桂理工地理信息系统原理讲义第8章 CS与BS模式下的地理信息系统

第八章C/S与B/S模式下的地理信息系统8.1基于C/S模式的地理信息系统随着计算机网络的发展，基于客户机/服务器体系结构，并在网络支持下的分布式系统结构已经成为地理信息系统的发展趋势。由于GIS的固有的特点，使得运行于网络上的分布式系统特别适合于构造较大规模的GIS应用，其应用表现在以下几个方面：数据的分布：在地理信息系统中，主要数据是空间数据，由于数据生产和更新的要求，常常需要存放在空间上分离的计算机上。应用功能的分布：GIS的功能组成了由空间数据录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就可以解决该问题。外设共享：外设的分布是服务分布的一种，由于许多GIS外设较为昂贵，如高精度平板扫描仪，喷墨绘图仪，大幅面数字化仪等，而通过分布式系统，可以实现这些设备的共享。并行计算：在地理信息系统中，许多模型具有较高的时间复杂性，利用分布系统可以实现并行计算，缩短计算时间。下面将描述分布式系统以及一些网络地理信息系统的模式和实现。分布式系统和C/S模型分布式系统(DistributedSystem)的定义是：一组独立计算机的集合，但是从用户的角度来看，如同于一台计算机。较之于集中式系统(CentralizedSystem)以及独立的微机系统，分布式系统具有以下优点（表1，表2）：表1：分布式系统的优势--与集中式系统比较[A.S.Tanenbaum]项目描述经济多个微处理器提供了更好的性能/价格比速度一个分布式系统比大型机有更好的总体计算能力固有的分布一些应用系统需要运行于空间上分离的机器可靠性如果一台机器崩溃，整个系统还能够运行增量发展计算能力能够以很小的增量增长表2：分布式系统的优势--与微机系统比较[A.S.Tanenbaum]项目描述数据共享允许多个用户访问同一数据库设备共享允许多个用户共享昂贵的外设通讯使人与人之间的通讯变得简单，如电子邮件灵活性以最有效的方式将工作量分布在所有可用的机器上在具有上述优势的同时，由于分布式系统的复杂性，对软件硬件提出了更高的要求，它也具有以下不足之处（表13-3）：表3：分布式系统的不足之处[A.S.Tanenbaum]项目描述软件当前支持分布式系统的软件较少网络网络可能充满了或者引发其它的错误安全性容易使得需要保密的数据被访问客户机/服务器(C/S,Client/Server)模型是一种分布式系统结构，在该体系中，客户端通常是同最终用户交互的应用软件系统，而服务器由一组协作的过程构成，为客户端提供服务。客户机和服务器通常运行相同的微内核，一个客户机/服务器机制可以有多个客户端，或者多个服务器，或者兼而有之。客户机/服务器模式基于简单的请求/应答协议，即客户端向服务器提出信息处理的请求，服务器端接收到请求并将请求解译后，根据请求的内容执行相应操作，并将操作结果传递回客户端(图1)。客户机/服务器体系的优点在于简单和高效。HTTP、FTP等协议都是遵循客户机/服务器的模式。在网络地理信息系统的实现中，客户机/服务器模型是经常采用的一种方案。目前，将服务器分解形成数据服务器和应用服务器，形成三层结构，可以更好地区分数据访问操作和应用模型，这是经常被采用的一种结构。图1：客户端-服务器模型8.2网络地理信息系统的组合方式在分布式的网络地理信息系统中，客户机和服务器分别由相应的软件、硬件以及数据库组成，其组合可以按照数据和应用功能的分布分成五种（表1）：表1：网络信息系统的组合方式[李斌]组合方式数据应用功能全集中式中央服务器中央服务器数据集中式中央服务器客户端功能集中式客户端中央服务器全分布式客户端客户端函数库分布式客户端或者服务器中央服务器存储，客户端动态连接执行8.2.1全集中式全集中式的地理信息系统把软件、数据库管理系统和数据库全部集中在中央服务器上，客户系统只负责用户界面功能，即获得用户指令并传递给服务器，显示查询结果，提供系统的辅助功能（图1）。常用的客户设置有三种，第一种是以X-server为代表的，只负责表现逻辑的客户系统，所有的数据处理和运算均在服务器上执行，客户端由专门的X终端或者X模拟器通过X协议实现用户与服务器之间的通讯；第二种是以ArcView为代表的客户软件系统，这类系统除了提供一般的用户界面以外，还具有相当强的分析和处理功能。ArcView可以与ESRI的ARC/INFO、与作为服务器的SDE、Arcstorm，通过网络软件系统NFS或者网络API构成网络地理信息系统；第三种是目前在WebGIS上广泛采用的客户系统，用户界面功能由浏览器执行，WebGIS在后面还将进一步的描述。图1：全集中式网络信息系统[李斌]8.2.2数据集中式网络系统专门设置集中的数据存储和管理服务，网络的其它部分成为数据客户，它们一般都是带有一定功能的地理信息系统软件（图2）。简单的数据服务可以由网络软件系统（如NFS）提供，大型的管理系统则需要功能完备和高性能的数据服务器，如Arcstorm和Oracle。由于目前许多数据库管理系统开始支持面向对象的数据模型，更加方便于空间数据的管理，以建立数据集中式的网络地理信息系统。图2：数据集中式地理信息系统组合模式[李斌](a)采用网络文件系统，(b)采用数据库服务器8.2.3功能集中式与数据集中式相反，功能集中式的网络信息系统把绝大部分的功能集中在一个或者几个容量大、性能高的服务器上，由它们负责所有的分析和处理，数据则分散到客户端存储和管理（图3）。由于在大多数GIS应用中，数据量一般比较庞大，采用这种方式，会增加网络的传输量，从而降低整个系统的性能。图3：功能集中式的地理信息系统[李斌]8.2.4全分布式全分布系统是原有的非网络化的信息系统自然进化的结果。在全分布系统中，各个子系统具有完备的数据库及地理信息系统软件和其它应用软件，在网络中同时扮演客户和服务器的角色。各个子系统的软硬件环境和特性及拥有的数据都很可能不一样，但同时又有很密切的联系和互补性。系统的集成，通过网络操作系统及各子系统提供的API实现。实现全分布式的网络地理信息系统，往往需要基于已有的系统平台进行二次开发，使它们能够相互协作。8.2.5函数库服务器传统的软件系统一般是静态的，为了提供更多的功能，系统变得越来越大，而实际上，对于每一个用户而言，通常只是需要有限的几个功能，这样就造成了系统资源的浪费。对于集中式系统而言，系统的扩大将加大中央服务器的负担，造成系统性能下降，而全分布系统实现又较为复杂。函数服务器把优化的功能函数存储在服务器上，通过网络按用户要求动态合成应用软件，并使其在客户机上运行。从而从根本上改变了传统的资源分配和软件运行及维护方式。基于分布构件模型（CORBA或DCOM）构造的软件系统可以在一定程度上实现函数库服务器。8．3网络地理信息系统的概念设计从逻辑上讲，基于用户的功能需求进行概念设计是大多数计算机网络软硬件配置设计的第一步。概念设计应当基于如下要点：对用户的应用意图有充分的了解；掌握计算机硬件和计算机通讯的基本概念知识；了解已经存在的并有可能影响设计的条件，包括现有软件系统以及通讯设施；对于有可能影响系统设计的计算机技术及其发展的现有状况应有充分认识。概念设计应当对在地理信息系统网络配置中的硬件、软件的功能和作用给予说明，并对设备和应用之间的关系给予描述，应当能够在网络系统实现时，有利于系统功能重新审核以及修改，有利于系统价值的估算，并且为更详细的特殊定义提供基础，同时还应当对系统能够在新的应用、新的用户和扩展数据库方面给予描述。进行网络地理信息系统概念设计时，集中式、分布式和处理功能必须与特定的地址条件、用户的应用需求相适应。下面给出了一些典型概念设计以及其说明。（表1）表1：一些网络地理信息系统的概念设计描述图示系统和组织类型地址分布数据传输操作升级可能性一适用于地方政府、工程单位的单个部门的少量用户用于数据获取、地图生产单一地址与其它已有站点之间的数据传输没有特殊的要求，数据可以通过磁带等介质或者进行批量传输可以升级为基于主机的网络或者具有其它智能工作站的网络二作为小型多用户系统，用来支持数据获取、地图生产、数据库和图形查询应用，服务于政府机构或企事业单位的一个或几个部门拥有大量外围处理单元被分配在一建筑物的一层或者相邻几层，远程用户通过拨号上网与系统连接其它来源的数据可以通过磁带等介质或者直接进行批量传输一些附加设备可以添加在异步端口上，可以升级为局域网三适用于中型到大型的政府或企事业单位的组织结构，用户通过进入大型主机数据库进行查询、分析和制图在同一建筑物内，多个地址直接相连；新增加的工作站或其它设备可以通过远程联结与图形控制器以及通讯处理器相连周期性数据交换可以通过磁带等介质进行，也可以利用网关与其它计算机网络进行传输，微机数据的传输容易建立设备可以灵活增加以达到大型主机处理器的计算容量四用于小型到中型的政府部门或公司单位分配于同一建筑物内可以通过微机桌面传输装置或拨号上网来进行数据交换增设的微机和服务器可以容易的添加到环形网络上五适用于需要大量制图与地理分析的中型到大型的政府、公共事业和公司单位组织的多个分组部门同一建筑物内或者临近建筑物之间的局域网上，其它用户通过远程通讯线路与局域网相连数据传输在网络上进行，远程通过批量数据文件或磁带交换，也可通过网关连接到其它网络局域网可以通过中继器扩展到更大的地区，多个局域网可以通过网桥连接在一起六设置在局域网上，支持具有主机处理单元的多用户，适用于多部门背景同一建筑物内或者临近建筑物之间的局域网上，其它用户通过远程通讯线路与局域网相连以主机来维持主数据库，可以进行批量文件或磁带的数据传输可以增加外设，工作站和处理单元直至达到网络限制，可以通过中继器扩展其它建筑物，多个局域网可以通过网桥连接在一起，可以增加网关连接多种网络七在局域网上配置多个处理单元和外设，以支持多个功能相关组织处理单元和外设分布在多个建筑物内，有些设备通过远程线路与局域网相连用户可以访问局域网上的分布式数据，可以通过网关进行其它网络的批量或实时数据访问可以增加外设，工作站和处理单元直至达到网络限制，局域网扩展可以通过中继器或网桥实现八一个系统网络中的多用户数据共享，或者是需要较大数据处理能力的具有地理分布的某个组织多个处理单元通过远程线路相连单个地址的数据更新以批量文件方式进行，多个地址之间的相互访问依靠远程线路传输每个地址都可以扩展，增加的处理单元可以加入到远程网络中图1：（一）拥有外设的超级微机工作站图2：（二）通过异步线路支持设备的基于主机的集中式系统8.4基于B/S模式的WEBGISWeb技术和GIS技术相结合，最为激动人心的产物就是WebGIS(万维网地理信息系统)。WebGIS，简言之，就是利用Web技术来扩展和完善地理信息系统的一项新技术。由于HTTP协议采用基于C/S的请求/应答机制，具有较强的用户交互能力，可以传输并在浏览器上显示多媒体数据，而GIS中的信息主要是需要以图形、图像方式表现的空间数据，用户通过交互操作，对空间数据进行查询分析。这些特点，就使得人们完全可以利用Web来寻找他们所需要的空间数据，并且进行各种操作。具体地讲，WebGIS的应用可以分为以下几个层面：1）空间数据发布由于能够以图形方式显示空间数据，较之于单纯的FTP方式，WebGIS使用户更容易找到需要的数据；2）空间查询检索利用浏览器提供的交互能力，进行图形及属性数据库的查询检索；3）空间模型服务在服务器端提供各种空间模型的实现方法，接收用户通过浏览器输入的模型参数后，将计算结果返回。换言之，利用Web不仅可以发布空间数据，也可以发布空间模型服务，形成浏览器/服务器结构(Browser/Server，B/S)。4）Web资源的组织在Web上，存在着大量的信息，这些信息多数具有空间分布特征，如分销商数据往往有其所在位置属性，利用地图对这些信息进行组织和管理，并为用户提供基于空间的检索服务，无疑也可以通过WebGIS实现。与传统的地理信息系统相比，WebGIS有其特殊之处，主要表现在：1）它必须是基于网络的客户机/服务器系统，而传统的GIS大多数为独立的单机系统；2）它利用因特网来进行客户端和服务器之间的信息交换，这就意味着信息的传递是全球性的；3）它是一个分布式系统，用户和服务器可以分布在不同地点和不同的计算机平台上。8.5WebGIS的实现技术WebGIS是网络GIS的一个重要组成部分，网络GIS的一些概念，如客户机/服务器模式、分布式数据管理等，也可以应用于WebGIS，但是在WebGIS实现时，还要着重考虑两个问题，即控制网络传输数据量以及必须通过浏览器与用户进行交互。8.5.1CGI方法CGI是一个用于Web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CGI程序），并且接收到这个程序的输出结果。CGI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CGI可以生成图像，然后传递到客户端浏览器（目前大多数主页的访问者计数器就是采用CGI程序实现的）。这样，从理论上讲，任何一个GIS软件都可以通过CGI连接到Web上去，远程用户通过浏览器发出请求，服务器将请求传递给后端的GIS软件，GIS软件按照要求产生一幅数字图像，传回远程用户。实际上，由于设计的原因，大多数GIS软件不能直接作为CGI程序连接到Web上，但是，有以下的两种技术比较成功。1）用CGI启动后端的批处理制图软件，这种软件的特点是用户可以直接在计算机终端一行一行地输入指令来制图。其特点是用户的每一个要求都要启动相应的GIS软件，如果软件较大，启动时间就会很长。2）CGI启动后端视窗(Windows)GIS软件，CGI和后端GIS软件的信息交换是通过“进程间通讯协议（IPC-InterProcessCommunication）”来完成，常用的IPC有RPC(RemoteProcedureCall)和DDE(DynamicDataExchange)。其优点在于，由于GIS软件是消息驱动的，CGI只要通过发送消息，驱动GIS软件执行特定操作即可，不需要每次重新启动。8.5.2ServerAPI方法8.6插件方法利用CGI或者ServerAPI，虽然增强了客户端的交互性，但是用户得到的信息依然是静态的。用户不能操作单个地理实体以及快速缩放地图，因为在客户端，整个地图是一个实体，任何GIS操作，如放大、缩小、漫游等操作都需要服务器完成并将结果返回。当网络流量较高时，系统反应变慢。解决该问题的一个办法是利用插件技术，浏览器插件是指能够同浏览器交换信息的软件，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WebGIS而言，插件处理和传输的是矢量格式空间数据，其数据量较小，这样就加快了用户操作的反应速度，减少了网络流量和服务器负载。插件的不足之处在于，象传统应用软件一样，它需要先安装，然后才能使用，给使用造成了不方便。下面是利用WebGIS插件在因特网上显示空间数据的例子，利用插件能够方便地对地图进行漫游、缩放和查询操作。图1：WebGIS插件，来自于北京大学数字地球工作室(HTTP://WWW.CYBERGIS.ORG.CN)JavaApplet（Java小应用）方法WebGIS插件可以和浏览器一起有效地处理空间数据，但是其明显的不足之处在于计算集中于客户端，称为“胖客户端”，而对于CGI方法以及ServerAPI方法，数据处理在服务器端进行，形成“瘦客户端”。利用Java语言可以弥补许多传统方法的不足，Java语言是一种面向对象的语言，它的最大的优点，就是SUN公司提出的一个口号“写一次，任何地方都可以运行(Writeonce,runanywhere.)”，即指其跨平台特性，此外Java语言本身支持例外处理、网络、多线程等特性，其可靠性和安全性使其成为因特网上重要的编程语言。Java语言经过编译后，生成与平台无关的字节代码(Bytecode)，可以被不同平台的Java虚拟机(JVM-JavaVirtualM