1、1Web GIS 发展及其分布式客户/服务器模型研究1. 引言“Internet”近年来已成为家喻户晓的名词。许多登载在报纸、杂志、电视，甚至招贴栏里的广告都注有互联网网址。网络的发展对我们的将来有着深远的影响，网络用户和信息数量正在以惊人的速度增长。在我们的工作、学习和生活中，网络应用处处可见。WWW（ World Wide Web, 万维网） ，又称 Web，是一个分布式的超媒体系统（Kelly，1993 ） ，它的开发基于客户机/ 服务器模式，客户端发送请求给 Web 服务器，功能强大的服务器运行后把结果（文本、图形、图象）送回客户机并显示（Kelly，1993） 。Web 是一个庞大易
2、使用的全球数据和信息资源库，其中也包括数量可观、以地图形式表达为主的地理信息 1。经过十几年的发展，传统的 GIS 技术已基本成熟，商业软件也日益丰富完善，已经应用到多个行业。但随着 Internet 技术的发展，特别是万维网的出现和普及，在万维网上运行 GIS 已成为新的客户需要。2. Web GIS 的基本特征及优点Web GIS 可简单定义为基于 Web 环境的 GIS。当前 Internet/Intranet 正在以惊人的速度迅速膨胀发展，在这样的形势下，如何将 GIS 引入 Internet/Intranet 世界，使 GIS 充分利用和发挥互联网的优势，就成为 GIS 发展研究的一
3、个重要课题。从系统集成的角度，综合 OpenGIS2, ESRI3, Intergraph4的观点, 基于万维网的 GIS 应具有以下特点：首先 Web GIS 是一个开放系统。注重数据共享、软件重用、跨平台运行和易于集成等。简单地说，它能够共享多种来源、多级尺度、存放在不同地点的地理数据；能够通过对象管理、中件和插件等技术手段与非 GIS 系统（如 Delphi）集成；并能够通过Java、CORBA、DCOM 等技术跨平台协作运行，支持用客户机/服务器模式等。开放式系统使 GIS 用户、软件开发者、系统集成者都得到益处。其次，Web GIS 适合在万维网环境中运行。将 GIS 软件与 Web
4、 服务器集成，通过普通浏览器，用户可以在任何地方操纵网络GIS，享用地理空间信息服务，从而将 GIS 扩展成为公众服务系统；同时拓宽地图出版渠道，降低数据散发成本，提高地理数据共享程度。最后，Web GIS 支持数据分布（data distribution）和计算分布(distributed processing)。GIS 服务器为局域和远程用户提供 GIS 服务，如地理数据目录服务，地理数据存取服务，地理空间分析服务，地理模型系统服务，地理空间可视化服务等。通过互操作技术，一个 GIS 处理过程可由多个 GIS 服务器协调完成，它们共享分布的数据对象，在多个不同的平台上协同运行，最大限度地利
5、用网络资源5。与传统的基于桌面或局域网的 GIS 相比，Web GIS 具有以下优点：1. 更广泛的访问范围。客户可以同时访问多个位于不同地方的服务器上的最新数据，而这一 Internet/Intranet 所特有的优势大大方便了 GIS 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. 平台独立性。无论服务器/客户机是何种机器，无论 Web GIS 服务器端使用何种2GIS 软件，由于使用了通用的 Web 浏览器，用户就可以透明地访问 Web GIS 数据，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。3. 可以大规模降低系统成
6、本。普通 GIS 在每个客户端都要配备昂贵的专业 GIS 软件，而用户使用的经常只是一些最基本的功能，这实际上造成了极大的浪费。Web GIS 在客户端通常只需要使用 Web 浏览器（有时还要加一些插件） 。其软件成本与全套专业 GIS 相比明显要节省得多。另外，由于客户端的简单性而节省的维护费用也不容忽视。4. 更简单的操作。要广泛推广 GIS，使 GIS 系统为广大的普通用户所接受，而不仅仅局限于少数受过专业培训的专业用户，就要降低对系统操作的要求。通用的 Web 浏览器无疑是降低操作复杂度的最好选择。5. 平衡高效的计算负载。传统的 GIS 大都使用文件服务器结构的处理方式，其处理能力完
7、全依赖于客户端，效率较低。而当今一些高级的 Web GIS 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，而对数据量较小的简单操作则由客户端直接完成。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。开发基于万维网的开放式 GIS，需要多种技术的支持，包括 Internet/Intranet 技术；数据库管理技术（DBMS） ；面向对象方法；客户机/服务器模式（ Client/Server） ；分布式平台技术（Distributed Computing Platform） ；插件技术（Component Plugging Sof
8、tware） 、嵌入技术（如 OLE） 、中件技术（Middleware）和 Java 小程序（Applet） ；多媒体数据操作标准ISO，地理数据目录服务技术（ Geodata Catalog Service） ，数据仓储技术，地理信息高速公路设施（如美国的 NSDI）和 Web Server 等。下面，笔者将主要就分布式地理信息客户机 /服务器模型（Distributed GIS Client/Server Model）和构件化的分布式 Web GIS 模型（Component-based Distributed Web GIS Model）技术进行探讨。3. 网络环境下分布式 Web G
9、IS 客户机/ 服务器模型GIS 技术的发展与计算机技术的发展密不可分。最初，工业界和应用部门在设计开发和维护大型的 GIS 软件和应用系统时采用的是大型的基于主机系统的 GIS 软件和应用。这些系统都包含有各自独特的显示单元，功能模块和数据存取单元。它们基本上是不能与其他系统共享数据的。随着计算机技术的发展，这种巨无霸系统因其高价低效很快让位于关系数据库技术和客户/服务器模型系统。客户 /服务器系统通过利用网络、个人计算机、图形用户界面和关系数据库把集中式的巨无霸系统分解为较小的单元，从而简化了复杂的信息系统的开发与管理。近年，这一模式被引入 GIS 系统设计中。客户/服务器系统把 GIS
10、应用分解为两个部分：客户单元和服务器单元。客户单元包括应用的表达单元（图形用户接口）和部分功能单元（分析、转换和制图等） 。服务器单元是GIS 的功能单元的组合。数据存取单元可以放在客户端或者服务器端。这仅仅取决于实现的策略。具体而言，这种模式实际上是利用中间件技术，使 GIS 作为关系数据库（RDBMS）的前端应用，其间的联结部分就是数据存取单元，典型的客户/服务器架构的GIS 如图 1。地理信息系统 （存储/检索/管理） 联接器 数据库管理系统 数据库3图 1 客户/服务器架构的 GIS3.1 网络环境中分布式地理信息和 GIS地理信息的本质特征是基于空间位置的信息，空间位置不同，地理信息
11、也就不同，因此它在空间上是分异的。地理信息系统可被视为一个获取、存取、编辑、处理、分析和显示地理数据的系统，所以分布性是系统的固有属性。最初的地理信息系统都是针对某一特定用户和用途的专门系统，数据是不能共享的,更不必说分布式操作了。随着 Internet 和WWW 技术的发展和普及，WebGIS 改变了传统的 GIS 运行模式，使用户可以在远程使用GIS，对 GIS 产业和技术发展意义重大。根据 Internet 构成特点，分布的 Web GIS（图 2）可划分为四个层次：主要城市 GIS 中心、县市级 GIS 服务站、Internet 服务网络和普通Internet 用户。Internet/
12、Intranet 图 2 分布式 GISGIS 中心服务器包括网络服务器、数据管理服务器、GIS 服务器、Web 服务器等。操作系统一般采用 UNIX 或 Windows NT 或 Sybase 数据库系统，或中低档的 Sybase Anywhere，或简单易用的 FoxPro；数据存取采用较流行的 ODBC 或 JDBC 等数据库连接标准；GIS 软件可选用 ESRI 的 SDE，Mapobject 等。GIS 服务器提供数据存取、地图显示、空间分析、模型管理、目录索引等服务，通过扩充 Web 服务器，使 GIS 服务器透过 Web服务协议为用户提供地理信息服务，GIS 服务器的设计是 We
13、b GIS 的核心之一。3.2 基于 Web 的地理信息系统客户机 /服务器模型适应网络技术的发展和地理信息系统分布特性，Lin 和 Zhang 提出了一个开发体系的GIS 服务器模型，对 GIS 服务类型作了划分，并描述了它们之间的关系；Li 总结了基于Web 的 GIS 模型，在这些模型基础上，孔云峰等人对地理数据进一步划分，结合 GIS 运行环境，将 GIS 客户机/服务器模型表示如图 3。该模型共分六个部分：数据库、GIS 服务器、Web 服务器、GIS 服务器、GIS 服务代理、本地 GIS 应用软件和远程用户 GIS 应用软件 5。与普通信息系统相比，地理数据库内容较复杂，主要包括
14、五类数据：Web 主页数据、地理空间数据和属性数据、数据目录数据、地理分析数据等。GIS 服务器是指能够为网络用户提供各种地理服务的软件系统和硬件系统的总称。服务包括数据存取、地图显示、空间分服务器局域网络工作站各级 GIS Server各级 GIS Server4析、模型管理、目录检索等。本地地理应用软件，指在本地 LAN/Intranet 环境中运行的系列软件，如空间数据维护管理，包括空间数据采集、空间数据目录管理等；属性数据维护管理包括空间属性数据管理和非空间关系型数据管理；评价模型维护管理地理空间查询系统等。本地地理应用软件内容丰富，它为本地区提供地图服务、空间信息管理服务、地理问题分
15、析等服务。远程用户地理应用软件，是通过 Internet 协议通讯，为远程用户提供空间信息服务的软件。3.3 Web GIS 客户机/服务器模型系统应用分析 随着 Web GIS 的迅速发展，近年各大 GIS 软件厂家纷纷推出通过 Web 提供交互式成图功能的工具。ESRI 公司最近推出了 Internet Map Server for ArcView，而 MapInfo 也已增强和重新打包了它的 Web 服务器，称为 MapXtreme。在应用系统方面，国外著名的 GIS软件公司的网站上已大都使用了 Web GIS 技术，如 http:/, http:/ 等。国内如中国经济信息网公众信息部与
16、国家信息中心数据库联合开发的中经网地图信息服务系统 （网址：http:/） ，可为用户提供地理位置检索、信息分类查询和模糊检索等服务内容。综观这些 Web GIS 系统，从实现形式上可分为以下两类：1. 基于服务器的动态（dynamic）Web GIS这类 GIS 系统是目前 Web GIS 实现的主要形式。实际上，最早的 Web GIS 出现时，是简单地将固定的地图图片链接到网页上，对于所有的用户查询，系统返回的是预先制成的相同的地形文件和数据。这种方案的局限性显而易见，随后的改进方案是在服务器端使用CGI（Common Gateway Interface）技术，由 CGI 程序负责处理用户
17、输入，将用户的操作指令传递到运行在后台的 GIS 服务器，然后将服务器返回的结果反馈给用户。这种动态操作空间数据库生成查询结果图形和数据的方式，我们称为动态的 Web GIS，其中 CGI 可以用任何一种能运行在服务器上的语言 C、C+、VB，甚至是 Perl、Shell Script 等解释型语言写成，近期许多网站开始用 ASP（Arctive Server Pages）来代替 CGI，它们的原理不同，但所起的作用是一致的，都管理和传递输入输出。动态的 Web GIS 有以下特点：（1）基本不用改变原有的 GIS 服务器端的调用函数，构造 Web 时较为简便迅速，开发效率高。 （2）针对不同
18、的用户操作完成相应的响应，能完成 GIS 的大部分功能。 （3）对服务器要求高。由于用户发出的所有指令最终都由 GIS GIS 服务器( 包括数据存取、地图显示、空间分析、模型管理、目录管理等)GIS 服务代理Web 服务器应用软件空间数据维护管理属性数据维护管理评价模型维护管理地理空间查询系统等HTTP 浏览器(HTML、Java、 Javascript 等)服务器群 客户机群主页数据 地理模型 属性数据空间数据目录数据图 3 一种基于万维网的分布式地理信息服务模型5Server 来完成，用户端实际上起了一个图形终端的作用，致使服务器端负担过重，要求服务器端的硬件速度快，内存容量大。当用户数
19、量多时，容易在服务器端形成瓶颈，进而影响整个系统的效率。 （4）由于回传用户的地图是在服务器生产的图象数据，因此网络数据流量较大，在慢速的网络上用户的等待现象十分突出。2. 与动态 Web GIS 相对的是客户机 /服务器均响应的主动（ active）Web GIS。主动的 Web GIS 方式不是有服务器包办处理用户的一切请求，而是通过服务器向客户端发送一运行在本机上的客户程序。这个程序可以与用户相交互，处理用户的一些简单请求，如地图的开窗、放大等，所需的矢量地形数据直接向服务器申请。当客户发出一些较复杂、高级的操作要求而客户程序不能处理时，请求 Web GIS 服务器处理，其处理结果也以矢
20、量数据的形式发还给客户端。目前有许多方法可以建立主动的 Web GIS，而 Java 是开发主动的 Web GIS 的主流技术。主动的 Web GIS 有以下特点：（1）这种方法传给用户的是矢量的地理元素实体，而不只是一幅由服务器处理好的静态图像，给予了用户更大的操作自由度，可以自由地处理每个元素，不但可以查询地图数据，还可以分析和更新数据。 （2）嵌入浏览器中运行的 Java程序直接在用户机器上执行，无须安装，也不会产生复杂的软硬件兼容性问题，简便可靠。（3）在网上传输的是各类矢量图形数据和属性数据，较之图像数据流量大大降低，同时由于程序是在用户端执行的，许多简单操作无须通过网络传交服务器处
21、理，也减少了用户和服务器之间的数据流量，从而提高了整个网络的运行效率，加快了响应速度。 （4）服务器的处理负载降低，使之可以响应更多的请求。 （5）需要开发 Java 客户端程序，制定一套完整的 C/S 信息交换扩展协议并修改原有的 GIS 服务器软件，使之接受信息交换协议，在软件上需投入的工作较大，周期较长 6。由上不难看出，客户/服务器方案虽较最初的主机系统进步许多，但只是把原先的巨无霸系统变成了两个依然巨大的系统，系统的建立管理和维护以及应用扩展仍然是一件艰难的事情。随着信息工业的发展，构件模型被提出和发展，这一思路应用到 GIS 当中，Web GIS 从经典的客户服务器计算模型转变到以
22、构件开发为基础的分布式计算模型（Component-based Distributed Computing Model） 。4. 网络环境中部件化结构 Web GIS 的分布式模型。4.1 部件化结构简述构件对象模型是为促进软件交互使用而设计的，它容许两个或多个应用程序或构件方便地合作，代表着一种变革性质的软件革命。采用这种技术，程序开发者将要实现的任务分成若干个构件对象模型，分别进行设计，从而大大地简化了软件开发，并增强应用程序的功能。构件化结构是软件发展的趋势，体现了完全面向对象的思想和原则，它具有以下特征：（1）封装性：实现信息隐藏、模块化、构件化和抽象化；（2）多时态：同一信息传送到不
23、同的对象，各个对象接受消息后，独立地响应；（3）继承性：在原有的类上可以定义新的类和操作，作到代码重用和代码有组织；（4）动态链接：对象可以来自任何地方，包含网络，编程人员在编写代码时，可以不需要知道对象的类别，而将消息传递给对象 7。构件在对象通过方法驱动和消息响应来互相通讯的过程中得以体现。构件之间也可通过消息传递来互相通讯。构件接受到消息后，便选择一个方法执行。方法定义构件初始化的操作。对初始化变量的管理则应用对象的方法，在构件化结构中，类与类之间可能有一6些方法是同名的，一个构件对消息的响应取决于构件本身，即多时态性。例如，有三个构件 A、B、C，user 应用各种方法和 A、B、C
24、进行通讯。A、B、C 之间通过消息响应互相通讯（图 4） 。B 构件又由 B1、B2、B3 三个构件组成，它们也通过消息响应相互通讯（图 5） 。图 4 消息响应 图 5 消息响应4.2 Web GIS 构件模型构件化（Componentization）是 GIS 适应于计算机发展的又一大转变，Web GIS 把现在仍庞大的两段式客户服务器 GIS 分解为可自我管理的构件（或称对象） 。它们建立在分布式的对象结构基础上。应用最新的分布式技术（例如 OMG 的 CORBA 和 Microsoft 的OLE/COM，以及 SUN 的 Java 技术） ，这些构件之间可以跨网络和跨操作系统进行互操作
25、，应用开发人员可以很容易地通过对这些构件的组装去发展新的应用和软件。一个软件构件有大有小，从一个基本的 C+类，到一个能独立完成特定功能的应用构件，可以分属不同层次 8 。 Web GIS 构件可分成三个层次：对象构件，功能构件和应用构件。对象构件是一些提供系统基本的服务的单元，这些单元与应用是相互隔离的，例如安全管理构件、事件管理构件和目录管理构件等。功能构件是整个结构的核心，提供系统特定的 GIS 功能服务，例如制图构件、投影变换构件和空间数据存取构件等。应用构件是最上层的 GIS 构件，它直接与 GIS 应用的用户衔接，响应用户的操作请求，并为、特定的应用服务。后两者的界限实际上并不很清
26、楚，在不同的域里可能有不同的分类。与传统的 GIS 相比较，一些新的单元加入到这种模型中，以适应分布式计算环境下的要求，这些单元包括数据连接、数据目录、安全管理和事件管理等。4.3 构件化结构 Web GIS 的分布式模型目前，实现分布式系统的主要技术有三种：OMG 的 CORBA（Common Object Request Broker Architecture） 、Microsoft 的 DCOM（Distributed Component Object Model）和 SUN的 Java。其中 CORBA 和 Java 又被紧紧的绑在一起，由于目前 DCOM 上不具有跨操作系统平台的互操
27、作能力，下文将讨论的分布式 Web GIS 模型是建立在 CORBA 技术之上的。共同对象请求代理构架（CORBA）是由 OMG（Object Management Group）制定的一个描述“对象请求代理（ORB，Object Request Broker） ”的软件总线。OMG 是一个由硬件厂商、独立软件厂商以及用户组成的联合体，1989 年以来一直致力于为开放的软件系统设定标准，以使不同的厂商所开发的软机对象可以跨网络和操作系统进行互操作。OMG 所制定 ORB 为分布式计算模型架设了基础设施，它允许客户应用与远程的对象通讯，并动态或静态地激活远程操作。1994 年 OMG 完成了 CO
28、RBA 2.0 版本的标准，包括了为实现ORB 互操作而制订的“互联网 ORB 间协议（IIOP） ”。这个协议是建立在 TCP/IP 的基础之ABCUSERB1B2B3B7上的，因此很快成为互联网和企业内部 Intranet 上分布式对象间的通讯标准。在 ORB 构架上 OMG 定义了一系列共同对象服务，如命名服务、事件服务、事务服务和安全服务等，这些核心服务为大型地理信息系统应用提供最基本的功能，在此基础上可以较容易地构架商业应用系统。Web GIS 系统的一些基本服务可用 CORBA 服务代替，或在 CORBA 服务基础上发展。由于在 CORBA 构架之上的所有软件构件都是自我管理的，通
29、过建立事件通道可以把这些构件动态地相互连接，从而实现“即插即用”的理想 GIS 模型。当用户需扩展一新功能时，只需安装一个兼容 CORBA 的新构件，而不用改变任何其他构件的代码，但其他构件完成可以马上使用新加入的新功能。图 6 构件化结构 Web GIS 的分布式模型基于 CORBA 的构件化结构 Web GIS 的分布式模型架构如图 6，其主要构件说明如下：（1） 浏览器，是 Web GIS 的主要操作平台；（2） 用户构件，即客户端以 GUI 为中心的 GIS 构件（例如，数字化构件，数据编辑构架和符号设计构架等）及应用构件。如果这些构件是以 Java 编写的 Applet，那么这些构件
30、可以通过万维网服务器下载；Web浏览器 ORB运行库用户构件（可下载）InternetWeb浏览器 ORB运行库管理构件（可下载）Web浏览器 ORB运行库管理构件（可下载）用户构件（可下载）GIS目录构件ORB运行库其他GIS服务构件ORB运行库CORBA 对象总线（ORB 核心）OSDC服务构件ORB运行库目录服务构件ORB运行库制图服务构件ORB运行库目录存储 OSDC 数据存储8（3） 管理构件，用于 GIS 系统管理的构件，由 GIS 系统管理员操纵。例如用户管理构件、服务管理构件等，它们同样是以 GUI 为核心的，是远程的服务构件。如果它们也是以 Java 编写的 Applet，那
31、么它们同样可以通过网络下载。（4） ORB 运行库，驻留在客户的浏览器内或从网络动态下载，提供用户构件和管理构件后台服务构件的通讯。（5） 万维网服务器，驻留在防火墙外的主机上，提供用户构件和管理构件给客户计算机并充当 ORB 网关（Gateway ） 。（6） ORB 网关构件，驻留在防火墙外的万维网服务器上，提供跨越防火墙的客户/服务构件的通讯服务，允许客户构件动态“BIND”到远程的服务构件上。（7） GIS 服务构件，包括所有的在 GIS 服务器模型中提到的服务构件，如构件目录服务、事件服务、安全服务、数据目录服务、数据连接服务、变换服务、制图服务和空间分析服务等。它们均驻留在防火墙内
32、的企业网（Intranet）上，由防火墙把它们跟外界隔绝，并按照平衡负载的要求安排在企业网内的不同主机上。同时，每台主机装有 ORB 运行库，以提供统一的软件总线。在这样的分布式 GIS 构架下，各构件间通过 ORB 进行通讯，并且通过 ORB 网关把企业网内的 GIS 和防火墙外的用户系统连接起来，以保证安全性的同时，克服了 Java 基于安全性考虑对 Java Apple 的限制。5. 结语本文通过分析近年来网络技术和地理信息系统的进展，阐述了 Web GIS 的技术特点和发展情况，并就网络环境下的 GIS 模型进行了较深入的探讨。GIS 的发展与计算机技术的发展息息相关，随着网络和信息技
33、术的发展，构件化的分布式 Web GIS 客户机/服务器模型已成为发展的必然趋势。Web GIS 的构件化将大大提高 GIS 的灵活性和实用性，降低 GIS的系统成本，使 GIS 的应用进一步扩展，真正服务于大众，而非少数专业机构的专用。GIS 软件今后不再由几家大的 GIS 公司垄断，许多小型的甚至个人的的 GIS 开发商将为市场提供竞争性的 GIS 构件和应用模板。未来 GIS 软件将是构件开发、应用模板开发和对象包装技术开发的系统集成。参考文献1.David R. Green, Cartography and Internet, The Cartographic Journal, Vol
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