摘　要　在网络化的地理信息系统中，如何把用户提交的有关地理空间信息的请求和返回结果数据通过网络有效地进行传输，是影响系统性能的重要因素.通过分析网络化GIS应用中存在的问题，并结合当前该领域的发展趋势，文中提出一种基于WebGIS系统的网络数据传输技术，介绍了它的主要特点.该技术应用在实际的项目中取得了很好的效果.

关键词　网络化地理信息系统，数据传输，空间查询，扩展SQL，智能信息代理

中图法分类号　TP39

STUDY OF DATA TRANSFERS IN WEBGIS

QI Rui, ZHANG Da-Li, HUANG Lei, and LI Qi*

(Department of Automation,Tsinghua University,Beijing 100084)

*(Institute of Remote Sensing and Geographic Information System,Peking University,Beijing 100871)

Abstract　In the application of web based GIS, how to transfer efficiently the geospatial information, such as the users‘ spatial query submits and the result data from GIS database, through the network is a key factor to determine the capability of the system. The problems in the GIS applications and the current trends of GIS are discussed in the paper. Then a web based GIS data transfers technique and its characteristics are presented. The technique has already been used in some projects and has achieved a satisfactory result.

Key words　web based GIS (geographic information system), data transfers,spatial query,extended SQL; intellective information agent

1　引　言

　　地理信息系统(GIS)随着自身的成熟与发展，能力逐渐增强，今天，它所包含的概念、引用的技术手段已经接触到各信息技术领域的前沿，它的应用也已由最初的地理领域拓宽到广义的信息服务.与此同时，计算机网络正以其势不可挡的力量将其触角伸展到人类社会的每一环节，推动着世界经济的发展，改变着人类的生存方式.把GIS与网络技术相融合，形成一个网络化的地理空间集成平台，是当前GIS研究领域的重要方向之一.
　　通过互联网络发布地理空间信息，不仅用户面广、信息实时准确，同时还具有可共享多个数据源、简化客户端配置等优点.目前国外一些大的GIS公司正在积极开展GIS的网络应用的研究.
　　美国环境与资源研究所(ESRI)较早将GIS推向网络，代表产品有Internet Map Server和ArcExplorer.Internet Map Server的客户端通过Web浏览器和MapObjects模块，与服务器端的ARC/INFO和SDE连接，共享ArcView GIS的功能.小型GIS数据浏览器ArcExplorer是一个独立的应用程序，用户通过ArcExplorer可以浏览和查询公司内部的Intranet或Internet网上的数据.
　　作为GIS的Web应用，Internet Map Server和ArcExplorer都是由客户端下载用户定制的数据，在单机上进行离线的查询分析，无法实现在线的动态GIS操作，因此并不完善.
　　MapInfo公司也推出了网络环境下的地图应用服务器——MapInfo ProServer，它与MapInfo Professional和MapBasic构成一套工具，共同开发使用，它可以减少在每个客户端购买单机版的投资费用.其主要技术方案是在服务器端运行多个MapInfo Professional的实例，从而满足多个用户的请求，这样对服务器端平台的性能要求较高，更重要的是服务器端只能局限于使用MapInfo Professional，并不是一个通用的网络化GIS的技术框架.
　　目前GIS的网络应用尚不成熟，各著名GIS站点仍多采用静态图像的表现方式，缺少用户的在线交互操作和空间查询与分析的功能.而国内这方面的工作也刚刚起步，没有成型的产品出现.
　　本文介绍了结合国家“九五”攻关项目“国土资源环境信息系统与国家空间信息基础设施关键技术研究”开发完成的网络化地理空间信息原型系统WebGIS.WebGIS融合了面向对象技术、数据库技术、网络的最新发展和原有的GIS技术，实现了基于互联网、用户可在线交互操作的、带有通用空间查询分析功能的GIS系统.这无疑符合当前国际GIS发展的潮流.
　　构造地理实体对象，组织和传输数据是GIS操作的必要环节，而在网络化GIS系统中，由于受到网络的传输协议、实时访问量、带宽占用等的约束，把用户请求和结果数据有效地传输，成为影响系统性能的重要因素.
　　本文重点探讨WebGIS系统中的数据传输技术.它结合网络特点，以面向对象技术和SQL扩展为基础，参考信息获取协议Z39.50，定义了符合空间数据规范的传输数据结构，同时支持属性与空间查询，并采用WebGIS智能信息代理技术，从而实现了网络化GIS数据的高效传输.

2　WebGIS信息处理流程

　　根据课题研究的总体目标，我们实现了网络地理空间信息原型系统WebGIS，其功能框图和信息流程如图1所示.

图1　WebGIS系统框图

3　WebGIS的数据传输

　　GIS用户提交各种请求，获得系统返回的结果数据，从而达到分析、决策等目的.高效的数据传输成为关键因素之一.
3.1　面向对象与扩展SQL的引入［1，2］
　　过去在GIS中，地图数据与属性数据分开存放、操作孤立，给应用带来不便.其实，用户真正关心的是地图上地理实体的特性，交互操作也针对实体进行.引进面向对象的技术，就是将空间实体的各种属性数据、图形图像数据以及各种运算操作统一管理起来.
　　在WebGIS系统中，我们对地理空间实体进行了对象化包装，首先定义了符合空间对象特点的数据结构和方法，即先定义对象的所属层，再通过把层名与数据库中的表名关联起来，实现了用户界面中的地理实体与数据库中的实体的属性和空间数据之间的有机联系.在此基础上构造了提交查询所需的数据结构.
　　由于将提交的地理空间实体对象的数据和方法进行了包装，用户在进行查询时，可以按固定的界面格式组织和提交查询语句，服务器程序按照对象数据结构分析查询语句的内容，在后台数据库系统的支持下进行检索与处理.
　　另外，GIS除了为用户提供实体属性的查询，还应有针对各种空间关系如拓扑、顺序、度量等关系的查询.为此我们在构造查询语句结构时，扩展了标准SQL，加入了支持空间查询的部分，引入各种空间运算的操作编码，每种编码针对一种固定的空间运算，如包含、被包含、相交、缓冲区操作等，再综合考虑属性与空间查询之间的逻辑关系，即“与”、“或”、“非”及其组合情况，从而形成了支持对象操作的WebGIS空间查询语言.
　　我们把WebGIS空间查询语言作为查询数据传输的基础.
3.2　网络应用中存在的问题
　　为了实现有效的网络数据传输，除了构造空间查询的语句流之外，还必须考虑网络应用的特殊性.
3.2.1　大量结果数据的触发
　　当数据库服务器得到用户提交的查询，返回结果数据时，如果不加以限制，可能出现在网络上传输大量不必要数据的情况，尤其是当用户提交的了非预想的查询请求，而返回的数据又很多时，就会造成大量资源和时间的浪费.
　　在ANSI/NISO的“信息获取协议Z39.50-1995”［3］中，引入了“分割(segment)”的概念.在用户提交了导致返回大量结果数据的查询请求的时候，服务器端程序自动将结果数据集划分成几部分顺序传送，最后一部分则按“当前请求反应”类型返回，其它部分外都按“分割请求”类型进行传递，用户端在收到“当前请求反应”类型数据时，靠分割参数把数据重新进行组合，形成结果输出.
　　参考Z39.50-1995的这一技术，我们在WebGIS中将查询返回结果进行了类似的分割处理.方案是将结果数据按定义结构的大小自动进行划分，分别顺序发送.传输协议的信息头部分标明分割的顺序，客户端按此进行组合，输出结果.与此同时，为了防止无意查询所导致的大量结果数据对网络带宽的占用和浪费，我们让用户在提交的查询请求中指定返回的记录开始的位置和数目，并规定了可以返回记录数目的最大值，以防用户超过.
　　由于在数据传输中，采用了分割技术，WebGIS系统对各类查询请求响应时间大致相同，避免了用户端的长时间等待，同时也保证了网络中数据量传输的基本平衡.
3.2.2　大量用户的并发访问
　　当网络中有大量用户同时访问WebGIS服务器时，如何高效地提供服务，也是影响系统性能的因素之一.
　　WebGIS系统基于Windows NT平台的Web服务器IIS，为确保系统响应的速度和对服务器资源的最少占用，我们对比分析了CGI与ISAPI扩展的优缺点，确定了在WebGIS服务器扩展部分采用ISAPI的方案［4］.为了使WebGIS应用服务器与ISAPI配合，真正发挥服务器对大量并发访问的有效响应，我们采用了Windows NT特有的先进的多线程和命名管道技术［5］.
　　我们知道，线程有创建速度快、没有太多的系统开销、很容易同步等特点.因此，在WebGIS应用服务器中，由主进程针对每一个用户请求创建一个线程来响应.为了达到WebGIS服务器扩展与应用服务器之间的同步，构造了以命名管道技术为基础的数据传输协议，即采用了WebGIS应用服务主线程和各子线程分别通过公用共享管道和各专用线程与ISAPI扩展模块通信的方案.
　　这样，服务器充分利用多线程机制，各子线程分别处理用户的请求，达到并行处理的效果，保证了系统对请求的快速反应.同时，各线程独立工作，完毕后自动结束，释放系统资源，保证了系统始终处于良好的运行状态.在网络大量用户并发访问时，WebGIS服务器能够快速有效地作出反应.
3.2.3　智能信息代理机制
　　互联网采用HTTP协议，在服务器与客户机交互后，不再保留关于这次交互的请求和应答信息.这种“无状态”协议适于超文本链接方式，但对于空间信息的查询、分析来说，就不太合适了.
　　在研究中我们发现，用户使用空间地理信息服务的过程是递进式逐步深入的.用户首先对所关心的地区有一个总的概况了解，随后再对感兴趣的区域进行详细了解，随后可能检索某些特定的地物目标，再通过交互操作获得这些地物的其他信息.因此，保留客户机和服务器彼此的状态信息和它们之间的各种请求和应答信息是必要的.
　　我们在WebGIS系统中采用了智能信息代理机制.它把HTTP协议作为内部传输协议，针对GIS系统的特点进行扩充，构造了一种“有状态”的协议.在系统的拓扑结构上，智能信息代理包括了WebGIS系统中从客户端信息代理子系统到服务器端的扩展模块部分，它们都遵守智能信息代理协议规范.
　　通过智能信息代理把客户端浏览器和WebGIS应用服务器联系起来，前者提交请求、接受结果数据，后者处理请求、发送数据库查询结果，由智能信息代理协议记录和存储用户和数据库端的当前状态，跨越了HTTP的障碍，而这一切对于用户是透明的，用户所看到的只是图层数据操作、提交查询和返回结果.
　　客户端代理子系统进行查询合法性分析，若提交的查询是上一次的重复或子集，则或直接返回结果，不需访问服务器，或把查询内容进行组织简化，提交服务器；在WebGIS服务器端，扩展模块对代理信息进行解释、判断和注册，组织成服务器代理信息，调用相应的模块后，把得到的空间信息和代理信息一同发送回浏览器端；浏览器端的代理子系统通过分析处理代理信息了解服务器和空间数据的有关情况，采取相应的策略.
　　WebGIS智能信息代理可以使系统降低对的网络带宽的要求，更合理地利用Client/Server结构的优势，提高系统的处理能力和速度.

4　系统应用简介

　　截止目前，WebGIS系统已成功地运用在上海市重大工程信息查询系统、云南省生态环境评价系统、海南省旅游景区规划系统、云南省滇池流域环境治理系统等项目中，都取得了满意效果.
　　如上海市重大工程信息查询系统，对于上海市1988年以来的77个重大工程项目可以通过WebGIS按不同的类别查询显示.由于系统中采用了上述的数据传输技术，系统整体性能和速度的表现都较为理想，达到了网络用户可以接受的程度.上海市1:2000比例尺下的道路数据达5000余条记录，数据量较大，单独提交全部道路信息查询，系统返回时间约为1分钟，而两个用户并发访问则只有1分20秒左右，即在用户再次提交同一查询条件后，系统只用了相当于第一次查询返回的1/5的时间.另外，由于扩展了SQL，构造了WebGIS空间查询语言，使得系统可以支持复杂的空间查询，在上述的决策咨询型项目应用中，发挥了重要作用.

5　结　　论

　　本文讨论了网络化的地理空间信息系统中数据传输技术的主要特点.它引入了面向对象技术，具有同时支持属性查询与空间查询的能力，并针对GIS在网络应用中存在的一些特殊问题，提出了结果数据分割技术、多线程处理技术、WebGIS智能信息代理的等解决方案，在实际应用中取得良好效果.
　　WebGIS系统为实现真正的空间信息的网络化奠定了良好的基础，随着网络化GIS的进一步发展，研究空间查询语言、制定规范的查询数据传输协议，例如在HTTP协议的基础上进行改造，构造适合空间数据传输的专用网络协议，都是很有必要，值得探索的.

　　原稿收到日期：1998-07-07；修改稿收到日期：1998-10-27.本课题得到国家“九五”重点科技攻关项目“国土资源环境与区域经济信息系统(NREDIS)及国家空间信息基础设施(NSII)关键技术研究”资助(项目编号97-759).齐锐，男，1970年4月生，博士研究生，主要研究方向为人工智能、计算机网络技术等.张大力，男，1946年5月生，博士，副教授，主要研究方向为人工智能、计算机网络技术等.黄磊，男，1972年11月生，硕士研究生，主要研究方向为计算机网络技术等.李琦，女，1955年1月生，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为地理信息系统、遥感技术等.

作者单位:齐　锐　张大力　黄　磊　清华大学自动化系　北京　100084
　　　　　李　琦　北京大学遥感与地理信息系统研究所　北京　100871

参考文献

　[1]　杨冬青，唐世渭.面向对象技术与数据库技术结合——回顾与展望.中国计算机报，1997年3月10日，129～130
　　　(Yang Dongqing，Tang Shiwei.The combine of object oriented and database technology:Retrospection and vista.China Infoworld (in Chinese),March 10,1997.129～130)
　[2]　Babcock,Charles.SQL vs Objects.Computerworld,1993,27(6):6
　[3]　Information Retrieval (Z39.50):Application Service Definition and Protocol Specification.Washington,D C:Library of Congress,1995
　[4]　蔡奇玉，连振汉，张志强.CGI编程指南.北京：机械工业出版社，1997
　(Cai Qiyu,Lian Zhenhan,Zhang Zhiqiang.The Programming Guide to CGI (in Chinese).
Beijing:the Mechanical Industry Publishing Company,1997)
　[5]　[美]Rajagopal R,Mouica S P,前导工作室译.Windows NT4高级程序设计.北京：机械工业出版社，1997
　　　([USA] Rajagopal R,Mouica S P,translated by Qian Dao Studio.Windows NT4:Advanced Programming(in Chinese).Beijing:The Mechanical Industry Publishing Company,1997