1、第十講 網絡GIS空間數據管理 .主要內容1 網絡GIS構造模型 2 分布式地理信息共享方式 3 分布式空間數據管理技術 4 網絡GIS中地理空間元數據管理. 網絡地理信息系統是在Internet網絡環境下的一種兼容存儲、處置、分析和顯示運用地理信息的計算機信息系統。國際學術界稱之為WebGIS，這主要是由于大多數的客戶端運用采用了WWW協議。它的根本思想就是在互聯網上提供地理信息，讓用戶經過閱讀器和獲得一個地理信息系統中的數據和功能效力。 的地理信息系統相比，WebGIS具有以下4個特點：.1更廣泛的客戶訪問范圍：客戶可以同時訪問多個位于不同地方的效力器上上的最新數據，而這一Internet

2、所特有的優勢大大擴展了GIS的數據管理才干，加強了對空間數據管理的時效性。2客戶端平臺獨立性：無論客戶端是何種操作系統，只需支持通用的Web閱讀器，用戶就可以訪問WebGIS數據。.3更簡單的操作：要推行GIS，使GIS系統為寬廣的普通用戶所接受，而不是僅僅局限于少數受過專業培訓的專業用戶，就要降低對系統的操作難度。通用的WebGIS閱讀器無疑是降低操作復雜度的最好選擇。4平衡高效的計算負載：傳統的GIS大都運用文件效力器構造的處置方式，其處置才干完全依賴于客戶端，效率較低。而當今一些高級的WebGIS能充分利用網絡資源，將復雜的處置交由效力器執行，而對簡單的操作那么由客戶端直接完成。這種計算

3、方式能靈敏地在效力器端和客戶端之間合理分配處置義務，提高網絡計算資源的利用效率。.1 網絡GIS構造模型1.1 WebGIS的B/S 3層構造 1.2 基于中間件的B/S 多層構造 1.3 WebGIS的互操作模型 .1.1 WebGIS的B/S 3層構造常見的WebGIS的構造體系是由數據庫、運用效力器和客戶端組成的3層構造體系見以下圖。 WebGIS效力器 GIS 應 用 服務器 WebGIS計算模型 WWW效力器地理數據庫閱讀器1閱讀器n.它把數據庫和地理信息系統的運用邏輯分開，相對于最初的兩層構造，數據庫的改動對運用的影響減少了。經過HTTP協議，客戶向Web效力器懇求數據效力，效力器

4、前往HTML方式書寫的效力頁面。按照閱讀器和效力器端功能的多少，構造體系可以劃分為胖客戶器/瘦效力器和瘦客戶器/胖效力器兩種。但隨著運用的復雜度添加，客戶對運用效力器的訪問頻率添加，單一效力器和復雜的運用程序無法快速處置大量的地理信息系統效力需求。中間件技術的出現改良了傳統方式的B/S體系。.1.2 基于中間件的B/S 多層構造假設WebGIS運用是建立在分布式數據庫上，那么為了加強效力器的處置才干和速度，效力器端的GIS運用也要求是分布式的。中間件技術是處理這一難題的有效途徑。圖1-2是一個基于中間件技術的WebGIS系統模型，用戶的懇求由中間件處置。GIS運用效力器不是一個進程，而是有多個

5、中間件組成的分布式的多個進程。中間件相互調用，一個進程是另外進程的客戶的同時又是別的進程的效力，調用關系比較復雜。進程所訪問的地理數據庫也不再是單個的數據庫，能夠是一個分布式的異質數據庫。. 相互調用的GIS多層中間件 懇求客戶端閱讀器圖 基于中間件的WebGIS B/S體系 GIS運用中間件 GIS運用中間件 GIS運用中間件 應對GIS數據庫1GIS數據庫2GIS數據庫n.目前分布式計算的中間件技術主要有CORBA，DCOM和EJB等。其中，CORBA體系是最有出路的一種，它實現了異構平臺的互操作；與此對應的是，DCOM模型一統Window平臺，曾經成為Windows平臺的市場規范；而SU

6、N公司大力提倡的EJB體系，也在逐漸的開展。 .1.3 WebGIS的互操作模型目前已投入運用的根底GIS和運用GIS多是基于詳細的、相互獨立和封鎖的平臺上開發出來的，它們沒有一致的規范，各自采用不同的數據格式、數據存儲和數據處置方法，從而無法直接進展運用系統之間的數據共享。隨著現代科學技術的開展，尤其是計算機硬軟件技術的迅速開展，大量信息產生并經過計算機進展處置，因此，如何讓不同的系統能共享地理數據，即使數據能在不同的系統下相互操作顯得非常重要。 .為了能使不同的GIS軟件之間具有良好的互操作性，以及在異構分布數據庫中共享信息，防止反復的數據輸入和處置，由此便產生了開放式地理信息系統Open

7、 GIS。一開放式地理信息系統OGIS及其特點.OGIS是由美國開放地理信息結合會OGCOpenGIS Consortium制定的開放地理數據互操作規范的簡稱。按照定義，OGIS為軟件開發者提供了一個接口框架，用戶可以在一個開放信息技術環境中經過一致的計算接口訪問和處置不同來源的地理數據。 .為了實現不同運用程序間可互操作地理數據，OGIS為這些數據規定了各種數據規范類型和在這些規范類型上所實施的操作，以及如何將這些規范數據類型組織成運用程序之間交互的地理數據；它還規定了共享地理數據操作的規范，運用程序可以經過這些規范，得知提供地理操作的效力及如何懇求這些效力；或者從效力提供者的角度來看，得知

8、一個懇求是數據懇求還是效力懇求。.OGIS的這些規范是建立在現有的和將要成為規范的分布計算平臺的根底之上的，如以下圖所示。因此，它并不涉及如何將不同運轉環境中的運用程序銜接起來相互通訊的問題。為了利用以往的地理數據，維護原有投資，以及保證未來方便地引入新的管理、支配地理數據的方法，OGIS規范也不定義如何存儲地理數據和處置地理數據的方法。.GIS 應 用 軟 件 開 發 能 力 界 面 規 范 功 能 接 口 數 據 模 型 OGIS 規 范 和 協 議 分 布 計 算 特 性 操 作 系 統 / 軟 件 環 境 硬 件 環 境 圖 GIS開發系統構造圖 運用層 平臺層 OGIS層 環境層 .

9、運用程序之間真正意義上的地理數據共享或者互操作，不僅在于雙方能了解一樣的數據格式，更重要的是對這些地理數據中所包含的應意圖義也有一個共同的了解，這種語義上的一致是由互操作地理數據的運用團體雙方達成的。而 OGIS那么為這種一致的達成提供了語義表達與轉換機制。OGIS將運用或消費不同應意圖義地理數據的團體或運用程序劃分為不同的信息團體，地理數據中保管的描畫運用語義的數據將由這些信息團體來處置和轉換。.基于OGIS的運用程序或軟件組件具有如下特點：1. 互操作性 OGIS提供地理數據和地理操作的規范接口，這些接口支持孤立系統和網絡，以完成運用程序之間的地理數據訪問和交換；分布式的客戶/ 效力器構造

10、的地理操作和分布式對等實體的地理操作。2支持信息團體性 具有不同的運用背景的用戶可以方便地交換地理數據而不會呵斥語義的誤解和損失。3普適性 經過OGIS定義的規范接口和協議，一切的運用程序，無論是屬于哪個專業領域，都可以方便地處置地理數據。4兼容性 由于OGIS并不定義地理數據的存儲格式和處置方法，因此基于OGIS的運用程序將可以與舊有的地理數據堅持兼容。.5可移植性 OGIS獨立于軟件、硬件及網絡環境，因此，它不需修正便可在不同的計算機上運轉。6可擴展性 硬件方面，可在不同軟件、不同檔次的計算機上運轉，其性能和硬件平臺的性能成正比；軟件方面，可以隨著新的地理數據類型和處置方法的開展而開展，它

11、具有包容新的地理數據處置技術和新的分布計算平臺技術的才干。7可伸縮性 基于OGIS的運用程序通常由相對獨立的軟件組件構成，這些組件可以為各種計算環境重新配置，而不用思索數據量的大小。.二OGIS的組成部分OGIS軟件框架主要由3部分組成：一致的開放式地理數據模型；一致的地理操作效力模型和實現團體間的地理數據和操作資源共享的信息團體模型。OGIS提供了一個與程序設計言語、硬件設備和網絡環境無關的開放的地理數據模型Open Geodata Model,OGM。在OGM中，現實世界的地理事件分為兩類： 實體Entities占據一定空間范圍的可區分的對象，例如：建筑物、河流、田地、觀測站等； 景象Ph

12、enomena在空間中延續變化，但又不占據特定的空間，景象的值或描畫只需相對于空間中的某一點才有意義，例如：溫度、人口密度等。 .和現實世界的籠統對應，在OGIS中的根本對象是要素Feature和覆蓋coverage。要素是對現實世界中實體的籠統或描畫。它可以代表任何存在于時間和空間中的事物。要素通常分組來管理，稱為要素集。覆蓋是時間/空間范圍中的一個地點到一個值可以是任何類型的關聯。覆蓋是時間/空間域到屬性域的函數。覆蓋通常用來表示景象。 現實世界、籠統模型和OGM之間具有如以下圖所示的對應關系。. 現實世界 籠統模型 OGM 離散的對象 實 體 要 素 延續的對象 現 象 覆 蓋 地點、時

13、間 位 置 幾 何 體現實世界、籠統模型和OGM的對應關系 .2.信息團體模型所謂信息團體指的是這樣一個人群，他們在特定的時間內運用一樣的數字化地理信息系統術語和一樣的空間要素定義，即是說他們在地理籠統、要素表示和元數據方面有著一樣的看法和商定。信息團體模型主要義務是處理具有一致的OGM及語義描畫機制的一個信息部門內部以及具有不同OGM及語義描畫的信息部門之間的數據共享問題。 .3.OGIS效力模型OGIS效力模型是定義地學數據效力的對象模型，由一組相互可操作的軟件構件集組成，為對要素的訪問提供對象管理、獲取、操作、交換等效力設備。詳細地說，它有以下幾方面的功能：1)提供了一種方法，經過它能從

14、OGM的數據類型構成詳細的數據模型，查詢數據以及將可共享的數據編制成目錄。2)提供了一種機制，經過它能定義和建立信息團體以及建立它們之間的聯絡。3)提供了一種手段，使得能對OGM定義的數據類型，用戶定義數據類型以及其它的功能進展操作。.2 分布式地理信息共享方式2.1 原始數據下載 2.2 靜態地圖顯示 2.3 元數據搜索 2.4 動態地圖顯示 2.5 數據預處置 2.6 基于Web的GIS查詢和分析 2.7 能呼應網絡的GIS軟件 .分布式空間數據庫系統由假設干個站點集合而成，這些站點又稱為節點，它們經過網絡銜接在一同。每個節點都是一個獨立的空間數據庫系統，它們都擁有各自的數據庫和相應的管理

15、系統及分析工具。整個數據庫在物理上存儲于不同的設備上，而在邏輯上那么是一個一致的數據庫。在運用時，用戶可以不思索數據存儲的詳細物理位置，就象對集中式數據庫一樣來訪問分布式數據庫。分布式空間數據庫有如下特點：1在分布是數據庫系統里不強調集中控制概念，它具有一個以全局數據庫管理員為根底的分層控制構造，但是每個部分數據庫管理員都具有高度的自主權。 .2數據獨立性，在集中式數據庫系統中，數據獨立性包括兩個方面：數據的邏輯獨立性與數據的物理獨立性，其含義是用戶運用程序與數據的全局邏輯構造、數據的存儲構造無關。 3適當的數據冗余，與集中式數據庫系統不同，數據冗余在分布式系統中被看作是所需求的特性。 分布式

16、地理信息效力從簡單到復雜分為七種類型 .1 原始數據下載效力器用于傳輸文件，數據集直接來自GIS，雖然通常直接被打包如ARC/INFO輸出文件或重新格式化如重構為規范傳輸格式，如SDTS和DIGEST。然后數據集置于便于網絡傳輸的文件系統，通常是FTP或Web效力器。 .2 靜態地圖顯示地圖圖像文件一旦創建，就如其它方式的圖形圖像一樣在Web上分布，在用戶閱讀器端作為HTML文檔或按圖像本身顯示。Web效力器端和閱讀器端都沒有地理數據的計算處置。該方法雖然技術簡單，但能夠回擁有最廣泛的用戶，由于對閱讀器和用戶要求最少。.3 元數據搜索元數據搜索從根本上是一個數據庫查詢運用，具備簡單的空間查詢才

17、干。元數據庫由數據組成，這些元數據是對某一個部門的地理信息系統的構造化的描畫。該類站點的最著名的例子就是美國國家地學空間數據交換站點NGDC-:/。該效力實踐上提供了一個能訪問分布于世界各地的元數據庫的中央搜索界面。.4 動態地圖顯示地圖不是靜態的，而是根據用戶選擇的參數，如比例尺、位置和專題即興繪制。地圖要么經過DGI網關程序由規范GIS系統如Mapinfo,Arcinfo傳輸，要么由地圖發生器產生，該發生器是一個為動態制圖特別編寫的程序。任一方式中，地圖均可以從一個站點或多個空間數據集繪制。該類站點大多采用“輕客戶端戰略。該方案對用戶無特別GIS專業要求，只需會用Internet就可。它具

18、有交互性，但占用大量帶寬，效力器因能夠不得不同時為不同客戶產生好幾幅地圖而負載過大。.5 數據預處置這項效力適于擁有本人的GIS的用戶。許多底端GIS軟件，如Mapinfo，缺乏諸如格式轉換、投影變換等空間數據預處置才干。數據預處置器可輔之以這些功能。這種運用的目的是加強原始數據下載效力。數據傳輸之前作一些初步處置。最有用的運用包括數據集重格式化，以符合客戶端GIS軟件本地格式；投影方式和坐標系統變換，以與用戶本人的數據相匹配。.6 基于Web的GIS查詢和分析客戶端可以完成GIS一切的功能。如屬性查詢、緩沖區分析、迭加分析、分類、地圖顯示，甚至數據編輯。可以完全控制哪些操作可得，哪些數據集可

19、視。這一類效力要求作編程任務，由于用戶不直接訪問效力器方的GIS。這意味著，必需為用戶想訪問的詳細操作定制界面。這包括：創建腳本，以處置這些懇求和輸出結果。目前大多數這樣的效力采用重效力器戰略，因很難在客戶端編程定制強大的GIS功能。.7 能呼應網絡的GIS軟件能呼應網絡的GIS軟件是Open GIS ConsortiumOGC的主要目的之一。OGC的使命就是加強異構GIS平臺間互操作的才干。OGC所展望的、處于一個分布式計算環境中的GIS，包含分布于Internet上的、能彼此交流和共享數據的GIS客戶。這些能呼應Internet的GIS客戶端至少具備三個主要才干。1遠程文件訪問分布式地理信

20、息效力的第一種類型原始數據下載要求用戶在運用數據前先將數據集下載到磁盤。相反，網絡通軟件能好像讀取本地數據集一樣容易地讀取遠程數據。.2各種數據格式了解因數據能夠來自各種不同的計算機及軟件，網絡通GIS程序必需能讀取許多以不同格式存貯的數據。一些GIS軟件，如ESRI的Arcview正在努力實現此目的。這也是OGC的使命之一：OGC旨在添加異構GIS平臺互操作的才干。3實時投影轉換和空間位置匹配實時投影變換和位置匹配能讓用戶比較和復合不同來源的、具有不同投影方式和坐標系統的數據集。大多普遍GIS軟件具備投影變換方式和坐標系統功能，但通常是將一個文件轉換成與新投影方式對應的另一個文件。能呼應網絡

21、的GIS卻能即時完成投影，即繪制空間點的同時作變換操作，而不改動原始文件。 .3 分布式空間數據管理技術在分布式空間數據管理上，網絡技術為數據分布存儲提供了根底，它可以將異地配置的假設干空間數據存儲站點銜接起來，實現不同站點之間空間數據庫的透明銜接。為了實現空間數據由集中式存儲管理向分布式存儲管理的變化，就要處理一系列的技術問題，如網絡技術、多源數據綜合管理技術、數據傳輸技術、空間數據搜索引擎技術、系統平安技術等。.3.1 網絡通訊技術 3.2 管理空間元數據及其管理 3.3 數據冗余與一致性 3.4 數據效力技術 3.5 空間數據搜索引擎技術 3.6 數據無縫銜接技術 3.7 數據快速更新技

22、術 3.8 數據中轉技術 3.9 數據傳輸隊列技術 3.10 系統平安技術 .1 網絡通訊技術良好的通訊機制是實現分布式數據庫系統的根底。目前的一些開發工具提供了直接訪問遠程數據庫的才干，但大部分都沒有提供直接的音訊傳送機制。而作為分布式系統，直接的音訊傳送機制是系統通訊的重要組成部分。分布式數據庫管理系統中的音訊傳送機制是經過運用Windows socket音訊驅動程序實現的。普通運用“可定制用戶對象在客戶機和效力器之間經過函數傳送信息。 .2 管理空間元數據及其管理空間元數據庫中存儲了系統中全部空間數據庫的某些規范屬性，以便進展總控管理。在中心效力器上存儲著一個總的空間元數據庫，而在各個空

23、間數據庫效力器上又各自有一個較小的空間元數據庫，它描畫了本站點上一切空間數據庫的情況，一切分站點上空間元數據的總和該當等于中心效力器上總的空間元數據庫。此外，空間元數據庫的管理還包括空間元數據庫的建立、空間元數據內容的輸入，空間元數據的查詢與發布等根本功能。 .3 數據冗余與一致性為保證系統中數據的平安，在系統發生部分缺點仍能堅持對發生缺點部分的數據的正常訪問，系統在其他節點保管該部分數據的副本，這也就帶來了數據的冗余及一致性問題。用戶對假設干數據副本中的任一個的修正必需同時反映到一切副本中去，否那么系統中的數據不一致將會帶來系統的混亂。.4 數據效力技術在分布式空間數據庫中，空間數據分布于各

24、個數據效力器上。在運用這些數據時，普通由客戶端向中心效力器發出數據懇求，中心效力器在接受懇求后，調用總的空間元數據庫，確定存儲所需數據的效力器，然后向詳細的數據效力器發出數據懇求，由相應數據效力器上的效力程序從有關空間數據庫中生成所需求的數據，并將結果傳回中心效力器，進而傳回客戶端。 .5 空間數據搜索引擎技術空間數據搜索本身就是一個非常復雜的問題，由于空間特征的語義表達缺乏一致的規范，而地理特征之間的關系運算量也非常大，因此搜索的效率也就比較低。在分布式存儲的情況下，數據的總量急劇上升，且在搜索時要大量涉及客戶端與效力器端、效力器端相互之間的協調問題，因此問題更為突出，必需根據分布式數據庫的

25、框架對空間搜索算法進展優化，以滿足空間數據庫搜索的需求。.空間數據庫效力和空間數據庫搜索的不同之處在于調用數據效力器的數量。普通來說，每次數據效力懇求的命令都是發到一臺數據效力器，由該效力器上的效力程序將所需求的數據生成并傳回，雖然不同的命令所發往的數據效力器能夠不同。對于空間數據搜索來說，每次搜索都要在一切數據效力器站點范圍內進展，即命令要發到一切的數據效力器上，并由各自效力器上的效力程序完成對站點上數據庫的搜索，一切這些搜索結果再傳回中心效力器并進展綜合，最后將綜合的結果傳回客戶端。.6 數據無縫銜接技術空間數據的格式有多種多樣，如不同的傳感器所獲取的遙感圖象格式各不一樣，不同地理信息數據

26、庫建立者所產生的數據各有特點，而不同站點上的數據用途及格式也不同，一切這些數據都應成為整個分布式空間數據庫的組成部分，這就要處理它們之間的無縫銜接問題。.7 數據快速更新技術分布式空間數據庫的更新表達在多個方面，必需分別制定合理的更新方法。例如，可以有新的空間數據站點參與進來，從而擴展了數據庫的范圍，這時要將新站點注冊到中心效力器，并用其空間元數據庫的內容來補充中心效力器中的元數據庫；有的數據站點根據方式的變化而必需退出分布式空間數據庫，這時要在中心效力器上注銷相應的數據效力器，并在總的元數據庫中刪除有關元數據；在某個數據站點內部，隨著時間的變化，能夠生成了新的空間數據庫，這時要將新數據庫的空

27、間元數據發送到中心效力器，以便及時更新總的空間元數據庫；在很多情況下，數據站點上的數據庫個數及稱號都沒有發生變化，而某些數據庫的內容卻發生了變化，這時只需像集中式數據庫的更新那樣更新相應的數據庫即可。.由于各個站點上空間數據庫的更新是各自獨立完成的，而很多情況下它們要引致對中心效力器上元數據庫的更新，這就存在并發控制問題，可以經過在架構程序的內部設置命令來更新隊列，從而使得總元數據庫的更新依命令接納時間次序進展。.8 數據中轉技術在某些特定條件下，有的數據效力器能夠會與中心效力器聯絡中斷，但卻與另一臺數據效力器聯絡暢通，即可以經過該效力器中轉，因此必需存在數據庫效力器之間的轉發機制，這可以經過

28、數據庫效力器上的架構程序來完成。源效力器上的架構程序擔任發送數據，而目的效力器上的架構程序那么擔任接納數據，并將它發往中心效力器。數據中轉的最初命令仍是由中心效力器發出，中心效力器在需求某個數據效力器上的數據而又不能與其連通時，就會將命令發向另一臺數據效力器，由該效力器向要銜接的數據效力器轉發數據懇求命令，假設仍不通，中心效力器就會重新選擇一臺數據效力器，直到可以中轉為止。數據效力器在收到中轉過來的命令以后，就會根據要求將數據發出。.9 數據傳輸隊列技術在分式空間數據庫的運用流程中，經常要將數據同時懇求發到各個數據效力器，有些還是經過中轉而發，這樣就會同時有大量數據往中心效力器傳輸，因此在中心

29、效力器必需有一個接納分時控制程序，以保證數據接納的正常運轉。從每臺數據效力器來看，它能夠接納了多條數據懇求，要與中心效力器及其他數據效力器進展數據傳輸，因此必需有一個隊列管理程序來控制一切數據傳輸義務的執行。.10 系統平安技術系統的平安性，即保證系統在部分缺點條件下能繼續運轉并且系統中的數據無喪失景象，它是設計分布式數據庫管理系統所必需思索的問題之一。在系統運轉的任一時辰，都由中心效力器對整個系統進展維護，包括系統空間元數據的維護、平安權限管理等。同時，在中心效力器出現缺點時，系統中的任何一臺數據效力器都有能夠被提升為中心效力器，這就需求將一切空間數據庫效力器上的元數據庫傳輸到新的中心效力器

30、，并由該效力器對它進展管理和維護。為了保證分布式空間數據庫系統的平安性，可以采取系統登錄檢測、系統操作權限的控制、存取控制、運用日志、權限分級等技術。.4 網絡GIS中地理空間元數據管理隨著地理空間數據集的數量、復雜性和多樣性的添加，一個順應該數據集共享的規范化規范和管理系統也就應運而生，這就是Metadata網絡管理系統，它也是網絡地理信息系統WebGIS必不可少的一部分，經過它可以了解WebGIS系統所提供地理空間數據的情況，如：有什么數據？數據質量如何？數據有哪些格式？以什么方式在哪兒可以得到數據？等等和數據有關的信息。經過這些信息可以實現不同部門、不同專業領域的地理空間數據的網絡共享，從而可防止因地理空間數據的反復搜集、錄入和處置而導致的大量時間、資金、人