（信号与信息处理专业论文）海量空间信息互联网发布技术研究及其系统实现.pdf

捅姜 我们知道在g i s 中，正射影像( d o m ) 是重要的一类地理空间数据，具有信 息量大，形象直观等优点。但是d o m 在w e b g i s 中应用要解决的首要问题是如 何将具有超大范围的海量影像数据在互联网环境中有效发布的问题，其次是如何 实现矢量数据和海量影像数据整合的互联网发布。本文在分析基于单机模式的海 量影像数据发布技术研究以及基于c s 模式的空间数据发布技术研究的基础上， 结合国家8 6 3 课题“对地观测技术应用于深圳市规划示范工程”和深圳市科技计 划项目( 2 0 0 3 3 8 ) ，进行了理论研究并做出了大量的实践工作；根据空间信息的特 点，系统的研究了海量地理信息数据的网络发布技术，针对不同的网络体系结构， 围绕着海量地理空间数据的互联网有效发布问题，展开深入分析和讨论，最终给 出系统的实现。 关键字：万维网地理信息系统，海量数据，塔型数据结构，互联网体系结构， j 2 e e a b s 缸a c t a sak i n do fi m p o r t a n tg e o g r a p h ys p a t i a ld a t a ，d o mh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c h a si 1 7 k t d e n c ei n f o r m a t i o na n dv i s u a l i z a t i o ni ng i s t h ef i r s tt od oi s 也a t h o w e v e r ，h o w t od i s t r i b u t et h em a s sd o m e f f e c t i v e l y , e s p e c i a l l y 0 i 2 i n t e r n e t a c c o r d i n g t ot h e d i s t r i b u t i o nt e c h n o l o g i e so nm a s sd o mo ns t a n d a l o n ep a t t e r na n do fo t h e rs p a t i a i d a t ao ni n t r a n e tp a t t e r n ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h es c h e m ea n dt e c h n o l o g i e so fm a s s d o md i s t r i b u t i o no ni n t e m e t o nt h eo t h e rh a n d ，f o re f f e c t i v ed i s t r i b u t i o no fl t l a s s g e o g r a p h y i n f o r m a t i o nd a t a ，t h i s p a p e rd i s c u s s e st h e s c h e m ao nd i f f e r e n ti n t e m e t a r c h i t e c t u r ea n ds o m e p r o b l e m s o ft h e i m p l e m e n t a t i o n f i n a l l y , w ep r e s e n t a n d v a l i d a t et h ei n s t a n c eo f t h i ss y s t e m k e y w o r d ： w e b g i s ，m a s ss p a t i a ld a t a ，p y r a m i dd a t as t r u c t u r e ，i n t e r n e t s y s t e ms t r u c t u r e ，j 2 e e y 6 9 5 6 0 0 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下迸行的研究工作及取得的研宄 成果。尽我所知，除了文中特别加以标垃和致谢中所罗列的内容以外论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：郧j 荽毫z日期趟：f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保汪毕 业离校后，发表论文或使用沦文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布沦文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存沦文。( 保密的论文 在觯密后遵! 辛此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名：嚣l 璋绉日期五世! f 导师签名 菌 日期墟吐= ：! s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的意义 地理信息具有分布性、复杂性、多源性、多样性等特点，这些特点决定了地 理空间数据的采集、存储、发布和应用具有分布式的特点。第一手资料的获取往 往需要大范围的、持续性的、定点的、网络式的常规观测。要么成本很高，要么 技术难度很大，不是一个单位或者一个集体都能采集的。有的地理信息数据量非 常大( 如：遥感数据、正射影像数据) ，数据的存储和保管难度大、成本昂贵，不 适合大众化保存。有的数据尽管容易采集，容易保存，但没有必要重复建设，浪 费资源。有的数据更新周期短，数据有效性维护成本高，不是人人都能做到的。 地理空间数据的这些特征要求我们必须实施信息的有效共享，以降低数据获取成 本，提高资源的利用率。 然而，传统的g i s 是建立在单机模式或者局域嗣模式下，使用者仅限于极少 数人，使得绝大多数数据掌握在少数政府部门或研究机构手中，资源无法共享， 造成了信息资源的极大浪费，而且很难发挥其应有的价值，也很难服务于社会， 特别是一些通过昂贵代价获得的地理空间数据，例如航拍正射影像数据。 所谓“科技以人为本”，i n t e m e t 的出现、计算机软硬件的飞速发展以及其他 综合交叉学科的出现为人们提供了一种新的在全球范围内发布和展示数据以及获 得各种信息的方法，使得基于w e b 的g i s 应运而生，这就是w e b g i s 。w 曲g i s 是在i n t e r n e t 或i n t r a n e t 网络环境下的一种兼容、存储、处理、分析、显示和应用 地理信息的计算机信息系统【l 】。它具有以下重要意义 2 1 ： 1 ) 降低了地理数据的获取成本，提高了数据利用率 2 ) 提高了数据应用的时效性，扩大了地理信息的来源 3 ) 提高了地理信息应用的深度和广度 4 ) 降低了数据存储的冗余性，提高了数据的一致性 5 ) 是实现数字地球的基础工程 其次，从地理信息系统本身来讲，研究的内容可以分为三个层次：一是研究 和开发g i s 的基础平台，主要解决空间信息的存储、管理、检索、分类，以及和 属性数据相关的统计、分析，也包括空间信息的录入、显示和，出版等基础工作： 二是研究和开发g i s 的应用平台，即在基础平台的基础之上，加进某一应用领域 的通用知识，使得g i s 所提供的功能更适合某一特定应用领域的要求；三是研究 和开发g i s 的应用系统，即完全根据具体用户的要求，开发适合其应用的软、硬 件系统。以上这三个层次与应用系统及用户的关系可以理解为：第一个层次面向 2 海量空间信息互联网发布技术研究及其系统实现 的是：二：次开发的用户，第二个层次砸向的是应用系统，即实现并满足某些特点、 使用方式及相应的需求，第三个层次是面向最终用户的。因此，如何建立适合于 不同服务商、具有跨平台优势、面向大众用户的系统也迫在眉睫。 再次，随着二维影像数据获取的数量日益增多，如何将这些海量空间数据在 互联网上实现直观快速的共享、效益最大化，是当今数字地球领域中亟待解决的 问题。而基于互联网的w e b 服务技术已经改变了当今社会的信息交互方式，成为 占据主导地位的信息发布手段，因此，通过w e b 服务的方式为政府部门、科技机 构和其他终端用户提供不同分辨率的二维影像数据的查询、浏览业务对w e b g i s 的发展、资源的有效共享等都有重要意义。 1 2 论文工作及安排 美国国家地理信息与分析中心于1 9 9 8 年对g i s 给出的定义为：一种为了获 取、存储、检索、分析 显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。 可见地理信息系统不仅具备传统管理信息系统( m a n a g ei n f o r m a t i o ns y s t e m ， m i s ) 、决策支持系统( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，d s s ) 的信息查询与辅助分析功 能，还能够管理地理空间信息和属性信息等数据，而且具有数据可视化的特点。 地理信息系统从外部来看，表现为计算机软硬件系统，而其内涵是由计算机 程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。一个完整的地理信息系统主要由 四个部分组成 3 1 ，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理信息数据( 或空间 信息数据) 和系统管理操作人员。系统构成如图1 1 示，其中计算机系统( 软件 和硬件系统) 是g i s 的核心部分，地理数据反映了g i s 中的地理内容，两管理操 作人员( 包含系统终端用户) 则决定了系统的工作方式及信息的表示方式。 图11 地理信息系统的组成 从以上对g i s 的各种不同描述中不难看出：地理信息系统的核心是数据，它 第一章绪论 所有工作都是围绕处理地理信息数据所展开的，更深层次的含义就是围 间数据的存储、管理、获取、分析和发布，而这些工作的具体结果通博 能有效地展现给大众用户，也就是海量数据的有效发布。 我们知道，大地正射影像( d o m ) 在g i s 中是重要的一类地理空间数据，具有 信息量大，形象直观等优点。但是d o m 在应用中要解决的首要问题是如何将具有 超大范围的海量影像数据有效发布的问题，特别是在互联网环境中如何有效发布 的问题，因为互联网是海量数字化信息有效发布的很好途径。本文在分析基于单 机模式的海量影像数据发布技术研究以及基于c s 模式的空间数据发布技术研究 的基础上，根据空间信息的特点，系统的研究了海量地理信息数据的网络发布技 术，主要工作如下： 服务器的选择和配置。 分析w e b g i s 的开发技术和开发模式。目前，w e b g i s 的开发技术主要有公 共网关接l ：l ( c o m m o n g a t e w a y i n t e r f a c e ，c o i ) 、服务器应用接d ( s e r v e r a p i ) 、插 件( p l u g - i n ) 、客户端控件( a c t i v e xc o n t r 0 1 ) 以及j a v a 等，开发模式有集中式管理 模式、c s 模式和b s 模式，本文通过分析各种开发技术和开发模式的优缺点并 做出了选择。 两层体系结构实现海量影像数据的互联网发布。两层体系结构实现系统具有 开发技术简单、容易一次性部署等优点，本文针对两层体系结构的特点，研究并 实现了两层体系结构下海量影像数据的互联网发布，同时也讨论了其缺陷。 基于j 2 e e 的三层体系结构实现海量影像数据的互联网发布。针对两层体系 结构下海量影像数据互联网发布的问题，提出了基于三层体系结构的技术方案， 讨论了实现的关键技术，最终给出了系统原型。 空间数据网络发布速度的提高。在w e b g i s 中，空间数据网络发布的速度一 直是研究的热点，本文针对海量影像数据的特点，给出了一些提高网络发布速度 的措施。 海量影像数据和矢量数据网络发布的整合。根据多维空间数据的组织，研究 了多维数据融合及海量影像数据和矢量数据整合发布的技术和方案。 系统的安全性、通用性、扩展性。在开发模式和开发技术上，都严格的考虑 到系统的安全性、扩展性和跨平台性。 组件化模型。组件化g i s 降低了系统的复杂度，加快了开发进度，而且也可 以降低成本，增强可维护性。 本论文的内容主要按照如下章节进行安排： 第二章首先介绍w e b g i s 的定义、特点、发展现状和发展趋势：其次，针对 现有w e b g i s 的成熟开发技术，分别对它们进行分析和比较并做出了选择。 第三章介绍了海量影像数据的管理与组织，利用正射影像的塔型数据结构。 4 海量空间信息互联网发布技术研究及其系统实现 结合j a v a 优秀的技术支持，在两层体系结构下实现了海量影像数据的互联网发 布，验证了塔型数据结构作为数据层方案的有效性，同时讨论了其优缺点。 第四章针对两层体系结构下海量影像数据互联网发布的问题，分析了三种中 间件技术平台和组件技术，结合j 2 e e ，提出了三层体系结构的技术方案。 第五章给出了三层体系结构下海量影像数据互联网发布的模型及其系统实 现，并结合影像数据的特点，对系统的运行进行了优化。 第六章在已有的系统上，分析了其它地理空间数据的特征，针对矢量数据和 影像数据的整合进行了深入地分析，给出了系统实现的模型和方案，讨论了系统 实现的问题以及一些优化措掩，最后实现了系统。 第七章是对整篇论文的总结，提出了进一步的计划。 第二章w e b g i s 概述及其开发技术分析 第二章w e b g i s 概述和主要技术分析 这一章首先介绍w e b g i s 的定义、特点、意义、发展现状和发展趋势；其次， 针对现有w e b g i s 的成熟开发技术，分别对它们进行分析和比较，指出j a v a 是最 为理想的开发技术。 2 1 万维网地理信息系统的定义、特点和意义 万维网地理信息系统是在i n t e m e t 或i n t r a n e t 网络环境下的一种兼容、存储、 处理、分析、显示和应用地理信息的计算机信息系统【”。地理信息是描述地球表 面的空间位置和空间关系的信息。国际学术界把万维网地理信息系统简称为 w e b g i s ，这主要是由于大多数的客户端应用采用了w w w 协议。它的基本思想 就是在互联网上发布地理信息，让用户通过浏览器浏览和获得一个地理信息系统 中的数据和功能服务。与传统的地理信息系统比较，它具有四个特点f 4 】： 1 ) 更广泛的访问范围：客户可以同时访问多个位于不同地方服务器上的最 新数据，而这一优势大大扩展7 g i s 的数据管理能力，增强了对空间数据管理的时 效性。 2 ) 客户端平台独立性：无论客户机上运行的是何种操作系统，只要支持通 用的w e b 浏览器，用户就可以访问g i s 数据。 3 ) 更简单的操作：要推广g i s ，使g i s 系统为广大的普通用户所接受，而不 仅仅局限于少数受过专业培训的专业用户，就要降低对系统的操作难度。通用的 w e b 浏览器无疑是降低操作复杂度的良好选择。 4 ) 平衡高效的计算负载：传统的g i s 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。而当今一些高级的w e b g i s 自g 充分利用 网络资源，将复杂的处理交由服务器执行，而简单的操作则由客户端直接完成。 这种计算模式能够灵活地在服务器端和客户端之间合理分配处理任务，提高网络 计算资源的利用效率。 总的来说，w e b g i s 具有以下重要意义： 夺降低了地理数据的获取成本，提高了数据利用率 夺提高了数据应用的时效性，扩大了地理信息的来源 夺提高了地理信息应用的深度和广度 令降低了数据存储的冗余性，提高了数据的一致性 夺是实现数字地球的基础工程 6 海量空间信息互联网发布技术研究及其系统实现 2 2 w e b g i s 的发展现状和趋势 发展现状 5 1 【6 咿l 1 国内外主要的w e b g i s 产品 w e b g i s 是当今g i s 研究的热点，己成为各大厂商激烈竞争的焦点。几个重 要的国外g i s 厂商争相发布各自的w e b g i s 产品，如m a p i n f o 公司的m 印i n f o p r o s e r v 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 、e s r i 的i t t t e r n e tm a p s e r v e r ( i m s ) ，著名的c a d 厂商a u t o d e s k 公司也推出了m a p g u i d e 。b e n t l y 公司和 m a p l n f o 公司又相继推出了m o d e l s e r v e r d i s c o v e r y 和m a p x t r e m e 。现就几个主要 w e b g i s 产品的技术特征进行比较，如表2 1 所示。 m a p l n f o p r o s e r v e rg e o m e d i aw e b m a p 2 0i n t e r n e tm a ps e r v e r 公司 m a p l n f oc o r p i n t e r g r a p hc o r p e s r in q c 【服务器w i n d o w sn tw i r i d o w sn tw i n d o w sn t f 操作系统 万维网支持c g i 的 i n t e r n e ti n f o r m a t i o ns 或 l 服务器w e bs e r v e r s e r v e r n e t s c a p es e r v e r 客户端w i n d o w s 胁d o w sw i n d o w s 操作系统m a c i n t o s hm a c i n t o s hm a c i n t o s h u n u n u n 客户端支持h t m l 的i e ，n e t s c a p e支持h t m l 的 浏览器任意浏览器 n a v i g a t o r任意浏览器 客户端不需要需要安装 需要安装 是否需要a c t i v e c g m 插件 m a p c a f e 小程序 插件 客户端图像矢量数据图像 数据格式 网络传递j p e ga c t i v e c g mj p e g g i f 图形格式 客户端可无放大，缩小等无 进行的地 图操作 表2 1w e b g i s 产品技术特征的比较 2 w e b g i s 的应用范围 w e b g i s 应用范围非常广泛，可以应用于农业、林业、水利、地矿、交通、 通讯、新闻媒体、城市建设，教育、资源( 土地、森林、水、矿物、海洋等) 、环 境、人e l 、海洋以及军事等几十个领域，如旅游、统计分析、房地产、油气管理、 土地和地籍管理、水资源管理、环境监测、资源合理利用、智能交通管理、跟踪 污染和疾病的传播区域、商业选址、市场调查、移动通讯、民用工程、城市管道 第二章w e b g i s 概述及其开发技术分析 7 管理、在线政府公共信息服务等。 发展趋势【8 】【 近年来地理信息系统得到了迅猛的发展，其主要的原动力来自日益广泛的应 用需求，同时计算机科学的飞速发展也为地理信息系统的发展提供了先进的工具 和手段。许多计算机领域的新技术，如面向对象技术、三维显示、图像处理和人 工智能技术都对地理信息系统技术的发展提出了新的要求。下面是w e b g i s 的发 展趋势： 组件化地理信息系统( c o mg i s ) ：组件技术已经成为当今软件开发的技术潮流 之一，它的出现改变了以往封闭、复杂、难以维护的软件开发模式。组件技术开 发的软件系统具有可编程和可重用的特点，因此组件化地理信息系统将在很大程 度上推动g i s 软件的系统集成化和应用大众化，同时也能更好的适应网络技术的 发展。 三维和四维地理信息系统( 3 d & 4 dg i s ) ：g i s 处理的空间数据从本质上来说 是三维连续分布的，但是目前的g i s 应用还主要停留在地球表面数据的处理上， 这一方面是由于计算机硬件环境的限制，另一方面也是因为在三维地理信息的建 模、采集、管理、分析、表示和系统设计等方面技术没有得到很好的解决。随着 计算机硬件系统和网络技术的飞速发展，对三维图形处理速度己经得到了较好的 解决，另外三维地理信息模型、先进的三维地理信息管理、分析技术的不断涌现， 使得三维地理信息系统成为未来地理信息系统的主要发展方向。另外将时间作为 第四维坐标定义的四维地理信息系统( 也称为时态系统) 也逐渐的摆上g i s 的发展 日程，它弥补了二维和三维地理信息系统在处理时效性较强的地理信息上的不足。 网络化地理信息系统( w e b g i s ) ；万维网的发展给地理信息在更大范围内的发 布、获取和查询提供了有效可行的途径。利用万维网g i s 用户可以从万维网的任 意一个节点，浏览w e b g i s 站点的空间数据、制作专题图、进行各种空间检索和 空间分析。它与传统的g i s 相比具有开放、廉价、易于使用、易于连接并支持多 媒体数据等特点，有着巨大的意义和应用潜力。 2 3 w e b g i s 系统实现的技术分析5 【7 】 8 】 9 j 【l o 】 w e b g i s 的开发技术，主要有公共网关接口( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ， c g i ) 、服务器应用接d ( s e r v e r a p i ) 、插件( p l u g i n ) 、客户端控件( a c t i v e xc o n t r 0 1 ) 以及j a v a ，以下分别介绍。 海量空间信息互联网发布技术研究及其系统实现 2 。3 1 公共网关接口c g i c g i 是外部应用程序与w e b 服务器之间的接口标准。它的主要功能就是在 h y p e r t e x t 文件与w e bs e r v e r 服务器应用程序之间传递信息，主要体现在将w e b s e r v e r 和数据库服务器结合起来，实时、动态地生成h t m l 文件。c g i 程序通常 为一个可执行文件( e x e ) ，它们集中放在一个子目录下，如w i n d o w sn t 系统下放 在c g i - b i n 子目录下。 基于c g i 的w e b g i s 是用外部c g i 程序通过环境变量、命令行参数、标准输 入、输出与w e b o l s 服务器和g i s 数据库服务器进行通信，并传递有关参数和 g 1 s 处理结果。图2 1 表示了基于c g i 的w e b g i s 的工作原理。 图2 1 基于c g i 的w e b g i s 在c g 结构中，服务器执行一切计算功能，而客户端仅是个“哑”终端。 这是典型的瘦客户胖服务器模型。 c g i 提供了在浏览器和服务器之间，以及服务器和服务器上其他软件之间的 一个接口。通过c g i ，客户可以发送一个请求到服务器上，服务器再把这个请求 转移到后端的应用程序上。这个特定的应用软件按照给定的要求产生结果并交给 服务器，服务器再把这一结果送给远程客户，在浏览器中显示出来。c g i 起着沟 通客户服务器与服务器上软件的桥梁作用。 其优点是：c o l 方式灵活性较大，用户对g i s 专业的了解可以不要很深，在 服务器上处理数据可确保数据的正确使用，便于处理客户机难以处理的大量、复 杂数据。这种处理模型的缺点有： 1 ) c g i 机制本身有很大的缺陷，对于每一个客户机的请求，都要重新启动一个 新的服务进程，从而影响速度。由于c g i 程序作为单独的进程来运行，因而 对于访问用户多的网站，将会大大加重服务器的负担，效率迅速下降。这对 于面向全球用户的、大众化的w e b g i s 来说是很不可取的。c g i 虽然简化了 客户端，但把所有处理集中在服务器端，加大了服务器端处理的数据量和网 络传输负担。它不适应于编写最新的客户服务器应用软件，也不适合编写面 向对象的j a v a 客户机。 2 ) c g i 效率不高且受网上信息流量的影响，而且要求后端的g i s 软件一直处于 第二章w e b g i s 概述及其开发技术分析 9 运行状态，因此这种方法不能满足w e b g i s 的设计要求。 3 ) 程序设计较为复杂，对于每一个网页都必须编写相应的处理c g i 程序。 2 3 2 服务器应用接口s e r v e ra p i s e r v e ra p i 有m i c r o s o f t 的i s a p i ，n e t s c a p e 的n s a p i 等。下面重点谈m i c r o s o f t 的i s a p i 。 i s a p i 运行在w i n d o w sn t 环境下，是m i c r o s o f ti i s 提供用以扩充i i s w w w 功能及开发高效率c g i 程序的应用程序接口。i s a p i 的体系结构由i s a p i 应用程 序和i s a p if i l t e r 程序组成，前者的功能和地位与c g i 程序相似，后者用于扩展 i i s w w w 服务器的功能。从本质上说i s a p t 技术是一种外部p l u g i n 技术， i i s w w ws e r v e r 在需要它们时会将d l l 装入系统中，并直接调用它们，这些d l l 会继续保留在系统中，与s e r v e r 共享资源，当s e r v e r 发现有必要释放某些资源作 它用时，会选择释放较少调用的d l l 模块。图2 2 表示了基于i s a p i 的w e b g i s 图2 2 基于i s a p i 的w e b g i s 体系结构 从上图可知，i s a p id l l 的功能与c g i 相似。客户端通过将查询信息传输到 s e r v e r 端的i s a p id l l ，由它与g i s 数据库服务器交互作用得到查询结果。i s a p i f i l t e r 位于w e b g i s 服务器的前端，可将它当作嵌入s e r v e r 的一部分。i s a p if i l t e r 可对w e b 的请求和回复进行额外的前置和后置处理，目的在于增强s e r v e r 端的功 能。 基于i s a p i 的w e b g i s 的优点是运行效率比c g i 要高，缺点是由于i s a p i d l l 与服务器密切相关，程序的移植难度较大，同时一旦d l l 出现故障或产生 内存泄漏，会导致整个w e b g i s 服务器陷入瘫痪。另一个问题是维护的复杂性， i s a p id l l 要为每个请求产生并维护一个独立的线程，以避免冲突；当优化性能 时，还得关闭w e b 服务器来更换或删除已有的d l l 。 i d c 是m i c r o s o f ti i s 中的一个动态连接库( h t t p o d b c t i n ) ，它建立在i s a p i 基 础之上，通过o d b c 来访问各种数据库，再加上扩展的o d b c 就可建立基于i d c 的w e b g i s 。但这种w e b g i s 功能较弱，适于设计一些具有固定格式的较简单的 w e b g i s 的应用。 1 0 海量空间信息互联网发布技术研究及其系统实现 s e r v e ra p i 是经过扩充的c g t 工具，是为克服c g i 方法的低效率问题而研制 出来的。采用s e r v e r a p i ，服务器请求后端g i s 应用程序时不用重新启动该程序， 而是通过i p c ( i n t e r p r o c e s sc o m m u n i c a t i o n ，进程闻通讯协议) 与之进行信息交换。 其基本原理与c o l 类似，所不同的是c g i 程序可以单独运行，丽基于服务器应用 程序接口的程序必须在特定的服务器上运行。由于服务器应用程序接口的动态连 接模块启动后一鱼处于运行状态，而不像c g i 每次都要重新启动，因而速度比 c g 方法快很多。其缺点是它依附于特定的服务器和计算机平台，c g 和服务器 a p i 虽然增强了客户端交互匪，使客户可以获取各种地理空间数据和地图，但传 给客户的信息仍然是静态的。客户不能操作单个地理实体以及快速放大和缩小地 图，因为在客户端整个地图图像是一个实体，任何客户的g i s 操作如放大、缩小、 标记等都需要服务器来完成。当啜络流量较高时，系统反应会很慢，服务器的负 载很重。而且由于s e r v e r a p i 没有统一的标准，所以一旦采用了某种s e r v e r a p i ， 那么服务器端将依赖于这种服务器程序。 2 3 3 插件p l u g i n 基于c g i 系统的w e b g i s 提供给用户的只有有限的g i s 功能，而且传给用户 的信息是静态的。用户的g i s 操作都由服务器来完成，为了把部分服务器端的功 能移植到客户端，以减轻服务器端的负载量，美国网景公司n e t s c a p e 的浏览器提 供了一套a p i ( 应用程序接口) ，叫插件法( p l u g i n ) ，目的是便于其他软件厂商插入 与万维网应用有关的软件。g i s 插件是安装在g i s 系统中能额外和网络浏览器交 换信怠的专门q s 软件。 利用这种插入软件实现w e b g i s ，可以处理用户的大部分数据，不但可以增 加网络浏览器处理地理空间数据的能力，使人们更容易获取地理数据，同时由于 大多数用户的数据处理功能可以通过网络测览器插入软件在本地完成，因此能够 减少网络服务器的信息流量，使服务器可以更有效地为更多的用户服务。 当用户下载了这一插件不仅进行缩放平移等基本的操作，而且能够实现检索 地理数据和相关的地图应用。 尽管在浏览器中嵌入组件可有效处理空间数据，但它仍有缺陷。首先它可能 导致用户负担过重；其次，众多的插入软件的管理将会成为信息技术部门的一大 问题。 另外，g i s 插件需先安装或下载才能使用，对网络用户很不方便。而且，由 于一部分应用程序的源代码下载到客户机上，存在系统安全漏洞。另外，插件的 不足之处在于必须先安装插件于客户机。对于客户来说，这不方便也不安全，同 时，对应用程序的维护、修改和支持有一定困难，兼容性以及版本控制也是个 第二章w e b g i s 概述及其开发技术分析 难以克服的大问题。 2 3 4 客户端控件a c t i u e xc o n t r o 利用微软公司的构件对象模型c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 及其网络相关 技术a c t i v e x ，可将一个巨大的g i s 软件系统分解成相对独立的构件。这些构件 通过构件技术和o l e ( 对象链接嵌入) 、s d e ( 空间数据引擎) 等实现万维网g i s ，用 户可调用这些构件从而构成自己的g i s 应用。 a c t i v e x 是由o l e 控制o c x 加上一些新的交互界面函数发展起来的，其实 现方法是利用嵌在浏览器上的a c t i v e x 组件作为客户端操作界面。当用浏览器访 问包含a c t i v e x 组件的w e b 页面时，该组件自动下载到客户端，客户端用该组 件通过h r r p 协议向服务器端传递控制信息和数据信息，服务器端利用 w i nc g i 、i s a p i 和n s a p i 等接口程序接收信息，并利用g i s 和数据库系统响应 请求，并把结果返回到客户的a c t i v e x 组件中。 开发基于a c t i v e x 技术的w e b g i s 的重点是设计功能强大的a c t i v e x c o m p o n e n t 。a c t i v e x 控件通过属性、事件、方法等接口与应用程序进行交互，把 a c 6 v e x 控件嵌入w e b 页面中，通过s c r i p t 与它相互通信。 a c t i v e x 技术具有很强的包容性，在s e r v e r 端仍可以采用原有的技术( 如c g l 、 i s a p i 等) 及客户端下载j a v aa p p l e t 小程序。a s p 属于a c t i v e x 技术中的s e r v e r 端技术，+ a s p 文件存在w e bs e r v e r 中并全部运行在服务器端，减轻了对客户端 的要求。a d o ( a c t i v e xd a t ao b j e c t ) 为a s p 内置s e r v e r 对象的数据库访问控件， 用它可以便客户端的程序通过o d b c 和o l ed b 来存取和操纵g i s 数据库服务器 中的数据。图2 3 表示了基于a s p 的w e b g i s 。 图23 基于a s p 的w e b g i s 但是，如果客户端处理能力不强，将很难处理大量而复杂的地理数据；而且， 与j a v a f l 比，a c t i v e x 目前还没有解决非常重要的网络安全性问题；此外，a c t i v e x 只能应用在w i n d o w s 风格的系统中，缺乏跨平台的能力，这使它的应用范围受 到很大的限制。 1 2 海量空间信息互联网发布技术研究及其系统实现 目前最普及的交互网络程序语言是由s u n 公司开发的j a v a 。j a v a 是一种面 向对象的计算机语言，支持对象的封装、多态性和继承。j a v a 是开发主动式的网 络g i s 的主流技术，它借鉴了c ，s m a l l l a l k ， o b j e c tc + + 和c e d a r m e s a 等面向 对象语言的特点，容易移植，并且通过j d b c j a v as q l 实现了与关系型数据库的 连接。 j a v a 支持万维网的数据分布和操作分布，同是由于使用虚拟机技术( j v m ) ， 在目标代码级实现了平台无关性，因此采用j a v a 构建的w e b g i s 具有“编写次， 到处运行”的优点。 j a v a 支持w e b 计算模式，能实现w e b 的数据分布和操作分布，这对w e b g i s 来说是个福音。j a v a 利用u r l 对象可以分布式访问具有u r l 的数据对象，对于 分布式数据操作主要是通过下载j a v aa p p l e t 小程序到客户端实现，客户端下载由 服务器端提供的j a v aa p p l e t 程序来交互处理用户请求，当需要影像、矢量或其他 空间数据时可直接向服务器申请，当客户端无法处理大量、复杂的数据时，交由 w e b g i s 服务器处理。j a v a a p p l e t 可嵌入h t m l 文档，也可由宿主机下载，由网 络客户端的网络浏览器装入执行。用户通过浏览器从服务器端下载j a v a a p p l e t 届， 就可以进行地图查询和分析等操作。 j a v a 采用j d b c 和扩展的j d b c 访问g i s 数据库服务器中的数据。用户只需 使用支持j a v a 的浏览器( 实现j a v a 虚拟机) ，就可操作矢量图形和动态数据。总之， 在数据库的连接和数据的传输上，由于采用j d b c 技术摒弃了传统的c g i 服务程 序所带来的，不能由多个客户请求共享的弊病和a s p 方法所带来的不够灵活方便 的弊端。a p p l e t 、j s p 和j a v a s c r i p t 的一体化集成能让客户端无所不能，保证了用 户可以对地图随意快速地进行放大、缩小、平移等以及对其他地理信息和空间属 性数据的查询等功能。 2 4 基于j a v a 的w e b g i s 系统概述1 1 】f 1 2 】 1 3 前面的分析告诉我们，采用j a v a 开发w e b g i s 是最合适的选择，故我们采用 j a v a 作为开发技术，所有模块都用j a v a 实现，使得系统是平台无关的和完全面向 对象的。 j a v a 的面向对象特性与g i s 相结合 般地都是通过以下四个特点来衡量现有的一些编程语言或工具是否是完全 面向对象的。 1 ) 封装性：必须有模块化的性质以及信息隐藏的能力。 第二章w e b g i s 概述及其开发技术分析 1 3 2 ) 多态性：不同的对象对同一种信息，可以按照对象本身的性质加以回应。 3 ) 继承性：可以定义一套对象之间的层次关系，下层的对象继承了上层对象的 特征，籍此可以实现代码重复利用，并且有效地组织整个程序。 4 1 动态联编：一个对象一旦生成后，要使用这个对象只需简单的把信息传递给 它，不再需要去参考对象当初设计的规格，只有在程序执行时，才会真正锁 定需要的对象，这样的方式可以使程序具有最大灵活性。熟悉v b ，v c 的 人都知道，v i s u a lb a s i c 缺乏数据的封装性，而c + + 并没有办法做到动态联编。 由于j a v a 支持所有这些特性，所以j a v a 是完全的面向对象语言。面向对象编 程是以可复用、可扩展和可维护的方式编写软件。面向对象编程支持封装、 继承和多态。封装把对象中的数据隐蔽起来，使数据通过成员函数访问，从 而把接口与实现分开。予类继承双亲类的成员函数和变量，从而很容易复用 双亲类的功能。多态可以生成通常的可复用程序代码，可用于各种不同类的 数据类型。所以我们可以说，j a v a 是目前唯一的一种具有完全面向对象的编 程语言。 由于i n t e m e t 的发展使得g i s 技术迎来机遇，g i s 正从以往的以应用程序为 中心转向以数据为中心，即由原理驱动转向数据驱动。基于这方面考虑，面向对 象编程思想最适用于g i s ，因为面向对象技术具有其固有的继承和封装特性，使 用面阿对象程序设计语言和面向对象数据库管理系统，可以大大缩小代码规模， 提高效率和可复用性。面向对象技术在系统开发的每个阶段都以对象的定义为基 础，开发出来的最终g i s 系统与用户需求最接近。 面向对象被引入到了g i s 领域，但是目前并没有成熟的o o g i s 产品。但无 论如何，它将是g i s 的未来发展方向之。o o g i s 的实现必须从系统的模型开始， 这意味着，面向对象技术应该用于对现实世界建模、抽象、参考系统与空间数据 模型的构建，以产生成熟的o o g i s 。另个实现开放性与g i s 互操作的方面是使 用组件技术。当建立了各种组件的标准接口以后，它们就可以相互操作。 j a v a 的平台无关性与g i s 相结合 j a v a 主要是通过编程语言的严格定义和使用虚拟机的技术来实现操作平台的 无关性的。为了确保j a v a 不受各种平台的限制，在j a v a 的语言定义中，所有的 部分都是经过严格定义的，每个部分都是确定的，所以不管你所使用的机器及使 用的编译器如何不同，最后出来的目标码都不会不同。 j a v a 解决各机器不同机器码限制的方法是定义出自己的一套虚拟机，及这套 机器上所使用的机器码一j a v a b y t e c o d e 。现在我们看一下图2 4 所示的j a v a 程序 从编译到执行的整个过程。 14 海量空间信息互联网发布技术研究及其系统实现 图2 4j a v a 程序从编译到执行的整个过程 由此可见，只要实际使用的操作平台上有j a v a 解释器这个操作平台就可以 执行各式各样的j a v a 的程序。j a v a 由于其良好的跨平台性而成为服务器端的理想 语言，服务器端的应用是运行在严格控制的环境中，这意味着永远都不会出现j a v a 虚拟机版本不匹配，并且，由于在g i s 的应用中，一般情况下系统运行时间的8 0 甚至更多都是在处理g i s 地理信息数据和网络访问，所以在服务器端，j a v a 语 言运行的速度也不在考虑问题的范围之内。 j a v a 的这种平台无关性使得借助其开发的w e b g i s 系统成为基于i n t e r n e t 的 真正意义上的g i s 系统，这也是优于采用其他解决方案的一个主要特点。 j a v a 与g i s 相结合 在w e b 中实现g i s 的数据分布和计算分布的重要手段是借助j a v a 语言。j a v a 语言是一种面向对象的计算机语言，除了少数数据类型外，其余均以对象的形式 出现。作为面向对象的语言，j a v a 支持对象的封装、多态和继承。因此，基于j a v a 的数据分布可以利用j a v a 提供的u r l ( u n i v e r s a lr e s o u r c el o c a t o r ) 对象对g i s 数据进行封装，并对分布异地的u r l 进行访问。而对于计算分布，则可借助于j a v a 生成的a p p l e t 程序下载到客户端使用，由于平台无关的特点，顺利实现计算分布。 基于j a v a 的w e b g i s 系统比其他方式的g i s 系统实现有更大的灵活性和扩展性。 其优点体现在： 1 ) 系统完全的面向对象 j a v a 可以实现代码的优化、重用，也易于实现g i s 功能的封装。 劲系统平台无关 第二章w e b g i s 概述及其开发技术分析1 5 由于使用虚拟机技术( j v m ) ，j a v a 在目标代码级实现了平台无关。 3 ) 系统的安全性 j a v a 语言非常安全、严格，使得整个系统的代码非常可靠。a p p l e t 摒弃了指 针，对计算机内存空间的恶意访问被消除，再加上字节码校验器、类装载器、运 行时内存布局和文件访问限制四级安全控制，使a p p l e t 在网络空间的通讯安全得 到保障，这点是a c t i v e xc o n t r o l 所不及的。 4 ) 系统具备强大的图形操作能力 j a v a