《网络GIS基本原理》PPT课件.ppt

第三章 网络GIS 基本原理 卫星导航定位技术研究中心 唐 健,本章内容,3.1 网络GIS 概述 3.2 网络GIS 体系结构 3.3 网络GIS 数据组织与管理 3.4 网络GIS 的数据共享,3.1 网络GIS 概述,回顾计算技术的发展历史，可以发现从独立主机时代到客户/服务器计算模式时代直至Internet的分布式计算时代，其进化的动力始终围绕更高性能、更低成本和更人性化的操作方式。 与计算模式发展相适应，GIS体系结构大致经历了单机结构GIS和网络环境下的GIS两个发展阶段，目前正向与网格计算、云计算相结合的模式推进。,网络GIS 概述,二十世纪七十年代初到八十年代初期间，由于当时的计算机硬件平台只有大、中、小几种类型，相应的GIS技术应用体系结构的硬件平台是由一台或多台主机和与主机相连的若干台用户终端构成，软件系统(包括系统软件、应用软件和数据等)全部驻留在主机上。 1981年以后，PC的功能不断增强，存储容量不断增大，性价比迅速提高，以前只能由小型机、中型机或更高性能的计算机承担的任务，只要在一般的PC上就能完成。同计算机及微处理技术发展相适应，在这一时期出现了许多以PC为硬件平台的GIS软件，即单机结构的GIS。 GIS由一台PC及相关的输入输出等外围设备和装载于PC硬盘上的GIS软件组成。这种以PC为核心的技术应用体系结构，把原有集中在主机上的数据计算处理、屏幕管理、用户界面生成和交互与数据维护等功能全都在用户的本地机上实现。,网络GIS 概述,过去由于信息技术发展水平的限制，GIS多以独立主机结构的计算模式为主。随着信息技术尤其是计算机通信网络的迅速发展，人们需求信息的类型和数量发生了很大的变化。地理空间信息的应用不仅仅限于专业人士，而是被广泛地应用于各行各业。在这种情况下，独立主机结构GIS的弊端就渐渐地暴露了出来。 传统GIS的不足 数据的互操作性较差 数据和应用程序集中管理，不同部门之间的地理信息的交互性比较差，难以进行互操作。 GIS数据共享能力弱,数据冗余严重 由于传统的GIS数据组织和管理是相对独立的，因此不同GIS用户为了满足自身的需要，往往都需各自生产地理空间数据和属性数据。 GIS的分析能力有限 GIS中的空间数据往往都是海量的，而由于单个计算机的处理能力有限，导致GIS对大数据量的数据处理能力不高。 成本高昂,网络GIS 概述,网络GIS的特点 成本降低 无论是以何种结构来组织开发的网络GIS，它都是一个多用户的空间信息系统。用户勿需拥有自主版权的GIS软件系统就可以通过网络使用GIS功能。 实现企业的事务与GIS专业有机结合 网络GIS的出现可以使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。 简单易用，操作难度降低 网络GIS中的WebGIS采用页面操作取代传统GIS的窗口操作 GIS处理能力大为提高 由于网络GIS是一个任务分布处理系统，可以充分利用网络资源，采用分布式协同计算来完成复杂、计算量大的地理空间计算任务。这样，一些复杂的计算任务，诸如大规模查询可交给性能比较强大的服务器来执行，而数据量较小的简单操作则由本地计算机完成。这是一种比较理想的全局优化模式。,网络GIS的特点,动态系统 可以根据用户的请求随时向用户动态提供其所需的空间信息服务，为用户提供个性化空间信息服务。 跨平台性好 网络GIS的分布性、多用户特点决定了网络GIS必须具有较强的跨平台性能 互操作能力强 开放式地理信息系统(OpenGIS)规范和互操作技术的提出,不仅为数据共享提供了崭新的思路,而且将GIS带入了开放的时代,从而使得各个系统间实现不同类型地理数据和地理处理方法的透明访问成为可能. 容易实现大范围的数据分发,3.2 网络GIS 体系结构,定义 网络体系结构是关于完整的计算机通信网络的一幅设计蓝图，是设计、构造和管理通信网络的框架和技术基础。 网络GIS体系结构是关于完整的基于计算机通信网络的GIS设计、构造和管理的框架和技术基础。 两层体系结构 三层及多层体系结构,两层体系结构,两层体系结构把网络GIS分成客户机(也可称为客户浏览器)和服务器两个部分，它们之间通过网络(包括局域网、Internet、Intranet等)在一定的协议(如TCP/IP、HTTP等)支持下实现信息的交互，形成客户/服务器计算模式(C/S)，共同协调处理一个应用问题。,两层体系结构,客户机和服务器是根据它们所承担的工作来加以区分的。客户机和服务器是相互独立、相互依存、相互需要的。 客户机通常是承载最终用户使用的应用软件系统的单台或多台设备，而服务器的功能则由一组协作的过程或数据库及其管理系统所构成，为客户机提供服务，其硬件组成往往是一些性能较高的服务器或工作站。 客户/服务器模式的计算机系统可以有多个客户端，或者多个服务器。 客户/服务器模式基于简单的请求/应答方式。客户机向服务器提出数据处理请求，服务器端接收请求并对请求进行处理，根据请求的内容执行相应操作，并将操作结果传至客户机一端。可以看出，只有经历这样的一个来回才能完成一项任务的处理。,两层体系结构,按照逻辑关系，一个复杂应用程序可划分为表示逻辑、业务逻辑、事务逻辑和数据逻辑。,网络GIS体系结构的主要问题就是如何均衡以上各业务中的负载分配。,-表示逻辑主要负责前端用户界面 -业务逻辑主要负责系统中业务规则和流程处理 -事务逻辑主要负责应用程序访问数据的安全性、完整性等 -数据逻辑主要负责数据库的存取、管理等,不确定,服务器端,两层体系结构,在两层体系结构中，按负载的轻重可将客户/服务器体系结构归纳为以下两种： - 基于客户机的网络GIS体系结构 称为“瘦”服务器/“胖”客户机的网络GIS。GIS的绝大多数功能都是在客户机实现的，只有少量的GIS功能在服务器端实现。 特点：客户机需要下载或安装相应的客户机GIS应用程序 思路：大多数基于客户机的网络GIS中，GIS分析工具和GIS数据最初驻留在服务器上。用户通过客户机向服务器发出GIS数据和GIS处理工具的请求，服务器根据客户机的请求将数据和GIS处理工具一并传送给客户机。客户机接受所需要的数据和GIS处理工具，按照用户的操作，进行GIS数据处理和分析。,两层体系结构,- 基于服务器端的网络GIS体系结构 称为“胖”服务器/“瘦”客户机的网络GIS。 特点：服务器端的负载较重，GIS的绝大多数功能都是在服务器端实现的，客户机的浏览器仅充当前端的对用户友好的接口。 思路：用户在客户机浏览器上通过向服务器发送初始化和数据处理与服务请求，服务器接受此请求后，分析请求的处理要求，并对请求加以处理，将处理结果通过网络返回客户机，并在客户机浏览器上按适当方式予以显示。,客户/服务器体系结构的优点在于简单和高效，流行的HTTP、FTP等协议都是遵循客户/服务器模式的。早期的网络GIS建设大都采用这种模式。客户/服务器结构以PC为主，适合部门级应用。,三层体系结构,随着GIS应用系统的大型化以及用户对系统性能的要求不断提高，两层结构的缺点逐渐暴露出来。于是在Internet的基础上，两层体系结构自然延伸到三层或更多层次的体系结构。这实际上可以看作是基于服务器端的网络GIS体系结构(“胖”服务器/“瘦”客户机结构)的拓展和细化。 三层体系结构突破了客户/服务器两层模式的限制，将各种逻辑分别分布在三层结构中来实现，这样便可以将业务逻辑、表示逻辑、数据逻辑分开，从而减轻客户机和数据服务器的压力，能较好地平衡负载，并且形成了一种新的计算模式浏览器/服务器模式(B/S)。,图3-2 三层逻辑体系结构,三层体系结构,客户端可以是PC、PDA或者蜂窝电话等，中间层通常是工作站或小型机，服务器可以是主机、小型机等。 工作原理：客户机可以不直接向数据服务器发送请求，数据的请求由应用服务器根据客户端的请求向数据服务器提出，数据访问的结果也是由应用服务器负责发送到客户端的。,三层体系结构,优点 将用于图形显示的表示逻辑与GIS的处理逻辑分开，可以使GIS的处理逻辑为所有用户共享。 与两层结构相比，在三层结构中，Web服务器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客户机，使客户机变得很单纯，从而极大地减轻了客户机的负担。 应用服务器支持多种关系数据库管理系统和数据类型，并通过对象中间件技术，在网络上寻找对象应用程序，完成对象间的通信。这样便屏蔽了网络通信的细节，使客户机和服务器均不需要了解对方的具体工作，从而实现无缝透明的连接。,多层体系结构,多层结构的网络GIS在负责与用户交互的客户机和负责数据存储管理的数据服务器之间存在一层或多层负责业务处理逻辑。通过这些业务处理逻辑对GIS分析处理任务进行分解达到平衡负载的目的。 多层结构与三层结构相比，主要是在业务逻辑层增加了更多的逻辑处理单元，以根据不同客户的请求情况分别予以高效处理。,多层体系结构应用例一,Atuodesk企业版GIS Atuodesk企业版提供了一种真正的多层体系结构来支持地理空间数据。,数据层,整个企业级空间信息系统的基础，空间数据的组织和管理层（Oracle）,应用层,Autodesk 的GIS设计服务器的一层，GIS设计服务器主要为企业应用提供各种矢量地图服务,客户端,桌面程序,Web服务器,Autodesk实现了Web服务器与数据层、设计服务器和客户端的桌面系统间的有效结合,浏览器,浏览器是用户通过Internet进行访问的数据表示层 （MapGuide）,多层结构应用例二,Any* GIS(日立公司)的系统结构,三种不同的客户端接口可以适应公司的使用功能和商业各个方面的需求,Web服务器使得终端用户可以和标准Internet服务器相交互。Any* GIS应用服务器是Any* GIS的功能中枢，它提供空间数据的整合和转换功能,代表了存储在公司里的各种空间和非空间数据 。Geo-Adapter组件提供了一个读、写各种格式的空间数据的中间层，同时通过它还可以连接到其他厂商的GIS,多层体系结构,优点 使用多层结构设计、开发网络GIS应用系统时，系统将被分为不同的逻辑模块。因其能有效地平衡服务器端与客户端的负载，从而使系统的整体性能有较大提高，同时也使网络GIS变得比较安全、灵活，维护更加方便。,3.3 网络GIS数据组织与管理,空间数据的组织与管理一直是GIS理论与技术发展的基础问题，是GIS技术能否得到广泛应用并为用户提供高效服务的关键。 GIS数据组织与管理技术是指通过研究地表现象的表达方式，进而研究它们在计算机中的存储、管理和分析方法。,网络GIS数据组织与管理,空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，它为描述空间数据的组织和设计空间数据库模式提供了基本方法。 空间数据结构：不同空间数据模型在计算机内的存储和表达方式。,网络GIS数据组织与管理,例如通过地理认知可将地表现象抽象为点、线、面、体等四种类型，为了在计算机中再现这些地表现象，根据计算机科学的有关理论和技术(如计算机图形学、数据库、数据结构等)，人们又按照点、线、面、体的组织方式选择合适的数据模型和数据结构来实现地表现象的可视化表达，这是建立任何GIS的基础和前提。,网络GIS数据组织策略,人们对现实世界的地理现象通过认知和抽象，把地理实体用数学上的一些基本几何形体(如点、线、面以及栅格单元等)来进行结构化表达，这种抽象与表达方法为基于分层的数据组织奠定了基础。 现实世界是一组具有高度相关结构的物质实体，这些实体拥有一组允许人们在相似性基础上进行分类的共同属性，人们可以通过实体的这些属性和关系的共性来认识和表达地理实体，即通过地理特征来认识客观世界，这就是基于地理特征的数据组织方法。,网络GIS数据组织策略,基于分层的数据组织 主要在矢量和栅格数据以及关系数据模型的基础上使用分层的方法来组织数据 * “层”是GIS中最重要的基本概念之一；* “分层”是目前GIS数据组织的最基本的方法之一。,矢量结构中的分层往往是基于几何要素分类(如点类、线类、面类和体类等)而实现的。在这种分层组织方式中，GIS的地理空间数据由若干个图层及相关属性数据组织而成，每个空间数据图层又以若干个空间坐标的形式存储。矢量空间数据的分层组织可概括为：坐标对空间对象图层地图 。,基于分层的数据组织,分层组织中的信息可按以下方法分类： -地图集，是地理数据组织中的顶层信息，实现对各个地图的管理，主要包含有地图引用(表名、地图层数等)、地图坐标(坐标系统、配准信息等)及地图描述(访问权限、地图说明等)等信息。 -图层集，是由多个空间图层组成的能满足一定应用需求的图层集合，包含有组成图层集的图层引用(图层标号、图层表名)、图层空间索引(大小、标号、表名)、图层显示、图层坐标范围(坐标最大、最小值)等信息。 -图层，是由多个具有某些相同或相似特性的同种类型的空间对象组成的集合，包含有以下信息：空间对象的标识(标号、名称)、描述(名称、特征属性、类型)及几何表示(坐标的二进制大对象形式BLOB数据类型)。,基于分层的数据组织,缺陷 对现实世界中的地理现象进行几何抽象往往忽视了地理现象的本质特性及现象之间的内在复杂联系，导致获取的空间信息被极大地简化，降低了GIS的信息容量。 注重空间位置的描述，较少考虑以分类属性和相互关系为基础的结构化实体的内在规律描述，致使空间分析能力相对较弱。 分层叠加的方法把现实世界划分为一系列具有严格边界的图层，但这些边界并不能充分反映客观现实，从而造成了许多人为误差。,基于特征的数据组织,针对分层组织存在的缺陷，要对地理现象进行合理抽象和简化，就需要一个高度统一的框架对地理现象和地理数据进行规范化的理解、表达和组织。 地理特征的概念 特征是对地理现象的高度抽象和全面表达，它包括地理现象在空间、时间和专题等方面的所有信息,基于特征的数据组织,基本思想是把地理特征作为地理空间信息的基本单元，利用地理特征来表达和描述地球空间上客观存在的实体。地理特征用位置和类别来进行刻画，位置和类别又由属性和关系来刻画 。一个地理特征既是一个地理实体又是一个表达对象，形式上被定义为具有共同属性和关系的一组现象，其中，位置与类别的属性和关系是必要的。,基于特征的数据组织,优点 采用基于特征的方法认识和表达客观世界，可以在数据模型的层次上实现地理现象的规范化理解与表达，形成地理现象的统一框架，较好地保证地理现象表达的完备性与一致性； 根据特征的生命周期特性和它具有的动态变化特点，有利于实现时空专题信息的集成和分析； 在基于特征的GIS中，特征可以通过聚集或联合形成更为复杂的特征。,2019/8/7,空间数据库,33,空间数据库管理系统 空间数据库的系统结构 分布式数据库,网络GIS数据管理,2019/8/7,空间数据库,34,数据库管理系统是处理数据库存取和各种管理控制的软件，应用程序对数据库的操作全部通过DBMS进行。,1 空间数据库管理系统,空间数据库管理系统,2019/8/7,空间数据库,35,提供书写各种模式的语言及其支撑软件，并把各种定义信息也存贮于系统之中。它勾画出数据库的框架。,1 空间数据库管理系统,2019/8/7,空间数据库,36,应用数据装入数据库 a)键盘输入； b)接受另一个系 统 的数据文件,1 空间数据库管理系统,2019/8/7,空间数据库,37,运行控制 数据存取、更新 数据完整性、有效性 数据共享,1 空间数据库管理系统,2019/8/7,空间数据库,38,重新定义 数据重新组织 性能监督与分析 数据库整理 故障恢复,1 空间数据库管理系统,2019/8/7,空间数据库,39,操作系统接口处理 各种语言接口 远程操做接口处理,1 空间数据库管理系统,2019/8/7,空间数据库,40,2 空间数据库管理员,决定数据库的信息内容 决定存储结构和存储策略 决定系统的保护策略 监督系统工作 数据库的改进和重组,2019/8/7,空间数据库,41,（1）用户级 用户使用的数据库对应于外部模式，它是用户与数据库的接口，也就是用户能够看到的那部分数据库，它是数据库的一个子集。 （2）概念级 概念数据库对应于概念模式，简称模式，是对整个数据库的逻辑描述，也就是数据库管理员看到的数据库。 （3）物理级 物理数据库对应于内模式，又称为存贮模式，内模式描述的是数据在存贮介质上的物理配置与组织，是存放数据的实体，也是系统程序员才能看到的数据库。,1 空间数据库的系统结构,二、空间数据库的系统结构,重点,2019/8/7,空间数据库,42,子模式/模式映射,模式/存储模式映射,2数据库的系统结构,概念数据库,存储模式,用户数据库,物理数据库,2019/8/7,空间数据库,44,3 应用程序对数据库的访问,2019/8/7,空间数据库,45,4 文件与关系数据库混合管理系统,图形与属性结合的混合处理模式,GIS 通过DBMS提供的高级编程语言环境下，直接操纵属性数据，查询属性数据库，并在GIS的用户界面下，显示查询结果。,GIS软件商只需开发GIS与ODBC的接口软件，就可将属性数据与任何一个支持ODBC的RDBMS连接。这样用户可在一个界面下处理图形和属性数据。,2019/8/7,空间数据库,46,将图形数据的变长部分处理成Binary Block字段（多媒体或变长文本）。省去大量关系连接操作，但Binary Block的读写效率比定长的属性字段慢得多，特别涉及对象的嵌套时，更慢。,5 全关系数据库管理系统,2019/8/7,空间数据库,47,DBMS软件商在RDBMS中进行扩展，使之能直接存储和管理非结构化的空间数据，如Informix 和Oracle等都推出了空间数据管理的专用模块，定义了操纵点、线、面、圆等空间对象的函数。 主要解决空间数据的变长记录的管理，效率比二进制块的管理高得多，但仍没有解决对象的嵌套问题，空间数据结构不能由用户定义，用户不能根据要求再定义，使用上受一定限制。,GIS应用,空间数据管理的专用模块,商用DBMS,空间和属性数据库,6 对象关系数据库管理系统,2019/8/7,空间数据库,48,面向对象模型最适合于空间数据的表达和管理，它不仅支持变长记录，且支持对象的嵌套，信息的继承和聚集。 允许用户定义对象和对象的数据结构及它的操作。可以将空间对象根据需要，定义合适的数据结构和一组操作。这种空间数据结构可以带和不带拓扑，当带拓扑时，涉及对象的嵌套、对象的连接和对象与信息聚集。 面向对象的地理数据模型的核心是对复杂对象的模拟和操纵。,7 面向对象空间数据库管理系统,MySQL 空间数据扩展,OpenGIS几何模型,Geometry（非实例化） Point、LineString、Polygon、GeometryCollection、MultiPoint、MultiLineString和MultiPolygon定义为可实例化类 Geometry属性： 类型：可被实例化的类型 空间参考ID：坐标系,OpenGIS 空间数据格式,文本格式-WKT Point： POINT(15 20) 具有4个点的LineString： LINESTRING(0 0, 10 10, 20 25, 50 60) 其它： MULTILINESTRING(10 10, 20 20), (15 15, 30 15) MULTIPOLYGON(0 0,10 0,10 10,0 10,0 0),(5 5,7 5,7 7,5 7, 5 5) GEOMETRYCOLLECTION(POINT(10 10), POINT(30 30), LINESTRING(15 15, 20 20),二进制(WKB)格式,与POINT(1 1)对应的WKB值由下述21字节序列构成（在此，每个字节由2个十六进制数值表示）： 0101000000000000000000F03F000000000000F03F 该序列可分为下述部分： Byte order : 01 WKB type : 01000000 X : 000000000000F03F Y : 000000000000F03F 表示如下： 字节顺序（Byte order）可以是0或1，分别表明little-endian或big-endian存储。little-endian和big-endian字节顺序也分别称为网络数据表示（NDR）和外部数据表示（XDR）。 WKB type（WKB类型）是指明几何类型的代码。取值从1到7，分别表示Point、LineString、Polygon、MultiPoint、MultiLineString、MultiPolygon、和GeometryCollection。 Point值具有X和Y坐标，每个值均用双精度值表示。,MySQL空间数据库操作,插入： INSERT INTO geom VALUES (GeomFromText(POINT(1 1); 数据查询： SELECT AsText(g) FROM geom;,MBRContains(g1,g2) 返回1或0以指明g1的最小边界矩形是否包含g2的最小边界矩形。 mysql SET g1 = GeomFromText(Polygon(0 0,0 3,3 3,3 0,0 0); mysql SET g2 = GeomFromText(Point(1 1); mysql SELECT MBRContains(g1,g2), MBRContains(g2,g1); -+-+ | MBRContains(g1,g2) | MBRContains(g2,g1) | +-+-+ | 1 | 0 | +-+-+,2019/8/7,空间数据库,55,1 数据库系统的客户/服务器体系结构,服务器集中管理核心资源，客户机完成具体应用； 提出了三层Client/Server模型。三层客户/服务器结构构建了一种分割式的应用程序，系统对应用程序进行分割后，划分成不同的逻辑组件，即用户服务层、业务处理层、数据服务层 ； 空间数据库服务器、客户机和网络,三、分布式数据库,重点,2019/8/7,空间数据库,56,但是随着数据库应用的不断发展，人们逐渐地感觉到过份集中化的系统在处理数据时有许多局限性。例如，不在同一地点的数据无法共享；系统过于庞大、复杂，显得不灵活且安全性较差；存储容量有限不能完全适应信息资源存储要求等等。,2 分布式数据库（Distributed Database）产生,地理信息的区域性 地理信息的专题性 空间数据分片 数据模型异构 异构数据源,2019/8/7,空间数据库,57,分布式数据库是一组结构化的数据集合，它们在逻辑上属于同一系统而在物理上分布在计算机网络的不同结点上。网络中的各个结点（也称为“场地”）一般都是集中式数据库系统，由计算机、数据库和若干终端组成。,定义,3 分布式数据库定义,2019/8/7,空间数据库,58,表面上看，分布式数据库的数据分散在各个场地，但这些数据在逻辑上却是一个整体，如同一个集中式数据库。因而，在分布式数据库中就有全局数据库和局部数据库这样两个概念。 所谓全局数据库就是从系统的角度出发，指逻辑上一组结构化的数据集合或逻辑项集； 而局部数据库是从各个场地的角度出发，指物理结点上各个数据库，即子集或物理项集。 这是分布式数据库的“逻辑整体性”特点，也是与分散式数据库的区别。,4 分布式数据库体系结构,2019/8/7,空间数据库,59,场地1 T1 T2 T3,DB1,计算机1,分布式空间数据库管理系统,分布式数据库系统,5 分布式数据库体系结构,网络,网络,网络,2019/8/7,空间数据库,60,分布式多空间数据库系统的集成技术； 分布式多空间数据库系统的全局空间索引； 空间查询的处理和优化； 事务管理、并发控制。,6 分布式数据库的关键技术,2019/8/7,空间数据库,61,1 空间数据互操作,多源空间数据 （多时空性、多尺度、多数据源、多数据格式、分类体系） 异构数据的集成和共享 空间数据互操作 对系统而言：能彼此更安全地获取和处理对方的信息； 对用户而言：方便地查询到所需的信息，并方便地使用各种不同类型和格式的数据； 对系统管理员：管理信息，将资源充分提供给用户；,3.4 网络GIS的数据共享,2019/8/7,空间数据库,62,2 空间数据相关标准,SDTS (Spatial Data Transfer Standard)空间数据转换标准 包括几何坐标、投影、拓扑关系、属性数据、数据字典、栅格与矢量格式等不同数据格式的转换标准,OpenGIS 不同空间数据之间、数据处理功能之间的相互操作及不同系统或部门之间的信息共享 其核心是规范： OGIS 开放式地理数据互操作规范,统一的标准协议进行通信,2019/8/7,空间数据库,63,3 空间数据互操作的实现方法,数据格式转换 基于直接访问模式 基于公共接口访问模式 API函数或SQL的接口规范 XML的空间数据互操作规范,数据格式互换模式 通过把其他格式的数据经过专门的转换软件进行转换，变成本系统可以识别与利用的数据格式，以此来达到不同系统间的数据间接共享的目的。 缺点 ： -转换后不能完全准确表达源数据的信息 -数据转换过程复杂、频繁，易产生数据不一致