（模式识别与智能系统专业论文）空间信息网格环境下元数据共享服务技术.pdf

上海交通大学硕士学位论文 摘要 i 空间信息网格环境下元数据共享服务技术 摘 要 城市信息化建设的过程中信息化的发展和数据生产部门与应用部门的分 离使得海量地理空间数据的共享成为空间信息基础设施建设的重要目标之一 其中空间元数据共享管理系统又是实现空间数据共享的关键所在众所周知 地理空间数据内容繁杂且数据量庞大 建立空间信息元数据库是对其进行管理及 共享的有效可行的方法利用空间元数据对空间数据进行描述管理和查询检 索可以满足空间数据生产者对海量空间地理数据的管理和维护 并能使空间数据 用户实现快速准确的查询 论文在综合分析国内外关于地理空间数据共享的研究现状基础上结合目前 流行的 g r i d g i s w e b s e r v i c e x m l j 2 e e 和空间信息网格( s i g ) 等先进理论与 技术实现了基于 x m l 数据表达模式的空间元数据管理体系在此基础上构建 了基于 w e b s e r v i c e的j 2 e e框架下的面向用户应用和多源异构信息系统的 地理空间元数据共享服务信息系统 初步解决了分布式信息协作系统的信息元数 据共享与服务共享实现了分布式系统集成为用户提供了方便快捷准确的 地理空间元数据服务系统以空间信息网格为基础运用 w e b s e r v i c e技术 w e b l o g i c 8服务器及 o r a c l e 9 i数据库平台实现了地理空间元数据的编辑管 理注册浏览应用等功能使空间数据生产者能更有效地管理和维护数据 数据用户能够更快更全面地发现访问获取和使用现实性强精度高的空间 元数据 从而实现真正意义上的数据共享本文的研究成果为国家空间信息基础 设施和数字地球的建设提供了一定的理论基础和技术原型 关键词空间信息网格( s i g ) g i s 空间元数据j 2 e e w e b s e r v i c e x m l 上海交通大学硕士学位论文 摘要 ii metadata sharing services technology of spatial information grid abstract in the process of city information construction, information development and separation of data production and application apartments render sharing of mass geographical and spatial data one of the important goals of information infrastructure construction. the share managing system of the spatial metadata is the key to realization of spatial data sharing. as we all know, the contents of geographical and spatial data are miscellaneous and the data volume is quite large. it is effective and useful to establish the spatial information metadata to share and manage them. the spatial metadata can be used to describe, manage, inquire and search spatial data to satisfy spatial data producers demands for management and maintenance of mass geographical and spatial data and to help users to search rapidly and precisely. in the base of having reviewed the current situation of study on sharing the geographical spatial data in china and internationally, and integrated the frequently-used concept technique of the grid gis, spatial information grid (sig) environment, web service, xml and j2ee, the thesis puts forward the spatial metadata managing system based on the xml data expression pattern, and implement the sharing service system of geographical and spatial metadata for user application and the multi-source isomeric information system in the framework of j2ee and based on web service. this technical platform makes possible information and service sharing in the whole distributed information cooperation system, achieves distributed system integration and provides users with convenient, rapid and precise geographical and spatial metadata service. the system is based on the spatial information grid, used web service technology, weblogic8 server and oracle9i dbms, fulfills five functions, 上海交通大学硕士学位论文 摘要 iii namely, editing, management, registration and application of metadata. it can help data producers to manage and maintain data more efficiently, and help data users to find, access, acquire and use more practical and precise spatial metadata in a quicker and fuller way, thereby achieving data sharing in a real sense. the researching achievement in this paper provides the theoretical basis and the technical prototype for construction of the state spatial information infrastructure and the digital earth to some extent. key words: spatial information gird (sig), gis, spatial metadata, j2ee, web service, xml 上海交通大学硕士学位论文 i 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名张 明 刚 日期 2 0 0 5 年 1 月 1 4 日 上海交通大学硕士学位论文 ii 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名张 明 刚 指导教师签名方 涛 日期 2 0 0 5 年 1 月 1 4 日 日期 2 0 0 5 年 1 月 1 4 日 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪 论 1 . 1 研究背景 地理信息系统( g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o n s y s t e m 简称 g i s ) 经过四十年的 发展取得了令人瞩目的成就其经济社会价值已得到承认但 g i s 技术的缺 陷也越来越明显突出表现在1 ) 传统的 g i s系统是封闭孤立的系统没有 统一的标准各自采用不同的数据格式数据存储和数据处理方法2 ) g i s应 用系统的开发基于具体的相对独立和封闭的平台 在数据语义表达上存在不可调 和的矛盾无法直接进行系统之间的空间数据共享使得地理信息处理技术的发 展潜力受到了很大的限制 随着信息技术尤其是计算机网络技术和分布式数据库技术的迅猛发展使 得空间上分布的 g i s 系统在网络环境下实现互联成为可能 为在多个 g i s 系统之 间实现信息共享提供了坚实的软硬件基础g i s 应用也因其在地理上的分布性 导致它在不断向分布异构化的方向演化 g i s应用发生这些变化的主要动力是为了更好的利用现有信息系统的资源 实现空间数据的共享在建设 g i s 系统中生产和管理数据所需的费用占据了整 个系统总投资的绝大部分( 数据软件硬件的比值为 1 0 0 : 1 0 : 1 ) 包括初期 的数据采集费用和后期的数据维护更新费用 如果能充分共享现有的空间数据资 源让多个 g i s 系统共同分担 g i s 数据采集和维护的费用可以在很大程度上降 低单个 g i s 系统的建设费用从而进一步扩大 g i s 的应用领域 1 因此研究如 何最好的管理和共享空间数据减少数据重复采集降低成本和提高效率具有 重要的现实意义 1 . 2 国内外研究现状 空间数据共享是指多个 g i s 系统间共用数据库或文件系统中的数据集一般 是通过将地理空间数据集 从一台计算机物理的传送到另一台计算机的方式或 通过两台甚至两台以上的计算机之间相互通信或通过存储数据集的远程计算机 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 的通信实现在需要时进行信息的交互空间数据共享主要包括下面一些含义 1 ) 用户对空间数据的访问不受地理位置的限制能透明的访问空间数据 使用同一位置的空间数据在某些情况下支持用户通过无线连接方式实现对同 一空间数据的访问 2 ) 实现 g i s m i s ( 管理信息系统) o a ( 办公自动化) 的无缝集成使用户能 自由地访问空间数据不受其所使用软件的限制 3 ) 用户在使用空间数据的时候没有过长的时间滞后空间数据的数据量一 般比较大 远程用户在使用时会有时间上的滞后但必须把它控制在用户所能接 受的范围尽量让用户访问本地数据库减少对远程数据库的访问 空间数据的共享是国内外 g i s 界的研究热点之一各国学者在此方面做了不 少的努力 取得了丰硕的成绩 推出了基于分布式 g i s 的规范( 如 o p e n g i s s i m p l e f e a t u r e s s p e c i f i c a t i o n f o r c o r b a ) 和一系列新的模型( 如 o p e n g e o d a t a m o d e l o p e n s e r v i c e s m o d e l i n f o r m a t i o n c o m m u n i t i e s m o d e l ) 这类规范引人了面 向对象技术分布式系统组件技术和空间元数据等概念和技术构成了一套较为 完整的体系结构极大地推动了分布式空间数据管理系统的发展 1 . 3 论文的主要工作 现今的g i s 应用系统一般包括两个部分 各种数据库系统和客户端应用程序 这些系统大多数以信息孤岛的形式存在着空间数据的共享性差互操作能 力薄弱本文试图在这些信息孤岛之间架起一座桥梁在具备一定的条 件下实现它们之间的空间数据和元数据共享同时不用修改( 或只需作很少的改 动) 各个 g i s应用系统原有的客户端和服务器端应用程序实现空间数据和元数 据在不同的 g i s 数据库管理系统之间自由的传输和表达示意图如图 1 - 1 圆圈表示基于本地系统开发的空间元数据共享服务组件实现了对相关空间 元数据和服务的标准封装对数据请求处理结果实行必要的中间代码格式转换 将请求的空间元数据文档提交给数据请求者实现空间元数据的共享服务为空 间数据的共享服务提供基础平台本文的着眼点主要在于 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 空间 数据 服务 器 元数 据服 务器 用户 空间 数据 服务 器 元数 据服 务器 用户 g i s 系统1g i s 系统2 图 1 - 1 空间元数据共享服务示意图 f i g 1 . 1 s h a r i n g s e r v i c e a r c h i t e c t u r e o f s p a t i a l m e t a d a t a 1 ) 基于空间信息网格基础设施的特性建立高效的空间元数据管理和服务 体系实现空间元数据的共享服务对用户的空间数据请求通过进行空间元数 据的查询进行内容匹配 减少了数据的查询次数和数据传输量提高了查询正确 率也减轻了网络的传输压力 2 ) 实现基于j 2 e e 架构的空间元数据共享的 w e b s e r v i c e 服务解决了空间 元数据管理的分布异构特性实现了 g i s 系统间的数据和操作的交互使得现有 g i s 系统实现了互操作及空间数据的共享维持了原有系统的结构和空间数据 节省了重新开发系统的时间和开支 3 ) 将目前流行的数据传输交换和保存格式x m l 技术 运用在空间元数 据的共享管理中以 x m l 数据格式对空间元数据进行表达和管理使得空间元数 据得到了真正的无障碍交换和表达存储为数据用户提供了方便快捷准确 地数据访问方式 最后利用 j b u i l d e r x w e b l o g i c 8 o r a d e 9 i 等工具和平台结合国家 8 6 3 重大项目基于 s i g 框架的( 上海) 城市空间信息应用服务系统和上海市科委重 点项目海量城市空间信息分布式处理技术与在线服务研究的要求实现了空 间信息网格环境下空间元数据共享服务体系的雏形 为以后的工作奠定了一个较 好的基础论文内容安排如下 第一章绪论介绍本文的研究对象和研究目的阐述地理空间数据的共享 意义及研究现状提出空间元数据共享管理的概念概述论文的主要研究内容 目标和创新点 第二章地理信息系统和地理数据共享综述介绍 g i s 系统的概念和国内外 研究状况 指出地理空间数据共享在 g i s 发展中具有重要作用分析现有地理数 据管理共享方式的不足提出基于空间元数据管理模式下的空间数据共享方式 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 4 第三章w e b g i s和 s i g简介介绍 w e b g i s 的特性和实现策略指出其在空 间数据共享方面的不足简要阐述空间信息网格 s i g 的概念关键技术及其框架 体系说明 s i g 在地理空间数据的共享中具有不可替代的优势 第四章x m l技术和空间元数据共享管理本章对空间元数据的概念及其标 准组织进行分析指出空间元数据在空间数据共享和建设 s i g 中具有重要作用 结合 x m l 技术在数据管理表达和交换中的强大功能提出并实现基于 x m l 的空 间元数据库管理方式为空间元数据的共享服务提供数据基础 第五章论文的主体部分j 2 e e 框架下构建空间元数据的 w e b s e r v i c e 共享 服务通过介绍 j 2 e e 技术平台和w e b s e r v i c e 服务模型的特点指出基于 j 2 e e 框架下的空间元数据共享w e b s e r v i c e 服务体系是解决空间数据管理与共享的最 好方式在空间元数据管理平台基础上构建空间元数据的 w e b s e r v i c e 服务 实现一系列标准的操作接口使得在 i n t e r n e t上构建松散耦合跨平台跨语 言及具有良好可伸展性的分布异构式空间信息共享系统成为可能 第六章对本次毕业设计所做的工作进行总结并提出今后的努力方向 上海交通大学硕士学位论文 第二章 地理信息系统和地理数据共享 5 第二章 地理信息系统和地理数据共享 2 . 1 地理信息系统简介 2 . 1 . 1 地理信息系统的概念 地理信息系统( g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o n s y s t e m ) 简称 g i s , 是六十年代开 始发展起来的地理学研究技术是多种学科交叉的产物g i s 是以地理空间信息 数据库为基础 采用地理模型分析方法适时提供多种空间的和动态的地理信息 的技术平台是为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统g i s 具有以下三 个方面的特征( 1 ) 具有采集管理分析和输出多种地理空间信息的能力具 有空间性和动态性( 2 ) 以地理研究和地理决策为目的以地理模型方法为手段 具有区域空间分析 多要素综合分析和动态预测能力 以产生高层次的地理信息 ( 3 ) 由计算机系统支持进行空间地理数据管理并由计算机程序模拟常规的或专 门的地理分析方法 作用于空间数据 产生有用信息 完成人类难以完成的任务 地理信息系统对外表现为计算机软硬件系统对内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是一个逻辑缩小的高度信息化的地理系统 地理信息系统描述了人们赖以生存的现实世界( 资源或环境) 的各类空间数据和 他们的特征属性在计算机软件和硬件的支持下以一定的格式输入存贮检 索显示分析和应用地理数据的技术系统 计算机 系统 空间分析 地图可视化 数据库 应用系统 应用系统 图 2 - 1 地理信息系统组成示意图 f i g 2 . 1 a r c h i t e c t u r e o f g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m g i s 的主要内容包括 1 ) 有关的计算机软/ 硬件2 ) 空间数据的获取及计算机 输入3 ) 空间数据模型即数字表达4 ) 数据库存储及处理5 ) 数据的共享分析 上海交通大学硕士学位论文 第二章 地理信息系统和地理数据共享 6 与应用6 ) 数据的显示与视觉化7 ) g i s 的项目管理开发质量保证与标准化 8 ) g i s 机构设置与人员培训等典型的 g i s软件有美国 e s r i公司的 a r c / i n f o i n t e r g r a p h公司的 g e o m e d i a m a p i n f o公司的 m a p i n f o等产品国产的有武汉 大学的 g e o s t a r 中国地质大学的 m a p g i s 等这些产品目前国内用户较多 2 . 1 . 2 地理信息系统的功能 地理信息系统发展具有多源性其功能具有可扩充性以及应用的广泛性按 照地理信息系统中的数据流程地理信息系统的功能表示如下 1 ) 数据采集检验与编辑功能用于获取数据保证地理信息系统数据库 中的数据在内容与空间上完整数据值逻辑一致无错等 2 ) 数据格式化转换即数据操作数据格式化是指不同数据结构的数 据间变换数据转换包括数据格式转化数据比例尺的变换等 3 ) 数据的存储与组织是数据集成的过程也是建立地理信息系统数据库 的关键步骤涉及到空间数据和属性数据的组织 4 ) 查询检索统计计算功能是地理信息系统及其他自动化地理数据 处理系统应具备的最基本的分析功能 5 ) 空间分析它是地理信息系统的核心功能也是地理信息系统与其他计 算机系统的根本区别 6 ) 显示功能为用户提供显示地理数据的工具表达形式可以是计算机屏 幕显示也可以是诸如报告表格地图等硬拷贝图件强调地理信息系统的地 图输出功能一个好的地理信息系统应能提供一种良好的交互式的制图环境 以供地理信息系统的使用者能够设计和制作出具有高品质的地图 2 . 1 . 3 国内外研究现状 地理信息系统在国家基础设施建设中有着重要作用一些经济发达国家先后 建立了许多专业性的 g i s 系统在自然资源管理和规划方面发挥了重大的作用 例如美国资源部和威斯康星州合作建立了以治理土壤侵蚀为主要目的的多用 途专用的土地 g i s 以美国为代表的西方国家投入了大量的人力物力进行研究 和发展 g i s 推出了 m a p i n f o a r c i n f o m g e 等软件工具 并大力开发第四代 g i s 上海交通大学硕士学位论文 第二章 地理信息系统和地理数据共享 7 软件第四代具备支持数字地球( 区域城市) 的能力成为 o s d b m s之上的主 要应用集成平台到 1 9 9 5年为止市场上有报价的软件已达上千种并且涌现 出了一些有代表性的 g i s 软件 我国地理信息系统方面的工作自 8 0 年代初开始以 1 9 8 0 年中国科学院遥感 应用研究所成立全国第一个地理信息系统研究室为标志目前, g i s已在许多部 门和领域得到应用, 并引起了政府部门的高度重视一批地理信息系统软件已研 制开发成功( 如 g e o s t a r c i t y s t a r m a p g i s 等) 一批高等院校已设立了一些与 g i s 有关的专业或学科一批专门从事 g i s 产业活动的高新技术产业相继成立 此外还成立了中国 g i s 协会和中国g p s 技术应用协会等目前我国 基本完成了覆盖全国的 1 : 1 0 0万和 1 : 2 5万基础地理数据库的建设即将开始投 入建设的有 1 : 5 万基础地理数据库和 7 大流域的 1 : 1 万基础地理数据库项目 此 外中国已经完成了 1 1 0 0多个大中型数据库以及难以计数的各类数字化地理 基础图专题图城市地籍图等但是由于这些数据标准不一致这些系统兼 容性较差利用率也较低所以必须建立完善的体制才能对这些有形资产进行统 一管理 2 . 1 . 4 地理信息系统的发展动态 近年来 g i s 技术发展迅速其主要的动力来自日益广泛的应用领域对 g i s 不 断提出的要求另一方面计算机科学的快速发展也为 g i s 提供了先进的工具和 手段许多计算机领域的新技术如 i n t e r n e t技术面向对象技术三维技术 和人工智能技术都可直接应用到 g i s 中使 g i s 的发展出现网络化开放性虚 拟现实集成化空间多维等特点g i s 系统的研究集中在如下的方面 5 ( 1 ) g i s 空间数据共享 多源空间数据的共享一直是 g i s 应用的瓶颈空间数据共享的理想模式就是 实现空间数据的互操作目前采用分布式技术来解决空间数据的互操作是 g i s 应用最广泛和最成功的方法 ( 2 ) g i s 中面向对象技术研究 面向对象方法为人们通过计算机直接描述现实世界提供了一条适合于人类 思维模式的方法面向对象的 g i s 应用已成为g i s 的发展方向这是因为空间 上海交通大学硕士学位论文 第二章 地理信息系统和地理数据共享 8 信息较之传统数据库处理的一维信息更为复杂繁琐面向对象的方法为描述复 杂的空间信息提供了一条直观结构清晰组织有序的方法因而倍受重视 ( 3 ) 时态 g i s 系统 传统的 g i s 只考虑地物的空间特性忽略了时间特性在许多应用领域中 如地籍变更地震救援大气预报等空间对象是随时间变化的这种动态变化 规律在应用过程中有着重要的作用 近年来对 g i s 中时态特性的研究变得十分 活跃即所谓时态 g i s 系统 ( 4 ) 地理信息建模系统( g i m s , g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n m o d e l i n g s y s t e m ) 通用 g i s 的空间分析功能对于大多数的应用问题是远远不够的因为这些领 域都有自己独特的专用模型 目前通用的 g i s 大多数通过提供二次开发的工具和 环境来解决这一问题 但二次开发工具的一个主要问题是它对于普通用户而言过 于困难 而 g i s 成功应用到专门领域的关键在于支持建立该领域特有的空间分析 模型 ( 5 ) 三维地理信息系统的研究 三维 g i s 是许多应用领域对 g i s 的基本要求目前的 g i s 大多数提供了一些 较为简单的三维显示和操作功能 但这与真三维表示和分析还有很大差距真正 的三维 g i s必须支持真三维的矢量和栅格数据模型及以此为基础的三维空间数 据库解决三维空间操作和分析问题 2 . 2 地理数据管理与共享 i n t e r n e t和 g i s技术的发展为地理数据的管理和共享提供了一个开放的信 息空间数据共享解决了数据的一次生产共享使用等问题提高了数据的 利用效率拓宽了地理信息的应用广度和深度提高了地理信息的时效性扩大 了地理信息的来源为网络提供了丰富的空间信息 3 地理数据的管理和共享是以给定的内部空间数据结构为基础通过合理的组 织管理实现高效的应用要求内部空间数据结构是一种描述地理实体的有效 方法 空间数据管理和共享是根据应用要求建立实体数据结构和实体之间的关 系把他们合理的组织起来以便于运用 现有空间数据的管理方式主要有两种文件或数据库共享管理空间数据 上海交通大学硕士学位论文 第二章 地理信息系统和地理数据共享 9 2 . 2 . 1 文件方式共享管理 文件共享方式( f i l e s h a r e ) 通过提供文件共享和目录映射来提供网络访问 能力可以适应多种方式下的文件访问的需求这种方式在 w i n d o w s 中不需要映 射网络驱动器 使用起来方便快捷很多能够通过网络运行的应用程序都是按照 这种方式通过共享文件来共享空间数据资源的 文件方式由于使用网络底层进行 通讯无法对安全性进行更多的控制也无法针对不同的应用进行效率优化使 得效率低下 而且所有的数据都存储在自行定义的数据结构和操纵工具中不利 于管理和共享 文件方式中每个应用程序都必须直接访问所使用的数据文件应用程序完 全依赖于数据文件的存储结构数据文件修改时应用程序也要进行修改另外 如果有多个用户或应用程序共享一个文件 要修改这个数据文件必须经过所有用 户的认可 这是不现实的文件管理方式由于缺乏集中控制也会带来一系列数据 库的安全问题为了扩大系统的适应性增强数据的管理能力一般用 d b m s来 管理非几何属性的数据用文件系统来组织几何属性 2 . 2 . 2 数据库共享管理 数据库管理系统( d a t a b a s e m a n a g e m e n t s y s t e m d b m s ) 是在文件处理系统的 基础上进一步发展的技术d b m s 在用户程序和数据文件之间起到了桥梁的作用 其最大的优点是提供了两者之间的数据独立性 其优点是 对数据集中控制管理 数据具有独立性容易扩充新的数据库应用和实现数据的共享 数据库管理方式利用了客户/ 服务器( c / s ) 方式实现了 c / s 模式的跨平台 易扩充数据独立等优点构架图如图 2 - 2 数据库管理方式在 c l i e n t端分为 两层来进行设计g i s 功能层和数据请求层g i s功能层是 g i s的功能实现部 分数据请求层是 g i s 的数据实现部分数据请求层作为一个中间层起到数据 转换的作用对上是具有 g i s 特点的数据文件对下是标准的数据库记录这种 分层设计的形式 既充分利用了现有的单机版本 g i s 的研究成果又使 g i s 功能 层和数据请求层的开发可以同时进行 只要接口标准不变一层的变动不会影响 到另一层 上海交通大学硕士学位论文 第二章 地理信息系统和地理数据共享 10 g i s 功能层 g i s 功能层 g i s 功能层 g i s 功能层 数据 请求层 数据 请求层 数据 请求层 数据 请求层 数据库数据库数据库数据库 客 户 机 服 务 器 图 2 - 2 c / s 模式下 g i s 访问数据库的框架 f i g 2 . 2 f r a m e o f g i s a c c e s s i n g d b b y c / s m o d e l 基于数据库实现的数据管理方式有关系数据库系统对象关系数据库系统 和对象数据库系统 目前大多数的商用 g i s 系统大多是在关系数据库系统和对象 关系数据库系统上实现的 数据库管理共享方式的缺点是1 ) 无法提供基于区域的空间数据共享2 ) 由 于数据库系统管理的空间数据是集中管理的数据的可靠性和可用性相对较低 因为数据库服务器出故障时空间数据就无法被用户共享 3 ) 由于服务器的数量和 性能有限随着共享数据的用户增多g i s 系统的响应就越来越低另一方面 由于支持同时连接的数目有限 无法支持更多的用户连接 4 ) 只能支持联机应用 无法支持脱机应用而支持脱机应用可以保持系统的高可用性及移动应用的要 求 现在有些 g i s软件采用空间数据和属性数据分开管理的方式( 或称混合型 数据管理方式) 即空间数据以专门的文件方式存储并有专门的空间数据管理 软件处理属性数据则由关系数据库来管理但是这种方式不利于空间数据的整 合容易破坏数据的一致性查询速度慢限制了 g i s 的开放性和互操作不能 保证数据的共享和并行处理 2 . 3 空间元数据共享管理 地理信息数据的共享从技术上讲有以下三个方面第一数据转换包含有 语义约束的数据格式转换和没有语义约束的数据格式转换 第二基于元数据的 g i s网络查询和应用第三g i s互操作以消息机制为实现基础的数据共享行 为 3 随着i n t e r n e t 技术的飞速发展和网络技术的普及应用 用户通过 i n t e r n e t 快速 准确地获取和共享地理信息是大势所趋网络环境下地理信息共享的主要 上海交通大学硕士学位论文 第二章 地理信息系统和地理数据共享 11 解决途径就是空间元数据的共享目前基于元数据和网络地理信息系统的空间 数据共享有主要以下几种形式 1 ) 通过空间元数据的查询和检索帮助用户找到所需的空间数据在数据定 位后 与数据所有者通过磁盘光盘等介质以及互联网上直接下载等形式进行数 据共享 2 ) 将空间数据在网上发布提供部分标准文本和部分空间信息查询 3 ) 空间元数据和可以获取的在线数据集动态连接用户通过空间元数据查找 到需要的空间数据 然后到数据集拥有者处调用所需要的空间数据这是一种基 于互联网的分布式地理信息系统代表地理信息共享的发展方向 空间元数据库的出现提供了一种新的空间数据共享管理方式( 如图 2 - 3 ) 空 间数据以文件或数据库的形式存在于不同的服务器上管理员用户通过空间元 数据服务器对其进行操作以元数据库管理空间数据有利于保持空间数据的完 整性一致性增强用户的操纵能力方便进行空间数据的查询检索使数据得 到广泛的应用 同时通过元数据建立数据目录方便了管理者对空间数据库的维 护与优化 图 2 - 3 元数据系统管理空间数据 f i g 2 . 3 a r c h i t e c t u r e o f m a n a g i n g s p a t i a l d a t a i n m e t a d a t a s y s t e m 这种空间数据管理方式综合了空间数据文件管理和空间数据库管理两种方 式的优点采用了元数据库对空间数据文件进行访问控制版本控制在一定意 义上解决了空间数据文件管理方式的一些弊端 他的出现符合空间数据库系统的 发展趋势他将空间数据库或空间数据文件作为一个对象抽取他的基本特性生 成空间元数据库利用面向对象方法进行空间数据的有效管理这种分布式的存 储方式使空间数据具有了网络连接的能力 实现了分布式的事务处理和跨平台的 应用 实现以空间元数据系统管理 g i s 服务器上的空间数据重点是建立和实现一 上海交通大学硕士学位论文 第二章 地理信息系统和地理数据共享 12 个空间元数据管理技术系统一般包括以下几个主要过程 1 0 1 ) 源数据标定与需求调查 对所要描述和管理的地理空间数据以专题和空间范围进行标定与细分确定 将被收集和描述的数据资料调查该数据集内现有元数据的情况确定数据集的 哪些特征将被描述明确元数据的应用领域用户情况和使用要求 2 ) 选择和制定空间元数据标准 分析和比较现有的空间元数据标准根据地理信息工程的实际情况选择和 制定合适的空间元数据标准 3 ) 设计和创建空间元数据的结构 确定元数据的实现方法创建工具记录格式和元数据项如果采用关系数 据库系统来建立元数据库则要确定库结构 4 ) 登录和检查元数据记录 按照元数据结构的要求将空间数据源逐一登录到元数据库中并严格按照 数据规模进行质量控制和版本控制 5 ) 发布并维护空间元数据库 6 ) 提供对空间元数据进行查询搜索预览下载转换及其它应用 2 . 4 本章小结 本章简要介绍了地理信息系统的概念国内外研究的现状指出基于文件和 数据库管理方式的 g i s 系统在地理数据共享方面的不足 提出了基于空间元数据 库管理空间数据的模式及实现步骤 以空间元数据管理平台为数据处理中间件的 数据管理方式 为用户与 g i s 数据服务器之间进行数据交互提供了便利空间元 数据库管理方式 对在全球范围内进行地理数据的共享具有重要意义保证了空 间数据在内容和空间上的一致性对空间数据的组织存储和集成提供了解决方 案为用户提供了方便快捷的数据查询浏览和分析显示解决了数据的一次 生产共享使用的问题提高了数据的利用效率拓宽了地理信息的应用广度 和深度 上海交通大学硕士学位论文 第三章 webgis 和空间信息网格 13 第三章 w e b g i s 和空间信息网格 3 . 1 w e b g i s 3 . 1 . 1 w e b g i s 的概念 w e b g i s 是 g i s 与 w e b 平台结合的产物是 g i s 在广域网环境下的一种应用 其目的是实现空间数据的网络化和共享g i s 系统通过 w e b 扩展了功能成为一 个大众化的工具从 w e b 的任意节点用户可以浏览到各种分布式的具有超媒 体特性的地理空间数据及属性数据进行地理空间数据分析查询共享以支 持智能辅助决策w e b g i s利用了互联网技术来扩展和完善地理信息系统其核 心是在系统中嵌入了 h t t p 和t c p / i p 标准协议 实现了互联网环境下的空间信息 管理和共享等功能简单的说 1 6 g i s = c a d + d a t a b a s e + s p a t i a l o p e r a t i o n w e b g i s = g i s + d c p + i n t e r n e t w e b g i s 开拓了地理空间信息资源利用的新领域 为地理空间数据的高度社会 化共享提供了可能它改变了 g i s 数据信息的获取传输发布应用共享等 过程和方式 图 3 - 1 w e b g i s 组成示意图 f i g 3 . 1 a r c h i t e c t u r e o f w e b g i s w e b g i s一般由四部分组成1 ) 浏览器( b r o w s e r ) 用户端可以连通到数据服 务器上读取各种地理信息2 ) 信息代理( i n f o r m a t i o n a g e n t ) 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3 ) 服务器 ( s e r v e r ) 解释中间代理请求操作数据库服务器实现浏览器和服务器的动态 交互4 ) 地理信息编辑器( e d i t o r ) 具有可视化交互式多窗口的功能能建 上海交通大学硕士学位论文 第三章 webgis 和空间信息网格 14 立 g i s 对象模型和进行空间数据的编辑及显示 3 4 3 . 1 . 2 w e b g i s 的特性 与传统的基于桌面或局域网的 g i s 相比w e b g i s 具有以下显著的特点 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的服务器上的 最新数据方便了 g i s 的数据管理使分布式的多数据源的数据管理合成与共 享更易于实现 2 ) 平台独立性传统的 g i s平台是集中式的w e b g i s 的平台则是分布式 这样 客户机和服务器可以是不同的机器用户可以使用 w e b 浏览器透明地访问 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 3 ) 降低系统成本普通 g i s在客户端配备了昂贵的专业 g i s软件而用户 只使用了一些最基本的功能造成了极大的浪费w e b g i s 在客户端只需使用w e b 浏览器( 有时加一些插件) 其软件成本节省了得多客户端的简单性使得维护费 用也减少 4 ) 简单的操作w e b 浏览器降低了操作的复杂度和对系统操作的要求使 g i s 系统为广大的普通用户所接受 5 ) 平衡高效的计算负载传统的 g i s使用文件服务器结构的处理方式处 理能力依赖于客户端效率较低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 的合理分配是一种理想的优化模式 2 0 3 . 1 . 3 w e b g i s 的实现策略 目前 w e b g i s的实现策略有三种服务器端策略客户端策略和混合策略 服务器端策略允许客户端向服务器提交数据和分析请求 由服务器处理请求并将 结果返回给客户端客户端策略允许用户进行数据的本地操作或分析混合策略 则可以根据用户请求和网络状况合理的分配数据处理的位置 ( 1 ) 服务器端策略 上海交通大学硕士学位论文 第三章 webgis 和空间信息网格 15 服务器端策略中客户机通过 w e b 浏览器向服务器端的 w e b 服务器发出诸如 图形放大属性查询等请求w e b服务器通过 c g i i s a p i或 a s p等接口把这些 请求传递给后端的 g i s 服务器g i s 服务器按照要求进行数据处理并将结果反 馈给远端的客户机浏览器 在这种体系结构中服务器完成所有空间数据处理工 作客户机只需发出请求和接收处理结果是典型的瘦客户机胖服务器模式 服务器负担重 对网络的传输能力要求高 采用这种模式的有 e s r i 的 i n t e r n e t m a p s e r v e r ( i m s ) m a p i n f o 的 m a p i n f o p r o s e r v e r 等结构图如下 w e b 浏览器 客户机i n t e r n e t服务器 w e b 服务器 g i s 服务器 通信接口 g i s 服务请求 处理结果 图 3 - 2 基于服务器的 w e b g i s 体系结构 f i g 3 . 2 a r c h i t e t c t u r e o f w e b g i s b a s e d o n s e r v e r ( 2 ) 客户端策略 在客户端策略中服务器不处理用户的所有请求只是向客户机发送一段运 行在本地机上的客户程序这个程序可以与客户机交互处理用户的一些简单请 求 如地图的放大缩小 所需的矢量数据直接向服务器请求 当用户发出复杂的 高级的客户机不能处理的操作请求时才由 w e