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基于开放环境下的g i s 服务及实例研究 摘要 地理信息科学，作为一门将现实世界空间信息和信息科学的理论技术结合的 学科，经过多年的发展，特别是随着计算机网络技术和分布式技术的进步，已经 不仅仅局限于为专业的研究人员提供数据服务、计算分析、决策支持等功能，它 面对的将是更加广泛的用户群，无论是专业还是非专业的人员，都可以获得所感 兴趣的空间信息。 面对新时期地理信息科学发展，无论从概念、数据组织管理上，还是从体系 结构、系统设计、系统开发等各方面，都将发生惊人的变化，以满足不同层次、 不同用户的需要。为了打破现在各个地理信息系统之间的壁垒，利用网络将这些 系统连接在一起，达到信息存储和处理的高效性、一致性以及应用程序开发的方 便、易维护和扩展，解决当前存在的诸如数据信息异构、分布式计算、互操作等 问题，在研究了国内外相关动态和进展后，本文提出了建立开放环境下的g i s 服务的体系结构。 论文共分为五章。在第一章，首先回顾了地理信息科学的发展历程，指出了 在新时代地理信息科学的发展将和网络技术紧密结合，实现地理信息服务的体系 结构。在讨论了地理信息科学当前发展存在的问题的基础上，引出了本文研究的 重点和问题。 第二章具体介绍了建立开放环境下地理信息服务的概念、特点及表现形式， 指出在开放环境下实现地理信息服务，突破信息鸿沟的关键是实现统一的标准和 资源的互操作。 为解决空间信息网络传输、查询搜索、互操作等问题，第三章将空间元数据 技术、g i s 对象关系模型技术和分布式计算技术作为实现开放环境下地理信息服 务的关键技术，在分别阐述了三项关键技术的理论研究的基础上，实现了简单的 空间元数据库，建立了一套比较完整的g i s 对象关系模型，分析了j a v a 技术和 r m i i i o p 技术在实现分布式计算的优势。 以前三章为基础，第四章探讨了j a v a 技术在实现开放环境地理信息服务中 的优势和解决方案，在国家8 6 3 课题一基于s i g 框架的( 上海) 城市空间信息 基于开放环境下的g i s 服务及实例研究 服务应用系统，以及大型连锁超市网络配送课题的支持下，完成了两个开放环境 下地理信息服务原型系统的设计和实现。 最后，本文对研究的主要问题和解决方法进行了总结，对将面临的问题和挑 战提出了进一步的思考和讨论。 关键词：开放环境地理信息服务标准互操作j a v a i i 基于开放环境下的g i $ 服务及实例研究 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 c i e n c e ，w h i c hc o m b i n e sr e a l - w o r l ds p a t i a li n f o r m a t i o n 、i t l lt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fi n f o r m a t i o ns c i e n c e ，h a sf l l l l yd e v e l o p e di nr e c e n t y e a r se s p e c i a l l yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n dd i s t r i b u t e dt e c h n o l o g y a t p r e s e n t ，g i sn o to n l yp r o v i d e si n f o r m a t i o ns e r v i c e , c o m p u t i n ga n a l y s i sa n dd e c i s i o n s u p p o r tf o rp r o f e s s i o n a lr e s e a r c h e r s 。b u ta l s of a c e sam o r e 诵d es p r e a du s e r s a n y o n e c a l lg a i nw h a th ei si n t e r e s t e di n ， g i sm u s ta d j u s ti t s e l ft os a t i s f ym u l t i - l e v e la n dd i f f e r e n tn e e d si nv a r i o u sa s p e c t s f r o mc o n c e p t , d a t am a n a g e m e n tt os t r u c t u r e ，s y s t e md e s i g na n ds y s t e md e v e l o p i n gi n t h en e we r a ，i no r d e rt ob r e a kt h eo b s t a c l eb e t w e e nd i f f e r e n ts y s t e m s ，t oc o n n e c ta l l t h e s es y s t e mt h r o u g hn e t w o r k ，t or e a c hh i g h - e f f i c i e n ta n dc o h e r e n ts t o r a g ea n d p r o c e s s i n g ，a n dt o s o l v es u c hp r o b l e m sa sh e t e r o g e n e o u si n f o r m a t i o n , d i s t r i b u t e d c o m p u t i n g ，i n t e r o p e r a b i l i t y , e t c ，t h e t h e s i s p r o p o s e s t h e r e a l i z a t i o no f o p e n - e n v i r o n m e n t - b a s e dg i ss e r v i c ea r c h i t e c t u r ea f t e rc a r e f u lr e v i e wo ft r e n d sa n d d e v e l o p m e n ti nt h i sf i e l dh o m ea n da b r o a d t h e r el i ef i v ec h a p t e r si nt h et h e s i s i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h et h e s i sr e v i e w st h e d e v e l o p i n gc o u r s eo fg i s ，a n dp o i n t so u tt h a tg i sm u s ti n t e g r a t e 沥mn e t w o r k t e c h n o l o g yi no r d e rt or e a l i z eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns e r v i c e o nt h eb a s i so f d i s c u s s i n ge x i s t i n gp r o b l e m si nt h eg i sd e v e l o p m e n t , t h et h e s i sp r e s e n t st h ee m p h a s i s a n di s s u e si nt h er e s e a r c h c h a p t e rt w oi n 仃o d u c e st h ec o n c e p t , c h a r a c t e r i s t i ca n df o r m so ft h er e a l i z a t i o no f o p e n - e n v i r o n m e n t - b a s e dg i ss e r v i c e t h ek e yp o i n to fb r e a k i n gi n f o r m a t i o ng a pi s t or e a l i z eu n i f o r ms t a n d a r da n dr e s o u r c ei n t e r o p e r a b i l i t y c h a p t e rt h r e et a k e ss p a t i a lm e t a d a t at e c h n o l o g y , g i so b j e c t - o r i e n t e dm o d e la n d d i s t r i b u t e dc o m p u t a t i o nt e c h n o l o g ya sm a i nt e c h n o l o g i e so ft h er e a l i z a t i o no f o p e n - e n v i r o n m e n t - b a s e dg i ss e r v i c e ，w h i c ha r ed e v e l o p e dt os o l v ep r o b l e m ss u c ha s s p a t i a li n f o r m a t i o nt r a n s i t i o n ，i n f o r m a t i o nq u e r ya n di n t e r o p e r a b i l i t y w h i l et h et h e o r y h i 基于开放环境下的g s 服务及实例研究 o ft h et h e ek e yt e c h n o l o 西e sa r cp r e s e n t e d , as i m p l en 幢= t 虻l a 士ad a t a b a s ea n da c o m p l e t eg i so b j e c t - o r i e n t e dm o d e la r ed e v e l o p e d m e a n w h i l e 。t h et h e s i sa n a l y z e s t h ea d v a n t a g e so fb u i l d i n gd i s t r i b u t e dc o m p u t a t i o ne n v i r o n m e n tw i 也j a v aa n d 瑚- i f o p c h a p t e rf o u rd i s c u s s e st h ea d v a n t a g e sa n ds o l u t i o n so fo p e n - e n v i r o n m e n t - b a s e d g i ss e r v i c er e a l i z a t i o n t w op r o t o t y p es y s t e m sa r ec o m p l e t e dw i t ht h eh e l po fs t a t e 8 6 3p r o j e e t ，s i g b a s e du r b a ns p a t i a li n f o r m a t i o ns e r v i c es y s t e m ，a n dc h a i n s u p e r m a r k e t sd i s p a t c hp r o j e c t f i n a l l y , t h et h e s i ss u m m a r i z e sm a i np r o b l e m sa n ds o l u t i o ni nt h er e s e a r c h ，a n d 缸r t h e rd i s c u s s i o na n dc o n s i d e r a t i o na r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：o p e n e n v i r o n m e n t g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns e r v i c e s t a n d a r d i n t e r o p e r a b i l i t y j a v a 基于开放环境下的g i s 服务及实溯研究 第一章地理信息科学与地理信息服务 1 1 地理信息科学的发展和地理信息服务的出现 地理信息科学( g i s ) 主要研究应用计算机技术对地理信息进行处理、存储、 提取以及管理和分析过程中所提出的一系列基本问题，如数据的获取和集成、分 布式计算、地理信息的认知和表达、空间分析、地理信息基础设施建设、地理数 据的不确定性及其对于地理信息系统操作的影响、地理信息系统的实践等1 】【4 2 】。 经过多年的发展，地理信息科学的应用范围已非常广泛，然而随着网络技术 的飞速进步，人们对地理信息的要求越来越高，希望能随时随地获得所感兴趣的 地理信息，但是现在大多数的地理信息系统固有问题( 即信息共享困难) 的存在， 使得人们的这一要求很难实现。所以，当前地理信息科学研究领域一个重要的问 题就是建立一套全新的体系，利用新理论和新技术，满足当代人们对地理信息的 需求。 1 1 1 地理信息科学的发展 首先将介绍地理信息科学的发展历程。地理信息系统的发展受到用户的需 要、技术的进步、应用方法论的提高，以及有关组织机构的建立等因素的影响。 综观国际g i s 的发展，可分为以下几个阶段【2 】【3 】： 1 ) 6 0 年代为地理信息系统开拓期，对于这个时期地理信息系统的发展来说，专 家兴趣以及政府的推动起着积极的引导作用，并且大多地理信息系统工作限 于政府及大学的范畴，互相之间的交往甚少。 2 ) 7 0 年代为g i s 的巩固发展期，注重于空间地理信息的管理。这个时期发展的 总体特点是：在继承6 0 年代技术基础之上，充分利用了新的计算机技术，但 系统的数据分析能力仍然很弱：在技术方面未有新的突破；系统的应用与开 发多限于某个机构；专家个人的影响削弱，而政府影响增强。 3 ) 8 0 年代为g i s 大发展时期，注重于空间决策支持分析。应用领域迅速扩大， 从资源管理、环境规划到应急反应，从商业服务区域划分到政治选举分区等， 基于开放环境下的g i s 服务及实斜研究 涉及到了许多的学科与领域。这个时期最显著的特点是商业化实用系统进入 市场。 4 ) 9 0 年代后为g i s 的用户时代。一方面，g i s t , 成为许多机构必备的工作系统， 尤其是政府决策部门在一定程度上由于受g i s 影响而改变了现有机构的运行 方式、设置与工作计划等。另一方面，社会对g i s 认识普遍提高，需求大幅 度增加，从而导致地理信息系统应用的扩大与深化，g i s 走出实验室和研究 机构，开始服务于大众。 1 1 2 地理信息服务的出现 从g i s 的用户时代开始，地理空间信息不再仅仅局限于科研单位、高校、 相关组织等，地理信息的应用正越来越广泛，其面向的用户从具有专业知识的科 技人员发展到任何需要获得地理信息的用户。同时，人们对地理信息的需求大幅 提高，从时间、空间和内容等多个方面对地理信息提出深入的要求，要求为用户 快速、便利、准确、及时的获得地理信息建立良好的通道。 这些都为地理信息科学的发展提出一系列的挑战，在当前的网络和信息技术 发展应用的推动之下，地理信息系统不应该是一个个单独的系统，而应该是一个 为整个社会提供地理空间信息服务的服务系统。在当今的宏观领域，国家级乃至 全球性的地理信息服务系统已成为政府和公众关注的问题，已列入美国政府制定 的“信息高速公路”计划，美国副总统戈尔提出的“数字地球”战略【6 】、我国的 “2 1 世纪议程”和“国家信息基础设施建设”也将地理信息服务系统归入重点 建设目标。同样证明，地理信息服务系统已经发展成为现代社会最基本的服务系 统。 所以，应用网络技术，实现分布式地理信息共享是当前g i s 的一个主要发展 方向。通过不同的分布式地理信息系统向用户提供由简单到复杂的服务，可以满 足不同的应用需求。 地理信息服务的体系结构如图1 1 所示 基于开放环境下的6 1 s 服务及实例研究 图1 1 地理信息服务体系结构 为了实现人们对地理信息服务的基本要求，需要现代网络技术为地理信息服 务提供技术支持嘲： 1 ) 从时间角度来看，以国际互联网为中心的当代信息网已经实现了信息服务时 间上( 2 4 x 7 ，每周7 天，每天2 4 小时不间断服务) 的基本要求； 2 ) i 网络上数据内容的急速增长( 每6 个月数据通讯量加倍：网络容量年增长率超 过7 8 ) 也正在满足人们对信息服务内容上的需要； 3 ) 由于网络的普及，以及移动通讯技术的日趋成熟，在此基础上集成的解决方 案可以满足人们对空间上的需要。 网络技术支持下的地理信息服务将比传统的g i s 具有更多的优势： 1 ) 适应性强 地理信息服务将是基于互联网的，因而是全球的，并且能够在不同的平台上 运行。 2 ) 应用面广和真正的信息共享 g i s 将不仅仅提供决策、分析、支持等基本功能，网络将使g i s 应用到整个社 会，应用到各个需要g i s 服务的部门中去1 9 】j 同时，g i s 可以使得不仅是专业人员， 而且普通用户也能方便地获取所需的信息；此外，由于网络的迅猛发展，w e b 服 基于开放环境下的g i s 服务及实例研究 务正在渗入干家万户，在全球范围内任意一个网络用户都可以获得g i s 服务器提 供的服务，实现了g i s 的大众化。当无线和移动技术日益成熟，g i s 又与之紧密 结合，将真正实现g i s 的无所不能，无处不在。 3 ) 巨大的扩展空间 网络技术和w e bs e r v i c e 技术基于的标准是开放的、非专用的，是经过标准化 组织i e t f 和w 3 c 制定的，这就为g i s 的进一步扩展提供了极大的发挥空间，使得 g i s 很容易与网络中的其它信息服务进行无缝集成，建立功能丰富的具体g i s 应 用。 1 2 地理信息科学发展存在的问题 地理信息服务的出现，为地理信息科学在新时代的发展提出了新的要求，同 时也是一个巨大的契机。但是，经过多年发展建立起来的传统的地理信息系统存 在着极大的问题，这些问题沉重的阻碍了地理信息科学的顺利发展。 1 ) 资源的分布性和可达性问题 大量的数据以不同的形式存储在世界的各个地方，呈现多源异地异构性，数 据的分布管理与访问同样存在很大的盲目性，这造成一方面研究需要的数据或所 得的数据无法满足实际需要，另一方面大量数据被闲置造成资源的浪费，用户很 难找到自己需要的信息和服务： 2 ) 数据标准的问题 由于测量、采集等标准的不同，为数据的处理、转换、过滤等造成很多麻烦， 同样造成数据共享的困难以及数据的冗余，用户面对大量的信息却无法满足他们 的需求： 3 ) 互操作性问题 虽然网络将各个地理信息系统连接在一起，但是，这些多元的集成地理分析 方法、模型的不同的地理信息系统无法实现共享和互操作，这些系统成为了信息 孤岛，只能为特定的环境服务，大大降低了其效能。 这些问题最直接的表现就是信息鸿沟的出现，如图1 2 所示。 4 基于开放环境下的g i s 服务及实例研究 图1 2 信息鸿沟 现有的技术手段使我们在g i s 服务的应用和发展上都困难重重，面对着当 前海量数据的融合、共享、信息提取、知识发现以及智能决策问题，我们需要的 是新的地理信息技术的体系结构。 值得庆幸的是，随着计算机领域理论和技术的发展，以计算机技术为重要辅 助的地理信息科学也随之获得了长足的进步，地理信息科学领域的有识之士们联 合起来成立了开放地理信息系统联合会o g c ( o p e ng i sc o n s o r t i u m ) ，本着以网 络为平台，实现数据发现、数据处理、集成、分析、决策支持和可视化处理等等 地理信息服务功能的目的，实质是为了在开放式的环境下，建立地理数据共享和 互操作的规范标准，以解决地理信息科学发展中面临的问题【7 】。 1 3 本文研究的问题 本文以地理信息服务为出发点，着眼于当前g i s i 日务的现状、要求、存在的 问题和解决方案，紧扣当前g i s 信息服务领域的最新研究成果和理论方法，参照 了开放地理信息系统联合会o g c ( o p e ng i sc o n s o r t i u m ) 的工作，从而提出了 建立开放环境下的地理信息服务，目的是为了更好的将各种技术以及信息服务和 g i s 紧密的结合在一起，能够更快捷、有效、安全的实现资源共享，推动g i s j 务的社会化和公共化进程，实现地理信息资源的合理管理、维护和使用，为达到 地理信息服务的a n y t i m e 、a n y w h e r e 、a n y t h i n g 提供一条可行的思路。 在本文中，主要研究以下的关键问题： 基于开放环境下的g i s 服务及实例研究 1 ) 通用的g i s 对象关系模型的实现 2 ) 异构资源和数据的互操作 3 ) 开放环境下地理信息服务的实现 在研究过程中，本文应用了对象关系模型、空间元数据技术、分布式计算等 关键技术，建立了两个实例原型，第一个实例原型，广义的基于开放式的地理信 息服务原型系统是在建立g i s 对象关系模型的基础上，应用j a v a 的分布式解决方 案，实现的城市( 上海) 空间信息服务系统；而实例二是以结合地理区位分析模 型实现b s 结构下农工商超市物流配送，快速的地理信息服务的响应和空间信息 的查询检索服务是实现该实例的目标。 6 基于开放环境下的g i s 服务及实例研究 第二章开放环境下的地理信息服务 2 1 开放环境下的地理信息服务 2 1 1 开放环境下的地理信息服务的含义 虽然网络为信息的传播、浏览、数据交换提供了统一的平台，同时促进了 g i s 应用的网络化和大众化，但是由于地理现象的复杂性，以及在g i s 的发展过 程中，研究机构和厂商对地理特征的理解、认识和目的的不同，发展出形式各异 的空间数据模型和g i s 实现技术，这就造成了g i s 的多元化发展，数据格式融 合的困难，软件平台之间不能进行互操作，即使在网络的开放环境相互之间也难 以访问和资源的共享。因此，需要建立开放环境下的地理信息服务。 开放环境下的地理信息服务，即是指在计算机和网络环境下，根据行业标准 和接口所建立起来的地理信息服务r t ，它可以让人们使用计算机网络技术自由地 访问的分布于不同地方的各种地理信息及服务，比如地图、图像、数据集、地理 分析和报表生成等。 传统的g i s 软件由于使用各自的数据格式，相互之间的转换非常麻烦，而 且在转化过程中也造成了定的信息损失，同时由于开发的程序语言平台的不同 以及缺乏统一的接口定义，造成各个g i s 平台之间的地理信息功能也无法互相 兼容，这些都是g i s 互操作和共享的最大的瓶颈，开放环境下的g i s 就是为了 解决这个问题。由于接口是可以扩展的，不同的g i s 系统之间可以遵循接口的 定义和标准数据格式，通过接口实现数据的交互和互操作，更进一步的是实现模 型方法以及运算资源的交互，从而将分布在网络上的g i s 资源有机完整的结合 在一个规则的环境之下。 2 1 2 开放环境下的地理信息服务的特点 开放环境下地理信息服务的需要建立在统一的标准、接口等技术之上，它具 有以下特点： 1 ) 体系的标准：标准是实现接个体系的基础，只有遵循它才能实现整个服务体 7 基于开放环境下的g i s 服务及实例研究 系的健康发展，同时，这个标准也在不断的完善，以实现体系的健壮性和可 扩展性； 通用的接口：通过接口实现资源之间方便的联接。达到数据的交互、资源的 共享和互操作等，而接口是可自由扩展的，针对不同的实现可以开放符合具 体要求的接口方法，体系具有自由度和共享性： 3 ) 服务的层次性：为了有效的组织、协同整个体系内的运行和服务，提高效率， 就必须实现体系结构的层次性，针对不同的需求提供不同的服务： 4 ) 稳定性和健壮性：体系内任意一个节点出现问题都不会影响整个体系的正常 运作，并尽可能的兼容其它的信息处理技术和信息共享标准，体现良好的整 体性和协同性；通过构建符合通用接口的应用程序，每个应用程序都可以在 不依赖于其他应用程序的情况下自由构建。应用程序能够自由的增加，修改 或者替换而不影响到其他应用程序。此外，业务操作流程还可以随时改变， 作为对紧急情况的一种回应i 5 ) 服务的透明性：对用户透明，公开标准、接口及规范说明，具有更广泛的适 应性。 2 1 3 狭义和广义开放环境下的地理信息服务 为了区别传统的g i s 服务体系，本文提出狭义开放环境下的g i s 服务和广 义开放环境下的g i s 服务两种形式。 1 狭义开放环境下的g i s 服务 狭义开放环境下的g i s 服务解决方案主要是指传统的基于c l i e n t s e r v e r 结构 或多层c l i e n t s e r v e r 结构来建设的g i s 服务系统，其各系统都是单独建设，常常 是针对具体的要求设计的。 建立g i s 应用系统是一项庞大的系统工程，由于受到技术体系、行业或部 门利益等因素的限制，大多数机构组织在g i s 应用系统的建立的同时，自觉或 不自觉地扎上了十分坚固的“篱笆”。这“篱笆”在一定程度上保护了他们自身 局部的利益，满足了部门内o i s 服务的开放和共享，但同时也极大地约束了向 更广阔的天地拓展自身的生存和发展空间。这些人为因素使得这个世界上“信息 孤岛”随处可见。 基于开放环境下的g i s 服务及实例研究 狭义开放环境下g i s 服务的表现形式【1 2 】： 1 ) 文件共享或传输模式 文件共享模式主要通过将网络驱动器映射为一个本地驱动器盘符的方法，其 实质是底层网络的映射功能。文件传输是将服务器上的数据全部或部分的下载到 本地进行使用。这两种模式比较适合在局域网下实现。 2 ) c l i e n t s e r v e r 模式 利用高效的网络协议将客户端与服务器联接起来，允许各种平台的客户端 软件按照确定的协议格式向服务器发送服务请求，而服务器则一直在监听客户端 的请求，一旦接受到请求，服务器根据自身的验证先确定是否建立联接，当联接 建立后，客户端和服务器可以根据一定的协议来进行数据的交换，对话通过协议 来传输，由协议解释器来翻译，最后服务器向客户端返回结果，返回的可能是具 体的数据，分析处理结果等，这取决于客户端和服务器的各自的扮演的角色的不 同，从而也就产生了胖客户端朋r 务器型、瘦客户端服务器型和多层型( m u l t i - t i e r ) 等多种形式。此模式的服务器是一个空间数据服务器，它的网络数据访问方法是： 通过扩展关系数据库或利用对象关系数据库，利用数据库的网络能力向客户端提 供空间和属性数据服务；利用数据库的网络功能向客户端提供属性数据服务，利 用文件系统向客户端提供空间数据服务。这是一种广泛使用的模式，但是它主要 也是运行在局域网上。 3 ) c g i 模式 c g i 模式主要是基于w e b 应用。客户端基本不含g i s 功能，或通过s c 却t 语言实现简单的g i s 功能，大多只是w e b 浏览器，通过公共网关接口c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ) 来动态访问服务器方g i s 数据和功能，然后将处 理结果作为h t m l 页面发送回客户端。 钔g i s 插件( g i sp l u g - i n s ) 插件模式也是基于w e b 应用。与c g i 模式不同，它将一部分服务器上的g i s 功能移到客户端，这部分功能被设计成能与网络浏览器交换信息的专门g i s 软 件，称为g i s 插件。这种g i s 插件不但可以增加网络浏览器处理地理空间数据 的能力，而且还可以减少网络g i s 服务器的信息流量。 在g i s 服务的发展过程中，狭义开放环境下的g i s 服务在推动地理信息服 9 基于开放环境下的g i $ 服务及实例研究 务的技术的发展中起到了关键作用，使得用户能够固定的网络范围内上获得g i s 服务，但是狭义开放环境的缺点十分明显： 数据共享局限于组织内部，数据融合也只能按照预定方案实现 服务体系向外的可扩展性差，可以接受外界数据，但是面向广域网的服 务很难做到 g i s 服务能力较差，共享性、交互性和互操作性无法得到保证 这些缺陷在很大程度上限制了g i $ 服务的提供和使用，其根本原因是： 缺乏标准和规范性的接口 共享限于数据的访问 缺乏计算资源的共享机制以及跨平台的互操作性 2 广义开放环境下的g i s 服务 我们的世界正在以前所未有的惊人速度向信息化迈进。信息化为我们的工作 或生活所带来的诸多便捷与刺激，让我们或多或少有一些紧张和陶醉。但是，数 据标准、信息孤岛等问题却让我们在这巨大的契机前止步了，用传统的g i s 技 术建立的独立系统常常面向特定的、一定范围的、通常只是部门内部的用户，只 有g i s 技术与网络、分布式等技术结合，才能使地理信息为大众共享成为现实。 随着对g i s 服务需求的快速增长，需要更为开放的环境和机制支持多样化的 g i s 服务需求，人们需要一种超越空间制约、与平台无关的崭新的信息体系结构， 应用一种更县全局性的思维方式和更自如的交流和协作手段，从尽可能超越局部 的高度出发，去把握、去理解并最终解决信息孤岛等问题。广义开发环境下的 g i s 服务就是解决这些问题的体系结构。 广义开放环境下的g i s 服务是为了跨越平台限制、解决空间信息异构、完 成不同地理信息系统平台之间的互操作、能够快速准确高效的提供地理信息各种 服务的一套体系结构，广义开放环境下的g i s 服务描述了一系列服务请求的接 口，通过标准化的消息传输机制，通过网络来访问这些接口。接口隐藏了服务的 具体实现的细节，允许独立于硬件和软件平台来实现这些服务。 广义开放环境下的g i s 服务有以下特点m 【1 3 】： 1 1 开放性和互操作性；开放环境下g i s 服务的基本要求； 2 1 完好的封装性：服务既然本身就是一种部署在网络环境下的对象，自然需耍 基于开放环境下的g i s 服务及实例研究 具备对象良好的封装性。对于服务的请求者而言，他能且仅能看到对象提供 的功能列表： 3 ) 松散的耦合性：这特征也是来自于对象，组件技术，当一个服务的实现发生 了变化，服务的请求者应该是感觉不到的，只要服务的接口不变，服务实现 的任何变更都是透明的。任何一端的执行机制发生变化，不会影响另一端的 运行。松散耦合的实现需要一种适合网络环境的消息交换机制，) 锨l 正是 目前最适合的消息交换协议； 4 ) 协议的规范性：首先，服务的提供者的功能应当使用标准的语言来描述，其 次，由标准描述语言描述的服务应当是能够被发现的，因此，这一描述的使 用协议需要被贮存在私有的或公共的注册库里； 5 ) 易用性：g i s 服务的构造过程是为了解决用户所关心的具体应用任务，因 此必须尽可能的完整、有效地对任务进行自然描述和表达，让用户快速、深 入地掌握g i s 服务并进而快速解决实际问题的； 6 1 高度可集成性：由于服务本身采取的是简单的、易理解的标准网络协议，可 应用x m u g m l 作为服务描述和协同描述规范，完全屏蔽了不同软件平台的 差异。因此，在理论上，任何具体g i s 服务都可以通过这一标准的协议进行 互操作，实现在当前环境下最高的o s 可集成性。 图2 1开放环境下地理信息服务体系结构图 开放环境下地理信息服务基本的体系结构如图2 1 所示。体系结构基于三种 角色，即服务提供者、服务注册中心和服务请求者，整个服务的运作就是这三种 基于开放环境下的g i s 服务及实例研究 角色之间的交互，交互将具体涉及到发布、查找和绑定等操作h 4 】。在典型的情 况下，服务提供者提供可以通过网络服务的软件模块，在服务提供者定义好自身 的a s 服务描述后，就将其发布到服务请求者或服务注册中心。服务请求者通 过使用查找操作从本地或服务注册中心搜索服务描述，然后使用服务描述与服务 提供者进行绑定，实现交互。这里的服务描述包括g i s 服务的接口和实现的细 节，其中，包括服务的数据类型、操作、绑定信息和网络位置，还可以包括方便 服务请求者发现和利用的其他元数据。服务描述可以被发布给服务请求者或服务 注册中心【2 1 】田】【2 3 】。整个流程类似于进入一个图书馆借阅图书，新图书入库 首先作的是建立索引，而一个读者首先是查询书目索引，然后再去找到具体的那 本书。 对于利用g i s 服务的应用程序，必须发生以下三个行为：发布服务描述、 查询或查找服务描述以及根据服务描述绑定或调用服务。这些行为可以一次或多 次重复出现。 1 ) 发布：为了使g i s 服务可访问，需要发布服务描述以使服务请求者可以查找 它。发布服务的位置可以根据应用程序的要求而变化。 2 ) 查找：在查找操作中，服务请求者直接检索服务描述或在服务注册中心中查 询所要求的服务类型。 3 ) 绑定：最后需要调用服务。在绑定操作中，服务请求者使用服务描述中的绑 定细节来定位、联系和调用g i s 服务，从而在运行中调用或启动与g i s 服务 的交互。 需要指出的是，在当代，g i s 技术和计算机网络以及w e bs e r v i c e 技术日益 成熟的时期，随着各项新技术在g i s 服务领域的深入，与g i s 技术日趋紧密的 结合，狭义开放环境和广义开放环境下的g i s 服务之间的界限正在趋于模糊， 这种模糊的原因在于原来的基于固定c l i e 州s e n r e r 的狭义开放环境下的g i s 服务 正在将最新的网络和信息服务技术加入到原来的体系结构之中，在这里，o g c 的工作可以说是推动了整个g i s 界的前进，大大加速了原来信息服务体系的发 展，从而更能符合在广域环境下实现g i s 服务的要求。也就是说，原本的狭义 开放环境下的g i s 服务在融会了全新的技术、体系和标准后，正逐渐向广义开 放环境下的g i s 服务发展。 基于开放环境下的g i s 服务及实例研究 2 2 开放环境下的g i s 服务的关键 开放环境下的g i s 服务可以在不同的地理信息系统之间，以及异构分布的 地理信息资源之间，通过实时动态的机制实现它们之间的连接。为实现不同地理 空间数据之间、数据处理功能之间的互操作以及达成不同部门之间的资源共享， 首先需要的就是统一的标准【2 4 1 。 开放环境下的地理信息服务的标准必须同其它各类标准相兼容，但又必须独 立于这些标准。而标准接口是实现一切服务的方法。所以只有在共同的标准和接 口下，才能实现整个资源的互操作，才能进一步的完成开放环境下的各项地理信 息服务。 在分布式的环境下，各个系统和地理信息源通过标准的信息传送机制( 如 x m l g m l 技术) 和标准接口( 如j a v a 接口技术) ，实现分布式系统和数据源之 间的互操作和数据传输转换等功能。如图2 2 所示，在整个开放环境的体系结构 中，核心是标准，分布式计算、信息传送机制等都是围绕着标准来实现的。 2 2 1 统一的标准 图2 2 标准在地理信息服务中的作用 开放环境下的g i s 服务对资源的要求是具有统一的标准。在这里，资源不 基于开放环境下的g i s 服务及实侈嘻研究 仅包括数据资源，还应该包括在整个网络上所有的o i s 计算资源、通信资源、 信息资源、知识资源等，在这里谈到的统一标准并不是一种全能的、涵盖一切的 要求，因为万能的标准是不现实的，也是不可能实现的。同时也是考虑到整个开 放环境下的地理信息服务的自身特点而提出的。 1 ) 协作性和独立性：由分布在网络环境下的许多部分组成，这些部分可以互相 影响，也可以独立存在； 2 ) 健壮性：整个开放环境是松散耦合的，整个体系不会因为其中一个部分的崩 溃而全部瘫痪，而各个部分本身表现为较强的耦合性； 3 ) 层次性：整个体系是分层次的，每个层次的功能和作用都存在差异； 4 ) 体系是有序的、开放的、动态的和自组织的。 标准明确的定义了资源描述的语义、语法和规则，可以说是一种抽象的规范 条件，而在此基础上，不同的用户、系统和g i s 应用可以根据其体的要求，在 不违背统一标准的原则下，设计不同的g i s 服务。有了这个统一标准，资源在 共享和传输过程中就不会出现信息丢失、精度降低等问题。 众所周知，地理信息不同于其它信息，它具有更大的复杂性、不确定性、易 变性等特点，这是一个复杂的巨系统，至今没有一个很完善的理论体现可以对它 进行合理的描述，所以在制定统一标准时，需要考虑到地理信息资源的以上特点， 统一标准必须不仅可以在横向上扩展，而且可以在纵向上向上综合和向下扩充， 这样才能保证这套语义豹基础得以延续。 在界定了统一标准的特点和语义后，在o g c 的空间对象规范的要求下，需 要建立一种在网络平台上，以地理空间数据为核心的“数据融合”平台，并且以 一种更简洁、直观的方式去表现数据的方法，这样x m l 在地理信息领域的扩展 g m l 语言就出现在我们面前。 2 2 2x l v l l 和g i l x m l 同 f n m 一样都来s t a n d a r dg e n e r a l i z e dm a r k u pl a n g u a g e , 即标准通 用标记语言，箍称s g m l 。旱在w e b 出现之前，s g m l 就已经存在。正如其名称 所言，s g m l 是一种用标记来描述文档资料的通用语言，它包含了一系列的文档 类型定义( d o c u m e n tt y p ed e f i r f i t i o n ，简称d t d ) ，d 1 d 中定义了标记的含义， 基于开放环境下的o l s 服务及实例研究 因而s g m l 的语法是可以扩展的。s g l 血十分庞太，既不容易学，又不容易使用， 在计算机上实现也十分困难。因此作为s g m l 一个子集的h t m l 成为流行的 w e b 标记语言。 然而随着w e b 的应用越来越广泛和深入，h t m l 逐渐不堪大任。h t m l 过于 简单的语法严重地阻碍了用它来表现复杂的形式。尽管h t m l 推出了一个又一个 新版本，已经有了脚本、表格、帧等表达功能，但始终满足不了不断增长的需求， 开发一种新的w e b 标记语言显得十分必要的。由于s g m l 过于庞大，不适于作为 w e b 语言，w 3 c ( w w w c o n s o r t i u m ) 建议使用一种精简的s g m l 版本，x m l 就这样诞生了。 x m l 将s g m l 的丰富功能与h t m l 的易用性结合9 1 w e b 的应用中，保留了 s g m l 的可扩展功能，这使x m l 从根本上有别于h t m l 。x m l 不再是固定的t a g 标记，而是允许定义数量不限的标记来描述文档中的资料，允许嵌套的信息结构。 h t m l 只是w c b 显示数据的通用方法，而x m l 提供了一个直接处理w e b 数据的通 用方法。h t m l 着重描述w e b 页面的显示格式，而儿着重描述的是w e b 页面 的内容。x m l 是一种存储结构化和半结构化信息的理想数据格式，这些被格式 化的信息可以在不同的媒体介质上发布或出版。本质上x m l 是一种元语言，是 一种用于描述其它语言的语言。它的目的是创建一种简单而又强有力的信息存 储、处理和分发机制。 g m l 是o g c 颁布的“简单地理空间对象规范”为基础对地理空间世界进 行建模，该规范将与现实世界中地球表面的某一位置相关联的对象定义为“地理 空间对象”1 2 5 1 。是一种用于地理空间信息的传输和存储的x m l 应用，能够表示 地理空间对象的空间数据和非空间属性数据。事实上，现实世界的数字化表示构 成一个对象集，对象的属性由一个三元值对( 属性名，属性类型，属性值) 表示， 对象定义规定了属性的个数以及每一属性的名字和类型。“地理空间对象”就是 那些拥有地理空间位置属性的对象。g m l 为) m 也在g i s 中的应用提供了良好的规 范化道路【2 6 】。 地理信息数据由空间数据和属性数据共同构成，它比一般的数据更为复杂， 在不同的软件平台上，各种空间数据的定义各不相同，经常出现一定的空间数据 格式只能依附于特定的地理信息平台的情况，因此很难实现地理空间数据的共 基于开放环境下的g i s 服务及实例研究 享。另外，在各个g i s 平台上地理对象模型的不同，常常带来了信息之间转换的 信息丢失、精度降低等问题。基于x m l 的g m l 的出现就是为了解决这些问题， 它建立了一套完整的空间对象模型，以一种可扩展、适合网络传输的标准使得异 构地理信息之间的共享、传输和转换成为可能。 o g c 推出呲的目的在于4 8 】： 1 ) 提供一个公共的地理建模对象，使得各个独立开发的应用之间的互操作成为 可能： 2 ) 标准的编码：提供一种适用于网络环境的空间信息编码方式，用于数据传输 和数据存储； 3 ) 充分的扩展性：支持对空间信息的多样化需求，无论是从对空间信息的单纯 的描述表示还是到深层次的分析使用，同时以一种可扩展的标准化的方式来 为基于网络的g i s 建立良好的基础 4 ) 信息的整合和分离：将空间几何元素与其它空间或非空间元素连接起来，同 时又将空间和非空间数据的内容和表现形式分离； 显然，g m l 为网络时代的g i s 领域提供了一种“开放式”的标准，它的出发 点是空间数据编码( 包括分布式空间数据的编码) ：由于x m l 编码在各个领域的 广泛应用，它进一步涉及了空间数据和非空间数据的整合编码，使g m l 为空间 数据的合理表现提供了基础。 2 2 3 资源的互操作 互操作是指不同