会等诸多问题。“数字地球”、“数字城市”、“数字企业”、“数字农业”等数字工程的提出，以及“空间信息基础设施”的建设正是为实现这一目的而采取的技术步骤和措施。58第一节 数字地球的概念一、“数字地球”的涵义“数字地球”是集多种现代信息技术为一体的计算机信息系统。关于“数字地球”概念的描述很多，有技术层面的，也有印象层面的。如“数字地球”是

31、关于地球的虚拟表达，并使人们能够探索和作用于关于地球的海量的自然与文化信息集合；“数字地球”是一个共享经过地理参考处理的地理数据的环境，它是基于OpenGIS标准和因特网传输这些数据的等，这些都是技术性的表述。 59第一节 数字地球的概念再如，“数字地球”可以提供这样场景，一个学童来到地方博物馆的数字地球展览厅，他戴上数字头盔，看到了从太空飞来的地球，使用数据手套，对地球进行放大操作，随着分辨率越来越高，先看到了各大洲，继而看到了一些国家、地区、城市乃至最后看到了独立的房屋、树木或其它自然、人工地物。他正在寻找自己感兴趣的区域，就象坐在魔毯上，通过了三维虚拟地形，。他在为他的家庭在假期到黄石国

32、家公园旅行做准备。如为他所看到的内容制定旅行路线计划。事实上，他可以在离开家乡之前，就进行一次从头到尾的虚拟旅行。这是一种印象层面的表述。 60第一节 数字地球的概念从上面的描述可知，数字地球具有这样的涵义，是一个多分辨率、多空间尺度的、虚拟表达的三维星球；具有海量的地理空间编码数据；可以使用无级放大率进行放大；在空间内的活动是不受限制的，而且在时间空间也是如此。61第一节 数字地球的概念二、“数字地球”的技术框架和结构从地理信息系统技术角度讲，“数字地球”就是对地球的在时间尺度基础上的各大地球系统模型的虚拟表达和操作。这些地球系统模型包括实体地球（从地心到地壳）、海洋（包括其他大型水体）、大

33、气（特别是对流层）、电离层（空间气象）、生物圈（包括人类）、低温层（特别是极地地区）等。图21-1描述了这些模型系统之间的关系。62第一节 数字地球的概念各大地球系统之间的关系 63数字地球的概念数字地球的框架结构 64第二节 空间数据基础设施空间数据基础设施（Spatial Data Infrastructures ，SDI）是建设“数字地球”、“数字城市”等数字工程的信息化基础建设内容。继1991年美国首次提出建设“信息高速公路”计划后，先后于1994年、1998年提出了建设“空间信息基础设施”、“数字地球”的建设计划。被称为推动全球空间信息化合作建设的三步曲。65第二节 空间数据基础设施

34、一、空间数据基础设施的概念空间数据基础设施是指为描述地球上地理要素或现象的分布及其属性的所有地理信息组合，以及对这些地理信息的获取、处理、存储、分发、使用、集成、融合以及互操作等目的，建立一个共享的空间信息框架的建设计划，包括所需的设备、技术、政策、标准、体系结构和人力资源等内容。66第二节 空间数据基础设施按照SDI所支持的空间信息共享范围，SDI可分为全球空间数据基础设施（Globe Spatial Data Infrastructures ，GSDI）、区域空间数据基础设施（Regional Spatial Data Infrastructures，RSDI）、国家空间数据基础设施（Na

35、tional Spatial Data Infrastructures，NSDI）和地方空间数据基础设施（Local Spatial Data Infrastructures，LSDI）四个层次 67第二节 空间数据基础设施68GlobalNationalRegionalLocalGlobalSDI Levels空间信息基础设施 69第二节 空间数据基础设施SDI的信息传输基础是信息基础设施（Information Infrastructures），所服务的对象是数字地球、数字城市等数字工程。它们共同组成了空间信息网络化共享与交换体系的完整内容。信息基础设施是以建设通信网络为主要目的，以光纤、

36、卫星、微波、程控电话、无线移动等为通信传输方式的信息化基础设施建设计划。其中空间数据集是这个共享与交换体系建设主题对象。GSDI与NSDI的数据集及其关系 ：70第二节 空间数据基础设施 SDI的数据集 71第二节 空间数据基础设施 NSDI的数据集包括核心基础框架数据、设施系统数据、环境数据、社会及经济统计数据、地学数据等。而GSDI的数据集则是通过对它们的概括和集成而获得。 72第二节 空间数据基础设施二、空间数据基础设施的框架结构SDI是通过分布在全球范围各地的空间数据的交换站点（Clearinghouse），以门户网站或地图服务目录的形式实现空间数据的共享和交换的（图21-6）。其中交

37、换站点的类型和内容可能因专业领域或机构提供服务的目的不同有所差别。提供服务的站点需向上级站点进行注册。73第二节 空间数据基础设施SDI的服务模型 11.19747576SDI Catalog AccessWebClientClearinghouseServersGateway(s)UserZ39.50 protocolHTTP protocolServiceRegistryWebServerOne Search across many serversMetadata is the key77Local GovernmentsFederal GovernmentState Government

38、sTribal GovernmentsCivilian SectorDoDCommercial SectorLocal UsersDoD UsersTribal UsersState UsersNational PolicyMakersCommercial UsersCivilian UsersInternational UsersFederal UsersGeospatialOne-StopPortalOther standards-based portalsreplicated access points 未来模型78当前模型Data ProducerData ProducerData P

39、roducerData ProducerData ProducerData ProducerData UserData UserData UserData UserData UserData UserData UserNSDIGatewayPortalPortalPortalPortal79第二节 空间数据基础设施SDI的框架结构被公认为是一个三层结构。即由数据资源层构成基础层，各种类型的网络服务构成中间服务层，各种用户构成最高层 ：80第二节 空间数据基础设施 SDI的框架结构 81第二节 空间数据基础设施资源层是由数据的专业生产者通过多种数据采集方式采集的，并以数据库的方式提供给网络用户使

40、用的各类数据集。服务层主要是由软件中间件以及相关服务机制共同组成的面向网络用户提供数据服务、数据处理与分析服务的服务系统。用户层则主要由对空间数据有共享和交换需求的各类群体组成的数据消费阶层。一般来讲，SDI的建设重点是资源层和服务层，它们构成提供各类信息服务的基础部分。而用户层的建设是与具体的应用相联系的，它的建设一般不作为SDI建设计划的核心内容。但它是建设数字地球、数字城市等的必要内容。82第二节 空间数据基础设施三、空间数据基础设施的建设内容一般来讲，SDI的建设重点是资源层和服务层，它们构成提供各类信息服务的基础部分。而用户层的建设是与具体的应用相联系的，它的建设一般不作为SDI建设

41、计划的核心内容。但它是建设数字地球、数字城市等的必要内容。83第二节 空间数据基础设施SDI的技术核心内容包括标准、框架、数据集、元数据、站点目录以及合作建设机制等。它们的关系可由图21-8说明。SDI的核心内容 84第二节 空间数据基础设施交换站点通过网络系统为数据的生产者和提供者提供服务，是联系二者之间的桥梁。可提供数据发现、数据分发、数据搜索的统一界面、数据咨询及数据的广告等功能。技术标准包括数据内容和数据管理两个方面。前者包括数据分类、数据集成等，后者包括元数据和数据传输等。框架和数据集是其主要内容，框架由通信和计算机网络及其相关软件组成，构成SDI的支撑。而合作机制则是实现最终目的的

42、保证，包括数据汇集机制、数据分发机制、运行机制、合作关系机制等。85第二十二章 空间信息网格如果说空间数据基础设施强调空间数据的共享与交换的宏观（技术的、政策的）概念的话，空间信息网格（Spatial Information Grid，SIG）则要具体得多。对比发现，可以认为空间信息网格更多的是从技术层面讨论实现空间数据共享与交换的的实质内容，空间信息网格是对空间数据基础设施的技术延伸。86第一节 空间信息网格的概念一、空间信息网格的含义空间数据基础设施提出的交换站点在SIG中被看作网络结点，由这些分布在全球各地的各类结点形成的网络称之为网格。它是以空间信息传输、服务和计算为内容的特点的，因此

43、也称为空间信息网格。网格的含义可解释为，网格是信息社会的网络基础设施，它把整个因特网整合成一台巨大的超级虚拟计算机，实现互联网上所有资源的互联互通，完成计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等智能共享的一种新兴的技术。87第一节 空间信息网格的概念网格由数据网格、信息服务网格、计算网格共同组成 ：网格的组成88第一节 空间信息网格的概念二、网格的体系结构网格的体系结构由三层构成，即网格结构层、网格服务层和格络应用层 ：89第一节 空间信息网格的概念网络的体系结构 90第一节 空间信息网格的概念网格系统之间的通信是使用经过整合和升级了的因特网协议。由GGG(Great Glo

44、be Grid) 协议取代WWW (World Wide Web )协议 ：91第一节 空间信息网格的概念网格协议 92第一节 空间信息网格的概念构造层（Fabric），提供共享的资源，它们是物理或逻辑实体。连接层（Connectivity），它是网格中网络事务处理通信与授权控制的核心协议。资源层(Resource)，对单个资源实施控制，实现资源注册、资源分配和资源监视。汇集层(Collective)，资源汇集，供虚拟组织的应用程序共享、调用。提供目录服务、日程安排、资源代理、资源监测诊断、网格启动、负荷控制、账户管理等多种功能。应用层（Applications），通过各层的API调用相应的服

45、务，再通过服务调用网格上的资源来完成任务。需要构建支持网格计算的库函数。 93第一节 空间信息网格的概念三、网格的关键技术网格研究和实现的关键技术包括：1、网格结点网格结点就是网格计算资源的提供者，它包括高端服务器、集群系统、MPP系统大型存储设备、数据库等。这些资源在地理位置上是分布的，系统具有异构特性。2、宽带网络系统宽带网络系统是在网格计算环境中，提供高性能通信的必要手段。通信能力的好坏对网格计算提供的性能影响甚大，要做到计算能力“即连即用”必须要高质量的宽带网络系统支持。用户要获得延迟小、可靠的通信服务也离不开高速的网络。9495网格拓扑结构的类型 96第一节 空间信息网格的概念3、资

46、源管理和任务调度工具计算资源管理工具要解决资源的描述、组织和管理等关键问题。任务调度工具其作用是根据当前系统的负载情况，对系统内的任务进行动态调度，提高系统的运行效率。它们属于网格计算的中间件。4、监测工具高性能计算系统的峰值速度可达百万亿次/秒。但是实际的运算速度往往与峰值速度有很大的距离，其主要原因在于高性能并行计算机的并行程序与传统的串行程序有很大差异。而高性能计算应用领域的专家对编程技术并不擅长，很难充分利用各种计算资源。如何帮助使用人员充分利用网格计算中的资源，这就要靠性能分析和监测工具。这对监视系统资源和运行情况十分重要。97第一节 空间信息网格的概念5、应用层的可视化工具网格计算

47、的主要领域是科学计算，它往往伴随着海量的数据，面对浩如烟海的数据想通过人工分析得出正确的判断十分困难。如果把计算结果转换成直观的图形信息，就能帮助研究人员摆脱理解数据的困难，这就要研究能在网格计算中传输和读取的可视化工具。并提供友好的用户界面。 98第二节 空间信息网格的计算一、网格的计算分类根据马森大学的研究，网格计算可分为：集中式任务管理系统、分布式任务管理系统、分布式操作系统、参量分析、资源监测/预测以及分布式计算接口。现有的网格计算技术方案主要集中在第一、二类。属于集中式任务管理系统的有Sun公司的Grid Engine、LSF（Load Sharing Facility）、PBS（P

48、ortable Batch System）等；属于分布式任务管理系统的有Globus、Legion和NetSolve等。集中式系统由一台计算机统一调度任务，分布式系统任务的加载和运行控制由网格中每台计算机自行完成。99第二节 空间信息网格的计算二、网格计算的基本功能网格计算至少需要具备三种基本功能：1、任务管理用户通过该功能向网格提交任务、为任务指定所需资源、删除任务并监测任务的运行状态。 2、任务调度用户提交的任务由该功能按照任务的类型、所需资源、可用资源等情况安排运行日程和策略。 3、资源管理确定并监测网格资源状况，收集任务运行时的资源占用数据。100第二节 空间信息网格的计算 四、网格计

49、算的形式 网格计算有四种形式。1、企业计算 企业计算是“以实现大型组织内部和组织之间的信息共享和协同工作为主要需求而形成的网络计算技术”，其核心是Client/Server计算模型和相关的中间件技术。 101第二节 空间信息网格的计算 2、网格计算 网格计算(Grid Computing）是网络计算的另一个具有重要创新思想和巨大发展潜力的分支。最初，网格计算研究的目标是希望将超级计算机连接成为一个可远程控制的元计算机系统（ puters）；现在，这一目标已经深化为建立大规模计算和数据处理的通用基础支撑结构，将网络上的各种高性能计算机、服务器、PC、信息系统、海量数据存储和处理系统、应用模拟系统

50、、虚拟现实系统、仪器设备和信息获取设备（如传感器）集成在一起，为各种应用开发提供底层技术支撑，将Internet变为一个功能强大、无处不在的计算设施。 102第二节 空间信息网格的计算3、对等计算对等计算（Peer-to-Peer，简称P2P）是在Internet上实施网络计算的新模式。在这种模式下，服务器与客户端的界限消失了，网络上的所有节点都可以“平等”共享其他节点的计算资源。 4、普及计算普及计算（ubiquitous computing or pervasive computing）强调人与计算环境的紧密联系，使计算机和网络更有效地融入人们的生活,让人们在任何时间、任何地点都能方便快捷

51、地获得网络计算提供的各种服务。 103第二十三章 空间数据的互操作104第一节 空间数据互操作的概念一、空间数据互操作的含义数据转换方法仅仅是从数据角度考虑互操作，是数据的集成，而没有考虑数据处理方面的因素。因此还不能达到真正的互操作。GIS互操作是在异构数据库和分布计算的情况下出现的。对系统而言，系统能彼此更安全地获取和处理对方的信息；对用户而言，用户能方便地查询到所需的信息，并能方便地使用各种不同类型和格式的数据；对信息管理者来说，他们能很好地管理信息，为用户服务，并将资源充分地提供给用户。 105第一节 空间数据互操作的概念GIS互操作中需解决的两个重要问题是，如何互操作异构的空间信息，

52、如何互操作空间信息服务软件。因此，互操作可解释为以在线的方式分析和显示来自分布式数据源的数据。由于系统构建和信息构建的原因，来自分布式数据源的数据出现了结构方面的信息异构和系统异构（图23-1）。这种异构直接导致了空间信息相互操作的障碍。106第一节 空间数据互操作的概念异构与互操作 107第一节 空间数据互操作的概念由于GIS产品在服务接口上的各异性和局限性，它很难满足Internet上空间信息互操作的需求，这样Internet用户与空间信息资源之间就出现了两大鸿沟：信息获取鸿沟和信息理解鸿沟。信息获取鸿沟表现为空间信息资源没有直接连接到Internet上。由于历史原因或出于信息管理或信息安

53、全考虑，空间信息提供者不能或不想把空间信息直接连接到Internet上。信息理解鸿沟表现为用户无法理解空间信息。这与GIS厂商的纵向产品线密切相关，即一个GIS产品会从数据管理、数据传输到数据表现全方位地向用户提供服务。而不同的GIS产品有不同的接口，它所管理的空间信息也是各不相同的。于是，Internet用户只能依赖特定的GIS产品去访问特定的空间信息资源。108第一节 空间数据互操作的概念二、互操作技术的发展互操作技术根据关注的领域和关注类型，已经发展到了第三代。其领域包括系统、数据、信息、知识等，在类型上是语义的异构问题。其各个阶段的情况见表： 109第一节 空间数据互操作的概念110第

54、一节 空间数据互操作的概念三、互操作的层次结构 互操作根据内容和水平可构成由低到高的层次结构（表23-2）。其中以获取信息级别的企业级互操作水平最高层次，实现网络环境下的分布式计算为最低层次。111第一节 空间数据互操作的概念112第一节 空间数据互操作的概念网络、硬件、软件是指从技术上如何实现GIS互操作，它包括：网络协议、文件系统传输、远程过程调用、分布计算平台、软件规程等，它们的正确配置是实现GIS互操作的基础。数据库和GIS 层实现不同系统之间数据上的互操作，但是真正的信息互操作不仅仅应该是数据互操作，更应该是语义及含义上的互操作，客户对数据和处理资源的访问是实时的，并且所获得的结果是

55、可以预测的。企业层是GIS中最高层次的互操作，实际上也就是我们通常所称的信息共享。它包括企业之间和信息部门之间的互操作，涉及政策、法规、经济等因素。113第一节 空间数据互操作的概念OGC关于互操作模型的描述（图23-2）。该模型描述了互操作从数据到分析显示的过程。 114第一节 空间数据互操作的概念 OGC的互操作模型 115第一节 空间数据互操作的概念根据这个模型，在C/S体系结构上，按照任务在客户机上分配的情况，可构成瘦客户端、中客户端和胖客户端（图23-3）。瘦客户端的数据处理任务主要由服务器端承担，客户端仅作为数据显示终端使用。中客户端在任务分配上负载比较平衡，双方各承担一定任务，但

56、对客户机的要求较高。胖客户机数据显示和处理均由客户端承担，服务器只提供数据服务，缺点是网络数据传输的压力较大。116第一节 空间数据互操作的概念客户端任务分配117第一节 空间数据互操作的概念四、开放式的互操作GIS结构118第二节 互操作的实现技术一、互操作问题的研究思路因特网环境中空间信息异构问题可以从句法和语义两个不同的层次研究。句法上的差异，不同的空间信息资源可以采用不同存储格式，而同一类存储格式也可能有版本的差异。语义上的差异，不同的空间信息资源可以采用不同的概念体系表示，而同一个概念体系中的概念也可能有同型异义或同义异型的现象。 119第二节 互操作的实现技术二、实现互操作的技术当

57、前实现互操作的主要技术有，使用GML（Geography Markup Language ，GML）编码和传输地理空间数据；使用WFS（Web Feature Server ，WFS）在特征元素水平提取和处理数据；使用SVG（Scalable Vector Graphics ，SVG）在Web上以矢量形式显示由GML传输的数据。120第二节 互操作的实现技术1、关于GMLGML是OGC的一个关于地理对象的模型、编码、传输和存储的标准。GML提供了一些描述空间特征和及它们在GML框架中的对应属性。包括描述特征的方案、坐标参考系统、几何体、拓扑关系、时态、量测单位等。121第二节 互操作的实现技术

58、如果不执行GML，数据库或数据文件系统之间的互操作要在两个系统之间进行点对点操作，由数据结构的异构性，不同系统之间都要进行这种操作（图23-5）。如果通过GML，这种互操作要方便的多（图23-6）。122第二节 互操作的实现技术非GML模式 GML模式 123第二节 互操作的实现技术客户端通过向Web服务器发送数据请求，Web 服务器将请求转发给连接它的多级GIS数据服务器，GIS数据服务器分析处理请求后，将结果返回Web服务器，Web服务器以GML数据形式返回请求数据的客户端。124第二节 互操作的实现技术 GML数据传输过程 125第二节 互操作的实现技术2、关于SVGGML是解决数据传输

59、问题。SVG则解决数据的显示问题。SVG是基于XML的W3C的标准格式，它工作在Web浏览器上。使用SVG的优点是明显的。首先它是矢量数据，而非栅格数据（GIF、JPEG等）；其次它可以进行尺度变化，即可以以任何分辨率、任何尺寸显示在任何设备上；三是数据量小；四是可以提供与其他许多文件、矢量数据、栅格数据的超连接；五是SVG是一个XML文件，与其他基于XML的技术兼容，并可以方便进行编辑和显示在任何操作系统和Web环境。126第二节 互操作的实现技术3、关于WFSWFS是OpenGIS的实现规范，可以以源数据格式获取数据，并把获取的数据传输给GML，最终传输给 Web浏览器。使用WFS获取数据

60、的过程如图23-8。127第二节 互操作的实现技术WFS 获取数据过程 128第二节 互操作的实现技术WFS的主要功能是，允许客户端应用程序通过Web访问、查询、产生、更新和删除来自数据的数据；客户端应用程序通过可以向存储在远程分布式数据库请求特征元素级的数据；WFS阅读和解析用户请求，并将结果以GML数据形式返回结果。 129第二节 互操作的实现技术OGC规范的WFS的Web服务器的结构（图23-9）。ESRI的互操作模型如图23-10。WFS的Web服务器的结构 ESRI的互操作实现130第七部分 地理信息系统的高级技术 （三）131第二十四章 地理信息系统的集成地理信息系统集成是GIS向