分布式GIS與GIS信息門(mén)戶

摘要：Internet與GIS的結(jié)合增強(qiáng)了對(duì)GIS的開(kāi)發(fā)利用，為地理信息科學(xué)創(chuàng)造了新的研究方向。信息共享框架正在不斷發(fā)展，應(yīng)用Internet技術(shù)實(shí)施GIS網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、部署GIS目錄門(mén)戶的應(yīng)用也都在不斷的增加，分布式GIS的應(yīng)用變得越來(lái)越重要。本文描述了分布式GIS的發(fā)展歷程及其在GIS信息門(mén)戶實(shí)施中的應(yīng)用，并詳細(xì)闡述了GIS信息門(mén)戶的總體建設(shè)框架以及解決其數(shù)據(jù)核心與技術(shù)核心問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)。
 關(guān)鍵詞：分布式GIS   信息共享   GIS 門(mén)戶

1. 引言
 20世紀(jì)70年代的早期，由于GIS對(duì)空間分析功能產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響，這一時(shí)期成為確立地理學(xué)作為空間學(xué)科之一的重要里程碑。而幾乎與此同時(shí)（20世紀(jì)80年代），第一個(gè)采用TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）協(xié)議的Internet網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)――ArpaNet的出現(xiàn)也在推動(dòng)信息技術(shù)與電信技術(shù)的迅猛發(fā)展[1]。20世紀(jì)90年代早期，主要采用HTML（Hypertext Markup Language）、HTTP（Hypertext Transfer Protocol）與Web（World Wide Web）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)Internet應(yīng)用所帶來(lái)的優(yōu)越性已經(jīng)開(kāi)始在GIS研究領(lǐng)域中逐步被認(rèn)識(shí)到[2]。
 Internet與GIS的結(jié)合增強(qiáng)了對(duì)GIS的開(kāi)發(fā)利用，為地理信息科學(xué)創(chuàng)造了新的研究方向。短短不到10年的時(shí)間里，Internet與GIS技術(shù)的結(jié)合在研究領(lǐng)域里產(chǎn)生了諸如WebGIS、Internet GIS、Online GIS、Internet Distributed GIServices與GIS Portal等新名詞。早期的WebGIS由于Internet交互能力的局限，并沒(méi)有太多可利用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，僅僅是一個(gè)信息發(fā)布中心，功能實(shí)現(xiàn)主要集中在靜態(tài)地圖的發(fā)布上，所以說(shuō)在1996年以前所出現(xiàn)的WebGIS提供的僅僅是地理信息分發(fā)功能，是單純的地圖服務(wù)器。1996年以后，隨著Internet技術(shù)的飛速發(fā)展，客戶機(jī)/服務(wù)器體系的進(jìn)一步完善，地理信息服務(wù)也從地理信息分發(fā)步入地理信息共享。WebGIS具有了放大、縮小、漫游等簡(jiǎn)單交互功能和一些專(zhuān)業(yè)制圖、可視化的操作工具。到了21世紀(jì)， Web Services（Web服務(wù)）概念、Web Services軟件架構(gòu)思想的興起為實(shí)現(xiàn)真正意義上的地理信息服務(wù)展現(xiàn)了一線曙光。基于Web Services技術(shù)的GIS門(mén)戶已經(jīng)開(kāi)始具備可以進(jìn)行多個(gè)異構(gòu)系統(tǒng)交互、完成更為高級(jí)GIS處理與分布式地理信息服務(wù)等功能。
2. GIS信息門(mén)戶的總體建設(shè)框架
 地理為人類(lèi)提供了一種管理世界的框架和語(yǔ)言。GIS提供一種相對(duì)較新的、但快速發(fā)展的抽象化表達(dá)方式。GIS將上百年的地理科學(xué)抽象為五個(gè)基本元素：地圖及全球可視化，空間數(shù)據(jù)集，工作流模型，數(shù)據(jù)模型和元數(shù)據(jù)。這五個(gè)基本元素綜合起來(lái)代表了“地理知識(shí)”，加上GIS軟件，提供一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)，幫助我們服務(wù)于世界（改進(jìn)效率，輔助決策，科學(xué)規(guī)劃等等）。Internet和Web Services技術(shù)提供了處理問(wèn)題的基礎(chǔ)平臺(tái)，幫助我們將獨(dú)立的地理結(jié)點(diǎn)，連接起來(lái)構(gòu)成GIS網(wǎng)絡(luò)，在其上共享我們的知識(shí)。這個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)包括Web services的客戶端，服務(wù)器以及用于搜索的門(mén)戶。Portal將每一個(gè)知識(shí)單元組織起來(lái)，以前所未有的方式協(xié)同完成工作[4]。
 目前建立信息門(mén)戶主要采用Portal技術(shù)，Portal技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)應(yīng)用的統(tǒng)一應(yīng)用入口、界面集成，并實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的信息呈現(xiàn)。GIS Portal 是訪問(wèn)空間信息的單一入口點(diǎn)，無(wú)論數(shù)據(jù)源的位置、格式和結(jié)構(gòu)如何。GIS Portal有助于政府和組織通過(guò)實(shí)現(xiàn)GIS 門(mén)戶來(lái)接入日益增長(zhǎng)的地理數(shù)據(jù)資源的全球網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)本地、地區(qū)、國(guó)家和全球的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施門(mén)戶。目前，GIS Portal是美國(guó)Geospatial One-Stop門(mén)戶[6]，歐盟INSPIRE門(mén)戶[7]，和大量其它國(guó)家的GIS目錄門(mén)戶的技術(shù)基礎(chǔ)。
 建立地理信息系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)如出一轍，經(jīng)濟(jì)建設(shè)必須修筑好的高速公路，同理，信息門(mén)戶的建立也需要好的基礎(chǔ)建設(shè)。GIS信息門(mén)戶的建立不是實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)技術(shù)或軟件，而是一套完整的解決方案，其工具包必須基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，包括基于TCP/IP、HTTP對(duì)服務(wù)的訪問(wèn)以及元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)應(yīng)該保存在基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，并可以通過(guò)被廣泛使用的GIS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行訪問(wèn)和服務(wù)。圖2顯示了參照OGC（OpenGIS Consortium）規(guī)范[8]劃分的GIS Portal模塊，由此可以看出GIS信息門(mén)戶的建設(shè)需要解決兩大核心問(wèn)題，其一是數(shù)據(jù)核心――元數(shù)據(jù)，其二是技術(shù)核心――Web Services。
 
   
3. GIS信息門(mén)戶的數(shù)據(jù)核心是元數(shù)據(jù)
 地理信息元數(shù)據(jù)是建立空間基礎(chǔ)設(shè)施和分布式地理信息共享的核心和實(shí)現(xiàn)的重要手段。元數(shù)據(jù)是對(duì)資源進(jìn)行精確描述并建立完善索引的途徑，通過(guò)對(duì)建立的元數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢和檢索來(lái)獲取地理數(shù)據(jù)集的有關(guān)信息。這尤其有利于在大量的地理數(shù)據(jù)集中進(jìn)行資源發(fā)現(xiàn)，以定位和獲取希望的數(shù)據(jù)。這樣，就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)一個(gè)遙遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)出查詢請(qǐng)求，以確定那里是否有想要的數(shù)據(jù)。如果沒(méi)有元數(shù)據(jù)，查詢就會(huì)變得困難得多，很難限定什么是自己想要的數(shù)據(jù)。
 如果對(duì)地理信息的描述都采用統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，不同的資源庫(kù)之間就具有相同的模式和結(jié)構(gòu)，人們就可以對(duì)這些資源庫(kù)采用一致的查詢檢索方法，使資源發(fā)現(xiàn)變得更簡(jiǎn)單，效率更高，從而可以大大促進(jìn)信息的共享。基于這種認(rèn)識(shí)，通過(guò)建立一種同構(gòu)的分布式的地理信息元數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并提供一站式的查詢服務(wù)，讓用戶只需要通過(guò)一個(gè)入口就可以同時(shí)查詢到所有的節(jié)點(diǎn)。這也是許多國(guó)家和區(qū)域性組織都致力于建設(shè)的地理空間數(shù)據(jù)交換網(wǎng)。
4. GIS門(mén)戶的技術(shù)核心是Web Services
 Web服務(wù)從根本上說(shuō)是一個(gè)分布式解決方案，是分布式計(jì)算技術(shù)的一大飛躍，它的設(shè)計(jì)依賴(lài)于Internet標(biāo)準(zhǔn)（如XML和HTTP）。Web服務(wù)就是通過(guò)Web接口提供某個(gè)功能程序段。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的Internet協(xié)議就可以很容易地訪問(wèn)該功能。服務(wù)是通過(guò)URI來(lái)標(biāo)識(shí)的一個(gè)軟件系統(tǒng)，并采用XML來(lái)定義和描述其公共接口和連接方法。其它軟件系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)這些接口，并根據(jù)接口定義的方法，通過(guò)Internet協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如HTTP、SMTP、FTP、IIOP 等，用XML格式的消息與它進(jìn)行交互。簡(jiǎn)單說(shuō)，Web 服務(wù)就是使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的輸出接口來(lái)定義系統(tǒng)功能，以便外界通過(guò)這個(gè)接口進(jìn)行調(diào)用。圖3是Web服務(wù)的基本構(gòu)架，共有三部分組成:服務(wù)提供者可以向服務(wù)代理發(fā)布并注冊(cè)其服務(wù)；服務(wù)請(qǐng)求者則通過(guò)服務(wù)代理搜尋所需的服務(wù)，并根據(jù)代理返回的結(jié)果與實(shí)際的服務(wù)提供者綁定；綁定后請(qǐng)求者就可向服務(wù)提供者發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求并獲得相應(yīng)服務(wù)響應(yīng)。
 4.1. GIS信息門(mén)戶的服務(wù)體系架構(gòu)
 典型的基于Web的GIS技術(shù)平臺(tái)是建立在三層客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)體系下。體系結(jié)構(gòu)模型由用戶層的顯示頁(yè)面、應(yīng)用中間層的應(yīng)用邏輯組件、數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)組成。在三層結(jié)構(gòu)中，每一層支持應(yīng)用程序的一個(gè)獨(dú)立部分。客戶機(jī)完成顯示邏輯，應(yīng)用服務(wù)器完成業(yè)務(wù)處理邏輯，而數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器完成數(shù)據(jù)存取邏輯。在事務(wù)處理過(guò)程中，每個(gè)客戶機(jī)只向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求，這就減少了網(wǎng)絡(luò)通信和競(jìng)爭(zhēng)。每個(gè)應(yīng)用程序的業(yè)務(wù)邏輯部分由該程序的所有用戶共享，這就更好控制業(yè)務(wù)邏輯，簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)。另外，應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)之間是一定數(shù)目的常連接（用戶不必做連接和斷開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作），而且，客戶請(qǐng)求的是應(yīng)用服務(wù)而不是數(shù)據(jù)請(qǐng)求，所以，隨著用戶的增加，三層結(jié)構(gòu)更加有效并容易擴(kuò)展。
 但是，基于Web的三層結(jié)構(gòu)在與外部系統(tǒng)的接口上會(huì)碰到以下無(wú)法解決的問(wèn)題：①互操作性能差。集成不同語(yǔ)言開(kāi)發(fā)程序非常困難，DCOM、CORBA與RMI在局域網(wǎng)的環(huán)境中都工作的很好，在一個(gè)純粹的局域網(wǎng)環(huán)境中，這些技術(shù)都可以發(fā)揮其作用，同樣，這些技術(shù)也支持在網(wǎng)絡(luò)連接上調(diào)用組件。但是在與其它協(xié)議進(jìn)行交互時(shí)它們都不能很好地發(fā)揮其作用，使用DCOM無(wú)法調(diào)用Java組件，通過(guò)RMI也無(wú)法調(diào)用COM對(duì)象。②難以跨平臺(tái)運(yùn)行。開(kāi)發(fā)人員在一種平臺(tái)下開(kāi)發(fā)的程序要移植到其他平臺(tái)上去運(yùn)行，是非常困難的事情。盡管分布式組件對(duì)象技術(shù)，使得傳統(tǒng)的應(yīng)用程序在互操作性以及跨平臺(tái)運(yùn)行有很大的提高，但并沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。③其它問(wèn)題。試圖在Internet上使用這些技術(shù)會(huì)帶來(lái)更加困難的問(wèn)題，因?yàn)榉阑饓Τ３Ｗ璧K對(duì)TCP/IP端口請(qǐng)求的訪問(wèn)。
 Web Services技術(shù)的出現(xiàn)以其開(kāi)放性、互操作性的優(yōu)點(diǎn)解決了以上幾個(gè)問(wèn)題，逐步成為下一代分布式GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)外部接口的主流技術(shù)。目前，由OGC（OpenGIS Consortium）開(kāi)發(fā)的一系列面向萬(wàn)維網(wǎng)地理信息服務(wù)的實(shí)現(xiàn)規(guī)范。遵循這些規(guī)范可以實(shí)現(xiàn)不同廠商的服務(wù)器軟件之間可以通過(guò)萬(wàn)維網(wǎng)互相動(dòng)態(tài)地查詢、訪問(wèn)、處理以及組合各種地理信息。利用OGC萬(wàn)維網(wǎng)地理信息服務(wù)（OWS）可以使運(yùn)行于萬(wàn)維網(wǎng)上的各個(gè)分布式地理信息系統(tǒng)使用相同的技術(shù)如XML和HTTP互相通信。OWS提供了一個(gè)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)無(wú)關(guān)的、可互操作的框架體系，通過(guò)這一體系，可以在萬(wàn)維網(wǎng)上發(fā)現(xiàn)、訪問(wèn)、集成、分析、開(kāi)發(fā)以及評(píng)價(jià)和顯示多個(gè)在線地理空間數(shù)據(jù)源和地理信息服務(wù)[9]。目前為止，OGC已經(jīng)開(kāi)發(fā)了三個(gè)基于萬(wàn)維網(wǎng)的地理信息服務(wù)規(guī)范，包括萬(wàn)維網(wǎng)地圖服務(wù)器接口規(guī)范（OpenGIS Web Map Server Interface Specification：WMS），萬(wàn)維網(wǎng)要素服務(wù)器規(guī)范（OpenGIS Web Feature Server Specification：WFS）和萬(wàn)維網(wǎng)Coverage服務(wù)器規(guī)范（OpenGIS Web Coverage Server Specification：WCS）。
 參照OGC Web服務(wù)中制訂的一系列標(biāo)準(zhǔn)，借助XML、SOAP、WSDL等Internet協(xié)議，可以創(chuàng)建基于Web Services的地理信息服務(wù)系統(tǒng)。基于Web Services的地理信息服務(wù)系統(tǒng)是對(duì)WebGIS的范疇的擴(kuò)展，是可互操作的分布式應(yīng)用程序新平臺(tái)，特別符合地理信息分布的特點(diǎn)，并可以利用松耦合的模式來(lái)使用和擴(kuò)展各種數(shù)據(jù)和服務(wù)資源，動(dòng)態(tài)的綁定不同的服務(wù)來(lái)完成特定的功能。采用該技術(shù)開(kāi)發(fā)GIS應(yīng)用，客戶端和服務(wù)器間能夠自由地用HTTP進(jìn)行通信，可以透明地訪問(wèn)遠(yuǎn)程的GIS組件服務(wù)，而不論兩個(gè)程序的平臺(tái)和編程語(yǔ)言是什么；應(yīng)用程序間通信不受現(xiàn)有Proxy和防火墻的限制，增強(qiáng)了分布式系統(tǒng)的功能，而無(wú)須依賴(lài)某一項(xiàng)技術(shù)（如DCOM、CORBA或RMI）。這樣解決方案特別適合于空間信息服務(wù)的實(shí)現(xiàn)，解決在分布式環(huán)境下的地理信息的互操作(包括數(shù)據(jù)和功能兩方面)。圖4表示了Web應(yīng)用與Web服務(wù)的相結(jié)合的地理信息服務(wù)開(kāi)發(fā)框架。
 4.2. GIS信息門(mén)戶的目錄服務(wù)
 建立元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)目錄服務(wù)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的第一步。
 元數(shù)據(jù)是由數(shù)據(jù)生產(chǎn)者提供的說(shuō)明數(shù)據(jù)內(nèi)容、質(zhì)量、狀況，以及如何獲取數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化的摘要信息[10][11]。元數(shù)據(jù)具有豐富的內(nèi)容信息，這可以指導(dǎo)、幫助用戶使用地理信息，同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)生產(chǎn)者來(lái)說(shuō)，元數(shù)據(jù)可以幫助它們更好地管理和維護(hù)數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)服務(wù)器是將元數(shù)據(jù)信息在Internet上發(fā)布的系統(tǒng)。它能實(shí)現(xiàn)對(duì)元數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)、組織方面的管理，并能響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)上用戶查詢的請(qǐng)求，按照一定的查詢策略查詢檢索后，按用戶需求的格式或者視圖（View）（如XML格式、圖形格式）返回元數(shù)據(jù)信息。
 元數(shù)據(jù)最重要的作用在于它提供目錄數(shù)據(jù)，能使用戶方便地找到地理信息與服務(wù)。即，資源發(fā)現(xiàn)（Resource Discovery）功能，或者說(shuō)導(dǎo)航（Navigation）功能、目錄服務(wù)（Catalog Services）。目錄實(shí)體包括元數(shù)據(jù)和引導(dǎo)用戶查到所需數(shù)據(jù)與服務(wù)的檢索器。圖5顯示了目錄服務(wù)的功能框架。
 
   GIS信息門(mén)戶目錄服務(wù)的基本功能是地理空間資源的組織，發(fā)現(xiàn)和導(dǎo)入。地理空間資源是網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)環(huán)境中基本而又抽象的地理空間信息，是地理信息共享交易中的基本交易單元。地理空間資源包括地理數(shù)據(jù)和地理服務(wù)兩部分，因此目錄服務(wù)的元數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)和服務(wù)元數(shù)據(jù)。描述地理服務(wù)的元數(shù)據(jù)可以從發(fā)布系統(tǒng)（桌面、服務(wù)器、或基于Internet的應(yīng)用）加載到信息門(mén)戶的工具包。這些元數(shù)據(jù)以XML記錄的方式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)（RDBMS）中，也可以存儲(chǔ)為其他不同的標(biāo)準(zhǔn)格式。瀏覽數(shù)據(jù)目錄數(shù)據(jù)按照主題來(lái)組織，通過(guò)點(diǎn)擊數(shù)據(jù)主題鏈接，可以進(jìn)入相應(yīng)的主題單元，數(shù)據(jù)目錄頁(yè)面將顯示W(wǎng)eb服務(wù)相關(guān)的元數(shù)據(jù)，可下載的數(shù)據(jù)或者是其它相關(guān)資源，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系。
5. 結(jié)論
 ⑴ Internet與GIS的結(jié)合增強(qiáng)了對(duì)GIS的開(kāi)發(fā)利用，為地理信息科學(xué)創(chuàng)造了新的研究方向。GIS軟件技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，必然提供對(duì)高級(jí)應(yīng)用的支持，然而也必須提供足夠的靈活度，支持完整的各個(gè)層面GIS應(yīng)用的實(shí)施。信息共享框架正在不斷發(fā)展，應(yīng)用Internet技術(shù)實(shí)施GIS網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、部署GIS目錄門(mén)戶的應(yīng)用都在不斷的增加，分布式GIS的應(yīng)用變得越來(lái)越重要。實(shí)際上，信息共享最終導(dǎo)致了對(duì)實(shí)施分布式GIS的需求，用戶有可能位于分布式GIS應(yīng)用的任何一個(gè)級(jí)別，我們建議用戶沿著由簡(jiǎn)單到高級(jí)的趨勢(shì)不斷地推動(dòng)應(yīng)用的實(shí)施。
 ⑵ GIS信息門(mén)戶的建立不是實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)技術(shù)或軟件，而是一套完整的解決方案，其數(shù)據(jù)核心是元數(shù)據(jù)，技術(shù)核心是Web Services。通過(guò)基于元數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)目錄服務(wù)，為空間信息的查詢檢索提供了一個(gè)統(tǒng)一的入口，通過(guò)該入口，用戶可以直接查詢所感興趣的數(shù)據(jù)而無(wú)需關(guān)心數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)位置，元數(shù)據(jù)為各種空間信息共享與服務(wù)提供了一個(gè)可供查詢的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)一站式服務(wù)的基礎(chǔ)。Web Services技術(shù)是分布式計(jì)算技術(shù)的一大飛躍，以其開(kāi)放性、互操作性的優(yōu)點(diǎn)逐步將成為下一代分布式GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)外部接口的主流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)。

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