试论网络地理信息系统研究与实现

　　论文关键词:网络地理信息系统　体系结构　Java网络应用
　　摘要:介绍了网络地理信息系统的概念和组成，并详细讨论了它的理论研究与实现方法。
    地理信息系统(GIS)可同时管理地理空间信息和数据库属性数据，在城市规划、地下管线管理、市政设施、房地产、交通管理等领域有广泛的应用价值。近年来，计算机技术的发展使GIS在组成结构和应用技术等方面较之以前有了很大的进步。随着Internet技术的发展和人们对GIS的需求的提高，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，已经成为GIS发展的必然趋势。于是，基于Internet技术的网络地理信息系统—WebGIS应运而生。它利用当今先进的GIS技术和Internet网络技术，将地理信息发布在国际互联网上，为现有的信息服务行业注人新的血液，也将成为信息服务行业新的利润增长点。
　　1网络地理信息系统的特点和结构
　　1. 1特点
    网络地理信息系统(WebG工S)是利用网络技术来扩展和完善地理信息系统的一项新技术，是GIS与互联网的有机结合，是GIS在广域网环境下的一种应用，最终是实现空间信息的网络化。GIS通过互联网延伸了功能，真正成为了一种大众使用的信息工具。在互联网的任意一个节点，人们都可以浏览网上分布的各种具有超媒体特性的地理空间数据、技术性数据，并进行地理分析、查询，以支持智能辅助决策。与传统的GIS相比，WebGIS的特殊之处主要有如下表现:
    (1)访问范围更广泛。客户可以同时访问多个位于不同地方服务器上的最新数据，这大大方便了GIS的数据管理，使分布式的多数据源的数据管理和合成更易于实现。
    (2)平台独立性。无论服务器/客户机是何种机器，无论WebGIS服务器端使用何种GIS软件，由于使用了通用的Web浏览器，用户就可以透明地访问WebGIS数据，在本机或某个服务器上进行分布式部件的动态组合和空间数据的协同处理与分析，实现远程异构数据的共享。
    (3)大规模降低系统成本。普通GIS要求每个客户端配备昂贵的专业GIS软件，而用户通常使用的只是一些最基本的功能，这造成极大的浪费。WebGIS在客户端通常只需使用Web浏览器(有时还要加一些插件)，其软件成本与全套专业GIS相比节省许多。另外，由于客户端的简单性而节省的维护费用也不容忽视。
    （4)操作更简单。要推广GIS，使GIS系统为广大的普通用户所接受，就要降低对系统操作的要求。通用的Web浏览器无疑是降低操作复杂度的最好选择。
    （5)平衡高效的计算负载。传统的GIS大都使用文件服务器结构的处理方式，其处理能力完全依赖于客户端，效率较低。而今一些高级的WebGIS能充分利用网络资源，将基础性、全局性的处理交由服务器执行，而对数据量较小的简单操作则由客户端直接完成。这种计算模式能灵活高效地寻求计算负荷和网络流量负载在服务器端和客户端的合理分配，是一种较理想的优化模式。
　　1.2结构
    WebGIS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的，Web分布式交互操作是工作的重心。WebGIS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交互程序(JAVA,CGI,Active X);GIS数据库管理器(ARCSTORM , SDE ) 。
　　2设计思想
　　2. 1   GIS网络协议
    HTTP协议基于TCP/IP，是属于ISO/OSI模型应用层的通信协议。它面向的对象与可扩展的特性使其比TCP/IP协议支持更多的数据类型，如文本、图像、声音等。www迅速崛起的经验启示我们，开发一组支持传输GIS空间数据的网络协议对GIS在Internet网络中的生存和发展十分重要。作为HTTP协议的扩充，开发基于HTTP的GIS数据通信协议是较好的解决办法。
    HTTP的可扩展性和面向对象的特性使得构造新的协议简单易行;TCP/IP与HTTP是非常流行的协议，处理专题信息的GIS网络协议难以得到广泛认可;与HTTP捆绑的GIS协议可迅速遍布Internet网络。
　　2.2  WebGIS多源数据的集成
    在Internet普及之前，GIS系统集成的重要性就被专家们意识到了，并且提出了全关系化、面向对象等解决方法，但是这些方法在多元数据的集成和专题模型与GIS系统的集成方面都存在着一些问题。随着Internet网络的广泛应用，C*IS面对的是一个松散的开放性网络，它蕴藏着丰富的信息资源。WebGIS如何访问外源数据库并从中迅速检索出webGIS所需要的信息，是WebGIS系统集成的新内涵。
    WebGIS的系统集成应包括两个方面:建立与外源数据的动态链接;利用元数据库实现数据与处理方法集的统一封装。方法集是用一系列字符串表示的数学公式，用户可以动态编辑这些公式。
　　2. 3多线程并行式计算
    GIS用户会注意到:在应用程序读/写文件或执行耗时较长的复杂检索、计算和图形刷新时，整个应用程序都处于阻塞状态，用户只能处于被动的等待状态。同时由于网络带宽非常有限，多个用户同时访问同一服务器会导致网络性能急剧下降;网络传输和I/O操作只占用小部分CPU资源，大部分的CPU空间闲置;此外，慢速的I/O操作和耗时、复杂的查询和计算同样使用户被动地等待一项任务完成后再执行其他比较迫切的任务。这些问题都是由于应用程序采用了单线程运行机制的缘故，所以为了合理地利用网络与机器的资源，WebGIS需要建立支持高度并发性的多线程模型。
　　2. 4平台独立性
    Internet网络是一个开放性的网络，与其相连的主机运行着各种各样的平台，这些操作系统惟一的共性是对TCP/IP协议的支持。在这个标准和开放系统备受推崇的时代，跨平台和可移植性在一定程度上决定了WebGIS的可应用性
　　3网络地理信息系统的实现技术
　　3. 1客户端实现技术
    客户端WebGIS允许GIS的数据和GIS计算在用户本地计算机的浏览器上执行。GIS数据和计算开始都驻留在服务器上，用户可以从服务器上请示这些数据和计算，接到服务请求后，服务器把数据和计算传给客户，在其本地计算机上进行处理。客户端应用包括三种主要技术方案GIS插件/Helper程序、GISActiveX控件和GISApplets,
　　3. 1. 1  GIS插件/Helper程序
    GIS插件/Helper程序是工作在Netscape和IE这样的WWW浏览器上用于处理G1S数据和地图的插件程序。他们从Web服务器下载到用户的本地计算机上，安装后在浏览器中运行。正如Helper程序，GIS插件处理嵌在HTML中的GIS数据，而这些特殊的GIS数据，HTML不能识别。对WebGIS而言，GIS插件不但可以增加网络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，插件处理和传输的矢量格式空间数据，其数据量小，网络也只需将GIS数据一次性传输，这样就加快了用户操作的反应速度，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。
　　3.1.2    GISActiveX控件
    ActiveX是在OLE技术上发展起来的因特网新技术，其基础是COM CComponent  Object  Model)，是为扩展Microsoft Web浏览器IE功能而提供的公共框架。ActiveX控件和Plug一in非常相似，是扩展Web浏览器的动态模块。但不同的是，ActiveX能被支持OLE标准的任何程序语言或应用系统所使用，相反，Plug - in只能在某一具体的浏览器中使用。基于GIS ActiveX控件的万维网地理信息系统依赖GIS ActiveX来完成GIS数据的处理和显示。
    ActiveX控件目前只有IE全面支持。在Netscape中则必须有特制的plug一in才熊运行，兼容性较差;并且只能运行在MS一Windows平台上;需要下载占有客户端机器的磁盘空间;由于可以进行磁盘操作，其安全性较差。其优点是执行速度快。由于ActiveX可以用多种语言实现，这样就可以复用原有GIS软件的源代码，提高了软件开发效率。
　　3. 1. 3   Java Applet方法
    Java语言具有跨平台特性简单、动态性强、运行稳定、分布式、安全、容易移植等特点，因而是因特网上重要的编程语言。任何系统平台只要支持Java虚拟机就可以解释执行Java程序，而与程序在何种系统下开发和编译无关。JavaApplets Cij、应用程序)嵌人HTML文件中，在网络浏览器下载该HTML文件时，Java程序的执行代码也同时被下载到用户端的机器上，由浏览器解释执行。
    GIS Java Applet最初为驻留在Web服务器端的可执行代码。它能完成GI5数据解释和GIS分析功能，具有以下优点:体系结构中立，与平台和操作系统无关;在具有Java虚拟机的Web浏览器上运行;写一次，可到处运行;动态运行，无须在用户端预先安装;由于GI5 Java Applet是在运行时从Web服务器动态下载的，所以当服务器端的GIS JavaApplet更新后，客户机端总是可以使用最新的版本;服务器和网络传输的负担轻，服务器仅需提供GIS数据服务，网络一也只需将GIS数据一次性传输;所有的GIS操作都是在本地由GIS Java Applet完成，服务器的负担很小，网络传输的负担轻。
    不足之处是:使用已有的GIS，操作分析资源的能力弱，处理大型的GIS，分析能力(叠置、资源分配等的能力)有限，无法与CGI模式相比;GIS数据的保存、分析结果的存储和网络资源的使用能力受到限制。
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    服务器端应用的GIS要在服务器端执行GIS计算，并把执行的结果转换为HTML格式返回客户端。GIS数据和计算都部署在服务器上，对客户请求相应的只是在服务器端进行GIS计算，然后将结果形成新的中间GIS数据，返送给客户，形成GI5数据迁移。服务器应用包括以下三种主要技术方案:
    (1) GIS桌面系统扩展。以GIS桌面系统为基础的WebGIS服务器的结构如图1所示。

    应用网关把客户的服务请求从Web服务器通过OLE或者TCP/IP技术转送给GIS服务器中的监控调度程序，监控调度程序选择可用的GIS桌面系统运行实例，完成客户请求的GIS计算，然后把结果返回给用户，从而实现所有的GIS功能。
    (2)基于ActiveX组件的GIS服务器。组件GIS服务器是在服务器端采用ActiveX组件技术实现GIS的服务器，其核心是GISActiveX组件系统，其构造如图2所示。
    ActiveX组件是一个完整的具有独立功能的程序模块，在服务器端可以按照实现功能等方式把服务器分解成具有独立功能的ActiveX组件，从而形成可伸缩的GIS应用服务器。它可以灵活地实现可伸缩的应用系统，降低系统的成本，提高系统的性能。

    (3)基于Java的GIS服务器。基于Java的GIS服务器系统的核心是用Java实现的完成GIS功能的JavaGIS组件。该组件负责存取GIS数据，提供GIS服务。GIS服务代理通过TCP/IP Socket和Java GIS组件通讯，用于Java GI5组件和Web服务器之间建立链接，并管理GIS组件实例。
　　4   WebGIS的主要发展趋势及前沿应用
    地理信息技术经过近30年的发展，已经逐步进人了计算机技术主流，从而能够在更广泛的领域为更多的用户提供空间信息服务。以下是未来WebGIS新的发展趋势和发展方向:①地理标记语言一网络环境下开放的空间数据交换格式.②开放式地理信息系统，③一体化的空间数据管理与分析，④基于分布式计算的WebGIS.⑤网络虚拟地理环境，⑥移动通信技术扩展GIS应用。
    空间技术、信息技术、计算机技术、宽带网技术、网络安全技术和移动通讯技术迅猛发展，上网人数不断增加，同时，WebGIS技术不断发展，如基于超图模型的WebGIS技术、WebGIS与空间数据库的集成技术和地理信息互操作技术等.可以想象，未来的WebGIS将是价廉、方便、快捷、功能完善的大众媒体。
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