WebGIS前沿应用与趋势分析

1 中国矿业大学 China University of Mining and Technology WebGISWebGIS 前沿应用与趋势分析前沿应用与趋势分析 姓姓 名 名 王隽雄王隽雄 中国矿业大学环境与测绘学院中国矿业大学环境与测绘学院 2016 06 132016 06 13 2 摘要 随着计算机科学的飞速发展 GIS拥有了更先进的工具和手段 使得GIS 得到了飞速发展 而Internet和GIS的结合则催生了WebGIS 在大量浏览近几 年登载在国内各类媒体上的有关学术论文 研究报告 学位论文以及应用实例 的基础上 本文概括了WebGIS的主要特点 总结了WebGIS的关键问题和实 现技术 在此基础上对WebGIS的应用发展趋势进行了展望分析 关键词 WebGIS 分布式 VRGIS 数字地球 ArcGIS Mobile 1 前言 21 世纪科技在飞速发展 而计算机技术的日臻成熟更是将人类科技的发展 带入了一个爆炸式增长环境 在此基础上 由于社会对地理信息系统 GIS 的巨大需求 GIS 应用日益广泛 而计算机科学又为 GIS 提供了先进的工具和 手段 使 GIS 技术更加成熟 随着智能手机 平板电脑等移动智能终端的发展 Android 和 IOS 等智能系统的智能化 移动互联网与地理信息的融合在企业应 用中也逐渐发挥着越来越重要的作用 移动 GIS 的出现无疑为大众生活方式的 改变和企业工作效率的提高提供了新的机遇和模式 互联网技术的迅速普及更 使 GIS 的发展发生了质的变化 Internet 已成为 GIS 新的操作平台 Internet 和 GIS 的结合即 WebGIS 它改变了地理信息的获取 传输 发布 共享和应用 的方式 利用 Internet 在 Web 上发布和出版地理信息 为用户提供空间数据浏 览 查询 制作专题地图和分析的功能 从而实现地理信息的操作和共享 已 经成为 GIS 发展的必然趋势 2 WebGIS 概述 2 1 WebGIS 定义 WebGIS 又叫网络地理信息系统 是建立在 Web 技术上的一种特殊环境下 的地理信息系统 是从单机及主从式计算机上转移到网络环境下的地理信息系 统的泛称 它强调地理信息系统的工作环境是网络 WebGIS 是基于网络的客 3 户机 服务器 client server 分布式系统 以 Web 页面作为 GIS 软件的用户界 面 把 Internet 和 GIS 技术结合在一起 能够进行交互操作 2 2 WebGIS 的特点 2 2 1 更广泛的访问范围 全球范围内任意一个客户可同时访问多个位于 世界各地不同的 WebGIS 服务器上的最新数据 Internet 所特有的这些优势大大 方便了 WebGIS 的数据管理 使分布式的多数据源的数据管理和合成更易于实 现 2 2 2 平台独立性 无论客户机与服务器是何种机器 操作系统如何 或 者服务器端使用何种 WebGIS 软件 由于使用了通用的 Web 浏览器 用户都可 透明访问 WebGIS 数据库 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 2 2 3 真正大众化的 GIS 以往的 GIS 由于成本高 技术难度大 往往成 了少数专业人士拥有的专业工具 很难推广 而且对于每个用户来说 在每个 客户端都要配备昂贵的专业 GIS 软件 但用户经常使用的却只是一些最基本的 功能 这在实际上造成了极大的浪费 WebGIS 则给更多的用户提供了使用 GIS 的机会 WebGIS 在客户端通常只须使用通用浏览器进行浏览和查询 有时 还要加入一些免费使用的插件 ActiveX 控件等 从而大大降低了系统成本 2 2 4 平衡高效的计算负载 以往的 G1S 大多使用文件服务器结构的处理 方式 其处理能力完全依赖于客户端 效率较低 而 WebGIS 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 而把数据量较小的简单操作 交给客户端去完成 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 是一种较理想的优化模式 2 2 5 良好的可扩展性 WebGlS 很容易与 Web 中的其他信息服务进行无 缝集成 可以建立灵活多样的 GIS 应用 例如随着通信终端向多媒体和移动化 方向发展 数字移动电话 PDA 个人数字助理 将成为 WebGIS 的客户端 WAP Wireless Application Protocol 服务器和 WebGIS 服务器将连为一体 4 3 WebGIS 的发展现状 从定义出发 WebGIS 网络地理信息系统 可以理解是在 Web 上的 GIS 就是 利用互联网技术和 www 技术 完善和扩展传统的地理信息系统功能的新技术 借助 WebGIS 人们可以在互联网上发布空间数据 也可以在 www 的任一节点 上利用浏览器访问地理信息 进行空间检索和空间分析 与传统 GIS 系统相比 WebGIS 具有以下特点 一是更广泛的信息共享 二是平台无关性 三是节省系 统成本 四是降低技术难度等 从而使得 GIS 突破了专业限制 开始进入千家 万户 标志着 GIS 的系统集成技术和应用进入一个崭新的阶段 地理信息系统技术经过近40年的发展 已经逐步进入了计算机技术主流 从而能够在更广泛的领域为更多的用户提供空间信息服务 WebGIS新的发展趋 势是GIS技术和Intearct技术新的发展方向的体现 自1963年世界上第一个用于土地资源管理的加拿大地理信息系统 CGIS 诞生以来 经过多年的发展 传统的GIS技术已经成熟 正广泛应用于防震减 灾 环境监测 电子政务 农业生产 国土资源信息服务 电力部门等领域并 发挥着巨大的作用 随着计算机技术 网络技术 分布式技术的出现 尤其是 Internet的蓬勃发展 人们对GIS的要求也发生了很大的变化 以往多用于单一 部门内部的GIS系统已无法满足信息化时代信息分布和资源共享的需求 越来 越多的人希望在Internet上也能访问到GIS数据 而另一方面 Internet 技术的发展也为 GIS 面向社会提供了技术支持 1998 年美国副总统戈尔提出的 数字地球 概念更为 GIS 的网络化 标准化 全球 化和大众化提供了来自政府和社会的广泛支持 网络 GIS 的概念应运而生 而 Web 浏览器是基于 Internet 的信息系统的标准界面 因此 GIS 与网络技术融合 以形成一个基于 Internet 技术的 WebGIS 集成平台自然成为当前 GIS 研究领域 的一个重要方向 WebGIS 也成为 数字地球 的核心软件平台之一 有了 WebGIS 人们可以通过 Web 任意发布地理数据 地理信息 空间服务以及一 切他们愿意与他人共享的 GIS 资源 而同样的 世界各地的人们也可以从 Internet 上任何一个 Web 站点访问到其他人提供的共享资源 同时 WebGIS 还 很自然地拓宽了地图出版渠道 降低了数据散发成本 提高了地理数据的共享 5 程度 目前国际上对于 WebGIS 软件技术的研究比较一致 基本上集中在空间数 据模型 空间数据结构 空间数据传输协议 分布式策略和网络环境下的空间 信息组织管理等方面 随着 GIS 空间信息科学和分布式计算技术的发展 对 WebGIS 的研究重点主要集中在以下几个方面 1 适合网络的 WebGIS 体系结构 体系结构是系统的框架 决定一个系 统的运行模式 WebGIS 是网络 GIS 如何将 Web 计算技术与 GIS 理论结合起 来 综合构件技术及对象技术 提出一个良好的适用于 Web 计算平台的系统体 系结构 是系统设计成功的前提 2 适合 Web 计算的空间数据模型和数据结构 地理空间数据是 GIS 的 基础 一直在 GIS 研究中占有重要地位 WebGIS 对空间数据的存储和管理提 出了新的要求 需要对空间数据模型及其数据结构进行更深入的研究 3 空间信息的分布式计算策略与实施方案 与传统的桌面 GIS 不同 WebGIS 对于分布式计算的要求很高 因此需要对空间信息的分布式运算策略 和具体实施方案进行研究 4 空间信息的网络传输协议与智能空间信息代理 5 基于 MetaData 空间信息 Web 集成方案 利用元数据空间信息进行集 成管理是 WebGIS 发展的必然 是实现 数字地球 的关键所在 6 Web 计算环境下的空间信息安全性问题 信息安全是网络信息系统 的核心问题之一 在 WebGIS 中也必然要考虑到信息不受非法访问和非法修改 等信息安全性问题 7 WebGIS 中的多用户访问与并发控制机制 WebGIS 将提供互联网上 成千上万的用户同时访问 如何保证并发的正确和最大限度地发挥系统的能力 来更好地满足用户的访问需求 是使 WebGIS 成为名副其实的网络 GIS 的关键 6 4 WebGIS 的主要技术方法 5 WebGIS 的发展与应用 GIS 发展方向是高性能 低成本 开放性 互操作性和灵活性目 5 随着 空间理论和网络技术的飞速发展 WebGIS 从技术上将向着更具有互操作性和 更加开放化 网络化 分布化 移动化 可视化的方向发展 从应用上将向着 更高层次的数字地球 地球信息科学及大众化的方向扩展 5 1 基于分布式计算的 WebGIS 随着网络时代的到来 分布式计算正成为新的计算模式 WebGIS 必然与 分布式计算的结相合 目前 分布式 WebGIS 应用已从简单的在分布式 Web 浏 览器上显示地图 发展到了基于互联网的功能综合 远程的用户可以享受普通 的 GIS 数据 并与其他用户实现实时通讯 现阶段 发展分布式 WebGIS 应用 技术集中体现在用品 客户机和网络通讯 3 个方面 6 目前 国际 国内都十分注重分布式 WebGIS 的发展 有关专家认为 GIS 发展趋势的核心是地理信息开放的分布式计算 7 5 2 第二代互联网 Next Generation Internet NGI 带宽瓶颈是 WebGIS 不能很好地解决地理空间数据复杂应用的一个主要原 因 第二代互联网 NGI 是指高性能的计算机及其通信协议 它主要解决的 问题是提高网上信息的传输速率 预计高达 650Mbps 是目前互联网主干网传 输速率的十几倍 许多国家都非常重视 NGI 的研究 中国正在推广作为 NGI 关 键技术的 Ipv6 随着 NGI 技术的发展 WebGIS 的数据传输瓶颈将被打破 其 发展和应用将得到更大的提高 5 3 互操作和开放式 GIS 的应用 如何能使不同格式 不同代码 不同标准体系的数据和不同比例尺 不同 精度 不同时序的地理空间信息进行互操作 共享 已成为 WebGIS 进一步发 展中急待解决的问题 互操作 GIS Iitertop erable GIS 开放式 GIS Open GIS 的出现和地理标记语言 Geography Markup Language GML 的应用为 解决这些难题提供了很好的方法 互操作 GIS 是一个新的 GIS 集成平台 它能实现在异构环境下多个 GIS 或 应用系统之间的相互通信和协作 可以完成某一特定任务 而且这一过程对于 实现语言 执行环境和建立模型是透明的 Open GIS 是指在计算机网络环境下 根据开放地理信息系统协会 Open GIS Consortium OGC 所提出的开放地理 互操作规范和软件框架构建的 GIS 它将 GIS 技术 分布处理技术 面向对象 方法 数据库设计及实时信息获取方法有效地结合起来 使 GIS 始终处于一种 有组织 开放式的状态 从而使它们具有良好的互操作性 它是未来 WebGIS 一个重要的发展方向 随着 GML 的普及和地理信息编码的统一 数据的互操 作和共享将成为可能 以上 3 种技术和规范将引导 WebGIS 向更加开放的方向 发展 5 4 VR 技术与 WebGIS 的结合 虚拟现实 GIS VRGIS 是目前 GIS 发展的一个前沿 虚拟 GIS 就是 GIS 与虚拟地理环境 VR 技术的结合 其核心技术是 VR 主要通过虚拟建模语 8 言 VRML 把 GIS 数据转换到 VR 中 为人们提供一个逼真的模拟环境 GIS 用户在计算机上就能处理真三维的客观世界 在客观世界的虚拟环境中将能更 加有效地管理和分析空间实体数据 VRGIS 的关键技术是 3D 和 4D 的建模技 术 数据模型的研究 海量数据的存贮和管理 三维显示技术与可视化技术的 集成 面向对象的空间数据库研究及其与三维实时显示技术的集成等 总之 VRGIS 是 GIS 最引人入胜的一个领域 目前的研究主要集中于虚拟城市 5 5 GIS 更广泛的服务集成 数字地球 数字地球是指以地球为对象 以地理空间为主线 将信息组织起来以实现 地球数字化或信息化的复杂系统 数字地球具有空间化 数字化 网络化 智 能化和可视化等特征 它为人类提供了一种全新认识地球的方式 作为新一代 的电子地图和 GIS 数字地球的应用非常广泛 既可用于全球环境变化和社会 可持续发展 也可以应用于政治 经济 军事等领域 对人类与自然的平衡和 协调起到了不可估量的作用 数字地球作为一门新兴的学科 主要由基础理论 技术体系和应用领域 3 部分构成 它所涉及到的关键技术是信息交换标准 海 量数据的存贮和管理等 5 6 ArcGIS 与移动客户端的结合 ArcGIS 将 GIS 的应用从办公室拓展到了移动领域 提供了 5 种移动应用的 解决方案 可以满足简单和复杂的移动应用的需求 包括如下内容 1 ArcGIS Mobile 包含一个以任务为向导的移动应用程序 此应用程序适用 于 Windows Mobile 和 Windows 设备 并使用 Web 服务架构在现场与办公 室之间同步信息 还包含一个用于构建专用应用程序的 SDK 所构建的程序既 适用于 Windows Mobile 设备也适用于 Windows 笔记本电脑 平板电脑 设备 ArcGIS Mobile 可将 ArcGIS 的应用范围扩展到野外 并通过将以任务为中心 的野外应用程序运用于车载 Windows 触摸设备和手持式 Windows Mobile 设备 9 它包含一个 SDK 开发人员可借助它来使用针对业务的任务和工作流 扩展 ArcGIS Mobile 野外应用程序 开发人员也可使用 ArcGIS Mobile SDK 将 ArcGIS 技 术嵌入到现有的一系列业务移动应用程序中 2 ArcPad 用于 Windows 移动设备的移动 GIS 技术 ArcPad 为野外用户通 过手持和移动设备提供了数据库访问 制图 GIS 和 GPS 的综合应用 通过 ArcPad 可以实现快速 便捷的数据采集 大大提高了野外数据的可用性和有效 性 3 ArcGIS for IOS 包含应用程序和开发者 API 应用程序可从 iTunes App Store 免费下载 适用于 Apple iPhone iPad 和 iPod Touch Object C 开发人员 使用 ArcGIS API for IOS 可以开发专用于 IOS 设备的应用程序 这些应用程序 可在企业内部部署 也可通过 Apple App Store 对公众开放 随着 iPhone 这类触屏设备的流行 Esri 推出了 ArcGIS for IOS 将 GIS 的应 用从办公室拓展到了移动网络 包括了苹果的 iPhone iPod Touch 和 iPad 这类设 备上的应用 用户可从 iTunes App Store 免费下载和使用 ArcGIS com 或者用户自 己服务器发布的地图服务 使用 ArcGIS API for IOS 用户可以开发基于 IOS 设备的各种应用 可在企业 内部署 也可通 Apple App Store 提供给公众 4 ArcGIS for Windows Phone 包含应用程序和开发者 API 应用程序可从 Windows Phone Marketplace 免费下载 适用于 Windows Phone 设备 Silverlig