webgis理论技术

摘要地理信息系统（GeographicalInformationSystem，简称GIS）是处理地理空间数据的信息系统。随着分布式计算技术、面向对象的构件技术、网络技术的迅速发展，以及Internet在社会生活中的日益普及，出现了与——WebGIS并迅速成为目前GIS发展的最重要的方向。WebGIS对于GIS的网络化、全球化和真正实用化具有重大意义。本论文对分布式构件化WebGIS系统中的关键技术如分布计算技术、构件技术、面向对象数据库技术等进行了研究和探讨，主要从空间数据库设计以及如何利用空间索引和缓存技术提高空间数据库访问效率的角度，从数据管理的四个方面——数据建模、数据存储、数据访问和数据保护——详细给出了一个基于ORDB的分布式构件化WebGIS原型系统的地理空间数据管理的大体设计和具体实现。这个原型系统的实现为在Internet上开发WebGIS的实用系统提供了基础和一种可能的技术解决方案。关键词：WebGIS，空间数据库，ORDB，空间索引，缓存（CACHE）目录引言二十一世纪是网络的世纪，在这个Internet深入社会各个层次各个角落的时代，任何一门应用科学想要抛开网络技术的应用去研究和发展，无疑都是不智之举。地理信息系统（GeographicalInformationSystem，简称GIS）从它60年代在加拿大诞生之初起，就一直与信息技术息息相关。经过三十多年的发展，GIS在数据建模、空间算法等方面的技术都已经比较成熟，随着分布式计算技术、面向对象的构件技术、网络技术的迅速发展，GIS在与信息技术结合的过程中表现出三个明显的发展趋势：构件式GIS，互操作GIS和基于Internet的WebGIS。WebGIS是GIS与分布式计算技术发展相结合的产物，它将目前作为信息发布共享的平台Web作为一个能够承载地理空间信息的平台，在Web上提供地理空间数据的共享访问。由于在实现WebGIS时，实际上也采用了构件GIS和互操作GIS的优势，将GIS发展与构件技术、互操作技术、分布式计算三大技术结合起来提供一个优秀的超媒体空间信息集成平台，所以分布式构件化WebGIS实际上已成为目前GIS发展的最重要的方向。本文将从地理信息系统的最底层——地理空间数据库的设计和实现入手，通过论述面向对象技术在空间数据库中的应用和利用空间索引技术、缓存技术提高系统访问空间几何数据效率的原理和方法，给出了基于ORDB的WebGIS系统的一种实现方案及其效率考虑。空间数据库与地理信息系统地理信息系统是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统，更确切地说，GIS是以数字化的形式反映人类社会赖以生存的地球空间的现势和变迁的各种空间数据以及描述这些空间数据特征的属性，以模型化的方法来模拟地球空间对象的行为，在计算机软、硬件的支持下，以特定的格式支持输入/输出、存贮、显示以及进行地理空间信息查询、综合分析、辅助决策的有效工具。由GIS的定义就可以看出，正如信息是任何信息系统的基础一样，地理空间数据是GIS系统的基础，而地理空间数据是一个类型繁多、多层嵌套、无限延展和异常复杂的地理信息空间，如何存储和管理这些地理空间数据自然也就成为GIS领域中最基本的研究课题。GIS也因此和空间数据库的关系密不可分。空间数据库提供对空间数据建模、存储、管理和访问的手段，从九十年代初起，随着计算机技术的发展，人们对空间信息系统（SpatialInformationSystem）的兴趣与日俱增，尤其是空间数据库技术，这种兴趣无庸置疑地来源于计算机科学家们在空间数据管理方面受到的科研挑战和艺术领域中潜在的真实世界的重要性。同时，对空间数据库的研究结果也在地理信息系统的商业化实现中大显身手，二者相辅相成，共同发展。始于1989年的大规模空间数据库国际研讨会（InternationalSymposiumonLargeSpatialDatabase，简称SSD）每两年举办一次，从最初重点讨论数据库理论与空间信息系统应用，逐渐发展成为关注数据库管理系统和地理信息系统的结合的研究者、开发商和从业者的主要会议。计算机科学家和GIS专家共同探讨在大数据量的空间数据集的建模、存储和获取方面的发展，讨论来自新的有挑战性的应用领域的要求。新的技术不断涌现，新的富有挑战性的应用需求也不断涌现，我们正处在由数字空间库、互操作性系统、OpenGIS（OpenGeodataInteroperabilitySpecification，开放地理空间数据互操作性规范）和需求推动的新一代的空间数据库管理系统边缘，但无论如何，空间数据建模、空间索引、存储管理和查询处理等一直是被重点讨论的中心议题。在空间数据存储方面，按照存储空间对象的空间数据和非空间数据的空间数据库实现模式，可以将地理信息系统划分为四代：基于文件存储的GIS、文件/数据库混合存储的GIS、用长属性的形式存储空间数据的统一数据库存储模式的GIS和面向对象的GIS。由于面向对象的数据库技术还不够成熟，还没有真正的第四代地理信息系统产品出现，所以在第三代的GIS上引进面向对象数据库技术的思想和概念成为主流的发展趋势。我们的WebGIS系统正是基于这样的空间数据库设计实现的。这将在下文详细论述。WebGIS的发展自从1963年世界上第一个用于土地资源管理的地理信息系统CAGIS在加拿大建立以来，GIS作为一门新兴的学科迅速发展。现在，GIS已经广泛地应用到了世界许多国家和地区的各个部门当中，在地理、环境、地质、农业、林业、水利、电力、城市规划、公用设施管理、国防等方面发挥着巨大的作用。传统的GIS日趋成熟，但随着计算机技术、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的数据。而另一方面，Internet/Intranet技术的发展也为GIS面向社会提供了技术支持，1998年1月31日美国副总统戈尔提出的“数字地球”的概念更是为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关注和支持。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和热点话题，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，GIS才真正成为一种面向网络、面向大众的信息系统。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程度。WebGIS在短短的几年时间内迅速发展，世界各大GIS厂商都纷纷推出自己的WebGIS方案，其中较为成熟的有MapInfo公司的MapInfoProServer，Autodesk公司的MapGuide，ESRI公司的InternetMapServer(IMS)forArcView&MapObject，Intergraph公司的GeoMediaWebMap，Caliper公司的Maptitude等。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、网络环境下的空间信息组织管理等方面，而开发出来的产品原则上也比较一致，都是遵循GIS理论和GIS标准的研究结果，基于Internet网，采用Web技术，采用Client/Server体系结构或多级Client/Server体系结构，利用分布式对象技术如CORBA、DCOM/ActiveX或JAVA，或者几种分布式对象技术的综合使用，来构造WebGIS。WebGIS是一个将地理信息处理和地理信息分布于Web计算平台进行的网络化GIS系统，它是面向对象软件构件技术、信息互操作技术、网络技术发展的产物，结合当前GIS的空间信息科学和分布式计算技术的趋势，对WebGIS的研究重点在以下几个方面：☆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、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，是系统设计实现成功的前提。☆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。☆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。☆空间信息的网络传输协议与智能空间信息代理这是实现分布式处理的核心所在，它实际提供了DCOM/CORBA中的底层透明功能支持，用于空间信息和空间处理的网络定位。智能空间信息代理将Agent技术引入GIS领域，以实现网络上快速有效的空间信息导航。☆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，它的充分研究与良好处理将是实现高层空间信息访问和“数字地球”的关键所在。☆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、非法修改等信息安全性问题。☆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。综上所述，WebGIS的研究涉及很多方面，难以面面俱到地讨论，本文只重点在我们设计实现的分布式构件化WebGIS系统中就空间数据管理和利用缓存、索引机制提高系统效率部分做理论和实践上的探索。论文概貌论文除引言和结束语部分外，一共分为四章。主要内容是围绕分布式构件化WebGIS系统的空间数据管理研究，重点讨论了基于ORDB的空间数据库的设计、实现和如何利用缓存技术和空间索引技术提高访问空间数据库的效率这两大问题。“引言”部分概述空间数据库与地理信息系统的关系和WebGIS的发展。阐述了空间数据管理的研究在地理信息系统中的重要性，并从WebGIS的起源、发展、关键技术和研究重点等方面提出了发展WebGIS的理论与技术问题。第一章“概述”，主要论述WebGIS系统的体系结构问题。首先描述了分布式计算技术的发展经历的五个阶段，目前比较成熟的WebGIS系统的体系结构主要采用其中第四阶段的分布计算模型——多级Client/Server计算模式。通过分析比较现在市场上主要的WebGIS产品的体系结构，给出我们自己的WebGIS系统的体系结构设计方案；第二章“基于ORDB的WebGIS空间数据库设计与实现”，是本论文的重要部分之一。从系统为什么选用对象关系数据库（ORDB）存储WebGIS的空间信息、如何利用ODBC技术提供多数据库支持以及数据管理的四个方面——数据建模、数据存储、数据访问、数据保护——来介绍我们的WebGIS系统中空间数据库的设计和实现。第三章“采用空间索引和缓存技术提高WebGIS空间数据库性能的研究”，是本论文的另一个重要部分。空间索引和缓存技术的有无及其性能的发挥是直接影响到空间数据库和WebGIS系统整体性能的关键因素，因此我们在文中详细讨论了我们的WebGIS系统中对空间索引和缓存技术的考虑和采用的实现策略。空间索引部分包括一些常用空间索引技术的概述，我们系统中的层次网格空间索引的