网络地理信息系统.doc
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1、网络地理信息系统修文群摘要网络地理信息系统(Web GIS)是当前GIS技术热点,本文从分析计算模式的进化过程出发,指出基于Web的分布式计算环境,使传统GIS有望实现开放目标,以满足数据共享与互操作需求,进而综述了Web GIS概念、特征、类型和体系结构,通过分析比较其实现方式(CGI,PLUG-INS,JAVA),探索提出网络GIS数据发布的理想方案,包括网络协议的GIS拓展、Web GIS新型数据模型、相关算法、多源数据集城以及网络优化模式(分布式并行处理),最后通过自行开发的Web GIS浏览器(JAVA APPLET)具体予以实现。关键词网络地理信息系统,计算模式,体系结构,JAVA
2、网络应用SummaryWeb GIS is current GIS developing hotspot, the article beginning with analyzing the computing evolution process, points out that the Web distributed environment is the right way to make the traditional GIS industry reach the opening ideal, further step the paper summarizes the conception,
3、characteristics, types and framework of Web GIS,try to bring forward the best plan to publish spatial data on network by analyzing and comparing the realizing methods(CGI,PLUG-INS,JAVA),including network protocol extend ,new data model and its algorithm, complex data integration, and network optimiz
4、ing method(distributed parallel computing), at last realizes it by a Web GIS browser (Java applet) programming case.Key wordWeb GIS, Computing mode, system structure, JAVA APPLET1.计算模式进化与INTERNET回顾计算环境发展历史,从主机时代、C/S分布式计算直至INTERNET,进化的动力始终围绕更高性能,更低成本,更人性化的操作方式。图1 计算模式的进化1.1 集中式管理主机-终端模式,以主机为中心计算环境,数据
5、管理,事物处理高度集中,起始成本高,系统维护升级只涉及主机,管理成本低,但用户端缺乏个人定置,无任何处理功能。适用于大规模集中式应用,具有较高的效率和安全性。1.2 Client/Server结构CLIENT/SERVER结构,以PC为主,适合部门级应用。初级成本低,但随着应用规模扩展,网络上异种资源类型的增多,开发、管理、维护的复杂程度加大,频繁的软硬件升级,后期成本骤升,缺乏关键事物处理的安全性与并发处理能力。1.3 INTERNET集中式与分布式处理都存在其明显的优势与缺陷,以网络中心计算为特征的INTERNET恰到好处地取长补短,兼容并蓄,使计算体系真正成为企业生存发展的生命力。INT
6、ERNET是利用WWW、CGI、JAVA、FIERWALL等技术,为企业、行业提供开放的基于标准的综合性服务计算机网络系统,它将处理、储存、通讯能力将移入网络,集中FRAME和C/S的优点,管理集中,只涉及网络服务器,NC通过下载获得升级功能;同时信息高度分散,通过HTTP、JAVA可访问联接任何URL资源和应用,共享程度高,可伸缩扩展性强,具有高度开放性和灵活性,同时具备高速率和安全性,真正投资于应用而不是计算机本身。图2 三种企业计算模式2.INTERNET = Multi-Tiers * C/S由于C/S被设计成两层模式,即ClientServer,所有的表示逻辑和应用逻辑等都在Clie
7、nt端实现,使之非常臃肿;Server作为数据库、文件服务器,进行业务数据的处理和维护,功能相对简单,这就造成应用系统的性能、可伸缩性和可扩展性低下,对用户的投资缺乏保护。因此,两层结构已经受到责难,而INTERNET的出现恰好弥补了这种构架的不足,将两层结构自然延伸为三层或N层结构:图3 INTERNET的应用层次在这种多层的结构中,Web Server既作为一个浏览服务器,同时又是应用服务器,将整个应用逻辑和规则驻留其上,而只有表示层存在于Client,使Client变得很单纯,从而大大地减轻了Client的负担。这种客户被称之为瘦客户(Thin Client)。在这种结构中,只需随机地增
8、加中间层服务器(应用服务器),即可满足应用的需要。应用服务器支持多种RDBMS和数据类型,并通过对象中间件技术(Java、DCOM及CORBA),在网络上寻找对象应用程序,完成对象间的通讯。这样便屏蔽了网络通讯的细节,使Client和Server均不需要了解对方的具体工作,而实现无缝透明的连接。3.Web GIS的特色由于速率,安全性,面向业务处理等关键要素,Web GIS将首先在INTERNET上获得广泛应用,利用JAVA、CGI、PLUG-IN等开发技术,使企业用户直接通过Browser对GIS数据进行访问,实现检索查询,制图输出,编辑修改等GIS基本功能。3.1 传统GIS系统的弊端多数
9、GIS系统为基于文件共享的低级分布式结构,数据集中存放于服务器,由空间数据库系统进行统一管理,在客户端采用GIS桌面系统进行远程文件调用,存在的主要问题: 文件服务器结构,处理能力完全依赖CLIENT端,效率低下; CLIENT端的任何操作都要将服务器文件远程复制到本地进行,多用户并发操作时,网上存在多个备份,数据完整性难以控制;大量数据频繁传输,造成网络瓶颈,降低系统性能; 成本高昂,企业用户的GIS要求仅限于一般性功能,为此每个CLIENT都配备昂贵的专业GIS软件无疑是巨大浪费; GIS桌面系统操作复杂,需要专业基础和长期培训,不适合企业级及大众化应用;3.2 Web GIS的优势 大规
10、模降低成本,全面取代GIS桌面系统; 将企业成员的交流合作与GIS专业操作有机结合,构成企业群体生产力; 采用页面取代窗口,简单易用,降低专业操作难度; 充分利用网络资源,复杂处理诸如大规模查询交由SERVER执行,数据量较小简单操作(如JAVA APPLET)由CLIENT完成,是一种理想的全局优化模式;4.Web GIS的组成所谓Web GIS是在INTERNET信息发布、数据共享、交流协作基础之上实现GIS的在线查询和业务处理等功能,Web分布式交互操作是工作的重心。Web GIS的基本组成包括:Web服务器;Browser浏览器(GIS 插件);页面描述语言:HTML,VRML;Web
11、交互程序:JAVA,CGI,ActiveX;GIS数据库管理器:ARCSTORM,SDE;图4 Web GIS体系结构.Web GIS实现模式5.1 CGI-通用网关接口 GIS厂商在其产品基础上发展INTERNET解决方案,通常采用CGI,即提供专用空间数据库的Web接口。CGI是连接应用软件和Web服务器的标准技术,HTML的功能扩展,CGI程序与HTML结合实现交互式动态通信。例如,为了让用户可以存取数据库中的信息,CGI可被用来连接网络数据库服务器,在系统中起通讯桥梁作用,通过HTML将客户端请求传给Web服务器,再利用专门的CGI访问GIS服务器,GIS服务器承担查询计算工作,将结果
12、构建成一个HTML文挡反馈给Web服务器,再传回客户端浏览器。由于CGI是服务器上可执行程序,基本上所有的计算机语言都可以用来发展CGI程序,最常用的包括(C/C、Perl和Visual Basic)。CGI技术很快被用于构造能产生动态地图的Web网站,根据程序特点,GIS CGI技术方法可分为以下两类:l CGI启动制图软件以批处理方式运行:这种系统的长处是程序简单,运行速度快,但功能不足,而且大多数GIS软件不能以批处理方式运行。l CGI启动后端GIS程序:一般GIS软件都基于图形用户界面“事件”驱动,一旦启动,就可以一直后台运行等待触发事件。于是网络浏览器上的事件,通过CGI很容易传到
13、后端GIS软件上,CGI和后台GIS软件的信息交换是通过“进程间通讯协议”IPC来完成的,常见的IPC协议有传统UXIX上的远程过程调用RPC,WINDOWS的动态数据交换DDE和实体连接和嵌入OLE以及MAC机上的(Apple event),利用这种CGI方法,只要用户在网络浏览器按一下,信息就通过网络传回到网络服务器上,然后由CGI程序将此信息通过IPC传到后端的GIS软件。例如,可以要求GIS软件将地图某个地区放大,然后将放大后的地图屏幕图象传回给用户。 这种方法的优点在于,运行速度较前一种快,因为它不需要每次启动后端的GIS软件,同时可以利用商业化GIS软件产生高质量的地图。事实上GI
14、S软件的所有功能都可以被利用起来。然而这种方法仍有许多不足之处,首先,很难同时运行多个CGI程序,因为受软硬件的限制,可同时运行的GIS软件的份数通常是有限的,同时亦很难跟踪看出哪个用户用哪份程序。CGI结构中,CLIENT端仅起了一个哑终端的作用,其功能限于向SERVER发送用户请求和显示所接受的SERVER的处理结果,SERVER承担了一切计算功能。这种模式并没有实现真正的分布式协同计算,它仅适用于封闭环境的小型局域网,对于开放型的INTERNET络很容易引起服务器的过载。 其次,这种方法需要制图软件一直处于运行状态,这不仅要求GIS软件所在的服务器一直联机而且也消耗不少计算机资源。当互联
15、网的流量较低时,这种系统会保持良好的运行状态。但多个用户同时访问服务器时,多个CGI备份的同时运行导致服务器负载过重而降低效率,使运行速度大打折扣。显然,用户产生的每一个事件都要通过互联网,由服务器来处理,当互联网流量较高时,CGI并不是一种理想的技术路线。其它的不足之处包括从服务器方面驱动的CGI,必须用某个特定的数据库服务器的专用SQL语言手工编写数据库接口,网络安全问题以及有限的交互性问题(即用户很难直接操作地理实体)。这种系统的例子有ESRI的INTERNET MAP SERVER(),MAPINFO的PROSERVER()。5.2 PLUG-INS GIS插件 基于CGI的系统仅提供
16、给用户端(client)有限的GIS功能,传给用户的信息都是静态的,而且用户的GIS操作都需要由服务器来处理。解决这个问题的方法是把一部分服务器上的功能移到用户端上,这样不仅加快了用户操作的反应速度,而且也减少了互联网上的流量。标准万维网浏览器只提供了一些最基本的浏览和导航功能,而缺乏处理地理空间数据的能力。一种方法是安装额外能和网络浏览器交换信息的专门GIS软件。这种增加网络浏览器功能的方法就叫“插入法”Plug-ins。为便于其它软件厂商发展插入型软件,Netscape公司专门提供了一套应用程序接口(API)。目前这种插入软件已被普遍采用,在多媒体领域尤为明显。这种插入软件不但可以增加网络
17、浏览器处理地理空间数据的能力。使人们更容易获取地理数据,而且可以减少网络服务器的信息流量从而使服务器更有效地为更多的用户服务,因为大多数用户的数据处理功能可以由网络浏览器插入软件来完成。AUTODESK公司的Whip!(),可支持通用浏览器访问GIS数据能力。和传统应用软件类似,插入软件也需要先安装再使用,因而传统软件不同版本之间的不兼容性及版本管理问题仍然存在。5.3 JAVA APPLET 尽管插件可以和网络浏览器一起有效处理空间数据,但这种方法仍有不少缺陷。首先,它将导致用户端负担过重,因为几乎每个软件厂商都希望它的软件能与互联网兼容。这显然不符合标准网络浏览器便宜简单设计思想。其次,众
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