WebGIS的主要发展趋势及前沿应用[从论文中整理而得]

WebGIS的主要发展趋势及前沿应用[从论文中整理而得] ( 发表时间:2004-9-3 17:12:52 )
WebGIS的主要发展趋势及前沿应用
地理信息系统技术经过近三十年的发展，已经逐步进入了计算机技术主流，从而能够在更广泛的领域为更多的用户提供空间信息服务。WebGIS新的发展趋势是GIS技术和Internet技术新的发展方向的体现，因而分析总结的WebGIS新的发展趋势具有重要意义。
1、 地理标记语言-网络环境下开放的空间数据交换格式
空间数据具有多源性、多语义性、多时空性、多尺度和获取数据手段的复杂性等特点，这就决定了空间数据表达的复杂性。尤其是在网络环境下如何对空间数据采用规范化的编码使得分布在网络下的所有用户都可以无缝地获取、访问、浏览空间数据还存在着很大的技术问题。
超文本链接标示语言（HTML）是目前Web上通用的标记语言。但是标准HTML语言在可扩展性、结构和有效性等方面存在严重不足。HTML语言对复杂的空间数据的描述也仅仅局限于文本，对于图形数据就无能为力了。
为解决上述问题，1998年2月10日，W3C组织正式批准公布了应用于Web上的语言“可扩展标识语言（Extensible Markup Language）XML。它是一种元语言，是用来定义其他语言的语言。XML语言可以让信息提供者根据需要，自行定义标记及属性名，也可以包含描述法，从而使XML文件的结构可以复杂到任意程度。XML是基于文本编码的，具有跨平台、开放性、可扩展性、高度结构化等特点。
目前，还缺乏能够广泛采用的对空间对象统一的描述方法，从而使得不同国家、组织机构、部门采用不同的数据模型描述空间对象如：COGIF, MDIFF, SAIF, DLG, SDTS等等。从80年代开始，世界上一些发达国家美国、加拿大、欧共体国家及联合国等已开始了空间信息编码标准化和规范化的研究工作。目前从事空间数据标准化研究的机构主要有：国际标准化组织（ISO）的TC211小组；欧洲标准化组织CEN／TC287；美国联邦地理数据委员会FGDC；Open GIS联盟（OGC）等。
由于空间数据格式的不同，给信息共享和数据的访问带来了极大的不便，解决多源数据的访问近年来一直是WebGIS，当然也是地理信息系统开发中需要解决的重要问题。其中，OGC是为了发展开放式地理数据互操作规范而成立的一个非盈利组织。它制定了一套空间数据表达及操作模型，并鼓励软件开发商和系统集成者采用OGC的标准，以最大限度地共享资源及信息交互。
地理标记语言（Geography Markup Language）GML是由Open GIS联盟制定的基于XML的对地理信息（包括地理特征的几何和属性）的传输和存储的编码规范[1]。2000年4月正式推出GML1.0版本，2001年2月推出GML2.0版本规范。
GML是一个简单的基于文本的地理特征编码标准。GML是基于OGC创建的公共地理模型（OGC抽象规范）基础上的，已经被大多数的GIS开发商所接受并得到进一步的开发。
正如XML语言将Web页面的内容及其表现分离一样， GML也将在地理信息世界中将内容及其表现形式分离开来，GML所关注的是地理数据内容的表现。它用地理特征(Features)来描述世界。本质上讲特征只是一系列的属性和几何体。属性有其名称、类型、属性值的描述。几何体（Geometries）是由基本的几何建模体如：点、线、曲线、面、多边形等所组成。GML已经可以对很复杂的地理实体进行编码[2]。
XML已经在许多领域显示了它的应用潜力，除了GML之外，一些基于XML的描述矢量图形元素的规范已经制定出来，包括SVG（可伸缩的矢量图形）、VML（矢量标记语言）、X3D（扩展的3D建模语言，具有XML的语法和VRML的行为），这些规范在很多地方与GML相似，但是它们有着不同的目标。每一种都有自己不同的几何描述的方法。它们侧重于图形的表现，因此，包括属性、颜色、线型等元素。要浏览这些格式的数据文件，必须要有合适的图形浏览工具。
预计，随着越来越多的组织机构和软件开发商使用XML 作为空间数据表达、传输、存储的规范，空间数据编码的统一以及数据互操作和共享将最终成为现实，从而真正实现开放的空间信息访问。
2、开放式地理信息系统
WebGIS的发展现状及用户对WebGIS的要求，越来越表明WebGIS要想有广泛的发展和应用必须走开放的道路。开放是信息交流的趋势，传统GIS的体系结构是封闭的，而Web的本质特征就是其开放性，因此WebGIS的体系结构应该具备开放、互操作、可升级、可扩展性。它囊括了网络、通信、面向对象、数据库、分布式计算等众多技术，并随着这些技术的进步而改变。开放的WebGIS的首先应该包括数据的开放，即分布在异构数据库中的信息能共享，GML的出现已经提供了一个很好的解决方案。另外，还应该包括数据访问的开放，即不同的地理信息系统软件之间具有良好的互操作性。对WebGIS所提出的这些要求正是Open GIS联盟（OGC）所成立的目的。实际上Open GIS是随着GIS随着C/S、Internet的出现和发展的必然产物。
Open GIS联盟（OGC）是一个由一些政府机构、研究组织、软件开发商成立的，为了发展开放式地理数据规范、研究地学空间信息标准化以及处理方法的一个非盈利组织。它多年来致力于开放的地理信息规范的研究并且制定了一套空间数据表达的规范化模型。它鼓励软件开发商和系统集成者坚持OGC的标准，逐步地开发出一系列符合规范的工具、数据库及其他空间数据互操作的产品，以最大限度地共享资源及信息交互。Open GIS的目标是使得一个应用系统开发者能够从网上透明地获取任何空间数据和任何空间数据处理功能或方法，而不管它的数据格式和数据模型[3][6]。
Open GIS是通过OGC制定的一系列开放式地理空间数据互操作规范来实现的。它提供了地理数据和地理操作的交互性和开放性的软件开发规范。为软件开发者提供了一个框架，使他们能够开发一些让他们的用户方便地访问和处理各种来源的地理数据的软件。
与传统的GIS相比，OGIS建立起通用的技术基础以进行开放式的地理信息处理。其特点是[4]：
•互操作性：不同地理信息系统软件之间连接、信息交换没有障碍。
•可扩展性：硬件方面，可在不同软件、不同档次的计算机上运行，其性能和硬件平台的性能成正比；软件方面增加新的地学空间数据和地学数据处理功能。
•技术公开性：开放的思想主要是对用户公开，公开源代码及规范说明是重要的途径之一。
•可移植性：独立于软件、硬件及网络环境，不需修改便可在不同的计算机上运行。
除此之外，还有诸如兼容性、可实现性、协同性等特点。
Open GIS的这些规范对WebGIS的发展及空间数据共享、互操作有很好的促进作用，许多厂商已经开始推出支持OGC规范的WebGIS的产品。要使WebGIS真正符合Open GIS的规程，则不仅需要OGC努力，更需要众多GIS软件厂商放弃部分利益、通力合作。当然这是一个艰难的过程，但WebGIS遵循OGC的规范，是WebGIS发展的一个趋势。
3、 一体化的空间数据管理与分析
GIS的数据一般分为空间数据和属性数据两类，在通常的GIS系统中对于空间数据的管理可以分为以下几种类型：
•由关系型数据库(RDBMS)管理属性数据。地理空间数据以文件的形式存储，由空间数据管理软件包进行空间操作。地理空间数据文件和关系型数据库之间以指针或关键字建立联系。
•对关系型数据库进行完善，使其统一管理属性数据和地理空间数据。
•在关系型数据库中引入面向对象技术，建立对象关系型数据库(ORDB)或纯对象数据库(OODB)，对象与底层表示分离，空间属性与非空间属性定位平等，实现了属性数据和空间数据一体化管理。
在上述三种类型里，第一种把属性数据和空间数据分开管理，不能保证数据的完整性、一致性，不适宜进行网络分布式处理。第二种虽然实现了统一管理，其在处理地理数据生成空间拓扑关系、进行空间分析方面存在缺陷。第三种既实现了一体化管理，同时以面向对象技术处理地理空间数据，提高了地理空间数据运算效率，是目前WebGIS的较为理想的数据库管理平台。
目前，GIS技术的瓶颈之一就是如何解决海量空间数据管理问题。对于一个中等城市级的GIS系统来讲，其数据量是极其巨大的，一般可以达到TB级数据量。传统的基于文件的管理已无法适应这一需要，利用面向对象的大型数据库技术是目前能够有效地解决这一问题的较好途径。
另外，在网络环境下对地理数据的操作和分析是WebGIS今后发展的重要方向之一。目前，桌面GIS中可以提供对数据的非常复杂的操作，包括对图形数据(点、线、面)和属性数据的增加、删除、修改等基本操作。另外，GIS的空间分析，是GIS得以广泛应用的重要原因之一。通过GIS提供的空间分析功能，用户可以从已知的地理数据中得出隐含的重要结论，这对于许多应用领域是至关重要的。但是，目前在网络环境下对数据的这些操作还无法实现，主要还是对于数据的查询、浏览。
值得注意的是，在目前很多大型的商业数据库系统中都加入了对空间数据库的支持，如Oracle Spatial、Informix、IBM DB2等等，从而使得海量地图、影像数据的使用和管理变得更加简单：只需建立单一图层，不必再进行分幅处理。如果用户原来的数据源是分幅的，可将其全部存储到一个图层中，数据库将自动对其进行拼接和索引处理，可形成一个完整的图层。应用时，在客户端只需极少量的编程(实际上只是指定数据源)，就可实现对数据库里数据的动态显示。数据库会根据当前地图客户端的显示视野，自动将此范围内的图形检索出来，送到客户端显示。
更为重要的是在这些支持空间数据的大型数据库中已经内嵌了对空间数据分析功能，可以在数据库服务器端对空间数据直接进行分析，然后将结果提交前台客户端。用户可以通过扩展的SQL查询语句来获取所需要的信息，客户端负责的仅仅只是数据的显示而已。
因此，利用这种支持空间数据管理及数据分析的数据库，可建立一种真正的Client/Server结构的空间信息系统，不仅解决了海量数据的存储和管理等问题，也解决了多用户编辑、数据完整性和数据安全机制等许多问题，给GIS的应用带来更广阔的前景。
4、基于分布式计算的WebGIS
地球信息的特征是分布的，并具有基础性、共享性和综合性。目前出现的分布式计算技术可使地理信息的计算应用于社会各领域，成为信息基础设施的重要内容。数字化技术正飞速转向分布式计算模式。一个数据库的内容能被存储和维护在不同的地点，而远程用户则能够方便地并可应用网上特殊的处理方法对这个数据库进行操作。同样，决策者也能够通过计算机网络进行合作，或是通过因特网（Internet）传送大量文件。最近几年来在计算机硬件、软件和的宽带通讯技术的飞速发展已经能够提供这些服务。
GIS在计算结构上已经发生了几种变化，从较早的框架系统使用电话线和终端迅速地扩展到遥远的地方。70年代晚期的小型机被工作站和为了数据交换而不断联网的个人电脑所代替。80年代PC机和工作站的兴起，使得曾经是IBM主机执行的功能由PC机和工作站取代。计算模式的主流从主机转移到桌面。进入90年代，出现了客户机/服务器计算，使得主机和PC机达到某种平衡。随着网络时代的到来，分布式计算正在成为新的计算模式。
分布式计算目前的实现是客户机/服务器计算，它是实现完全的分布式计算的一个中间步骤。完全的分布式计算是一个非集中的，对等的（peer-to-peer）的协同计算。是下一个世纪的理想计算模式。目前分布式计算主要采用的技术有面向对象的构件技术、以文档为中心的软件体系结构、标准、以及终端的用户编程。与面向对象的技术相结合的分布式对象计算技术成为分布式计算的主流。其技术特点是：
•主要解决分布异构环境下的互操作问题。
•将客户机/服务器模式与面向对象技术结合在一起。
•提供面向对象的API
•建立集成框架或软件总线。
•实现应用软件的部件化开发。
目前分布式计算平台采用的体系结构或标准有对象管理组织（OMG）的共同对象请求代理体系结构（CORBA），微软（Microsoft）的分布式部件对象模型（DCOM）和分布式网络体系结构（DNA）；分布式计算环境（DCE），以及SUN的JAVA。CORBA是世界著名组织对象管理集团的共同对象请求代理体系结构，己得到IBM，SUN等在内的700余家软硬件厂商的支持。
由于地理信息本质上是分布的，而用户又需要对分布的地理信息完成浏览、查询、分析等操作，这就要求WebGIS需要解决如何实现地理信息客观上分布与实际操作、应用中集中的问题。具体地说，在WebGIS的服务器端，不同地域、不同行业的数据生产部门对应专门的数据服务器。通过对每一个数据服务器数据的及时更新，实现整个WebGIS数据的更新与共享。从这方面说，地理信息必须是分布式存储的。而在用户端，通过图形界面完成对远程分布式地理数据的获取、显示、分析操作。必须认识到，WebGIS的数据共享、分析与处理不仅仅是用户端对单个图幅或单一数据源的操作，而是来自分布式数据源的地理信息在用户端几何、拓扑与属性的统一。从这方面说，分布式地理信息的处理又是集中统一的。因此，分布式WebGIS的产生和发展是地理信息获取和处理的必然结果。
分布式WebGIS应用从简单的已绘制好的地图在Web浏览器上显示，到基于Internet的GIS功能综合，远程的GIS用户可以共享普通的GIS数据，并与其他的GIS用户实现实时通讯。发展分布式Internet GIS应用技术，集中体现在服务器、客户机和网络通讯3个方面。服务器存储数据和应用程序；客户机使用数据和应用程序；网络通讯控制服务器与客户机之间的信息流[5]。
在集中式空间数据库中，从数据采集到纳入数据库，受时间和空间的限制，给数据的更新和信息的实时发布带来障碍，往往提供给用户的信息已失去了现势性，不能作为有效的判断和决策的依据。而分布式Internet GIS的兴起，改变了这一传统模式，使数据的获取与更新可以通过网络进行，合理划分了空间数据生产部门与终端用户之间的相互利益。
5、 网络虚拟地理环境
三维/虚拟现实技术正在成为下一个网络应用的技术热点，尽管在线三维还没有取得成功，但它对未来的影响已基本定型。随着Internet的飞速发展及三维技术的日益成熟，人们已经不满足Web页上二维空间的交互特性，而希望将WWW变成一个立体空间。
所谓“虚拟地理环境”，是指用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。这一定义强调的是：逼真的感觉、自然的交互、个人的视点及迅速的响应。
VR技术提供的可视化，不只是一般几何型体的空间显示，而且也可对地理信息、噪声、温变、力变、磨损、振动等予以可视化，还可以把人的创新思维表述为可视化的虚拟实体，促进人的创造灵感进一步升华。
在地理信息系统中，结合三维可视化技术与虚拟现实技术(Virtual Reality)，完全再现地理环境的真实情况，把所有管理对象都置于一个真实的三维世界里，真正做到了管理意义上的"所见即所得"。虚拟现实技术的应用将使工程人员能通过全球网或局域网按协作方式进行三维模型的设计、交流和发布，从而进一步提高生产效率并削减成本。
网络三维GIS的应用领域越来越多。目前的GIS大多提供了一些较为简单的三维显示和操作功能，但这与真三维表示和分析还有很大差距.真正的三维GIS必须支持真三维的矢量和栅格数据模型及以此为基础的三维空间数据库，解决了三维空间操作和分析问题。主要研究的方向包括：(1)三维数据结构的研究，主要包括数据的有效存储、数据状态的表示和数据的可视化；(2)三维数据的生成和管理；(3)地理数据的三维显示，主要包括三维数据的操作，表面处理，栅格图像、全息图像显示，层次处理等。
地理虚拟建模语言（GeoVRML）是由Web3D联盟下属的一个官方工作组所制定的一种地理虚拟建模语言，它是用虚拟建模语言（VRML）为基础来描述地理空间数据。其目的是让用户通过一个在Web浏览器安装的标准的VRML插件来浏览地理参考数据、地图、和三维地形模型。它的出现将为在网络环境下实现虚拟地理环境提供一个良好的数据规范平台，将大大促进网络虚拟地理环境的应用[7]。
目前，负责制定GeoVRML规范的工作组已经颁布了GeoVRML1.0规范推荐草案，通过对VRML的大量新的扩展来支持三维GIS应用。国外基于GeoVRML进行地理建模的应用已经出现，国内目前还鲜见。
6、移动通信技术扩展GIS应用
WAP/WML技术作为无线互联网领域的一个热点，已经显示了其巨大的应用前景和市场价值。目前，已经可以将天气预报、汇率、股票价格、标题新闻等信息提供给移动用户。WAP/WML技术与GIS技术的结合出现了移动GIS（Mobile GIS）应用和无线定位服务服务（LBS，Location-based Services）。
通过WAP/WML技术，移动用户近乎可以在任何地方、时间获得网络提供的服务。另外，他们所在的位置可以被跟踪，因此，可以提供与用户所在位置相关的信息。与用户登记的资料结合，可以给在复杂环境中（在外地某城市、在建筑物中）的用户提供指诸如交通导航的服务等等。与移动设备相关的服务经常需要将移动设备当前位置与GIS服务器进行交互。这种交互是需要实时的，否则移动设备就已经移动到很远的位置，而得到的却是初始时的位置输入后的结果。在WAP中，一个移动设备与GIS服务器的交互分为2步：首先，移动设备与WAP网关（9.6kbps）进行通讯，然后通过HTTP协议向网络上的任何服务器发送请求。在有限的通讯速率所限和最有效的通讯协议（HTTP）的情况下，任何双向实时的传送都是不可能。目前，通用移动通信系统（UMTS）提供了约2兆的带宽条件来更好的实现该服务。
当前用于地理信息交互的语言还不足以完成真正的“设备无关接口”的互操作。各种移动设备对于从GI（地理信息）服务器所获得的信息的表现方式是各不相同的，对于用户输入方式也不相同（例如，电话拨号，键盘输入，手写输入，语音输入）因此，对于不同的移动设备需要一种统一的标记语言。WML，由于某些局限并不是最好的答案。通用的XML或者由其派生的一种语言将成为各种GI移动设备的统一语言[8]。
据估计，无线定位产品和服务（LBS）的市场在未来的五年内将比传统的GIS市场价值大10倍，达到100亿美元。该市场主要包括三个领域[9]：
•定位需求：通过服务器来确定移动端设备的位置。该功能将成为移动电话服务的一部分。
•定位感知：客户端设备能够感知其位置所在，并根据其位置来获取相应的服务。
•个性服务：网络和服务供应商将客户需求和其位置在任何时间提供个性化服务。
无线定位服务将提供了一个机会使GIS突破其传统行业的角色而进入到主流的IT技术领域里。大多数的分析家都表明，到2010年，无线网络将成为全球数据传送的主要途径。GIS的未来将会由其机动性（mobility）所决定。