Internet环境下用Java省略理信息的互操作与分布式管理及处理韩海洋1.docx

1、Internet环境下用Java省略理信息的互操作与分布式管理及处理韩海洋1Internet环境下用Java/JDBC实现地理信息的互操作与分布式管理及处理*韩海洋龚健雅袁相儒(武汉测绘科技大学测绘遥感信息工程国家重点实验室, 430079)Interoperable geographic information in aninternet environment using Java and JDBCHanHaiyang, Gong Jianya, Yuan Xiangru(Lab for Information Engineering ofSurveying,Mapping and Rem

2、oteSensingWuhan TechnologyUniversity ofSurveying andMapping, 430079,China)AbstractThe rapid development of Internet/Intranetmakes it is possible to interoperate geographic infor-mation.This paper discusses how to utilize Java/JDBC to implement the interoperability ofmulti-source geo-data in the dist

3、ributed environment.KeywordsJDBC, Java, Open G IS, Interoperability,Distributed, InternetG IS摘要Internet/Intranet的蓬勃发展,使得网络地理信息系统(InternetGIS )下地理信息的互操作成为可能。本文探讨了在分布式环境中如何利用Java/JDBC实现GIS多数据源的互操作与分布式处理。*收稿日期: 1998-06-18,截稿日期: 1999-01-04。韩海洋,男, 25岁,博士生。现从事网络地理信息系统,G IS的分布式计算, Inter-net/Intranet及开放技术的研

4、究。国家自然科学基金项目(编号: 49871066)。关键字JDBCJavaOpenGIS互操作分布式互联网地理信息系统分类号P2081引言地理信息作为空间基础信息,对我国经济腾飞和社会可持续发展将起到十分重要的作用。地理信息系统(GIS)是与计算机科学、地理、遥感、测绘、城市规划、土地管理、市政建设等诸多学科和产业部门相融合的边缘技术。计算机技术、空间技术和信息科学的发展,特别是近年来Internet/Intranet的迅猛发展,为传统的GIS注入了活力也提出了挑战。传统GIS模式下地理数据格式互不兼容、资源无法共享等诸多弊端已严重地阻碍了GIS在产业部门的广泛应用。为了解决GIS发展中地理

5、信息不能互操作的瓶颈问题,近年来,许多政府机构、研究组织、软件开发商及系统集成人员成立了OpenGIS协会(OGC)1。它多年来致力于开放的地理信息系统(OpenGIS)研究并且制定了一套支持Open GIS的规范OGIS (Open Geography InteroperableSpecification)。它鼓励软件开发商和系统集成者坚持OGIS的标准,逐步地开发出一系列符合规范的工具、数据库及其他地理信息互操作的产品,以最大限度地共享资源及信息交互。正如OpenGIS指南中所说:在网络这样一个单一的运作环境和单一的工作流程下,OpenGIS的目标是实现这样的一种技术,它使得一个应用系统开

6、发者能够从网上透明地获取任何地理数据和任何地理数据处理功能或方法,而不管它的数据格式和数据模型。应用于GIS领域,侧重于改变当前GIS模型中特定的应用系统及其功能与它内部数据模型及数据格式紧密捆绑的现状。OGIS不仅有助于GIS系统个体间的信息交换,而且能够与其他系统如统计分析、影像处理、文档管理、可视化交换信息。按照OGIS定义的开放的GIS基本要求如下:(1)互操作应用环境:用户工作台可配置,以充分利用特定的工具和数据来解决应用问题;(2)共享数据空间:支持多种分析和制图应用的通用数据模型;(3)异质资源浏览器:用户从网络获取信息和分析资源的方法。由此可看出:Open GIS、分布式对象技

7、术和开放的地理数据互操作规范提供了从网络接近异构数据和应用系统的模型。OGIS体系允许开发商和用户去区分、评估、利用地理资源,这些地理资源包括空间数据集、地理数据处理工具、不受不同数据组织和异构环境限制的模型和操作。这将使传统GIS不包含的领域(如环境和处理模型)能与地理数据及地理数据处理服务互操作,并将有助于GIS用户获取更广泛的模型功能。OGIS将导致对系统部件的详细规范和对原型化软件及数据模型做测试的测试台。与Open GIS发展相适应, Java与Internet/Intranet的结合使得建立可伸缩性的分布式对象计算结构(DDC)成为应用的主流。网络技术促使互联网络地理信息系统(In

8、ternetGIS)应运而生。一方面,它适应了分布式计算模型的要求和社会应用的需求;另一方面,借助于网络技术,地理信息互操作才真正具备了现实实现的可能性。可以说,没有Internet/Intranet技术为支撑,OGIS所提出的地理信息互操作性目标是不可能实现的。本文提出了InternetGIS的体系模式以及在此环境下基于OGIS与Java的地理信息互操作和分布式处理的实现,最后结合所开发的基于跨平台、分布式体系的InternetGISGeoSurf进一步作为实例加以说明。2Browser与W eb服务器结合的InternetGIS总体结构:浏览器/服务器体系随着Internet语言Java的

9、流行,出现了一种新的方法,即可移动代码系统(MSS)。其思想是借助于Java的健壮、安全、易于使用、易于理解的特性,分布应用程序的代码,将它传递给客户程序,然后在客户端用户的计算机上执行这些代码。这种形式允许在Internet中重建数据库系统的界面部分,有助于实现认证、安全性、分布式计算和系统完整性等访问控制机制。与此同时,浏览器避开操作系统与运行环境的差异,以一致的风格面向用户,不但纳纷繁芜杂的信息于一体,也解决了传统C /S模式中客户端应用接口各不相同,客户不能适应的弊端。某种程度上, Internet、浏览器与Java及相关技术的结合促成了现行计算模式向C /S体系转变这一根本性变革,而

10、该模式与Open GIS的完美结合,又为最终实现数字地球奠定了基础。没有Open GIS技术,地理信息将始终处于无组织、自我封闭的状态,不能真正成为服务于整个社会的产业以及实现地理信息的全球范围内的共享与互操作;而基于Internet/Intranet的B /S体系则是实现地理信息分布式处理和互操作的技术基础,否则,OpenGIS的目标永远只能是一个梦想。鉴于Java本身特点及C /S体系,本文提出了运用于InternetGIS的多数据源与Internet无缝连接的应用模式,即绕过服务器,直接在浏览器和数据库之间基于RPC建立面向连接的通讯,而不是Browser/Server中基于HTTP的无

11、状态协议3。这样就避免了W eb服务器与后端频繁交互(CGI通用网关接口方式)所产生的瓶颈问题。模型见图1所示。InternetGIS实现过程如下:(1)客户向W eb服务器通过HTTP协议请求数据服务,服务器返回HTML方式书写的服务页面中的Applet,该页面以HTML方式书写。(2)Applet在浏览器上装载成功后,客户通过Applet启动Java应用程序Application,此时的Application是独立于浏览器的InternetGIS界面。这样客户可不依赖于浏览器通过JDBC向GIS数据库互操作中间件服务器发出请求,双方178测绘学报nternet世界并与浏览器结合展示包括空间

12、信息在内的多介质信息时,原有的超媒体链接的节点就不能满足空间信息与其他介质包括虚拟现实在内的信息交互。因此,就必须对原有的节点以及超链加以扩展,使之具备较强的聚集与抽象能力。如果对每种介质信息做抽象处理并以对象化形式表达,则有利于对混合媒体的节点相对独立操作以及借助于Internet协议建立不同节点间超链联系,使包括空间信息在内的多介质信息综合反映现实世界。多介质信息与矢量图形基于Internet的超媒体链接如图5。6基于上述理论的一个InternetGIS系统GeoSurf的实现一个应用上述模型的Java/JDBC技术与GIS相结合的InternetGIS-GeoSurfv 2. 0实例如图

13、6。Fig. 5 Internet based hyperlink of multimedia withvector graphics图5多介质信息与矢量图形基于Internet的超媒体链接Internet超链文本信息群其他音频信息群视频信息群其他空间信息群虚拟现实信息群图像群图6为顺德(左图)与番禺(右图)的拼接结果,两个图幅自身又由包括水系与行政区划在内的多层不同数据源数据纵向叠加而成。在Geo-Surf中用户可获取和管理多种数据源数据,目前包括:GeoStar,M apInfo,MGE ,Arc/Info,Auto-CAD等流行GIS软件数据格式。图6分布式异构数据的横向与纵向动态叠加F

14、ig. 6The dynam ic joint of distributed heterogeneous geodata在客户端用户读取不同数据格式数据时,系统自动对内存数据管理,自动释放前次操作占用的空间。图7为广州市道路图与顺德行政区划图的叠加,用户通过对矢量图形的操作(如在图上双击)直接与浏览器交互,并以浏览器为接口和表现方式,进一步与视频以及虚拟现实等超媒体对象信息群交互式表达。系统主要功能如下:矢量图形的任意放大、缩小、漫游、打印;图形分层调用和显示;专题图制作、多层叠加、图符拖动、风格修改、图例显示等;包括三维及任意旋转的直方图、曲线图、饼图在内的统计图;SQL查询及点、线、面等可

15、视化查询显示;以路况、路长、交通状态为判断因子的最佳路径的选取;182测绘学报27卷图3 InternetGIS后端与数据库的连接Fig. 3 The connect of database with InternetGIS back end Datastor Datastor DataStoreArc/Info MapInfo AutoCADSybaseDBMSFoxproDBMSOracleDBMSSpecial DataExchangeServiceODBCDriverJDBC Bridge中间件/地理数据库接口服务(Middleware/Geodata Interface Servic

16、e)应用/中间件接口服务(Application/Middleware Interface Service)据交换服务的部件完成对各种地理数据格式的转化和操作。该部件根据的消息通过可以获取相应数据格式的地理信息。值得注意的是:作为地理数据互操作服务的集成,实现了用户对地理数据的透明访问策略。用户可以不必顾及显示的是何种数据,只要给该服务部件相应的消息,即可自动分析、查找及做地理数据转换服务。其内部的各个部件亦分布在网络上,相互通过一定的协议协调服务。5异构数据库的分布式管理与多介质信息的超媒体链接数字地球要求实现信息的共享, Internet则为信息的流动与远程获取提供了通道与必要的实现条件。

17、然而,由于人们处理或获取信息的方法与目的不同,存在着异构信息或多介质信息间的交互与共享问题。对于GIS而言,一方面要解决异构数据库如何分布式管理及保持不同源信息间的共享问题;另一方面,浏览器与InternetGIS的结合,有助于GIS更好地表达空间信息,但需要扩充浏览器固有的超文本链接方式,以便多介质间以超链的方式交互式表达。5.1异构数据库的分布式管理与矢量图形无缝结合的实现对于异构数据库,由于不同的数据格式,不同的分布位置,并考虑到Internet传输速度对数据容量的影响,对其组织可以采用纵向分层与横向分幅的方式。具体来说,对于广东省地图数据库,要实现数据库的实时更新,就必须在各个县市建立

18、对应的数据库,而中心服务器借助网络(如HTTP协议)实现数据的远程获取与横向动态拼接。同时,对每一个本地数据库,纵向分层,在客户端纵向动态叠加,经前已述及的异构数据库互操作中间件,在客户端可以无缝地显示异构数据源矢量图或查询分布式空间属性信息。共分布式管理见图4。广州市地图Fig. 4 Distributed management of InternetGISheterogenous database图4 InternetGIS异构数据库分布式管理深圳市地图广州道路图层广州水系图层广州行政区划图层顺德道路图层顺德水系图层顺德行政区划图层顺德市地图广东省地图数据库中心服务器借助于图4的组织,可以

19、对广东省县市详图的获取借助于超链(如HTTP协议)的概念,通过各异构图幅或图层的纵向与横向的动态拼接与叠加实现无缝管理与操作。5.2多介质信息与矢量图形基于Internet的超媒体链接当前,通过浏览器人们已经可以实现声音、图像、文本间的超媒体链接。但是,当把GIS引入181第2期韩海洋等: Internet环境下用Java/JDBC实现地理信息的互操作与分布式管理及处理利于保持平衡状态。如图2所示:图2InternetG IS部件分布式处理Fig. 2Distributed geoprocessing of Internet component在基于Internet/Intranet的分布式环

20、境下,利用Java开发套件1. 1(JDK )中的远程方法调用(RM I)机制,得以使基于Java的InternetGIS以一种简单自然的方式调用远程方法,同时具备足够强大的功能处理复杂的分布式系统。由于RM I可以在用户界面(User Interface)与其他应用服务部件间传送对象数据,所以对用户而言,不必关心部件的分布,当用户界面(InternetGIS UserIntrface)接受到用户发出的请求时,根据消息的类别,对部件的调用就在用户界面与其他如专题制图、统计图、最佳路径分析、SQL查询部件的RM I栈间传送,如同其他远程过程调用(RPC)系统一样,这一层用以整理方法参数并以恰当的

21、格式返回结果。这里RM I要求的格式是对象序列化,除远程对象通过引用传送外,其他对象则通过拷贝实现。远程引用层处理远程对象,并管理传输层(使用JRMP(Java远程方法规程),也称为RM IWWE协议)。它的任务是提供不同类型的方法调用,使上一层(远程对象层)无须处理这些复杂的应用。部件间的调用通过点对点的方法,即一个对象可以调用另一个对象的方法。RM I与其他RPC的一个很大的不同在于装载动态类。这一机制使应用服务部件是在运行从网络装载的远程对象、远程对象数据以及用做参数的数据。这样,对于InternetGIS用户,当需要特定的应用功能时,只须从网络上访问特定部件,而不必统统加入主应用部件加

22、重系统负担,彻底改变了传统模式下GIS各部分捆绑所造成系统资源匮乏、开发商和用户都不堪重负的局面。为支持RM I的应用, RM I使用一种严格的小应用程序以便安全管理限制,并为用户提供了自己的安全管理。如果没有定义安全管理,RM I将不从网络资源中装载数据。由于地理信息存在不同的保密原则,据此,客户必须首先获得服务器的认证、与不同级别的授权服务之后,才可以接近InternetGIS后端主数据库提供的服务。为处理可能的问题,各远程对象由客户向服务器租用。客户必须定期租用,否则,服务器认为客户不再使用对象。由于RM I充分利用了Java对象序列化的特点,无须像CORBA那样用较为复杂的编码机制来跨

23、系统传送数据,从而在实现分布式部件互操作的前提下,大大地降低了客户与服务器方的负载。4基于Java/JDBC构造InternetGIS后端异构数据库互操作中间件OGIS为实现不同数据模型、语义模型或数据结构的GIS软件互操作,制订了一套地理数据互操作规范,但目前远未走向实用。基于此,直接把对异构数据库的数据获取包装为一个分布式部件,在当前仍不失为有效的方式。考虑到现行的GIS系统数据存储的复杂性,既有文件结构又有关系数据库形式或兼而有之,而不同的关系数据库厂商提供了不尽相同的驱动程序,且没有统一的数据模型或语义模型标准,所以必须借鉴于关系数据库与JDBC或ODBC互连方式,针对空间数据管理的特

24、点,构造GIS空间数据库与W eb结合的数据交换部件,通过此部件实现异质数据互操作。图3是InternetGIS中W eb与数据库无缝连接及Java/JDBC中间件结构示意图。作为上层应用与数据库互操作中间件的接口服务,负责接受用户发送的对地理数据操作的消息并且根据消息类别传送给处于分布式环境下相应的部件。表明发送的消息需要获取存储在关系数据库的地理信息。有的可以直接经JD-BC驱动程序访问数据库(如);而没有JDBC驱动的,则可以通过JDBC-ODBC桥完成对数据库的访问(如)。由于现行的绝大部份GIS空间数据用文件结构管理,而属性数据由关系数据库管理,所以, InternetGIS应构造图

25、中所示的空间数180测绘学报27卷Fig. 1 InternetGIS communication model based onB/S architectureResponset图1基于B/S体系的InternetGIS通讯模型Ask响应请求Http RequestDownloadGIS DBMSGIS文件结构(File System)互操作中间件(Middleware)WWW (Java)Server API浏览器(Browser)(Applet)Application直接建立面向连接的会话过程。(3)客户发消息给GIS数据库互操作中间件服务器,中间件服务器接受消息经JDBC或JOBC(JD

26、BC-ODBC)桥与DBMS建立联系读取数据库信息,返回客户端地理分层或分块信息,客户端选择所需显示操作的地理数据后通知中间件服务器,中间件服务器传输所选择的数据在客户端以矢量图形显示。此时客户对InternetGIS的操作如同在本地一样。这里,用Java/JDBC构造的中间件服务器与W eb服务器、数据库服务器可以位于同一主机,也可以分布在网络上2,使整个系统结构设计更为灵活,充分体现了Java的分布式运算能力和跨平台优势,同时系统可识别多种数据源,很好地满足不同用户转入数据的需求。Java/JDBC中间件服务器既可采用第三方的产品,也可由开发者根据具体要求自己构造。针对GIS数据特点,应采

27、用二者的混合结构以满足不同地理信息互操作的需要。因此JDBC中间件服务器所连接的数据源可以是传统的关系数据库,也可以是GIS文件格式或二者的结合。它可用VB,VC等加以实现,也可以用Java Application写出具有跨平台特性的Java中间件服务器;另外,它具有并发处理多路请求的能力,由于JDBC中间件服务器分散承担了数据传输及通讯任务,不但W eb服务器所受的压力将减轻许多,而且开发者也避免了以手写代码方式实现JDBC与数据库的连接,大大方便了开发者的工作。3B/S体系的分布式部件互操作模型传统模式的C /S体系即所谓的胖客户器/瘦服务器由于客户端承担的任务繁重且无法实现资源的共享而演

28、进为目前所倡导的瘦客户器/胖服务器模式,许多大型的软件或数据库开发商也都针对这种变化推出了相应的商用系统。应该承认,瘦客户器/胖服务器以其卓越的性能代表了未来计算的计算模式。然而,应用于目前的Internet环境,网络通讯的响应很大程度上取决于带宽这样的硬件设施以及网络稳定性等一些不确定因素的影响。在目前这种状况下,如果一味地把所有的操作与配置置于服务器端,对于批量用户同时访问,服务器对于网络频繁请求的响应可能异常缓慢。因此,针对网络实际通讯状况,在客户端与服务器端实现任务的合理配置就至关重要。也就是说,基于Internet下的B /S体系中如何合理的分配前后端的负载将直接影响到系统的响应效率

29、。目前符合OGIS互操作规范的有CORBA,DCOM,OPENDOC等。其中,CORBA体系是最有前途的一种,它实现了异构平台的语义级互操作,但其庞大的运作代价使其停留在实验阶段,鲜有商品化成就;与此对应的是,DCOM模型一统W indows平台,已经成为W indows平台事实上的市场标准;而SUN公司大力提倡的Java RM I体系,某些方面具备两者的优点。它提供了纯Ja-va的应用级互操作,降低了开发成本;没有COR-BA那样庞大,却可以跨平台运行;而其跨平台特性也使其开发的部件可以针对特定的应用与DCOM等W indows资源结合使用,可谓两者兼备。尤其在目前网络硬件设备落后的情况下,不失为有效的选择。对于InternetGIS,实现异构数据源应用级互操作以及分布式数据管理与处理,把现实世界抽象为可互操作的对象是其目标之一。而这样,就必须解决基于Internet分布的应用级件化以及数据的分布式存储与获取。针对于此,运行于Inter-net的GIS应是一个多客户浏览器/多服务器系统,通过Internet的触角将相对独立的部件用网络连接并实现网络范围内的处理。下述的Inter-netGIS分布式互操作结构,对终端浏览器用户提供图形化的空间信息操作接口,而用户具体操作的模块如:专题制图、统计图、空间查询、空间分析以及异构数据源中间件分布