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1、第十三章 网络地理信息系统,“19世纪是铁路的时代,20世纪是高速公路的时代,21世纪是网络的时代”。,一、分布式系统二、C/S模型三、网络GIS的定义四、网络GIS应具有的功能五、网络GIS的组合方式六、Web GIS的定义七、Web GIS的组成八、Web GIS与传统GIS相比所具有的优点九、Web GIS的实现技术十、Web GIS的数据管理与检索十一、系统维护和安全性十二、因特网地理信息系统的发展趋势,一、分布式系统,所谓分布式就是指数据和程序分散到多个服务器，以网络上分散分布的地理信息数据及受其影响的数据库操作为研究对象的一种理论计算模型。分布式有利于任务在整个计算机系统上进行分配
2、与优化，克服了传统集中式系统会导致中心主机资源紧张与响应瓶颈的缺陷，解决了网络GIS 中存在的数据异构、数据共享、运算复杂等问题，是地理信息系统技术的一大进步。分布式系统(Distributed System)：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。较之于集中式系统以及独立的微机系统，分布式系统具有以下优点(表131，表13-2)：,表13-1：分布式系统的优势-与集中式系统比较,表13-2：分布式系统的优势-与微机系统比较,二、C/S模型,客户机/服务器(C/S,Client/Server)模型: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
3、，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C/S机制可以有多个客户端，或者多个服务器，或者兼而有之。C/S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133)。C/S体系的优点:简单和高效。HTTP、FTP等协议都是遵循C/S的模式。在网络GIS的实现中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。,三、网络GIS的定义,网络GIS是利
4、用网络技术来扩展和完善GIS的一项新技术，利用基于C/S的分布式系统，是GIS在广域网环境下的一种应用，实现了空间信息的网络化。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。,四、网络GIS应具有的功能,(1)实现地理信息在互联网环境下的传输应用；(2)实现在互联网上地理信息的时间、空间和属性数据的有机融合；(3)实现地理信息数据的多格式双向式多向的可视化发布、检索和查询；(4)提供互联网上的在线空间分析功能如缓冲区分析等；(5)实现多地域、多
5、平台、多格式的信息采集、共享。,五、网络GIS的组合方式,在分布式的网络GIS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，其组合方式可以按照数据和应用功能的分布分成五种(下表)：,51 全集中式 即软件、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(下图)。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，
6、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ARCINFO、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GIS；第三种是目前在WebGIS上广泛采用的用户界面功能由浏览器执行的客户系统。,52 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，网络的其他部分成为数据客户，它们一般都是带有一定功能的地理信息系统软件(下图)。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。,53 功能集中式绝大部分的功能集中在一个或者
7、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(下图)。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。,54 全分布式在全分布系统中，各个子系统具有完备的数据库及地理信息系统软件和其他应用软件，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GIS，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。,55 函数库服务器函数服务器把优化的功能
8、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。从而可从根本上改变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。目前函数库服务器的理论和技术不很成熟.,六、WebGIS的定义,WebGIS(万维网地理信息系统)，是网络GIS的一个重要组成部分，是利用Web技术来扩展和完善GIS的一项新技术，通过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，用户通过交互操作，对空间数据进行查询分析和各种操作。与传统的GIS相比，WebGIS有其特殊
9、之处，主要表现在：1）它必须是基于网络的C/S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。,七、WebGIS的组成,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，Web分布式交互操作是工作的重心。WebGIS的基本组成包括：(1)Web服务器；(2)Browser浏览器(GIS插件)；(3)页面描述语言：HTML，VRML；(4)Web交互程序：Java，CGI，ActiveX
10、；(5)GIS数据库管理器：ARCSTORM，SDE。,八、WebGIS与传统GIS相比所具有的优点,(1)访问范围更广泛。客户可同时访问多个位于不同地方服务器上的最新数据，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，而用户通常只使用一些最基本的功能，造成极大的浪费
11、。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也会节省很多的维护费用。,八、WebGIS与传统GIS相比所具有的优点,(4)操作更简单。通用的Web浏览器降低了操作复杂度，使其更易为广大的普通用户接受和GIS的推广。(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
12、端和客户端的合理分配，是一种较理想的优化模式。(6)巨大的扩展空间。互联网的技术标准是开放的、标准化的，使得WebGIS 可以很容易地与 Web中的其它信息服务无缝集成，建立功能丰富的具体 GIS 应用系统。,九、WebGIS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C/S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。目前已经有多种不同的技术方法被应用于研制实现WebGIS，包括CGI(Common GatewayInterface，通用网关接口)方法
13、、服务器应用程序接口(Server API)方法、插件(Plug-ins)法、Java Applet方法以及ActiveX方法等等。,1 CGI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。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。,1 CG
14、I方法(续)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)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，Inter Process Communication)”来完成。其优点在于，由于GIS软件是消息驱动的，CGI只要通过发送消息即可驱动GIS软件执行特定操作，不需要每次重新启动
15、。,2 Server API方法 Server API类似于CGI，不同之处在于CGI程序是单独可以运行的程序，而Server API往往依附于特定的Web服务器，如Microsoft ISAPI依附于IIS(Internet Information Server)，只能在Windows平台上运行，其可移植性较差。但是Server API启动后会一直处于运行状态，其速度较CGI快。,3 插件方法 利用CGI或者Server API，虽然增强了客户端的交互性，但用户得到的信息仍是静态的。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
16、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。一个解决的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，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，像传统应用软件一样，它需要先安装，然后才能使用，给使用造成了不方便。,4 Java Applet(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
17、算集中于客户端，称为“胖客户端”，而对于CGI方法以及Server API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(Write once，run anywhere.)”，即指其跨平台特性，此外Java语言支持例外处理、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。,4 Java Applet(Java小应用)方法(续)Java语言经过编译后，生成与平台无关的字节代码，可以被不同平台的Java虚拟机解释执行。Java程
18、序有两种，一种可以独立运行，另一种称为Java Applet，只能嵌入HTML文件中，被浏览器解释执行。用Java Applet实现WebGIS，优于插件方法的方面是：运行时，Applet从服务器下载，不需要进行软件安装；由于Java语言本身支持网络功能，可以实现Applet与服务器程序的直接连接，从而使数据处理操作既可以在服务器上实现，又可以在客户端实现，以实现两端负载的平衡。,5 ActiveX方法ActiveX是在微软公司OLE技术基础上发展起来的因特网新技术，其基础是DCOM(Distributed Component Object Model,分布式对象构件模型)，它不是计算机语言，
19、而是一个技术标准。基于这种标准开发出来的构件称为ActiveX控件，可以像Java Applet一样嵌入到HTML文件中，在因特网上运行。与Java Applet相比，其缺点是只能运行于MS-Windows平台上，并且由于可以进行磁盘操作，其安全性较差，但是优点是执行速度快，此外由于ActiveX控件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。,十、WebGIS的数据管理与检索,管理方式：地理数据的异构性和分布性决定了数据管理的复杂性，而元数据是对地理数据进行管理和检索的有效途径。检索步骤：首先对用户的检索要求进行语义分析，然后通过元数据搜索匹配的数据所在的节
20、点，之后链接至提供地理数据服务的节点，进行数据访问和分析。研究重点：如何在数据量浩如星空的互连网上找到所需要的数据并连结至该节点，提供元数据服务节点应该是一个最佳的解决途径。元数据本身的性质也决定了对其进行研究的必要性和关键性。目前有关的研究也多集中在元数据管理和格式上，如非文本形式的概略图等等。,十一、系统维护和安全性,网络管理中网络信息系统的安全是网络设计中的重要部分，其中包括设备的安全、软件和数据的安全、系统运行安全以及网络互连安全等方面。在网络的建立过程中，网络设计者已经考虑了硬件性能及质量的可靠性、系统运行中的容错方案、数据备份方案和基本的防病毒措施，如防火墙、防病毒软件等问题。此外
21、，由于空间信息的建立、更新和维护都需要耗费大量的人力、物力和财力,而且部分空间数据还具有一定的密级，因此，系统在开放数据服务的同时，还必须要考虑到对所发布的空间数据的有效保护和数据使用者的权限控制，以保护数据的安全和数据提供者的权益，真正实现空间数据信息在有限条件下的自由流动。,十一、系统维护和安全性（续）,在设计时需要针对不同用户的请求，校核其对应用系统的访问权限。比如，对于系统管理员级别的用户就可以使用系统的培植与编辑部件对服务器端的系统参数与数据更新、修改；而一般用户可能只具备浏览、查询、统计制图功能。最基本的要求就是实现用户的分层、分级权限管理。,十二、因特网GIS的发展趋势,11.1
22、 开发功能更强的数据索引和目录查询技术 由于信息还在不断的膨胀发展，如何有效地运用INDEX和CATLOGUE技术来增强数据检索和目录查询成为互联网GIS急需解决的问题。11.2 矢量数据的直接使用 矢量数据在因特网上传输、发布有着它天然的优势。GIS中，复杂的线性特征能用少量的空间来表示，因而传输速度更快，传输的内容也更多。11.3 使用VRML实现网络数据的三维立体表达和模拟 虚拟现实表达语言的使用，可以将GIS中三维显示在网络上得以实现，并且可以进行人机交互的网络查询。,11.4 全球空间数据基础设施的发展 全球空间数据基础设施建设非常有战略意义，通过它可以将全球更加有机地融合在一起，从而达到全球的可持续发展，同时这也是一个漫长而艰巨的过程。11.5 数据处理和分析网络化 随着因特网技术对数据处理能力的不断扩大和对数据传输承载能力的增强，GIS的各种数据分析模型将被允许在网络上直接使用。用户的数据可直接存放到用户端，通过互联网与模型的存放网址相连，并使用网址所提供的分析模型对数据进行分析和模拟。11.6 空间数据引擎的使用 空间数据引擎(SDE)是目前大型GIS在网络上进行处理的新技术，它将商业数据库管理系统与地理空间数据相结合，可以使用RDBMS来处理地理信息，具有非常强大的功能。,十二、因特网GIS的发展趋势,The end,
