分布式GIS与GIS信息门户

摘要：Internet与GIS的结合增强了对GIS的开发利用，为地理信息科学创造了新的研究方向。信息共享框架正在不断发展，应用Internet技术实施GIS网络发布、部署GIS目录门户的应用也都在不断的增加，分布式GIS的应用变得越来越重要。本文描述了分布式GIS的发展历程及其在GIS信息门户实施中的应用，并详细阐述了GIS信息门户的总体建设框架以及解决其数据核心与技术核心问题的关键技术。
 关键词：分布式GIS   信息共享   GIS 门户

1. 引言
 20世纪70年代的早期，由于GIS对空间分析功能产生的深远影响，这一时期成为确立地理学作为空间学科之一的重要里程碑。而几乎与此同时（20世纪80年代），第一个采用TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）协议的Internet网络原型系统――ArpaNet的出现也在推动信息技术与电信技术的迅猛发展[1]。20世纪90年代早期，主要采用HTML（Hypertext Markup Language）、HTTP（Hypertext Transfer Protocol）与Web（World Wide Web）等技术实现Internet应用所带来的优越性已经开始在GIS研究领域中逐步被认识到[2]。
 Internet与GIS的结合增强了对GIS的开发利用，为地理信息科学创造了新的研究方向。短短不到10年的时间里，Internet与GIS技术的结合在研究领域里产生了诸如WebGIS、Internet GIS、Online GIS、Internet Distributed GIServices与GIS Portal等新名词。早期的WebGIS由于Internet交互能力的局限，并没有太多可利用的网络技术，仅仅是一个信息发布中心，功能实现主要集中在静态地图的发布上，所以说在1996年以前所出现的WebGIS提供的仅仅是地理信息分发功能，是单纯的地图服务器。1996年以后，随着Internet技术的飞速发展，客户机/服务器体系的进一步完善，地理信息服务也从地理信息分发步入地理信息共享。WebGIS具有了放大、缩小、漫游等简单交互功能和一些专业制图、可视化的操作工具。到了21世纪， Web Services（Web服务）概念、Web Services软件架构思想的兴起为实现真正意义上的地理信息服务展现了一线曙光。基于Web Services技术的GIS门户已经开始具备可以进行多个异构系统交互、完成更为高级GIS处理与分布式地理信息服务等功能。
2. GIS信息门户的总体建设框架
 地理为人类提供了一种管理世界的框架和语言。GIS提供一种相对较新的、但快速发展的抽象化表达方式。GIS将上百年的地理科学抽象为五个基本元素：地图及全球可视化，空间数据集，工作流模型，数据模型和元数据。这五个基本元素综合起来代表了“地理知识”，加上GIS软件，提供一个基础平台，帮助我们服务于世界（改进效率，辅助决策，科学规划等等）。Internet和Web Services技术提供了处理问题的基础平台，帮助我们将独立的地理结点，连接起来构成GIS网络，在其上共享我们的知识。这个基础平台包括Web services的客户端，服务器以及用于搜索的门户。Portal将每一个知识单元组织起来，以前所未有的方式协同完成工作[4]。
 目前建立信息门户主要采用Portal技术，Portal技术用于实现企业级应用的统一应用入口、界面集成，并实现个性化的信息呈现。GIS Portal 是访问空间信息的单一入口点，无论数据源的位置、格式和结构如何。GIS Portal有助于政府和组织通过实现GIS 门户来接入日益增长的地理数据资源的全球网络，实现本地、地区、国家和全球的空间数据基础设施门户。目前，GIS Portal是美国Geospatial One-Stop门户[6]，欧盟INSPIRE门户[7]，和大量其它国家的GIS目录门户的技术基础。
 建立地理信息系统和经济建设如出一辙，经济建设必须修筑好的高速公路，同理，信息门户的建立也需要好的基础建设。GIS信息门户的建立不是实现一项技术或软件，而是一套完整的解决方案，其工具包必须基于工业标准构建，包括基于TCP/IP、HTTP对服务的访问以及元数据存储的标准。数据应该保存在基于工业标准的数据库管理系统，并可以通过被广泛使用的GIS标准进行访问和服务。图2显示了参照OGC（OpenGIS Consortium）规范[8]划分的GIS Portal模块，由此可以看出GIS信息门户的建设需要解决两大核心问题，其一是数据核心――元数据，其二是技术核心――Web Services。
 
   
3. GIS信息门户的数据核心是元数据
 地理信息元数据是建立空间基础设施和分布式地理信息共享的核心和实现的重要手段。元数据是对资源进行精确描述并建立完善索引的途径，通过对建立的元数据库进行查询和检索来获取地理数据集的有关信息。这尤其有利于在大量的地理数据集中进行资源发现，以定位和获取希望的数据。这样，就可以通过网络对一个遥远的数据库发出查询请求，以确定那里是否有想要的数据。如果没有元数据，查询就会变得困难得多，很难限定什么是自己想要的数据。
 如果对地理信息的描述都采用统一的元数据标准，不同的资源库之间就具有相同的模式和结构，人们就可以对这些资源库采用一致的查询检索方法，使资源发现变得更简单，效率更高，从而可以大大促进信息的共享。基于这种认识，通过建立一种同构的分布式的地理信息元数据系统，并提供一站式的查询服务，让用户只需要通过一个入口就可以同时查询到所有的节点。这也是许多国家和区域性组织都致力于建设的地理空间数据交换网。
4. GIS门户的技术核心是Web Services
 Web服务从根本上说是一个分布式解决方案，是分布式计算技术的一大飞跃，它的设计依赖于Internet标准（如XML和HTTP）。Web服务就是通过Web接口提供某个功能程序段。通过标准的Internet协议就可以很容易地访问该功能。服务是通过URI来标识的一个软件系统，并采用XML来定义和描述其公共接口和连接方法。其它软件系统可以发现这些接口，并根据接口定义的方法，通过Internet协议标准，如HTTP、SMTP、FTP、IIOP 等，用XML格式的消息与它进行交互。简单说，Web 服务就是使用一个标准的输出接口来定义系统功能，以便外界通过这个接口进行调用。图3是Web服务的基本构架，共有三部分组成:服务提供者可以向服务代理发布并注册其服务；服务请求者则通过服务代理搜寻所需的服务，并根据代理返回的结果与实际的服务提供者绑定；绑定后请求者就可向服务提供者发出服务请求并获得相应服务响应。
 4.1. GIS信息门户的服务体系架构
 典型的基于Web的GIS技术平台是建立在三层客户机/服务器结构体系下。体系结构模型由用户层的显示页面、应用中间层的应用逻辑组件、数据层数据库系统组成。在三层结构中，每一层支持应用程序的一个独立部分。客户机完成显示逻辑，应用服务器完成业务处理逻辑，而数据库服务器完成数据存取逻辑。在事务处理过程中，每个客户机只向应用服务器发出一个请求，这就减少了网络通信和竞争。每个应用程序的业务逻辑部分由该程序的所有用户共享，这就更好控制业务逻辑，简化实现。另外，应用服务器和数据库之间是一定数目的常连接（用户不必做连接和断开数据库的操作），而且，客户请求的是应用服务而不是数据请求，所以，随着用户的增加，三层结构更加有效并容易扩展。
 但是，基于Web的三层结构在与外部系统的接口上会碰到以下无法解决的问题：①互操作性能差。集成不同语言开发程序非常困难，DCOM、CORBA与RMI在局域网的环境中都工作的很好，在一个纯粹的局域网环境中，这些技术都可以发挥其作用，同样，这些技术也支持在网络连接上调用组件。但是在与其它协议进行交互时它们都不能很好地发挥其作用，使用DCOM无法调用Java组件，通过RMI也无法调用COM对象。②难以跨平台运行。开发人员在一种平台下开发的程序要移植到其他平台上去运行，是非常困难的事情。尽管分布式组件对象技术，使得传统的应用程序在互操作性以及跨平台运行有很大的提高，但并没有从根本上解决问题。③其它问题。试图在Internet上使用这些技术会带来更加困难的问题，因为防火墙常常阻碍对TCP/IP端口请求的访问。
 Web Services技术的出现以其开放性、互操作性的优点解决了以上几个问题，逐步成为下一代分布式GIS系统实现外部接口的主流技术。目前，由OGC（OpenGIS Consortium）开发的一系列面向万维网地理信息服务的实现规范。遵循这些规范可以实现不同厂商的服务器软件之间可以通过万维网互相动态地查询、访问、处理以及组合各种地理信息。利用OGC万维网地理信息服务（OWS）可以使运行于万维网上的各个分布式地理信息系统使用相同的技术如XML和HTTP互相通信。OWS提供了一个与实现技术无关的、可互操作的框架体系，通过这一体系，可以在万维网上发现、访问、集成、分析、开发以及评价和显示多个在线地理空间数据源和地理信息服务[9]。目前为止，OGC已经开发了三个基于万维网的地理信息服务规范，包括万维网地图服务器接口规范（OpenGIS Web Map Server Interface Specification：WMS），万维网要素服务器规范（OpenGIS Web Feature Server Specification：WFS）和万维网Coverage服务器规范（OpenGIS Web Coverage Server Specification：WCS）。
 参照OGC Web服务中制订的一系列标准，借助XML、SOAP、WSDL等Internet协议，可以创建基于Web Services的地理信息服务系统。基于Web Services的地理信息服务系统是对WebGIS的范畴的扩展，是可互操作的分布式应用程序新平台，特别符合地理信息分布的特点，并可以利用松耦合的模式来使用和扩展各种数据和服务资源，动态的绑定不同的服务来完成特定的功能。采用该技术开发GIS应用，客户端和服务器间能够自由地用HTTP进行通信，可以透明地访问远程的GIS组件服务，而不论两个程序的平台和编程语言是什么；应用程序间通信不受现有Proxy和防火墙的限制，增强了分布式系统的功能，而无须依赖某一项技术（如DCOM、CORBA或RMI）。这样解决方案特别适合于空间信息服务的实现，解决在分布式环境下的地理信息的互操作(包括数据和功能两方面)。图4表示了Web应用与Web服务的相结合的地理信息服务开发框架。
 4.2. GIS信息门户的目录服务
 建立元数据和数据目录服务是实现网络服务的第一步。
 元数据是由数据生产者提供的说明数据内容、质量、状况，以及如何获取数据的结构化的摘要信息[10][11]。元数据具有丰富的内容信息，这可以指导、帮助用户使用地理信息，同时，对数据生产者来说，元数据可以帮助它们更好地管理和维护数据。元数据服务器是将元数据信息在Internet上发布的系统。它能实现对元数据库的存储、组织方面的管理，并能响应网络上用户查询的请求，按照一定的查询策略查询检索后，按用户需求的格式或者视图（View）（如XML格式、图形格式）返回元数据信息。
 元数据最重要的作用在于它提供目录数据，能使用户方便地找到地理信息与服务。即，资源发现（Resource Discovery）功能，或者说导航（Navigation）功能、目录服务（Catalog Services）。目录实体包括元数据和引导用户查到所需数据与服务的检索器。图5显示了目录服务的功能框架。
 
   GIS信息门户目录服务的基本功能是地理空间资源的组织，发现和导入。地理空间资源是网络计算机系统环境中基本而又抽象的地理空间信息，是地理信息共享交易中的基本交易单元。地理空间资源包括地理数据和地理服务两部分，因此目录服务的元数据包括数据元数据和服务元数据。描述地理服务的元数据可以从发布系统（桌面、服务器、或基于Internet的应用）加载到信息门户的工具包。这些元数据以XML记录的方式存储在数据库（RDBMS）中，也可以存储为其他不同的标准格式。浏览数据目录数据按照主题来组织，通过点击数据主题链接，可以进入相应的主题单元，数据目录页面将显示Web服务相关的元数据，可下载的数据或者是其它相关资源，形成一个网络服务体系。
5. 结论
 ⑴ Internet与GIS的结合增强了对GIS的开发利用，为地理信息科学创造了新的研究方向。GIS软件技术的持续发展，必然提供对高级应用的支持，然而也必须提供足够的灵活度，支持完整的各个层面GIS应用的实施。信息共享框架正在不断发展，应用Internet技术实施GIS网络发布、部署GIS目录门户的应用都在不断的增加，分布式GIS的应用变得越来越重要。实际上，信息共享最终导致了对实施分布式GIS的需求，用户有可能位于分布式GIS应用的任何一个级别，我们建议用户沿着由简单到高级的趋势不断地推动应用的实施。
 ⑵ GIS信息门户的建立不是实现一项技术或软件，而是一套完整的解决方案，其数据核心是元数据，技术核心是Web Services。通过基于元数据的空间数据目录服务，为空间信息的查询检索提供了一个统一的入口，通过该入口，用户可以直接查询所感兴趣的数据而无需关心数据的物理存储位置，元数据为各种空间信息共享与服务提供了一个可供查询的基础，是实现一站式服务的基础。Web Services技术是分布式计算技术的一大飞跃，以其开放性、互操作性的优点逐步将成为下一代分布式GIS系统实现外部接口的主流技术，实现面向服务的体系结构。

参考文献
Comer D.  Internetworking with TCP/IP: Principles，protocols，and architecture. Upper Saddle River: Prentice Hall，2000
Hardie A. The development and present state of Web-GIS. Cartography， 27(2):11–26，1998
www.esri.com
Jack Dangermond. Serving Our World With GIS.
  http://www.esri.com/news/arcnews/fall03articles/serving-our-world1of2.html.  2003
An ESRI White Paper.  GIS Portal Technology.  http://www.esri.com.  2004, 6
http://www.geodata.gov
http://eu-geoportal.jrc.it
http://www.opengis.org
Compusult Limited. Service manager reference guide revision2.0. http://www.webenterprisesuite.com/service_manager/SM_ref_guide010825b.pdf. 2001
ISO/TC211, Text for DIS 19115 Geographic information – Metadata, as sent to ISO Central Secretariat for issuing as Draft International Standard, viii.
ANZLIC．ANZLIC Metadata Guidelines: core metadata elements for geographic data in Australia and New Zealand Version 2, 2001