（计算机软件与理论专业论文）基于gml的webgis空间数据互操作研究.pdf

基于g m l 的w e b g i s 空间数据互操作研究 摘要 i n t e r n e t 与g i s 结合成互联网地理信息系统( w e b g i s ) 是g i s 软件发展的必然 趋势。但是，由于地理数据存储格式的不同以及数据模型与数据结构的差异等， 导致多源异构数据的产生，给数据的综合利用带来了困难。怎样对现有的异构地 理信息数据源，其中包括各种格式的g i s 空间数据进行集成和发布，并且在浏览 器端直接提供矢量地图以构建具有高度交互性的地图以及如何实现浏览器与服 务器之间数据的异步传输，空间数据互操作是解决这些问题的关键。空间数据互 操作依赖于新的w e b 标准，x m l 的出现为此提供了有效的途径。本文以g m l 为 核心，同时结合w e bs e r v i c e 、s v g 以及a j a x 对w e b g i s 的空间数据互操作进行了 深入地研究。 本文首先对目前w e b g i s 的主要实现方法和主要构造模型做了较为详细的分 析。 接着阐述了x m l 技术的相关内容，并详细地分析了基于x m l 的几个关键技 术，其中包括g m l 技术、w e bs e r v i c e 技术、s v g 技术以及a j a x 技术，并分析了 它们各自在w e b g i s 中的应用，重点分析了g m l 技术及其在w e b g i s 中的应用。 然后，在介绍上述理论、提出系统设计目标和设计原则的基础上，设计了一 个在n e t 体系结构下建立基于g m l 的w e b g i s 空间数据互操作应用系统的技术 方案，并且利用该技术方案设计了一个系统模型g w s a ( g m l w e b s e r v i c e - s v g a j a x ) 系统模型。最后将该系统划分了几个功能模块，并且设计了 系统的空间数据库。 最终，本文实现了上述系统模型，对系统中的每一层给出了实现方法。在客 户端( 浏览器) 安装了s v gv i e w e r 插件，用来显示矢量地图；在表现层采用了 当今比较流行的m v c 设计模式，将表现形式与业务逻辑进行分离：在w e b 服务 器上利用a j a x 弓i 擎实现空间数据的异步传输，在w e b g i s 应用服务器上产生各种 w e b j 艮务并且利用x s l t 转换引擎将g m l 格式的数据转换为s v g 格式的数据；在 i 数据库层利用数据仓库以及分布式数据库群来存储和管理多源异构空间数据，利 用模型仓库以及分布式模型库群存储模型，并通过g m l 格式的数据进行传输。 在实现过程中，设计了将存储在数据库s q ls e r v e r 中的空间数据转换成g m l 的算 法，并提供了g m l 在数据库s q ls e r v e r 中的存储方式。最后本文通过一个实例说 明了该系统模型在空间数据互操作中的应用。 最后，对本文所作的工作进行了总结，并展望了一下未来，提出了下一步要 做的工作。 关键词：w e b g i s ；空间数据互操作；g m l ；s v g ：w e b 服务：a j a x i i s t u d yo fs p a t i a ld a r ai n t e r o p e r a b i l i t yi n w e b g i sb a s e do ng m l a b s t r a c t w e b g i sc o m b i n e di n t e r n e ta n dg i si san e c e s s a r yt i 。e n do ft h ed e v e l o p m e n to f t h eg i ss o f t w a r e b u tt h ed i f f e r e n c ei ns t o r e df o r m a t ，d a t am o d e la n dd a t as 仃u c t u r e e t c r e s u l t si nt h ep r o d u c t i o no fm u l t i p l es o u r c e sa n dd i f f e r e n ts t r u c t u r ed a t a , i tm a k e s u s eo fd a t ad i f f i c u l t h o wt oi n t e g r a t ea n dp u b l i s ht h ee x i s t i n gh e t e r o g e n e o u sd a t a i n c l u d i n gt h eg i ss p a t i a ld a t ai nv a r i o u sf o r m a t s ，h o wt ou s ed i r e c tv e c t o rm a pi na b r o w s e rt oc r e a t e h i g h l y i n t e r a c t i v em a p sa n dh o wt or e a l i z ea s y n c h r o n o u s t r a n s m i s s i o no fd a t ab e t w e e nb r o w s e ra n ds e r v e r , t h ek e yt ot h e s eq u e s t i o n si ss p a t i a l d a t ai n t e r o p e r a b i l i t y i td e p e n d so nt h en e ww e bs t a n d a r d t h ea d v e n to fx m l g i v e s a ne f f e c t i v ew a y t h ep a p e rd e e p l ys t u d i e ss p a t i a ld a t ai n t e r o p e r a b i l i t yo fw e b g i s u s i n gg m l 、 ，i t l lw e bs e r v i c e ，s v ga n da j a x f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y s e st h ep r i m a r yi m p l e m e n tm e t h o da n df o r m a t i o nm o d e l o fw e b g i si nd e t a i l s e c o n d l y , t h ep a p e re x p o u n d sc o r r e l a t i v ec o n t e n to fx m la n da n a l y s e ss e v e r a l i m p o r t a n tt e c h n i q u e sb a s e do nx m li n c l u d i n gg m l ，w e bs e r v i c e ，s v ga n da j a xi n d e t a i l a n da n a l y s e sa p p l i c a t i o n so ft h e mi n w e b g i s ，e s p e c i a l l yg m la n di t s a p p l i c a t i o no fw e b g i s t h i r d l y , b a s e do nd e s c r i p t i o no ft h e s et h e o r i e s ，s y s t e md e s i g n e dg o a l sa n d p r i n c i p l e s ，at e c h n o l o g i cp r o j e c tf o rg m l - b a s e dw e b g i ss p a t i a ld a t ai n t e r o p e r a b i l i t y a p p l i c a t i o ns y s t e mu n d e r n e ts y s t e m a t i cf r a m e w o r ki sb r o u g h tf o r w a r d a n da s y s t e mm o d e l - g w s a ( g m l w e bs e r v i c e - s v g - a j a x ) i sd e s i g n e du s i n gt h ep r o j e c t a tl a s t , t h es y s t e mi sd i v i d e di n t os e v e r a lf u n c t i o nm o d u l e sa n dag m ld a t a b a s ei s f o u n d e d i i i f i n a l l y , t h ep a p e rr e a l i z e st h es y s t e ma n dp r o p o s e sam e t h o df o re a c ht i e r t h e c l i e n t ( b r o w s e r ) i ss e tu ps v g v i e w e rt od i s p l a yv e c t o rm a p s ；m v cd e s i g np a r e m w h i c hi sv e r yp o p u l a ra tp r e s e n ti su s e di nt h eb e h a v i o rt i e ri no r d e rt os e p a r a t e b e h a v i o rf o r m a t sf r o mo p e r a t i o nl o g i c ；t h ea j a xe n g i n ei s u t i l i z e dt or e a l i z e a s y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o no fs p m i md a t ai nw e bs e r v e r , i nw e b g i sa p p l i c a t i o n s e r v e r , a l lk i n d so fw e bs e r v i c e sa r em a d ea n df o rt h es a k eo fg m l d a t at r a n s f o r m e d s v gd a t a , ax s l tt r a n s f o r me n g i n ei sp r o p o s e d u s i n gd a t aw a r e h o u s ea n d d i s t r i b u t e dd a t a b a s e sa r eu s e dt os t o r ea n dm a n a g eh e t e r o g e n e o u sd a t a , m o d e l w a r e h o u s ea n dd i s t i l b u t e dm o d e ld a t a b a s e sa r eu t i l i z e dt os t o r em o d e l s ，i nd a t a b a s e t i e r , g m ld a t ai st r a n s m i t t e d i nr e a l i z a t i o n ，a r i t h m e t i cf o rt r a n s f e r r i n gs p a t i a ld a t a s t o r e di ns q ls e r v e rd a t a b a s ei n t og m li sd e s i g n e d as t o r a g em e t h o df o rg m l i n s q ls e r v e rd a t a b a s ei sp r o v i d e d a tl a s t ，ac a s ei su s e dt os h o wa p p l i c a t i o n so ft h e s y s t e mm o d e li ns p a t i a ld a t ai n t e r o p e r a b i l i t y a tl a s t ，c o n c l u d e st h ew h o l ep a p e r , e x p e c t st h ef u t u r ea n dp u t sf o r w a r dt h en e x t w o r k k e yw o r d s ：w e b g i s ；s p a t i a ld a t ai n t e r o p e r a b i l i t y ；g m l ；s v g ；w e b s e r v i c e ；a ja x i v 浙江师范大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人 或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做 的贡献均己在论文中作了明确的声明并表示了谢意。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 作者签名：胡磁汊 同期：川年f 月乡日 学位论文使用授权声明 本人完全了解浙江师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关机关或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和 借阅，可以采用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编学位论文。同意浙江师范大 学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播论文的全部或部分内容。 保密的学位论文在解密后遵守此协议。 作者签名：胡瞒炎导师签名： 7 3 毛其r 日 浙江师范大学学位论文诚信承诺书 我承诺自觉遵守浙江师范大学研究生学术道德规范管理条例。我的学位论 文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明并详细 列出有关文献的名称、作者、年份、刊物名称和出版文献的出版机构、出版地和 版次等内容。论文中未注明的内容为本人的研究成果。 如有违反，本人接受处罚并承担一切责任。 承诺人( 研究生) ： 指导教师： 7 4 嵌髯 鹰寝 胡吨 1 1 论文选题背景 l 绪论 自世界上第一个g i s 系统，即1 9 6 3 年建立的加拿大地理信息系统( c g i s ) 诞生以来，经过多年的发展，传统的g i s 技术己经成熟并且g i s 在许多方面有 着广泛的应用【i j 。近年来研究w e b g i s 成为g i s 的热点，利用i n t e m e t 在w 曲上 发布和出版空间数据，为用户提供空间数据浏览、查询、制作专题图和分析的功 能，己经成为g i s 发展的必然趋势【2 1 。 目前w e b g i s 的发展面临着许多问题【3 1 ，一方面，不断开放的网络环境，要 求实现大量数据资源的共享，另一方面，数据处理模型的封闭性也阻碍信息的交 换。实现系统问的互操作是解决这些问题的重要途径。 g i s 的互操作是在异构数据库和分布式计算的情况下出现的，它是继数据转 换方法之后又一种实现信息和资源共享的新途径，网络技术推动了这一技术的发 展，并使g i s 走向开放式g i s t 4 】【6 1 。它主要包括以下几个方面：开放的、分布式 存储的g i s 结构；地理数据语义特性获取方法；数据抽象和处理模型研究；地理 空间数据的粒度【7 1 。空间数据互操作的实现方法有三种：数据格式转换方法；基 于直接访问模式的方法；基于公共接口访问模式的方法【8 j 。 分布式计算、面向对象技术、互联网技术、开放式数据库技术、组件技术、 g m l 技术、g i s 互操作协议和标准的完善和推广为空间数据互操作奠定了基础， 使我们构建空间数据互操作应用系统成为可能。 1 9 9 8 年2 月1 0 日，w 3 c 正式公布了第二代的w e b 语言“可扩展标记语言 ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) x m l t g l 。x m l 并不是一个独立的，预定义的标 记语言，它是一种元语言，是用来描述其他语言的语言。 o g c 基于x m l 所定制的地理标记语言g m l ( g e o g r a p h ym a r k u pl a n g u a g e ) 对w e b g i s 领域产生了深远的影响，目前己经成为事实上的一个表达地理空间数 据的国际规范【1 0 1 。为实现空间信息的共享与对异构空间信息进行集成以及为开放 1 绪论 w e b g i s 的进一步发展奠定了基础。g m l 的出现推动了空间数据的互操作与异 构数据共享，为访问异构分布式数据库提供了一个很好的解决方案。 空间数据互操作一直以来都是g i s 业界和g i s 用户十分关注的问题，比较 理想的互操作模式就是基于w e bs e r v i c e 的互操作模式】。未来的地理空间数据 互操作将以服务的形式通过i n t e m e t 的传播遍布全球，包括制图服务、地理编码 服务、空间数据处理服务等，还可以将这些服务集成到一个新的服务中去【1 2 】- 【15 1 。 g i s 也将借助于w e bs e r v i c e 技术，运用到互联网，最终实现数字地球的战略构 想。 s v g ( s c a l a b l ev e c t o rg r a p h i c s ) 是基于x m l 格式的、开放的、可扩展的矢 量图形格式。其精美的图形效果、可交互图形显示和高效的文件压缩率，特别适 合在i n t e m e t 网络上传输地理图形数据【1 6 】。目前，该技术已经得到了越来越多的 g i s 厂商和学术机构的支持，是未来的网络图形标准。 传统w e b g i s 系统都是采用同步交互，即用户向服务器提交一个地图请求， 服务器响应用户请求，返回数据，然后用户才能进行下一步操作。而w e b g i s 系 统涉及到大量地图数据，因此用户经常需要长时间的等待，可以说传统w e b g i s 的用户体验性是很差的。随着互联网技术的发展，w e b 2 0 潮流的兴起，出现了 一种新的技术组合h j a n ( 异步j a v a s c r i p t 和x m l ，a s y n c h r o n o u sj a v a s c r i p ta n d 煳l ) ，它消除了胖客户( 或桌面) 应用与瘦客户( 或w r e b ) 应用之间的界限， 在很大程度上可以改善w e b g i s 的性能，然而目前a j a x 技术应用在w e b g i s 中 的成果并不多见【1 7 】【1 8 】。 国外的诸如a r c l m s 、m a p x t r e m e 等w 曲g i s 软件均提供了对x m l 的支持， 但真正用g m l 来描述空间数据的w e b g i s 应用还比较少见。 因此，本文就以g m l 技术为核心同时结合w e bs e r v i c e 技术、s v g 技术以 及a i a x 技术来构建一个通用的w e b g i s 空间数据互操作平台，从而实现w e b g i s 空间数据的互操作问题。基于g m l 的w e b g i s 比传统的w e b g i s 具有更强的空 间互操作能力，必将有广泛的应用前景。 1 2 国内外研究现状 2 1 绪论 1 2 1 国外研究现状 g m l 为空间数据的共享与互操作提供了理想的解决方案。国外基于g m l 的w e b g i s 研究比较突出的是o g c ( o p e n g i sc o n s o r t i u m ) 联盟【i 引。 国外最早开始基于g m l 的w 曲g i s 空间数据互操作的研究当属英国的 l e e d s 大学【2 0 1 ，当时正值w e b g i s 产品问世( 1 9 9 6 年) 。该大学同年用j a v a 开发 了一个工具g e o t o o l s ，从第一版本基于a p p l e ta p i 发展到现在比较成熟的开源 中间件，已经有十几年的历史了，它兼容o p e n g i s 规范，提供了地理i a v a 基础 类和源代码。g e o t o o l s 架构非常优秀，容易扩展。基于w e b 对g m l l 0 规范的 空间数据做显示试验，它使用p e r c h e s jp a r s e r 解析g m l 数据和相应的d t d 元 数据，再使用g e o t o o l s 对解析后的数据做处理，实现地图显示。g e o t o o l s 在功 能上支持对地图的浏览和放缩，实体的选取以及点击特定实体之后产生新的链接 网页。虽然当时还没有产生g m l 规范，但它却是基于g m l 对w e b g i s 空间数 据互操作研究的雏形。 另外，荷兰t o p l o v e c t o r 数据格式的供应商( t d n ) 也正在着手将 t o p l o v e c t o r 这种数据格式转换为g m l 2 0 规范所约定的g m l 文档来进行空间 数据的存储【2 1 1 。 这是国际上两个比较典型的也是最早开始的对g m l 的研究，它们为后来的 基于g m l 的w e b g i s 空间数据互操作研究奠定了理论基础。 近几年，国外众多学者对基于g m l 的数据集成进行了大量的研究。1 9 9 9 年 日本地理信息协会成立小组采纳o p e n g i s 的模型研发g x m l 标准来标记地理信 息。2 0 0 1 年t b a d a r d 和d r i c h a r d 2 2 】提出了在g i s 中应用x m l 技术实现信息数 据的实时更新与交换。r a n c o u r t ，e t a l ( 2 0 0 1 ) 将g m l 与先前所定义的空间标准 进行比较，得出g m l 能有效地满足空间数据交换标准的要求的结论，并预测 g m l 将在行业应用中占据主导地位。z h a n g ，e t a l ( 2 0 0 2 ) 提出了一种基于g m l 的开放结构框架，以便在i n t e m e t 上建立地理信息搜索引擎。z h a n g ，e t a l ( 2 0 0 3 ) 在网络环境下以g m l 作为异构空间数据库交换共享空间数据的格式，成功地实 现了数据的互操作。z h a n g ，e t a l ( 2 0 0 4 ) 研究了g m l 、s v g 、w f s 在w e b g i s 中的应用，以g m l 作为数据编码格式来实现数据的互操作1 2 3 1 。 目前，支持o g c 标准和g m l 空间数据格式的w e b g i s 产品已相继问世。 3 l 绪论 例如e s r i 公司的a r c l m s ，它建立了基于x m l 的a r c x m l ，用于地图的配置、 空间数据的表达和系统部件之间的通讯等。i n t e r g r a p h 公司在新近推出的产品中 声称完全支持o g c 的g m l 标准，资料显示该公司的g e o m e d i a 和g e o m e d i a p r o f e s s i o n a l 能够读写g m l 格式的空间数据，而它的新版本的g e o m e d i a w e b m a p 和g e o m e d i aw e b e n t e r p r i s e 则能根据g m l 规范生成符合该规范的空间 数据。 1 2 2 国内研究现状 国内空间互操作的研究起步较晚，其发展主要经历了以下3 个阶段f 2 4 】。 ( 1 ) 标准立法、标准引入和地理空间数据交换标准定制阶段。以何建邦、间 国年、蒋景瞳和杜道生等教授为主的空间信息标准立法、标准引入和地理空间数 据交换标准为第一阶段。 ( 2 ) 互操作框架和基于x m l 的地理空间共享技术研究阶段。以黄裕霞、陈 常松、李琦和易善桢等为代表的互操作框架和基于x m l 的地理空间共享技术研 究为第二阶段。 ( 3 ) 基于x m l 与g m l 的空间互操作研究阶段。第三阶段则是以龚建雅教 授为代表的网络空间信息标准和共享应用服务关键技术的研究。利用g m l 去解 决空间信息系统的互操作问题已成为不争的事实。 在国内，基于g m l 的w e b g i s 研究最早的是武汉大学的龚建雅教授【2 5 1 ，他 在主持的“8 6 3 ”项目中，第一次大规模启用x m l 和g m l 技术去解决空间互操 作的诸多瓶颈。国内对g m l 的研究还主要停留在地理空间数据模型的表达上， 主要是用g m l 语言进行空间数据建模的研究，还没形成系统的构建方案。大家 的研究一般都停留在某个方面，显得有点支离破碎。 近几年，国内基于g m l 的w e b g i s 研究取得了一些成果。例如：北京大学 数字地球工作室的李琦教授、陈爱军博士，基于o p e n g i s 规范和x m l 规范提 出了一种地理空间对象标识语言g e o x m l t m ，并用j a v a 设计实现了符合该标准 规范的原型系统。中科院遥感所的王兴玲博士【2 6 1 、南京大学黄杏元教授等走在了 该研究领域的前列。超图公司的s u p e r m a p l s 也增加了g m l 格式的输出支持。 武汉大学计算机学院对g m l 数据集成，g m l 模式匹配，g m l 数据存储，g m l 4 1 绪论 查询处理等方面有深入的研究并取得了一定的成果【2 7 】。1 2 引，实现了基于s v g 的空 间数据发布平台。崔希民等( 2 0 0 3 ) 提出了g i s 数据集成和互操作的系统架构， 并在该架构中采用g m l 作为多源异构g i s 数据的统一描述格式，在数据层次上 实现g i s 数据的集成和互操作。张霞等( 2 0 0 3 ) 提出一种基于g m l 构造w e b g i s 的框架结构，给出实现框架技术，其中采用g m l 作为空间数据集成格式。朱前 飞等( 2 0 0 4 ) 提出了一种新的基于g m l 的数据共享解决方案，并初步探讨了方 案的实施步骤。中国测绘标准网拟在地理空间数据交换格式后附录 g m l 3 x 【2 9 。，国家8 6 3 “网络空间信息标准与共享应用服务关键技术 子课题 “g m l 实现及国产g i s 软件标准支持测试 ，国家自然科学基金项目：“g m l 空 间数据存储索引机制研究”1 3 0 】等等。 总的说来，对g m l 的研究主要涉及g m l 解析、g m l 空间数据可视化、基 于g m l 的空间数据转换和g m l 空间数据建模等方面。所有这些研究大都处于 试验研究阶段，实际应用方案较少，需要进一步进行深入研究。 从国内外的研究现状，尤其是国内的研究现状来看，基于g m l 的w e b g i s 应用的研究才刚刚起步，因此要实现基于g m l 的w e b g i s 全面应用还需要一个 很长的时间，还有很多的工作要完成。 1 3w 曲g i s 存在的问题 基于g m l 的w e b g i s 技术的研究虽然才刚刚起步，但已经成为g i s 发展的 又一热点。之所以会出现这种情况，是由于目前w e b g i s 技术有许多缺陷，主要 体现在如下几个方面： ( 1 ) 多源异构空间数据难于共享 由于传统的w e b g i s 是各自独立的、相对封闭的、无法互相沟通和协作的系 统，没有统一的标准，所采用的空间数据格式互不兼容，使得不同w e b g i s 系统 之间的数据交换存在困难。并且由于各产业部门应用目的的不同及系统开发商的 背景各异，造成了对地理现象的不同认识和理解，导致了在地理数据模型、数据 操作方式上存在差异。数据格式的不一致使得空间数据支离破碎，大量的空间数 据往往只能被单一的具体项目所应用，虽然网络上的空间信息资源在不断增长， 5 l 绪论 但依然难以满足i n t e m e t 上空间信息相关的综合决策的需要。于是，i n t e m e t 用户 至今还不得不面对这样的尴尬局面：难以在i n t e m e t 上找到需要的地图，即使找 到一个地图，还因为没有安装相应的浏览工具而无法浏览它：程序员也难以在 i n t e r n e t 上构造一个可以使用异构空间信息资源的应用系统。 ( 2 ) 无法实现跨平台 w e b g i s 分布式应用程序需要使用分布式的对象模型，如d c o m 、c o r b a 、 e j b 。但是，使用这些模型的w - e b g i s 系统都无法很好地扩展到i n t e m e t 上，因 为它们要求服务器和客户端与系统提供的服务本身之间必须紧密耦合，即要求一 个同类的基本结构。这样，基于上述技术的w e b g i s 系统无法实现在i n t e m e t 上 真正意义上的开放性。 ( 3 ) 数据传输速率瓶颈 w e b g i s 客户端主要通过图形图像的显示来满足用户的要求，而当前无论是 矢量数据还是栅格数据，主要都采用二进制流的形式进行传输，这些数据的数据 量一般来说都非常庞大。在现有网络带宽的情况下，对于传输大量图形数据来说， 传输速率往往很低。 ( 4 ) 客户端交互性差 在传统的w e b g i s 中，用户向w e b g i s 服务器发出h t t p 请求，服务器接到 请求后执行相应操作，然后把结果返回给客户端。这个过程不断重复直到用户退 出。整个过程是同步的，前一步结束才能进入下一环节，因而导致用户在发出请 求后，得到返回结果前的这段时间里一直处于等待状态。浏览器同样因为等待而 无法响应用户的进一步操作。 正是由于目前的w e b g i s 技术存在这些缺点，使得w e b g i s 在社会化、大众 化的过程中不得不放慢了脚步，人们迫切期待g i s 厂商放弃自成一家的w e b g i s 框架，使w e b g i s 真正成为开放的系统。 1 4 论文研究的目的和意义 6 1 绪论 1 4 1 论文研究的目的 通过对国内外基于g m l 研究现状的分析以及当前w e b g i s 存在问题的分 析，可以看出基于g m l 的w e b g i s 空间数据互操作的研究需要进一步深入。因 此，本文就从实际应用的角度出发，利用g m l 技术构建一个合理的、实用的 w e b g i s 互操作框架，解决目前w e b g i s 面临的难点问题，推进w e b g i s 数据与 o g c 的标准化、规范化接轨，使得w e b g i s 具有更加广泛的应用空间。将多源 异构的空间数据转换为统一的g m l 文档，以此实现空间数据的统一存储和管理， 达到认识统一、操作统一、数据属性和内容统一、服务应用统一，方便用户使用， 提高数据的利用率。最终目标是实现所有空间数据的统一存储和使用，从而较好 地实现数据的互操作。 1 4 2 论文研究的意义 本文是基于g m l 的规范来解决w r e b g i s 中异构与互操作的问题，依据g m l 规范对w e b g i s 进行建模，此数据模型与编码规范是可以满足广大用户、开发商 所支持的公共标准的，从而可以用来解决w e b g i s 空间数据的互操作问题。使用 g m l 作为地理信息的表达、传输、存储的规范，使空间数据编码的统一以及数 据互操作成为可能，从而真正实现开放的空间数据互操作。w e b g i s 与g m l 相 结合优势很大，尤其是当前大力发展我国的数字地球、数字城市之际，就显得更 有意义。这是发展的趋势所在，必将推动我国w e b g i s 产业的发展。因此，研究 面向互操作的w e b g i s 具有重要的理论意义和实际意义。 在实际的系统设计过程中，本文基于g m l 规范并采用了最新的w e b 技术 w e bs e r v i c e 、s v g 技术以及a j a ) ( 技术，从而更好地解决w e b g i s 空问数据的互 操作问题。本文所提出的互操作模型，实现技术合理，所做的基于g m l 的w e b g i s 研究实例性能稳定，为空间数据共享和互操作提供基础，是逐步实现数据共享和 互操作的重要步骤，具有较高的社会应用价值。 7 1 绪论 1 5 论文研究内容及组织结构 1 5 1 研究内容 本文紧紧围绕着基于g m l 的w e b g i s 空间数据互操作这个主题，首先对 w e b g i s 的计算模式及其主要实现技术进行深入研究，接着分析x m l 及其相关 技术在w e b g i s 系统中的应用，然后提出在n e t 平台下基于g m l 技术构建 w e b g i s 空间数据互操作的新思路。最后设计并实现一个基于g m l 的w e b g i s 空间数据互操作原型系统，并通过实例进行说明。 1 5 2 组织结构 本论文共分为六章，其组织结构如图1 1 所示。 l 绪论 l 2w 曲g i s 的计算模式及其主要实现技术 3x m l 及其相关技术 4 空间数据互操作系统的设计 5 空间数据互操作系统的实现 6 总结与展望 图1 1 论天组织结构 第一章首先阐述了本文的选题背景，介绍了当前w e b g i s 空间数据的存储现 状，引出了空间互操作，接着阐述了g i s 互操作的含义以及空间数据互操作的实 现方法；然后简单地介绍了几种实现互操作的关键技术，它们分别是：x m l 、 g m l 、w 曲s e r v i c e 、s v g 以及a j a x 。最后分析了国内外基于g m l 的w e b g i s 研究现状以及目前w e b g i s 存在的问题，提出了本文的研究目的和意义。 第二章首先讲述了构建w e b g i s 的五种计算模式，分析了各种模式的优缺 r l 绪论 点，重点讲解了本文所采用的两种计算模式：基于b s 的多层模式和基于数据仓 库和模型仓库的四层模式。然后介绍了五种实现w e b g i s 的技术，分析了它们的 工作原理以及各自的优缺点，最后对这五种模式进行比较，提出了本文所采用的 模式，并且分析了其优势所在。 第三章介绍了x m l 以及与之有关联的理论知识，目的是为互操作原型系统 的建立提供理论基础。首先讲解了x m l 的有关理论知识，主要包括) ( n i l 的特 点、x m l 的七个关键技术、以及x m l 的标准体系和x m l 在w e b g i s 中的应用。 接着讲述了基于x m l 的g m l 技术，对g m l 进行了总体概括，分析了如何利 用g m l 实现空间数据的互操作以及如何实现g m l 的可视化显示，介绍了g m l 的特点，提出了g m l 的框架结构，分析了g m l 实现数据共享与互操作的原理， 说明了g m l 在w r e b g i s 中的应用。然后介绍了w e bs e r v i c e 的一系列理论知识， 其中包括n e t 技术。最后讲述了实现空间数据可视化的s v g 技术以及实现动态 交互的w e b 新技术a j a x 技术。 第四章是系统的设计，这是本文的核心之一。本章首先在分析系统设计目标 和设计原则的基础上，提出了在n e t 平台下建立空间数据互操作的g w s a 原型 系统，并且对系统中的各层进行了详细的设计，提出了利用m v c 设计模式来设 计系统的表现层( 这是本文的创新点之一) 。接着以w e b g i s 的常用操作查询为 例，设计了系统的数据流程，然后构建了系统的功能结构图。最后对数据库进行 了设计，提出了利用数据仓库和模型仓库来存储和管理多源异构空间数据，利用 本原x m l 数据库的思想来设计g m l 数据库，这是本文的又一个创新点。 第五章是系统的实现一章，这是本文的核心之二。本文首先介绍了a r c i m s 技术，它是目前构建w - e b g i s 的主要技术之一，这也是本文所采用的实现技术， 介绍了a r c i m s 的体系结构。接着搭建了实现g w s a 原型系统所用到的软硬件 环境。然后对该原型系统进行了实现，其中包括客户端的实现，创建和调用w e b 地图服务，设计g m l 转化算法，将g m l 文档存储到数据库中以及将g m l 转 化为s v g 。最后利用设计的g w s a 原型系统实现了金华地区电子地图查询系统， 并对该实例进行了测试，结果表明应用该原型系统能够较好地解决空间数据的互 操作问题。 第六章对本文进行了总结与展望。首先对本文的研究内容进行了总结，指出 9 i 绪论 了本文的主要创新点，最后对进一步研究的内容进行了展望。 l o 2w e b g i s 的计算模式及其主要实现技术 2 1w ，e b g i s 的计算模式 w e b g i s 的计算模式主要有以下几种类型：集中式管理模式、客户端服务器 ( c s ) 模式、浏览器服务器( b s ) 模式【3 l 】、基j ：e e f j 件的b s 多层模式p 2 1 和 基于数据仓库和模型仓库的四层模式【3 3 】。 2 1 1 集中式管理模式 在这种模式下工作站上集中所有计算，终端仅为用户操作计算机的界面工 具，结构如图2 1 所示。这种计算模式的优点是：适于大规模的集中式应用，系 统维护和升级只涉及主机，管理成本低，具有较高的效率和安全性。它的缺点就 是：用户缺乏对空间数据的处理功能。 图2 1 集中式结构体系 2 1 2 客户端服务器( c s ) 模式 组件技术和空间关系数据库技术是利用c s 模式在局域网上开发应用系统 的关键技术，也是目前主要使用的方式，其结构如图2 2 所示。由于客户端实现 与服务器的直接相连，没有中间环节，因此响应速度快；客户操作界面设计个性 化，具有直观、简单、方便的特点，可以满足客户个性化的操作要求。此外，由 于开发是针对性的，因此，操作界面漂亮，形式多样，可以充分满足客户自身的 个性化要求；分布功能弱，不能够实现快速部署安装和配置，兼容性差。客户端 j l t 务器模式被设计为两层模式，所有的表示逻辑和应用逻辑都在客户端实现， 这样就使得客户端非常的臃肿，而服务器只作为数据库、文件服务器，进行业务 数据的处理和维护，功能相对简单。这就造成了w e b g i s 系统的性能、可伸缩性 1 1 2w e b g i s 的计算模式及其主要实现技术 和可扩展性低下。 图2 2c s 结构体系 2 1 3 浏览器n 务器( b s ) 模式 常见的w e b g i s 的结构体系是由数据库、应用服务器和客户端组成的三层结 构体系，如图2 3 所示。客户向w e b 服务器通过h t t p 协议请求数据服务，服务 器返回h t m l 方式书写的服务页面。按照浏览器和服务器功能的分配，可以划 分为胖客户端瘦服务器和瘦客户端胖服务器两种。但随着应用的复杂度增加， 客户对应用服务器的访问频率增加，单- - n 务器和复杂的应用程序无法快速处理 大量的地理信息服务请求。 图2 3 三层b s 结构体系 2 1 4 基于中间件的b s 多层模式 目前中间件技术主要有c o r b a 、d c o m 和e j b 。运行于w e b 上的g i s 应 是一个多客户浏览器多服务器的复杂系统，如图2 4 所示。通过i n t e m e t 将相对 独立的组件用网络连接并实现网络范围内的处理。系统各中间件的组织通过既定 的接1 2 实现，而用户的调用是动态的，即只有当组件接1 2 1 接收到用户请求时才动 态装载并处理地理信息，这样浏览器与服务器之间的负载是动态的，实现动态的 负载平衡。 客户端 ( 浏览器) w b b 服务器 中间件 ( d c o m ) 图2 4 基于中间件的多层b s 结构体系 1 2 数据库 服务器 2w e b g i s 的计算模式及其主要实现技术 2 1 5 基于数据仓库和模型仓库的四层模式 四层分布式网络结构体系包括4 部分：客户机浏览器、w 曲服务器、数据仓 库及模型仓库、分布式数据库群及模型库群，其结构体系如图2 5 所示。数据仓 库和分布式数据库群实现了数据的分布存储和管理；而模型仓库和分布式模型库 群则实现了数据的分布式计算、分析和统计。数据仓库和模型仓库作为一个中间 组织，将分布在不同地点、不同部门的分布式数据库和分布式模型库连接起来， 通过w e b 服务器实现了用户之间、系统之间的互操作和互运算。 图2 5 基于数据仓库和模型仓库的四层分布式结构体系 2 2w e b g i s 的主要实现技术 目前实现w e b g i s 主要有以下几种技术【3 4 】：通用网关接1 2 1 ( c g i ) 技术、服 务器应用程序接口( s e r v e r a p i ) 技术、g i s 插件( p l u g i n ) 技术、g i sj a v a a p p l e t 技术、g i sa c t i v e x 技术。 2 2 1 通用网关接口( c g i ) 技术 c g i 是w r e b 服务器调用外部应用程序的接口，它允许通过网页的命令来启 动一个c g i 程序，并且接收这个程序的输出结果。当用户发送一个请求到w e b 服务器，w 曲服务器通过c g i 把该请求转发给后端运行的g i s 服务程序，由g i s 服务程序生成结果交给w e b 服务器，w e b 服务器再把结果传递到客户端显示。 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，服务器的负担过重。同时由于网络传递的图形为栅 1 3 2w e b g i s 的计算模式及其主要实