gis第9章教案.docx
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gis第9章教案
第九章网络地理信息系统
学习目标
·了解计算机网络的概念、拓扑结构和类型
·了解分布式系统的优缺点
·了解网络地理信息系统的组成形式
·了解WebGIS的概念和组成，说明WebGIS的应用前景
第一节计算机网络的概念和类型
一、计算机网络的定义
计算机网络是指实现计算机之间通讯的软件和硬件系统的统称，是以共享资源为目的，通过数据通讯线路将多台计算机互连而成的系统。
共享的资源包括计算机网络中的硬件设备、软件或者数据。
二、网络的拓扑结构和连接方式
计算机网络中，网络的结点计算机或终端设备的连接方式称为网络的拓扑结构，它影响着网络的设计、功能、可靠性以及通讯费用等方面，常见的拓扑结构有以下几种：
1．星形
星状网络由一个中央节点和与其相连的许多分支节点组成，他使得分布在网络各个节点之上的用户所使用的数据以及他们在网络上所从事的各种应用，具有一定程度的集中控制性如图9-1所示。
星状网络的一个优点，就是网络中的每个计算机都以独立的网线通过中继器与其他计算机相连，如果某个计算机的网络段出现故障，不会影响整个网络的运行，并且故障也很容易排除；缺点是网络的扩大受中继器的限制，而且中继器的故障会导致整个网络停止运行。
图9-1星形网络
2．环形
环状网络是所有节点串行连接而形成的一个封闭环路。
其优点是接口功能简单，节点增减方便，信息单向传输、无路径选择，以实现信息的广播式发送，缺点是可靠性差如图9-2所示。
图9-2环形网络
3．总线形
总线网络具有一条中央线，其上可以连接各种设备。
在网络地理信息系统设计中，总线网络是一种局域网常见的网络。
它的优点是费用低、易扩大，缺点是不易维护，网络中任一段发生故障都会导致整个网络的运行终止，而且在联机较多的情况下故障网段不易查找如图9-3所示。
图9-3总线网络
另外，网络类型中还有树状结构、网格状结构和无线结构三种。
树状结构是星状网络的变化形式，这种结构中的一个节点进一步生长出其他节点，这样网络就不会因为一个控制节点发生故障而影响整个网络。
网格结构又称为全互联网结构，所有计算机都同时互连，以保证实时和可靠的通信连接，这种网络由于费用高昂，技术复杂，一般局限在个别专用网络上。
无线网络是近年来发展很快的一种连接方式，网络中以专门的发射器和接收器与计算机网络连接，优点是不受网络线路的限制，适合于没有线路的边远地区，或作为现有网络的补充。
与有线通信相比，缺点是费用高，安全及可靠性差。
三、计算机网络的类型
计算机网络种类繁多、性能各已，按照不同的原则可以有不同的分类方式，最常见的是根据其空间分布范围的大小，区分为局域网、城域网和广域网。
1．局域网
是在较小的区域，如一个办公楼、一个实验室、或一个公司内建立的计算机网络，其通讯距离较短，传输速率较快，误码率低。
主要采用的拓扑结构是总线结构和环形结构。
2．城域网
基本上是一个大的局域网，采用与局域网类似的拓扑结构，它可以覆盖一个城市，实现信息共享。
3．广域网
广域网最根本的特点是其机器分布范围广，可以实现大范围的信息共享，因特网（Internet）就属于广域网的范畴。
广域网可采用多种拓扑结构，如星形、环形、完全连接甚至是不规则的拓扑结构。
四、因特网（Internet）
Internet是指由众多的网络相互连接而成的全球范围内的最大的计算机网络，Internet的出现是信息技术发展过程中最为激动人心的事情，改变了人们传统的工作、学习、生活模式。
它允许使用者在任何时间、任何地点查阅任何在网络上的信息，我们真正感觉到了世界已经是出手可及，足不出户，一览天下。
Internet采用TCP/IP协议，它可以连接各种各样的计算机和各种网络，无论是PC、Macintosh、UNIX、系统工作站、大中型计算机以及各种局域网和广域网，只要遵循共同的通信协议TCP/IP，都可以连接到Internet中。
目前Internet提供的服务主要有：
E-Mail电子邮件、WWW（WorldWideWeb）浏览、FTP文件传输、Telnet远程登陆、Usenet新闻组等。
第二节网络地理信息系统
一、分布式系统
分布式系统是指一组独立计算机的集合，在网络中的一次通信过程要涉及到多台计算机的配合，但从用户的角度来看，如同于一台计算机。
与集中式系统以及独立的微机系统相比，分布式系统具有如下优点（表9-1及9-2），另外也有自身的不足（表9-3）：
表9-1分布式系统的优势——与集中式系统相比[A.S.Tanenbaum]
项目
描述
经济
多个微处理器提供了更好的性能和价格比
速度
一个分布式系统比大型机有更好的总体计算能力
固有的分布
一些应用系统需要运行于空间上分离的机器
可靠性
如果一台机器崩溃，整个系统还能够运行
增量发展
计算能力能够以很小的增量增长
表9-2分布式系统的优势——与微机系统相比[A.S.Tanenbaum]
项目
描述
数据共享
允许多个用户访问同一数据库
设备共享
允许多个用户共享昂贵的外设
通讯
使人与人之间的通讯变得简单，如Email
灵活性
以最有效的方式将工作量分布在所有可用的机器上
增量发展
计算能力能够以很小的增量增长
表9-3分布式系统的不足之处[A.S.Tanenbaum]
项目
描述
软件
当前支持分布式系统的软件较少
网络
网络可能充满了或者引发其他的错误
安全性
容易使得需要保密的数据被访问
图9-4客户端-服务器模型
客户机/服务器（C/S）模型是一种分布式系统结构，其基本思想是某些计算机提供其他计算机可以访问的服务。
任何提供服务的一方称为服务器，而访问该服务的一方称为客户机。
一个客户机/服务器机制可以有多个客户端，或者多个服务器，或者兼而有之。
客户机/服务器模式基于简单的请求/应答协议，即客户端向服务器提出信息处理的请求，服务器接收到请求并将请求解译后，根据请求的内容执行相应的操作，并将操作的结果传递回客户端如图9-4所示。
客户机/服务器体系的优点在于简单高效。
在网络地理信息系统的实现中，客户机/服务器模型是经常采用的一种方案。
目前，还经常采用三层结构，即将服务器分解形成数据服务器和应用服务器，可以更好的区分数据访问操作和应用模型。
目前，基于客户端/服务器体系结构，并在网络支持下的分布式系统结构已经成为地理信息系统的发展趋势。
由于GIS的固有特点，使得运行于网络上的分布式系统特别适合于构造较大规模的GIS应用，其应用主要表现在以下几个方面：
1．数据的分布：
在地理信息系统中，主要数据是空间数据，由于数据生产和更新的要求，常常需要存放在空间上分离的计算机上。
2．应用功能的分布：
GIS的功能组成了由空间数据录入到输出的一个工作流程，不同的人员由于其关注的信息不同，需要不同的功能服务对数据处理，将应用分布在网络上就可以解决该问题。
3．外设共享：
外设的分布是服务分布的一种，由于许多GIS外设比较昂贵，如大幅面工程扫描仪、数字化仪、喷墨绘图仪等，通过分布式系统，可以实现这些设备的共享。
4．并行计算：
在地理信息系统中，许多模型具有较高的时间复杂性，利用分布式系统可以实现并行计算，缩短计算时间。
二、网络地理信息系统的组合方式
在分布式网络地理信息系统中，客户机和服务器分别有相应的软件、硬件以及数据库组成，其组合方式可以按照数据和应用功能的分布分成五种（表9-4）。
表9-4网络地理信息系统的组合方式
组合方式
数据
应用功能
全集中式
中央服务器
中央服务器
数据集中式
中央服务器
客户端
功能集中式
客户端
中央服务器
全分布式
客户端
客户端
函数库分布式
客户端或服务器
中央服务器存储，客户端动态连接执行
1．全集中式
全集中式的地理信息系统把软件、数据库管理系统和数据库全部集中在中央服务器上，客户系统只负责用户界面功能，即获得用户指令并传递给服务器，显示查询结果，提供系统的辅助功能如图9-5所示。
常用的客户设置有三种，第一种是以X-server为代表的，只负责表现逻辑的客户系统，所有的数据处理和运算均在服务器上执行，客户端由专门的X终端或者X模拟器通过X协议实现用户与服务器的通讯；第二种是以ArcView为代表的客户软件系统，这类系统除了提供一般的用户界面外，还具有相当强的分析和处理功能。
ArcView可以与ESRI的ARC/INFO、与作为服务器的SDE、Arcstorm，通过网络软件系统NFS或者网络API构成网络地理信息系统；第三种是目前在WebGIS上广泛采用的客户系统，用户界面功能由浏览器执行。
2．数据集中式
网络系统专门设置集中的数据存储和管理服务，网络的其他部分称为数据客户，它们一般是带有一定功能的GIS软件如图9-6所示。
简单的数据服务可以由网络软件系统（如NFS）提供，大型的管理系统则需要功能完备和高性能的数据服务器，如Arcstorm和Oracle。
目前由于许多数据库管理系统开始支持面向对象的数据模型，更加方便于空间数据的管理，以建立数据集中式的网络地理信息系统。
3．功能集中式
与数据集中式相反，功能集中式的网络信息系统把绝大部分的功能集中在一个或者几个容量大、性能高的服务器上，由他们负责所有的分析和处理，数据则分散在客户端存储和管理如图9-7所示。
由于大多数GIS应用中，数据量一般比较大，采用这种方式，会增加网络的传输量，从而降低整个系统性能。
4．全分布式
全分布式系统是原有的非网络化的信息系统自然进化的结果。
在全分布式系统中，各个子系统具有完备的数据库及地理信息系统软件和其他应用软件，在网络中同时扮演客户和服务器的角色。
各个子系统的软硬件环境和特性及拥有的数据都很可能不一样，但同时又有很密切的联系和互补性。
系统的集成，通过网络操作系统及各个子系统提供的API实现。
实现全分布式网络地理信息系统，往往需要基于已有的系统平台进行二次开发，使它们能够相互协作如图9-8所示。
5．函数库服务器
传统的软件系统一般是静态的，为了提供更多的功能，系统变得越来越大，而实际上，对于每一个用户来说，通常需要有限的功能，这样就造成了系统资源的浪费。
对于集中式系统而言，系统的扩大将加大中央服务器的负担，造成系统性能的下降，而全分布式系统实现又较为复杂。
函数服务器把优化的功能函数存储在服务器上，通过网络按用户要求动态合成应用软件，并使其在客户上运行，从而从根本上改变了传统的资源分配和软件运行及维护方式。
基于分布构件模型（CORBA或DCOM）构造的软件系统可以在一定程度上实现函数库服务器。
三、网络地理信息系统的概念设计
从逻辑上讲，基于用户的功能需求进行概念设计是大多数计算机网络软硬件配置设计的第一步。
概念设计应当基于如下要点：
①对用户的应用意图有充分的了解；②掌握计算机硬件和计算机通讯的基本概念知识；③了解已经存在的并有可能影响设计的条件，包括现有软件系统以及通讯设施；④对有可能影响系统设计的计算机技术及其发展的现有状况应有充分认识。
概念设计应当对在地理信息系统网络配置中的硬件、软件功能和作用给予说明，并对设备与应用之间的关系给予描述，它应当能够在所涉及的网络系统真正实现时，有利于系统功能重审及其修改，有利于系统价值的估算，并为更详细的特殊定义提供基础，同时他还应当对系统能够在新的应用、新的用户和扩展数据库方面的发展给予描述。
进行网络地理信息系统的概念设计时，集中式、分布式和处理功能的不同水平必须与特定地址条件、用户的应用需求相适应。
下面给出了两个典型的概念设计及其说明。
如图9-9所示，系统组织类型：
适用于地方政府、工程单位的单个部门的少量用户用于数据获取、地图生产。
地址分布：
单一地址。
数据传输操作：
与其他已有站点之间的数据传输没有特殊的要求，数据可以通过磁带等介质或者进行批量传输。
升级可能性：
可以升级为基于主机的网络或者具有其他智能工作站的网络。
如图9-10所示，系统组织类型：
设置在局域网上，支持具有主机处理单元的多用户，适用于多部门背景。
地址分布：
同一建筑物内或者临近建筑物之间的局域网上，其他用户通过远程通信线路与局域网相连。
数据传输操作：
以主机来维持主数据库，可以进行批量文件或磁带的数据传输。
升级可能性：
可以增加外设、工作站和处理单元直至达到网络限制，可以通过中继器扩展其他建筑物，多个局域网可以通过网桥连接在一起，可以增加网关连接多个网络。
第三节WEBGIS
一、WebGIS概念
飞速发展的Internet/Intranet已经成为GIS新的系统平台。
利用Internet技术，在Web上发布空间数据，供用户浏览和使用，是GIS发展的必然趋势。
所谓WebGIS是在Internet信息发布、数据共享、交流协作基础之上实现GIS的在线查询和业务处理等功能，Web分布式交互操作是工作的重心。
WebGIS显然要求支持Internet/Intranet标准，具有分布式应用体系结构，它可以看做是由多主机、多数据库与多台终端通过Internet/Intranet组成的网络，其网络Client端为GIS功能层和数据管理层，用以获得信息和实施各种应用；网络Server端为数据维护层，提供数据信息和系统服务。
WebGIS的基本组成包括如图9-11所示：
1．Web服务器；
2．Browser浏览器（GIS插件）；
3．页面描述语言：
HTML，VRML；
4．Web交互程序：
JAVA，CGI，ActiveX；
5．GIS数据库管理器：
ARCSTORM，SDE。
图9-11WebGIS体系结构
二、WebGIS设计思想与实现方法
1.CGI-通用网关接口
GIS厂商在其产品基础上发展INTERNET解决方案，通常采用CGI，即提供专用空间数据库的Web接口。
CGI是连接应用软件和Web服务器的标准技术，HTML的功能扩展，CGI程序与HTML结合实现交互式动态通讯。
例如，为了让用户可以存取数据库中的信息，CGI可被用来连接网络数据库服务器，在系统中起通讯桥梁作用，通过HTML将客户端请求传给Web服务器，再利用专门的CGI访问GIS服务器，GIS服务器承担查询计算工作，将结果构建成一个HTML文挡反馈给Web服务器，再传回客户端浏览器。
由于CGI是服务器上可执行程序，基本上所有的计算机语言都可以用来发展CGI程序，最常用的包括C/C＋＋、Perl和VisualBasic。
CGI技术很快被用于构造能产生动态地图的Web网站，根据程序特点，GISCGI技术方法可分为以下两类：
①CGI启动制图软件以批处理方式运行：
这种系统的长处是程序简单，运行速度快，但功能不足，而且大多数GIS软件不能以批处理方式运行。
②CGI启动后端GIS程序：
一般GIS软件都基于图形用户界面“事件”驱动，一旦启动，就可以一直后台运行等待触发事件。
于是网络浏览器上的事件，通过CGI很容易传到后端GIS软件上，CGI和后台GIS软件的信息交换是通过“进程间通讯协议”IPC来完成的，常见的IPC协议有传统UXIX上的远程过程调用RPC，WINDOWS的动态数据交换DDE和实体连接和嵌入OLE以及MAC机上的（Appleevent），利用这种CGI方法，只要用户在网络浏览器按一下，信息就通过网络传回到网络服务器上，然后由CGI程序将此信息通过IPC传到后端的GIS软件。
例如，可以要求GIS软件将地图某个地区放大，然后将放大后的地图屏幕图像传回给用户。
这种方法的优点在于运行速度较前一种快，因为它不需要每次启动后端的GIS软件，同时可以利用商业化GIS软件产生高质量的地图。
事实上GIS软件的所有功能都可以被利用起来。
然而这种方法仍有许多不足之处，首先，很难同时运行多个CGI程序，因为受软硬件的限制，可同时运行的GIS软件的份数通常是有限的，同时亦很难跟踪看出哪个用户用哪份程序。
CGI结构中，CLIENT端仅起了一个哑终端的作用，其功能限于向SERVER发送用户请求和显示所接受的SERVER的处理结果，SERVER承担了一切计算功能。
这种模式并没有实现真正的分布式协同计算，它仅适用于封闭环境的小型局域网，对于开放型的INTERNET网络很容易引起服务器的过载。
其次，这种方法需要制图软件一直处于运行状态，这不仅要求GIS软件所在的服务器一直联机而且也消耗不少计算机资源。
当互联网的流量较低时，这种系统会保持良好的运行状态。
但多个用户同时访问服务器时，多个CGI备份的同时运行导致服务器负载过重而降低效率，使运行速度大打折扣。
显然，用户产生的每一个事件都要通过互联网，由服务器来处理，当互联网流量较高时，CGI并不是一种理想的技术路线。
其他的不足之处包括从服务器方面驱动的CGI，必须用某个特定的数据库服务器的专用SQL语言手工编写数据库接口，网络安全问题以及有限的交互性问题（即用户很难直接操作地理实体）。
这种系统的例子有ESRI的INTERNETMAPSERVER，MAPINFO的PROSERVER。
2．PLUG-INSGIS插件
基于CGI的系统仅提供给用户端（client）有限的GIS功能，传给用户的信息都是静态的，而且用户的GIS操作都需要由服务器来处理。
解决这个问题的方法是把一部分服务器上的功能移到用户端上，这样不仅加快了用户操作的反应速度，而且也减少了互联网上的流量。
标准万维网浏览器只提供了一些最基本的浏览和导航功能，而缺乏处理地理空间数据的能力。
一种方法是安装额外能和网络浏览器交换信息的专门GIS软件。
这种增加网络浏览器功能的方法就叫“插入法”Plug-ins。
为便于其他软件厂商发展插入型软件，Netscape公司专门提供了一套应用程序接口（API）。
目前这种插入软件已被普遍采用，在多媒体领域尤为明显。
这种插入软件不但可以增加网络浏览器处理地理空间数据的能力，使人们更容易获取地理数据，而且可以减少网络服务器的信息流量从而使服务器更有效地为更多的用户服务，因为大多数用户的数据处理功能可以由网络浏览器插入软件来完成。
AUTODESK公司的Whip，可支持通用浏览器访问GIS数据能力。
和传统应用软件类似，插入软件也需要先安装再使用，因而传统软件不同版本之间的不兼容性及版本管理问题仍然存在。
3.JAVAAPPLET
尽管插件可以和网络浏览器一起有效处理空间数据，但这种方法仍有不少缺陷。
首先，它将导致用户端负担过重，因为几乎每个软件厂商都希望它的软件能与互联网兼容。
这显然不符合标准网络浏览器便宜简单的设计思想。
其次，众多的插入软件的管理会成为信息技术部门的一个大问题，因为任何人只要可以连上互联网都可以接收最新的插入软件，为解决上述各种问题，互联网程序语言应运而生。
互联网程序语言的出现标志着WebGIS的开始，目前最普及的互联网程序语言是由SUN公司开发的Java。
Java是一种面向对象的计算机语言，它借鉴了C、Smalltalk、ObjectC＋＋和Cedar/Mesa等面向对象语言的优点，其特点是简洁动态适应性强，运行稳定、安全，对网络而言，与计算机结构体系无关，容易移植，在一种系统下发展的应用软件可以直接在完全不同的系统下运行。
事实上Java编译器产生的是一种独立于任何操作系统的字节码Bitecode，这种字节码程序可以在任何一台Java虚拟机（JavaVirtualMachine-JVM）上运行，任何系统只要支持Java虚拟机就可以运行Java程序，而与程序在何种系统下开发和编译无关，目前Netscape和微软公司的网络浏览器都直接支持Java程序。
4.ActiveX方法
第二种互联网程序语言是由微软公司提出的ActiveX，其实ActiveX是由OLE技术基础上发展起来的，ActiveX仍然依赖现有OLE编程体系来达到增加互联网的交互性目的，方法之一是利用一个OLE文件实体DocObject作为一个通用控制容器Container，例如，微软公司的网络浏览器Explorer就可以发展成为一个文件实体的控制容器，然后加入GIS引擎作为文件实体的服务器函数。
这样扩充后的网络浏览器就能显示和处理地理空间数据。
ActiveX也可以作为服务器，例如，微软公司的分布式COM（DistributedCommonObjectModel），将使在用户和服务器两端的Active控件互相交换信息，从而把整个网络上的负荷分布到各个不同的子网上。
与Java相比，ActiveX目前还没有解决非常重要的网络安全问题。
三、WebGIS应用前景
WebGIS使GIS应用走向公众，通过网络可以将空间信息传至千家万户，如美国纽约州某县通过电视有线网，向公众发布城市和土地等信息。
香港旅游局也正在着手建立香港旅游信息系统，该系统的基础数据直接来源于香港地政署的大型空间数据库，旅游信息则由旅游协会（TA）提供。
计划首先在尖沙嘴等旅游热点安装触摸屏，游客可以通过它直接了解香港地理环境和查询旅游信息。
WebGIS的数据传输量很大，目前Internet的速度还不能完全满足需求。
MapGuide的插件大约为1M，使用28.8K的调制解调器（MODEM）也至少需要6分钟才能从服务器上下载过来。
不过，网络技术日新月异，56K的MODEM已经开发出来。
1997年2月，美国总统克林顿提出“建立快1000倍的第二代互联网络，让12岁以上的青少年人人都上互联网”。
微软正在实施的一项计划中准备发射840多颗人造地球卫星，这些卫星将用于取代光纤进行Internet数据传输。
可以预见，随着Internet技术的发展，WebGIS应用终将走上普通人的办工桌、走进千家万户的家用电脑，与Internet本身一样成为人们日常生活必不可少的实用工具。
WebGIS还可以应用于Intranet建立企业/部门内部的网络GIS，可以在科研机构、政府职能部门、企事业单位得到广泛应用。
WebGIS提供了一种易于维护的分布式GIS解决方案。
尽管目前的WebGIS软件提供的空间分析功能很难满足专业应用的需要，但是随着技术的发展，WebGIS终将取代传统的GIS。
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