GIS设计与实现第十二章GIS设计前瞻PPT演示课件

第十二章GIS设计前瞻,GIS设计与实现教程,1,教学提纲,第一节多源异构平台下的地理数据互操作第二节面向服务的GIS设计第三节网格GIS第四节共相式GIS设计,2,第一节多源异构平台下的地理数据互操作,3,第一节多源异构平台下的地理数据互操作,GIS应用“信息孤岛”体现GIS厂商方面：采用不同的空间数据格式，对地理数据的组织有很大的差异。应用部门方面：通常根据本部门的特定情况采用不同的数据建模方法，选用不同厂商的GIS软件。问题阻碍应用系统之间的数据共享。带来领域间共同协作时信息共享和交流的障碍。限制了地理信息系统处理技术的发展潜力。解决：地理数据互操作技术,第一节多源异构平台下的地理数据互操作,地理数据互操作概念地理信息系统及地理数据库之间能够自由交换描述各种地理现象和对象特征的地理信息。相互调用功能程序，共同合作以实现用户的应用需求。目的：数据共享异构数据源不同GIS应用系统不同操作系统和平台,第一节多源异构平台下的地理数据互操作,地理数据互操作特征简单：用户在访问数据的时候无须了解其所属数据源的信息。透明：数据转换和共享的复杂过程对数据用户是透明的。开放：数据交换独立于具体实现技术。有效：数据转换结果是可靠的，能够满足特定用途的需求。方式数据格式转换基于直接访问的地理信息共享和互操作基于网络服务标准的数据共享和互操作,第一节多源异构平台下的地理数据互操作,一、数据格式转换二、基于直接访问的地理信息共享和互操作三、基于网络服务的地理信息共享和互操作,一、数据格式转换,发展阶段不同GIS的数据格式之间的直接转换举例：从ArcInfo的E00格式转换为GeoMedia的数据格式。问题：不仅会导致信息损失，而且只有在详细掌握对方数据结构的前提下才能实现。,ArcView3.2与GeoMedia数据格式转换,一、数据格式转换,发展阶段采用空间数据交换格式标准作为中介我国于1999年颁布了地球空间数据交换格式（CNSDTF），包括矢量数据交换格式、影像数据交换格式和格网数据交换格式。美国的空间数据转换标准SDTS，澳大利亚的ADSTS，英国的NTF。国际标准化组织（ISO）和OGC推出的GML数据格式。,一、数据格式转换,转换过程经历两次转换，一般是整个数据集的批量转换。问题：无法实现地理要素级的在线数据共享和数据更新，所以并不是真正意义上的地理信息共享和互操作。,基于数据格式转换技术的地理信息共享,一、数据格式转换,转换软件概念：一种专门用于不同空间数据格式之间进行数据转换的软件，如加拿大的FME软件。扩展如果这种软件采用组件技术设计，可进行二次开发，添加新的数据格式。,一、数据格式转换,转换软件示例1,空间数据转换软件FME界面,一、数据格式转换,转换软件示例2,ArcGIS数据格式转换工具箱,一、数据格式转换,转换软件转入或转出的数据格式商用软件自定义的外部交换格式，如E00、DXF等。标准数据格式，如SDTS、GML等。空间数据库管理系统的内部数据格式，如ArcSDE，OracleSpatial等。标准接口，如OGC的SimpleFeatureAccessforSQL，SimpleFeatureAccessforCOM，SimpleFeatureAccessforCORBA等。,二、基于直接访问的地理信息共享和互操作,概念一个GIS软件直接读取多个数据源（包括数据库和其它GIS）的不同格式的数据。避免了数据格式转换的繁琐过程。提供了一种较为经济实用的数据共享和互操作模式。,超图产品体系结构,ArcGISDesktop软件界面,二、基于直接访问的地理信息共享和互操作,示例软件GeoMedia实现了对大多数GIS/CAD软件数据格式的直接访问，如MGE、Arc/Info、OracleSpatial、SQLServer、AccessMDB等。SuperMap2.0提供了存取MapInfo、OracleSpatial、ESRIArcSDE、SuperMapSDB文件等的API函数。GeoStar提供了读取ArcInfo的shapefile和E00、OracleSpatial、ESRIArcSDE和MapInfo的MIF数据等的API函数。,二、基于直接访问的地理信息共享和互操作,实现过程主要问题数据格式不公开：直接访问数据的前提是要充分了解数据源的数据格式和数据模型，如果某个数据源的数据格式不公开，直接访问其数据就比较困难。数据格式改变成本高：如果宿主软件改变了原有的数据格式，应用软件的数据访问函数就需要更新和调整，而且针对不同数据格式的数据源需要编写相应的访问函数，这会给软件开发商造成很大的负担和软件维护压力。解决方案：公共数据访问接口OGC和ISO/TC211等国际标准化组织根据不同的通讯协议定义了基于SQL、DCOM和CORBA的公共数据访问接口的API函数。,二、基于直接访问的地理信息共享和互操作,公共数据访问接口应用方式遵循该标准接口进行系统设计与开发。在各自内部私有数据访问接口之上再次包装成标准数据访问接口。,基于标准数据访问接口的地理信息共享,二、基于直接访问的地理信息共享和互操作,公共数据访问接口特点优势：采用二进制格式传输数据，效率很高。劣势：结构复杂不易被理解和应用。,基于标准数据访问接口的地理信息共享,三、基于网络服务的地理信息共享和互操作,网络服务（WebService）概念：一个由统一资源标识码（URI）标识的软件应用程序。运行方式：在HTTP协议之上通过基于XML的消息传递机制实现与其他软件程序之间的交互。特性：自包含、自组织、自描述、模块化、标准化、网络化、开放化、语言独立、可互操作性、动态性等。,三、基于网络服务的地理信息共享和互操作,地理信息网络服务概念ISO、OGC和FGDC等标准化组织依据网络服务、地理信息共享和互操作特性制定了相关标准和规范定义。用户可以通过相同方式访问不同数据源的数据，而无须掌握数据源的位置和内部结构。基于网络服务标准的网络GIS平台ESRI的ArcIMS、ArcExplore、ArcGISServer。地理信息服务组件：网络地图服务（WebMapService，WMS）和网络要素服务（WebFeatureService，WFS）等。,三、基于网络服务的地理信息共享和互操作,地理信息网络服务应用方式不同的GIS系统遵循地理信息网络服务标准开发各自的服务，其他的GIS系统或者客户端通过调用其服务接口访问。不同WebService之间也可以直接调用彼此的服务接口进行交互。,基于WebService的地理信息共享,三、基于网络服务的地理信息共享和互操作,地理信息网络服务特征WebServices不仅仅由GIS系统提供，还可以由用户根据需要自行开发，只要符合地理信息网络服务标准就可以为其他用户提供自己拥有的数据。地理信息网络服务标准是实现网络环境下地理信息共享和互操作的关键。,三、基于网络服务的地理信息共享和互操作,地理信息网络服务示例,自定义位置标注与共享,虚拟世界构建与共享,科学研究数据共享,第二节面向服务的GIS设计,25,第二节面向服务的GIS设计,一、面向服务的系统架构二、面向服务的GIS架构三、面向服务GIS的实现方法,一、面向服务的系统架构,基本概念来源：面向服务的系统架构（Service-OrientedArchitecture，简称SOA）是一种软件体系架构概念，来源于早期的基于组件的分布式计算方式。组成：具体应用程序的功能是由一些松散耦合并且具有统一接口定义方式的组件（服务）构建起来的，每种服务都能提供对该定义功能集的访问。,一、面向服务的系统架构,模式：“发现、绑定和执行”步骤1发现服务请求。服务的请求者通过一个第三方注册中心请求符合需求的服务。步骤2绑定服务请求。如果注册中心有这样的服务，就把服务的契约和地址发送给请求者，服务请求者和服务绑定。步骤3执行服务请求。按照服务契约接收请求者的请求执行。,一、面向服务的系统架构,体系结构服务注册中心服务请求者服务提供者,SOA的体系结构,一、面向服务的系统架构,特点：服务的实现和接口分离把“什么”和“如何”分离开。服务请求者把服务看作是一个支持特定请求格式或契约的端点。服务请求者不关心服务如何执行其请求，只期望服务会执行请求。,SOA的体系结构,一、面向服务的系统架构,具体特性服务是可以发现的并可以动态绑定。服务是自包含的、模块化的。服务强调互操作，即基于不同平台和语言通信的能力。服务是松散耦合的。服务有网络可寻址接口，消费者必须通过网络调用服务。服务具有粗粒度接口，限制通过网络访问实现服务的内部对象。服务是位置透明的、可以组合的。面向服务架构具有从错误状态恢复的能力。,二、面向服务的GIS架构,应用需求地理信息特点：由于地理信息存在分布性和跨度性，还受到时间的影响，使得GIS软件必须具有分布、松散的特点。GIS软件特点：需要在分布的地理空间和多层次的指挥部门间共享数据，GIS软件开发呈现出复杂性、重复性、孤立性和难维护性，软件间的数据共享和集成困难。SOA的设计原则为解决这些问题提供了新的技术支持。,二、面向服务的GIS架构,体系结构GIS服务请求者GIS服务提供者GIS服务注册中心,面向服务的GIS架构示意图,二、面向服务的GIS架构,体系结构GIS服务请求者需要使用服务的应用程序或其他服务。在明确需求后，GIS服务请求者通过对注册中心的服务进行查询，根据接口说明信息和传输协议与服务绑定并执行服务功能。,面向服务的GIS架构示意图,二、面向服务的GIS架构,体系结构GIS服务提供者实现服务的应用程序。服务提供者在实现GIS服务后，向GIS注册中心发布GIS服务接口信息，以供服务请求者查找和访问服务。,面向服务的GIS架构示意图,二、面向服务的GIS架构,体系结构GIS服务注册中心使GIS服务可以彼此查找并相互调用的基础架构。使服务提供者可以发布所提供的GIS服务，使不同的服务请求者可以迅速、准确地查找并绑定所需要的GIS服务。,面向服务的GIS架构示意图,三、面向服务GIS的实现方法,WebService概念：利用一组标准实现的服务，目前SOA的主要实现方式。组成：一系列基于XML的技术规范网络服务描述语言（WSDL）：动态发布Web服务、查找已发布的Web服务以及绑定Web服务。统一描述、发现和集成协议（UDDI）：注册和查找服务，利用通用描述、发现和集成规范建立一个注册中心，用于Web服务的发布、发现和集成。简单对象访问协议（SOAP）：作为传输层，提供一个标准的包装结构，在消费者和服务提供者之间传送消息。,三、面向服务GIS的实现方法,WebService概念：利用一组标准实现的服务，目前SOA的主要实现方式。组成：一系列基于XML的技术规范,WSDL文档示意图,WebService架构示意图,三、面向服务GIS的实现方法,WebService示例,ESRI提供的2010年日本地震WebService,USGS提供的数字高程模型WebService,第三节网格GIS,40,第三节网格GIS,一、网格GIS的概念二、网格GIS的特点三、网格GIS的关键技术四、网格GIS的展望,一、网格GIS的概念,基本概念网格（Grid）技术与GIS相结合而形成的新的发展方向。基础设施：一种汇集和共享空间信息、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。处理环境软硬件：地理上分布、系统异构的各种计算机、空间数据服务器、大型检索存储系统、地理信息系统、虚拟现实系统等。连接：通过高速互联网络连接并集成起来。环境：形成对用户透明的虚拟的空间信息资源的超级处理环境。一个在广域范围内的空间信息无缝集成和协同处理系统。,二、网格GIS的特点,主要特点网格GIS是基于网格计算的。网格计算：通过利用大量异构计算机的未用资源，将其作为嵌入在分布式电信基础设施中的虚拟的计算机集群，为解决大规模的计算问题提供了一个模型。,网格计算概念示意图,二、网格GIS的特点,主要特点形成新的体系结构：客户端是各种各样的上网设备，而连在网上的各种服务器将组成单一的逻辑上的网格。构建虚拟的同构环境：中间件把一个极度异构的环境变成一个虚拟同构环境，用户浏览不被网格的硬件和软件结构的细节所打扰。,网格GIS体系结构示意图,网格GIS虚拟同构环境示意图,二、网格GIS的特点,主要特点具备更强分析功能：具有更强的地理空间信息共享、信息发布、空间分析、模型分析的功能。特别是对涉及到大量空间分析计算的问题，具有并行计算的能力。通过对空间信息网格化和多媒体技术的集成，网格GIS提供给用户的信息不仅仅是矢量化的空间信息，还有动态视频、遥感影像、文字说明等多种信息。,二、网格GIS的特点,主要特点拓展GIS应用领域：网格GIS的应用将GIS的应用扩展至整个社会的方方面面甚至人们日常生活的点点滴滴，使GIS的应用大众化了。网格GIS容易和网上其他信息服务融为一体。通过各种信息导航工具，就可在丰富的网络资源中查到所需的地理信息，并使用各种GIS功能，如制图、空间查询、空间分析等进行信息的二次加工。,三、网格GIS的关键技术|体系结构,构建需求：建立异构分布式、智能化的空间信息网格计算环境。实现异构网络环境下的跨平台计算。支持分布式用户的并发请求并实现最优资源调度。实现网络环境下的多级分布式协同工作机制。,三、网格GIS的关键技术|体系结构,体系结构组成数据资源层网络服务层应用层,网格GIS体系结构示意图,三、网格GIS的关键技术|体系结构,体系结构组成数据资源层一个本地接口，提供资源相关的基本功能和资源调用接口。便于高层网络服务的实现。,网格GIS体系结构示意图,三、网格GIS的关键技术|体系结构,体系结构组成网络服务层包括一系列协议和分布式计算软件。屏蔽网格资源层中计算机的分布、异构特性。,网格GIS体系结构示意图,三、网格GIS的关键技术|体系结构,体系结构组成应用层体现用户需求的软件系统。对低层资源的调用不再需要关心访问的实现机制。,网格GIS体系结构示意图,三、网格GIS的关键技术|关键技术,中间件技术中间件：处于操作系统和应用程序之间的软件。通信+平台通信中间件平台（包括开发平台和运行平台）：一组中间件的集合分类基于RPC的中间件面向消息的中间件基于对象请求/代理的中间件,三、网格GIS的关键技术|关键技术,中间件技术基于RPC（RemoteProcedureCalls）的中间件RPC是传统程序设计语言中过程调用的扩展，被调用的对象可以在分布系统中的任何物理平台上。典型系统：OSF的DCE和SunSoft的ONC+等。,三、网格GIS的关键技术|关键技术,中间件技术面向消息的中间件既适用于客户/服务器模型，也适用于对等网模型。典型系统：SunSoft的ToolTalk、PeerLogic的Pipes和Talarian的SmartSockets等。,三、网格GIS的关键技术|关键技术,中间件技术分类基于对象请求/代理的中间件消息通过ORB（ObecjtRequestBrokers）进行路由选择，ORB同时处理集成和安全方面的问题。典型系统：Microsoft的OLE/COM/DCOM和OMG的CORBA。,三、网格GIS的关键技术|关键技术,GML互操作语言概念提供了一个开放的、用于定义空间地理数据的框架。开放式、跨平台的特性使得各个厂商用户能够遵循同一个规范，使相互之间进行空间地理数据的交换成为可能。,地理数据及其GML语言表达,三、网格GIS的关键技术|关键技术,GML互操作语言,GML几何对象类层次图,三、网格GIS的关键技术|关键技术,GML互操作语言用途进行空间信息描述、共享、交互、存储、传输等。,ArcExplorer利用GML显示地貌渲染数据（ESRI）,三、网格GIS的关键技术|关键技术,WebService技术致力于提供简单的，基于Internet的标准，以解决异构的分布式计算问题。分布式计算技术一个完整的分布式系统由相互协作的多个分布式对象构成，每一个对象完成一部分既定的子功能，对象之间通过发送消息来进行通信。为了完成某项功能，它可以跨越单机和网络在整个系统中迁移，而且该过程对用户和应用透明。,三、网格GIS的展望,网络GIS的开放与大众化GIS的发展基于目前的GIS技术发展态势和现有的应用情况，可以预见，今后将会有更多的GIS应用构建在网络上，网络GIS必将成为城市信息基础设施的重要组成部分。网格GIS的发展必将促使网络地理信息系统走向开放，实现社会化和大众化的GIS。,第四节共相式GIS设计,61,第四节共相式GIS设计,“共相”与“殊相”哲学中的基本概念，最早由柏拉图提出，由此确定了西方哲学甚至整个哲学的主要发展方向。“共相”（Universal）指代普遍性的概念与事物。“殊相”（Particular）指代个别性的概念与事物。,第四节共相式GIS设计,共相问题对当前GIS软件发展的启示作为殊相的GIS软件：过多地依赖于具体技术环境技术环境：如硬件设备、操作系统、开发语言、数据库和数据格式等。一旦GIS软件赖以依存的技术环境发生重大变化，GIS软件就可能被淘汰。共相的启示：对GIS软件进行共相式的概括和抽象提炼出独立于具体技术环境之外的普遍性功能和技术架构。会在很大程度减少GIS平台开发单位因技术变革而带来的大量重复投入。,第四节共相式GIS设计,共相式GIS软件概念能够支持当前任何计算设备（Anydevice）、任何操作系统（Anyoperationsystem）、任何开发语言（Anyprogramminglanguage）、任何数据库（Anydatabase）和任何数据格式（Anydataformat）的GIS平台软件。能以很小代价来支持未来的计算设备、操作系统、开发语言、数据库和数据格式的GIS平台软件。,第四节共相式GIS设计,共相式GIS软件设计对GIS平台软件进行共相式的概