（自然地理学专业论文）开源webgis技术在城市灾害研究中的应用——以上海市为例.pdf

上海师范大学硕士学位论文 摘要 社会发展正面临着严峻的考验，人口和环境的脆弱性不断加大。城市是人类活 动的集聚空间，是区域经济、政治、文化等的主要载体。近年来，城市灾害种类多 样，危害程度越来越大，已经成为全世界关注的焦点。1 9 9 9 年，国际上就设立了全 球环境变化与人类安全综合研究计划( g e c h s ) ，重视自然灾害与城市脆弱性的研究。 现代城市由于人口和财富等的大量聚集，大大改变了原有的自然条件与社会环境， 人类的一切活动对城市各种功能的依赖性日益增强，而城市的抗灾性与安全性则越 来越差。随着经济发展和城市现代化进程的加快，利用g i s 等先进的技术手段来提高 城市的防灾抗灾能力，已经成为城市公共安全的一项紧迫任务。 w e b g i s 是在i n t e r n e t 或i n t r a n e t 网络环境下的一种存储、处理、显示、分析和 应用地理信息的计算机信息系统。即采用浏览器服务器的计算模式通过i n t e r n e t 发布电子地图，实现g i s 中的功能。在这项技术中，可以充分使用开源软件( 绝大多 数为免费) ，形成低成本高效率的架构。 本文在系统归纳和总结国内外现有的开源w e b g i s 技术以及具体应用实例的基 础上，结合城市灾害研究的相关理论知识，建立城市灾害数据库，开发配套空间分 析工具集，并构建基于开源w e b g i s 的城市灾害信息系统，从而提高灾害数据库和空 间分析工具集的设计水平，丰富城市灾害信息系统的构建方法，为城市灾害研究工 作提供可靠的分析工具、系统平台和技术支持，也为开源w e b g i s 技术的其它应用提 供有力的参考。主要得出以下结论： ( 1 ) 开源软件成本低廉，且在效率上并不逊色于大多数商业软件，不失为建立 w e b g i s 的良好选择。( 2 ) 基于对象关系型数据库p o s t g r e s q l 和配套的空间数据库 引擎p o s t g i s ，完成了上海城市灾害数据库的建设。( 3 ) 开发了空间分析工具集， 实现了查询统计、空间量算、专题制图、结果输出等功能。对各种工具进行分类管 理，保证它们既各自独立，又能相互搭配使用。( 4 ) 采用a p a c h e + m a p s e r v e r + p o s t g r e s q l + p h p 的架构，建立了基于开源w e b g i s 的上海城市灾害信息系统。 关键词：开源w e b g i s ；城市灾害；数据库；空间分析：信息系统；上海 上海师范大学硕士学位论文摘要 t h ea p pi ic a tio no fo p e ns o ur c ew e b gist e c h n oio g yint h e r e s e a r c ho fu r b a ndis a s t e r ：s h a n g h aic a s es t u d y a b s t r a c t s o c i a ld e v e l o p m e n ti sf a c i n gas e v e r et e s t ，t h ev u l n e r a b i1it yo f p o p u l a t i o n a n de n v i r o n m e n ti si n c r e a s i n gc o n s t a n t l y t h ec i t yi sa c o n c e n t r a t i o ns p a c eo fh u m a na c t i v i t ya n dm a i nc a r r i e ro fr e g i o n a le c o n o m i c ， p o li t i c a l ，c u l t u r ea n ds oo n i nr e c e n ty e a r s ，u r b a nd i s a s t e r sh a dal o to f t y p e s ，t h ed a m a g ew a si n c r e a s i n gc o n s t a n t l ya n d h a db e c o m e af o c u so f a t t e n t i o na r o u n dt h ew o r l d i n1 9 9 9 t h ei n t e r n a t i o n a lg l o b a le n v i r o n m e n t a l c h a n g ea n dh u m a ns e c u r i t yr e s e a r c hp r o g r a m ( g e c h s ) h a db e e ne s t a b l i s h e d ，t h e p r o g r a ma t t e n ti o nt ot h er e s e a r c ha b o u tn a t u r a ld is a s t e r sa n dv u l n e r a b i 1 it y o fu r b a n b e c a u s eo ft h el a r g en u m b e ro fa g g r e g a t i o no fp o p u l a t i o n ，w e a l t h a n ds oo n ，t h em o d e r nc i t i e sc h a n g et h eo r i g i n a ln a t u r a lc o n d i t i o n sa n ds o c i a l e n v i r o n m e n tg r e a t i y a 1 lh u m a na c t i v i t i e sa r eg r o w i n gd e p e n d e n c eo nt h e v a r i o u sf u n c t i o n so ft h ec i t y ，b u tt h er e c o v e r ya n ds e c u r i t yo ft h ec i t yi s g e t t i n gw o r s e a l o n gw i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n d t h ep r o c e s so fu r b a n m o d e r n i z a t i o nb e c o m ef a s t ， u s em e a n so fa d v a n c e dt e c h n o l o g ys u c ha sg i st o i m p r o v et h ec a p a c i t yo fd i s a s t e rp r e v e n t i o na n dr e s i li e n c eo ft h ec i t yh a s b e c o m ea nu r g e n tt a s ko fp u b l i c s a f e t yo ft h ec i t y w e b g i si sac o m p u t e ri n f o r m a t i o ns y s t e mw h i c hc o u l ds t o r a g e ，p r o c e s s ， d is p l a y ，a n a l y z ea n da p p l yg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ni nt h ee n v i r o n m e n to f i n t e r n e to ri n t r a n e t i tu s e st h ec o m p u t i n gm o d e lo fb r o w s e r s e r v e ra n d p u b l i s h e se l e c t r o n i cm a pw i t hi n t e r n e t ，t h e ni tw i l la c h i e v et h ef u n c t i o n s o fg i s i nt h ist e c h n o l o g y ，t h e r ea r em a n yo p e ns o u r c es o f t w a r e ( m o s to ft h e m a r ef r e e ) c o u l db eu s e dt of o r m a t i o nas t r u c t u r ew h i c hi sc o s t - e f f e c t i r e i i i 上海师范大学硕士学位论文 摘要 t h i sa r t i c l ei sb a s e do ns u m m a r i z ea n ds u mu pt h et e c h n o l o g yo fo p e n s o u r c ew e b g i sa n di t sa p p l i c a t i o n sw h i c ha r ee x i s t i n gh o m ea n da b r o a dr i g h t n o w c o m b i n et h et h e o r e t i c a lk n o w l e d g er e l a t e dt ou r b a nd i s a s t e r ，e s t a b l i s h u r b a nd i s a s t e rd a t a b a s e ，d e v e l o ps p a t i a la n a l y s i st o o l k i t ，a n dc o n s t r u c t u r b a nd i s a s t e ri n f o r m a t i o ns y s t e mw h i c hb a s eo no p e ns o u r c ew e b g i s a l lt h e s e w i l lr a i s ed e s i g ns t a n d a r d so fd i s a s t e rd a t a b a s ea n ds p a t i a la n a l y s i st o o l k i t ， e n r i c hc o n s t r u c t i o nm e t h o do fu r b a nd i s a s t e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ，p r o v i d e s c r e d i b l ea n a l y s i st o o l ，s y s t e mp l a t f o r ma n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h es t u d y o fu r b a nd i s a s t e r a tt h es a m et i m e ，p r o v i d eas t r o n gr e f e r e n c ef o ro t h e r a p p li c a t i o n so fo p e ns o u r c ew e b g i s t h em a i nc o n c l u s i o n sa r e ： ( 1 ) t h eo p e ns o u r c es o f t w a r ei sl o w c o s t 。a n dn o tw o r s et h a nm o s t c o m m e r c i a ls o f t w a r eo ne f f i c i e n c y i ti sag o o dc h o i c ef o rd e v e l o p i n g w e b g i s ( 2 ) f i n i s ht h ec o n s t r u c t i o no fs h a n g h a iu r b a nd i s a s t e rd a t a b a s eb a s e d o nt h eo b j e c t r e l a t i o n a ld a t a b a s ep o s t g r e s q la n ds p a t i a ld a t a b a s ee n g i n e p o s t g i s ( 3 ) d e v e l o pt h es p a t i a la n a l y s i st o o l k i tt oa c h i e v ef u n c t i o n so f q u e r ys t a t i s t i c s ，s p a c ec a l c u l a t i o n ，t h e m a t i cm a p p i n g ，t h er e s u l t so ft h e o u t p u ta n ds oo n m a n a g et h ev a r i o u st o o l sb yc a t e g o r i e s ，e n s u r et h e i r i n d e p e n d e n c ea n da l s ot h e yc o u l du s ee a c ho t h e r “) d e v e l o ps h a n g h a iu r b a n d i s a s t e ri n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e do no p e ns o u r c ew e b g i sb yu s i n ga p a c h e ， m a p s e r v e r ，p o s t g r e s q la n dp h p k e yw o r d s ：o p e ns o u r c ew e b g i s ：u r b a nd i s a s t e r ：d a t a b a s e ：s p a t i a la n a l y s i s ： i n f o r m a t i o ns y s t e m ；s h a n g h a i i v 1 - 海师范火学硕一l ：学位论文学位论文独创性声明。j 论文使用授权声明 学位论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均己在论文中做了明确的声明并表 示了谢意。 论文作者签名：陈词 同期：口7 年月培同 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 论文作者签名：陈司 翩签名：陶 同期：毋月帅 同期：伊，月8 f i 8 5 上海师范大学硕士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 ，1 选题背景与研究意义 当前，防御和减轻灾害是世界各国共同面临的重大问题。自然灾害与人为灾害 相互交织，不仅给资源和环境造成深远破坏，还严重地危害社会经济的可持续发展。 联合国秘书长安南在2 0 0 0 年1 0 月11 日国际减灾日文告中曾指出：我们的世界比以 往任何时候更容易受到灾害和伤害。2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初以来，联合国倡 导开展了“国际减轻自然灾害1 0 年”活动，在很大程度上促进了全球对减轻自然灾 害问题的研究乜3 。我国自然地理条件复杂，生态环境基础脆弱，灾害发生的频率高、 强度大，是世界上少数几个受灾最严重的国家之一，常年受灾人口在2 亿人次以上。 随着国民经济的发展、生产规模的扩大和社会财富的增长，灾害造成的损失也逐年 上升。近十年来，每年自然灾害造成的经济损失都在1 0 0 0 亿元以上口1 。2 0 0 8 年是中 国的多灾之年，年初的雪灾和5 1 2 汶川大地震，给人民群众的生产生活造成重大 损失，对人民群众的生命和财产构成严重威胁。 由于人口和环境的脆弱性不断加大，社会发展正面临着严峻的考验n 吲。城市是 人类活动的集聚空间，是区域经济、政治、文化等的主要载体】。近年来，城市灾 害种类多样，危害程度越来越大，已经成为全世界关注的焦点盯3 。1 9 9 9 年，国际上 就设立了全球环境变化与人类安全综合研究计划( g e c h s ) ，重视自然灾害与城市脆弱 性的研究旧3 。现代城市由于人口和财富等的大量聚集，大大改变了原有的自然条件 与社会环境，人类的一切活动对城市各种功能的依赖性日益增强，而城市的抗灾性 与安全性则越来越差怕3 。随着经济发展和城市现代化进程的加快，利用g i s 等先进的 技术手段来提高城市的防灾抗灾能力，已经成为城市公共安全的一项紧迫任务。 w e b g i s 是i n t e r n e t 技术和w w w 技术应用于g i s 开发的产物，它将目前作为信息发 布共享平台的w e b 作为一个能够承载地理空间信息的平台，在w e b 上提供对地理空间 数据的访问n 引。运用这项技术，可以通过互联网分布式的进行地理空间信息的查询 上海师范大学硕士学位论文第1 章绪论 与分析，并支持辅助决策。这种分布性既减轻了服务器端的负担，同时也提高了用 户端的访问速度。而且充分使用开源软件( 绝大多数为免费) ，在系统功能不受影 响的前提下，保证了成本的低廉。因此，应用开源w e b g i s 技术，可以使城市防灾减 灾工作的分析、预测、模拟和决策更为科学。 上海地处海、陆结合部，人口、经济要素密集，是人流、物流、信息流高度汇 集和发散之地，同时也是我国城市灾害多发的特大城市之，属于沿海灾害敏感带， 承受着来自海陆二向的自然灾害和特大城市固有的人为灾害的双重困扰。对于上海 这样一个国际化大都市而言，灾害造成的影响将会辐射全国。可以说，提高上海市 对灾害的承受能力，最大限度地减少灾害损失，对上海市的防灾减灾工作具有重要 意义。因此，本文以上海市为例，结合实际情况，运用开源w e b g i s 技术，构建了城 市灾害信息系统平台和数据库，开发了空间分析工具集，不仅可以为降低城市灾害 风险与影响提供技术支持，还可以丰富、充实和发展我国在城市灾害研究工作中应 用g i s 技术的理论和方法，具有较高的科学价值与现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国际研究现状 近年来，国际上对减灾和灾害风险做了大量研究工作。2 0 0 2 年1 2 月世界银行 灾害管理部与p r o v e n t i o n 联盟举办了“灾害风险的未来：建立更安全的城市研讨 会，同时编撰出版了论文集n 。2 0 0 4 年由u n d p 发表一份全球报告，题目是降低 灾害风险：对发展的挑战n 别。由美国哥伦比亚大学和p r o v e n t i o n 联盟共同完成了 “自然灾害热点( h o t s p o t s ) 计划”，其研究成果自然灾害热点：全球风险分析 n 引，以及自然灾害热点：案例研究m 1 已公开发表。灾害风险指标( d r i ) 首次给 出了全球国家级的人类脆弱性，创建了两个全球性的脆弱性指标，而h o t s p o t s 计划 提出了3 个灾害风险指标，并且编制了全球多个单灾种亚国家级的灾害风险图。继 h o t s p o t s 计划之后，p r o v e n t i o n 联盟与u n d p 又启动了“全球风险辨识计划( g r i p ) ”， 这是一个全球性评估、辨识和分析灾害风险和损失的计划，目标是为降低灾害风险 的决策提供重要信息，并帮助确定降低风险投入的优先领域5 1 。 2 上海师范大学硕士学位论文第1 章绪论 在开源w e b g i s 方面，国际上已有多种软件平台，但基本都是采用j a v a 或c c + + 这两种工具开发的。使用j a v a 的主要有：d e e g r e e 、o p e n m a p 、g e o s e r v e r 、g e o t o o l s 、 u d i g 、m a p b u il d e r 等，使用c c + + 的主要有：g r a s s 、m a p s e r v e r 等。所有这些开源 软件平台大都遵循g p l ( g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ，通用公共许可证) 或l g p l ( l e s s e r g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ，次级通用公共许可证) 授权协议，不仅可以兼容e s r i s h a p e f il e 、m a p i n f o 、o r a c l e 等商业软件的数据格式，同时也提供了针对m y s q l 、 p o s t g l s 等开源软件的可靠接口。 在灾害研究工作中，国际上已经出现了一些应用开源w e b g i s 技术的成功案例。 从这些项目的开发过程来看，基本都是以原有的灾害数据库为基础，增加配套的网 络版系统平台或工具集，除了保留数据库提供的信息查询和数据下载等常规功能， 更升级出g i s 或空间分析以及网络数据共享等功能。比较著名的例子有：历史灾害 数据库o e s l n v e n t a r 、全球级别的紧急灾害数据库e m - d a t 、慕尼黑再保险公司灾害 数据库n a t c a t 、瑞士再保险公司数据库s i g m a 等。 1 2 2 国内研究现状 自上世纪8 0 年代以来，国内学者逐渐开始关注城市灾害与风险研究。代表性 专著有金磊编著的城市灾害学原理n 胡和王绍玉、冯百侠所著城市灾害应急与 管理n ”。黄崇福等提出了城市自然灾害风险评价的一级和二级模型卜1 9 3 。而李杰 等通过分析火灾案例，对城市火灾风险进行了研究蛆们。罗培研制了基于g i s 的重庆 市地质灾害风险评估信息系统幢。徐向阳等研究了湖南省城市洪水灾害的主要成因， 提出了洪灾的防治对策口2 1 。史培军等依据灾害系统理论和中国自然灾害数据库，构 建并获得了城市脆弱性水平指数，将中国城市自然灾害风险划分为高、较高、中等、 较低和低风险5 个等级，编制了中国城市自然灾害风险评价图。许世远等对我国 沿海城市自然灾害研究的重点进行了探讨，提出当前应集中开展自然灾害风险实证 研究矧。 在开源w e b g i s 方面，国内也已经有了一些探索和尝试，但归结起来，还是主要 集中在相关理论和方法的研究以及服务器或信息系统的设计，较为成熟的具体应用 3 上海师范大学硕士学位论文第1 章绪论 还很少，并且只局限于个别专业领域。如熊静等研究了基于m a p s e r v e r 的遥感影像发 布系统瞳钔。龚灏等设计了基于p h p p o s t g r e s q l 的飞机装配检验信息系统乜引。刘旭林 等使用开源软件构建了基于w e b g i s 的气象信息显示和查询系统晗引。杨朝晖等开发了 基于开源w e b g i s 的网络房地产估价系统啪1 。朱俊丰等对基于开源平台的中小型 w e b g i s 应用进行了研究乜引。周波等研究设计了基于数字城市系统平台的g i ss e r v e r 服务器们。吕家恪等构建了三层结构的w e b g i s 应用系统，实现了矢量格式和栅格格 式空间数据的网络发布b 1 | 。宋现锋等探讨了开源代码技术的f l a s h 地图实现方法阳2 。 陈航等使用开源软件构建了w m s 服务器，研究了p h p 等开源工具在w e b g i s 中的应用口引。 汤焱彬等提出了一种中小城市实用的w e b g i s 架构方案口引。 1 2 3 不足之处 目前国际上关于开源w e b g i s 技术的应用日益增多，但涉及城市灾害研究的应用 还是相对较少，且过于依赖原有的灾害数据库，还没有形成完善的开源w e b g i s 系统 平台。虽然加入了w e b 服务和一定的g i s 模块，但总体来说，还都只是一些基础性 的功能。在诸如空间分析、专题制图等能充分发挥w e b g i s 技术优势的功能上尚显薄 弱，开发力度还不够。 与国际相比，国内在此项技术上起步较晚，从理论到实际应用都还处于初级阶 段，急需进一步加强。从国内研究现状来看，已有一些小范围或地方级的尝试，但 应用水平还比较低。主要是因为我国还没有统一规范的数据结构与标准，研究人员 的目标和所使用的构建方法也各不相同，造成相互之间缺乏兼容性，没有真正实现 开源w e b g i s 技术所强调的网络共享与互操作。另外，在城市灾害研究中的应用更是 风毛麟角，不仅缺乏完整的系统平台，同时也缺少能满足实际需求的配套空间分析 工具集和模型库。 1 3 研究内容与技术路线 1 3 1 研究内容 本文拟在系统归纳和总结国内外现有的开源w e b g i s 技术以及具体应用实例的 4 上海师范大学硕士学位论文第1 章绪论 基础上，结合城市灾害研究的相关理论知识，建立城市灾害数据库，开发配套空间 分析工具集，并构建基于开源w e b g i s 的城市灾害信息系统，从而提高灾害数据库和 空间分析工具集的设计水平，丰富城市灾害信息系统的构建方法，为城市灾害研究 工作提供可靠的分析工具、系统平台和技术支持，也为开源w e b g i s 技术的其它应用 提供有力的参考。具体研究内容包括： ( 1 ) 开源w e b g i s 技术 掌握开源w e b g i s 技术的基本原理和特点，明确所采用的体系结构：w e b 服务器 a p a c h e ：地图应用服务器m a p s e r v e r ；数据库p o s t g r e s q l 和编程语言p h p 。了解目 前开源w e b g i s 技术的主要应用。 ( 2 ) 建立城市灾害数据库 数据库是技术应用的根本，一切功能都建立在后台强大的数据库的基础之上。 采用加州大学伯克利分校计算机系开发的对象关系型数据库p o s t g r e s q l 。它功能丰 富，可以方便的存储和管理空间数据，并拥有高效的空间索引。为了便于使用和管 理，数据库又划分为若干个子数据库。如基础地理信息数据库、社会经济数据库、 灾情数据库等。 ( 3 ) 开发空间分析工具集 以实际应用范围和具体服务对象为依据，对所需要的空间分析工具集进行设计。 主要包括查询统计工具、空间量算工具、专题制图工具、结果输出工具等。 ( 4 ) 城市灾害信息系统的设计与实现 以满足实际应用需求为原则，具备w e b 信息发布、空间信息的存储与管理等基 本功能，提供了地图服务，可以满足多用户并发访问，并能实现专题地图、查询统 计与空间分析等功能。同时，开源架构保证了系统拥有很强的可扩展性，可以随时 增补新功能，以适应用户需求的变化。在实际应用中，以工作站为结点，形成分布 式的网络系统平台，实现局域网内或远程信息传输与共享。 1 3 2 技术路线 本文运用开源w e b g i s 技术，建立城市灾害数据库，开发相关空间分析工具集， 上海师范大学硕士学位论文第1 章绪论 构建城市灾害信息系统，为城市灾害研究工作提供了技术支持和分析工具，并辅助 管理与决策。具体技术路线如图1 - 1 所示： 6 图1 - 1 论文的技术路线 上海师范大学硕士学位论文第2 章开源w e b g | s 技术 第2 章开源w e b g i s 技术 i n t e r n e t i n t r a n e t 的兴起带动了g i s 的迅速发展，并使g i s 的应用更加广泛 和深入。开源w e b g i s 是在i n t e r n e t i n t r a n e t 网络环境下的一种兼容存储、处理、 分析和显示与应用地理信息的计算机信息系统。由于浏览器技术的普及，浏览器应 用的简单和易用等特点，基于浏览器的g i s 应用很快成为i n t e r n e t i n t r a n e t 构架 下应用的主流。开源w e b g i s 是指基于i n t e r n e t 平台，客户端的应用采用w w w 协议 的，运行在万维网上的地理信息系统。它利用互联网技术来扩腰和完善地理信息系 统。其核心是以w w w 为主要技术手段，在地理信息系统中使用h t t p 和t c p i p 标准， 实现互联网环境下的空间信息管理等地理信息系统的功能。与传统的g i s 相比，具 有b s 体系结构的开源w e b g i s 使得原来基于单机或局域网的g i s 扩展到整个因特 潮，这样地学数据和地学模型有可能在全球范国内共享。经过合理的组织，开源 w e b g i s 可以实现数据和模型的透明，为地球系统科学研究提供一个功能强大而又方 便的有效的途径。此外，开源w e b g i s 开发和应用管理的成本低、使用简单，能实现 真正的信息共享，并且平台具有很强的独立性、良好的可扩展性、更广泛的访问范 围、平衡高效的计算负载等诸多优点。 2 1 开源w e b g | s 技术的基本原理及特点 2 。1 。1 开源w e b gis 技术的基本原理 传统的单机g i s 软件或基于主机终端的g i s 软件在2 0 世纪8 0 年代后期逐渐向 局域网的c s 模式转变。随着越来越多的局域网接入因特网，g i s 软件在c s 体系 结构的基础上开始支持因特网的b s 模式。b s 模式的开源w e b g i s 技术是由数据库、 应用服务器和浏览器组成的三层体系结构( 如图2 1 所示) 。测览器通过h t t p 协议 向w e b 服务器提如数据请求；w e b 服务器通过定的数据库接口访问后台的数据库 服务器；由数据库服务器处理查询请求，然后将数据处理结果返圈给w e b 服务器；w e b 7 上海师范大学硕士学位论文第2 章开源w e b g s 技术 服务器再对数据库服务器传回的数据经过加工后传给客户端浏览器。在浏览器服务 器模式中，客户端只需安装通用的浏览器，因此极大的方便了网络管理。同时，基 于t c p i p 协议很好的解决了跨平台性，并且使不同的机型、操作系统能相互兼容。 图2 1 开源w e b g i s 的三层体系结构 总结起来，开源w e b g i s 技术的原理并不复杂，主要流程如下： ( 1 ) 首先，设计一个可以交互的w e b 页( 可以应用a s p 、p h p 、a s p n e t 、j s p 等，商用w e b g i s 大多选择除了p h p 的其他语言，而开源w e b g i s 大都选择了p h p ) ， 通过此w e b 页，向w e b 服务器提交有关g i s 服务的请求。 ( 2 ) 此请求会包含对地图数据的请求，包括查询等，请求会通过w e b 服务器提 交给地图应用服务器。 ( 3 ) 地图应用服务器可以使用几种技术，c g i 、c o m 、j a v as e r v e r l e t 或者n e t 技术、w e bs e r v i c e 技术，通过这些组件包装已有的g i s 软件，获取客户端的请求， 将用户需求转化为具体的操作，返回需求的数据( 一般是一个地图图片或者查询的 数据集) ，这个过程称为地图的r e n d e r ，实际上也是最为耗时的操作。 ( 4 ) w e b 服务器获取了地图应用服务器返回的图片，然后作为一个w e b 页返回 到客户端。 3 上海师范大学硕士学位论文第2 章开源w e b g i s 技术 2 1 2 开源w e b 6is 技术的特点 开源w e b g i s 技术是以网络为中心的，使用w w w 作为主要技术手段，是g i s 技术 和w w w 技术的有机结合。同时，使用了h t t p 和t c p i p 标准，实现互联网环境下的 空间信息管理等功能。因此，w w w 的特点决定了开源w e b g i s 技术的特点。具体如下： ( 1 ) 基于i n t e r n e t i n t r a n e t 标准 开源w e b g i s 支持i n t e r n e t 网络通信和t c p i p 、h t t p 协议。用户可以使用通用 的浏览器浏览开源w e b g i s 站点中的空间数据，制作专题地图，以及进行各种空间检 索和空间分析。支持通信标准对开源w e b g i s 来说是至关重要的，这意味着它能与互 联网上任何地方的数据相连，不论是单位内部或外部。实现这一层次的网络协议标 准化是实现其他所有功能要求的基础和前提，也是开源w e b g i s 结构优越性的前提。 ( 2 ) 分布式服务体系结构 应用j 2 e e 、d c o m 、c o r b a 以及n e t 等技术方法可以构造分布式体系结构的开源 w e b g i s 。分布式结构通过高速互联网把分布在不同地理位置的计算机、存储设备、 路由设备、输入输出设备等连接起来处理数据，实现功能，并将各种负载均衡地分 散到众多设备上，使系统整体性能更佳。分布式处理能显著的降低带宽的要求并最 大限度地发挥现有计算机资源的利用率，提高系统的性能，并允许用户嵌入自己定 制的服务，既可以使用本地的数据，也可以使用分布的数据集。 ( 3 ) 集成的客户n 务器系统 无论开源w e b g i s 的实现方式如何，都可以把它简单地划分为：客户端、服务器 端、网络服务三层体系结构。客户端与服务器端通过t c p i p 协议或者专用空间数据 通信协议进行连接。客户端发出请求，服务器端使用数据分析工具执行客户请求， 并进行运算，然后把请求数据或执行结果返回给客户。 ( 4 ) 独立的平台和友好的用户界面 开源w e b g i s 使用通用的浏览器作为用户使用界面。用户通过浏览器发送自己的 请求，浏览器将客户请求发送到服务器，服务器再将结果返回给客户端浏览器。对 客户端而言，服务器的处理方式是透明的。用户不用关心服务器端采用什么操作系 统和软件。由于大多数人都会使用浏览器，所以开源w e b g i s 的使用人员也不用经过 9 上海师范大学硕士学位论文第2 章开源w e b g i s 技术 专门的培训。这样一来，便使之走向千家万户，成为了大众化的工具。 ( 5 ) 更大的效益投资比 与以往的g i s 系统相比，利用i n t e r n e t 的基础设施，以极少的投资就可以建立 一套覆盖整个企业甚至行业范围的空间信息系统。用户可以仅仅使用通用浏览器而 不需购买任何专门的g i s 软件便可从中获益。 ( 6 ) 协同性 遍布全球的代理商可以直接为用户发布数据并提供服务。用户可以将广泛分布 的数据和本地数据结合在一起，使用不同地区的主机协同工作。这种技术使得全球 的存储在g i s 数据库中的现有的空间信息发挥出巨大的效力。开源w e b g i s 的用户可 以在任何时间、任何地点共享和使用彼此的数据。g i s 数据现势性决定了g i s 数据 库和应用程序必须时常更新。部署在网络不同节点上的管理员可以更新自己所负责 的部分，一旦更新它们对于i n t e r n e t 上的用户都将是最新的可用数据和应用程序。 ( 7 ) 多源数据的集成 g i s 的迅速发展和广泛应用导致了多源空间数据的产生。随着w e b 的广泛应用， g i s 面对的是一个松散的开放性的网络，它蕴藏着无穷的信息资源。开源w e b g i s 如 何访问外源数据库，并从中迅速检索出所需要的信息，是开源w e b g i s 系统集成的新 的内涵。这种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。方法集是由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 2 开源w e b gis 技术的开发方式 一般来讲，开源w e b g i s 的开发分为两类，即服务器端和客户端这两种解决方案， 它们主要是根据图形属性数据所处的逻辑位置的不同而划分的。当然，有些应用也 可以采取折中的平衡方案。 开源w e b g i s 开发最初采用的是通用网关接口( c g i ) 技术，以及相继发展起来 的i d c 、a s p 、i s a p i 、n s a p i 等技术方法，后来又产生了被称为“插件( p l u g - i n ) 的应用技术。目前比较流行的技术，一是j a v a 语言，包括j a v a 小程序a p p l e t 和 1 0 上海师范大学硕士学位论文 第2 章开源w e b g l s 技术 j a v a 虚拟机技术( v r m ) 等；二是采用a c t i v e x 控件及c o m 组件对象模型等网络开 发技术。下面针对几种常见的开发方式分别作简要介绍。 ( 1 ) c g i c g i 是w e b 服务器调用外部程序的接口。通过c g i ，外部程序可以与w e b n 艮务器建 立关联，并对客户端的请求做出反应。根据这一原理。从理论上讲，任何一个地理 信息系统软件都可以通过c g i 与w e b 连接起来，客户端用户通过w e b 浏览器发出请求， 服务器通过c g i 把这一请求转发给g i s 应用程序，g i s 应用程序根据请求生成用户所需 的地理信息递交服务器，服务器再将结果传回给远程用户。c g i 模式的优点是：灵活 性强，可以用任何一种能运行在服务器上的语言如v b 、c + + 、p e r l 等编写。客户端无 需安装任何插件，基本上没有任何负担，所有操作和分析都是由服务器来完成，可 充分利用服务器的资源。缺点是：程序设计复杂，对访问用户多的网站，将会大大 加重服务器的负担，效率迅速下降。 ( 2 ) p l u g i n 插件法是由美国网景公司( n e t s c a p e ) 开发的可增力h w e b 浏览器功能的技术方法 之一。它提供了一组应用程序接口( a p i ) ，可用于研制和w e b 浏览器直接交换信息的 专门的w e b g i s 软件包。插件使w e b 页提供者不必等待支持它们的标准，可以随时加进 去新的内容。音频、视频、矢量图形和商业客户应用程序等都可以是w e b 页面上的有 效内容。在w e b g i s 领域，应用这种插件技术的主要有a u t o d e s k 公司的m a p g u i d e ( 插件 为v i e w e r ) ，i n t e r g r a p h 公司的g e o m e d i aw e bm a p ( 插件为a c t i v e c g m ) 。这种w e b g i s 的主要特点是速度快，客户端操作的是矢量地图数据，但需要先从i n t e r n e t 上下载特 定的插件，安装后再使用。 ( 3 ) s e r v e r a p i s e r v e ra p i 技术的基本原理类似于c g i ，不同之处在于c g i 是可以单独运行的程 序，而基于服务器a p i 的程序必须在特定的w e b n 艮务器上运行。它的特点是速度要比 c g i 方法快，因为基于s e r v e r a p i 的动态连接模块启动后会一直处于运行状态，而不 象c g i 程序每次都要重新启动。这种方法的缺陷在于它依附于特定的服务器和计算 机平台。 ( 4 ) j a v a 编程语言 上海师范大学硕士学位论文第2 章开源w e b g i s 技术 j a v a 语言是一种面向对象的语言，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。j a v a 程序 有两种，一种可以像其他程序语言编写的程序一样独立运行；另一种被称为j a v a a p p l e t ，只能嵌入在h t m l 文件中，在网络浏览器下载该h t m l 文件时，j a v a 程序的执 行源代码也同时被下载到用户端的机器上，由浏览器解释执行。使用j a v a 语言的最 大优势在于跨平台操作能力，基于j a v a 的w e b g i s 可应用于w i n d o w s 、m a c i n t o s h 、u n i x 等操作平台。这种方式实现的功能较为理想，但是开发工作量很大，因为一切都要 从底层开始做起。 ( 5 ) a c t i v e x 和组件对象模型 a c t i v e x 是由微软公司推出的应用于i n t e r n e t 的一种对象链接与嵌入技术 ( o l e ) 。它的基础是分布式部件对象模型d c o m 。和j a v a 不同的是，它本身并不是一种 计算机编程语言，而是一种技术标准。它可将一个巨大的w e b g i s 软件系统分解成相 对独立的组件，通过组件开发技术和0 l e 等实现w e b g i s 。a c t i v e x 技术使w e b 页面成为 一种动态的、跳跃的页面，并可以用v b s c r i p t 和j a v a s c r i p t 脚本语言来操作a c t i v e x 控件。 2 3 开源w e b gis 技术的体系结构 本文研究的开源w e b g i s 技术采用b s 结构。w e b 服务器采用开放源码且具有良 好跨平台性和安全性的h t t p 服务器a p a c h e ；地图应用服务器采用美国明尼苏达大 学( u m n ) 自然资源系与美国国家航空航天局( n a s a ) 合作开发的开源工具m a p s e r v e r ： 数据库采用特性非常齐全的开源对象关系型数据库p o s t g r e s q l p o s t g i s ；开发语言 采用具有强大的数据库支持功能和面向对象组件功能的开源多用途脚本语言p h p 。 服务器端和客户端的操作系统选择w i n d o w s x p 。具体体系结构如图2 - 2 所示。 上海师