WebGIS的主要发展趋势及前沿应用

WebGIS的主要发展趋势及前沿应用2007-08-2914:50地理信息系统技术经过近三十年的发展，已经逐步进入了计算机技术主流，从而能够在更广泛的领域为更多的用户提供空间信息服务。WebGIS新的发展趋势是GIS技术和Internet技术新的发展方向的体现，因而分析总结的WebGIS新的发展趋势具有重要意义。1、地理标记语言-网络环境下开放的空间数据交换格式空间数据具有多源性、多语义性、多时空性、多尺度和获取数据手段的复杂性等特点，这就决定了空间数据表达的复杂性。尤其是在网络环境下如何对空间数据采用规范化的编码使得分布在网络下的所有用户都可以无缝地获取、访问、浏览空间数据还存在着很大的技术问题。超文本链接标示语言（HTML）是目前Web上通用的标记语言。但是标准HTML语言在可扩展性、结构和有效性等方面存在严重不足。HTML语言对复杂的空间数据的描述也仅仅局限于文本，对于图形数据就无能为力了。为解决上述问题，1998年2月10日，W3C组织正式批准公布了应用于Web上的语言可扩展标识语言（ExtensibleMarkupLanguage）XML。它是一种元语言，是用来定义其他语言的语言。XML语言可以让信息提供者根据需要，自行定义标记及属性名，也可以包含描述法，从而使XML文件的结构可以复杂到任意程度。XML是基于文本编码的，具有跨平台、开放性、可扩展性、高度结构化等特点。目前，还缺乏能够广泛采用的对空间对象统一的描述方法，从而使得不同国家、组织机构、部门采用不同的数据模型描述空间对象如：COGIF,MDIFF,SAIF,DLG,SDTS等等。从80年代开始，世界上一些发达国家美国、加拿大、欧共体国家及联合国等已开始了空间信息编码标准化和规范化的研究工作。目前从事空间数据标准化研究的机构主要有：国际标准化组织（ISO）的TC211小组；欧洲标准化组织CEN／TC287；美国联邦地理数据委员会FGDC；OpenGIS联盟（OGC）等。由于空间数据格式的不同，给信息共享和数据的访问带来了极大的不便，解决多源数据的访问近年来一直是WebGIS，当然也是地理信息系统开发中需要解决的重要问题。其中，OGC是为了发展开放式地理数据互操作规范而成立的一个非盈利组织。它制定了一套空间数据表达及操作模型，并鼓励软件开发商和系统集成者采用OGC的标准，以最大限度地共享资源及信息交互。地理标记语言（GeographyMarkupLanguage）GML是由OpenGIS联盟制定的基于XML的对地理信息（包括地理特征的几何和属性）的传输和存储的编码规范[1]。2000年4月正式推出GML1.0版本，2001年2月推出GML2.0版本规范。GML是一个简单的基于文本的地理特征编码标准。GML是基于OGC创建的公共地理模型（OGC抽象规范）基础上的，已经被大多数的GIS开发商所接受并得到进一步的开发。正如XML语言将Web页面的内容及其表现分离一样，GML也将在地理信息世界中将内容及其表现形式分离开来，GML所关注的是地理数据内容的表现。它用地理特征(Features)来描述世界。本质上讲特征只是一系列的属性和几何体。属性有其名称、类型、属性值的描述。几何体（Geometries）是由基本的几何建模体如：点、线、曲线、面、多边形等所组成。GML已经可以对很复杂的地理实体进行编码]。XML已经在许多领域显示了它的应用潜力，除了GML之外，一些基于XML的描述矢量图形元素的规范已经制定出来，包括SVG（可伸缩的矢量图形）、VML（矢量标记语言）、X3D（扩展的3D建模语言，具有XML的语法和VRML的行为），这些规范在很多地方与GML相似，但是它们有着不同的目标。每一种都有自己不同的几何描述的方法。它们侧重于图形的表现，因此，包括属性、颜色、线型等元素。要浏览这些格式的数据文件，必须要有合适的图形浏览工具。预计，随着越来越多的组织机构和软件开发商使用XML作为空间数据表达、传输、存储的规范，空间数据编码的统一以及数据互操作和共享将最终成为现实，从而真正实现开放的空间信息访问。2、开放式地理信息系统WebGIS的发展现状及用户对WebGIS的要求，越来越表明WebGIS要想有广泛的发展和应用必须走开放的道路。开放是信息交流的趋势，传统GIS的体系结构是封闭的，而Web的本质特征就是其开放性，因此WebGIS的体系结构应该具备开放、互操作、可升级、可扩展性。它囊括了网络、通信、面向对象、数据库、分布式计算等众多技术，并随着这些技术的进步而改变。开放的WebGIS的首先应该包括数据的开放，即分布在异构数据库中的信息能共享，GML的出现已经提供了一个很好的解决方案。另外，还应该包括数据访问的开放，即不同的地理信息系统软件之间具有良好的互操作性。对WebGIS所提出的这些要求正是OpenGIS联盟（OGC）所成立的目的。实际上OpenGIS是随着GIS随着C/S、Internet的出现和发展的必然产物。OpenGIS联盟（OGC）是一个由一些政府机构、研究组织、软件开发商成立的，为了发展开放式地理数据规范、研究地学空间信息标准化以及处理方法的一个非盈利组织。它多年来致力于开放的地理信息规范的研究并且制定了一套空间数据表达的规范化模型。它鼓励软件开发商和系统集成者坚持OGC的标准，逐步地开发出一系列符合规范的工具、数据库及其他空间数据互操作的产品，以最大限度地共享资源及信息交互。OpenGIS的目标是使得一个应用系统开发者能够从网上透明地获取任何空间数据和任何空间数据处理功能或方法，而不管它的数据格式和数据模型。OpenGIS是通过OGC制定的一系列开放式地理空间数据互操作规范来实现的。它提供了地理数据和地理操作的交互性和开放性的软件开发规范。为软件开发者提供了一个框架，使他们能够开发一些让他们的用户方便地访问和处理各种来源的地理数据的软件。与传统的GIS相比，OGIS建立起通用的技术基础以进行开放式的地理信息处理。其特点是：互操作性：不同地理信息系统软件之间连接、信息交换没有障碍。可扩展性：硬件方面，可在不同软件、不同档次的计算机上运行，其性能和硬件平台的性能成正比；软件方面增加新的地学空间数据和地学数据处理功能。技术公开性：开放的思想主要是对用户公开，公开源代码及规范说明是重要的途径之一。可移植性：独立于软件、硬件及网络环境，不需修改便可在不同的计算机上运行。除此之外，还有诸如兼容性、可实现性、协同性等特点。OpenGIS的这些规范对WebGIS的发展及空间数据共享、互操作有很好的促进作用，许多厂商已经开始推出支持OGC规范的WebGIS的产品。要使WebGIS真正符合OpenGIS的规程，则不仅需要OGC努力，更需要众多GIS软件厂商放弃部分利益、通力合作。当然这是一个艰难的过程，但WebGIS遵循OGC的规范，是WebGIS发展的一个趋势。3、一体化的空间数据管理与分析GIS的数据一般分为空间数据和属性数据两类，在通常的GIS系统中对于空间数据的管理可以分为以下几种类型：由关系型数据库(RDBMS)管理属性数据。地理空间数据以文件的形式存储，由空间数据管理软件包进行空间操作。地理空间数据文件和关系型数据库之间以指针或关键字建立联系。对关系型数据库进行完善，使其统一管理属性数据和地理空间数据。在关系型数据库中引入面向对象技术，建立对象关系型数据库(ORDB)或纯对象数据库(OODB)，对象与底层表示分离，空间属性与非空间属性定位平等，实现了属性数据和空间数据一体化管理。在上述三种类型里，第一种把属性数据和空间数据分开管理，不能保证数据的完整性、一致性，不适宜进行网络分布式处理。第二种虽然实现了统一管理，其在处理地理数据生成空间拓扑关系、进行空间分析方面存在缺陷。第三种既实现了一体化管理，同时以面向对象技术处理地理空间数据，提高了地理空间数据运算效率，是目前WebGIS的较为理想的数据库管理平台。目前，GIS技术的瓶颈之一就是如何解决海量空间数据管理问题。对于一个中等城市级的GIS系统来讲，其数据量是极其巨大的，一般可以达到TB级数据量。传统的基于文件的管理已无法适应这一需要，利用面向对象的大型数据库技术是目前能够有效地解决这一问题的较好途径。另外，在网络环境下对地理数据的操作和分析是WebGIS今后发展的重要方向之一。目前，桌面GIS中可以提供对数据的非常复杂的操作，包括对图形数据(点、线、面)和属性数据的增加、删除、修改等基本操作。另外，GIS的空间分析，是GIS得以广泛应用的重要原因之一。通过GIS提供的空间分析功能，用户可以从已知的地理数据中得出隐含的重要结论，这对于许多应用领域是至关重要的。但是，目前在网络环境下对数据的这些操作还无法实现，主要还是对于数据的查询、浏览。值得注意的是，在目前很多大型的商业数据库系统中都加入了对空间数据库的支持，如OracleSpatial、Informix、IBMDB2等等，从而使得海量地图、影像数据的使用和管理变得更加简单：只需建立单一图层，不必再进行分幅处理。如果用户原来的数据源是分幅的，可将其全部存储到一个图层中，数据库将自动对其进行拼接和索引处理，可形成一个完整的图层。应用时，在客户端只需极少量的编程(实际上只是指定数据源)，就可实现对数据库里数据的动态显示。数据库会根据当前地图客户端的显示视野，自动将此范围内的图形检索出来，送到客户端显示。更为重要的是在这些支持空间数据的大型数据库中已经内嵌了对空间数据分析功能，可以在数据库服务器端对空间数据直接进行分析，然后将结果提交前台客户端。用户可以通过扩展的SQL查询语句来获取所需要的信息，客户端负责的仅仅只是数据的显示而已。因此，利用这种支持空间数据管理及数据分析的数据库，可建立一种真正的Client/Server结构的空间信息系统，不仅解决了海量数据的存储和管理等问题，也解决了多用户编辑、数据完整性和数据安全机制等许多问题，给GIS的应用带来更广阔的前景。4、基于分布式计算的WebGIS地球信息的特征是分布的，并具有基础性、共享性和综合性。目前出现的分布式计算技术可使地理信息的计算应用于社会各领域，成为信息基础设施的重要内容。数字化技术正飞速转向分布式计算模式。一个数据库的内容能被存储和维护在不同的地点，而远程用户则能够方便地并可应用网上特殊的处理方法对这个数据库进行操作。同样，决策者也能够通过计算机网络进行合作，或是通过因特网（Internet）传送大量文件。最近几年来在计算机硬件、软件和的宽带通讯技术的飞速发展已经能够提供这些服务。GIS在计算结构上已经发生了几种变化，从较早的框架系统使用电话线和终端迅速地扩展到遥远的地方。70年代晚期的小型机被工作站和为了数据交换而不断联网的个人电脑所代替。80年代PC机和工作站的兴起，使得曾经是IBM主机执行的功能由PC机和工作站取代。计算模式的主流从主机转移到桌面。进入90年代，出现了客户机/服务器计算，使得主机和PC机达到某种平衡。随着网络时代的到来，分布式计算正在成为新的计算模式。分布式计算目前的实现是客户机/服务器计算，它是实现完全的分布式计算的一个中间步骤。完全的分布式计算是一个非集中的，对等的（peer-to-peer）的协同计算。是下一个世纪的理想计算模式。目前分布式计算主要采用的技术有面向对象的构件技术、以文档为中心的软件体系结构、标准、以及终端的用户编程。与面向对象的技术相结合的分布式对象计算技术成为分布式计算的主流。其技术特点是：主要解决分布异构环境下的互操作问题。将客户机/服务器模式与面向对象技术结合在一起。提供面向对象的API建立集成框架或软件总线。实现应用软件的部件化开发。目前分布式计算平台采用的体系结构或标准有对象管理组织（OMG）的共同对象请求代理体系结构（CORBA），微软（Microsoft）的分布式部件对象模型（DCOM）和分布式网络体系结构（DNA）；分布式计算环境（DCE），以及SUN的JAVA。CORBA是世界著名组织对象管理集团的共同对象请求代理体系结构，己得到I