（计算机软件与理论专业论文）web地图服务关键技术的研究.pdf

摘受 摘要 随着地理信息系统( 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 ) 需求的不 断扩大以及互联网技术的飞速发展，传统的g i s 系统各自为政，相对封闭，形成 了地理信息孤岛，已经难以满足地理信息共享的要求。 为了适应地理信息共享以及提高g i s 系统互操作性的要求，o g c 组织( t h e o p e ng i sc o n s o r t i u ) 制定了一系列o p e n g i s 规范，g i s 软件开发者可以通过遵 从规范来开发各自的软件，以实现资源共享以及互操作性。w e b 地图服务( w e b l a p s e r v i c e ，简称w m s ) 规范和图层风格描述( s t y l e dl a y e rd e s c r i p t o r ，简称s l d ) 规范是o p e n g i s 制定的规范之一。 本文在分析了帆s 规范、s l d 规范以及w e b 服务框架的基础上，深入地分析、 研究和对比了w e b 地图服务的关键技术：s l d 、可扩展矢量图像( s c a l a b l ev e c t o r g r a p h i c ，简称s v g ) 以及负载均衡技术，劳利用这些技术实现了一个基于w e b 服 务的分布式地图服务系统s l d 一1 v m s 系统，该系统包括w m s 和s l d 定义的七 个地图相关服务：获取地图服务的功能说明信息( g e t c a p a b i l i t i e s ) 、获取地图 图像( g e t m a p ) 、获取指定坐标点的要素信息( g e t f e a t u r e i n f o ) 、获取图层信息 ( d e s c r i b e l a y e r ) 、获取图例图像( g e t l e g e n d g r a p h i c ) 、获取风格信息 ( g e t s t y l e s ) 和存储风格信息( p u t s t y l e s ) 。这些地图相关服务都是以w e b 服 务的方式对外提供的，其请求格式和输出结果都是符合w m s 规范和s l d 规范的。 s l d w m s 系统初步实现了地理信息的网络化，克服了传统g i s 的强耦合性、 数据格式不统一等弱点，实现了g i s 系统之间的互操作性、数据分布以及资源共 享。 关键词w e b g i s ；w 曲地图服务( w m s ) ； 图层风格描述( s l d ) ；可扩展矢量图 像( s v g ) ； 负载均衡 a b 吼r a c i a b s t r a c t a st h ee n l a r g er e q u i r e m e n to fg e o 伊a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( g l s ) a n dr a p i d d e v e l o p m e n to f 、 ，e bt e c h n o l o g y t r a d i t i o n a lg i sw h j c hu s u a l l yu s i n gi ns p e c i a la r e a ， b e c a m eas i n 酉ei n f o r m a t i o ni s l 矾d ，i tc a n o ts a t i s f yt h ei n t e r _ o p e r a t a b i l i t yo fg i s a dc a nn o ts h a r eg i sr e s o u r c e s i o r ea n dm o r e i no r d e rt of i l lt h e i m e r - o p e r a t a b i l i t yr e q u i r e m e n to fg l s ，t h eo p e ng i s c o n s o n i u m ( o g c ) b u i l tm a n ys 印e c i f i c a t i o n s ，g i sd e v e l 叩e r sc a nf o l l o wt h o s e s p e d f i c a t i o n st 0d e v e l p o et h e 打g l ss o 脚a i et or e a 王i z ei n t * 0 p e r a t a b i l i t ya n ds h 酊e r e s o u r c e s w 曲m 印s e i c e ( w m s ) s p e c i f i c a t i o na n ds t y l e dl a y e rd e s c r i p t o r ( s l ，d ) s p e c i f i c a t i o na r em oo ft h o s es p e c i f i c a t i o n s b a s e do n a n a l y s e dw m s ，s l da dw 曲s e r v i c cf h m e w o r l 【，n i sp a p c r r e s e a r c h e dt h ck e yt e c h n i q u e so fw m s ，w h i c ha r es l d ，s c a l a b l ev e c t o rg r a p h i c ( s v g ) a i l dl d a db a l a i l c e u s i l l gt h o s et c c l l i l i q u e s ，w ef i n i s h e dad i s t r i b u t e dw m s s y s t e mb a s e do n 、v e bs e r v i c et e c h n o l o g y w 血i c h 、孵c a l l e ds l d - w m ss y s t e m t h i s s y s t e ms u p p 嘣ss e v e ns e r v i c e s ，w h i c ha r eg c tm ec a p a b i l i t i e sd o c u m e n to fw m s ( g e t c a p a b i l i t i e s ) ，g e t am a p 乒a p h i c ( g e t m 印) ，g e tg l sf e a t u r ei n f o 咖a t i o n ( g e t f e a t u r e i n f 0 ) g e tl a y e r 曲f o 衄a t i o n ( d e s a i b e l a y e r ) ，g e tal e g e n dm 印聊h i c ( g e t k g e n d g r 印h c i c ) ，s t o r es t y l ei n f 0 珊a t i o n ( p u t s t y l e s ) a n dg c ts t y l ei n f o m a t i o n ( g e t s t y l e s ) 舢lm o s es e r v i c e sa r eo f r e da saw 曲s e i c em o t h o d ，t h er c q u e s t s 姐d r e s p o n s e sa r ea l s oa c c o r d e dw i t ht l l cw m s a n ds i 。ds p e c i f i c a t i o n s s l d - w m ss y s t e mr e a l i z e dg i sa v a i l a b l eo nm ei n t e m e t ；o v e r c o m e dt h e w e a k n e s so ft r a d i t i o n a lg l s ，s u c ha ss t r o n gc o u p l i n g ，d i 骶r e n td a t af o 椭a t ；r e a l i z e d g i sd a t ed i s t r i b u t e d ，s h a r er e s o u r c e sa n di n t e r _ o p e r a t a b i l i t y k e y 们r d sg i s ；w e b g i s ；w e bm a ps e r v 妣州m s ) ；s t y l e dl a y e fd e s c r i p t o r ( s l d ) ；s c a l a b l e v e c t o rg r a p h j c ( s v g ) i i j 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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谓 的地方外， 仑文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也1 i 包含为获得北京工业大学或 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作了明确的说明并表示了谢意。 签名：& ! 墨壹 日期： 沩泊6 i 沙 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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，可咀采用影印、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) 签名：赶姿盘导师签名日期：汩扫、6 、y 第l 菩绪 = 苦 第1 章绪论 地理信息系统( g i s ) 是近十年来发展起来的一门综合应用系统，是处理地理 信息的系统。地理信息是指直接或问接与地球上的空间位置有关的信息，又常称 为空间信息。般来说，g i s 可定义为：“用于采集、存储、管理、处理、检索、 分析和表达地理空间数据的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术 吼”从g i s 系统应用角度，可进一步定义为：”g i s 由计算机系统、地理数据和 用户组成，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种 地理信息，从而为土地利用、资源评价与管理、环境监测、交通运输、经济建设、 城市规划以及政府部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策服 务“【”。 g i s 技术发展，基本反应了i t 技术的总体发展过程。自2 0 世纪7 0 年代以来。 g i s 技术发展人致经历了三个主要阶段：一是以大型机与u m x 为平台的专业式 p r o f e s s i o n a l g i s ；二是以p c 机为甲台的桌面式d e s k t o pg i s ；三是以网络 ( i n t e r n e t i n t r a n e t ) 和c l i e n t s e r v e r 为技术平台的w e b g i s 、移动式或无线通 讯式g i s i 。 1 1w 曲g i s 技术现状 到目前为止，人们对w e b g i s 的开发和应州做出j ，很多有意义的探讨并提出 了很多实现模型。世界各大g i s 厂商纷纷推出了自己的w e b g i s 产品。如：m a d l n f 0 公司的m 印i n f o p r o s e r v e r 、i n t e r 掣a p h 公司的g e o m e d i a w 曲m a p 、e s r i 的i m e m e t m a ps e r v e “i m s ) f 0 tm c v j e w m a p o b j e c t 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 。后来，b e n t l y 公司和m 叩i n f 0 公司又相继推出了 m o d e l s e e 佃i s c o v e r y 和m a p xs i t e 。另外，国内在对w c b g l s 的研究巾比较有 影响的包括武汉测绘科技大学的g e 0 s t a r ( 吉奥之星1 、北大青鸟天通信息工程公 司的g e o u n i 咖w e b g l se n i e r p r i s e 以及c i t v s t a f 、m a p g i s 等川。 综合起来，w 曲g i s 的实现可以分为以f 几种基本方式： 1 通用网关界面 通用网关界面( c o f i i l 玎0 ng a t e w a yi n t e r f e ，简称c ( 是用束定义服务器和网 关程序如何通信的接口。在客1 l _ 端，w 曲浏览器以l l t m l 建立用户界面；在服务 器端，g i s 软件系统通过c g t 与h t t p 服务器相连。用户可以通过c g i 传送命令 到服务器上，服务器自动将命令传到后端g i s 软件上，处理结果再返回服务器直 至用户。泼方法由于c g i 效率不高且受网i 信息流量的影响，而且要求后端的 至用户。陵方法由于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 北京1 = 业大学1 学坝卜学位论文 g i s 软件一直处于运行状态，因此这种方法不能满足w e b g i s 的设计要求p l 。 2 服务器应用程序接口 该方法是为克服c g i 方法的低效率问题而研制出来的。其基本原理与c g i 类 似，所刁i 同的是c g i 程序可以单独运行，而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，医l 而速度比c g i 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 i 和服务器a p i 虽然增强了客户端交互性，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。当网络流 量较高时，系统反应会很慢，服务器的负载很重【8 j 。 3 插件方式 插入法是在浏览器端安装相应的插件用来显示从服务器端传送的矢量或栅 格形式的g i s 图形信息。由于这种方式把一部分服务器上的功能移到客户端上， 这样不仅大大加快了客户操作的反应速度，而且也减少了交互网上的流量和服务 器的负载。但在客户端要先安装相应的捅件或控件。 1 2 研究目的和意义 随着互联网技术的不断发展以及g i s 需求不断地扩大，传统的g i s 实现技术 已经越来越不能满足需求，其主要表现在： 1 地理信息资源利用率低：传统的g i s 都是一种获取服务的方式，个人很 难对外发布或提供服务。互联网用户有很多的地理信息资源，由于没有合适的途 径，不能够对外提供服务，这样造成了地理信息资源的浪费。 2 平台不一致：某些基于传统技术实现的g i s 使用了各种各样的平台， 如n e t 平台和j a v a 平台，这些平台上的g i s 很难实现互操作，从而给使用者带 来了很大的麻烦。 3 数据格式不一致：目前存在多种g i s 数据格式，不同的格式对应不同的 引擎，g i s 应用程序与数据格式之间的强耦合性给g 】s 应用带来了一定的局限性。 基于以上原因，我们有必要建立一个跨部门的地理信息资源应用平台来解决 在不同软件平台上的g i s 系统存在的数据格式、数据模型、通讯模型不统一的问 题，并且为用户提供统一的服务机制和应用界面，从而实现各行业、各部门地理 信息资源的共享和各种g i s 软件的互操作，从而提高地理信息资源的利用率。 为了满足这种需求，将地理空间数据和地理操作资源全面集成到主流计算技 术，并在整个信息基础没施中广泛使用可互操作的g l s 软件和地理数据产品， o g c ( n eo p e ng i sc o n s o r t i u m ，开放地理信息系统组织) 于1 9 9 4 年成立，并制定 第1 审绪论 了一系列0 p e n g l s 规范，g i s 软件开发者可以通过遵从o p e n g i s 规范来开发各 自的软件，以实现瓦操作。 w e b 地图服务规范是o p e n g i s 制定的规范之一。本文主要目的就是研究这种 平台的实现技术，并实现一个支持s l d ( s t y l e dl a y e rd e s c r i p t o r ，图层风格 描述) 的w e b 地图服务系统。根据规范，该系统提供七个地图相关的服务： 提供地图服务的相关信息，这些信息包括地图服务器提供商的信息，服 务功能说明信息以及可请求的图层的信息； 提供地图图像： 提供地理要素的信息； 提供图层信息； 提供地图图例图像； 提供风格说明文档： 保存风格说明文档。 w e b 地图服务具有一定的研究价值，其具有如下意义： 第一，w e b 地图服务系统是一个分布式的网络平台，它可以为整个计算机网 络中所有合法用户提供了一种共享自己地理信息资源的方法。 第二，w e b 地图服务系统可以调用互联网用户提供的地理信息资源。 第三，利用w e b 服务技术，可以建立松散耦合的系统。用户通过w e b 即可使 用系统所提供的w e b 服务，从而进一步使地理信息资源得到最大限度的共享，使 各种g i s 软件方便地进行互操作。 第四，基于该平台的客户端应用程序能够将互联网上的地图相关服务过滤， 选择自己需要的服务进行整合，从而使得信息资源的提供者和使用者得到收益， 具有一定的社会效益。 1 3 主要研究内容 本课题的主要任务是对w e b 地图服务系统的实现技术进行研究，本文主要对 以下三个关键技术进行了研究： ( 1 ) 支持s l d 的w m s ：s l d 是o p e n g i s 框架中的一个规范。它告诉服务器用 什么样的风格去绘制图层。s l d 就是定义这些风格的语言，它能被用户和服务器 理解。支持s l d 的w m s 增加了描述图层、获取地图图例图像、获取风格信息和存 储风格信息四个服务，使用户能够根据自己定义的图层和风格来绘制地图图像。 ( 2 ) 支持s v g 的w m s ：s v ( ；是由w 3 c 制订的、使用x m i 来描述二维矢量图形 的语言，是完全用纯文本来描述的为网络而设计的图像格式【2 9 l 。由于s v g 是矢量 图形格式，放大、缩小都不会影响图像的显示质量，另外它支持s c r i p t 语句， 北京t 业大学工学艘l j 学位论文 可以使用s c r i p t 语句对s v g 进行操作，从而减少了客户端与服务器端之间的交 互，所以，利用s v g 作为地图服务系统的图像输出格式之一可以提高客户的响应 时间，从而使系统的使用效率大大提高。 ( 3 ) 负载均衡技术的应用：负载均衡( l o a db a l a n c e ) 建立在网络结构之 上，它提供了一种廉价有效的方法扩展服务器带宽、增加吞吐量、加强网络数据 处理能力、提高网络的灵活性和可用性。它主要完成以下任务：解决网络拥塞问 题、提高服务器响应速度、提高服务器及其他资源的利用效率、避免网络关键部 位出现单点失效【4 。本系统研究和利用“最少连接数”负载均衡算法实现绘图功 能的负载均衡，使系统的响应时间得到了一定的提高。 本课题从系统的功能上研究了s l d 和s v g ，然后又从系统的实现角度研究并 分析了负载均衡的应用，通过对这些关键技术的研究，我们实现了一个分布式的 w e b 地图服务器系统。 1 4 本文组织结构 本文第一章绪论介绍了w e b g i s 技术现状，然后阐述了本课题的研究目的和 意义以及本文的主要研究内容。第二章主要是是介绍w e b g i s ，o p e n g i s 框架和 帆s 以及地图服务模型。第三章、第四章和第五章是本文的重点。第三章主要是 分析w e b 地图服务需要面对的关键技术：s l d 、s v g 以及负载均衡技术。并对这 些关键技术的解决方法进行了详细的描述。在第四章中，参照o p e n g i s 规范，把 s l d w m s 系统分成w m s 服务、管理员配置程序和绘图服务器三部分，并分别进行 了总体设计。第五章对s l d 一_ l v m s 系统的实现进行了详细的描述。 第2 章、v e b g i s 与0 p c n g i s 框架 第2 章w e b g i s 与0 p e n g i s 框架 随着w e b 技术的不断发展和人们对g i s 需求不断的扩大，利用i n t e r n e t 在 w e b 上发布空问数据，为用户提供空间数据浏览、查询和分析的功能已经成为( ；i s 发展的趋势。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 应运而生。 2 1w e b g i s 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 e b 功能得以扩 展，真正成为一种大众使用的工具。从i n t e r n e t 的任意一个节点，w e b 用户可 以随时访问g i s ，从而使g i s 应用服务于千家万户。w e b g i s 具有以下特点： a 全球化的应用范围，真正的信息共享 全球范围内任意一个i n t e r n e t 节点的客户端都可以访问w e b g i s 服务器提供 的各种g i s 服务，而且用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，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更易于实现。 b 跨平台特性 在w e b g i s 以前，尽管一些厂商为不同的操作系统( 如：w i n d o w s 、u n i x ) 分别 提供了相应的g i s 软件版本，但是没有一个g i s 软件真f 具有跨平台的特性。 w e b g i s 可以跨越平台之间的差异，使基于任何平台的g i s 用户都可以获得服务。 c 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，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) 或简易应用程序，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。 d 巨大的扩展空问 w e b 技术基于的标准是开放式的、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w e b g i s 的进一步扩展提供了极大的发展空间，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 应用系统【1 0 】。 2 2 基于w 曲服务的g i s 目前的大部分w e b g i s 是采用的c g i s e v e ra p i 方法。但是，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。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。经过各种扩充的c g i 工具也无助于问题的解决，因为不管 北京1 ：业凡学t 学硕学位论义 是采用进程间d l l 、服务器插件或者是o r b 对象的方案，它们都需要h t t p 和w e b 服务器作为中介，来协调服务器和客户机对象之间的通信。一个客户机对象无法 直接调用服务器对象，客户机与服务器对象之问交互的基本形式仍然是i l t m l 表 格。对于象w e b g i s 这样复杂的客户服务器应用来说，网络通信量相当大，采用 这种方式很难进一步提高速度。 为了解决这个问题，1 9 9 7 年6 月涎生了w e b 的种分布式对象方案，称为 “o b j e c tw e b ”。基于o b j e c tw e b 规范的w e b g t s 可以称为分布式对象w e b ( ；i s ， 这是w e b g i s 的最新发展方向。基于0 b j e c t e b 开发的w e b g i s 可以有效避免c g i 形成的瓶颈，允许客户机直接调用服务器上的方法。分布式对象平台提供一种可 以伸缩的由服务器到服务器的体系结构，服务器对象可以运行在多个服务器上， 从而可以动态平衡客户端请求的负载。目前，有两套不同的o b j e c tw e b 规范正 在进行着激烈的竞争：一个是c o r b a j a v a 标准，另个是d c 0 m a c t i v e x 标准。 两个标准各有千秋，相持不下。尽管j a v a 编译器在不断改进，但是c 0 r b a j a v a 在运行速度上仍然不如d c o m a c t i v e x 。c o r b a j a v a 规范的最大优势仍然在于其 跨平台能力，适用于w i n d o w s 、c i n t o s h 、u n i x 等，而d c o m a c t i v e x 目前还只 能运行于3 2 位w i n d o w s 系列操作系统【矧。综合来说，用d c o m a c t i v e x 或 c o r b a j a v a 技术实现的w e b g i s 有如下困扰： 首先，它们是紧密耦合的，这就意味着分布计算连接的两端都必须遵循同样 a p i 的约束。 其次，这些标准都受到厂商的约束。m i c r o s o f t 控制着d c o 、n e tr e m o t i n g ， s u n 控制这e j b ，很难实现他们之间的互操作。 随着w e b 服务技术的出现，这些问题都迎刃而解。w e b 服务允许应用程序通 过i n t e r n e t 进行通信和共享数据，而不管所采用的是哪种操作系统、设备或编 程语言。w e b 服务是自包含的、自描述的、模块化的应用程序，可以通过w e b 发 靠、定位和调用，可以是一个单独的请求，也可以是一个商业过程。一旦w e b 服 务在网络上发布后，其他应用程序( 或其他w e b 服务) 就可以发现并使用它。所以 可以说w e b 服务就是在改进d c o m 和c o r b a 缺点上所作出的努力，基于w e b 服务 技术的w e b g i s 有如下优势： ( 1 ) 跨平台性：w e b 服务在i n t e r n e t 环境中提供了一种与平台无关、与语 言无关，在机器与机器之间可以共享数据和服务的模式。因此，用j a v a 开发的 客户端可以很容易地调用n e t 开发的w e b 地理信息相关的服务，同时n e t 开发 的客户端可以很容易地调用j a v a 开发的服务。 ( 2 ) 松散耦合：松散耦合将分布式计算中的参与者隔离开来，交互两边某 一方的改动并不会影响到另一方，从而使服务使用者能实时享用到新的功能及数 第2 章w e b g i s 与o p c n g i s 框架 据。这两者的结合意味着我们可以实现某些w e b 服务而不用对使用这些w e b 服务 的客户端的知识有任何了解。而且客户端可以根据自己的要求查询最适合自己的 服务并随时可以替换，这比传统的组件方式要方便得多。 ( 3 ) 互操作性：x m l 、s o a p 、w s d l 和u d d i 保证了w e b 服务的跨平台互操作 的特性，提供了各个不同厂商解决方案之间的交互性。通过w e b 服务与g i s 的结 合，分布式、多来源的g i s 服务可以通过互操作标准x m l 和s o a p 动态地集成在应 用中。人们可以自由地根据自己应用的需要，请求网上的g i s 相关的w e b 服务， 也可以将不同g i s 相关的w e b 服务集成一个满足自己需要的应用系统或提供功能 更强大的服务。 2 3 o p e n g i s 框架 w e b 服务技术的出现为互操作提供了良好的技术基础，然而，要实现互操作 还需要有共同的调用接口以及相关通信协议，g i s 丌发人员编写符合接口标准的 软件，这样g i s 软件之间才能够实现互操作。因此，地理信息的标准化工作随之 而来。地理信息系统的标准化带来的是地理信息和数据服务的规范化和公开化， 不仅使地理信息能在更广阔的范围内得到应用，而且能使之与其它信息处理结合 起来，拓展了地理信息系统的应用领域和应用方式，更好的体现地理信息系统的 经济价值和社会效益。同时，地理信息系统的标准化体系是地理信息系统技术走 向实用化和社会化的保证，对于促进地理信息共享、实现社会信息化具有巨大的 推动作用例。 0 g c 专门从事实现g i s 领域互操作标准化的工作。开放地理数据互操作规范 ( o p e ng e o d a t ai n t e r o p e r a b i li t ys p e c i f i c a t i o n ，简称o p e n g i s 规范) 是o g c 协会为分御式环境下访问地理数据和地理信息资源而制订的一套全面的规范。 o p e n g i s 规范的提出为不同，商的g i s 软件实现协同工作提供了统一标准，使得 g i s 开发人员编写的符合o p e n g i s 接口标准的软件之问能够实现互操作。 o p e n g i s 规范包括一个抽象规范( a b s t r a c ts p e c i f i c a t i o n ) 及一组用于在 当前主要分布式计算平台一卜实现的实现规范( i m p l e m e n t a t i o ns p e c i f i c a t i o n ) 。 利用0 p e n g i s 规范为软件开发人员提供的框架，开发人员可以为用户创建能够访 问和处理来自开放式信息技术基础内、跨越一般计算接口的各种数据源的地理数 据的软件。 o p e n g i s 的框架是一种面向服务的架构，它将应用程序的不同功能单元 服务( s e r v jc e ) ，通过服务问定义良好的接口联系起来。接口采用中立的方式定 义，独立于具体实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言，使得构建在这样的 系统中的服务可以使用统和标准的方式进行通信。o p e n g i s 框架结构具有以下 i t 京t 一他人学【学硕卜学位论文 的特点： 1 在o p e n g i s 框架中，用户和开发者能进行跨平台的互操作，另外，丌发 者可以同时是服务的提供者和服务的调用者。 2 o p e n g i s 规范克服了烦琐的数据转换及批处理、导入导出障碍，在分布式 操作系统的异构数据库环境下实现了数据共享和功能共享； 3 各个服务独立于具体的平台，是抽象层的概念描述，服务的提供者只需 要专著于服务的开发。 服务( s e r v i c e ) 是整个o p e n g i s 的框架的核心，同时，服务也是0 p e n g i s 的 框架的基本元素，这些服务是可互操作的、独立的、模块化的、位置明确的、松 耦合的并且可以通过网络查找其地址。o p e n g i s 的框架可以分为五个服务体系， 其结构图如下图2 1 所示： 幽2 1o p e n g i s 体系结构 f i g u r e2 一lt h ea r c h i t e c t u r eo fo p e n g i s 根据0 p e n g i s 规范，整个体系结构可以分为五部分，如图2 一l 所示： ( 1 ) 数据服务体系：实现数据互操作，多种数据源的融合。 ( 2 ) 本地数据服务体系：实现数据的表达，以及实现本地数据与数据的叠 加和融合w e b ，根据用户的需求参与数据的分析过程。 ( 3 ) 功能服务体系：实现的空间分析功能，辅助用户完成管理、分析、g i s 决策任务，通过实时服务系统完成实时检测、监控等。 ( 4 ) 事务服务：负责将客户端的请求以事务的形式提交其他服务，监控事 务的处理和客户端的运行状况，并将处理结果和消息传回客户端。 第2 章w e b g j s 与o p e n g i s f i ；架 ( 5 ) 元数据服务体系：实现对数据、功能的元数据管理，提供目录服务， 通过支持模型库、知识库和智能代理，可以根据用户请求提供智能解决方案【划。 2 4w m s 框架模型 基于w e b 服务的w m s 框架模型主要建立在三个角色的交互上，它们是：服务 的提供者、服务的注册处和服务的请求者，而交互的内容包括发布、查找和绑定 三个操作。这些角色和操作都围绕w e b 服务的两个规范展开，它们是：服务本身 和服务说明。其模型如下图2 2 所示： 图2 2 基于w e b 服务的w e b g j s 系统实现模型 f i g u r e2 2t h em o d e lo fw e b g i sb a s e do nw e bs e r v i c e s ( 1 ) 地图服务器：地图服务器是服务的提供者，它对外提供七个地图相关 服务： g e t c a p a b i li t i e s ：获得关于地图服务的相关信息，这些信息包括地图 服务器提供商的信息，服务功能说明信息以及可请求的图层的信息； g e t m a p ：获得一幅地图图像。此功能是系统的核心服务； g e t f e a t u r e i n f o ：获取地图图层上某个要素的信息； d e s c r i b e l a y e r ：获取图层信息； g e t l e g e n d g r a p h i c ：获取地图图例图像； g e t s t y l e s ：获取风格说明信息； p u t s t y l e s ：存储风格说明信息。 ( 2 ) 注册服务器：注册服务器相当于u d d i 的功能，用于发现服务并提供服 务查询接口，使地图浏览器能够查询到w m s 、w f s 服务，并进行绑定、调用服务。 ( 3 ) 地图浏览器：地图浏览器是服务的请求者，它主要是调用_ l v m s 、w f s 提 供的服务，组合各个服务以满足不同用户的需求。 地图服务提供者、服务代理者以及地图浏览器通过3 个基本操作：发布 ( p u b l is h ) 、查找( r in d ) 、绑定( h n d ) 相互作用。服务提供者向服务代理者发布 服务。服务请求者通过服务代理者奋找所需的服务，并绑定到这些服务 ：。服务 北京t 业人学 _ 学坝l 。学位论文 提供者和服务请求者之问可以交互。其过程是： ( 1 ) 地图服务提供者为研e b 服务定义服务说明，并把服务说明发柿给地图 浏览器或服务的注册处。 ( 2 ) 地图浏览器向提供u d d i 服务的服务中心请求查找服务，得到w s d l 文档 的u r l 地址。地图浏览器如果知道w s d l 文件的u r l 地址，可以跳过这一步。 ( 3 ) 地图浏览器根据u r i 朐地图服务提供者请求服务说明文件w s d l 。 ( 4 ) 地图浏览器根据服务说明，向地图服务提供者请求这个服务，并得到 服务的结果。通过这一系列的交互，地图浏览器完成了对服务的使用。 目前已有一些机构完成了w s 地图服务系统： h a r v a r du n j v e r s i t vw m sf d i s t r i b u t e d ) s e r v e r s 【1 4 】：哈佛大学的g i s 课题组根据 o g cw m s1 1 1 规范实现了w m s 系统，这个系统作为测试目的建立在f r e e b s d 操作 系统上的。系统连接后台数据库的引擎是a r c i m s3 1s p a t i a le n g i n e 。系统主 要是完成了g e t m a p 和g e t c a p a b i l i t i e s 操作，其中g e t m a p 不支持用户定义的风格。 支持各种位图格式的地图图像输出。 i n t e r 舯p hg e o m e d i aw e b m a pw m sa d a p t e rl ( i t 吲：g e o m e d i aw m sa d a p t e r k i t 使用g e o m e d i aw e b m a p 开发出了符合w m s l 1 0 规范的地图服务器。它支持的 g e t c a p a b i l i t i e s ，g e t m a p 和g e t f e a t u r e i n f o 三个接口。它可以根据客户自己定义 的规则显示图像。g e t m a p 操作返回的结果可以是j p g 或者是p n g 格式的图像。 还有一些科研单位以w e b 服务的方式提供了一些g i s 功能，但它们并不是按照 o p e n g l s 规范实现的。许多商用g i s 软件公司都提供了类似的g i s 功能，它们提供 的功能比较强大，但不是以w e b 服务的方式提供的，他们几乎都是用组件提供的， 以供g i s 应用企业二次开发。 2 5 本章小结 本章首先对w e b g i s 作了介绍，分析了w e b g i s 的特点，之后介绍了w e b g i s 的实现技术，并着重对这些实现技术的缺点进行了分析，并与w e b 服务技术进行 了对比，分析了w e b 服务用于w e b g i s 的优势。o p e n g i s 框架就是基于w e b 服务 的，它使用w e b 服务将应用程序的不同功能单元通过服务间定义良好的接口和契 约联系起来，使构建在这样的系统中的服务可以使用统一的、标准的方式进行通 信，从而达到了g i s 软件互操作的目的。_ l v m s 就是o p e n g i s 框架的一部分，我们 对w m s 框架模型进行了分析和对比，并对国内外与此相关的研究进行了概括。 下一章重点研究s l d w m s 系统的关键技术：s l d 、s v g 以及负载均衡。 第3 翌s l d w m s 最统关键技求的研究 第3 章s l d w m s 系统关键技术的研究 w m s 和s l d 规范是o p e n g i s 实现规范之一，它定义了一个框架，即所有的硎s 系统的输入和输出格式都是相同的。使用者只需要遵循输入输出格式，而各种 w m s 系统的内部实现可以不同。根据o p e n g i s 规范地图服务是专门提供共享地 图数据的服务，负责根据客户程序的请求提供地图服务的功能说明信息、提供 地图图像、提供指定坐标点的要素信息、提供图层信息、提供地图图例图像、提 供风格信息以及存储风格信息。然而，目前国内外实现的w m s 系统一般都只支 持前面三个服务，不支持后面四个服务。另外，其图像输出格式一般只是p n g 、 g i f 格式等，不支持s v g 这样的矢量图像格式。 为了实现0 p e n g i s 框架中完备的地图服务系统，我们必须考虑以下问题： ( 1 ) 功能方面 ( a ) 需要支持s l d ：s l d 告诉服务器用什么样的风格去绘制什么样的图层， 它即支持用户自定义的图层，也支持用户自定义的风格，从而使地图服务更加灵 活。支持s l d 的地图服务系统增加了另外四个地图相关服务，其服务流程也因此 发生了变化，功能也更加强大，同时对系统的处理能力也更加严格。 ( b ) 需要支持s v g ；s v g 是出w 3 c 制订的使用x m l 来描述二维矢量图形的语 言，是完全用纯文本来描述的为网络而设计的图像格式。其矢量图像格式以及支 持脚本等功能使服务器端负载减少，并且提高了地图图像的显示质量。为了保证 绘图效率，我们建立了一个s v ( ；数据模型，此模型与地理要素类型相对应，从而 很方便地实现了从地理要素类型到s v g 格式的地图图形的转换。 ( 2 ) 性能方面 绘制地图图像需要把后台海量数据绘制成地图图像，这是一个很耗时的过 程，如果加上解析s l d 文档，根据s l d 文档的风格信息对每个地理要素进行处理， 这样就更耗日j 了。所以，我们必须考虑系统的响应速度，为此，我们提出了一个 负载均衡的解决方案。 3 1 支持s l d 的w 曲g i s 3 1 1s l d 简介 s l d 是图层风格揣述( sl y le dl a y e rd e s c r i p t o r ) 的英文缩写，是由( 】p e n ( ；t s 制定的一个规范。s l d 是一利r 用x m l 定义风格的语言，它告诉服务器用什么样的 风格去绘制图层，它能被用户和服务器理解。 风格去绘制图层，它能被用户和服务器理解。 北泉l 业人学 学坝 学位论义 s l d 主要功能包括两部分： ( 1 ) 自定义的图层：图层包括已指定的图层和用户定义的图层两种，即： n a m e d l a v e r 和u s e r h y e r 。n a m e d k v e r 是指服务器已经确定了的图层，即服务 器默认存在的图层，用户可以根据图层名字使用这些图层，但是不能更改这些图 层。u s e r l a v e r 让用户根据自己的定义确定图层，而且图层之间是可以嵌套的， 即每个图层都可以包含其他的图层，直到包含空间数据库中具体的某个表。比如 说一个l a k e 图层可以包括面积大于某个值的湖泊和小于某个值的湖泊。这样就 可以使用不同的风格来描述这两种湖泊，从而达到很好的地图显示效果。 ( 2 ) 自定义的风格：s l d 风格信息定义了组成图层的各个地理要素的表示 方法，风格包括已指定的风格和用户定