基于Ｗｅｂ ｓｅｒｖｉｃｅｓ的ＷｅｂＧＩＳＶｉｓＡ體系結構研究與實現
2007-12-31 00:00:00尹小君陳曦羅格平包安明王濤
計算機應用研究 2007年10期
摘要:針對目前網絡地理信息系統體系結構難以實現Internet環境下的異構空間信息的互操作問題，深入分析其主要原因，在對現有網絡地理信息系統的三層體系結構進行深入分析的基礎上，提出一種基于Web services的網絡地理信息系統體系結構(Webbased geographical information services visualization architecture，WebGISVisA)#65377;WebGISVisA體系結構通過Web services對各個地理信息系統組件進行包裝，實現各個組件的跨平臺操作，從技術上使得客戶端和服務端達到了負載平衡，完成了WebGIS三維的虛擬現實，實現了在Internet下空間數據互操作和跨平臺的功能，最大限度地達到數據共享#65377;
關鍵詞:可擴展三維/可擴展標記語言;Web服務;三維網絡地理信息系統
中圖分類號:TP302.1
文獻標志碼:A
文章編號:1001-3695(2007)10-0298-04
0引言
地理信息系統與計算機技術，尤其是Web技術的結合，促進了地理信息系統的廣泛應用，形成了網絡地理信息系統#65377;WebGIS使得分布式的用戶在Internet的基礎上共享對方的資源[1~8]，進而結合可視化和虛擬現實等計算機三維技術，提供給用戶越來越豐富的信息#65377;然而，三維WebGIS最大的矛盾仍然是數據無法充分共享[9~13]#65377;究其原因主要有以下幾點:
a)異構空間數據難以實現互操作#65377;目前的WebGIS系統都是為某一特定的GIS數據及其應用而設計的#65377;如果用戶需要查看其他空間數據庫中的數據，或將這些數據整合起來則非常困難#65377;因為WebGIS的空間數據技術基礎決定了它們的封閉性#65377;雖然網上的資源越來越豐富，但這些信息資源大多是面向行業的，從信息管理和安全性出發，這些行業信息均有獨立的支撐環境和運行環境，形成了信息孤島[14]#65377;
b)空間數據難以實現跨平臺操作#65377;分布式程序邏輯上要使用分布式對象模型[15~17]，如微軟的DCOM#65380;OMG的CORBA或Sun的RMI等#65377;它們均有一個共同的缺陷，即服務的客戶端與系統提供的服務本身之間必須是緊密耦合的#65377;以這些平臺為基礎構建的WebGIS平臺將難以實現跨平臺的數據訪問#65377;
c)不具備高性能三維圖形的交互性#65377;國際WEB3D組織對VRML(virtual reality modeling language)進行擴充，形成了針對地理虛擬三維的建模語言——GeoVRML#65377;GeoVRML是將地理空間數據與可視化結合起來，并且在網絡上完成分布式用戶交互性瀏覽[18~20]#65377;但是VRML不是三維圖形的標準，并且具有單一的封閉性[21]，使得GeoVRML在網絡三維地理信息的動態交互式方面也存在很大的不足#65377;
WEB3D聯盟于1998年底提出了新一代三維圖形規范——X3D(extensible 3D)，致力于將它建立成下一代三維圖形規范標準#65377;X3D是XML的子集，采用面向對象的組件化思想，具有可擴展性#65377;X3D在三維可視化中取得了很大的進展，主要是對X3D節點進行擴充及重組和以X3D為基礎建立基于腳本語言的系統[22~26]#65377;其簡單易行，提高了三維可視化的交互性#65377;
以上所述決定了Internet下的網絡地理信息系統發展方向，必須采用開放標準，并同時滿足平臺的獨立性和應用結構多樣性的需要，提高了軟件的重組和復用能力及并發處理能力#65377;專注于Web方面的W3C組織和專注于地理信息共享和互操作方面的ISO#65380;OGC等組織，均提出了Web services的概念#65377;Web serviecs是由應用程序完成的服務，通過Internet標準，可以與其他Web services集成#65377;它是一個URL服務資源，客戶端能通過編程方式請求得到它返回的信息#65377;在Web services中最重要的標準有UDDI(univeral description discovery and integration，統一描述，發現和集成)#65380;SOAP(simple object access protocol，簡單對象訪問協議)和WSDL(Web services description language，Web services描述語言)#65377;其中UDDI用于注冊和發現Web services，SOAP用于Web services之間的通信，以及配合WSDL來描述Web services接口[27，28]#65377;Web services是下一代的萬維網，它允許在Web站點上放置可編程的元素，能進行基于Web的分布式計算和處理#65377;
本文的研究目標是在前期工件的基礎上[29~32]，試圖采用X3D/XML編碼，將Web services技術運用于地理信息系統，設計WebGISVisA的體系結構，初步實現分布式環境下對大量分布空間數據的動態分析，以及與其他應用集成，進行跨平臺應用和異構網互聯，從而實現地理信息最大限度的共享#65377;
1基于Web services的WebGISVisA 體系結構
1.1體系結構
XML可以對復雜的地學信息加以規范化定義和描述，并且能在互聯網上進行數據的傳輸及有效的訪問，結合Web serviecs的跨平臺性#65380;互操作性#65380;易擴展性的特點，本文設計了基于X3D/XML的WebGISVisA的體系結構(圖1)#65377;整個框架由客戶服務層#65380;應用邏輯層#65380;數據管理層三部分組成#65377;整個框架的工作流程為:客戶端使用HTTP向服務端發送服務調用SOAP請求;XML Web服務器收到SOAP請求，此時地理空間數據庫組件返回X3D/XML信息流，傳送給GIS空間分析組件;根據用戶的具體需求返回X3D/XML信息流給X3D/XML數據解析組件，實現GIS三維可視化#65377;數據提供者通過X3D/XML數據轉換組件為分布在不同地方的數據建立基于XML的面向對象地理空間元數據，數據提供者也可以是數據需求者#65377;在WebGISVisA的三層體系結構的具體技術實現上，改變了以往的以客戶端為主(胖客戶端)，或者以服務端為主(胖服務器)的策略，實現了客戶端和服務端的負載平衡#65377;
基于X3D/XML的WebGISVisA體系結構的特征有:a)組件化#65377;在整個體系結構中將各個不同功能的軟件組件化，并且有機地結合在一起#65377;b)可擴展性#65377;基于Web services的跨平臺及X3D/XML異構數據結構共享和互操作模式#65380;組件化組織結構，形成了基于X3D/XML的Web地理信息服務體系結構可擴展的基礎#65377;c)集成性#65377;利用Web services技術對各個組件進行包裝，通過X3D/XML在Internet上通信，可以將各個組件的優勢集成于一體#65377;d)分布式#65377;每個用Web services包裝的組件可以在任何時間#65380;任何地點被調用，使得Web services能夠真正地實現WebGIS的分布式計算#65377;WebGISVisA的體系結構的特征是客戶服務層#65380;應用邏輯層#65380;數據管理層既互相獨立，又相互聯系，是相輔相成的關系#65377;
1.2客戶服務層
客戶服務層由數據需求者#65380;數據提供者#65380;X3D/XML數據解析組件三個部分組成#65377;數據需求者和數據提供者通過服務請求界面在HTTP協議下利用SOAP請求調用Web服務;數據需求者和數據提供者應用程序可使用任何程序語言及運行在任何操作平臺上#65377;X3D/XML數據解析組件是WebGISVisA體系結構實現三維WebGIS主要功能——三維虛擬地理場景構建的重要組成部分#65377;它負責解析應用邏輯層返回的X3D/XML數據流，將其中包含的三維地理空間數據結構，以三維虛擬地理場景的形式顯示在客戶端網頁中#65377;數據需求者和數據提供者的服務請求界面主要完成對X3D/XML數據轉換服務請求#65380;X3D/XML數據解析和GIS空間分析服務請求#65377;其主要依靠ASP.NET來實現網頁的設計，通過Microsoft.NET Framework提供的公共語言運行時(common language runtime，CLR)支持，可以使用Windows平臺支持的任何編程語言(如Visual C##65380;Visual C++#65380;Visual J++#65380;Visual Basic等)，而且ASP.NET提供的代碼復用#65380;設備兼容功能，以及安全性#65380;可靠性#65380;穩定性等特性，使得開發功能更加豐富的三維WebGIS應用成為可能#65377;
1.3應用邏輯層
應用邏輯層由GIS空間分析組件#65380;X3D /XML數據轉換組件分別進行Web services包裝#65377;X3D/XML數據轉換組件負責接收由客戶服務層傳送的X3D/XML數據轉換服務請求，將用于創建三維地理場景的空間數據(如DEM)#65380;進行紋理渲染的遙感影像數據(如JPEG#65380;BMP)，以及用于GIS空間分析的矢量數據(如coverage#65380;scalable vector graphica(SVG))和屬性數據(如DBF#65380;XML)，轉換為WebGISVisA體系結構中用于空間數據共享和互操作所要求的X3D/XML數據格式#65377;GIS空間分析組件負責將客戶服務層傳送的GIS空間分析服務請求，在三維虛擬地理場景中進行距離量算#65380;面積量算#65380;屬性數據提取#65380;統計分析#65380;簡單的疊加分析等處理，并將處理結果返回給客戶服務層#65377;
1.4數據管理層
數據管理層由地理空間數據庫組件構成，具有三種核心功能:a)定義基于XML的面向對象地理空間元數據模型，以此模型為標準提取#65380;存儲X3D/XML數據流中的元數據，或檢索相關的地理空間元數據;b)定義基于X3D/XML的面向對象地理空間數據模型，以此模型為標準提取#65380;存儲X3D/XML數據流中的地理空間數據，或檢索由元數據確定的空間數據和非空間數據;c)定義三維虛擬地理場景的生成策略，將檢索到的空間數據和非空間數據，組織成建立三維虛擬地理場景所需要的數據結構#65377;數據管理層的最大特點就是引入了基于XML的元數據管理機制;通過元數據在海量地理空間數據庫中檢索空間數據和非空間數據，將檢索結果以X3D/XML數據流形式傳輸#65377;
2WebGISVisA體系結構運作機制的分析與設計
Web services的主要目標就是在現有各種異構平臺的基礎上構筑一個通用的與平臺無關#65380;與語言無關的技術層#65377;各種不同平臺之上的應用依靠這個技術層來實現彼此的連接和集成#65377;Web services技術的出現為異構組件互操作提供了新的契機#65377;本文提出以Web services架構為基礎的異構組件互操作的解決方案#65377;
2.1組件功能性的規范描述
組件的功能性描述包含三個方面的內容，即組件提供的接口#65380;組件請求的接口和組件的訪問協議信息#65377;以下是依據W3C的XML schema設計的組件標準化描述的XML模板中的功能性信息描述框架部分:
本文以一個基于X3D/XML的解析組件為例說明組件的標準化描述#65377;該組件提供的接口parse中定義了input()和output()方法，用于對X3D/XML數據解析;請求接口transform中定義了change()方法，用于當X3D/XML數據解析發生變化時調用其他組件提供的數據轉換功能#65377;
Interface parse
(void input(…);output(…); )
Interface transform
設計了基于擴展接口的組件標準化的XML描述之后，一方面使得組件的接口具有關于組件功能方面更豐富的信息;另一方面為將組件擴展到Internet上與組件的互操作提供了基礎#65377;
2.2基于Web services的組件互操件
2.2.1組件的查找與定位
要實現組件的互操作，客戶在調用服務器組件提供的服務之前，必須首先獲得組件的網絡指針，即組件的對象引用#65377;組件在開發時按照已經設計好的通用組件標準化模板進行描述，然后在UDDI注冊中心進行注冊和發布，發布的服務就成為網絡上可用的服務#65377;服務需求者調用服務時，將要求發送給UDDI注冊中心;由UDDI注冊中心進行組件匹配，找到所需的服務并將服務的對象引用返回給服務需求者;此后服務需求者與服務提供者進行消息的發送和接收，從而實現異構組件的互操作#65377;實現方案如圖2所示#65377;
2.2.2基于SOAP的方法調用
SOAP是以XML為基礎的與平臺無關的純消息協議規范，是Web services的消息傳輸協議，以及Web services架構下異構組件實現互操作的理想的消息傳輸協議#65377;在分布式組件協議上采用統一的方法來訪問異構分布式資源，從而實現異構分布式組件的交互#65377;
SOAP消息從服務需求方到服務提供方是單向傳遞的，經常以請求/應答的方式實現#65377;它由三部分組成，即SOAP封裝結構#65380;SOAP編碼規則和SOAP RPC表示#65377;服務需求方發出申請，按照SOAP協議封裝信息，信息中包含服務需求方申請Web services所必要的內容;服務提供方會按照SOAP通信協議識別服務需求方所需要消息的所有部分，然后檢驗識別部分返回相應的結果，如圖3所示#65377;
3結束語
基于X3D/XML的三維WebGISVisA平臺，以X3D/XML作為信息流#65377;X3D/XML成為各組件之間交流的載體，有利于空間數據的共享和互操作#65377;WebGISVisA采用Web service技術對各個組件進行包裝，可滿足分布式三維WebGIS的設計與實現要求#65377;Web services作為服務需求者和服務提供者的中間層，為組件之間搭建了一個橋梁，可解決異構系統的跨平臺操作問題#65377;同時本文設計的三維WebGISVisA平臺，提高了組件的重組和復用性#65377;這開拓了三維WebGIS研究的新思路，為WebGIS與其他專業的結合解決該領域的科學問題開辟了一條新道路#65377;本文僅提出了WebGISVisA體系結構的設計思路和實現的基本途徑，未來的研究將主要在以下幾方面作進一步的完善:a)通過解析完整的X3D數據節點，增加豐富的光照#65380;紋理渲染功能，以提高X3D數據在Web集成環境下表達效果的真實感和交互性;b)拓展新的GIS空間分析功能，如三維疊加分析#65380;三維場景分析#65380;決策支持分析，以及與其他專業領域模型相結合的空間分析;c)完善#65380;優化Web services的安全性和保密性，數據傳輸過程中既要確保安全，又要保證異構數據(如不同的數據庫之間#65380;圖形數據等)傳輸的數據完整性#65377;
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第10期朱鳳春，等:
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