（信号与信息处理专业论文）中型客户端webgis架构的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕十学位论文 摘要 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 简称g i s ) 作为获取、处理、 管理和分析地理空间数据的重要工具、技术和学科，近年来得到了广泛关注和 迅猛发展。地理信息系统是一门与计算机科学、地理、遥感、测绘、城市规划、 土地管理、市政建设等诸多学科和产业部门相融合的边缘技术。计算机技术、 空间技术和信息科学的发展，特别是i n t e r n e t i n t r a n e t 的迅速发展，为传统的g i s 注入了活力也提出了挑战。 传统g i s 模式下地理数据格式互不兼容、资源无法共享等诸多弊端已严重 地阻碍了g i s 在产业部门的广泛应用。近年来，随着i n t e m e t 技术和地理信息系统 技术的进步，基于互联网的地理信息系统技术w e b g i s 得到了飞速发展w e b g i s 不仅开拓了地理信息资源利用的新领域，而且还为g i s 信息的高度社会化共享提 供了可能同时，也为互联网信息的提供者和使用者提供了新机会，使全球任何 i n t e r n e t 用户都可获得他们所感兴趣的空间信息。 本课题主要研究了在m a p x t r e m ej a v a 开发平台下，如何实现中型客户端 中型服务器的w e b g i s 架构。m a p x t r e m ej a v a 提供了三种w e b g i s 架构模式：瘦 客户端胖服务器模式，胖客户端瘦服务器模式，中型客户端中型服务器模式。 瘦客户端模式的优点是网络传输的数据量较小，缺点是用户与系统的交互性能差， 而胖客户端模式虽然具有很强的交互性，但由于产生的数据量较大不易于网络传 输。中等客户端是介于上述两者之间的一种w e b g i s 架构模式，本文首先介绍 w e b g i s 和m a p x t r e m e 的相关知识，在此基础上深入研究了m a p x t r e m e j a v a 的 工作机制和通信原理，并结合相关项目研究了如何利用中等客户端模式在不增 加数据传输量的基础上获得最好的交互性能，弥补两者的不足，发挥各自的优点， 以开发出效率更高，实用性更强的w e b g i s 系统。 关键词：电子地图，w e b g i s ，m a p x t r e m ef o rj a v a ，中型客户端 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) ，a st h ei m p o r t a n tt o o l s ，t e c h n i q u e sa n d d i s c i p l i n e so fa c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n g , m a n a g e m e n ta n da n a l y s i sg e o s p a t i a ld a t a , h a s b e e nr e c e i v e dw i d ea t t e n t i o na n dd e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s g i si sam a r g i n a l d i s c i p l i n ei n t e g r a t e dw i t hc o m p u t e r - s c i e n c e ，g e o g r a p h y , r e m o t es e n s i n g , m a p p i n g , u r b a np l a n n i n g , l a n dm a n a g e m e n t ，u r b a nc o n s t r u c t i o n , a n dm a n yo t h e rd i s c i p l i n e s a n di n d u s t r ys e c t o r s t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , s p a c et e c h n o l o g ya n d i n f o r m a t i o ns c i e n c e ，i n p a r t i c u l a r t h er a p i d d e v e l o p m e n to fi n t e m e t i n t r a n e t t e c h n o l o g y ，h a si n j e c t e dv i t a l i t yt ot h et r a d i t i o n a lg i sa n da l s op r e s e n t e dac h a l l e n g e u n d e rt h et r a d i t i o n a lg i sm o d e l ，t h ed i s a d v a n t a g e sl i k eg e o g r a p h i cd a t af o r m a t s i n c o m p a t i b l ew i me a c ho t h e r , r e s o u r c e sh a r dt o s h a r ea n ds oo nh a v es e r i o u s l y i m p e d e dt h ea p p l i c a t i o no fg i si naw i d er a n g eo fi n d u s t r i a ls e c t o r s i nr e c e n ty e a r s , w i t ha d v a n c e so fi n t e m e ta n dg i st e c h n o l o g y , i n t e m e t - b a s e d g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e mt e c h n o l o g yw e b g i sh a sm a d er a p i dd e v e l o p m e n t w e b g i sn o t o n l yo p e n e du pt h en e wf i e l do ft h eu s eo fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nr e s o u r c e s ，b u ta l s o p r o v i dt h ep o s s i b i l i t yo f a h i g hd e g r e eo f s o c i a lg i si n f o r m a t i o ns h a r i n g a tt h es a m e t i m e ，i ta l s op r o v i d ean e wo p p o r t u n i t yf o ri n t e m e ti n f o r m a t i o np r o v i d e r sa n du s e l 苫， w h a tm a k ei n t e m e tu s e r 8a n y w h e r ei nt h ew o r l dc o u l db eo b t a i nt h es p a t i a l i n f o r m a t i o nt h a tt h e y r ei n t e r e s t e di n t h et o p i c sm a i n l yr e s e a r c h e dh o wt oa c h i e v em e d i u mc l i e n t m e d i u ms e r v e r m o d e ls t r u c t u r eo fw e b g i sb a s e do nm a p x t r e m ej a v ad e v e l o p m e n tp l a t f o r m m a p x t r e m ej a v ap r o v i d e st h r e et y p e st od e v e l o pw e b g i s ：1 1 1 i nc l i e n t f a ts e r v e r m o d e l ，f a tc l i e n t t h i ns e r v e rm o d e la n dm e d i u mc l i e n t m e d i u ms e r v e rm o d e l m a d v a n t a g eo f t h i n - c l i e n tm o d e li st h es m a l l e rv o l u m eo fn e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o n a n dt h ed i s a d v a n t a g ei st h a tt h el a c ko fi n t e r a c t i v ew i t hu s e r sa n dp o o rp e r f o r m a n c e , w h i l et h ef a tc l i e n tm o d e la r eh i g h l yi n t e r a c t i v e , b u tb e c a u s eo ft h el a r g ev o l u m eo f d a t at r a n s m i s s i o n , i t sh a r dt ot r a n s m i to nt h en e t s o m e w h e r et h em e d i u m c l i e n t m e d i u ms e r v e rm o d e li sb e t w e e nt h eu p p e rt w om o d e l s n ep a p e rf i r s t l y i n t r o d u c e dt h ea s s o c i a t e dk n o w l e d g eo fw e b g i sa n dm a p x t r e m e ，a n df u r t h e rm o r e , i i 武汉理工大学硕+ 学位论文 _ - - _ _ - ，- _ _ _ - _ _ _ - _ - - - _ - - _ 一 一一 r e s e a r c h e dt h ew o r k i n gm e c h a n i s ma n dc o m m u n i c a t i o nt h e o r yo fm a p x t r e r n e j a v a a n dt h e n ，c o m b i n e dw i t hr e l e v a n tp r o j e c t s ，r e s e a r c h e dh o wt oa c h i e v et h eb e s t i n t e r a c t i v ep e r f o r m a n c ew i t h o u ti n c r e a s i n gt h ev o l u m eo fd a t at r a n s m i s s i o nb a s e d o i l t h em i d d l ec l i e n tm o d e l ，i no r d e rt od e v e l o pam o r ee f f i c i e n ta n dm o r ep r a c t i c a l w e b g i ss y s t e m k e yw o r d s ：e l e c t r o n i c sm a p ，w e b g i s ，m a p x t r e m e f o rj a v a , m e d i u mc l i e n t u i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：昝日期 关于论文使用授权的说明 p 砚酿堙 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：* 导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 地理信息系统的一项新技术，是i n t e m e t 技术与传统地理信息系统( g i s ) 相结合的产物。w e b g i s 可定义为在i n t e r n e t 或i n t r a n e t 网络环境下基于w e b 页 面的一种存储、分析处理和显示地理信息的计算机信息系统，是g i s 发展的高 级阶段和趋势之一【1 1 。w e b g i s 的发展， 化发展，将其应用扩展到整个i n t e r n e t 。 使得传统的单机式地理信息系统向网络 由于g i s 系统具有信息量大，信息源分 布性强等地理信息系统的固有特点，w e b g i s 系统仍然面临着客户端访问速度 慢、交互性差等一系列难题。如何将i n t e r n e t 日新月异的新技术应用于w e b g i s 系统，开发出更加高效、实用的w e b g i s 系统成为近年来地理信息系统领域的 研究热点。 1 1w e b g i s 的起源 自1 9 6 3 年加拿大地理信息系统( c g i s ) 诞生以来，经过多年来的发展，传 统的g i s 技术已经成熟。g i s 正广泛应用于城市规划、设施管理、资源、环境、 能源、农业、水利、交通、国防、人口、灾害防护以至人民生活的各个方面， 发挥着重要的作用【2 】。随着i n t e r n e t 技术的不断发展和人们对地理信息系统( g i s ) 的需求，利用i n t e r a c t 在w e b 上发布和出版空间数据，为用户提供空间数据浏 览、查询和分析的功能，已经成为g i s 发展的必然趋势。于是，基于i n t e r n e t 技 术的地理信息系统w e b g i s 就应运而生。w e b g i s 是i n t e r n e t 技术应用于g i s 开 发的产物。g i s 通过w w w 功能得以扩展，真正成为一种大众使用的工具。从 w w w 的任意一个节点，i n t e r a c t 用户可以浏览w e b g i s 站点中的空间数据、制 作专题图，以及进行各种空间检索和空间分析，从而使g i s 进入千家万户。 1 2w e b g i s 的特点 网络地理信息系统是地理信息系统在万维网上的实现，是利用万维网技术 对传统地理信息系统的改造和发展。万维网地理信息系统目前尚处在试验研究 武汉理工大学硕士学位论文 阶段，其最终目标是应能实现g i s 与w w w 技术的有机结合，g i s 通过w w w 成为大众使用的技术和工具。具体地讲，在w w w 的任意一个节点上人们可以 浏览检索w e b 上的各种地理信息和进行各种地理空间分析与预测，空间推理和 决策等。 由此可见，万维网地理信息系统和传统地理信息系统相比有以下特点： 更广泛的访问范围 客户可以同时访问多个位于不同地方的服务器上的最新数据，而这一 i n t e m e t i n t r a n e t 所特有的优势大大方便了g i s 的数据管理，使分布式的多数据源 的数据管理和合成更易于实现。 平台独立性 无论服务器客户机是何种机器，无论w e b g i s 服务器端使用何种g i s 软件， 由于使用了通用的w e ；b 浏览器，用户就可以透明地访问w e b g i s 数据，在本机 或某个服务器上进行分布式部件的动态组合和空间数据的协同处理与分析，实 现远程异构数据的共享。 可以大规模降低系统成本 普通g i s 在每个客户端都要配备昂贵的专业g i s 软件，而用户使用的经常 只是一些最基本的功能，这实际上造成了极大的浪费。w e b g i s 在客户端通常只 需使用w e b 浏览器( 有时还要加一些插件) ，其软件成本与全套专业g i s 相比 明显要节省得多。另外，由于客户端的简单性而节省的维护费用也不容忽视。 更简单的操作 要广泛推广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，就要降低对系统操作的要求。通用的w e b 浏览器 无疑是降低操作复杂度的最好选择。 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 能充分利用网络资源，将基础性、 全局性的处理交由服务器执行，而对数据量较小的简单操作则由客户端直接完 成。这种计算模式能灵活高效地寻求计算负荷和网络流量负载在服务器端和客 户端的合理分配，是种较理想的优化模式。1 3 】 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3w e b g i s 的现状及发展趋势 g i s 经历了单机环境应用向网络环境应用发展的过程，网络环境g i s 应用从 局域网内客户l j l l 务器( c l i e n t s e r v e r ，c s ) 结构的应用向i n t e m e t 环境下浏览器 l j j l 务器( b r o w s e r s e r v e r ，b s ) 结构的w e bg i s 应用发展。随着i n t e m e t 的发展， w e bg i s 开始逐步成为g i s 应用的主流，w e bg i s 相对于c s 结构而言，具有 部署方便、使用简单、对网络带宽要求低的特点，为地理信息服务的发展奠定 了基础。 然而，早期的w c bg i s 功能较弱，主要用于电子地图的发布和简单的空间 分析与数据编辑，难以实现较为复杂的图形交互应用( 如g i s 数据的修改和编 辑、制图) 和复杂的空间分析，还无法取代传统的c s 结构的g i s 应用，出现 了b s 结构与c s 结构并存的局面，而c s 结构涉及客户端与服务器端之间大 量数据转输，无法在互联网平台实现复杂的、大规模的地理信息服务。 随着电子政务和企业信息化( 电子商务) 的发展，构建由多个地理信息系 统构成的信息系统体系，跨越传统的单个地理信息系统边界，实现多个地理信 息系统之间的资源( 包括数据、软件、硬件和网络) 共享、互操作和协同计算， 构建空间信息网格( s p a t i a li n f o r m a t i o ng r i d ) ，成为g i s 应用发展需要解决的 关键技术问题。这要求将g i s 的数据分析与处理的功能移到服务器端，通过多 种类型的客户端( 如p c 、移动终端) 上w e bb r o w s e r 或桌面软件调用服务器端 的功能，来实现传统c s 结构g i s 所具有的功能，最终使b s 结构取代c s 结 构的应用，通过g i s 应用服务器之间的互操作和协同计算，构建空间信息网格。 b s 结构应用已经由浏览器网络服务器数据服务器( b r o w s e r w e bs e r v e r d a t as e r v e r ) 三层架构阶段进入到浏览器网络服务器应用服务器数据服务器 ( b r o w s e r w e bs e r v e r a p p l i c a t i o ns e r v e r d a t as e r v e r ) 四层架构阶段。在新的四 层架构中，网络服务器和应用服务器分离，并且其间还可以插入二次开发和扩 展功能，其中的应用服务器一般为支持远程调用的组件式g i s 平台，或由组件 式g i s 平台封装而成。将g i s 复杂数据分析与处理功能( 编辑、拓扑关系的构 建、对象关系的自动维护、制图) 移到g i s 应用服务器上，使客户端与服务端 一的数据传输减少到最少的程度，为在i n t e m e t 上实现复杂、大规模的地理信息服 务提供了可能。这一架构带来的巨大优势是使服务器端具有极强的扩展性，因 此作为应用服务器的组件式g i s 所具备的功能，都可以通过b s 结构实现， 3 武汉理工大学硕士学位论文 w e b g i s 不再是只能满足地图浏览和查询的简单软件了，而是一个体系先进，功 能强大的服务器端g i s ( s e r v e rg i s ) 。新的服务器端g i s 将是未来应用的发展 的主流。【4 】 1 4 研究背景及目的 国际互联网正在改变着数据访问和发布的方式，在享受w e b g i s 为我们带 来的上述好处的同时，还应看到目前w e b g i s 还存在着许多不成熟的方面，如 进入i n t e r n e t 带来的网络速率的限制及相应的安全性问题等等。处理互联网上空 间数据和地理信息的w e b g i s 正随着互联网与w e b 技术的变化而迅速发展。由 于大数据量的传输，互联网上及计算机本地总线数据传输速率的极大差异， w e b g i s 存在着数据传输性能低的最大缺陷，而在传统的桌面g i s 中通常不存在 这样的问题。这主要是因为w e b g i s 需要耗费较长的时间进行a v c t i v e x 构件或 地图数据的传输。尤其在进行传输大型矢量地图数据时，这个问题尤其值得考 虑。 w e b g i s 的低性能可以通过两种方式得以解决： 1 ) 增加互联网连接的速度，这主要是计算机网络硬件的支持； 2 ) 研究如何设计有效的程序，提高系统性能。这是g i s 研究开发人员的主 要任务。 本文就如何基于m a p x t r e r n e 和j 2 e e 技术相结合，开发高性能的w e b g i s 系统进行理论和实践上的探索，建立实用的w e b g i s 系统。 4 武汉理下大学硕士学位论文 第2 章网络地理信息系统 2 1 地理信息系统 2 1 1g i s 概述 地理信息系统技术是- - n 综合性的技术，它的发展是与地理学、地图学、 摄影测量学、遥感技术、数学和统计科学、信息技术等有关学科的发展分不开 的。g i s 的发展可分为四个阶段：第一个阶段是初始发展阶段，2 0 世纪6 0 年代 世界上第一个g i s 系统由加拿大测量学家r f t o m l i s o n 提出并建立，主要用于 自然资源的管理和规划；第二个阶段是发展巩固阶段，2 0 世纪7 0 年代由于计算 机硬件和软件技术的飞速发展，尤其是大容量存储设备的使用，促进了g i s 朝 实用的方向发展，不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统 在世界各地纷纷付诸研制，如美国、英国、德国、瑞典和r 本等国对g i s 的研 究都投入了大量的人力、物力和财力；第三个阶段是推广应用阶段，2 0 世纪8 0 年代，g i s 逐步走向成熟，并在全世界范围内全面推广，应用领域不断扩大，并 与卫星遥感技术结合，开始应用于全球性的问题，这个阶段涌现出一大批g i s 软件，如a r c i n f o ，g e n a m a p ，s p a n s ，m a p l n f o ，e r d a s ，m i c r o s t a t i o n 等；第四个阶段是蓬勃发展阶段，2 0 世纪9 0 年代，随着地理信息产品的建立和 数字化信息产品在全世界的普及，g i s 成为确定性的产业，并逐渐渗透到各行各 业，成为人们生活、学习和工作不可缺少的工具和助手【引。 地理信息系统的研制与应用在我国起步较晚，虽然历史较短，但发展势头 迅猛。我国g i s 的发展可分为三个阶段。第一阶段从1 9 7 0 年到1 9 8 0 年，为准 备阶段，主要经历了提出倡议、组建队伍、培训人才、组织个别实验研究等阶 段。机械制图和遥感应用，为g i s 的研制和应用做了技术和理论上的准备。第 二阶段从1 9 8 1 年到1 9 8 5 年，为起步阶段，完成了技术引进、数据规范和标准 的研究、空间数据库的建立、数据处理和分析算法及应用软件的开发等环节， 对g i s 进行了理论探索和区域性的实验研究。第三个阶段从1 9 8 6 年到现在，为 初步发展阶段，我国g i s 的研究和应用进入有组织、有计划、有目标的阶段， 逐步建立了不同层次、不同规模的组织机构、研究中心和实验室。g i s 研究逐步 5 武汉理工大学硕士学位论文 与国民经济建设和社会生活需求相结合，并取得了重要进展和实际应用效益。 2 1 2g i s 数据的获取、处理与交换 地理空间数据是g i s 的血液，构建和维护空间数据库是一项复杂、工作量 巨大的工程，它包括：数据的获取、校验和规范化、结构化处理、数据维护等 过程。g i s 处理的数据对象是空间对象，有很强的时空特性，获取数据的手段及 数据的形式也复杂多样。获取数据的基本方式有：野外全站仪平板测量、g p s 测量、室内地图扫描数字化、数字摄影测量、从遥感影像进行目标测量和数据 转换等。目前，这些获取技术已基本成熟。同时，空间数据也具有很强的时效 性，不同的空间数据必须进行周期不等的数据更新维护，空间数据库中数据的 准确、及时、完整是实现g i s 应用系统价值的前提基础。 g i s 的空间数据按其存储格式分为两大类，即矢量数据和栅格数据。矢量数 据按其是否明确表示地理实体的空间相互关系分为拓扑型数据和实体型数据两 种类型。栅格数据按其压缩编码方式不同也分为游程压缩编码，链式编码和四 叉树压缩编码等多种形式。 矢量数据模型 矢量数据是人们较为习惯的一种表示空间数据的方法。它是指通过记录地 理实体坐标的方式精确的表示点、线、面等实体的空间位置和形状。矢量数据 按其结构是否明确表示地理实体间空间相互关系分为拓扑型数据和实体型数 据。 栅格数据模型 尽管习惯于用矢量数据模型组织空间数据，但是栅格数据模型更适合计算 机的处理和表达。栅格数据模型表示的是不连续的、经量化的近似数据，栅格 数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元之比。由于栅格单元直接记录的是 地理实体的属性值或指向属性的指针，因此其特点是属性明显而位置隐含。在 g i s 中常用的栅格数据的压缩编码技术有游程压缩编码、链式数据编码、四叉树 编码、分块压缩编码等。 2 1 3g i s 空间数据的管理 空间数据的管理涉及n - - 个方面的内容：空间数据模型和空间数据库。空 间数据模型刻画了现实世界中空间实体及其相互间的联系，它为空间数据的组 织和空间数据库的设计提供了基本的方法。在g i s 中与空间信息有关的信息模 6 武汉理工大学硕士学位论文 型有三个，即基于对象( f e a t u r e ) 模型、场( f i e l d ) 模型以及网络( n e t w o r k ) 模型。 目前g i s 基础软件平台的研制和应用系统的设计开发一直沿用这三种空间数据 模型，鉴于现实世界对象众多，空间关系复杂，需要大量的数据来描述它们的 关系，因此，我们必须对这些复杂的数据进行有效的管理。地理信息系统的空 间数据管理方式大体上可以分为以下几类【5 】【6 】： ( 1 ) 基于文件系统的方式：这种方式直接采用文件系统来存储和管理空间数 据，系统结构简单，便于操作，但提供的功能非常有限。 ( 2 ) 基于文件系统与数据库的混合组织管理方式：这种方式基于传统的关系 数据库系统来存储地理空间对象的属性数据，而以文件方式来存储空间数据。 目前的大多数桌面g i s 系统均采用此种方式。 ( 3 ) 扩展关系数据库的组织管理方式：这种方式将空间数据和属性数据都存 储于关系型数据库中，通过在关系型数据库之上建立一层空间数据库功能扩展 模块( 通常被称为空间数据引擎) 来实现对空间数据的组织管理。目前主流的 g i s 软件都采用这种方式同时管理图形和属性数据。这种方法可以利用成熟的关 系型数据库技术来方便地实现g i s 数据的一致性维护、并发控制、属性数据的 索引等。当然，数据库本身并不直接支持对空间对象的操作和管理，而是通过 空间数据引擎来实现。 ( 4 ) 基于空间数据库的组织管理方式：基于空间数据模型，直接构建用来存 储和管理空间数据和属性数据的空间数据库系统来管理数据。它包含结合几何 和属性信息的框架，提供并支持空间数据的类型、查询语言和接口、高效的空 间索引和空间联合等。空间数据库直接支持空间对象的存储和管理，为空间数 据提供了高效的查询和检索机制，是目前g i s 数据管理技术研究的热点 2 1 4g i s 数据库设计 地理信息系统( g i s ) ，尤其是应用型g i s ，是g i s 软件、硬件、人和数据 的高度综合体，数据是人和软件操作的对象，存储于硬件设备上。一个数据库 组织的有效程度将对整个g i s 系统运作的成功与否起决定性作用。数据的组织 则属于数据库设计的范畴。数据库是地理信息系统的核心组成部分，根据不同 的应用，数据库会有各种各样的组织形式。g i s 数据库一般既要存储和管理属性 数据和空间数据，又要存储和管理空间拓扑关系数据。在进行应用型g i s 数据 库详细设计时，不仅要考虑特定工具型g i s 软件对设计的要求，同时也应考虑 特定信息种类的内容、产品的标准和技术规范的限制以及硬件的限制条件等等。 7 武汉理工大学硕七学位论文 应用型g i s 的数据库详细设计是在系统总体设计的基础上，将数据库概念设计 转换成详尽具体的数据库设计。 数据库设计就是把现实世界中一定范围内存在着的应用处理和数据抽象成 一个数据库的具体结构的过程。具体地讲，就是对于一个给定的应用环境，提 供一个确定最优数据模型与处理模式的逻辑设计，以及一个确定数据库存贮结 构与存取方法的物理设计，建立能反映现实世界信息和信息联系，满足用户要 求，以能被某个数据库管理系统( d b m s ) 所接受，同时能实现系统目标并有效 存取数据的数据库。数据库设计是一个复杂繁琐的过程，它通常要求包括：制定整 个数据库的使用目的和目标，分析和评价各种设计方案和雏形试验 6 1 。、 g i s 数据库的设计又要有更多的考虑，因为地理数据有矢量和栅格之分，各 种数据又同时具有空间和属性的特征，有的还有时间上的信息特征，各种特征 的信息可能要用不同的结构来表达。各类数据的开发可能是使用不同的g i s 软 件来完成的，这样数据的格式也各不相同，一个数据库可能要求容纳各种各样 的数据类型和格式。如何有机地将这些考虑结合起来，也是一个g i s 数据库设 计成功与否的关键因素之一。 g i s 数据库的设计应该既考虑数据的特征，又兼顾应用目的，仅依据数据特 征来进行g i s 数据库设计的方法会忽略了用户将如何使用这些数据的部分，所 以这样设计出的数据库常常无人问津。按照应用目的设计的数据库是根据用户 的使用目的来对数据库进行设计，假若对数据的考虑加强一些，便可以使设计 出的数据库既充分利用了技术上的优势，又兼顾了用户的应用目的1 7 。 2 2w e b g i s 概述 w e b g i s 是基于i n t e r n e t 平台、客户端应用软件采用w w w 协议运行在 i n t e r a c t 上的地理信息系统。它是在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，其核心是在地理信 息系统中嵌入h t t p 和t c p i p 标准的应用体系，实现互联网环境下的空间信息 管理等地理信息系统功能。它是g i s 技术和互联网技术相结合而产生的一种崭 新的、革命性的技术，它使基于地图( 图形、图像) 的应用系统得以通过互联网技 术在各行各业中的更广泛的应用。 w e b g i s 的基本思想就是在互联网上提供地理信息，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w e b g i s 由于操作简单、跨平台、 武汉理t 大学硕士学位论文 可扩展、信息分布共享、高效的负载平衡等特点，已经在诸多领域中得到广泛 的应用。 2 3w e b g i s 的原理 w e b g i s 是由多部主机、多个数据库与多台终端，通过i n t e r e t i n t r a n e t 连接 而组成的。实际上w e b g i s 常常是通过i n t e r n e t 连接大量的分布在不同地域的不 同部门的独立的g i s 系统组成。w e b g i s 具有客户服务器结构，对g i s 应用来 说，用户要求在互联网上不仅能够浏览文字信息，而且需要浏览大量的动态交 互图形信息。而且不同的用户有不同的需求。显然，静态网页不能满足这样的 需求，需要采用交互式的动态网页来实现，即根据用户的制定从数据库里查询 数据，动态生成页面，然后分发给用户。 w c b g i s 在结构上属于分布式地理信息系统模型，通过i n t c r e f f w w w 机制可 以有效地实现分布式地理信息处理。w e b g i s 通常由四部分组成( 如图2 1 所示) ： w e b g i s 浏览器，可以通过w e b 服务器连通道任何地点的另一个数据服务器上， 读取各种地理信息；w c b g i s 信息代理( i n f o r m a t i o na g e n t ) ，是空间信息网络化的 关键部门，主体( a g e n t ) 是信息代理机制和信息代理协议，提供直接访问数据库 的功能；w 曲g i s 服务器，能解释中间代理请求及操作数据库服务器和实现浏览 器与服务器的动态交互：w e b g i s 编辑器，具有可视化、交互式、多窗口的功能， 能建立g i s 对象、模型和进行空间数据的编辑及显示。 图2 1w e b g i s 的组成 9 武汉理丁大学硕士学位论文 2 4w e b g i s 的实现技术 在w e b g i s 实现时，需要着重考虑两个问题，即控制网络传输数据量以及 必须通过浏览器与用户进行交互。目前已经有多种不同的技术方法被应用于研 制实现w e b g i s ，包括c g i ( c o m m o ng a t w a yi n t e r f a c e ，通用网关接口) 方法、服 务器应用程序接口( s e w e ra p i ) 方法、插件( p l u g - i n ) 法、j a v a a p p l e t 方法以及 a c t v e x 方法等等，下面对这些技术进行简单的描述和比较。f 3 】【4 】 8 】 i ) c g i 方法 基于c g i 的w e b g i s 系统原理图如图2 - 2 所示。c g i 是一个用于w e b 服务 器和客户端浏览器之间的特定标准，它允许网页用户通过网页的命令来启动一 个存在于网页服务器主机的程序( 称为c g i 程序) ，并且接收到这个程序的输出结 果。c g i 是最早实现动态网页的技术，它使用户可以通过浏览器进行交互操作， 并得到相应的操作结果。利用c g i 可以生成图像，然后传递到客户端浏览器。 这样，从理论上讲，任何一个g i s 软件都可以通过c g i 连接到w e b 上去，远程 用户通过浏览器发出请求，服务器将请求传递给后端的g i s 软件，g i s 软件按照 要求产生一幅数字图像，传回远程用户。 图2 - 2 基于c g i 的w e b g i s 实际上，由于设计的原因，大多数g i s 软件不能直接作为c g i 程序连接到 w e b 上，但是，有以下的两种技术比较成功。 a ) 用c g i 启动后端的批处理制图软件，这种软件的特点是用户可以直接在 计算机终端一行一行地输入指令来制图。其特点是用户的每一个要求都要启动 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 相应的g i s 软件，如果软件较大，启动时间就会很长。 b ) c g i 启动后端视窗( w i n d o w s ) g l s 软件，c g i 和后端g i s 软件的信息交换 是通过“进程间通讯协议( w c i n t e rp o r e e s sc o m m u n i c a t i o n ) 来完成，常用的i p c 有r p c ( r e m o t ep r o c e d u r ec a l l ) 和d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 。其优点在于， 由于g i s 软件是消息驱动的，c g l 只要通过发送消息，驱动g i 软件执行特定操 作即可，不需要每次重新启动。 2 ) 服务器a p i 方法( s e v e ra p i 方法) 服务器a p i 类似于c g i ，不同之处在于c g i 程序是单独可以运行的程序， 而s e v r e r a p i 往往依附于特定的w e b 服务器，如m i c r o s o f l l sa p i 依附于i i s ( i n t e r e ti n f o r m a t i o ns e r v e r ) ，只能在w i n d o w s 平台上运行，其可移植性较差。但 是s e r v e ra p i 启动后会一直处于运行状态，其速度较c g i 快。基于s e v e ra p i 的 w 曲g i s 系统原理图如图2 3 所示。 j | w 砹 g i s 、 浏览器 y 英 ，、 s e m l i s a p l 玛 数据库 特、 、n 叫 p 网 l l s w e bd l l 服务器 客户端 s c f v a 图2 - 3基于s e v e r a p i 的w e b g i s 3 1 插件方法( p l u g - i n s 方法) 基于p l u g 的系统原理图如图2 _ 4 所示。利用或者api，_inw e b g i sc g i s e r v e r 虽然增强了客户端的交互性，但是用户得到的信息依然是静态的。用户不能操 作单个地理实体以及快速缩放地图，因为在客户端，整个地图是一个实体，任 何g i s 操作，如放大、缩小、漫游等操作都需要服务器完成并将结果返回。当 网络流量较高时，系统反应变慢。解决该问题的一个办法是利用插件技术，浏 览器插件是指能够同浏览器交换信息的软件，第三方软件开发商可以开发插件 以使浏览器支持其特定格式的数据文件。利用浏览器插件，可以将一部分服务 器的功能转移到客户端，此外对于w e b g i s 而言，插件处理和传输的是矢量格 式空间数据，其数据量较小，这样就加快了用户操作的反应速度，减少了网络 武汉理工大学硕士学位论文 流量和服务器负载。插件的不足之处在于，象传统应用软件一样，它需要先安 装，然后才能使用，给使用造成了不方便。 图2 - 4 基于p l u gi n 的w c b g i s 4 ) a c t i v c x 方法 另一项可以实现w e b g i s 的技术是a c t i v e x ，它是在微软公司o l e 技术基 础上发展起来的因特网新技术，其基础是d c o m ( d i s t r i b u t e c lc o m p o n e n to b j e c t m o d e l ) ，它不是计算机语言，而是一个技术标准。基于这种标准开发出来的构件 称为a c t i v e x 控件，可以象j a v a a p p l e t 一样嵌入到h t m l 文件中，在因特网上 运行。与j a v a a p p l e t 相比，其缺点是只能运行于m s - - w i n d o w s 平台上，并且由 于可以进行磁盘操作，其安全性较差，但是优点是执行速度快，此外由于a c t i v e x 控件可以用多种语言实现，这样就可以复用原有g i s 软件的源代码，提高了软 件开发效率。原理图如图2 5 所示。 a c t i v e x f w 曲i g i s ，、 浏览器 l “ 英 a c t i v e xs e r v e h s q l 一 特仁r 叫 数据库 w w w 服务器 控件网控件 s e r v e r 客户端 t 图2 5 基于a c t i v e x 的w e b g i s 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 5 ) j a v a a p p l e t 方法 w e b g i s 插件可以和浏览器一起有效地处理空间数据，但是其明显的不足之 处在于计算集中于客户端，称为“胖客户端”，而对于c g i 方法以及s e w e ra p i 方法，数据处理在服务器端进行，形成“瘦客户端 。利用j v a a 语言可以弥补 许多传统方法的不足，j a v a 语言是一种面向对象的语言，它的最大的优点，就 是其跨平台特性，此外j a v a 语言本身支持例外处理、网络、多线程等特性，其 可靠性和安全性使其成为因特网上重要的编程语言。基于j a v aa p p l e t 的w e b g i s 模式图如图2 6 所示。 ： 客户端 ： 服务器 图2 6 基于j a v aa p p l e t 的w e b g i s 模式 j a v a 语言经过编译后，生成与平台无关的字节代码( b y t e c o d e ) ，可以被不同 平台的j a v a 虚拟机( j v m - - j a v av i r t u a lm