第4章-WebGIS数据库技术

第4章WebGIS数据库技术4.1WebGIS概述4.1.1互联网与GIS结合的发展WebGIS＝WebInternetGISGeographicalInformationSystem＋网络+地理信息系统GIS的定义：

用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统。(陈述彭，2000)基本功能数据采集与编辑数据存储与管理

数据处理和变换空间分析和统计产品制作与显示二次开发和编程应用功能资源管理区域规划国土监测辅助决策定位服务Web/Internet的概念：Internet(因特网)是一个采用TCP/IP协议族的国际计算机互联网络。主要包括WWW(WorldWideWeb)、FTP、Email、BBS、Telnet等信息服务组成。InternetWWWFTPEmailTelnetBBSWebGIS的概念：WebGIS即互联网地理信息系统，它以互联网为环境，以Web页面作为GIS软件的用户界面，把Internet和GIS技术结合在一起，为各种地理信息应用提供GIS功能。WebGIS是利用互联网技术扩展和完善GIS的一项新技术，其核心是在GIS中嵌入HTTP协议和TCP/IP协议标准的应用体系，实现互联网环境下的空间信息发布、查询、管理和维护等GIS功能。示例：MapInfo/ArcGIS/中国电子地图/北京通/北京电子地图/新华地图/Go2map/google_map/sogou_map/SuperMapIS/ArcIMS/WebMapMapInfoArcGIS中国电子地图北京通北京电子地图新华地图搜狗图行天下Google地图SuperMapIS.NET4.1.2WebGIS的基本概念1WebGIS的特点2WebGIS的应用3WebGIS的系统结构1WebGIS的特点集成的全球化的C/S网络系统

服务器端＋客户端；全球范围内业务运行分布式服务体系结构

分布式数据库、分布式处理跨平台特性

用户操作系统无限制(Unix,Win,Linux,Mac)真正大众化的GIS

克服了专用软件和数据成本高操作复杂的问题良好的可扩展性

易与Web的其他信息服务集成，拓展性能2WebGIS的应用主要应用方向

基于Internet的公共信息在线服务 基于Intranet的企业内部业务管理主要功能

空间数据发布 空间查询检索 空间模型服务 Web信息资源组织应用领域 农业、林业、水利、地矿、交通、通信、新闻媒体、城市建设、教育、资源环境、人口、海洋、军事等行业，如旅游、统计分析、房地产、油气管理、地籍管理、水资源管理、环境检测、资源利用、灾害监测评估、灾害模拟预报、智能交通、跟踪污染、跟踪疾病传播、商业选址、市场调查、移动通信、市政管道管理、在线政府公共信息服务等。目前常用WebGIS软件：公司名称桌面产品组件产品网络GIS数据库ESRIArcView,ArcEditor,ArcInfoArcObject,MapObject,ArcIMSArcSDEMapInfoMapInfoProfessionalMapInfoMapBasic,MapInfoMapXMapXtremeMapInfoSpatialwareIntergraphGeoMediaProfessionalGeoMediaObjectGeoMediaWebMapGeoMediaOracleGDOServer北京超图SuperMapDeskpro,Editor,SurveySuperMapObject,SuperFormSuperMapIS.NETSuperMapSDX+武汉吉奥GeoStarGeoMapGeoSurfGeoSurf2DforOracle武汉中地MapGISMapGISMapGIS-IMSSpatialDataEngineWebGIS相对于传统GIS的优势 1更广泛的访问范围，便于数据进行分布式存储和管理、分发； 2平台独立性，客户端不论使用哪种平台的浏览器，都可以极小代价访问GIS数据； 3大规模降低系统成本，减少重复劳动，免去了每个客户端都要安装昂贵专业GIS软件的费用4更简单的操作，适合GIS行业应用的大众化，普及化，不再局限于专业技术人员。3. WebGIS的系统结构体系结构 由WebGIS浏览器(Browser)、WebGIS信息代理(InformationAgent)、WebGIS服务器(Server)、WebGIS编辑器(Editor)等几个部分组成。1.WebGIS浏览器 GIS用户的工作界面，如IE,Netscape,MyIE等浏览器。 基本功能：显示WebGIS图形和属性数据；响应用户交互式操作请求；提供空间查询对话框；支持对地理对象的访问；提供与WebGIS服务器通讯的协议。2.WebGIS信息代理介于浏览器和服务器之间，主体是信息代理机制和信息代理协议，是实现空间信息网络化的关键部分。 基本功能：分析WebGIS浏览器请求的类型和内容，判断采用何种方式完成请求，并将请求发送到合适的WebGIS服务器；将WebGIS服务器返回的结果传回到相应的WebGIS浏览器。3.WebGIS服务器 解释信息代理的请求，并根据请求对GIS数据库服务器进行空间操作，实现浏览器和服务器的动态交互。 基本功能：接收并解析WebGIS浏览器和编辑器的请求；支持GIS数据查询；处理查询结果并返回给浏览器和编辑器；提供与空间数据库服务器的接口。4.WebGIS编辑器 提供所见即所得、可视化、交互式多窗口的编辑环境。 基本功能：定义全局空间坐标系；定义WebGIS数据库的逻辑结构，创建可视化编辑模式，提供构建WebGIS网页的模板；提供与WebGIS服务器的接口；提供外部数据的导入导出接口。工作模式

用户通过浏览器启动客户端的交互程序，由代理协议向服务器发送请求。服务器运行服务端的GIS应用，并将结果返回给客户端。客户端对回送的数据进行操作、解释，并显示给用户。数据格式

在客户端是采用矢量化数据格式还是栅格化数据格式，这是WebGIS系统需要考虑的重点。 矢量图形：需要在客户端安装插件(Plug-In)，或者自动下载JavaApplet或ActiveX控件。但同时也增加了客户端处理图形的能力，如放大缩小、漫游、选择对象并高亮显示等功能，在一定程度上减少了服务器的负担和网络传输负担； 栅格图形：由于标准Web浏览器已经可以显示JPG/GIF/PNG等通用栅格图形格式，因而在访问此类WebGIS站点时无需安装任何插件。但同时也就不具备在客户端处理图形的能力，每个涉及图形的操作都要由服务器负责处理，增加服务器负担和网络传输负担。4.1.3WebGIS的实现模式１基于CGI技术２基于Plug-In技术３基于ActiveX技术４基于JavaApplet技术５基于SAPI技术１基于CGI技术

CGI:CommonGatewayInterface(公共网关接口)。CGI是连接应用软件和Web服务器的标准技术，是网络服务器上的可执行程序，可用C/C++/Perl/VB等开发生成。它允许用户通过网页命令启动网页服务器上的CGI程序，经运行得到输出结果并返回给用户。CGI是最早实现动态网页的技术。基于CGI技术的优缺点：优点缺点所有的GIS操作都在服务器端由GIS服务器执行完成；操作结果常以JPG/GIF等静态图象格式显示，因此客户端只需支持标准HTML的Web服务器，无需安装任何其他插件；保证服务器端数据安全。用户的所有操作都需从客户端传输至服务器端然后再回传，增加网络传输负担；所有GIS操作都由服务器完成，服务器负担增重；每一个客户端的请求都使得服务器端要重新启动一个服务进程，多用户条件下系统受到影响；结果为静态图象，用户端无法对其进行漫游、缩放，也无法进行点、线、面等地物的选取操作。２基于Plug-In技术

Plug-In方法将服务器端的部分GIS功能移到客户端来执行，以加快用户操作的反映速度，减少网上的交互流量。由于标准浏览器缺乏空间数据处理的能力，因而必须在浏览器端安装一个交换信息的专门GIS软件。该方法可以增加网络浏览器处理空间数据的能力，便于获取地理数据，减少网络服务器的信息流量。基于Plug-In技术的优缺点：优点缺点在客户端安装的Plug-In软件能与相应的服务器数据无缝连接；GIS操作速度增快；服务器和网络传输负担减轻。Plug-In与平台相关，因此需要针对不同的操作系统和Web浏览器开发各自的Plug-In软件；Plug-In与GIS数据类型相关，因此对于不同的GIS数据类型，需要不同的Plug-In插件；为了完整浏览一个WebGIS网站数据，客户端可能需要安装多个Plug-In，安全隐患增加，占用客户机磁盘，系统升级压力大。处理大型GIS分析能力有限。３基于ActiveX技术ActiveX是MS为适应互联网而发展的标准，是建立在OLE(ObjectLinkingandEmbedding：对象链接与嵌入)标准之上，为扩展IE的功能而提供的公共框架。ActiveX控件是用于完成具体任务和信息通信的软件模块。 ActiveX与Plug-In类似，但它能被支持OLE的任何程序或系统所用。基于ActiveX技术的优缺点：优点缺点在客户端安装的ActiveX软件能与相应的服务器数据无缝连接；GIS操作速度增快；服务器和网络传输负担减轻；ActiveX能被支持OLE的任何程序语言或应用系统所用，更加方便灵活。ActiveX必须下载到客户端使用，占用客户端磁盘空间；不同操作平台需要不同的ActiveX控件；GISActiveX只能用于MSIE浏览器；处理大型GIS分析的能力有限。４基于JavaApplet技术

GISJavaApplet是从服务器下载到客户端运行的可执行代码，是由面向对象语言Java开发的小应用程序，与Web浏览器紧密结合，以扩展Web浏览器的功能，完成GIS数据操作和处理。GISJavaApplet工作模式与ActiveX类似。基于JavaApplet技术的优缺点：优点缺点体系结构中立，与平台和操作系统无关；动态运行，无需事先安装，且运行时总是最新版本；GIS操作速度增快；服务器和网络传输负担减轻运行速度慢；代码下载增加了网络负担；GIS数据的保存、结果的保存和网络资源的使用能力有限；处理大型GIS分析的能力有限。５基于SAPI技术SAPI:ServerApplicationProgramInterface(服务器应用程序接口)。SAPI类似于CGI，但以动态链接库(DLL:DynamicLinkLibrary)的形式存在，且与特定的Web服务器捆绑使用，如MS的ISAPI。它一旦启动就常处于运行状态，无需重新启动，因而速度比CGI更快。各种构造模式评价评价指标评价因素CGIAPIPlug-InActiveXJavaApplet执行能力客户机很好很好好好好服务器差-好好好很好很好网络差好好好好总体一般好好好-很好好-很好相互作用用户界面差好好很好很好功能支持一般好好很好很好本地数据支持否否是是否可移动性很好很好差一般好安全很好很好一般一般好4.2WebGIS空间数据组织4.2.1webGIS空间数据的特点4.2.2webGIS地理信息服务空间数据流程4.2.3webGIS基于超图的分布式空间数据组织4.2.4基于GML的异构webGIS空间数据组织4.2.1webGIS空间数据的特点

1分布性2异质性3中间件应用服务平台不同4客户端不同，支持的地理信息格式不同4.2.2webGIS地理信息服务空间数据流程

数据提供商服务提供商服务消费者数据请求知识请求数据应答知识应答4.2.3webGIS基于超图的分布式空间数据组织1超图概念及其发展

Laurini和Millerent-Rafford首次于1990年提出超地图的概念。认为，超地图是具有地理数据获取功能的多媒体超文档。地理数据获取，指通过地理坐标获取。提出超地图概念的目的是希望能对与某一地区相关的所有超文档进行浏览。这个区域可以通过点击地图或通过定义查询窗口中的某一对象及范围来表达。所以，超地图不仅能做专题查询，而且还可以做地图查询。使用超地图概念，为对环境的理解，提供更有效的、容易使用的方法。

超地图与多媒体、超文本、超文档、超媒体的关系超媒体超地图空间坐标超文档显示超文本文本图像声音视频动画感觉气味感情多媒体2分布式超地图模型（1）模型的定义从面向对象的观点看，分布式超地图模型(DistributedHypermapModel,DHM)为空间信息对象(SpatialObject,OS)的集合，由一系列的空间信息对象组成。

H={Oｓ１,Oｓ２,Oｓ３,…Oｓｉ,…};….

其中i=1,2,3,…;

每一个空间信息对象(OS)包含有四个基本的内容，即对象唯一标识符(IDs)，超媒体(HM)，超图形(HG)和超连接(HL):

OS={IDS,HM,HG,HL}

IDS是对象的唯一标识；HM

代表非几何属性，例如多媒体信息（AM）；HG代表几何属性，例如空间属性（AS）。HM和HG一起组成为OS的内部状态。HL为为OS的方法集合，定义了OS对象内部之间、对象之间以及超地图内部之间、超地图之间的非顺序连接关系和操作方法集合。

空间信息对象OS满足对象的定义,即由3部分构成:对象标识符ID、内部状态S和方法集合M(Booch,1996)。因此有:ID(OS)=IDSS(OS)=HM∪HGM(OS)=HL对于超地图的定义，做几点假定：首先，对于某一个确定的超地图Hi中所有的空间信息对象Os，具有相同的时间和比例尺特征，即对于特定Hi中所有的空间信息对象Os的属性都是基于某一时间的。其次,由超地图H表示的空间信息、属性由超媒体HM集中表达，如为多媒体属性。空间属性、几何特征或空间关系由超图形HG集中表达。空间信息对象OS本身是一个复合对象,HM、HG、HL本身也是对象并且都包含了对象标识符ID、内部状态S和方法集合M,即：HM={IDHM,SHM,MHM}HG={IDHG,SHG,MHG}HL={IDHL,SHL,MHL}多媒体属性AM

包含文本、图形、图片、图象、录象、视频、音频全息图片、互动电影、注释电影、三维虚拟现实、感觉、气味、触觉、感情等内容。多媒体属性AM可以分为可显示属性和不可显示属性。其中可显示属性又有数值的属性和非数值的属性之分。

AM可以表示为:AM={AD{ADN,ADU},AU}HG

用来表达空间信息对象OS的空间属性（AS），例如表达0维，1维，2维和3维的信息。

超链接HL

为空间信息对象OS的方法集合，定义了对象OS内部之间、对象OS之间以及超地图H内部之间、超地图H之间的非顺序连接关系和操作方法集合。这种方法集合通过HL的内部状态SHL表现，SHL由类别标识（TypeID），类别类型（Type），类别特征（TypeFeature）和属性特征（AttributeFeature）组成。

类别标识TypeID由五个标志组成，即四维4D多尺度Multiscale元数据Metadata数据目录Content数据仓库Clearhousing；

类别类型Type有数据文件DataFile、部件Component、JDBC等其中：

当Type=DataFile时，表示直接获取远程数据文件，如Web服务器上的数据文件；

当Type=Component时，表示启动远程的部件服务器上的部件，并由部件获取数据；

当Type=JDBC时，表示启动远程的JDBC服务器的服务，并由JDBC服务器连接远程的数据库，通过SQL语句获取数据。

类别特征TypeFeature主要包含有：时间特征FtNext和FtPrev多尺度特征FsSup和FsSubSQL语句特征FSQL当前值特征Fcurrence元数据特征Fmetadata数据目录特征Fcontent数据仓库特征FClearHousing和FOther等。

属性特征AttributeFeature主要说明超连接HL的属性，如名称Name，位置Location和协议Protocol。

其中：

属性特征的名称Name说明数据文件名称、部件服务器名称和JDBC服务器的名称，例如指示下一个超地图H的名称；属性特征的位置Location指示下一个超地图H的所在的位置，即在远程的位置，由IP值表示，如40；

属性特征的协议Protocol指示连接下一个超地图H的方式，协议包括TCP/IP、IIOP(InternetInterORBProtocol,ORB即对象请求代理，ObjectRequestBroker)和JDBC等。

在模型中，超地图由超媒体、超图形和超连接构成。超图形包括了所有的图形属性，超媒体则定义了超地图的多媒体信息。超媒体和超图形通过超连接相连，形成一个整体。超地图H为超媒体HM，超图形HG和超连接HL的并集：

H=HM∪HG∪HL

超链接超媒体超图形超地图新定义的超地图概念与Kraak等人定义的超地图比较首先，是信息表达的方式不一样旧超地图是在超媒体的基础上，增加了地理空间坐标，其重点仍然放在超文本、超媒体导航式浏览上。新超地图却是从面向对象的分析方法出发，将超媒体视为地理信息的属性，即多媒体属性，同时将超图形视为地理信息的空间属性，二者一起形成对象的内部状态（例如多媒体属性和空间属性，形成了地理信息属性的内部状态）；超连接视为对象内部之间、对象之间以及超地图内部之间、超地图之间的非顺序连接关系和操作方法集合。

其次，是达到的目的不一样旧超地图是超媒体，通过地理空间坐标，实现导航式浏览。新超地图是为了解决互联网地理信息系统中的四维地理信息表达和浏览、多比例尺地图的浏览和管理、元数据管理、数据目录和数据仓库管理等问题而提出的概念。它不仅要实现旧超地图中定义的超地图通过地理空间坐标实现导航式浏览功能，而且要通过分布式的部件和分布式计算实现网地理信息系统应具备的所有功能。

（2）超地图关系

分布式超地图模型中定义的超地图关系是指同一个超地图内部关系和两个或多个超地图之间的关系。

同一个超地图内部关系体现在超媒体之间、超图形之间以及超媒体和超图形之间的关系。同一个超地图内部关系通过超连接HL内部状态SH的类别特征TypeFeature来描述：

TypeFeature=FCurrence

超媒体HM内部之间的关系，主要表现在多媒体属性AM的表现。例如，多媒体属性的综合，空间分析以及数值性多媒体属性的统计制图等；

超图形HG内部之间的关系，主要表现在空间信息表达如0D,1D,2D,3D等，空间关系（如叠置，缓冲区）。与此同时，空间属性表现即地图空间属性可视化和综合，几何空间查询（如点，线，多边形和缓冲区查询）；

超媒体HM和超图形HG之间的相互关系，即多媒体属性和空间属性之间的关系，主要表现在多媒体属性和空间属性之间的相互查询，如几何查询、SQL查询、专题制图和地图综合(由多媒体属性对空间属性进行综合或由空间属性对多媒体属性进行综合)等。

不同超地图之间的关系：假设有两个超地图Hi、Hj,其中Hi为当前的超地图,Hj为Hi的下一个超地图,i≠j。那么,超地图Hi和超地图Hj的相互关系有:

1)部分和整体关系(∑)。如果Hj为Hi的整体,Hj∑Hi;反之,Hi∑Hj。如果Hj为Hi的整体,那么,由Hi到Hj是通过SQL语句由当前超地图Hi获得下一个超地图Hj的过程。2)地图概括关系(∏)。Hj为Hi的概括,Hj=∏Hi,或者Hi为Hj的概括,Hi=∏Hj。因此,若Hj=∏Hi,类别特征为FSSup;若Hi=∏Hj,类别特征为FSSub。3)时间序列(时态)关系()。Hj、Hi为两个时间点上的超地图,它们的特征表达为:若i>j,类别特征为FtPrev;若i<j,类别特征为FtNext。如图所示,超地图H1、H2和H3对应的时间分别为T1、T2、T3,并且T1<T2<T3。如果超地图H2为当前超地图,则超地图H1和超地图H2的关系为FtPrev,超地图H3和超地图H2的关系为FtNext。超地图H1、H2和H3的关系为时间序列(时态)关系。4)武断连接关系(Θ)。超地图Hj和超地图Hi之间没有任何直接关系,从Hi到Hj的过程是一种武断连接的操作过程。超地图之间的横向浏览过程(Hi=>Hj)可以视为一种武断连接HiΘHj,因此,类别特征为FOther。3基于超地图模型的WebGIS空间数据组织目录服务元数据服务超地图H1超地图Hn专题1：矢量层专题n:DEM层……专题3：影响层专题2：多媒体地理信息服务H2地理信息服务H1服务链假设在服务器端采用分布式数据源方法获取了两个超地图H1和H2，H’代表了经应用服务器处理得到的超地图，那么有：H’=H1∪H2H’=H1∩H2H’=H1－H2H’=πOs1,Os2,Os3……Osn（H）H’=σc（H）H’=H1×H2H’=H1×H2

假设在服务器端有两个超地图H1和H2,且H′=H1∪H2,其中H′是在客户端供用户浏览的超地图。超地图操作扩展了代数学的外延(Ull-man,1997),包括联合、交叉、差分、投影、选择操作等。联合操作(H′=H1∪H2)指在超地图H1或H2中的空间对象的并集。一个空间对象OS在联合操作中只能显示一次,即使这个空间对象OS为超地图H1和H2共有。交叉操作(H′=H1∩H2)指在超地图H1和H2中的空间对象的交集。差分操作(H′=H1-H2)指在超地图H1中而不在H2中的空间对象的集合。投影操作(H′=πOS1,OS2,…,OSn(H))指通过在超地图H中的有限空间对象产生另一超地图H′的过程。表达式πOS1,OS2,…,OSn(H)值代表仅由超地图H中的有限空间对象OS1,OS2,…,OSn决定的超地图H′。选择操作(H′=σC(H))应用于超地图H,产生带有超地图H的空间对象OS的子集的新超地图H′。H′是在H中满足特定条件C的空间对象集合。4.2.4基于GML的异构webGIS空间数据组织1GML概述2基于GML的异构WebGIS空间数据组织1GML概述

XML是eXtensibleMarkupLanguage（扩展标记语言）的缩写XML是一种简单的数据存储语言，使用一系列简单的标记描述数据，而这些标记可以用方便的方式建立。GML(GeographyMarkupLanguage)是一个由OGC开发的基于XML的地理信息编码标准。GML是“一个关于地理信息(既包括地理要素的几何也包括地理要素的特征)的传输及存储的XML编码”。GML的出现使WebGIS的空间数据建模方法进入一个崭新的阶段。对WebGIS发展和应用具有深远的意义和影响。GML2.0规范全面采用了W3C的XML模式(Schema)技术来描述空间数据模型。目前已有大量标准的地理信息编码格式，如COGIF、MDIFF、SAIF和DLG等，其中的大部分都不是基于文本格式的。而GML是简单的基于文本的地理要素编码，且建立在目前被业界广泛接受的公共地理建模基础上，更重要的是它基于XML。（1）设计目的（2）GML模型（3）GML框架（2）GML模型GML是基于OGC的地理抽象模型基础之上的，GML使用地理要素(Feature,又称为特征)来描述地理世界，本质上一个地理特征(Feature)是由一系列的属性(Properties)及几何信息(Geometries)所组成。属性的内容包括名称(Name)、类型(type)、值的描述(valuedescription)等，几何信息(geometries)则由基本几何对象(例如点、线、多边形)所组成。

GML的编码可以对很复杂的地理要素进行编码，各地理要素(feature)是由许多几何对象元素所组成,称为几何集(GeometricCollection)，也可以包含不同形态的几何对象，一个复杂的几何实体又是由很多的点、线、多边形等几何体类型所构成。例如一个无线电转播塔可以同时有一个点的属性(表示它的位置点)及一个以多边形所构成的面的属性(表示它所涵盖的区域)。（3）GML框架

GML是一个开放的框架结构，由3个基本XGMSchema构成，其中，feature.xsd定义了抽象地理特征模型，geometry.xsd定义了具体的几何形状信息，xlink.xsd定义了各种功能链接。

3个schema相当于3个基类，通过对这3个基本Schema的继承和扩展，可以定义自己的Schema来对地理数据进行编码，实现以XML的方式，对WebGIS中的地理信息建模。

GeometryFeaturexlinkGML具有以下优势：

(1)可以利用XML提供的DTD验证机制，对GML数据的完整性、有效性进行验证。

(2)基于文本，可以使用简单的文本编辑程序读写和编辑任何基于XML的GML文本。

(3)GML数据与非空间数据的集成将越来越容易。GML通过提供到其他数据元素的连接，使数据的集成变得相对简单。

(4)GML数据容易转换。GML是基于XML格式，通过DTD实现XML数据转换是非常简单的。

(5)基于XML的GML能够传输行为。GML自身并不编码行为，但它能够连接用Java、C++等语言生成的代码，并有效地传输地理行为。

2基于GML的异构WebGIS

空间数据组织

EsriMapinfoIntergraphMapGISSupermapGML数据库GML编码GML解析GML转换器多源数据格式将不同格式的空间数据进行GML格式转换，即将GML作为一种标准的数据转换文件格式。基本思想：将不同格式的空间数据文件中的空间实体通过GML的定义的各种影射模式，生成对应的GML文档。由于GML文档本质上是文本的，所以可以很方便地进行集成。4.3WebGIS数据库应用服务器4.3.1WebGIS数据库应用服务器开发技术4.3.2WebGIS数据库应用服务器框架4.3.3地理信息网上发布案例4.3.1WebGIS数据库应用服务器开发技术1DCOM技术2CORBA技术3J2EE技术DCOM技术DCOM构造于COM之