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开发和实施稳健而经济高效的

企业WebGIS业务解决方案的整体方法

关键词

WebGIS的，企业级GIS，面向服务的体系结构GIS

摘要：

在互联网地图技术的最新进展中，高效的地理空间数据管理系统和不同GIS API的可用性，已经彻底改变了地理空间数据在商业分布式应用中的使用、共享和表达的方式。然而，运行能力和功能强大、成本和时间效益高的企业级WebGIS业务系统的发展需要一个非常可靠的，高度可扩展的架构。其应具有敏捷开发、良好定义的对象库这些固有特性，并同时应符合由开放地理空间联盟（OGC）定义的现有的地理空间互通标准。另一方面，可扩展分布式商业GIS系统的发开发需要量身定制内嵌模型作为模块，具备对象模型环境支持的易实现的用户界面模板，允许自定义设计和地图输出流程，以此进一步对系统扩展。如今有很多灵活性和功能性丰富的商业和开源Web地图提解决方案，然而,它们都通过一些在功能性、成本花销和复杂性方面的特定约束限制了用户社区。这使得定义一个能有效地迎合用户求和不从上述缺点限制用户的新方法成为必要。本文旨在评估各种架构替代方案以提供强大的功能分布式GIS业务解决方案，并试图介绍一个可实施的实例WebGIS体系结构以满足多用户和多行业需求。

1.简介

与地理空间数据通过万维网（WWW）存储、管理和传播相关的互联网技术和数据库管理系统的迅速发展，为新一代信息应用的打开了前景，即WebGIS[1]。为了克服传统桌面GIS的局限性和缺点，将GIS技术局限于选择性用户群，WebGIS作为一个多用户平台超越了界限，证明了它在分享，分发和表示地理空间方面非常强大和有效 以及通过HTTP协议通过互联网的相关信息。由于它们具有成本效益并能够接触社区的大部分地区，因此WebGIS应用程序正在普及，并对信息共享和决策制定产生深远影响[2] [3] 。这些迫在眉睫的特性使WebGIS被视为一体化业务解决方案包，也是它在企业级广泛实施的原因。

然而，在企业层面实施WebGIS涉及到各种专业领域的整合以及功能环境的扩展，使得系统非常复杂。 除此之外，开发具有高度可扩展性并可连接到各种地理空间和其他数据源的WebGIS模型需要适应通用的可接受的标准，如OGC指定的标准。

本文试图设计一种基于模块化方法的高度可扩展的WebGIS体系结构，它集成了各种流程和子流程。 模块化架构方法还规定了地理信息系统的统一模型，这些模型构成了实施综合企业级商业WebGIS解决方案的基础。

2.极品WebGIS的框架，而非技术

在过去的十年里，特别是在过去的6 - 7年里，GIS行业取得了巨大的进步，因为它在通过网络捕获，存储，集成和分发地理空间数据方面取得了突破性的技术进步。最重要的是，将现有的RDBMS系统升级为SRDBMS，将其与最强大的维度“S”（Spatial）进行整合，改变了一切，真正赋予了GIS技术带来下一次大型IT革命的力量。然而，对GIS技术领域的概述表明，克服技术组件整合弱点，解决混乱的开发路径，对开发无缝和强大的分布式GIS系统至关重要。正是由于这个原因，GIS框架的概念化和开发成为必然，它具有现有系统所缺少的所有优势，并提供了一个真正健壮，无缝的分布式WebGIS系统，甚至可以用于桌面以及具有插件的移动平台，即插即用架构。它应该被称为GIS框架而不是技术的原因很简单，因为开发这样的系统不过是不同技术架构和子系统的融合。

3.方法

根据发展和整合阶段，涉及到企业GIS系统的发展历程可以分为五个阶段：

1）设计和开发数据模型

2）建立一个企业空间RDBMS或SRDBMS成多层和用户系统

3）把具有空间和非空间/属性数据组件SRDBMS

4）按照规范开发应用程序

5）测试和部署

为了适应已定义的规范和典型环境，应用架构和认证已经实施。 以下部分详细介绍了构建综合企业级GIS系统时考虑的各种功能。

3.1.生命周期模型

针对WebGIS系统的开发提出了一种增量迭代方法，因为它允许以迭代模式开发和集成更小和可管理模块。 自下而上的方法，对于减少管理日益复杂的聚合代码组件的负担是非常有用的，这些代码组件随着每次新的迭代而增长（ 图1 ）。

3.2.开发环境

Postgre / Post GIS是适合实现这些目标的数据库系统，它是开源的，可以免费获得。 Postgre / Post GIS符合开放式规范，同时它具有与市场上其他商用SRDBMS系统一样的全功能数据库的潜力。

3.3.构建

分布式GIS服务使最终用户能够交互地操作GIS数据和地图。 分布式GIS服务可以直接与异构系统和平台进行交互，而不受传统客户端/服务器关系的限制。 客户端和服务器之间没有区别。 每个GIS节点都嵌入了GIS程序和地理数据。 每个GIS节点都可以根据手头的任务成为客户端或服务器。 客户端定义为服务器提供服务时网络中服务的请求者。 有两类分布式GIS：Internet GIS和移动GIS。 它们之间的主要区别在于互联网GIS在有线互联网上工作，客户端通常是台式计算机，而移动GIS通过无线电信网络工作，客户端可以是笔记本电脑，个人数字助理（PDA） 或手机。 图3中提到了该系统的用例模型设计。

3.4. 面向服务的模型框架

面向服务的模型框架的使用继承了工作流快速开发的特点[4]。 在WebGIS应用程序的上下文中，这些模型将有助于集成两个不同方面的功能，如特定于应用程序的查询和用户自定义的信息流输出。 这确保了消除不在用户期望的应用范围内的功能性冗余，这也降低了应用的复杂性和对专业性操作依赖。

再此提议应用程序结构同时允许服务器端以及客户端处的空间功能的易扩展性。 这也确保了工作流和服务的自动化或定制化，使用户能够灵活地根据需求配置系统。

下面讨论的WebGIS框架由几个关键的功能域组成，这些功能域是基于通信平台，互联网计算环境，GIS和数据管理功能而推广的。 每个域都包含几个组件，这些组件根据业务需求实现特定功能。 一般来说，Web-GIS的体系结构主要包括以下五个部分：通信平台，系统服务，应用服务，数据服务和客户端接口。

图1. 增量迭代法方法的示意图。

图2. 提议实施的WebGIS体系结构。

图3. WebGIS系统的用例模型设计。

所建议的模型框架的特点是对应用程序范围所定义的业务类别、模块和空间功能的WebGIS系统功能进行分级组织，这些功能也可以通过“拖放”工具轻松进行改造。在物理上，应用程序的整个功能类似于一个树结构，它使业务模块能够聚合，并依靠一系列丰富的用户界面通用的功能查询。虽然用户界面和交易组件按照自上而下的方法在业务域中组织，但某些常用功能是按照自下而上的方式组织的，这有助于创建“即时”用户定义模型。整个系统以树结构的形式进行组织，其中自定义用户界面不过是业务模块的集合，这些业务模块是基本功能和查询的集合。自定义接口基于一组预定义的业务层，这些业务层是使用查询组合对各种数据参数执行的事务处理的结果。该体系结构便于系统的轻松漫游和下溯，并且想要与具有预定义业务目标的定制界面进行交互的用户可以容易地向子层传输显示和查询，即，如果顶层被选择用于显示或查询，其所有子图层也将显示或查询。

a）应用程序接口

用户界面充当WebGIS系统中的表示层，并为用户提供选择业务应用程序定制的专题信息的能力。 系统中的多用户界面的用作基本用户接口，其根据用户选择实现各种标准GIS客户端功能。 这些接口依赖于特定组合的业务GIS模块，这些组合为客户提供独立的功能，例如定制的专题图层显示，查询，报告等。以根据户已选择的应用接口的类型渲染专题输出为特性。

b）特定应用业务模块

在WebGIS系统中，业务模块是功能对象的聚合组件，它独立于应用程序接口，但可以是任何应用程序接口的一部分。 这些独立的功能模块可以集成或重新组合，以链接到底层的空间数据，为应用接口提供支持。 每个隔离的业务模块都能够使用异步请求与系统的对应方进行通信。 同时，每个模块都将显示与底层基础架构需求相关的独特功能，并能够探索集成WebGIS组件之间的接口。

4.数据模型和数据库

实施全面的企业GIS系统必须要求高端空间支持的对象关系数据库系统。RDBMS系统应该擅长处理现实世界的空间现象，这只不过是对象，关系和事件或对象间相互作用。这要求数据库系统具有典型的空间域功能，即拓扑和空间参考系统（SRS）。这些功能应该通过一组强大的对象库来实现，这些对象库用于创建，存储图形/矢量特征和符号系统并与其交互。这只有通过多种数据库概念（如RDBMS（关系数据库管理系统）OODBMS（面向对象的数据库管理系统）和ORDBMS（对象关系数据库管理系统））的成功融合才成为可能，它处理表格以及分层排列的对象交易。有各种各样的商业SRDBMS系统能够使用上述数据库结构很好地处理作业，但它们很昂贵。尽管如此，这些目标也可以通过最好的开源解决方案之一Postgre / PostGIS来实现，符合OGC倡议并且免费。

设计一个有效的空间和属性数据模型也非常重要，因为它必须满足组织当前和未来的要求，从而明确定义数据参数及其与成功实施企业级GIS系统的关系。 为了执行各种空间以及属性操作，数据模型应该能够有效地存储和链接各种矢量，栅格和属性数据库。 同时，数据模型还必须支持符号显示和数据维护过程。 除此之外，数据模型应该是可扩展的，兼容的，并且在需要时应该与外部系统和数据库集成。

事实上，全面而全面的或不间断的企业地理空间信息管理系统开发生命周期涉及来自不同来源的数据流。 如果需要进行修改，从数据用户返回到数据库，应采用必要步骤开发适当的验证机制，以确保数据完整，安全，记录和可访问。 这些步骤包括一系列必要的操作如数据格式化，质量控制，元数据文档，编目，跟踪，备份，交付和更新（图4）。

图4. 涉及构建综合多层/用户SRDBMS的过程。

a）设计数据模型时应考虑的因素

为了能够设计一个强大的数据模型，至关重要的是确定和转化各种组织和系统级需求到定义明确的数据库结构中。 数据设计需求可能来自系统不同层次和多种性质的预期效用。 对于高水平的数据模型的要求，即操作性和功能性; 交互和事务; 集成和互操作性; 备份和维护等，有各种各样的因素组合。 这只能通过跨职能团队的参与才能实现，这些团队包括系统架构师，经理，管理人员以及可能直接或间接维护系统并与之交互的最终用户。

b）运营和功能

只有完全了解系统的范围和目标时，才能设计出理想地满足商业WebGIS系统操作和功能要求的数据模型。 一个非常好的WebGIS系统模型必须能够预见用户的操作需求和功能需求[5]。 系统必须在依赖于它的各种业务需求的整个生命周期中运行。

c）交互和事务

交互性和事务性通信质量是商业WebGIS系统中最重要的两个方面，可以直接反应系统的性能和效率。这些要求主要由它所依赖的数据库来管理。因此，数据模型应该考虑这些方面是强制性的。定义和制定与用户界面相关的一套强大的预定义程序是实现系统稳定高性能的先决条件。同时，考虑到不断发展的空间数据库的性质，数据模型应该兼容版本控制，这允许同时在相同要素类上实现并行事务。系统的整个交互式事务过程类似于双向交通流，其中跨越地理位置的多个用户将能够同时动态地与同一实例处和数据交互。

d）集成和互操作性

数据集成和互操作性要求的推定和定义非常困难，因为它们具有高度的动态性，并且无法预见，如果处理不当，可能会导致不兼容的问题。 这是非常重要的，因为系统应该能够熟悉空间特征，数据结构和值的多样性。 数据模型应该足以胜任多种数据模型，特别是CAD和其他属性数据格式的链接和集成，而不会影响准确性高低。

e）通用标识符的实现

通用标识符在空间数据库中实现非常有用，因为它们通过公共外键轻松链接和呈现外部空间数据记录。 具有公共空间参考系统的通用标识符的实现允许与外部空间数据库中的相应密钥或密钥列表相关联。

f）管理和维护

管理用户将有权查看，删除和查找与此系统关联的现有用户。 一般用户具有多种选项，如登录，注销，注册和获取信息，地图导航，自定义数据输出生成，在系统范围内定制特定于所需应用程序的模块，上传文件和下载文件。 该系统将允许用户使用业内常见的文件格式添加数据。 这些数据文件用于Web上的检索，维护和部署。

另一方面，为了避免由于多用户访问而产生的复杂性以及在建立不同数据模型之间关系时的规则，需要在普通用户组和部门采取分散的方法来承担数据备份和维护责任。 这必须与集中的审批流程保持一致，这样效率更高。

g）模式验证

除了上述因素之外，还应该有验证机制来检查与现有数据库集成的数据库模式的兼容性。

h）备份和维护

数据备份，维护和便携性是三个重要组件，尽管在数据库级别实施时也应在设计数据模型时考虑。 无论将来影响系统的变化如何，保持空间数据库的完整性都是最重要的。

i）基本功能和查询

这为用户提供了灵活性，能力和独立性，以便对数据库应用某些查询，从而动态生成特定于其业务需求的决策制定的信息结果。

5.可扩展性，标准和协议

WebGIS系统的可伸缩性，是将应用程序与其他GIS系统和Web GIS服务（如WMS，WFS和WCS）相连接来扩展应用程序的能力[6]。 可扩展性可以通过实施可重新配置且免费的通用接口，功能库，语义描述和数据交换协议来实现，这些协议已经由第三方开发者按照通用标准开发。 由OGC，ISO，SDI等规定的一组开放标准将被严格遵守，因为它们允许进一步扩展Web

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