网络地理信息系统研究，本文主要内容关键词为：地理信息系统论文,网络论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
*国家“九五”攻关项目（96—B02—03）和香港政府大学资助委员会资助项目（CUHK150／96H）
分类 中图法 TP393
网络地理信息系统（WebGIS）近年来随着因特网（Internet）的发展日益引起研究人员的关注，成为GIS探讨的热点之一。 对网络地理信息系统的产生和发展、其应用模式和运行机制以及主要商业GIS 软件公司的解决方案已有论述[1]。 为了进一步深入探讨网络地理信息系统的内涵和功能、地理信息在网络环境下的组织方式和网络地理信息系统建立的一些关键技术问题，我们以京九铁路沿线投资环境网络评估信息系统为例，建立了网络地理信息系统的实验原型，希望能够在网络地理信息系统的讨论中起到抛砖引玉的作用。
1 网络地理信息系统的功能和特点
网络地理信息系统是在因特网技术的发展和地理信息共享的要求下发展起来的。在因特网发展的早期，一些研究机构就利用网络信息查询软件Gopher在因特网上按照文本关键词进行地理信息数据的查询和检索，并在权限的范围内下载数据文件以实现地理数据的共享。在这种方式下，地理信息与其它数据一样，都是以文件形式存在，并不具有特殊之处。WAIS软件利用数学图书馆协议Z39.50在元数据的基础上管理信息，由于地理信息的元数据与其它类型的元数据具有明显的区别，地理信息的特点开始体现出来。在这种模式下，地理信息仍表现为传统通用数据库的文本形式[2,3]。WWW（World Wide Web，全球网）在超文本传输协议（HTTP）的基础上，可以处理文本、图象、声音等多媒体数据。地理信息在WWW上是以图象方式存在的， 用户只能进行浏览或按属性查询。这三种利用因特网进行地理信息查询检索和下载的模式可以实现地理信息的共享，但不具有空间分析功能。
传统的单机GIS软件或基于主机／终端的GIS软件在80年代后期以后逐渐向局域网的客户／服务器的软件模式转变。随着越来越多的局域网接入因特网，GIS 软件在客户／服务器体系结构的基础上开始支持因特网的浏览器／服务器模式。主要商业GIS 软件先后推出了因特网解决方案[1]，基于因特网的网络地理信息系统（Internet GIS）开始出现。同时原有基于局域网络的GIS也逐渐向Intranet GIS（或称企业内部GIS）转变，在统一的技术和应用模式下，Internet GIS和 Intranet GIS 组成的 WebGIS较传统的GIS系统在可用性和易用性上都有较大的提高。利用因特网提供的接入机制， 使得只要接入因特网就可以使用 GIS ，WebGIS提供一致的用户界面，降低了GIS学习和使用的复杂性， 有利于GIS的应用和推广。 回顾地理信息的计算机处理发展过程和地理信息系统产生的历程可以看出，地理信息一开始也是作为普通数据文件被计算机处理，然后采用通用数据库进行管理，在这两种模式下，地理数据都以文本信息形式存在，计算机辅助制图实现了地理信息的计算机可视化，而基于栅格和基于矢量的空间分析功能是地理信息系统的重要标志。我们认为网络环境下的地理信息的处理也走过了数据文件目录管理、元数据的通用关系数据库管理、栅格图像的可视化的阶段，目前正向空间矢量数据可视化和提供网络在线空间分析功能的方向发展。网络地理信息系统的发展过程和模式见（图1）。
图1 网络地理信息系统发展过程和模式
Fig 1 The development process and schema of WebGIS
尽管我们现在还很难给网络地理信息系统下一个严格的定义，但是总的来说网络地理信息系统应具有如下功能：
（1）利用因特网提供的物理基础和浏览器／服务器（ Browser ／Server）机制，遵循HTTP协议（超文本传输协议），支持常用的网络浏览器，实现地理信息在因特网环境下的传输和浏览。
（2）以地理信息元数据标准为基础， 实现在因特网上地理信息的时间、空间和属性上的有机融合。
（3）实现地理信息的图形、 图象和文本的双向或多向可视化检索和查询。
（4）提供因特网上在线空间分析功能，如覆盖分析、 缓冲分析、网络分析等。
我们认为，网络地理信息系统与一般基于因特网的信息系统相比，最大特点是在空间框架下实现图形、图象数据与属性数据的动态连接，提供可视化查询和空间分析的功能。与传统的地理信息系统相比，它使原来基于单机或局域网的地理信息系统扩展到整个因特网，使得地学数据和地理模型有可能在全球范围内共享。经过合理地组织，网络地理信息系统可以实现数据和模型操作的透明，为地球系统科学研究提供一个功能强大而又方便有效的集成平台。
2 网络地理信息系统的组织方式
传统的基于因特网的信息系统主要包括数据服务器和网络浏览器两个主要部分，采用浏览器／服务器（Browser／Server，B／S ）的组织结构。 一些公司和机构提供信息检索服务， 这些信息代理服务器（如Yahoo和InfoSeek等）可以按照用户输入的文本关键字检索， 在向用户提供检索结果的统一资源定位器（URL）后， 将不再与用户发生联系。这种模式实际上只负责按照关键字进行简单的文本信息查询而不能进行信息的加工。
地理信息的特点要求对地理信息的一般处理包括空间数据的可视化、图形和属性数据的双向查询，不同等级和位置区域的包含、相交、相离查询，以及覆盖、缓冲和网络等空间分析功能；在多时相空间数据库中还要求提供时态查询和分析的功能，这些都不是普通的网络服务器和浏览器所能提供的。为此， 我们进行了网络地理信息系统的实验研究。
我们设计的网络地理信息系统的原型系统中主要包括WebGIS数据库服务器、WebGIS代理服务器和WebGIS的浏览器。WebGIS数据库服务器和浏览器不仅具备普通的网络服务器和浏览器的基本功能，既可以管理图象和关系数据，还可以处理空间矢量数据并提供各类数据融合的功能。与普通的因特网的信息系统不同的是我们引入了地理信息系统代理服务器的概念。建立在地理信息的元数据库和时空分析的功能基础上的代理服务器，不仅负责进行地理信息的检索，而且要对其进行裁剪、组合和融合以及一定的空间、时间和属性分析，其功能更为强大也更便于用户使用。
FGDC制订了分布式地理信息元数据规范，在地理信息标准化和规范化方面做了大量的工作，为地理信息通过互联网建立网络地理信息系统进行信息共享奠定了基础[4]。但是，该规范过于烦琐， 在实际应用中很难对该规范的每一项都有明确的表达，另外，该规范主要针对静态数据集，对动态交互式应用如多源数据融合等考虑不足。因此我们针对地理信息的特点，抽取FGDC的关键内容，对每一个具体空间数据库建立一个与之相对应的元数据记录，将每一个分布式数据库节点形成一个与具体空间数据集相对应的元数据库。根据分布式数据库系统场地自治的原则，各节点负责维护本地数据库与元数据项的一致和统一。在空间数据库集及其相对应的元数据库的基础上，建立一批网络地理信息系统代理服务器，各服务器可以有所分工又各具特色。代理服务器与相应的空间数据集元数据库动态连接。为提高系统效率，代理服务器可以保存相应元数据库的副本。当用户进行信息查询和模型分析时，代理服务器首先在自己的数据库（空间数据集的元数据库）中经过时间关系运算、空间关系运算、属性匹属运算查找满足条件的元数据库数据记录，向相应的物理数据库发出操作请求，并将操作结果（如多源数据融合，模型分析结果等）按照需要的形式返回给用户。具体模式如图2所示。
图2 基于元数据的网络地理信息系统组织体系结构
Fig.2 WebGIS architecture Based on GIS metadata
在实际应用中，空间数据库主要包括遥感影像库、遥感影像提取信息库、数字地图数据库和统计数据库等四种类型，各种类型数据库的元数据库至少包含如下数据项：
（1）遥感影像库的元数据库（栅格）。包括影像编码、影象类型、内容描述、成象时间（季相和时相）、影像空间范围（最小外接矩形经纬度）、存储格式、存储位置（磁带或网络地址）等。
（2）遥感影像提取信息库（矢量）。 包括遥感影像提取信息数据库编码、数据库名称、主题描述、关联影像号、比例尺、投影方式、存储格式、建立时间、空间范围（最小外接矩形经纬度）和网络地址等。
（3）数字地图数据库（矢量）。包括数字地图数据库编码、 数据库名称、主题描述、存储格式、比例尺、投影方式、空间范围（最小外接矩形经纬度）、建立时间、网络地址、连接的统计数据库序号等。
（4）统计数据库。包括统计型数据库编码、数据库名称、 数据库描述、存储格式、网络地址等。
遥感影像库的元数据库与遥感影像提取信息库通过影像号相连，数字地图数据库与统计数据库之间通过数据库识别码相连，而遥感影像提取信息库与数字地图数据库都是矢量空间数据库，可以采用同样的方式进行管理，通过这种方式形成了逻辑上完整的网络分布式空间数据库系统。在此基础上建立的网络地理信息代理服务器可实现按时间、空间、属性等单要素或其组合的元数据库可视化浏览和查询，返回相应的元数据库数据项给用户。其空间操作算子包括包含、相交、相离；时间操作算子包括包含、贯穿、相交，AT等；属性操作算子主要指属性项的并、差、连接、投影和选择等，以实现地理信息的网络可视化查询和数据融合管理。
3 建立网络地理信息系统的关键技术
网络地理信息系统是网络技术与地理信息系统技术的结合，涉及到较多的技术问题。 关于网络地理信息系统 CGI （通用网关接口）、ACTIVEX和JAVA的三种运行机制，已做了探讨[1]。通过分析，我们认为基于JAVA的网络解决方案具有简单、灵活、安全、易用的特点，因此决定采用JAVA语言从底层开发网络地理信息系统的原型。
网络地理信息系统原型包括WebGIS数据库服务器、WebGIS代理服务器和WebGIS的浏览器。WebGIS数据库服务器必须符合因特网的接入规范同时又具有管理空间数据的功能。目前因特网与关系数据库的连接技术较为成熟，但是无法直接存储和管理空间数据，大多数GIS 软件采用的读写数据文件的机制又与因特网的安全规范相抵触，WebGIS的数据库服务器尚无较为成熟的可以利用的商业软件。在我们开发的原型系统中，采取的方法是利用普通的商业关系数据库来管理空间数据。首先将各种类型（如ARC／INFO和MAPINFO的交换格式）的空间数据统一转换为关系数据库进行管理，通过空间索引来实时生成拓朴关系，并通过内部标志来实现空间数据和属性数据的连接，在用户访问时通过空间索引实时生成地理对象。每一个WebGIS服务器相当于一个分布式节点，定义统一的入口，通过这个接口规范指向各个数据层面（Layer）和瓦片（Tiler），供代理服务器和浏览器使用。
WebGIS的代理服务器相当于一个小型的GIS软件， 它保存各分布式节点的元数据，通过网络协议和元数据规范与各WebGIS服务器相连，提供各种基于元数据的查询和分析功能，WebGIS的代理服务器起到对空间数据集和地理模型的引导和过滤的作用。
WebGIS的浏览器可以直接与数据服务器相连，实时获取WebGIS服务器的各种数据，也可以通过WebGIS的代理服务器实现数据预览、可视化查询和融合分析的功能。
JAVA语言是一种网络编程语言，内含网络通讯的功能。通过每一台计算机的网络地址可以访问该机的ODBC（开放数据库连接）数据库，进而访问各数据层面，JAVA语言与ODBC之间采用ODBC／JDBC（JAVA数据库连接）桥接技术，实现功能模块与数据库的连接。原型系统的总体技术结构（图3）。
图3 基于JAVA平台和关系数据库的WebGIS建立技术路线
Fig.3 Technical plan for establishing WebGIS based on JAVA platform and relational database
5 京九铁路沿线投资环境网络评估信息系统原型的建立
我们采用上面基于元数据库的网络地理信息系统组织模式和基于JAVA的技术路线，建立了京九铁路沿线投资环境网络评估信息系统原型。该系统要求在因特网上建立京九铁路沿线7省市、35 个行政单位的投资环境评估信息系统，为投资者提供在线网络信息查询和评估分析服务，这是一个较为有代表性的网络地理信息系统的应用实例。遵从本文的设计思想和技术方案，利用JAVA编程语言和JDBC技术按如下步骤建立该系统原型。
（1）建立各市县行政边界空间数据库， 重要城市的各类市区专题图层，各种类型的社会经济统计数据库，对这些数据库分别建立与它们对应的元数据库。
（2 ）在这些数据库和元数据库的基础上实现网络地理信息系统代理服务器所要求的部分功能，提供空间数据的可视化查询检索和简单的空间分析。
图4 京九沿线投资环境网络信息系统原型
Fig.4 Prototype of Jing- Jiu Railway Corrida Region Investment Information System.
（3 ）在网络地理信息系统平台的基础上开发投资环境的层次评估模型及其它多准则评估模型，在用户选择评估指标并对各指标进行评分后，再系统地对指定地区的投资环境进行评估，并将结果反馈给用户。所有的评估操作都是在网络环境下交互式进行的。
（4）将用户的各种信息，如用户的个人信息、 用户选择的评估指标、各指标的得分、各地区总的评估结果等记录在案，必要时进行各种分析，供各级领导制定全国和区域政策参考，为科研提供第一手资料。
图4 是京九铁路沿线投资环境网络评估信息系统原型使用过程中的一个画面。这个原型系统在数据容量、模型规模、安全性、可靠性、实现效率等方面还有许多问题有待进一步提高和改进，但它已体现了网络地理信息系统在组织模式、技术路线、使用方式等方面的较为典型的特点。
5 结语
网络地理信息系统提供了一种地理信息表现、组织、共享、利用的有效机制。与一些网络信息系统仅利用互联网进行信息共享不同的是，地理信息本身的区域性、层次性、综合性的特点决定分布式的因特网是其最佳形式。因特网的发展以及越来越多的网络地理信息系统的建立，各种信息会不同程度地空间架构化，为地理信息的采集、处理、分析和应用提供了一种崭新的手段。及早开展网络地理信息系统的研究和应用，探讨其合理的体系结构，建立各种示范项目，将会极大促进网络地理信息系统的发展。
收稿日期：1997—07—11，收到修改稿日期：1997—12—08
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