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WebGIS 关键技术汇总
随着分布式计算技术、面向对象的组件技术、网络技术的迅速发展，以及Internet在社会生活中的日益普及，出现了与WWW相结合的GIS—WebGIS，并迅速成为GIS发展的重要方向。WebGIS一个交互式的、分布式的、动态的地理信息系统，是由多个主机、多个数据库的无线终端，并由客户机与服务器（HTTP服务器及应用服务器）相连所组成的。GIS通过WWW功能得以扩展，真正成为一种大众使用的工具。从WWW的任意一个节点，Internet用户可以浏览WebGIS站点中的空间数据、制作专题图，以及进行各种空间检索和空间分析等。
WebGIS拓展了GIS的应用范围和服务领域。且客户端平台具有独立性。无论客户端是何种操作系统，只要支持通用的 Web 浏览器，用户就可以访问 WebGIS 数据。它还有更简单的操作，还可以平衡高效的计算负载。WebGIS 能充分利用网络资源，将复杂的处理交由服务器执行，而对简单的操作则由客户端直接完成。
WebGIS具有以下功能：
（1）空间数据发布；
（2）空间查询检索和联机处理；
（3）空间数据可视化；
（4）空间模型分析服务；
（5）Web资源的共享；
WebGIS正在应用于几乎传统GIS所有领域，并且越来越广泛，除了传统GIS应用领域，还有基于网络技术特色的应用，如基于Internet的公众信息在线服务。为公众提供交通、旅游、餐饮娱乐、房地产、购物等与空间位置相关的信息服务；基于Intranet的企业内部管理。如帮助企业进行设备管理、线路管理、安全监控等。
WebGIS有很好的发展空间和前景：
（1）随着Web Service的兴起，一系列的服务、通信标准的制定，在网络上实现GIS互操作已成为可能。
（2）WebGIS将与各种先进的计算机技术结合，如虚拟现实技术、多媒体技术等，这将会极大地扩展WebGIS的应用和发展空间。
（3）结合GPS、移动GIS等技术的研究和实用化，WebGIS将深入到人们的日常工作与生活中。WebGIS作为基于位置服务（LBS）的基础平台，将为人们提供丰富多彩的位置服务。
（4）电子商务、电子政务的应用离不开空间信息，WebGIS将为其提供良好的支持。
但毕竟WebGIS发展时间有限，还存在一些关键技术问题有待更好的发展。目前已有多种不同的技术方法被应用于研制实现WebGIS，包括CGI（CommonGate-way Interface，通用网关接口）方法、服务器应用程序接口（ServerAPI）方法、插件（Plug-in）方法、动态服务器端页面（ActiveServerPage）、ActiveX方法以及Java Applet方法等。
1 . CGI方法
CGI是一种连接应用软件和Web服务器的标准技术,它是超文本标记语言(HTML)的功能扩展。HTML是一种静态文本,它的设计原则是显示数据和文件,而不是处理数据,因而不可以用它来产生动态的信息,缺乏交互性。但是灵活易用的CGI程序与HTML的结合实现了交互式的动态通信,虽然它有系统开销大,运行效率低等缺点,但是成熟的技术,广泛的应用范围以及专业软件产品的支撑,使得基于CGI结构的解决方案仍然是目前建立WebGIS应用的主要方案。 使用CGI方法实现的WebGIS是利用外部CGI程序通过环境变量、命令行参数、标准输入输出与Web服务器和GIS数据库服务器进行通信,并传递有关参数和GIS处理结果。
CGI技术是 WebGIS最早使用的方法。CGI是Web 服务器调外部程序的接口，通过CGI服务器能完成一些本身不能企及的工作。CGI建立了Internet服务器与应用程序之间的接口。基于CGI的WebGIS是 按照如下方式实现WWW交互的。用户发送一个请求到服务器上，服务器通过CGI把该请求转发给后端运行的GIS应用程序，由应用程序生成结果交还给服务器，服务器再把结果传回用户端显示。 利用也可以生成图像。
它使用户可以通过浏览器进行交互操作，并得到相应的操作结果。这种工作方式的优点是：灵活性较强，可以用任何一种能运行在服务器上的语言编写。客户端无需安装任何插件，所有的GIS操作都是由服务器完成，具有客户端小、处理大型GIS操作分析的功能强、充分利用现有GIS操作分析资源等优势。另外由于在客户端使用的是支持标准HTML的浏览器，操作结果是以静态图像的形式表现，因而客户端要求低。
CGI的缺点是：基于CGI的工作方式会增加网络传输负担、服务器的负担重、客户端操作限制大，本身效率不高，再加上通过WebGIS传到客户端的地图为栅格数据(GIF或JPEG格式)，因此每次客户端的操作(如放大、缩小、漫游等)都必须由服务器来完成，网络和服务器的负担较沉重，因此经常会造成延迟，使客户失去耐心。其次，这种方法需要GIS系统一直处于运行状态，这不仅要求GIS软件所在的服务器一直联机，而且也消耗不少计算机资源。当互联网的流量较低时，这种系统会保持良好的运行状态，而一旦多个用户同时访问服务器时，多个CGI备份的同时运行将导致服务器负载过重而降低效率，使运行速度大打折扣。
2 . SeverAPI方法
Server API的基本原理与CGI类似，是经过扩充的CGI工具,它克服了CGI方法的低效率的问题，是比CGI更有效的Web Sever扩充方法。原来的CGI程序被封装成共享库(如Windows环境下的DLL和Unix环境下的共享对象SO)的应用函数代替。它包括Microsoft的ISAPI和Netscape的NSAPI。共享对象一般 只加载一次，加载后，占有Sever的一段地址空间，再次请求的代价只是一次函数调用的代价，因此Sever API作为一种进程内扩充的方法，进程创建和进程间通信负载大大减少，运行速度比CGI程序要快得多。采用ServerAPI，服务器请求后端GIS应用程序时不用重新启动该程序，而是通过IPC(Inter-processCommunication，进程间通讯协议)与之进行信息交换。Sever API技术可以很好地解决CGI方法的前两个缺点。但是，客户端同样不具有数据管理机制，同样具有CGI技术的第三个缺点，而这一点在速度和效率占第一位的Internet环境下显然是一个致命的弱点。另外，由于ServerAPI没有统一的标准，所以一旦采用了某种ServerAPI，那么服务器端将依赖于这种服务器程序。Sever API往往依附于特定的Web服务，如Microsoft ISAPI依附于IIs，只能在Windows平台上运行，可移植性较差。
3. ASP和 ActiveX方法
ASP和Active是美国Microsoft公司推出的一套面向编程的开发环境，采用此类技术实现的Web GIS利用组件对象模型COM（Component Object Model）及其网络相关技术，可以将软件系统分解成相对独立的组件。ASP.NET具有以下几个方面的特点:
(1) 高效率开发
通过ASP.NET Framework提供的庞大而又结构清晰的类型, 使得编程变得异常轻松, 软件开发日期缩短, 还有自动垃圾回收机制等一系列新的特性, 可以让程序员有更多的精力放在考虑如何实现客户所需要的业务逻辑上, 而不是计算机的控制上为内存如何分派之类的事情头痛。ASP.NET开发平台支持多种编程语言, 无论是开发哪一种应用程序,无论是C/ S, B/ S, 还是智能设备亦或是数据库编程, 都可以使用最熟悉的一种编程语言而不需要去学习诸如C+ +,ASP, SQL等各不相同的多种语言。ASP.NET还带来了多种语言之间的无缝集成,提高开发效率。
(2) 多平台特性
相对于Java优越的跨平台, 到目前为止. NET应用程序还只能运行于Windows 平台上, 但. NET天生就为跨平台应用做好了准备, 微软第三方开发商已经在为. NET程序运行在Unix, OS2, Linux等系统上工作。还可以看到. NET应用程序将可以运行在PDA甚至手机上。不久的将来, 我们将可以只关心应用程序如何满足客户的需求而不用考虑基于何种平台来开发。
(3) 可靠的安全性
在ASP.NET中, 安全性的考虑直接放到了代码级, 通过一系列的技术, 如代码访问安全( codeaccess security)、基于角色的安全、强名称( strongname) 、权限和权限集等,最大限度地保证了系统的安全性。
(4) 访问数据: ADO. NET
ADO. NET 应用程序可以利用XML的灵活性和广泛接受性。由于XML是用于在网络中传输数据集的格式, 因此可以读取XML格式的任何组件都可以处理数据。Visual Studio 中的ADO. NET 数据组件以不同方式封装数据访问功能, 帮助您加快编程速度并减少犯错几率。例如, 数据命令提取生成和执行SQL语句或存储过程的任务。
ASP和ActiveX是一种服务器端脚本语言，其目的是高效方便地动态生成HTML内容，它可以调用Web服务器上注册地ActiveX组件来执行任务，从而实现功能强大的Web应用程序。由于ASP脚本在Web服务器上运行，用ASP创建的应用可以被跨平台运行的多种Web浏览器访问。基于GISActiveX技术的WebGIS都是依赖GISActiveX来完成GIS数据的处理和显示的。
ASP解决了CGI接口对象化的难题，可以自动解析收集来的网页数据，同时ASP可以使用Windows环境下的其它ActiveX对象。
ActiveX技术的主要优点是执行速度快，由于Ac2tiveX可以用多种语言实现，这样就可以复用原有GIS软件的源代码，提高了软件开发效率。
其主要缺点是:目前只有微软的IE浏览器全面支持ActiveX，在Netscape公司的浏览器中则必须有特制的Plug2in才 能运行，兼容性较差；并且ActiveX只能运行于MSWindows系列平台上；需要下载到客户端才能运行，占用客户端机器的磁盘空间；此外与Java相比，Ac2tiveX目前还没有解决非常重要的网络安全问题。同时，这种解决方案同基于Sever API的方式有一个同样的缺点，就是将GIS应用系统限制在所选择的平台上，以平台独有的方式提供各种GIS服务。例如Sever API由特定的Web服务器提供，无法在两个服务器之间互换：ASP和ActiveX特定于Windows操作系统 这样极大地限制了用户的选择，无法利用Unix等在大型信息系统中的优势。
4. Plug-in方法
如今的各种浏览器为了能方便扩展功能，都提供 了一个插件Plug-in环境，可以将插件程序作为浏览器的一部分运行，具有GIS功 能的Plug-in是从Web服务器下载到客户端，安装后在用户的本地计算机上用来提供GIS操作的小应用程序，它能处理嵌入在HTML当中的数据。基于Plug-in的GIS工作过程是：客户端通过浏览器向Web服务器发送GIS数据操作请求，Web服务器根据用户的请求，将用户所需的GIS数据传回客户端。客户端收到Web服务器传来的GIS数据，对GIS数据类型进行鉴别，在本地系统查找与GIS数据相对应的Plug-in。如果找到，则用它来操作GIS数据，否则需要安装相应的GIS插件来操作数据。GIS数据的操作，如图形放大、缩小、漫游等都由GIS插件来完成。
该法把一部分服务器上的功能转移到客户端，这样不仅加快了用户操作的反应速度，而且也减少了网络数据流量。对WebGIS而言，Plug-in插件不但可以增加网络浏览器处理地理空间数据的能力，使人们更容易获取地理数据，而且插件处理和传输的是矢量格式空间数据，其数据量小，网络也只需将GIS数据一次性传输，这样就加快了用户操作的反应速度，减少网络服务器的信息流量，从而使服务器更有效地为更多的用户服务。 然而插件与运行平台、操作系统和GIS数据类型又是相关的，即对于不同的GIS数据、不同的操作系统、不同的浏览器需要编写各自不同的Plug-in支持；而且插件需要先下载到客户端安装后才能使用，如果用户准备使用多种GIS数据类型，还必须安装多个Plug-in程序；还存在插件程序的版本升级问题等。
5. Java Applet方法
Java语言是一种跨平台语言，非常适合Internet与分布式数据环境，通过下载Java Applet到客户端，还可以实现计算等操作全部在服务器上运行或部分在服务器上或部分在客户机上运行。因此，Java成为实现Web GIS分布式应用体系结构最理想的开发语言。目前利用Java开发系统的方法有两种：一是仅客户端部分采用Java技术的Web GIS系统，服务器端在现有系统代码基础上，用制定GIS空间数据传输协议以及和Java程序交互的功能模块实现，这是目前绝大多 数Web GIS系统采用的方法。它的特点是系统开发简单易行，可以大大缩短系统开发周期，同时又能保证开发的系统有较强的制图和地理空间分析能力，并能在一定程度上实现跨平台应用。JavaApplet是一种可以从网上卸下来并在客户端机器上运行的Java程序，它的最大的特点是它可以内嵌在任何HTML文件中，Java程序本身存在于Web服务器中，当客户访问一个包含JavaApplet的HTML文件时，JavaApplet程序和HTML一起卸到客户的机器中，来完成图形的操作，当客户退出万维网浏览器时，JavaApplet将和HTML文件一起被清掉。这种技术方法让用户可以自由地处理每个地理实体，而不只是获取一幅由服务器处理好的静态图像。JavaApplets的不足之处是使用已有的GIS操作分析资源的能力弱，处理大型的GIS分析能力(叠置、资源分配等)有限，无法与CGI模式相比；GIS数据的保存、分析结果的存储和网络资源的使用能力受到限制。
除上述关键技术外，Web GIS自身还有一些关键技术必须解决，如高质量数据压缩技术、宽带和高码率WAP技术、组件式GIS设计等。随着宽带网的加速普及和WAP技术的快速发展，Web GIS的应用领域将不断拓宽。
1. 空间数据的压缩与解压缩
GIS中海量的空间数据会产生数据传输和存储问题，即使是宽带高速网，也不能使影象在万维网上以各种比例尺任意漫游，因此空间数据的压缩就显得尤为重要。此外，空间数据的管理和使用，如影象数据库的建立(影象无缝漫游)、网上数据分发、数据通信传播等都要求对空间数据进行压缩和解压缩。目前，由于小波理论能有效地应用于空间数据的压缩和解压缩，从而成为地理信息数据压缩领域的研究热点。
2. 基于WAP技术的Web浏览
　　由于无线互联网属于窄带网，网络环境并不十分稳定，但本身技术含量又特别高，因此，如何解决客户端的负荷是一个关键问题。最好的解决办法就是强化服务器端，同时研究具有可兼容、扩展和交互的、满足客户端要求的Web浏览技术。
3. 分布式Web GIS数据库管理
目前Web GIS数据访问技术有CGI、Web服务器专用APl、JDBC、Object Web 4种方法。Object Web是最新一代的动态网页技术，主要是Java／CORBA和Active X／DCOM 2种互相竞争的技术。Object Web通过分布式对象技术，允许客户机直接调用服务器，开销小，避免了CGI形成的“瓶颈”。2种方式都是独立于语言的，而且是组件式的。但Active X／DCOM目前只能运行在Win 95／NT上，而Java／CORBA具有跨平台的特性，具有十分突出的特点。
尽管Web GIS代表未来的发展方向并且在近年来进步迅速，但仍然有一些问题困扰着Web GIS的普。及首先是网络传输速度问题，其次是网络安全问题。现在的发展还处于起步阶段，有许多问题需要解决，但其发展前景是乐观的。高速互联网、网络安全技术、空间数据库技术、面向对象技术和地理信息系统互操作技术等的快速发，展极大地促进了WebGIS的进步。