网络地理信息系统

第九章 网络地理信息系统 学习目标了解计算机网络的概念、拓扑结构和类型了解分布式系统的优缺点了解网络地理信息系统的组成形式了解 WebGIS的概念和组成，说明 WebGIS的应用前景一、计算机网络的定义计算机网络是指实现计算机之间通讯的软件和硬件系统的统称，是以共享资源为目的，通过数据通讯线路将多台计算机互连而成的系统 。共享的资源包括计算机网络中的硬件设备、软件或者数据。二、网络的拓扑结构和连接方式计算机网络中，网络的结点计算机或终端设备的连接方式称为网络的拓扑结构。它影响着网络的设计、功能、可靠性以及通讯费用等方面，常见的拓扑结构有以下几种：第一节 计算机网络的概念和类型1星形星状网络 由一个中央节点和与其相连的许多分支节点组成 ， 他使得分布在网络各个节点之上的用户所使用的数据以及他们在网络上所从事的各种应用，具有一定程度的集中控制性，如下图所示。星状网络的一个优点，就是网络中的每个计算机都以独立的网线通过中继器与其他计算机相连，如果某个计算机的网络段出现故障，不会影响整个网络的运行，并且故障也很容易排除；缺点是网络的扩大受中继器的限制，而且中继器的故障会导致整个网络停止运行。 星形网络 2环形环状网络是 所有节点串行连接而形成的一个封闭环路 。其优点是接口功能简单，节点增减方便，信息单向传输、无路径选择，以实现信息的广播式发送，缺点是可靠性差，环状网络如下图所示。 数据流数据流 环形网络 3总线形总线网络 具有一条中央线，其上可以连接各种设备 。 在网络地理信息系统设计中，总线网络是一种局域网常见的网络。它的优点是费用低、易扩大，缺点是不易维护，网络中任一段发生故障都会导致整个网络的运行终止，而且在联机较多的情况下故障网段不易查找。总线网络如下图所示。服务器支持下的输入输出设备（打印机、扫描仪等）LAN数据流服务器连接下的计算机总线网络三、计算机网络的类型计算机网络种类繁多、性能各异，按照不同的原则可以有不同的分类方式，最常见的是根据其空间分布范围的大小，区分为 局域网、城域网和广域网 。1局域网是在较小的区域，如一个办公楼、一个实验室、或一个公司内建立的计算机网络，其通讯距离较短，传输速率较快，误码率低。主要采用的拓扑结构是总线结构和环形结构。2城域网基本上是一个大的局域网，采用与局域网类似的拓扑结构，它可以覆盖一个城市，实现信息共享。3广域网广域网最根本的特点是其机器分布范围广，可以实现大范围的信息共享，因特网（ Internet） 就属于广域网的范畴。广域网可采用多种拓扑结构，如星形、环形、完全连接甚至是不规则的拓扑结构。四、因特网（ Internet）Internet是指由众多的网络相互连接而成的全球范围内的最大的计算机网络， Internet的出现改变了人们传统的工作、学习、生活模式。它允许使用者在任何时间、任何地点查阅任何在网络上的信息，我们真正感觉到了世界已经是足不出户，一览天下。Internet采用 TCP/IP协议，它可以连接各种各样的计算机和各种网络，无论是 PC、 Macintosh、 UNIX、 系统工作站、大中型计算机以及各种局域网和广域网，只要遵循共同的通信协议 TCP/IP， 都可以连接到 Internet中。目前 Internet提供的服务主要有： E-Mail电子邮件、WWW（ World Wide Web） 浏览、 FTP文件传输、 Telnet远程登陆、 Usenet新闻组等。第二节 网络地理信息系统一、分布式系统分布式系统是指一组独立计算机的集合，在网络中的一次通信过程要涉及到多台计算机的配合，但从用户的角度来看，如同于一台计算机 。 与集中式系统以及独立的微机系统相比，分布式系统具有如下优点： 项 目 描 述经 济 多个微处理器提供了更好的性能和价格比速 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分布式系统的优势 与微机系统相比 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 Email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增量发展 计算能力能够以很小的增量增长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他的错误安全性 容易使得需要保密的数据被访问客户机 /服务器（ C/S） 模型是一种分布式系统结构，其基本思想是某些计算机提供其他计算机可以访问的服务。任何提供服务的一方称为服务器，而访问该服务的一方称为客户机。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。 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。 客户服务器客户客户服务器信息 请求 目前，基于客户端 /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，其应用主要表现在以下几个方面：1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。2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，需要不同的功能服务对数据处理，将应用分布在网络上就可以解决该问题。3外设共享： 外设的分布是服务分布的一种，由于许多 GIS外设比较昂贵，如大幅面工程扫描仪、数字化仪、喷墨绘图仪等，通过分布式系统，可以实现这些设备的共享。4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，利用分布式系统可以实现并行计算，缩短计算时间。二、网络地理信息系统的组合方式在分布式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，其组合方式可以按照数据和应用功能的分布分成五种。 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 客户端或服务器 中央服务器存储，客户端动态连接执行客户 客户客户客户应用程序服务器数据服务器数据管理 服务器局域网中继器广域网全集中式地理信息系统示意图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 。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，网络的其他部分称为数据客户，它们一般是带有一定功能的 GIS软件如下图所示。 数据服务器GIS软件系统其他软件系统DBMS服务器GIS软件系统其他软件系统数据集中式地理信息系统示意图（左图采用网络文件系统；右图采用数据库服务器）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，由他们负责所有的分析和处理，数据则分散在客户端存储和管理如下图所示。 RDBMS服务器GIS软件系统数据存储器 RDBMS其他软件系统数据存储器 RDBMS功能集中式地理信息系统示意图4全分布式全分布式系统是原有的非网络化的信息系统自然进化的结果。在全分布式系统中，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个子系统提供的 API实现。实现全分布式网络地理信息系统，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如下图所示。 ARCVIEWPC WindowsAVSIBM RISCARC/INFODEC 工作站ORACLE并行计算机ARCSTORM多处理器ERDASSun工作站专家系统HP工作站SDE多处理器Spatial ModelsDEC工作站全分布式地理信息系统示意图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，对于每一个用户来说，通常需要有限的功能，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，造成系统性能的下降，而全分布式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。三、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、软件功能和作用给予说明，并对设备与应用之间的关系给予描述，它应当能够在所涉及的网络系统真正实现时，有利于系统功能重审及其修改，有利于系统价值的估算，并为更详细的特殊定义提供基础，同时他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的发展给予描述 。 典型的概念设计实例实例 1： 如图所示，系统组织类型：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。地址分布：单一地址。数据传输操作：与其他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。升级可能性：可以升级为基于主机的网络或者具有其他智能工作站的网络 。 拥有外设的超级工作站打印机DATA绘图仪数字化仪主处理器其他网络超级微机工作站 主处理器外部设备外部设备具有多处理单元和中央数据存储的局域网实例 2： 如图所示，系统组织类型：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。地址分布：同一建筑物内或者临近建筑物之间的局域网上，其他用户通过远程通信线路与局域网相连。数据传输操作：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。升级可能性：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他建筑物，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个网络。第三节 WEBGIS一、 WebGIS 概念飞速发展的 Internet/Intranet已经成为 GIS新的系统平台。利用 Internet技术，在 Web上发布空间数据，供用户浏览和使用，是 GIS发展的必然趋势。 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 ：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；5 GIS数据库管理器： ARCSTORM， SDE。Web GIS体系结构 二、 WebGIS设计思想与实现方法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，是 HTML的功能扩展。CGI程序与 HTML结 合 实现 交互式 动态 通 讯 。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 果构建成一个HTML文 挡 反 馈给 Web服 务 器，再 传 回客 户 端 浏览 器。 2 PLUG-INS GIS插件基于 CGI的系统仅提供给用户端 (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。 为便于其他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。 3.互联网程序语言（ 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的设计思想。其次，众多的插入软件的管理会成为信息技术部门的一个大问题，因为任何人只要可以连上互联网都可以接收最新的插入软件， 为解决上述各种问题，互联网程序语言应运而生。互联网程序语言的出现标志着 Web GIS的开始，目前最普及的互联网程序语言是由 SUN公司开发的 Java。Java是一种面向 对 象的 计 算机 语 言， 其特点是 简洁动态 适应 性 强 ，运行 稳 定、安全， 对 网 络 而言，与 计 算机 结 构体系无关，容易移植，在一种系 统 下 发 展的 应 用 软 件可以直接在完全不同的系 统 下运行。 4. ActiveX方法（ 第二种互联网程序语言）第二种互联网程序语言是由微软公司提出的 Active X， 其实 Active X是由 OLE技术基础上发展起来的， Active X仍然依赖现有 OLE 编程体系来达到增加互联网的交互性目的，方法之一是利用一个 OLE文件实体 DocOb