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WebGIS原理与实践 概述,侯景伟 Tel宁夏大学资源环境学院，2012,课程内容,WebGIS基本概念和特点 基本概念，发展现状，与其他GIS技术的关系，主要特点 WebGIS技术原理 基本原理，技术框架，主要技术开发模式，常用的Web服务器、协议和标准 WebGIS服务器端开发技术 地图引擎接口，服务器端脚本，客户端框架 基于Ajax的WebGIS前端开发技术 Javascript, html/css, json, xmlhttprequest对象，地图服务接口的设计,课程内容,切片地图服务开发技术 切片地图的基本特点，原理，接口设计，前端实践 GoogleMap API及应用开发 Mushup技术 主要商业WebGIS平台原理分析 ArcIMS/ArcGIS Server,MapXtreme,SuperMapIS 开源WebGIS项目介绍 MapServer/KaMap, OpenLayer OGC与Web制图服务,主要参考资料,参考教材 1. WebGIS原理与实践（李治洪,2011） 2.WebGIS原理与应用（刘南等,2002） 3. 网络地理信息系统原理与技术（孟令奎等,2005） 4. WebGIS原理与方法教程（马林兵等,2008 ） 网站 （OGC）,第1讲 概述,初识WebGIS(当前主要WebGIS网站) 计算机网络，互联网和Web GIS技术发展回顾（WebGIS的产生） WebGIS的定义和特点 网络GIS，Internet GIS与WebGIS关系 复习与思考,初识WebGIS,Google地图 我要地图 Yahoo! 地图 Sogou地图 E都市 ,GoogleMap,2004年开始推出的GoogleMap是最早采用Ajax技术实现的新一代的网上电子地图服务。GoogleMap不仅提供大众化的、用户友好的地图查询服务，还提供了全球高分辨率的卫星影像服务，并且开放了GoogleMap API，可以让用户或第三方在不需要自己购买和配置地图服务器的情况下，将地图嵌入到自己的Web站点中，从而根本上改变了传统的WebGIS开发模式。 像Google搜索引擎一样，GoogleMap一夜成名，这种新的Web地图服务模式也得到迅速传播 。,GoogleMap,Sogou地图,图形天下() 是国内较早提供的、基于Web的商业化的地图信息服务产品。它以MapInfo公司的MapX/MapXtreme作为服务器端地图引擎，以自主开发的网络地图信息平台Go2map-MIP为基础，为公众用户提供Web地图应用服务。Go2Map在一段时间内代表了我国基于Web的地图服务和经营模式。 Go2map的主要功能包括提供我国大中城市的电子地图数据服务，提供地址查询、公交换乘查询、路径和导航等地图服务，另外，它还提供如旅行游览、美食天地、金融地图、移动服务等专题地图服务内容。2006年前后，Sohu收购了Go2map，开发了Sogou地图服务频道，Sogou地图采用了一些新的Web开发技术，提供了更加友好的电子地图服务功能，如分级缩放、拉框缩放、平移、点选、标注、测距、打印、保存地图、邮件、并提供了对部分城市地区的遥感影像数据服务等。,Sogou地图,Yahoo地图,Yahoo地图也是新一代的Web地图服务。与Google地图一样Yahoo也开放了自己的地图 API，以供用户免费进行地图服务的定制（图1-9）。 Yahoo地图在2006年还推出了Flash版本的Yahoo地图，并同时开放了相关的API。Flash地图不仅有更丰富的表现方式，可以实现客户端地图渲染，同时还可以实现地图数据的保密。,Yahoo地图,我要地图（http:/51/）,51ditu(北京灵图)是国内较早推出的、有代表性的新一代网络地图服务产品。51ditu在技术很大程度上借鉴了Google地图的模式。在功能上，51ditu与Sogou地图有很多相似之处，同样提供了地图的分级缩放，平移，拉框缩放，测距离，打印，地图邮件以及还原等功能。 51ditu还向用户提供了地图服务开发接口，让用户免费使用其公共的运营服务平台MOSP（MapInTime Operation Services Platform）。和YahooMap一样，51ditu也推出了flash版本的Web地图客户端。,我要地图(51ditu),Virtual Earth,微软的Virtual Earth，比Google和Yahoo地图面世稍晚，但却有自己的特色。它采用了微软自己的Ajax.Net技术，即Atlas地图引擎。 Virtual Earth提供了基本的地图查询功能，包括交通线路及驾车指南、地图标注等。特别是在Framework2.0平台上开发了虚拟地图，将3D地图推进公众的视野。,Virtual Earth,E都市,E都市（）是杭州阿拉丁公司于2004年11月开始推出的三维仿真城市，目前阿拉丁公司已经拥有上百个中国大中城市的三维数据和E都市三维城市网站。 E都市三维城市采服务器端三维建模和渲染模式，结合Ajax技术将渲染后的三维地图图片（切片）下载到客户端供用户浏览和信息查询。E都市率先在三维WebGIS应用与技术方面探索了一条成功的道路。,E都市,其他,MapABC(/) 高德(/ ) DDmap(/) UUMap(/),什么是Web,计算机网络分类 互联网（Internet） 万维网（WWW）,计算机网络分类（1）,可以从不同的角度对计算机网络进行分类。最常用的是从范围上把网络分为局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN）三大类。 局域网通常由一个办公室或一座大楼内的计算机，打印机以及其他近距离范围内共享的软硬件设备组件。 城域网的范围比LAN要大，通常在大城市或城市群之间用来连接多个LAN，范围可以达到50公里。MAN中的LAN之间通常用光缆实现高速连接。 广域网的范围非常大，系统也最复杂。WAN通常由两个或两个以上的LAN、MAN组成，范围可以超过50公里。互联网就是一个规模最大的WAN。,计算机网络分类（2）,另外，从网络的拓扑结构上，也即网络的物理布局和内在逻辑上可以将网络分为环形、星型和总线型三大类。 从网络的用途上又可以将网络分为专用网和公（共）网。专用网是由一个机构拥有、维护和使用的网络，如校园网和虚拟专用网（VPN）。公共网是由网络运营商（如电信公司）向公众提供服务的网络。 从网络中信息传输的控制技术和方法，网络又可以划分为以太网和令牌网等。其中以太网利用了总线和星形拓扑结构，采用带有冲突检测的载波侦听多路存取（CSMA/CD）协议，在节点之间实现数据包的传输。以太网的使用非常广泛。,互联网（Internet）,互联网（Internet）是一个基于TCP/IP协议、连接各个国家和地区以及各个机构的计算机数据通信网，是由数以千计的小网络构造出来的、全球性规模最大的计算机网络系统，它连接了上百万台计算机和数千万用户。 Internet采用TCP/IP作为核心协议，最初创建Internet的目的是使地理上分散的、不同机构的计算机能够通过广域网（WAN）相互通信。,Intranet是采用与Internet相同的技术和标准产生的只供公司或机构内部访问的网络结构，可以访问Internet的Intranet称为Extranet。Intranet/Extranet是Internet在公司或机构内部的延伸，以便公司内的部门、小组和个人能方便地共享信息。,万维网,Web（World Wide Web，WWW）是1989年由瑞士科学家Berners-Lee创建的。设计Web的最初目标是使Internet上不同计算机上的文档可以相互链接，从而使不同的机构、组织和个人利用简单的、与平台无关的方法保存和共享他们的数据。 “Web之父”Berners-Lee称Web是一个“链接的信息系统”。这样的信息系统能够让系统随着它所包含的数据的成长和发展而使自身也得到成长和发展。 1995年以后，基于Web的通信量逐渐成为Internet通信量的主流，也就是说，人们主要是通过Web来使用互联网的。,WebGIS的产生和发展,以主机为中心的GIS 以PC机为核心的GIS 组件式GIS C/S模式的网络GIS 基于互联网的WebGIS,WebGIS的产生和发展,与计算机和信息技术发展相适应，GIS应用体系结构的也大致经历了以下几个阶段： （1）以主机为中心的GIS技术体系； （2）基于桌面PC机的技术结构； （3）组件式GIS （4）正在兴起和发展的支持Internet/Intranet技术标准的分布式GIS技术体系结构。 （5）地理信息互操作与OpenGIS,以主机为中心的GIS（1）,直到20世纪80年代早期，计算机系统是由一台或多台主机（mainframe）以及与主机（terminal）相连的若干台终端组成，GIS软件驻留在主机上。终端通过SNA网关连接到大型机。主机-终端式GIS体系结构可以认为是最初的网络GIS雏形。,当时，主机承担所有的计算操作、数据存储、管理工作以及与用户的交互；终端用来进行数据的输入和输出，不具备存储、处理及交互控制功能。,以主机为中心的GIS（2）,这种GIS体系结构的优点是可以对地理数据进行集中管理、处理和分析，有利于数据共享和安全管理。缺点是主机任务繁重，对主机的性能要求高，同时难以充分合理利用主机资源。 这一时期的GIS又称为是第一代GIS，以加拿大的CGIS和早期ARCINFO UNIX平台下的工作站版本为代表，GIS产品的功能设计以模块化为特征。,以PC机为核心的GIS（1）,80年代后，随着PC机问世、普及和微处理技术的迅速发展，出现了许多以PC机为硬件平台、以Windows操作系统为主流的GIS产品和应用（也称为第二代GIS）。 这一时期GIS产品以MapInfo公司的桌面产品和ESRI公司的ArcView产品为代表，这种GIS体系结构把原有集中在主机上的数据存储访问、空间分析、用户界面生成和交互以及数据维护等功能全在用户的本地机上进行。原有主机简化为仅通过局域网提供数据共享和外设的共享等服务。,以PC机为核心的GIS（2）,第二代GIS软件普遍采用商用的RDBMS管理属性数据，空间数据仍以文件系统进行存储和管理为主。GIS产品的二次开发功能有了很大的增强，能够定制功能强大的各种GIS应用。,这一时期是GIS应用走向商品化和大发展的时期， GIS应用深入到邮电、通讯、交通、商业、金融、房产、土地规划以及农林水利等各个行业和企业。,以PC机为核心的GIS（3）,第二代GIS由于数据分散存储和管理，给数据的共享和安全管理带来了困难，同时受PC机存储空间的限制，对于GIS 系统技术应用中的海量数据的计算处理等操作难以适应等等。随着互联网技术的迅速崛起，第二代GIS经过近十年的发展，已经走完其黄金时期。,组件式GIS（1）,软件重用一直是程序设计人员追求的目标，人们希望能够像搭积木那样随意“装配”应用程序。传统GIS由于其开发工具的不灵活以及开发费用的昂贵，在相当大的程度上限制了GIS应用领域的发展。 20世纪90年代中期以来，在软件开发领域正在悄然兴起的组件技术为GIS的应用和发展带来了巨大的生机。随着32位Windows操作系统（Windows98/2000/XP等）的成功发布，基于COM的组件开发技术也迅速被GIS厂商和技术人员采纳，许多组件式GIS产品被推向市场。,组件式GIS（2）,当时，代表性的组件式GIS有AutoDesk公司的GeoMedia，MapInfo公司的MapX，ESRI公司的MapObjects等。 基于标准的组件式GIS平台，各GIS组件之间不仅可能自由、灵活地重组，而且具有可视化的界面和方便的、标准的接口。组件式GIS有以下特点： （1）大众化的GIS，无须专门的GIS开发工具。 （2）开发成本低。 （3）开发周期缩短。 （4）可扩展性增强。,C/S模式的网络GIS,20世纪80年代后期出现的一种新的计算模型客户机/服务器（Client/Server）系统。应用C/S模型可以将应用程序中与用户交互的功能以及部分处理功能放在客户端的PC机上，而将核心的业务逻辑和数据的持久存储放到服务器上进行处理，应用程序的主体部署在服务器上。这样可以让多个用户共享同一应用程序和数据，从而充分地利用了各种计算资源。 早期的基于局域网的C/S模式的网络GIS软件产品仍然以ARCINFO为代表，基于UNIX或Windows NT操作系统的工作站版本的GIS（如ARCINFO for UNIX/NT）至今仍有其不可替代的重要地位。,基于互联网的WebGIS,自20世纪90年代中期以来，互联网（Internet）在全球范围内迅速发展，万维网（World Wide Web，简称Web）逐渐成为全球性的信息发布和交流渠道，基于Web的各种应用不断涌现，这时出现了一些以地图服务（WebGIS）为特征的门户网站。 WebGIS是Web技术与GIS相结合的产物。WebGIS的真正意义在于：它将GIS从专业应用推向了大众化服务，同时为地理信息共享提供了方便而有效的途径。 早期互联网上典型WebGIS应用是美国的MapQuest以及国内的Go2Map（图行天下）和ChinaQuest（城市通）等网站。同时，基于Intranet或局域网的专业的WebGIS应用也迅速发展。,WebGIS的基本思想,WebGIS的基本思想就是在互联网上提供地理信息服务，让用户通过浏览器从WebGIS服务器上获取地理数据和地理处理服务。 WebGIS使全球范围内的用户拥有使用分布式地理信息的能力，用户可以从互联网的任意一个节点，通过Web浏览器访问或共享由一个或多个WebGIS服务器发布的数据和功能，而不必购买专业的GIS软件。,WebGIS=Web+GIS,几个相关概念的比较 WebGIS的技术特征 WebGIS的主要功能 给WebGIS下个定义,几个相关的概念（1）,网络GIS 互联网(Internet) GIS WebGIS WebMapping 网络电子地图,在给WebGIS下一个明确的定义之前，我们有必要先来区分几个相关的概念，即：网络GIS、互联网GIS或Internet GIS以及万维网GIS（WebGIS）。区分这些概念，有助于我们对WebGIS的正确深入的理解。,几个相关的概念（2）,在所有这些概念中，网络GIS所包含的内容最广泛，包括基于各种分布式计算模型的C/S或B/S模式的、多层的、分布式GIS应用，它们可以基于J2EE框架，也可以基于COM/DCOM以及CORBA等分布式计算框架。这里网络的含意也很广，包括局域网、广域网以及互联网等。网络GIS使用的协议可以是TCP/IP，也可以是其他网络协议，甚至是无线通信协议如WAP，GPRS或蓝牙协议等。,互联网GIS或Internet GIS是网络GIS的一个子集，是基于TCP/IP协议的网络GIS，因此可以分布在互联网上运行。这些GIS可以是C/S模式也可以是B/S模式，Google公司的Google Earth，就是一种典型的网络地图的客户端工具。,WebGIS的技术特征,WebGIS，即万维网GIS，一种B/S模式的Internet GIS，从技术角度看，WebGIS应具有以下特征： （1）是通过Web服务器（如IIS，Apache等）发布的动态的Web应用； （2）客户端是通用的Web浏览器，如IE，Firefox等。用户通过Web浏览器与地图进行交互。 （3）是基于HTTP协议的B/S模式的分布式GIS。采用HTTP协议实现浏览器与Web服务器间的通信，用户通Web浏览器向Web服务器发出请求，服务器通常向用户返回可交互的、包含地图信息的HTML或XML格式的文档、文档片断。,WebGIS的主要功能,同传统的GIS相比，WebGIS提供的主要功能可以概括为： 地图服务：用户可以通过浏览器实现地图的漫游和缩放，以及控制地图分层显示等。这是WebGIS的基本功能。 数据查询服务：用户可以通过浏览器在与地图的交互中向服务器提交预定义的查询或创建新查询来获取特定的信息。服务器将查询结果以地图或其他形式返回给客户端。 地理编码服务：用户可以在浏览器客户端提交文字形式的地址信息，从WebGIS服务器获取与地址匹配的位置信息，然后以地图或坐标的形式返回一个匹配的位置或一组候选匹配的位置列表。 要素服务：用户可以通过浏览器向WebGIS服务器请求特定的地理数据，服务器以要素集的形成返回指定格式（通常是XML格式）的地理数据。,WebGIS的主要功能,导航或位置服务：用户可以通过WebGIS客户端规划自己的行车线路，并通过GPS等定位设备获取基于位置的服务。由于WebGIS客户端配置的简单性，还可以为相关行业提供基于WebGIS的车辆调度和动态监控服务。 个性化地图服务：个性化地图服务主要体现在用户可以自己在客户端地图上进行标注，并将标注后的地图进行共享、保存或发送给好友。 远程数据维护功能：许多WebGIS门户网站可以让用户在客户端帮助维护地图数据，目前可供维护的数据内容还比较有限，但是这种思路是值得探讨和发展的。,WebGIS的定义,WebGIS是一种在Internet或Intranet环境下基于HTTP协议的用来存储、管理、分析、发布和共享地理信息的B/S模式的分布式计算机应用系统，是一种以面向公众为主的地理查询服务和应用分析系统。,再看WebGIS,优点与不足 发展及现状 与其他GIS技术的比较 主要实现技术概述 新一代WebGIS与发展趋势,WebGIS的主要优点,与专业的桌面GIS或基于C/S模式的网络GIS应用相比，WebGIS具有以下几个方面的特点： （1）是一种大众化的GIS。WebGIS拥有更广泛的客户访问范围，可以为互联网上的任何用户提供地理信息服务。面向公众WebGIS应用主要是为了满足大众的需求，操作方便，因而是一种大众化的GIS。 （2）开发管理成本低。WebGIS利用通用的Web浏览器来访问地理信息，从而大大地降低了终端客户的学习和培训成本。同时WebGIS采用常用的动态Web页（如ASP技术）开发技术，应用开发简单。 （3）与其他Web应用的无缝集成。Internet技术标准是开放的、非专用的，这为WebGIS与其他Web应用的无缝集成提供了可能，从而可以在任何需要GIS功能的Web应用中嵌入或集成WebGIS应用。,WebGIS的主要优点,（4）客户端平台独立性。无论客户机是何种操作系统，只要支持通用的Web浏览器，用户就可以访问WebGIS数据和功能，不需要在客户机上进行额外的安装。 （5）数据维护方便，现势性强。WebGIS应用的数据通常集中在一个或若干个服务器上。WebGIS用户可以直接通过Web浏览器从网上获取所需要的各种地理信息、进行各种地理信息的分析，而不用关心空间数据库的维护和管理。WebGIS数据的采集、整理和更新工作可以专业化和社会化，让专业的数据公司来集中维护基础地理数据，从而减少不必要的重复工作。,WebGIS的主要不足,（1）有限的交互性。WebGIS与传统的桌面GIS相比，用户与浏览器的交互显然要逊色得多。用户不能像桌面GIS或C/S模式的GIS客户端那样体验地图。 （2）响应速度受带宽的影响。对于WebGIS用户而言，最让人关心或害怕的是由于网络的延迟而带来的超长的等待。它不能像桌面或本地GIS系统那样对用户的请求作出迅速响应。 （3）超时限制。对于许多WebGIS应用，出于性能和安全的需要，往往有超时设置。当用户两次请求超过一定时间间隔时，可能不能正确得到所需要的结果。 新一代的WebGIS应用，综合使用了JavaScript，异步请求以及CSS等标准的Web技术，这种基于浏览器的富Internet应用（RIA，Rich Internet Application）极大地改善WebGIS应用的性能和用户体验。,WebGIS发展及现状,从技术和应用的角度来看，WebGIS的发展可以分为两个阶段，2004年以前或早些时候，由于当时Web客户端交互技术还没有成熟，人们对GIS应用开发主要还是基于组件技术和C/S模式的网络GIS。因而，WebGIS并没有得到足够的重视。但是C/S模式的GIS开发的确有太多的不便，除了开发和配置不灵活外，地图数据放在客户端，不仅给维护再来困难，数据安全也得不到保证。 2004年以前，主要的商业WebGIS产品有MapInfo公司的MapXtreme产品系列、ESRI公司的IMS产品系列、Intergraph公司的Geomedia Wap Map产品等，我国也推出如Geo-Surf、GeoBeans和SupperMap IS等国产化的WebGIS产品。而大型的面向公众的WebGIS门户网站非常少，在国外主要以MapQuest为代表，国内主要是图形天下（Go2Map）和城市通（ChinaQuest）。,WebGIS发展及现状,这一切的真正改变是在2004年以后，这时候关于Web标准化的研究日趋成熟，Web应用开发技术以及Web浏览器技术不断发展，从而为WebGIS应用的普及铺平了道路。于是出现了以GoogleMap为代表性的新一代的大众化的WebGIS应用门户，包括：GoogleMap、51ditu、Yahoo地图、Sogou地图 (go2map)和丁丁地图等。 这些大众化的新一代WebGIS应用的共同特点是： 提供大众化和个性化的地图查询服务； 采用基于Ajax（Web2.0）的新一代Web开发技术； 服务器端以地图切片的形式提供预先渲染好的地图图片服务； 地图浏览采用分级缩放方式； 地图服务的功能丰富：主要包括基本的地图浏览，查询定位，地图黄页，路径规划，用户标注、LBS和导航服务等。,WebGIS与其他GIS技术,桌面GIS 组件式GIS 网络GIS和WebGIS 虚拟现实GIS或VRGIS 嵌入式GIS (无线)导航GIS应用 多媒体GIS 大型GIS空间服务器,WebGIS与其他GIS技术,同其他GIS技术形态相比，WebGIS更多表现为是一种综合性的集成性的GIS技术。在许多情况下，WebGIS的服务器端的地图服务功能是通过调度各种GIS组件来实现的，组件式GIS是WebGIS不可缺少的组成部分，这也包括在WebGIS的客户端浏览器中使用ActiveX技术。 纯粹用Java技术实现的WebGIS应用，其中也少不了使用类似的技术如服务器端的Java组件技术。MapInfo公司的MapXtreme产品就使用MapJ Java组件来辅助进行服务器端或客户端的地图制图服务。 早期的WebGIS应用通常是使用CGI技术实现的。这时地图服务器的功能是通常是通过桌面GIS来辅