WebGIS的基本概念

地理信息系统GIS

随着计算机、网络和数据库等技术的发展,以及应用的不断深化,地理信息系统(Geographic Information System,GIS )技术的发展呈现出新的特点和趋势,基于互联网的 WebGIS就是其中之一。WebGIS除了应用于传统的国土、资源、环境等政府管理领域外,也正在促进与老百姓生活息息相关的车载导航、移动位置服务、智能交通、抢险救灾、城市设施管理、现代物流和大数据分析等产业的迅速发展。

随着Internet的迅猛发展和广泛使用, 人们对地理信息系统的需求也日益增长, Internet已成为新的GIS操作平台,它与GIS结合而形成的WebGIS (网络地理信息系统) 是GIS软件发展的必然趋势。 WebGIS也真正成为一种大众使用的工具。目前,网络技术在GIS中的应用主要有三种模式: 集中模式、C/S模式和B/S模式, 其中基于B/S模式的WebGIS是一种新型的模式,用来解决C/S模式下WebGIS所面临的问题和满足用户对信息管理的需求。

GIS的全名是Geographic Information System,中文全名是地理信息系统。 它是在计算机硬件、软件系统支持下,对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、 储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。自从20世纪60年代“GIS之父”RogerTomlinson创建了GIS(Geographic Information System)这个缩略语之后,这个领域已经发生了翻天覆地的变化。如今,学生在“地理信息科学”、“测绘”、“空间信息系统”等相关课程上都能遇到许多相同的基本内容。GIS里面的G已经被解读为“全球的"(global)以及“地理空间的"(geospatial),而不是最初的“地理的”(geographic);S也不是当初的“系统”(system),而是“科学”(science),服务”(services)和“研究”(studies)。但是,要寻找一个词来描述所有这些内容的共同点,“地理空间”(geospatial)或许是最佳的选项。

最通俗易懂的解释就是,GIS是利用测绘生成纸制地图或者通过航拍以及卫星拍摄生成影像后,将这些数据存储在计算机中,以地图或图片的形式表现出来,然后根据实际生产、生活以及科研中的各种需求,进而提供具体的经过处理的数据。

互联网技术的发展

万维网改变了人类社会的方方面面,也改变了地理信息系统。万维网与地理信息系统的融合产生了万维网地理信息系统(WebGIS)这一新兴领域。Web GIS于1993年出现后得到了迅速发展,其独特的用途和魅力成为人们使用互联网的主要吸引力之一。

万维网所产生的巨大冲击力以及它广泛的连通性使地理信息系统获益匪浅,让地理信息系统走出了办公室和实验室,走向千家万户的计算机里,到达亿万大众的手机里,让地理信息系统广泛应用于政府、企业、教育和科研等领域,深入到我们日常生活的方方面面。

世界上发生的每件事情都与一个地方相关联。知道某事某物在哪里和它们为什么在那里,这些对于人们做出正确的决定都是至关重要的。GIS (地理信息系统,geographic information system;或地理信息科学,geographic informationscience),是一门处理与地理位置有关的问题的,能够对地理数据进行采集、储存、管理、分析、表达和共享,帮助人们做出正确决策的技术和科学。

地理信息系统的出现比互联网更早一些,1962年,Roger Tomlinson 为加拿大联邦政府林业和农业发展部开发了世界上第一个可操作的地理信息系统,称为“加拿大地理信息系统”,用于加拿大土地利用的详查、统计和规划。

Roger Tomlinson开创了 GIS,并致力于推动GIS方法论的发展,因而被称为“地理信息系统之父”。

尽管GIS通常用于编制地图,但是它的功能远不限于此,它具有强大的分析功能,能将很多看似无关的数据以它们共同的地理位置为基础关联起来,并能进行综合分析,将那些在电子表格或统计软件包中隐藏的或不容易显示的关系、规律和趋势挖掘出来,以支持人们做出科学决策。GIS可以把现实世界抽象成一系列的空间数据层,如土地利用、高程、图像、街区、道路和商业客户等。GIS可以把这些图层以多种方法组合起来,绘制成多种专题地图,而且,GIS还可以对这些图层进行更进一步的分析,从中提取出大量有用的信息,解决诸如下面的问题:

过去几十年里,GIS的发展和运用使很多领域受益匪浅。万维网的出现更是给GIS提供了更广阔的舞台,让GIS走向更多行业,走进千家万户。

什么是WebGIS.

在给WebGIS下一个明确的定义之前,有必要先来区分几个相关的概念,即:网络GIS、互联网GIS或Internet GIS和万维网GIS(WebGIS),WebGIS在国外常被称为Web制图(Web Mapping)。区分这些概念,将有助于正确认识和应用WebGIS。

在所有这些概念中,网络GIS所包含的内容最广泛,它包括基于各种分布式计算模型的C/S或B/S模式的、多层的、分布式GIS应用,它们既可以基于J2EE框架,也可以基于COM/DCOM以及CORBA等分布式计算框架。

这里的网络包括局域网、广域网、互联网以及各种无线网络等。网络GIS使用的协议既可以是TCP/IP,也可以是其他各层的协议,如HTTP、WAP、GPRS和蓝牙协议等。

互联网GIS或Internet GIS是网络GIS的一个子集,它是基于TCP/IP协议的网络GIS,因此可以部署在互联网上运行。这些GIS既可以是C/S模式也可以是B/S模式,Google公司的Google Earth软件,就是由Google公司提供的C/S模式网络地图服务的一个客户端软件。

因此,WebGIS是一种在Internet或Intranet环境下基于HTTP协议的用来存储、管理、分析、发布和共享地理信息的B/S模式分布式计算机应用系统。

WebGIS可以看成是网络GIS和Internet GIS的子集,同时它又是构建在更高层应用协议上的一种分布式GIS,是一种在技术上更为复杂的网络GIS,在它的服务器端,由于负载平衡等任务的需要通常又会采用其他分布式计算模型。

在上世纪八十年开始,出现的大量GIS软件,基本上都是C/S架构的,也就是首先需要在本机上装有专业的GIS软件,然后用户根据需求使用这些GIS软件。当然这种桌面端的GIS软件有其天然的优势,比如开发相对简单,不需要Internet支持,以及可以做更多的复杂功能、响应相对迅速等优势。但是同时,其缺点更是不容忽视。首当其冲的便是不便于推广,而不便于推广的原因在于C/S系统其本身的天然的劣势: 不便于更新,不便于跨平台,不便于用户在不安装指定客户端的情况下使用。

从本世纪开始,Internet进入了爆发式增长阶段,网络的铺设以及网速的提升都有了大幅度增加,这为WebGIS的发展提供了坚实的大环境。于是,基于B/S的GIS系统越来越多的开始提供服务,并且在RIA(富客户端)技术、AJAX(动态网页)技术的涌现和成熟,WebGIS也基本能展现出与C/S一样的效果和功能。而WebGIS的大发展,更是用户的需求,Google地图和百度地图等服务提供商的大规模扩张便是最好的证明。什么是WebGIS,就是将GIS这门学科所能提供的功能,以B/S技术展现给用户,使用户只需要在浏览器上便能使用这些GIS功能的一个应用方向。

WebGIS 的基本特征

Web GIS可简单定义为基于Web环境的GIS。当前Internet/Intranet正在以惊人的速度迅速膨胀发展,在这样的形势下,如何将GIS引入Internet/Intranet世界,使GIS充分利用和发挥互联网的优势,就成为GIS发展研究的一个重要课题。

从系统集成的角度,综合OpenGIS, ESR, Intergraph的观点,基于万维网的GIS应具有以下特点:首先Web GIS是一个开放系统。注重数据共享、软件重用、跨平台运行和易于集成等。简单地说,它能够共享多种来源、多级尺度、存放在不同地点的地理数据;能够通过对象管理、中件和插件等技术手段与非GIS系统(如Delphi)集成;并能够通过Java、CORBA、DCOM等技术跨平台协作运行,支持用客户机/服务器模式等。开放式系统使GIS用户、软件开发者、系统集成者都得到益处。其次,Web GIS适合在万维网环境中运行。将GIS软件与Web服务器集成,通过普通浏览器,用户可以在任何地方操纵网络GIS,享用地理空间信息服务,从而将GIS扩展成为公众服务系统;同时拓宽地图出版渠道,降低数据分发成本,提高地理数据共享程度。最后,Web GIS支持数据分布(data distribution)和计算分布(distributed processing)。GIS服务器为局域和远程用户提供GIS服务,如地理数据目录服务,地理数据存取服务,地理空间分析服务,地理模型系统服务,地理空间可视化服务等。通过互操作技术,一个GIS处理过程可由多个GIS服务器协调完成,它们共享分布的数据对象,在多个不同的平台上协同运行,最大限度地利用网络资源。

WebGIS的组成

理解WebGIS的概念需要注意以下几点:

  • HTTP协议:在众多的Web技术中,HTTP是服务器和客户端互相通信所用的主要协议。
  • 最简单的WebGIS是两层体系结构,包括一台服务器和一个或多个客户端。WebGIS不仅包括你所看到的客户端,而且包括该客户端所依赖的服务器,它可能是互联网上的某台服务器或某个云计算中心。有时服务器和客户端可以都装在同一台计算机里,但从逻辑上讲,它们还是两个独立的单元。
  • 单个WebGIS通常是三层体系结构,包括数据层、逻辑层(或中间层)和客户端(或表现层)。随着地理聚合(mashup;见第4章)方法的流行,一个 WebGIS经常利用另外一个或多个WebGIS的服务,从而形成一个n层 〇 >3)结构。
  • WebGIS和桌面GIS正在不断地相互渗透。一方面,WebGIS依靠桌面GIS来创建数据和地图等基础资源;另一方面,桌面GIS也在不断扩展,逐渐纳入了WebGIS的功能。例如,ArcMap这一传统的桌面GIS也加入了 WebGIS的功能,可以作为WebGIS的客户端。例如,你可以在ArcMap中使用 ArcGIS Online、美国地质调查局、微软必应地图或其他机构所提供的底图,而不必自己去购买和安装这些底图数据。

地理信息系统主要由硬件、软件、数据和用户组成,这些组成部分之间的距离不断增加和进一步分离,这种现象是很有趣的。20世纪60、70年代,GIS的这些组成部分通常安装在一台计算机上。到80年代和90年代早期,这些组成部分往往被安装在同一个局域网的不同计算机上,它们可能在一个建筑的不同房间里或在多个建筑物里,形成分布式的地理信息系统。在WebGIS中,这些组成部分进一步分离,客户机和服务器可以天各一方。随着像Web服务和聚合(mashup;见第4章)等技术的出现,一个客户机可以使用一台服务器的数据和另一台服务器的分析功能,这使得GIS的各组成部分更进一步地分离。

WebGIS必不可少的关键元素如下:

  • 服务器具有一个URL,这样客户端才能在Web上找到它;
  • 客户端按照HTTP规范将请求发送到服务器;
  • 服务器执行所请求的GIS操作并通过HTTP向客户端发送响应;
  • 向客户端发送的响应格式可以有多种,例如HTML、二进制图像、XML(可扩展标记语言)或JSON(JavaScript对象表亦法)。

地理信息系统对地表信息建立数学模型,利用计算机技术对数据进行存储,处理,分析。其中采用Web技术的地理信息系统即WebGIS。WebGIS的关键特征是面向对象、分布式和互操作。它将GIS数据和功能封装成对象,并且这些对像支持分布式计算,可以存储在不同的服务器上;对象通过一致的通信协议,可以方便的进行交换和交互操作。

WebGIS即万维网GIS,是一种B/S模式的InternetGIS,从技术角度看,WebGIS应具有以下基本特征:

  • 通过Web服务器发布动态的Web应用。
  • 客户端是通用的Web浏览器,如IE、Firefox等。
  • 用户通过Web浏览器与地图进行交互。
  • WebGIS是基于HTTP协议的B/S模式的分布式GIS。

它采用HTTP协议实现浏览器与Web服务器间的通信,用户通过Web浏览器向Web服务器发出请求,服务器通常向用户返回可交互的、包含地图信息的HTML或XML格式的文档、文档片段或其他格式的地理数据。

WebGIS 的优点

与传统的基于桌面或局域网的GIS相比,Web GIS具有以下优点:

1.更广泛的访问范围。

客户可以同时访问多个位于不同地方的服务器上的最新数据,而这一Internet/Intranet所特有的优势大大方便了GIS的数据管理,使分布式的多数据源的数据管理和合成更易于实现。

2.平台独立性。

无论服务器/客户机是何种机器,无论Web GIS服务器端使用何种GIS软件,由于使用了通用的Web浏览器,用户就可以透明地访问Web GIS数据,在本机或某个服务器上进行分布式部件的动态组合和空间数据的协同处理与分析,实现远程异构数据的共享。

3.可以大规模降低系统成本。

普通GIS在每个客户端都要配备昂贵的专业GIS软件,而用户使用的经常只是一些最基本的功能,这实际上造成了极大的浪费。Web GIS在客户端通常只需要使用Web浏览器(有时还要加一些插件)。其软件成本与全套专业GIS相比明显要节省得多。另外,由于客户端的简单性而节省的维护费用也不容忽视。

4.更简单的操作。

要广泛推广GIS,使GIS系统为广大的普通用户所接受,而不仅仅局限于少数受过专业培训的专业用户,就要降低对系统操作的要求。通用的Web浏览器无疑是降低操作复杂度的最好选择。

5.平衡高效的计算负载。

传统的GIS大都使用文件服务器结构的处理方式,其处理能力完全依赖于客户端,效率较低。而当今一些高级的Web GIS能充分利用网络资源,将基础性、全局性的处理交由服务器执行,而对数据量较小的简单操作则由客户端直接完成。这种计算模式能灵活高效地寻求计算负荷和网络流量负载在服务器端和客户端的合理分配,是一种较理想的优化模式。