（计算机应用技术专业论文）webgis网格化的技术研究.pdf

华北电力大学硕+ 学位论文 摘要 本文的研究内容是国家8 6 3 项目“空间信息网格示范应用”一个子课题。 重点是将目前的网格与w e b 服务技术应用于空间信息领域。通过对目前网格与 w e b 服务的技术以及o p e ng e o s p a t i a lc o n s o t i u m ( o g c ) 相关概念规范与实现规 范的深入研究，提出w e b g i s 网格化的概念与体系框架，并基于此框架建立了 相关试验平台进行原型系统的试验。w e b g i s 网格化体系继承了w e b 服务体系 的一些局限性，为此本文又根据面向服务的体系结构，对w e b g i s 网格化的技 术进一步扩展，提出面向服务的g i s 的概念与技术模型，并对其中的关键性技 术如服务描述与服务流程进行了实验。 关键词：w e b g i s ，网格，w e b 服务，面向服务的架构 a b s t r a c t t h i st h e s i s ，w h i c hi so n eo fs u b t a s ko ft h en a t i o n a l8 6 3p r o i e c t ，“t h e d e m o n s t r a t i o na p p l i c a t i o no fs p a t i a li n f o r m a t i o ng r i d ”f o c u s e so nh o wt ot a k e a d v a n t a g eo fg r i dc o m p u t i n ga n d 、e bs e r v i c e st oo v e r c o m et h ef l a w so fc u r r e n t g e o g r a p h i ci n f o m a t i o ns y s t e m ( g t s ) i nt h ed i s t r i b u t e de n v i r o n m e n t t h r o u g ht h e i n t e n s i v er e s e a r c ho i lt h et e c h n i q u eo fg r i dc o m p u t i n ga n dw e bs e r v i c e s a sw e l la s t h ea b s t r a c ts p e c i f i c a t i o na n di m p l e m e n t a t i o ns p e c i f c i a t i o no fo p e ng e o s p a t i a l c o n s o t i u m ( 0 6 c ) t h ec o n c e p ta n dm o d e lo ft h eg r i d - b a s e dw e b g i si sp r e s e n t e d a n dt h er e l a t e dt e s t b e dh a sb e e nd e v e l o p e dt op r o v ei tc o r r e c ta n df e a s i b l e b e c a u s e t h i sf r a m e w o r ki n h e r i t sf r o mg r i dc o m p u t i n ga n dw e bs e r v i c e s 。t h el i m i t a t i o no f t h et w ot e c h n i q u e sh a sa l s ob e e ne x t e n d e d t oa v o i dt h a l ，b a s e do nt h es e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e ( s o a ) ，t h ej d e ao fs e r v i c eo r i e n t e dg i sh a sb e e np r e s e n t e d a n ds o m ee x p e r i m e n t so fk e yt e c h n i q u e ss u c ha ss e r v i c ed e s c r i p t i o na n ds e r v i c e c h o r e o g r a p h yh a v eb e e np e r f o r m e d s h im i n ( c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f w a n gy i n g k e yw o r d s ：w e b g i s ，g r i d ，w e bs e r v i c e s ，s o a 华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文的研究内容是国家8 6 3 项目“空间信息网格示范应用”一个子课题。 重点是将目前的网格与w e b 服务技术应用于空间信息领域。通过对目前网格与 w e b 服务的技术以及o p e ng e o s p a t i a lc o n s o t i u m ( o g c ) 相关概念规范与实现规 范的深入研究，提出w e b l 3 1 s 网格化的概念与体系框架，并基于此框架建立了 相关试验平台进行原型系统的试验。w e b g i s 网格化体系继承了w e b 服务体系 的一些局限性，为此本文又根据面向服务的体系结构，对w e b g i s 网格化的技 术进一步扩展，提出面向服务的g i s 的概念与技术模型，并对其中的关键性技 术如服务描述与服务流程进行了实验。 关键词：w e b g i s ，喇格，w e b 服务，面向服务的架构 a b s t r a c t t h i st h e s i s ，w h i c hi so n eo fs u b t a s ko ft h en a t i o n a l8 6 3p r o i e c t ，“t h e d e m o n s t r a t i o na p p l i c a t i o no fs p a t i a li n f o r m a t i o ng r i d ”，f o c u s e so nh o wt ot a k e a d v a n t a g eo fg r i dc o m p u t i n ga n dw e bs e r v i c e st oo v e r c o m et h ef l a w so fc u r r e n t g e o g r a p h i ci n f o m a t i o ns y s t e m ( g i s ) i nt h ed i s t r i b u t e de n v i r o n m e n t t h r o u g ht h e i n t e n s i v er e s e a r c ho nt h et e c h n i q u eo fg r i dc o m p u t i n ga n dw e bs e r v i c e s ，a sw e l la s t h ea b s t r a c ts p e c i f i c a t i o na n di m p l e m e n t a t i o ns p e c i f c i a t i o no fo p e ng e o s p a t i a l c o n s o t i u m ( o g c ) ，t h ec o n c e p ta n dm o d e lo ft h eg r i d - b a s e dw e b g i si sp r e s e n t e d a n dt h er e l a t e dt e s t b e dh a sb e e nd e v e l o p e dt op r o v ei tc o r r e c ta n df e a s i b l e b e e a u s e t h i sf r a m e w o r ki n h e r i t sf r o mg r i dc o m p u t i n ga n dw e bs e r v i c e s t h el i m i t a t i o no f t h et w ot e c h n i q u e sh a sa l s ob e e ne x t e n d e d t oa v o i dt h a l ，b a s e do nt h es e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e ( s o a ) ，t h ei d e ao fs e r v i c eo r i e n t e dg i sh a sb e e np r e s e n t e d a n ds o m ee x p e r i m e n t so fk e yt e c h n i q u e ss u c ha ss e r v i c ed e s c r i p t i o na n ds e r v i c e c h o r e o g r a p h yh a v eb e e np e r f o r m e d s h im i n ( c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f w a n gy i n g k e yw o r d s ：w e b g i s ，g r i d ，w e bs e r v i c e s ，s o a 华北电力人学硕士学位论文 图1 1e c h o 的架构 剧1 - 2s i g 的框架 图2 1 图2 2 图2 3 圉2 4 图2 5 图2 - 6 图2 7 图2 - 8 图2 9 图2 1 0 图2 一1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 幽2 1 6 图2 一1 7 图2 - 1 8 图2 1 9 幽2 2 0 图2 2 l 图2 ，2 2 图2 2 3 图2 2 4 图2 2 5 图2 2 6 矢量表示法 栅格表示法 单机的桌面g i s 基于局域网的桌面g i s c s 结构的w e b g i s b s 结构的w e b g i s 分布式的w e b g i s 图表目录 五层沙漏结构分层图 五层沙漏结构功能映射示意图 o g s a 的框架一 o g s a 的模型一 o g s i 的接口 w e b 服务j 网格的融合一 w e b 服务的体系结构 w e b 服务架构的元模型 w e b 服务技术栈 s o a p 的结构 使用了w s a d d r e s s i n g 的s o a p 消息示例 w e b 服务的概念模型 w s d l 的x m l 模式 u d d i 数据模型一 从w s d l 到u d d i 的映射灭系 b p e l 的逻辑视图1 o p e n g i sw e b 服务的框架一 w m s 的操作流程 w m s ，w f s ，w c s 相互问的关系 图3 1基于c o r b a 的g i s 技术模型 图3 - 2c o r b ag i s 的应用模型 图3 3分布式系统问的不可互操作性， 幽3 - 4 基_ 卜s o a p 的分卸式系统涮的互操作性 图3 - 5 基于o g c 的w e b g i s 刚格化模型 图3 - 6 使用s o a p 调用o w s 服务的流程 图3 7 使用w s d i 。描述o w s 服务的流程 倒3 - 8 基十标准w c b 服务重构o w s 服务的完整流程 例4 1而向服务g i s 的。个示例 图4 2个面向服务的g i s 结构的使用案仞j v 4 o 6 8 8 。8 9 9 1 0 1 l 1 2 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 6 1 7 1 8 一1 9 2 0 2 1 2 1 2 2 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1 3 3 一3 3 3 4 3 8 3 9 华北电力大学硕f ：学位论文 图5 - 1 试验环境及拓扑结构一4 0 图5 - 2 a r c l m s 咀发布的地图一4 2 图5 3 m a p v i e w e r 发布的地图4 2 图5 4 m a p s e r v e r 发布的地图一4 2 斟5 5 i n t e r n e t 上w m s 发布的地图4 2 图5 - 6 集成后的地图4 2 图5 - 7 转换g e t c a p a b i l i t i e s 请求的关键代码一4 3 幽5 - 8 转换g e t c a p a b i l i t i e s 响应的关键代码一4 4 图5 9 转化为w e b 服务后w s d l 的数据类型片断一4 4 图5 - 1 0 w s i f 试验结果返回u r l 4 5 图5 1 1 通过u r l 所得的地图一4 5 图5 1 2 g e t m a p 流程结构4 6 表2 一l w s r f 的舰范体系 表2 - 2 从o g s i 到w s r f 的转变 表5 - 1 各系统使用的数据格式及发布的内容 v 1 4 1 4 4 1 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( w e b g i s 网格化的技术研究，是 本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他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。 学位论文作者签名：丕煎 日期：型垒! 丑! 塑 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：丕麴 日 期：趔壅；日佃 导师签名： 日期：旦，! 。! ! 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景与意义 第一章引言 传统的基于i n t e 而e t 的应用大都是使用客户机服务器( c s ) 或浏览器朋r 务器 ( b s ) 这样的两层结构进行开发和使用，由于两层结构对w 曲服务器的依赖性都 很强，这样就给w c b 服务器带来了沉重的负荷，使得服务质量随着客户请求的增多 而显著下降，客户数量被限制在一个较小的范围内。对这个问题的解决方案是采取 多层体系，将单一的w e b 服务器端分拆成多种功能单元的中间件层，使得客户请求 可以被分散到各个中间层上去完成，这样就大大的改善了较多客户下的服务质量。 另外，使用中间件可以集成多种不同的数据来源，屏蔽了数据来源的异构性。 基于中间件的分布式系统在目前有着相当广泛的应用，从早期的c o r b a 和 d c o m 到当前非常流行的s u n 的j 2 e e 架构和微软的n e t 架构，都证实了中间件体 系的成功。但就目前的分布式应用来说，整个服务端的分布式特性还只停留在局域 网这样的一个自治系统的层次上，而且各种分布式体系所用的技术基本上是互不兼 容的，比如c o r b a 的客户端就无法直接去享受用d c o m 技术实现的服务。 针对传统分布式计算体系的局限性与互操作性问题，目前已经出现了一些解决 方案。主要分为两种，一种是基于x m l 的w e b 服务( w e bs e r v i c e s ) ，另一种是基 于虚拟组织( v i r t u a lo r g a n i z a t i o n ，v o ) 概念的网格计算( g r i dc o m p u t i n g ) 。 网格技术起源于复杂的科学计算以及海量的数据处理，它的产生是借鉴了电力网 ( e l e c t r i cp 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。而对网 格来说，则要求实现i n t e r n 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，共享的时问、共享的权限、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【2j 。 w e b 服务技术的出现则是为了消除传统分布式计算体系在技术层面的孤立状态， 不同组件模型通过标准的服务描述，使用基于x m l 的s o a p 进行直接沟通和交换数据， 因而提高了应用系统的效率并降低了其复杂性与耦合度i3 1 。 网格计算与w e b 服务起源于不同的技术需求，但两者之问的界限已逐渐模糊【4 】a 而 与w e b 服务技术相融合则是网格计算的未来发展趋势。 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 ) 是用于回答地理学问题的 艺术、科学、工程和技术的统称，是一种用计算机创建和描述地表的数字表达方法 华北电力大学硕士学位论文 【5 1 。w e b g i s 则是基于i n t e r n e t 平台的g i s 应用，用户可直接通过i n t e r n e t 就可以获耿 空间数据并使用空间分析功能，从而能够满足不同层次的用户对空间数据的需求。 w e b g i s 在本质上是一种基于i n t e m e t 的应用，因此其体系结构的发展过程也与普通的分 布式应用类似，经历了从最初的基于c s 和b s 结构的两层w e b g i s 到基于 d c o m c o r b a 的n 层w e b g i s ，。到基于j 2 e e 和n e t 的分布式w e b g i s ，再到目前的基 于网格计算和w e b 服务的w e b g i s ，这一过程体现了w e b g i s 作为基于i n t e r n e t 应用的 本质。 w e b g i s 是针对空间信息的应用，其最重要的特点就是它对空间数据的依赖性非常 强，而各g i s 软件开发商所制定的数据标准之间并不互相兼容。将网格计算和w e b 服 务技术引入w e b g i s 中，一方面解决了分布式应用在技术上的孤立，另一方面将空间信 息处理资源和空问数据都作为一种服务，从而能够解决不同数据格式间、不同服务实现 间的互操作和集成问题，整合各种g i s w e b g l s 和其他的空间信息资源。 本论文作为8 6 3 课题“空间信息网格应用示范”( 编号：2 0 0 3 a a l 3 5 1 1 3 ) 的一个子 课题，研究重点是对将网格计算与w e b 服务技术应用于空间信息领域，使w e b g i s 由应 用转化为服务，从而能与其他应用进行无缝的结合，从而获得最大的限度的互操作性。 1 2 国内外研究的发展状况 1 2 1 国外的研究状况 在国外，将网格技术引入g i s 领域的理论研究与技术实现己全面展开。g i s 网 格化的主要目的是实现地理空间信息资源的互操作与全面集成，而有关g i s 互操作 性的国际标准目前由开放地理信息联盟( t h eo p e ng e o s p a t i a lc o n s o r t i u m i n c ， o g c ) 【6 j 来负责制定。o g c 在国际上比较早且系统地对地理信息服务( g e o s p a t i a l i n f o r m a t i o ns e r v i c e ，g i s e r v i c e ) 的理论和技术实现进行了研究，并制定了大量的行 业标准。 除了o g c 在标准上作出的贡献之外，另外还有大量的有关网格技术在g i s 上 应用的研究成果与实践。各大g i s 软件商以及相关政府部门纷纷推出自己的基于网 格或架构类似于网格的g i s 应用。 e s r i 公司在其最新的a r c g i s9 0 服务器端产品( a r c l m s ，a r c s d e ，a r c g i s s e r v e r ) 中加强了对w e bs e r v i c e s 的支持。a r c l m s 是一个可伸缩的，通过开放的 i n t e r n e t 协议进行g i s 地图，数据和元数据发布的地图服务器，主要是为w e b 上的 用户提供数据分发服务和地图服务【7 】。a r c l m s 通过插件方式可以支持o g c 的w m s 和w f s 标准。a r c s d e 是一个在多种关系型数据库管理系统中管理地理信息的高级 空间数据服务器，它使得在跨任何网络的多个用户群体中共享空涮数据库以及在任 意大小的数据级别中伸缩成为可能川。a r c g i ss e r v e r 则是一个在9 0 中出现的新产 2 华北电力大学硕士学位论文 品，它是一个应用服务器，包含了一套在企业和w e b 框架上建设服务器g i s 应用的 共享g i s 软件对象库。主要用于构建集中式的企业g i s 应用，基于s o a p 的w e b s e r v i c e s 和w e b 应用。 m a p i n f o 则推出了完全基于w e bs e r v i c e s 的产品e n v i n s a ，它是一个部署了基于 位置( 1 0 c a t i o n b a s e d ) w e b 服务的j a v a 平台，它还提供了使用s o a p ，w s d l 和 u d d i 的a p i 以供用户开发。实际上，m a p i n f o 的客户端及服务器产品均提供了对 o g c 主要标准的支持【8 】。 美国国家航空航天局( n a s a ) 根据自身的数据资源的优势，结合网格技术和 g i s ，开发了对地观测系统交换中心( e a r t h o b s e r v i n g s y s t e m c l e a r i n g h o u s e ，e c h o ) 的项目1 9 j 。e c h o 是一个为科学社区交换空间和时间元数据的代理，它实际上起到 了中间件的作用。e c h o 规定了客户端，数据提供者和服务端的a p i ，任何需要使 用服务的客户端都需要通过客户端a p i 来访问已有的服务，任何服务提供者也必须 通过服务端a p i 来注册服务。其架构可参见图1 1 【9 1 。 “ e c h o 一“ 精e t a d a t a c a t a l o g 氇 i c t i e n t b r o w s 尊 d a t a ；p a r t h e rp a r t n e r a p i sa p l s 0 r d e r b r o k e r 图1 - 1e c h o 的架构 另外，针对o g c 的几个重要标准，在互联网上已经出现了很多实现，其中有 一些还是开源的。如m a p s e r v e r 1 0 l ，d e e g r e e i n l ，i o n i c 1 2 】等已经得到了比较广泛的 应用。 1 2 2 国内的研究状况 在国内，关于将网格和w e bs e r v i c e s 技术与g i s 相结合的相关研究也正蓬勃的 兴起，但目前多数还处于试验状态，真正成熟的应用还不多。 从2 0 0 2 年起，国家8 6 3 计划信息技术领域的信息获取与处理技术主题开始了 空间信息栅格( s p a t i a li n f o r m a t i o ng r i d ) 的研究| 1 3 l 。空间信息栅格也可称为空间信 息网格，这是一种汇集和共享空间信息资源，进行一体化组织与处理，具有按需服 务能力的空间信息基础设施【1 4 】。图1 - 2 是该主题专家组提出的s i g 的框架。 华电力大学硕士学位论文 空问信息技来下曲应用系统 i 裟佰血用li 住皇衄用ll 聃韵廊备i 一 、1 、，、，、o | r l | 11r | | 叫喊应舟键域的空n 】倍，基 戚应用虾埴l ( 教蘸、舟议、应用工具) 1r 空i 1 1 敏格 标准与协议 空间信息体化管理与处理平台 无墼廿 麓 篙 苫哩 售 塞 窀 谴 婺 台菱 囊 仁【摊据存件l 熙 型 息墼 薹 量 l 羹 妊 强 椹 较 悼 i 拙嚣访目f 1r 窜l 可信息_ i 濠；f 集 f 数据舟拦i 葺蔓嫩嘲 替萎空葡强昂a 漕 - - 波诺库 妓掂牟证葺 1r1 r 空问信息 空间信息糖格变撵环境 获圾系统 计算雕舟1i 寰_ 啪辅j l 授攫安生_ s 务l 圈1 - 2s i g 的框架 空间信息网格是一个分布的网络化环境，连接空间数据资源、计算资源、存储 资源、处理工具和软件、以及用户，能够协同组合各种空间信息资源，完成空间信 息的应用与服务。在这个环境中，用户可以提出多种数据和处理的请求，系统能够 联合地理上分布的数据、计算、网络和处理软件等各种资源，协同完成多个用户的 请求，确保来自任何空间信息源的空间信息( a n y r e s o u r c e ) 经过处理能在任何时候 ( a n y t i m e ) 发送并服务于在任何地点( a n y w h e r e ) 任何有需求而且有相应权限的最 终用户( a n y o n e ) 【1 5 j 。 目前第一阶段的对s i g 的基础理论研究已结束，取得了多方面的研究成果，这 一阶段的应用主要集中在对g l o b u s t o o l k i t ( g t ) 的研究以及如何将g t 应用到实际 的工作中，处于对网格这个概念的初步认知和实践阶段。目前，第二阶段的研究已 全面展开，将网格的内涵从纯粹的依赖于g t 上升到抛开实现工具的限制。本论文 的研究正是基于第二阶段的项目“空问信息网格应用示范”。 在8 6 3 的s i g 课题研究领域，已经开发了一些面向于具体工作的应用。比如中 国林业科学院所做的“森林资源与林业生态工程信息应用网格”，又称为“数字林 业应用网格”( d f g ，d i g i t a lf o r e s t r yg r i d ) 。数字林业应用网格研究目标在于配合 4 华北电力大学硕士学位论文 国家数字林业建设，针对林业与生态环境建设工程应用需求，运用网格技术最新成 果，建立面向森林资源与林业生态工程的行业应用网格，通过森林资源监测与分析、 退耕还林工程管理等应用示范，实现林业信息资源共享、互联互通和协同工作，从 而有效地支持我国森林资源和林业生态工程的管理与决策。数字林业网格是基于 g l o b u st o o l k i t3 的o g s i 架构1 1 6 j 。 北京超图( s u p e r m a p ) 公司推出了s u p e r m a pi s n e t5 ，它引入w e bs e r v i c e s 技术，提供了g i sw e bs e r v i c e s 和w e bc o n t r o l s ，以x m l 作为数据交换协议。它是 国内为数不多的基于w e bs e r v i c e s 的产品。 1 3 研究的主要目标与内容 本文的主要目标是针对传统b s 结构以及基于分布式的w e b g i s 在体系结构上 所存在的一些缺陷，结合当兹的网格技术与w e b 服务技术，提出新的w 曲g i s 网格 化的模型与框架，以及可行的改造方案，并进行相关的试验。 研究的主要内容包括：根据网格和w e b 服务的基本思想以及现有的o g c 标准， 本文对w e b g i s 进行了网格化的改造。由于网格和w e b 服务还存在着一些局限性， 所以此前进行的w e b g i s 网格化的改造实际上只是一种狭义的网格应用，在宏观上 仍然是一个专有的体系结构。为了突破这一限制，本文基于面向服务架构( s e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e ，s o a ) 的思想提出更开放的解决方案一一面向服务的地理信息 系统( s e r v i c eo r i e n t e da r c h i t e c t u r ef o rg i s ，s o a 4 g s 0 g i s ) 。最后针对本文所提出 的架构搭建了试验环境，并进行了相关的试验。 1 4 论文的组织 本文的组织结构如下： 第一章为引言，介绍论文的研究背景，国内外的研究成果，本论文研究的必要 性，研究目标及内容。 第二章分别介绍了w e b g i s 技术、网格、 w e b g i s 网格化所需要用到的这些关键技术。 第三章在分析了传统w e b g i s 的局限性后 案，并对这些方案进行比较。 w e b 服务和o g c 的相关标准这些 提出了将w e b g i s 网格化的几种方 第四章首先介绍了网格和w e b 服务所存在的局限性正是面向服务架构( s o a ) 所兴起的重要原因，然后根据s o a 的思想，结合第三章所做的研究，提出了g i s 新的体系结构并对其进行了初步的研究。 第五章则是对w e b g i s 网格化和服务化所做的相关试验的介绍。 第六章总结了本论文的研究成果，并提出了进一步的研究方向。 华北电力大学硕士学位论文 第二章w e b g i s 网格化的关键技术 2 1w e b g i s 的支撑技术 g 1 s 起源于2 0 世纪6 0 年代，从内涵上看，是对地理空间数据进行采集、存储、 表达、更新、检索、管理、综合分析与输出的计算机应用技术系统1 1 7 1 。w e b g i s 是 g i s 的种具体实现形式，在本质上就是一种动态的w e b 应用，根据用户的需要， 处理空间信息数据。 2 ，1 1 空阊信息的数据表达与存储 g i s 最核心的部分就是描述地理空间特征实体信息的数据，因为它们是g i s 操 作的主要对象。没有空间数据，g i s 系统就变成一个空壳，丧失了其主要的应用价 值。 地理空间特征实体指具有形状、属性和时序特征的空间对象或地理实体，包括 点、线、面、曲面和体，它们是g i s 表示和建库的主要对象。为了使计算机能够处 理并识别它们，必须对这些特征实体进行数据表达【1 引。 点是构成地理空间特征实体的基本元素，如果采用一个没有大小的点( 坐标) 来表达基本点元素时，称为矢量表示法( 如图2 - 1 ) ；如果采用一个有固定大小的点 ( 面元) 来表达基本点元素时。称为栅格表示法( 如图2 2 ) ， 图2 - 1 矢量表示法图2 - 2 栅格表示法 根据数据来源，g i s 中的数据主要有以下几种类型： 1 ) 地图数据。来源于各种类型的普通地图和专题地图 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 影像数据。主要来源于卫星遥感和航空遥感，包括多平台、多层面、多种 传感器、多时相、多光谱、多角度和多种分辨率的遥感影像数据。 3 ) 地形数据。来源于地形等高线的数字化。 4 ) 属性数据。来源于各类调查报告、实测数据、文献资料等 5 ) 元数据。来源于由各类纯数据，通过调查、推理、分析和总结得到的有关。 数据的数据。 由于g i s 发展的历史原因，各个g i s 厂商都针对自己的系统开发了各自的空间 数据存储格式，如a r c g i s 的s h p 格式，m a p i n f o 的t a b 格式等。由于这些数据格式 大部分是专有的并且对外不公丌，因此使得共享这些封闭的空间数据成为一个突出 的问题。针对这个问题，一些厂商还推出了一些开放的交换格式，如a u t o d e s k 的 d x f 、e s r i 的e 0 0 、m a p i n f o 的m i f 等格式。但由于缺乏对空间对象统一的描述方 法，不同格式用以描述空间数据的模型不尽相同，以至于数据格式转换总会导致或 多或少的信息损失。d x f 着重描述空间对象的图形表达( 比如：颜色、线型等) ， 而忽略了属性数据和空间对象之间的拓扑关系；e 0 0 侧重于描述空间对象的关系( 如 拓扑关系) 而忽略了其图形表达能力。因此，c a d 数据输出为e 0 0 格式将丢失颜色、 线型等信息；而a r c g i s 数据输出到d x f 时则会损失拓扑关系和属性数据等有价值 的信息i ”j 。 基于文件系统的空间数据存储管理方式是g i s 最基本的存储管理方式，它直接 采用文件系统来存储和管理空问数据，系统结构简单，便于操作，但提供的功能非 常有限。它适合小型g i s 系统，难以满足当前g i s 对空间数据管理的需求【2 0 】。 基于文件系统与数据库的混合组织管理方式是目前的大多数桌面g i s 系统均采 用的方式。这种方式基于传统的关系数据库系统来存储地理空间对象的属性数据， 而以文件方式来存储空间数据。这种方法对于特定文件格式g i s 数据的处理效率较 高，但它在数据的一致性维护、并发控制以及海量空间数据的存储管理等方面能力 较弱。 基于空间数据库则是另一种空间数据的存储管理方式，这种方式基于空间数据 模型，直接构建用来存储和管理空间数据和属性数据的空间数据库系统来管理数 据。空间数据库直接支持空间对象的存储和管理，为空问数据提供了高效的查询和 检索机制。对象关系型数据库是目前空间数据库的主要技术，它综合了关系数据库 和面向对象数据库的优点，能够直接支持复杂对象的存储和管理。g i s 软件直接在 对象关系数据库中定义空间数据类型、空间操作、空间索引等，可方便地完成空间 数据管理的多用户并发、安全、一致性完整性、事务管理、数据库恢复、空间数据 无缝管理等操作。当前，一些数据库厂商都推出了空间数据管理的专用模块，如 o r a c l e 的o r a c l es p a t i a l 组件1 2 ”，i b md b 2 的s p a t i a le x t e n d e r 2 2 埽hi b mi n f o r m i x 的 s p a t i a ld a t a b l a d em o d u l e 2 3 】等。 7 华北电力大学硕士学位论文 在传统的空间数据管理模式中，由于文件系统管理海量数据的能力较弱，因此 在空间数据的组织上，在水平方向上采用图幅的方式，在垂直方向上采用图层的方 式。这种组织方式主要存在以下不足：需要进行图幅的拼接，效率较低；一个空间 对象可能存储在多个图层上，造成数据的冗余和难于维护数据的一致性。采用空间 数据库的方式可以在数据库中直接存储整个地图，能方便地实现空间对象的查询和 抽取。当前一些g i s 系统中已经开始使用要素类来实现对空间对象的组织，如 a r c g i s 的g e o d a t a b a s e 等，这种方式按照实体类来组织空间对象，符合空间对象管 理的本质，一个空间对象可以被多个图层或视图引用，机制较为灵活，解决了传统 方式中的空间对象的一致性问题。 2 1 2w e b g i s 的常用架构 传统的g i s 主要是桌面g i s ( d e s k t o pg i s ) ，一般是利用单机的文件系统或基 于局域网，利用局域网中某个文件服务器，其基本结构如图2 3 【2 4 】，图2 - 4 1 2 4 所示。 图2 - 3 单j ! l l 的桌面g i s图2 - 4 基于局域网的桌面g i s w e b g i s 是基于i n t e r n e t 的应用，所以它的大体架构与一般的w e b 应用基本相 同，但由于它主要面向空间数据的存储和显示，因而在结构上又有自己的特点。随 着i n t e r n e t 技术的发展，w e b g i s 的架构主要有以下几种。 ( 1 ) 单纯的客户机j 1 日务器( c s ) 结构。这种结构是最基本的w e b g i s 结构， 所有的用户界面和业务逻辑都集中在客户端上，并且这些客户端通常都是独立的工 作站或p c ，服务器端主要是存储和管理空问数据的数据库及d b m s ，通常也是一 台独立的服务器，如图2 5 【2 4 j 所示。 。，。隧li ? 置 o a t a s er v er 6 百滴 女一 图2 - 5c s 结构的w e b g i s ( 2 ) 浏览- i g , i r 务器( b s ) 结构。这种结构是目前最常见的w e b g i s 体系结构，通常 由客户端的浏览器、w e b 服务器和数据库服务器组成。这种结构体系把表示逻辑和应用逻 华北电力大学硕士学位论文 辑分开来，使它们位于不同的平台之上。如图2 - 6 2 4 】所示。 # 4 女 婚 一氟 p c ；，| 麻 ”。t k 懈w n 。；势掌 _ | ； l 。鉴! 。一番潦 。 t 一涮臻 l a n w a n orw e b 图2 6b s 结构的w e b g i s图2 - 7 分布式的w e b g i s ( 3 ) 基于应用服务器的分布式结构。客户端可以是一般的应用程序( t h i c k c l i e n t s ) ，也可以是浏览器，还可以是遵循中闻件通信协议的各种专业设备，应用服 务器负责与数据库进行空间与非空间数据的传输。如图2 71 2 4 j 所求。这种结构的 w e b g i s 也是随着分布式技术发展而发展的，早期是以c o r b a 或d c o m 为架构， 目前多基于j 2 e e j a v a e e 或n e t 技术。 2 1 3w e b g i s 的主要实现技术 w e b g i s 在实现上包括基于服务器端的实现和基于客户端的实现。服务器端的 实现包括从早期的c g l ，s e r v e r a p i ，到目前的基于j 2 e e j s p ，p h p ，n e t 等技术。 而客户端的实现则从较早的基于a c t i v e x ，j a v a a p p l e t 这些基于插件的类t h i c kc l i e n t 的技术，发展到目前比较流行的使用纯粹的浏览器，完全脱离这些插件的依赖而仅 仅依靠标准格式的位图和矢量图。所使用的技术主要是j a v a s c r i p t ，s v g 等等。目 前a j a x ( 2 5 l 和基于m o z i l i a 浏览器的x ul 【2 6 l 技术是客户端发展的方向。 2 2 网格的相关技术 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【l 】0 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 7 1 。 2 2 1 网格的发展 始于1 9 6 5 年的m u l t i c s ”】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 g a sa nu t i l i t y ”的口号1 2 ，这一点可以晚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”m 】，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。代表性的 研究项目有f a f n e r 和i - w a y 。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 q 蔷匆 华北电力大学硕士学位论文 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【3 “。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 ) 。 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