多种数据源地理信息处理的Internet GIS 方法

摘　要　介绍了多种数据源获取、管理和地理信息处理的Internet GIS方法和用这种方法设计的Internet GIS 的原理及功能特征.

 关键词　Internet GIS方法；互操作性；Java/JDBC;客户/服务器
分类号　P208

Internet GIS Approach to Multisource Data and Geoprocessing
Yuan Xiangru(National Laboratory for Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing,
WTUSM, 129 Luoyu Road, Wuhan, China, 430079)　Gong Jianya　Chen Lili　Han Haiyang

Abstract　Most of recent researchers believe that a lack of awareness, and problems of accessibility of spatial data are significant bottlenecks to increasing numbers of users and applications. It is not easy for users to get spatial attribute from image of WWW geographic information system (WWW GIS). In order to solve these problems, the vector graphic seamless link with main database model and new WWW GIS system have been developed with Java and JDBC. This paper introduces Internet GIS approach to mutlisource data and geoprocessing, and the principle and functions of Internet GIS.
Key words　Internet GIS approach； interoperability； Java/JDBC； Client/Server

　　随着地理信息系统的快速发展，对数字地理空间数据的获取、存储和共享的需求日益增大。许多面向工程的GIS应用认为GIS数据是孤立的信息，数据是独立地被获取、存储和分析，仅用来满足单个工程和程序的需要。数据很少被共享，导致数据采集和存储的冗余和低效率。GIS用户需求的增长促进了GIS事业的发展，一个机构致力于开发一个完整的数据库， 并通过代理部门来满足GIS应用的需要。Internet环境鼓励免费或以最小费用使用这些公开的数字信息。
　　用信息获取的两种传统方法——服务器应用程序接口法和插件法来构造客户端分布式空间数据查询和互联网络获取系统 (Peng, 1997)。用户从服务器端得到的图像没有空间属性特征，而且不便于操作。在这些方法中，CGI （通用门栅接口） 作为返回适当文件和生成一个网上传输文件的通路，在HTTP服务器上编写。所有空间数据的操作都在服务器端完成。因为目前HTML2.0支持地理信息数据文件，从CGI文件或程序得到的文件不能嵌入矢量数据。GIF格式或JPEG格式的图像是空间数据返回仅有的形式。这样对图像的处理非常耗时，如缩放、漫游、网上制图及模型分析服务等，因为每次发送消息给服务器时，服务器都需要查找数据库、执行操作、生成GIF，然后再传送给浏览者。毫无疑问，这对网络传输和数据库服务器是非常重的负担 (Lin, 1997)。
　　为解决这些问题，笔者用Java 和 JDBC开发了基于矢量图形分布式模型的万维网地理信息系统。与传统方法比较，这种方法可以通过万维网从数据库服务器中获取和管理包括GeoFile( Fox Pro )、GeoDB (Microsoft SQL Server)、Arc/Info、MapInfo、DXF及MGE在内的多数据源数据，并直接将这些数据传输给客户端。用户可方便地操作这些矢量数据，包括漫游、缩放、查询和分析。在客户端，用户可以像在服务器端一样操作数据。该方法同时具有地理信息处理功能，如地图特征分析、查询、空间分析、专题制图、距离分析及表操作等。Internet GIS方法在GIS用户和空间数据服务之间提供了极大的灵活性和互操作性。

1　Internet GIS 原理

　　对于一般的地理信息系统软件而言，使用它的目的是用于地理信息数据的生产、管理和维护。目前较有影响的地理信息系统软件有Arc/Info、MapInfo和MGE等。使用这些软件的用户大多为地理信息生产部门。地理信息生产部门生产这些地理信息的目的是让大多数用户有偿使用，以实现地理信息共享。若这些地理信息数据以一种简单的方式让用户在全球范围内得以共享，将给地理信息生产部门和用户带来良好的经济效益。使用地理信息数据的用户可以分为3类：① 使用地理信息数据的原始数据；② 使用地理信息数据的中间结果；③ 使用地理信息数据的最终图表。
　　Internet GIS可以定义为：在Internet上能够让全球用户使用全球范围内地理信息数据的地理信息系统。Internet GIS为地理信息数据生产部门提供特殊的数据销售方法，为用户提供不同级别的地理信息数据共享和服务，以同时满足3类用户的不同需求。它使地理信息为全球用户使用成为现实，原理见图 1。

图１ Internet GIS原理
Fig.1 The Principle of Internet GIS

　　Internet GIS基本的要求如下：
　　1) 互操作性的应用环境。用户可在任意软、硬件平台上利用特殊的工具和必需的地理信息数据去解决问题。
　　2) 共享数据空间。用模型支持多种分析和制图应用。
　　3) 异构数据浏览。在Internet上研究和获取信息，分析可用资源。
　　Internet GIS 是基于矢量图形分布式模型的，即用户操作的是矢量图形的地理信息数据；地理信息数据库服务器、Web服务器、JDBC服务器和客户机的任务分离；计算是在Internet 上分布式进行的；地理信息数据库服务器和客户机是多个且分布在Internet 上；实现多数据源的互操作性。

2　多种数据源的获取和管理

　　Internet GIS 的主要用途是为地理信息生产部门和Internet 用户之间提供纽带和桥梁。除了地理信息数据生产、更新和维护外，它还具有一般地理信息系统的所有其它特征和功能。获取和管理多种地理信息数据源是Internet GIS应具备的首要特征。Arc/Info、MapInfo、MGE等地理信息系统都有自己的地理信息数据格式。Internet GIS必须具备获取和管理现有地理信息系统数据格式的能力，将已有的地理信息数据实现共享。
　　Internet GIS 的JDBC和扩展JDBC数据组织部件负责从数据库服务器获取数据。它包含许多子部件，如GeoStar数据获取子部件、Arc/Info数据获取子部件等。目前，它支持以下图形数据格式：① GeoStar内部数据格式，包括GeoDB (Miscosoft SQL Server) 和GeoFile；② MapInfo的MIF数据格式及内部数据格式；③ MGE的ASCⅡ载入数据格式和DGN数据格式；④ Arc/Info的E00数据格式和Coverage数据格式；⑤ AutoCAD的DXF数据格式。
　　地理信息数据格式可以分为3大类：① 以非面向关系数据库形式形成的文件型数据格式，如Arc/Info、MapInfo、MGE等；② 以面向关系数据库形式形成的地理数据格式，如GeoDB 等；③ 几何对象用文件形式存储,属性对象用面向关系数据库形式形成的地理信息数据格式，如GeoFile等。
　　以上3类不同格式的数据源要用不同的部件来完成。JDBC数据组织部件实现面向关系数据库的地理信息数据的获取，扩展JDBC数据组织部件实现非面向关系数据库的地理信息数据的获取。对于第三类，要通过JDBC和扩展JDBC数据组织部件结合予以实现。
　　系统在客户机运行后，列出用户能使用的所有相关的数据库服务域名 (或网址) 和地理信息数据目录。终端用户通过标准的SQL语句或扩展的SQL语句从这些地理数据源中找到用户所感兴趣的目录，返回数据以形成数据层。在层的基础上，JDBC和扩展的JDBC服务器从数据库服务器获取数据，传送到客户机并形成图形。
　　毋需数据库服务器中的所有数据通过Internet传输给客户机，而是用SQL语句或扩展的SQL语句选取用户感兴趣的数据集合传输给客户机，这便是使用JDBC和扩展JDBC数据组织部件的最大优点。这样可减少数据的传输量和服务器的负担，从而提高了效率。
　　对客户机的用户而言，可以用几种形象而直观的方法通过JDBC和扩展JDBC数据组织部件获得多种数据源的地理信息数据：① 索引图方法。通过在索引图上选择用户感兴趣的图幅，实现从数据库服务器获取地理信息数据，如1∶100万中国数字地图。② 数据源和图幅名列表方法。系统在客户机列出用户所选数据库服务器中所有的地理信息数据源和图幅名称供用户使用。③ 几何方法。通过几何分割，从数据库服务器中提取用户所关心的地理信息层。④ SQL语句方法。通过JDBC服务器，由SQL语句从数据库服务器中获取用户需要的地理信息数据。
　　JDBC数据组织部件的GeoStar子部件从数据库服务器的SQL Server上通过SQL语句得到数据，通过Internet 传输至客户机，在客户机上显示数据图形，背景是Netscape浏览器，它显示有关信息，并提供Java虚拟机。关于Arc/Info的Coverage数据，扩展JDBC数据组织部件的Arc/Info子部件应用扩展SQL语句从数据库服务器上获得数据，通过Internet 传输至客户机形成图形。关于MapInfo的MIF数据，其操作过程与关于 Arc/Info 的 Coverage 数据大体相似，不同的是它使用扩展JDBC数据组织部件的MapInfo子部件。有关图例参见文献 ［2］。
　　通过JDBC和扩展JDBC数据组织部件获得地理信息数据后，需要对这些矢量数据进行管理。数据管理是通过部件来实现的，见图 2，如显示部件、制图部件、分析部件和数据管理部件。部件化数据管理体现面向对象的特征即包容性、多元性、继承性和动态连接性。系统运行时，所有部件并非一次性从服务器下载到客户机，而是仅下载用户正在使用的部件，其它部件在用户需要时动态地从服务器下载运行。系统在设计时可以使功能多而且齐全，但到达客户机上的部件仅为用户需要使用的部件，这有助于减轻Internet 和客户机的负担，对实际工程具有很大的意义。

图２ 系统组织
Fig.2 The Construction of the System

3　地理信息处理及特征

　　Internet GIS方法为空间数据查询和操作提供了强大功能。首先，它提供了根据属性查找图形的功能。SQL查询操作将具有一些特殊条件的地物查找出来，并将这些地物类列在一个属性表里。其次，它实现了空间关系查询，通过一个特定的几何图形对地物进行查询，如点、线、矩形、圆、多边形等。通过比较，在一定范围内空间查询的另外一个方法是在点、线、面地物周围的缓冲区内进行。
　　同时，它也提供许多数据统计和图形表示的方法。例如，描述不同层次和不同地区数据的方法、范围描述法、个体描述法等。系统不但提供给用户多种符号，如统计图形中的条状、饼状和曲线等，还具备设计专题符号的能力。
　　Internet GIS为多种数据源的地理信息处理提供了距离分析、专题制图功能。专题制图包括二维或三维的饼状图、柱状图、等值图、趋势图、分级统计图和质地填充图，为多数据源数据分析和示图提供了强有力的方法。此外，用户可以在客户端使用本地打印机输出各种分析、查询、制图和表操作的结果。
　　Internet GIS的主要特征有以下几点：
　　1) 基于矢量图形分布式模型。即矢量图形、任务分离、分布式计算、分布式服务器和客户机、多数据源互操作性。
　　2) 用户在客户端方便地实现地理信息数据操作，如漫游、缩放、查询和分析等操作。
　　3) 在所有具有Java 虚拟机的平台和操作系统上都可以运行。用户可以在任一万维网浏览器上启动，如Netscape 浏览器和Internet Explore浏览器，启动本系统后，与浏览器无关。
　　4) 使用Java和JDBC，可以从面向关系地理信息数据库 (如Sybase, SQL server, Oracle等) 和非面向关系地理信息数据库中得到地理信息数据。
　　5) 安全性强。用户可以获取地理信息数据，但在客户端不能存储这些数据。
　　6) 操作简单方便。无需安装，只要知道系统所在的IP地址或域名，用户就可以启动。
　　7) 获取和管理多种地理信息数据源数据，如GeoFile、GeoDB、Arc/Info、MapInfo、DXF及MGE等。
　　8) 具备空间分析能力，如地图特征的分析、查询、空间分析、专题制图、距离分析及表操作。
　　9) 支持多种语言，可同时以多种语言运行，如汉语、英语和日语等。

4　结　论

　　随着Internet技术的快速发展，互联网地理信息系统将会进一步影响地理空间数据的出版发行以及GIS软件的发展。基于矢量图形分布式模型的 Internet GIS 方法是在Internet上实现多种数据源获取、管理和地理信息处理的有效方法。它证明了在Internet上实现地理信息数据为全球用户共享和使用的可行性和实用性，还提供了互操作性GIS的新方法以及GIS用户和地理信息数据服务之间高度的灵活性。

*国家自然科学基金及国家“九五”重点科技攻关资助项目，编号 49525101 及 95D0203。
作者简介：袁相儒，男，30 岁，博士生，现从事互联网地理信息系统研究。
作者单位：袁相儒　龚健雅　陈莉丽　韩海洋　武汉测绘科技大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉市珞喻路 129 号，430079

参考文献
1　袁相儒，龚健雅.矢量图形与主数据库无缝连接万维网地理信息系统的设计和实现.武汉测绘科技大学学报，1997, 22 (3): 260～263
2　龚健雅，袁相儒，陈莉丽，等.跨平台分布式地理信息组织与处理.武汉测绘科技大学学报，1998， 23 (4)： 364～369
3　Lin H, Zhang L. A Web-Based GIS Catalog Browser for Distributed Spatial Data Retrieving. GeoInformatics96, Wuhan, 1996
4　Lin H, Zhang L. Pluggable Computing Strategy for Integration of GIS Environment Modeling. GeoInformatics97, Taibei, 1997
5　Peng Z, Nebert D. An Internet-based Data Access System. GeoInformatics97, Taibei, 1997