（系统分析与集成专业论文）基于webgis的海区网格化管理系统的研究.pdf

摘要 w e b g i s 是建立在i n t e m e t 上具有浏览器服务器( b s ) 或者客户端服务器体系( c s ) 的网络g i s ，是利用万维网技术对传统g i s 的改造和发展，它改变了传统g i s 的运行模式， 使用户可以借助方便、廉价的i n t e m e t 网，通过浏览器或者客户端这个统一的图形用户界 面，访问位于不同地区不同类型的空间信息资源。网格技术是近年来国际上兴起的一种重 要信息技术，能够提供比任何单台高性能计算机都强大得多的处理能力，以实现信息的高 度融合与共享。 从目前国内外社会环境和实际情况来看，作为海区管理的一种方式，海事信息化已成 为提升管理、降低行政成本的重要手段。而w e b g i s 和网格技术的出现则让这些问题迎刃 而解，如果将这两者结合起来，将为信息化建设发挥重要的作用，把海事监管水平提高到 一个新的层次。 本文首先介绍了w e b g i s 的原理及相关技术特点。其次，介绍了网格技术的基本概念、 特点和其体系结构。再次，给出了w e b g i s 网格化的相关含义。最后，介绍了基于w e b g i s 的海区网格化管理系统的相关研究和设计。 本文所研究的管理系统基本上实现了海区管理所需的功能，为海事监管提供服务和决 策支持，对其他领域的应用有一定借鉴作用。 关键字：w 曲g i s ，网格，图形设计，数据库设计 a b s t r a c t w e b g i si sb u i l to nt h ei n t e r n e tw i t hb r o w s e r s e r v e r ( b s ) o rc l i e n t s e r v e r ( c s ) a r c h i t e c t u r e n e t w o r kg i s ，i st h eu s eo fw e bt e c h n o l o g i e sf o rt h er e h a b i l i t a t i o na n dd e v e l o p m e n to f t r a d i t i o n a l g i s ，i tc h a n g e dt h et r a d i t i o n a lg i so p e r a t i o n a lm o d e ls ot h a tu s e r sc a nt a k ea d v a n t a g eo f c o n v e n i e n t ，i n e x p e n s i v ei n t e r n e t b r o w s e ro rc l i e n tt h r o u g ht h i su n i f e dg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e l o c a t e di nd i f f e r e n tr e g i o n st ov i s i td i f f e r e n tt y p e so fs p a t i a li n f o r m a t i o nr e s o u r c e s g r i di so n eo f t h em o s ti m p o r t a n ti n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e si nr e c e n t l yy e a r s ，a n di tc a r ls u p p l ym u c hm o r e p o w e r f u l i n f o r m a t i o nd e a l i n gc a p a b i l i t yt h a ns i n g l ec o m p u t e rt op r o m o t ei n f o r m a t i o n a m a l g a m a t i o na n ds h a r e j u d g i n gf i o mt h ec u r r e n td o m e s t i c a n df o r e i g ns o c i a le n v i r o n m e n ta n ds i t u a t i o n ，t h e i n f o r m a t i o n a lm a r i t i m et e c h n o l o g yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tw a yt ou p g r a d em a n a g e m e n ta n d r e d u c ea d m i n i s t r a t i v ec o s t s w e b g i sa n dg r i dm a n a g e m e n ta r et h en e wm e t h o d st os o l v et h e s e p r o b l e m s i fw ec a nc o m b i n et h et w om e t h o d s ，i tw i l lp l a ya l li m p o r t a n tr o l ei nt h ec o n s t r u c t i o n s o fi n f o r m a t i z a t i o na n di m p r o v et h em a n a g e m e n to f m a r i t i m et oan e wl e v e l f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e sp r i n c i p l ea n dt h er e l e v a n tt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fw e b g i s s e c o n d l y , i n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t 、t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n di t ss y s t e ms t r u c t u r e t h i r d l y , t h ec o n c e p to fg r i d - b a s e dw e b g i si sa l s og i v e n f i n a l l y , d e t a i l so nt h er e s e a r c ha n dd e s i g no f g r i dm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nw e b g i s t h em a n a g e m e n ts y s t e mw h i c ht h et h e s i sa n a l y z e sh a sa l r e a d ya c h i e v e dt h ef u n c t i o n so ft h e m a r i t i m em a n a g e m e n la n di tp r o v i d e ss e r v i c e sa n ds u p p o r t st h ed e c i s i o n a n di th a sa l s o b e c o m ea l li l l u s t r a t i o ni no t h e rf i e l d s k e yw o r d s - w e b g i s ，g r i d ，g r a p h i c sd e s i g n ，d a t a b a s e 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新一的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发 表或撰写过的研究成果 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 作者签名：玺塑生 日期：立华姐 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索：有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：勉 日期：趟：尘：盈 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 作者签名：逸 日 期：一丛晕l 弓。 南京信息工程大学硕士学位论文 1 1 本文研究的背景 第一章绪论 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 ，g i s ) 是目前流行的一个名词和技术。 这个概念是加拿大人首先提出的，他认为描述地球空间各种事物和现象的地图可以用数字 来表示。 目前，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及，经过多年发展的 地理信息系统，已深入到各行各业、千家万户，在城市规划、地下管线管理、市政设施、 房地产、交通管理等领域发挥着巨大的作用，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺 少的工具和助手。 随着这几十年的迅速发展，地理信息系统已经经历了许多阶段，自身也得到了迅猛的 发展，在生产和生活的许多领域，都可以见到g i s 的影子。虽然如此，但是随着近年来， 计算机硬件、软件以及全球信息网络以令人难以想象的速度向前发展，使得传统的g i s 技 术受到了巨大的冲击。传统g i s 大多数是基于早期的计算机的思想和地学的原理来设计和 开发的，在很大程度上限制了g i s 软件的进一步发展和应用。当今社会，由于新技术不断 涌现，全球信息化浪潮已波及到世界各地，这使得传统的g i s 技术体系面临着严峻的挑战， 而其中最为突出的是开发负担重、共享性能差、操作复杂且价格昂贵以及由此导致难以推 广和普及。具体表现在：【l ( 1 ) 二次开发语言复杂，开发负担重。对g i s 基础软件进行二次开发是使g i s 面向 具体应用的重要手段。但g i s 的二次开发语言常常涉及到多种环境和软硬件，开发人员需 要学习多种语言和多种开发工具，即使是非常专业的人员也不能完全掌握，这就造成了系 统开发、维护及更新困难。 ( 2 ) 共享性能差。传统g i s 系统多为文件共享的低级分布式结构，数据集中存放于 服务器，由空间数据库进行统一管理，在客户端采用g i s 桌面系统进行远程文件调用，效 率低下。多用户并发操作时，网上同时存在多个备份，数据完整性与一致性难以控制。同 时由于各g i s 系统间的相互独立性，各系统数据格式各不相同，造成了数据共享的困难。 ( 3 ) 操作复杂。传统g i s 桌面系统通常操作极其复杂，必须具有一定的专业基础， 还要经过长期培训才能掌握，难以适应大众化应用的要求。 ( 4 ) 价格昂贵。传统g i s 系统中的空间数据管理和数据库管理系统通常直接由开发 厂商提供，造成了软件价格的昂贵，这就大大加重了应用开发与系统建设的成本。并且还 1 南京信息工程大学硕士学位论文 限制了用户根据应用需要和各种数据库工具的优劣，选择利用数据库工具的机会。 而现在g i s 的系统结构越来越复杂，人们不需要购买过于庞大的软件产品，因为有很 多复杂的功能在实际工作中其实根本不需要。网络技术的发展使得人们想在线远程实现各 种g i s 功能，由此促成了w 曲g i s 的诞生。 w e b g i s ( 也称为i n t e m e r g i s ，网络g i s 等) 就是利用互联网技术，在w e b ( w o r l dw i d e w e b ，也称w w w ) 上实现空间数据的存储、处理、显示、空间分析及输出，并能回答用户 提出的问题，进行决策支持的系统。它是地理信息系统在互联网上的实现，是利用互联网 技术对传统地理信息系统的改造和发展。w e b g i s 在信息的快速发布、数据的及时更新、 使用的灵活简单方面具有传统地理信息系统无法比拟的优点。人们只需将计算机连接到目 标主机上就可以获得所需的地理信息，而没有必要占用大量的存储空间和存储完全相同的 数据库拷t 2 ) 。 网格技术起源于复杂的科学计算以及海量的数据处理，它的产生是源于电力网 ( e l e e t r i ep o w e rg r i d ) 的思想。从客户的角度来讲，客户使用网格的计算资源就如同现在使 用电力资源一样方便，而并不需要关心网格资源的地理位置和实现平台。而对于网格来说， 则要求实现i n t e m e t 上所有资源的全面联通，包括计算资源、存储资源、通信资源、应用 资源等等，最终实现资源的完全共享与协同工作，消除信息孤岛和资源孤岛。参加协作计 算的各方便构成了一个虚拟组织，它需要的是一个非常富有弹性的共享关系，共享的时间、 权限、资源的数量都会不断地发生变化。网格本质上就是一个虚拟组织的集合。 i n t e m e t 技术的迅速崛起和飞速发展，使万维网( w o r l dw i d ew e b 简称w w w 或w 曲) 成为高效的全球性信息发布渠道。而w e b g i s 和网格化技术是近年来随着互联网技术的发 展逐渐成为当前流行的话题，围绕着这一话题展开的讨论和研究越来越热烈。 从目前的国内外社会环境和实际情况来看，作为海区管理的一种方式，海事信息化已 成为提升管理、降低行政成本的重要手段，而且在这方面的投入越来越大，并是一个持续 化的投入过程。目前，加快信息化建设步伐的决心和信念毋庸置疑，在向信息化迈进的过 程中，挑战与机遇并存，信息化快速发展所带来的整体进步与具体问题并行。除了需要解 决管理体制的变革之外，也有赖于新技术的发展。目前的海事管理所用的各种系统是分散 的，每种系统只是各自为战，各自的作用很单一，一旦需要将两种系统结合起来就会带来 诸多不便。而w e b g i s 和网格技术就是应对这些问题而出现的新技术，如果将这两者结合 起来，将为信息化建设发挥重要的作用，把海事监管水平提高到一个新的层次。 2 南京信息工程大学硕士学位论文 1 2 论文内容及组织结构 作为海事监管来说，运用w e b g i s 和网格化技术的管理模式，是一个非常新的课题。 而如何能将两者结合则是在这样一种管理模式中的重点。针对上述状况，本文提出了一种 基于w e b g i s 的海区网格化管理系统的研究。本文具体的内容安排如下： 第一章：绪论。介绍w e b g i s 和网格化的概念，阐述了w e b g i s 和网格化的现状和发展 趋势，以及本次研究的意义。 第二章：w e b g i s 技术。详细阐述了w e b g i s 的结构和原理、主要开发方法、构造模型 第三章：网格技术。论述了网格技术的形成和特点、体系结构以及网格与w e b 服务的关 系，并在此基础阐述了w e b g i s 网格化的内涵和其特点。 第四章：系统的规划。详细论述了系统的研究背景、研制目标、结构设计，实现方法。 第五章：系统的整体设计。详细阐述了系统的图形界面的设计及数据库的设计。 最后对本文工作做出总结，并对下一步工作进行展望。 3 南京信息工程大学硕士学位论文 2 1w e b g i s 简介 第二章w e b g i s 技术 2 1 1w e b g i s 结构和原理 w e b g i s 由数据库服务器( s e r v e r ) 、w e b g i s 代理服务器( i n f o r m a t i o n a g e n t ) 和w e b g i s 浏览器( b r o w s e r ) 组成。 每一个w e b g i ss e r v e r 是信息的提供者，它相当于一个分布式节点，定义统一的入口。 w e b g i s 代理服务器的主要功能是通过本地的服务器响应来缓冲直接访问万维网的请求。 代理服务器保存了各分布式节点的元数据，通过网络协议和元数据规范与各w e b g i s 服务 器相连，可对元数据进行查询和分析。在安全性方面，通过代理服务器的过滤，可以增强 内部网络的安全性。w e b g i s 浏览器是客户端的应用程序，提供了人机交互的界面。人们 通过它向服务器发出请求，同时解释和显示服务器回送的h t m l 。w e b g i s 浏览器可直接 与数据服务器相连，实时获取服务器的各种数据，也可通过代理服务器实现数据预览、可 视化查询。地理信息系统同时管理地理空间信息和数据库属性数据，可进行空间分析和可 视化表达，能进行各种辅助决策，广泛应用于城市规划、市政设施、交通管理、电子地图、 环境保护、灾害处理、旅游路线等领域。伴随着g i s 的不断发展与成熟，它要求有更新的 手段来解决不断出现的新问题。将g i s 与网络相融合，就是利用i n t e m e t 的信息传输、分 布与集中处理、远程计算与管理、信息浏览与发布等功能为g i s 的数据采集、编辑处理、 分析计算、信息传输、图形信息发布等功能的发挥提供技术支持【3 l 。 2 1 2w e b g i s 的优点 与传统的桌面地理信息系统比较，w e b g i s 具有以下优点1 4 】： ( 1 ) 更广泛的客户访问范围。客户可以同时访问多个不同地方的服务器上的最新数据， 而这一i n t e m e t f 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 数据管理和集成更易于实现。 ( 2 ) 发布速度快，维护方便。由于运用了i n t e m e t 技术，w e b g i s 的信息更新之及时、 发布速度之快、发布范围之广是其他传统地理信息系统所难以比拟的。w e b g i s 的体系结 构包括许多应用服务，如制图、查询、地理编码等。传统的地理信息系统，当用户规模有 4 南京信息工程大学硕士学位论文 所扩大，数据有所变更之后，需要对原有的系统做大量的变更。而在w e b g i s 中，则只需 维护服务器端的数据，用户端就能及时看到更新好的数据。 ( 3 ) 客户端平台无关性，这样可以大规模降低成本。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，而用户使用的经常是一些最基本的功能，这实际上造成了极大的资 源的浪费。w e b g i s 在客户端通常只需使用w e b 浏览器( 有时要加载一些插件) ，其软件成 本与全套专业的g i s 相比要少很多。另外，由于客户端的简单性而节省的维护费用也显而 易见。 ( 4 ) 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 疑是最好的选择。 ( 5 ) 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 则可以充分利用网络资源， 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，是一种较理想的优化模式。 ( 6 ) 巨大的扩展空间。i n t e m e t 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 为i n t e m e t 制定的，这就为w e b g i s 的进一步扩展提供了极大的空间，使 得w e b g i s 很容易与w e b 中的其他信息服务进行无缝集成，建立功能丰富的具体g i s 应用。 2 2w e b g i s 主要开发方法 万维网( w w w ) 是基于h t t p 协议的，因此任何支持该协议的语言、脚本和技术都 可以直接用于w e b g i s 的应用开发，目前常用的支持h 1 阳的开发方法主要有以下几种1 5 j 。 ( 1 ) 、c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a e e ) 方法 c g i 是w e b 服务器调用外部应用程序的接1 2 标准。它的主要功能就是在超文本( h y p e r t e x t ) 文件和w e b 服务器应用程序之间传递信息，即将w e bs 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，主要有两种调用方式： 1 ) 一种是不通过h t m l 表单( f o r m ) ，而直接通过u r l 方式调用。 2 ) 另一种是通过h t m l 表单交互调用，在进行c g i 编程时，这种方法实用较多。 使用c g i 方法实现的w e b g i s 是利用外部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 服务器和g i s 。数据库服务器进行通讯，并传递有关参数和g i s 处理结果。 具体过程如下：客户端将h t m l 表单中的查询请求通过i n t e m e t 提交给w e b 服务器，w 曲 5 南京信息工程大学硕士学位论文 s e r v e r 将请求信息转化为一组环境变量和标准输入，然后启动c g i 程序，c g i 程序根据这 些环境变量和标准输入获取客户端请求的信息，再将相应的参数转换为s q l 语句，由g i s 数据库服务器根据s q l 语句生成查询结果，最后c g i 程序负责将查询结果生成符合h t m l 格式的文件，其中地图以g i f 或j p e g 图像文件返回给浏览器。 流程如图2 1 所示。 c g i 这种方法的缺点是，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， 当有多用户同时发出请求时，服务器的负担重。同时由于网络传递的图形为栅格图，地图 缩放、漫游、选择等操作不能在本地进行，需要传递到服务器进行处理，在服务器端生成 新的栅格图再传递到客户端显示，不能直接在客户端进行复杂的空间分析。 ( 2 ) 、服务器应用程序接口( s e r v e r a p i ) 方法 s e r v e r a p i 与c g i 的不同之处在于c g i 程序是单独可以运行的程序，而s e r v e r a p i 往 往依附于特定的w e b s e r v e r ，如m i c r o s o f ti s a p i 依附于i l s ( i n t e m 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，而不像c g i 那样每次都要重新启动，其速度较c g i 快得多。流 程如图2 - 2 所示。但它的缺陷在于它依附于特定的服务器和计算机平台。 b r o w s e r o i m 环境变量 e 日z z j z z 本 命令行参数 _ l l j 4 嘲 圈2 一l 基于c g i 的w c b g i s 6 c g i g i s 数 程 鲁= 刊 据库 服务 序 器 詈一 南京信息工程大学硕士学位论文 b m w r c l i e n t 图2 2基于1 s a p i 的w e b g i s ( 3 ) 、插件( p l u g - i n ) 方法 g i sp l u g - i n 是在浏览器上扩充w e b 浏览器可执行的g i s 软件。g i sp l u g i n 的主要作 用是使w e b 浏览器支持处理特定格式的g i s 数据，并为w e b 浏览器与g i s 服务程序之间 的通讯提供条件。g i sp l u g - i n 直接对来自服务器的g i s 矢量数据进行处理。同时，g i s p l u g i n 可以生成自己的数据，以供w e b 浏览器或其它p l u g - i n 显示使用。利用c g i 或者 s e r v e r a p i ，虽然增强了客户端的交互性，但是仅提供给客户端有限的功能，传给用户的信 息依然是静态的。而且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、漫游等都需要由服务器来完成并将结 果返回。浏览器插件很好地解决了这个问题。因此对w e b g i s 而言，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，使人们更容易获取地理数据，而且插件处理和传 输的是矢量格式空间数据，其数据量小，网络也只需将g i s 数据一次性传输，这样就加快 了用户操作的反应速度，减少网络服务器的信息流量从而使服务器能更有效地为更多的用 户服务。 然而g i sp l u g i n 对于不同的g i s 数据，不同的操作系统，乃至不同的浏览器需要各自 不同的g i sp l u g - i n 支持；插件需要先下载安装再使用，如果用户准备使用多种g i s 数据类 型，还必须安装多个g i sp l u g - i n 程序；还存在插件程序的版本升级问题等。1 4 j ( 4 ) 、a c t i v e x 方法 a c t i v e x 是建立在o l e 技术之上发展起来的新技术，其基础是c o m ( c o m p o n e n to b j e c t m o d e l ) ，是为扩展m i c r o s o f tw e b 浏览器i e 功能而提供的公共框架。a c t i v e x 控件和p l u g i n 非常相似，是为了扩展w e b 浏览器的动态模块。所不同的是，a c t i v e x 能被支持o l e 标准 的任何程序语言或应用系统所使用。相反，p l u g - i n 只能在某一具体的浏览器中使用。基于 g i sa c t i v e x 控件的万维网地理信息系统是依赖g i sa c t i v e x 来完成g i s 数据的处理和显 示。 7 南京信息工程大学硕士学位论文 a c t i v e x 控件目前只在i e 中得到全面支持，并且只能运行于m s w m d o w s 平台上；需 要下载；占有客户机端机器的磁盘空间；由于可以进行磁盘操作，其安全性较差。流程如 图2 3 所示。其优点是：执行速度快；由于a c t i v e x 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。旧 2 - 3 基于g i sa c t i v e 控件的w e b g i s 体系结构 ( 5 ) 、j a v a a p p l e t 方法 j a v a 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。任何系统平台只要支持j a v a 虚拟机就可以解释执 行j a v a 程序，而与程序在何种系统下开发和编译无关。j a v a a p p l e t 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 程序的执行代码也同时被下载到用户端的机器上， 由浏览器解释执行。 j a v a 利用u r l ( u n i f o r mr e s o u r c el o c a t o r ) 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 a a p p l e t 小程序到客户端实现，而且j a v a a p p l e t 也具有访问c g i 的功能。g i sj a v a a p p l e t 最初为驻留在w e b 服务器端的可执行代码。它能 完成g i s 数据解释和g i s 分析功能，具有以下优点：体系结构中立，与平台和操作系统无 关。所有的g i s 操作都是由本地g i sj a v a a p p l e t 完成，服务器的负担很小，网络传输的负 担也轻。流程如图2 4 所示。不足之处是：使用已有的g i s 操作分析资源的能力弱，处理 大型的g i s 分析能力( 叠置、资源分配等) 的能力有限，无法与c g i 模式相比；g i s 数据的 保存、分析结果的存储和网络资源的使用能力受到限制。 8 南京信息工程大学硕士学位论文 2 4 基于g i sj a v aa p p l e t 模式的i n t e r n e tg i s 体系结构 上述几种w e b g i s 的实现技术，是从如何实现w e b 动态交互的角度来分析的，下表列 出了这几种w e b g i s 实现技术的优缺点比较【7 】。 表2 1w e b g i s 多种实现技术的对比 技术方法 优点 缺点 c g i 客户端小，处理大型g i s网络传输和服务器的负担重；同步多 操作分析的功能强；充分请求问题；作为静态图像j p e g 和g i f 利用服务器现有资源。是客户端操作的唯一形式。 s e r v e r 不像c g i 那样每次都要需要依附于特定的w 曲服务器和计算 重新启动：其速度较c g i机平台。 a p i 快得多。 p l u g - i n 服务器和网络传输的负需要先下载安装到客户机上：与平台 担轻；可直接操作g i s 数和操作系统相关：对于不同的g i s 数 据：速度快。据类型，需要有相应的g i sp l u g - i n 来 支持。 a e t i v e x 执行速度快；具有动态可与操作系统相关；需要直接安装j 占用 重用代码模块。存储空间；安全性较差：对于不同的 c o n t r o l g i s 数据类型，需要有相应的g i s a c t i v e x 控件来支持。 j a v a 与平台和操作系统无关；g i s 数据的保存，分析结果的存储和 实时下载运行，无需预先网络资源的使用能力有限；处理较大 a p p l e t 安装：g i s 操作快；服务的g i s 分析任务的能力有限。 器和网络传输负担轻。 9 南京信息工程大学硕士学位论文 2 3w e b g i s 主要构造模型 2 3 1 几种主要w e b g i s 处理模型 ( 1 ) 基于g i s 服务器的模型，即瘦客户胖胖服务器模型。这种模型是由客户端浏览器 向通用网关接e i ( c g i ) 发出服务请求，c g i 接到服务请求后调用g i s 服务器的地理空间数 据，然后进行处理，最后将处理结果以h t m l 页面的形式发送到客户端。这种处理模型虽 然简化了客户端，但把所有处理集中在服务器端，加重了服务器端处理的数据量和网络传 输负担。 ( 2 ) 基于客户端的模型，即胖客户端瘦服务器结构。这种模型一般采用配套的服务器 端和客户端软件，把需要的地理空间数据从服务器端下载到客户端，由客户端软件进行处 理。这种处理模型增强了客户端处理能力，减少了服务器端处理的数据量和网络传输负担。 它的缺点是客户端软件功能有限，需要及时对地理空间数据进行更新。 ( 3 ) 部分基于客户端的模型，即服务器客户端混合型结构。这种模型采用前端插件技 术( p l u g - i n ，a e t i v e x ，j a v a a p p l e t 等) 将w e b g i s 服务器上的部分处理功能移植到客户端。 通过利用客户端的处理能力，平衡客户和服务器两端的数据处理量，减轻网络传输负担， 是一种较好的模型【8 】。 2 3 2w e b g i s 的c s 三层结构 c s 三层结构通常由三部分组成：客户端的浏览器，中间层的w e b 服务器、g i s 服务 器和后台的数据库服务器。w e b g i s 的客户端是一个标准的w e b 浏览器，负责与用户交互， 向中间的w e b 服务器发出请求，解释w e b 服务器返回的数据并显示出来；中间层是w 曲 服务器和服务器扩展程序，w e b 服务器接受浏览器的请求，同时激活服务器扩展程序并把 请求信息传递给它，服务器扩展程序将请求信息转换成数据库能够接受的形式，再把它们 送到数据库服务器：数据库服务器接受到查询请求后执行相应的操作，并把结果返回给服 务器扩展程序。服务器扩展程序把结果进行g i s 空间分析处理并转换成浏览器能够接受的 形式( h t m l ) 后送给w e b 服务器，最后w e b 服务器把包括信息的h t m l 文档返回给w e b 浏览器1 9 1 。如图2 5 所示： 1 0 南京信息工程大学硕士学位论文 客户机服务器 图2 - 5 三层c s 结构w e b g i s 模型 2 3 3w e b g i s 的基于中间件的b s 多层结构 数据库服务器 b s 多层结构由客户端的浏览器、相互调用的g i s 多层中间件、分布式数据库服务器 组成。b s 多层结构主要特点在于用户的请求由中间件来处理。g i s 应用服务器是由多个 中间件组成的分布式的多个进程。中间件的相互调用，一个进程是另外进程的客户同时又 是别的进程的服务，调用关系比较复杂。进程所访问的地理数据库也不是在单个数据库， 可能是一个分布式的异构数据库【1 0 】。如图2 = 6 所示： u i s 裂瑶厍 相互调月i 的g i s 多层中间件 h 丌晡求。 g i s 应用中间件 w e b 1f 浏 览 g i s 应用中间件 g i s 数据库 器 ， f 1 一 i 1 h t t p 应答 g i s 应用中间件 g i s 数据库 图2 咱基于中间件的b s 多层结构 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章网格技术 3 1 网格思想的形成和特点 网格是一个集成的计算与资源环境，或者说是一个计算资源池【1 1 】。网格集成了各种计 算资源，将这些计算资源转化成一种随处可得的、可靠的、标准的同时还是经济的计算能 力1 2 】o、 3 1 1 网格思想的形成 现代化的生活离不开电力资源，当我们需要使用电力的时候，只要把电气的电源插头 接入电网的插座就可以了。不管我们使用的电器是冰箱、空调、电视机，还是充电器、电 炉、电热毯，不管电器的内部设施简单还是复杂，它们都可以自动使用电力资源，为人类 提供它们自己的功能。至于电网中的电力资源来自于什么地方、是采用什么来发电的，经 过什么电路输送到用户的插座，用户根本不需知道，用户要做的就是把设备的插头插入电 网，用电而已。 网格就是把电网作为比拟的对象开始建立和发展的，希望网格如同电网一样，用户只 要把设备的插头插入网格的“插座”，就可以使用网格中的资源。由于开始阶段网格是用来 计算的，因此也称为计算网格。随着技术的发展，计算网格的功能逐渐增强，其包含的意 义和应用范围也远远超出了它刚刚被提出的时候，计算仅仅成了它的一部分功能，网格上 除了有计算资源之外，还有存储资源、数据资源、传感器等。 始于1 9 6 5 年的m u l t i e s l l 3 1 操作系统( u n i x l i n u x 的祖先) 最早提出了“c o m p u t i n ga s 锄 u t i l 时”的口号【1 4 1 ，这一点可以说是与今天的网格思想异曲同工。但通常认为，网格的前身 应该是2 0 世纪9 0 年代初提出的“元计算”。这里的元计算指的是“在一个网络环境下使用 户透明地获得强大的计算资源”1 1 5 】，其主要的目的是将一些地理上分布的超级计算中心连 接起来，共享这些超级计算中心的计算资源。而网格本身则诞生于1 9 9 7 年9 月美国a r g o n n e 国家实验室“b u i l d i n gac o m p u t a t i o n a lg r i d ”的研讨会上【1 6 】。这时期的网格采用具有标准 化接口的中间件来处理规模和异构带来的问题，可以支持需要进行大规模计算和海量数据 处理的高性能应用程序。网格成为一个无缝集成的计算和协同环境，提供大规模计算能力， 又称为计算网格( c o m p u t a t i o n a lg r i d ) 。 1 2 南京信息工程大学硕士学位论文 进入本世纪以后，网格逐渐形成以“服务”为中心的思想。以o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c e s a r c h i t e c t u r e ，开放网格服务结构) 与w s r f ( w e bs e r v i c er e s o u r c ef r a m e w o r k ，w e b 服务 资源框架) 为代表。w s r f 与对o g s a 进行了一些概念上的分解以促进其与w e b 服务的聚 合，并且提出了具有w e b 服务所缺少的一些关键功能，如创建、定址、检查、发现和管理 有状态的资源等。 3 1 2 网格特点 网格作为一种新出现的重要基础性设施【1 7 1 ，和其他系统相比，有其鲜明的特点，这些 特点对网格技术，网格建设以及网格应用都有着重要影响。下面分别从网格的分布性、自 相似性、动态多样性等方面对网格的特点作一些简要介绍。 ( 1 ) 分布与共享性 网格的分布性首先是网格中的资源是分布的，即组成网格计算能力的不同计算节点、各 种数据资源以及其他各种设备，物理上不是集中在一起的，而是分布在不同的地理位置， 这样的资源一般类型较复杂、规模较大，跨越的地理范围较广；这种基于网格的计算是分 布式计算。在网格的分布式计算环境下，需要解决资源与任务的分配和调度问题、安全传 输与通信问题、人机交互问题以及计算的实时性保障问题等。 网格资源虽然是分布的，但是它们在网格环境中可以被充分地共享，即网格上的任何 资源都可以提供给网格上的任何使用者，这就是网格具有的共享特性。资源共享是网格的 目的，没有共享便没有网格，因此，共享是网格的核心问题。 ( 2 ) 自相似性 网格系统中局部和整体之间存在着一定的相似性，即局部往往在许多地方具有全局的 某些特征，而全局的特征在局部可以体现出来。大的网格系统可以看成是若干具有类似特 征的小网格组成的系统，比如世界级的网格可以是在国家级的网格基础上建造起来的；再 比如，在一个实验楼里建立了一个小规模的网格系统，然后可以把一个学校的多个实验室 网格组成一个全校范围的教学科研网格，而不同学校的网格又可以互相连结成一个教育科 研网格，而这个网格又可以成为国家网格的一部分。这种自相似性在网格建设与研究过程 中有着重要的意义。 ( 3 ) 动态多样性 网格的动态多样性有两方面的含义：一是指网格资源是动态变化的，二是指网格资源 是异构和多样的。当网格资源减少或某些资源出现故障后，要求网格能够及时采取措施， 实现任务的自动迁移，而对于网格资源的增加，则需要提高网格的扩展性能。网格环境中 1 3 南京信息工程大学硕士学位论文 可以有不同体系结构的计算机系统和不同类型的资源，因此网格系统必须能在不同结构， 不同类别的资源之间进行数据的通信与互操作。 ( 4 ) 标准性 网格系统的应用范围是广泛的，因此需要遵从一个统一的标准。网格标准有两方面的 含义：一是指网格资源相互访问时应具有统一的接口，使用统一的协议：二是指网格为用 户提供的计算能力应该满足一定的标准，有一个比较统一的形式，从而便于用户的使用。 只有在都遵从的标准指导下建立起来的网格系统，才能得到最大范围的应用与发展，也才 能真正实现异构、异质资源的广泛共享。 3 1 3 网格化管理的定义 所谓网格化管理，是指借用计算机网格管理的思想，将管理对象按照一定的标准划分 成若干网格单元，利用现代信息技术和各网格单元间的协调机制，在网格单元之间实现有 效地信息交流，透明地共享组织的资源，最终达到整合组织资源、提高管理效率的现代化 管理思想。 网格化管理的本质是一种作业方式的优化和完善，是在一体化信息平台的支撑下，前 台着眼服务对象的需求，后台着手服务管理资源的调配，借助跨部门的管理规则和业务流 程，运用现代信息技术的支撑，构筑资源共享与工作协同的运作模式，使管理者突破传统 方式和手段的局限，实现流程顺畅，提高综合管理和服务的效能。 网格化管理在国内最早见于网格巡逻，巡警在责任区域内，负责及时发现、快速响应。 随着信息技术和通讯技术的发展，网格化管理理念的应用实践逐步拓展到城市建设、人口 管理。 ( 1 ) 网格之间联系的信息化：网格之间联系的畅通是保证网格化管理效率的基础。随 着现代信息技术的发展，网络水平的提高，组织各部门之间的信息传递变得越来越迅捷。 但网格化管理中各网格单元间的信息交流除了日常的事务性交流之外，各单元的资源现状 和利用情况也必须随时为整个网格化管理系统所洞悉，这无疑对网格化管理系统的信息网 络提出了更高的要求。 ( 2 ) 网格资源的协调调度机制：网格化管理的最终目的是为了整合组织资源，提高组 织管理效率，因此如何能够动态地调用各网格单元的资源是网格化管理成功的关键。网格 化管理所关心的不仅仅是各网格单元间的信息交换，更重要的是对各网格单元资源的直接 利用和控制。网格的资源首先是隶属于各个网格单元的，因此各单元对其资源具有管理和 控制权限；但另一方面这些资源也是属于整个网格系统的，网格化管理系统对该资源也应 1 4 南京信息工程大学硕士学位论文 有相应的控制和管理权限，但当前的各种组织结构形式缺乏对各部门资源的动态控制和管 理的功能，这正是网格化管理的优越性所在。 3 2 基于层次协议的网格体系结构 五层沙漏模形【1 7 】是网格最早的结构化模型，其最重要的思想就是以“协议为中心”。 通过分层的协议可以实现一种机制，使得虚拟组织的用户与资源之间可以进行资源使用的 协商，并建立共享关系，还可以进一步管理和开发新的共享关系。这一标准化的开放式结 构对网格的扩展、互操作、一致性以及代码共享都很有利。 五层沙漏结构从上到下可以划分为五层，分别是应用层、汇聚层、资源层、连接层和 构造层。由于各层协议数量的