（计算机软件与理论专业论文）dm3+webgis的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ l - l - - - _ _ _ _ _ _ _ o ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! _ _ - _ i i _ - - - i _ _ ! ! ! 苎! ! ! ! 苎! ! 摘要 随着网络技术、w e b 技术和空间数据库技术的飞速发展，w e b g i s 被广泛应用于各 个行业。论文在国产数据库管理系统d m 3 的基础上建立一个具有空间信息浏览和查询 功能的w e b g i s 系统，扩展d m 3 在w e b 上的应用，同时探讨w e b g i s 中的远程对象预获 取策略问题。 d m 3 支持空间数据和属性数据的一体化操作，论文针对不同的网络环境和用户需 求分别设计了基于客户端的w e b g i s 解决方案和基于服务器的w e b g i s 解决方案，前者 在浏览器安装插件支持矢量图形，后者在服务器将g i s 计算的结果生成j p g 文件传至 浏览器。两种方案均采用c o m 技术，用v c + + 语言设计d m 3g i sa c t i v e x ，将 i n t e r n e t i n t r a n e t 和一般局域网中的具有g i s 功能的m i s 应用环境所要求的不同功 能组合在一起，并给出了相应的调用接口，同时采用数字证书保证a c t i v e x 的安全性。 d m 3g i sa c t i v e x 实现了地图漫游、特写、图层控制和各种空间查询( 点、线、圆和 矩形查询) 功能。 f 地理信息的数据量非常大，当用户查询时，由于地物对象自身的大小和网络阻塞 会导致传输延迟。d m 3g i sa c t i v e x 采用基于希尔伯特曲线的对象预获取算法来解决 这个问题，该算法将二维空间地图变化为一维数组，地图中的每一个地物对象对应于 数组中的一个元素，地物之间距离与数组中相应元素的下标之差的绝对值成正比，同 时采用动态窗口机制生成预获取对象集，在网络空闲时传至客户端缓冲区。与传统的 简单预获取策略相比，该算法在给定的网络带宽下能显著降低网络流量的不平衡性和 突发性、减少预获取对象集的大小并降低请求响应时间，具有很好的实用性。 关键词：空间数据库；地理信息系统；公钥基础设施：支点；预获取 华中科技大学硕士学位论文 竺! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! i i 1 i r ai 鼍! ! ! ! ! ! ! 詈! 烹! ! 竺! ! ! ! ! 鼍! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! a b s t r a c t d m 3d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e ms u p p o r t sr e l a t i o nd a t a ，s p a t i a ld a t aa n d m u l t i m e d i ad a t aa n di tc a nw o r ka ss p a t i a ld a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m d m 3g i sa c t i v e xi sd e s i g n e dt oe n a b l ew e bb r o w s e rt os u p p o r tv e c t o r g r a p h ， s e r v e r - b a s e da n dc l l e n t b a s e dw e b g i ss o l u t i o n sa r ep r o p o s e d ，t h e yc a nw o r k i nd i f f e r e n tb a n d w i d t ha n du s e rc o n d i t i o n ，b u tt h e yh a v et h es a m ef u n c t i o n s ： r o a m i n g ，z o o m i n gi no ro u t ，c o n t r o l l i n gm a pl a y e r sa n dq u e r y i n gs p a t i a ld a t a d m 3g i sa c t i v e xw o r k si ni n t e r n e t i n t r a n e t a n di tc a nb ei n t e g r a t e di n t oa m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m i ti sd e s i g n e dw i t hc o mt e c h n o l o g ya n dv c + + 6 0 l a n g u a g e p k ii su s e dt oe n h a n c et h es e c u r i t y w h e nu s e rc a l lg e o g r a p b i co b j e c t ，t h et r a n s m i s s i o nc a nb ed e l a y e df o rt w o r e a s o n s ：( 1 ) i tt a k e sal o n gt i m ef o ru s e rt or e q u e s ta n dr e c e i v ee v e no n el a r g e o b j e c td u et oi t si n h e r e n tl a r g es i z e ( 2 ) t h et r a n s m i s s i o nc a nb ei n t e r r u p t e d b yn e t w o r kc o n g e s t i o n ，r e s u l t i n gi nl a r g ed e l a y d m 3g i sa c t i v e x u s e sah i i b e r t s p a c e f i l l i n gc u r v e b a s e dp r e f e t c hp o l i c yt h a th a saf u n c t i o n a l i t y t om a p d - d i m e n s i o n a le u c l i d e a ns p a c ei n t od - 1o rl o w e r d i m e n s i o n a ls p a c et om a p 2 - d i m e n s i o n a lm a pi n t o1 一d i m e n s i o n a la r r a y e a c ho b j e c to nt h em a pm a p st o a ne l e m e n to ft h ea r r a ya n dd y n a m i cw i n d o ws i z ei su s e dt or e n d e rp r e f e t c h c a n d i d a t e s w h e nn e t w o r ki st r a f f i c l e s s ，t h e p r e f e t c h c a n d i d a t e sa r e t r a n s m i t t e df r o mt h es e r v e ra n dt e m p o r a r i l ys t o r e di nt h ec 1 l e n t sc a c h e t h i s p o l i c yc a nr e d u c ef r a c t i o n a li n c r e a s ei nn e t w o r kt r a f f i cu n d e rt h ec o n d i t i o n t h a tt h ea v e r a g er e s p o n s et i m ei sr e d u c e d k e y w o r d s ：s p a t i a ld a t a b a s e ：g i s ：p u b l i ck e yi n f r a s t r u c t u r e ：p i v o t ；p r e f e t c h i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的目的与意义 1 绪论 本课题的目的是要在国产大型分布式多媒体数据库管理系统d m 3 的基础上采用 c o m 技术建立一个具有空间信息浏览、查询及一般分析功能的w e b g i s 系统“。扩展 d m 3 在w e b 上的应用，同时探讨w e b g i s 中的远程对象预获取策略问题。 传统模式的地理信息是以纸张地图形式发布的，成本高、信息量少、查询麻烦； 尤其是随着地理信息资源不断开发和丰富，信息的实时更新显得非常特殊和重要。目 前，g i s 技术的飞速发展虽然为地理信息的电子化、可视化、中央存储管理化带来了 重大革新，但众多的地理信息也只能为局部用户所用( 如一个企业的某些部门) ，很 少发展到一个行业，更谈不上大众化了，利用率非常低。近几年来，i n t e r n e t 已经 进入社会生活的各个领域，也为g i s 行业提供了一种崭新而又非常有效的地理信息载 体。w e b g i s 将地理信息发布于i n t e r n e t 上，不仅可以为传统企业节省成本，也可为 信息服务行业注入新的血液，提供新的利润增长点。 w e b g i s 的发展取决于网络技术、w e b 技术以及空间数据库技术的发展水平。一方 面这些技术在过去几年内得到了飞速的发展，另一方面w e b g i s 具有廉价、实用等特 性，因此w e b g i s 近来已广泛地被各个行业、众多商家所采用，实现网络的客户咨询 和信息服务；此外，w e b g i s 被视为最有效的g i s 技术推广手段，使g i s 系统为广大 的普通用户接受。 当前影响w e b g i s 性能的主要问题在于地理信息数据量大，网络带宽低，导致客 户端响应时间过长，我们希望通过加入远程对象预获取策略来均衡网络流量，降低系 统的响应时间。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外概况 w e b g i s 一般采用客户朋艮务器体系结构，其通信网络为i n t e r n e t 和i n t r a n e t 。 以现有的网络技术开发w e b g i s 主要有以下四种模式： 1 利用c g i 在万维网与g i s 系统建立系统网关，通过响应c g i 应用请求，在s e r v e r 进行处理后以图象的形式返回给用户端。 2 利用p l u gi n 技术实现g i s 应用，如a u t o d e s k 的m a p g u i d e 。 3 利用a c t i v e x 构造w e b g i s ，如e s r i 的m a p o b j e c t ，本质上是a c t i v e x 控件。 4 利用j a v a 开发w e b g i s 。 实现地理信息网上浏览的主要问题是使浏览器支持矢量图形，从许多公司提供的 多种解决方案来看，可以分为两条技术路线，一是在客户机端来解决，一是在服务器 端来解决；前者通过加入插件或控件，在客户机端扩展浏览器的功能，使其支持矢量 图形，并提供方法及属性来改变显示的状态；后者是在服务器端提供相关软件，实现 矢量图形向w e b 浏览器支持的图像格式转换，然后传送到客户端显示，客户端的一些 请求则通过公共网关接口( c g i ) 或( a s p ) 来提出。另一较大的问题是数据及程序的分布 问题：对于后者程序及数据都放在服务器上，客户机上只有标准的浏览器，网络上的 信息流量小，服务器的负担重。而对于前者程序放在客户机上，大量矢量数据通过网 络传输，许多基本操作在本机完成，减少了服务器负担。两种主要方法在负载分配上 有很大的不同，适用范围也有很大的不同，由于目前国内的网络带宽小，服务器的性 能在不断提升，基于服务器的方案相对较优。 w e b g i s 在服务器执行o i s 计算，并把执行的结果转换为h t m l 格式( 一般是j p e g 图像) 返回客户端。服务器的实现主要有3 种技术方案：g i s 桌面系统扩展、基于 a c t i v e x 组件和基于j a v a 的g i s 服务器。 1 _ g i s 桌厦系统扩展 以g i s 桌面系统为基础的w e b g i s 服务器分为三层：w e b ，应用服务器和g i s 服务 器。应用服务器是w e b 服务器和g i s 服务器间的桥梁。g i s 服务器的核心是已经成熟 的g i s 桌面系统。 2 华中科技大学硕士学位论文 这种类型的系统，所有的g i s 计算全部在服务器端完成，客户端用w e b 浏览器即 可，是典型的瘦客户机胖服务器模式，由于g i s 服务器的核心是成熟的g i s 地图桌 面系统，因此可以利用以前的开发成果和g i s 数据。 它的缺点是对于每个客户机的请求都要启动一个新的完整的g i s 桌面系统实例 进程，这不但浪费服务器的系统资源，也严重影响性能。虽然通过g i s 服务代理可以 缓解问题的严重性，但无法从根本上解决问题。第二就是系统和客户的交互性非常差， 因此像区域多边形选择图形要素这样简单的地理操作都不可能实现，从而影响系统 的使用性。e s r i 的i n t e r n e tm a ps e r v e rf o ra r c v i e w 和m a p l n f o 的p r o s e v e r 是 这种类型的典型代表。 2 基于a c t i v e x 组件的g i s 服务器 组件g i s 服务器是在服务器端采用a c t i v e x 组件技术实现的g i s 服务器，其核心 是g i sa c t i v e x 组件。系统结构如图1 1 所示。 图1 1 g i sa c t i v e x 组件服务器 a c t i v e k 组件封装其内部实现细节并提供符合标准的操纵接口，是一个完成独立 功能的程序模块。一般情况下，组件按照功能可分为3 个层次。( 1 ) g i s 功能组件包 括地图显示组件、空间分析组件等：( 2 ) 管理组件提供对整个应用的管理功能，包括 有g i s 服务代理组件、系统性能监测和负载平衡组件、安全管理组件等；( 3 ) 用户组 件负责用户交互，响应用户操作请求功能，系统可以根据需要对这些构成组件剪裁或 增加，以满足应用需求。用户组件可以从服务器端下载到客户端，通过d c o m a c t i v e x 直接和服务器的g i s 组件通信，完成g i s 功能。 这种方案的好处是它可以实现可伸缩的应用系统，降低系统的成本，提高系统的 性能；由于组件遵循相同的a c t i v e x 标准，因此组件间可以实现无缝的连接，提高系 华中科技大学硕士学位论文 统的稳定性，瘦客户胖服务器模式使任何浏览器用户都可以访问g i s 服务器的地理 信息。另外，系统开发可以采用任何支持a c t i v e x 标准的工具，和a s p 结合起来，使 开发变得非常容易。当然，这种方案只有w i n d o w s 平台上实现，由于目前w i n d o w s 平台占有8 0 的市场，所以这个缺点是微不足道的。这类产品的代表有e s r i 的 m a p o b j e c t si n t e r n e ts e r v e r 和m a p l f o 的m a p x t r e m e 。 3 基于j a v a 的g i s 服务器 由于j a v a 是面向对象的、与平台无关的、面向网络的和多线程的编程语言，因 此用j a v a 作为服务器端的开发平台也是g i s 服务器技术的一个解决方案，其结构与 a c t i v e x 一样，区别是开发的语言和技术标准不同。 目前国内，国际各大g i s 软件厂商纷纷推出w e b g i s 解决方案，影响较大的w e b g i s 系统软件主要有：武汉测绘科技大学开发的i n t e r n e tg e o s t a r ( g e o s u r f ) ；国家遥感 应用工程技术研究中心网络与运行工程部开发的地网g e o b e a n s ；a u t o d e s k 公司开发 的m a p g u i d e ；e s r i 公司开发的m a p o b j e c t s 、i m s ( i n t e r n e tm a ps e r v e r ) 和a r c v i e w i m s ：i n t e r g r a p h 公司开发的g e o m a d i aw e bm a p ；m a p i n f o 公司开发的m a p x s i t e 和 m a px t r e m e 。接下来以三个公司的产品为例介绍w e b g i s 的发展概况和采用的技术路 线。 1 _ i n t e r n e tg e o s t a r i n t e r n e tg e o s t a r 。4 1 是武汉测绘科技大学开发的网络地理信息系统软件。基于 分布式超图模型( d h m ，d i s t r i b u t e dh y p e r m a pm o d e l ) ，是一种c l i e n t s e r v e r 的 i n t e r n e tg i s 。用超图概念来表达i n t e r n e tg i s 数据信息，如3 维、4 维、元数据、 数据目录等。客户端的要求是具有支持j a v a 的万维网浏览器或具有j a v a 虚拟机的平 台，对操作系统无任何要求。对万维网服务器、数据库服务器操作系统环境没有限制。 具有与平台和操作系统无关性。获取和管理多种地理信息数据源数据，如g e o f i l e 、 g e o d b 、a r c i n f o 、m a p l n f o 、d x f 、m g e 等。连接s y b a s e 、s o ls e r v e r 、o r a c l e 和i n f o m i x 等多种数据库。 2 m a p g u i d e m a p g u i d e 嘲是美国a u t o d e s k 公司的产品，包括a u t o d e s km a p g u i d ep l u g i a 、 a u t o d e s km a p g u i d ea u t h o r 和h u t o d e s km a p g u i d es e r v e r 三部分构成。功能及所在 4 华中科技大学硕士学位论文 位置如下： a u t o d e s km a f i g u i d es e r v e r 安装在w i n d o w sn t 网络服务器上，用于接收处理用 户端发出的地图操作的请求，完成用户进行的操作过程。 a u t o d e s km a r ) g u i d ea u t h o r 安装在网络上任何位置服务器或客户端，用于编辑 所发布的地图窗口文件。 a u t o d e s km a p g u i d ep l u g i n 安装在客户端，作为浏览器的控件，用于解释网上 传输的矢量数据格式，客户端得到的是矢量地图。 m a p g u i d es e r v e r 可以扩展，即可用w e bs e r v e r 对应于多个m a p g u i d es e r v e r ， 以此分散系统访问的负载、也可用于解决海量数据的查询问题。由于在本地使用了 m a p g u i d ev i e w e r 插入件，地图浏览操作的速度很快。系统还提供了日志工具，以便 发现相关的记载，便于系统的改进和完善。 3 i n t e r n e tm a ps e r v e r i n t e r n e tm a ps e r v e r ”( i m s ) 是美国e s r i 公司的产品，它包括两个平台上的产 品：m a p o b j e c t si m s 和a r c v i e wi m s 。在e s r i 公司的w e b g l s 解决方案中，还包括 m a p o b j e c t sp r o f e s s i o n a l 和a r c e x p l o r e r 两个模块。i m s 采用c g i 技术，解释用户 的请求，并把结果发送到浏览器。 m a p o b j e c t s 是组基于w i n d o w s 的制图和g i s 部件，含有很多a c t i v e x 对象。 使用者可以用m a p o b j e c t s 创建专用的制图和g i s 应用程序。m a p o b j e c t si m s 提供名 为m a p c a f e 的3 a v a 小程序，m a p c a f e 根据需要由i m s 端灵活地定制，满足不同应用 的要求。m a p c a f e 中包括一些封装好的类库以及部分类源代码。m a p c a f e 用于创建客 房端地图显示介面。 a r c e x p l o r e r 是一个浏览软件，它除了可以浏览本地g i s 数据外，还可以与 i n t e r n e t 网上的i m s 服务器相连，浏览其提供的制图页面。它与m a p o b j e c t s i m s 2 0 一起作为一个i m s 制图服务器，不需任何开发工作，可把本地的地图上网。利用 a r c e x p l o r e r 可以显示、查询各种符合工业标准的数据。 以上的w e b g i s 软件虽然在开发技术上各有不同，但从数据管理的角度来看，都 是将空间数据与属性分开存储处理，没有实现空间与属性的一体化操作，而且均未使 用预获取策略，无法达到均衡网络流量和降低系统响应时阆的目的。 5 华中科技大学硕士学位论文 1 3 本文的工作 d m 3 系统支持空间数据类型，具备一定的空间信息处理能力。目前的研究工作正 逐步将其扩展成为空间数据库管理系统。 本文的主要工作包括： l i 针对目前w e b g i s 的两条主流技术路线，分别设计基于客户端的解决方案和基 于服务器的解决方案。两种方案功能一样，主要区别在于针对不同的网络环境和用户 需求。 2 采用c o m 技术，用v c + + 语言设计组件式w e b g i s ( d m 3g i sa c t i v e x ) ，考虑到 i n t e r n e t i n t r a n e t 和一般局域网中的m i s ( 集成g i s ) 的应用环境，本文将分别应 用于这三种环境中的功能组合在一起，设计相应的调用接口，方便用户的二次开发。 3 针对具有空间局域性的用户获取模式，研究一种基于希尔伯特曲线的预获取策 略，解决一般g i s 计算中网络流量的不平衡性和突发性增长问题。 4 设计d b l 3g i sa c t i v e x 在w e b 及可视化开发工具中的应用模式。 本课题所设计的d m 3g i sa c t i v e x 要达到的要求和技术指标主要有以下几点： 1 矢量地图的分层显示和管理，地图缩放和漫游。 2 对d m 3 数据源的操作，可以读取多种格式的空间矢量数据( 采用o d b c 和d m 3 s p a p i ) 。 3 空间、属性的可视化查询，界面友好，操作简单。 4 d m 3g i sa c t i v e x 可以集成到p o w e r b u i l d e r 、d e l p h i 等可视化开发工具中， 完成独立的g i s 功能。 6 华中科技大学硕士学位论文 2d m 3w e b g l s 解决方案 本章提出了用c o m 技术实现三层结构的组件式w e b g i s 的总体解决方案，主要包 含三个部分：空间数据的管理与显示、d m 3g i s 组件的实现和远程对象预获取策略。 2 1 空间数据管理 空间数据库管理系统( s d b m s ) 0 1 是地理信息系统的核心，它从本质上决定了g i s 的功能和性能。空间数据模型和空间操作是s d b m s 中最关键的部分。 空间数据是以点、线、面等方式采用编码技术对空间物体进行特征描述及在物体 间建立相互联系的数据集。图象数据、地图数据、地理统计数据以及环境监视数据等 都是空间数据的重要组成内容“。 目前，最为普遍的地理信息处理方法是混合方法“，即图形数据由文件管理系统 管理，而属性数据由r d b m s 管理。基于这种混合数据处理方式的g i s 系统结构，称为 二元结构，如图2 1 所示。 图2 1g i s 的二元结构 以a r c i n f o 为例，它由a r c 和i n f o 两部分组成。a r c 主要用于图形数据的存储、 分析和管理，而i n f o 则是一个关系型管理系统，用于属性数据的管理，图形与属性 7 华中科技大学硕士学位论文 通过用户定义的关键字相联接。这种系统结构的最大优点是：属性数据的管理可以充 分利用商业化数据库管理系统的功能且图形的处理与检索效率较高。但g i s 中的空间 实体本身不仅具有图形部分，也具有属性部分。图形与属性的硬性分离势必带来许多 问题： 1 不利于空间查询。因为查询常常涉及到空间实体的图形部分和属性部分。依赖 于这样的结构，只能对图形库和属性库分别进行查询，然后将两者的结果组合在一起。 这样势必降低执行效率。 2 数据的整体一致性易遭到破坏。如：一实体在图形库中的部分可能已被删除， 而对应的属性库部分却可能没有被删除。 3 不利于分布式数据管理。因为图形数据独立于属性数据之外，自成一体，无法 利用标准的数据库管理功能，而且在分布式数据库中，图形与属性的协调更加困难。 之所以存在以上问题，主要是因为二元结构g i s 的关系模型缺乏表达图形实体及 其相互关系的能力。 关系模型“。”1 是目前商业化g i s 中最常用的数据模型。关系模型的优点是结构灵 活，而且具有严密的属性基础( 关系代数) ，可以满足所有用关系运算和数学运算规 则形成的询问要求。另外，关系数据库还能搜索、组合和比较不同类型的数据。但用 关系模型描述空间数据，还存在许多不足之处： 1 r d b m s 不能定义点、线、面等空间数据类型和空间操作算子如相交、包含、距 离面积等，因而无法完成地理意义上的空间分析和查询。 t 2 图形数据的表示涉及参考坐标系、属性、拓扑关系等，因而用一系列关系表格 来表示就显得非常复杂。 3 表格形式缺乏直接的语义表达能力。关系模型仅提供两种结构表达实体特征以 及实体与实体之间的关系，一是表内的，一是通过公共值跨表联接。这种关系的联接 是隐含的，并且表格间的联接十分费时，效率低。 4 缺乏构造复杂对象的能力。其主要原因是关系模型要求关系至少要满足第一范 式的要求，且属性的取值应是原子，即关系表中不能包含另一个关系。这样就不能用 对象嵌套的办法去构造复杂对象，只能借助于关系的规范化分解来实现。过多的不自 然分解必然导致模拟和操作的困难和复杂化。 8 华中科技大学硕士学位论文 关系模型不适合于图形数据处理，主要是因为缺乏几何数据类型和空间操作算子 的定义。采用扩展的r d b m s ，即把特定的扩充加入到现有的d b m s 中，使之具有所需 要的功能。目前已开发出的可扩展r d b m s 可分别有效地处理图象数据、特殊文本、地 图数据等非常规的信息。在这些系统中，分别包括一组事先定义的函数和功能扩展， 它们可以面向特定应用的建模和使操作变得容易进行，效率也较高。 d m 3 实现了对文本、声音、图像、地图等常规信息与多媒体信息的体化处理。 在g i s 方面，d m 3 实现了对地理信息的输入、存储、检索与显示，将空间数据和非空 间数据在数据库中进行统一管理。 2 1 1o m 3 的层次一关系模型 传统的关系模型不能自然而高效地对拓扑关系进行模拟。为了适应对地图信息的 处理，根据地图信息分层次这一特点，d m 3 采用了层次一关系模型“。”1 。 在d m 3 中，不把关系作为某个属性的域值，而让它作为一个相对独立的关系来处 理，不过在属性域中有指向该关系的指针，表示它们之间的层次关系这就是d m 3 的层次一关系模型。这种模型的设计完全依照地图管理中要求的类来划分，便于地图 数据库对地图内容进行分类存储和检索。将地图的基本信息用上层关系来描述，如图 号、比例尺、成图时间等信息。对于地图中的各类地物，则按类分成各种对应的关系 来刻画，比如铁路对应铁路关系，公路对应公路关系，这些关系称为下层关系。下层 关系和上层关系之间存在着直接的隶属关系。如图2 2 所示。 图2 2d m 3 层次一关系模型 地图中所有类型的地物都在上层关系中定义，而每一种地物的基本信息则在相应 的下层关系中具体描述，为了在上层关系中定义一种具体的地物类型，要使用d m 3 中扩充的一种空间数据类型p i c t u r e ，这也是上层关系与下层关系联系的桥梁。 这种模型从底层上支持对常规信息和地图信息的无缝处理，具有以下特点： 1 支持对常规数据、空间数据及其它多媒体数据的一体化存储和一体化操作，包 9 华中科技大学硕士学位论文 括查询、插入、删除、修改等，提供国际通用的s q l 接口。 2 在事务处理、并发控制、完整性、恢复机制等方面提供一体化地支持，有利于 提高系统的效率。 3 有力地支持对地图处理功能的扩展。 2 1 2d m 3 扩充的数据类型 以下是d m 3 中扩充的与地图应用有关的数据类型： p i c t u r e ：用于描述空间对象之间的层次。 s o r t ：用来在下层关系中定义相应地物的编码。 a d j o i n ：用来在上层关系中定义当前图在东、南、西、北、东北、东南、西南、 西北等八个方向的邻接图的图号集合。 s u b _ m a p ：用来在上层关系中定义某比例尺的当前图在下一级( 小) 比例尺中对应 的下属图的图号集。 v a r d o t ：用来在描述线、面状地物的下层关系中定义相应地物的空间位置。 z o n e ：用来在描述点状地物的下层关系中定义相应地物的中心位置。 d m 3 的许多功能与桌面地图信息系统m a p l n f o 相似。m a p l n f o 的技术特点是：内 置关系型数据库，并实现了电子地图与数据库的自动连接和双向查询，m a p i n f o 的电 子地图是矢量图，每个矢量( 点、线或面) 都和其属性数据库中的一条记录相对应， 这样，矢量图实际上成为了数据库中的特殊字段。所不同的是，d m 3 将地图矢量作为 z o n e 或v a r d o t 类型的数据存入数据库中，对空间数据和普通数据进行统一管理。 2 1 3d m 3 的空间数据管理 d m 3 在空间数据管理方面完全支持空间信息和非空间信息一体化的定义、存储和 管理，其功能主要有以下几点： 1 提供六种空间检索、查询模式。 2 提供三种查询精度。 3 支持空间查询与常规数据、多媒体数据的一体化操作。在查询结果框中同显示 地物的常规数据和多媒体数据。 4 分层查询。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 5 分要素查询。 6 提供二维地图的漫游和特写。 7 提供数据格式转换和图形编辑工具。 为了使用户能方便地开发基于d l 3 的空间信息管理系统，d m 3 提供了一套空间检 索应用程序接口( d m s p a p i ) ，接口函数代码包含在s p a p i d l l 的动态连接库文件中， 其引入库为s p a p i 1 i b ，使用该库时还需包含d m m a p h e a d h 、d m m a p f u n c h 和d m s p a p i h 等三个头文件。该动态库又调用由d m 3 服务器提供的客户应用程序接口，通过该接口 用户可实现空间操作与d m 3 数据库服务器的通讯。 d m 3 的空间接口函数主要分为以下七大类： i 索引建立与维护。可以分别对点、线、面状地物建立索引。 2 查询处理。提供六种空间查询模式：点查询、线查询、面查询、圆查询、条查 询和矩形查询。 3 地物绘制。提供各种地物的绘制函数。 4 存储管理。将地物的结构描述、编码和坐标存放在指定的文件中。 5 数据操纵。空间操作的插入、删除、提交和回滚等。 6 图幅管理。用于地图的漫游和缩放以及地图的拓扑信息。 7 图层显示控制。 此外，d m 3 提供了录入空间数据的专用工具，该工具支持图形交换文件( d f x ) 格式、m a p i n f o 、a r c i n f o 等格式的文件的转换。 2 2 实现w e b 6 i s 的基础技术 w e b g i s 的实现主要包含以下几个方面的技术： 1 空间数据库管理技术。关系型数据库管理系统已经相当成熟，商业化的r d b m s 不仅支持c s 模式，而且支持数据分布，通过s q l 语言和0 d b c ，几乎所有g i s 软件 通过公共标识号都能和其协同运行。对象关系数据库技术和面向对象的数据库技术 正在逐步成熟，是未来g i s 空间数据管理的主要技术。在我们的方案中采用d 淞作为 s d b m s ，它实现了空间数据与属性数据的一体化操作 华中科技大学硕士学位论文 2 客户服务器模式。客户服务器的含义非常广泛，数据库技术和分布处理技术 都和它密切相关。通过平衡客户i j l l 务器间的数据通信和地理运算，能够利用服务器 的高性能处理复杂的关键性业务，并降低网络数据流量；通过规划客户服务器模式 的g i s 系统，用户能够最大限度地利用网络上的各种资源。d m 3w e b g i s 采用 b r o w s e r i i s d m 3 三层结构。 3 组件技术。为避免系统重复编码，浪费资源，使用插件、组件和中间件技术组 装软件产品，各软件生产商制作自己最好的组件，其他软件开发人员和系统集成人员， 可直接使用该部件，无须重新编码，从而提高了软件生产效率。d m 3w e b g i s 的核心 是基于c o m “”技术的d m 3g i sa c t i v e x 组件。 4 分布计算平台。分布计算平台技术，目前有o m g 的c o r b a j a v a 标准和微软的 d c o m a c t i v e x 标准。c o r b a j a v a 在运行速度上虽然不如d c o m a c t i v e x ，但和j a v a 一样，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，适用于多种操作系统。 d c o m a c t i v e x 目前只能运行于3 2 位w i n d o w s 平台，但是其市场占有率达8 0 以上， 在i n t e r n e t 客户端的计算机市场里占有率更高。d m 3w e b g i s 采用d c o m a c t i v e x 标 准。 和w e b g i s 相关的技术还包括下列各方面：多媒体数据操作标准i s os q l 删地理 数据目录服务技术、数据仓库技术、地理信息高速公路设施等。 2 3w e b gis 的客户机1 i l l 务器模型 g i s 客户i f j l i 务器模型表示如图2 3 所示，模型共分6 个部分：数据库、g i s 服务 器、w e b 服务器、g i s 服务代理、本地g i s 应用软件和远程用户g i s 应用软件。 客户群包含两类用户，一是w e b 浏览器，它必须通过w e b 服务器提出数据请求， 再由w e b 服务器向g i s 服务器申请数据，g i s 服务代理协调w e b 服务器和g i s 服务器、 g i s 数据库之间的运行，以控制g i s 服务器的性能和状态；另一类是应用软件用户， 它除了具有第一类同样的功能外，还可以直接向g i s 服务器请求数据。d m 3g i s a c t i v e x 可以与浏览器协同工作，也可以作为独立的应用软件使用。 华中科技大学硕士学位论文 应用软件 空间数据管理维护 属性数据管理维护 地理空间查询等 ( c c + + ，j a v a ， s q l 等) w e b 浏览器 ( j a v a ，d c o m c o r r a 等) 要箬i l i i 妻亲i i i i 袭量i ”i 数据i l i i 曼薹数据数据模型”数据 g i s b 醍务器 g i s f l 6 t 务代理 w e b 服务器 图2 3 空间信息动态服务系统模型 2 4d m 3w e b g i s 的系统结构 在以d m 3 为g i s 数据库管理系统的基础上设计w e b g i s 系统，遵循的设计原则是： 1 系统软件资源、硬件资源和数据资源能够共享； 2 系统可伸缩性强，容易扩大规模； 3 网络数据流量均衡，整个系统运行效率高； 4 遵循系统工程的原则，使用系统集成方便等。 w e b g i s 系统开发有四种模式：c g i 、p l u gi n 、a c t i v e x 和j a v a ，考虑到d m 3 没 有提供支持j a v a 的空间操作接口，而p l u gi n 与a c t i v e x 的原理和功能是相似的， 因此我们主要采用c g i 模式和a c t i v e x 模式来开发基于d m 3 的w e b g i s 系统。 c g i 模式的工作原理为：应用网关在w e b 服务器和g i s 服务器之间建立连接。它 把客户的请求从w e b 服务器通过o l e 或者t c p i p 转送到g i s 服务器的监控调度程序， 监控调度程序选择可用的g i s 桌面系统，完成客户请求的g i s 计算，然后返回结果到 w e b 服务器，最后再返回给客户，从而实现g i s 功能。 a c t i v e x 通过o l e 和其他程序与i n t e r n e t 进行通信，并可以被任何支持a c t i v e x 控件的程序和计算语言使用。g i s 控件是用于处理g i s 数据和执行g i s 分析的 a c t i v e x 控件，它具有计算、通信能力和自己的图形接口，而且能像插件和妇v a a p p l e t 一样在w e b 页面中使用。 华中科技大学硕士学位论文 实现地理信息网上浏览的主要问题在于使浏览器支持矢量图形，目前可行的解决 方案可以分为两条技术路线，一是在客户端解决( 基于客户端的解决方案) ，一是在 服务器端解决( 基于服务器的解决方案) 。 从用户角度来看，大致可分为两类，一类只做简单查询，如查看某建筑的位置， 行车路线等。这类查询中，用户需要的是大量的地物属性信息，丽不是图片信息，针 对此类查询，g i s 服务器每次只需传送几幅j p g 图片即可，占用网络带宽低，显然适 合采用基于服务器的解决方案。 另一类是作复杂查询的用户，如查找某城市中的全部超市，并在地图中标出来， 然后分别在地图上点击调用各超市的详细资料，用于决策分析。这种情况下，如果采 用服务器解决方案，则会有大量j p g 图片通过网络传送到客户端，同时增加了网络和 g i s 服务器的负担，因此可以采用基于客户端的解决方案，先将各地物的空间信息和 属性信息都传给客户端，再由客户端的g i s 控件处理，与服务器解决方案相比，它所 占用的网络带宽和g i s 服务器资源都少一些，同时还可以采用远程对象预获取策略来 进一步均衡网络流量。 2 4 1 基于服务器的w e b g l s 解决方案 如图2 4 所示，服务器提供g i s 计算，实现矢量图形向w e b 浏览器支持的图像格 式转换，然后传送到客户端显示，客户端的请求则通过a s p 提出。表2 1 列出了方案 的所有软件组成。 方案的程序执行步骤如下所示： 1 - 浏览器用u r l 和w e b 服务器连接： 2 服务器接受请求并把u r l 转换为路径和文件名； 3 启动相应的a s p 程序； 4 a s p 程序调用g i s 服务器程序( g i s 组件) ，转换和传递用户的地理操作参数； 5 g i s 组件完成g i s 计算，并把结果转换为j p e g 图像格式文件； 6 a s p 程序将图像文件和通过o d b c 查询到的其他数据一起生成网页并把结果返 回给w e b 服务器： 7 w e b 服务器把结果传递给浏览器，进行显示。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 表2 1 基于服务器的w e b g i s 解决方案的软件组成 笛件组成 软件组成 各层名八 数据库服务器层1 操作系统：u n i x ，l i n u x ，w i n n t 2 0 0 0 。 2 数据库管理系统：d m 3 。 w e b 服务器层1 操作系统：w i n d o w s n t 2 0 0 0 。 2 b 服务器：i i s 。 3 d m 3g i s 服务器控件。 客户端层1 操作系统：w i n d o w s 9 x n t 2 0 0 0 。 2 w e b 浏览器：i e ，n a v i g a t o r 。 客户端层 1 w e b 服务器层 i 数据库服务器层 i l 图2 4 基于服务器的w e b g i s 解决方案结构图 基于服务器端解决方案的优缺点： 1 这种方案的好处在于它可以实现可伸缩的应用系统，降低系统的成本，提高系 统的性能：由于组件遵循相同的a c t i v e x 标准，因此组件间可以实现无缝的连接，提 高系统的稳定性，瘦客户胖服务器模式使任何浏览器用户都可以访问g i s 服务器的 地理信息