基于云計(jì)算的WebGIS系統(tǒng)構(gòu)建探析

劉云彤 吳焱 常強(qiáng) 賈瑩

1 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪工程系 河南 475003

2 新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院 新疆 830054

3 河南省電力公司開封供電公司 河南 475004

0 引言

Internet技術(shù)的迅速發(fā)展為 GIS提供了一種嶄新而又非常有效的地理信息載體，尤其是“數(shù)字地球”概念的提出引起了人們對(duì)GIS技術(shù)的廣泛關(guān)注，這就使得Internet環(huán)境下資源共享的空間信息處理技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)“數(shù)字地球”的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。本文將探討基于云計(jì)算模式下的WebGIS系統(tǒng)分析及構(gòu)建。享 IT基礎(chǔ)架構(gòu)的方法，可以將巨大的系統(tǒng)池連接起來提供IT 服務(wù)，通過安全和可擴(kuò)展的方式讓計(jì)算資源可以像虛擬資源一樣被訪問和共享(如圖1)。云計(jì)算平臺(tái)可按需進(jìn)行動(dòng)態(tài)的供給(provision)、配置(configuration)、重新配置(reconfigure)以及取消服務(wù)(deprovision)等。在云計(jì)算平臺(tái)中的服務(wù)器可以是物理的服務(wù)器或者虛擬的服務(wù)器。

1 云計(jì)算的定義和特點(diǎn)

云計(jì)算的最終目標(biāo)是將計(jì)算機(jī)作為一種公共設(shè)施(utility)提供給廣大用戶，使人們能夠像使用水、電、煤氣和電話那樣使用計(jì)算資源。在過去的數(shù)年間，人們所提出的計(jì)算范型(paradigm)包括網(wǎng)格(grid)計(jì)算、服務(wù)(service)計(jì)算、對(duì)等(P2P)計(jì)算等。在云計(jì)算中，都能看到這些技術(shù)的影子。

1.1 云計(jì)算的定義

云計(jì)算(Cloud Computing)是分布式處理(Distributed Computing)、并行處理(Parallel Computing)和網(wǎng)格計(jì)算(Grid Computing)的發(fā)展?！霸啤本褪怯?jì)算機(jī)集群(cluster)，每一群包括了幾十萬臺(tái)、甚至上百萬臺(tái)計(jì)算機(jī)。

云計(jì)算的基本原理是，計(jì)算分布在大量的分布式計(jì)算機(jī)上，而非本地計(jì)算機(jī)或遠(yuǎn)程服務(wù)器中，企業(yè)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行將更與互聯(lián)網(wǎng)相似。Sun公司的口號(hào)是“網(wǎng)絡(luò)就是計(jì)算機(jī)”，這一口號(hào)很好地描述了云計(jì)算的工作方式。云計(jì)算是一種共

圖1 云計(jì)算工作原理

云計(jì)算的關(guān)鍵是云架構(gòu)：一個(gè)大規(guī)模的、由服務(wù)器甚至是個(gè)人計(jì)算機(jī)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，這些服務(wù)器和個(gè)人計(jì)算機(jī)在網(wǎng)格環(huán)境中互聯(lián)在一起進(jìn)行并行運(yùn)行。用戶通過界面選擇一個(gè)任務(wù)或服務(wù)，其請(qǐng)求被發(fā)送給系統(tǒng)管理，找出正確的資源并調(diào)用合適的系統(tǒng)服務(wù)，加載相應(yīng)的Web應(yīng)用程序，創(chuàng)建或打開所要求的文件。Web應(yīng)用啟動(dòng)之后，系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和計(jì)量功能跟蹤云的使用，確保資源分配和歸屬于合適的用戶。

云計(jì)算的一個(gè)主要用途就是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。利用云存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)被存放到多個(gè)第三方的服務(wù)器上，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，用戶看到的是一個(gè)虛擬服務(wù)器，但在現(xiàn)實(shí)中，那個(gè)地方并不存在，而是使用一個(gè)假名，用來指示云中劃分出來的虛擬空間。另外，通過云計(jì)算提供的任何基于 Web的應(yīng)用或服務(wù)都稱為云服務(wù)，利用云服務(wù)，應(yīng)用程序本身就處在云中。

1.2 云計(jì)算的特點(diǎn)

云計(jì)算實(shí)現(xiàn)了從計(jì)算機(jī)到使用者，從應(yīng)用到任務(wù)，從孤立的數(shù)據(jù)到可以隨處訪問、可以與任何人共享的數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變。使用者可以不再?gòu)氖聰?shù)據(jù)管理的任務(wù)，甚至無須記住數(shù)據(jù)的位置。從以上角度歸納起來，云計(jì)算有以下幾個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)：

(1) 云計(jì)算是以用戶為中心的；

(2) 云計(jì)算是以任務(wù)為中心的；

(3) 云計(jì)算的強(qiáng)大運(yùn)算能力；

(4) 云計(jì)算的易于訪問性；

(5) 云計(jì)算的智能性；

(6) 云計(jì)算的自編程性。

2 WebGIS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

WebGIS(網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng))是指基于Internet平臺(tái)、客戶端應(yīng)用軟件采用 WWW 協(xié)議運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)上的地理信息系統(tǒng)。它是利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來擴(kuò)展和完善GIS的一項(xiàng)新技術(shù)，其核心是在GIS中嵌入HTTP和TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用體系，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的空間信息管理等地理信息系統(tǒng)功能。

由于 WebGIS系統(tǒng)充分利用了分布式體系結(jié)構(gòu)Client/Server(客戶端/服務(wù)器)的技術(shù)特點(diǎn)，因而客戶端具有獲得各種空間信息和應(yīng)用的功能，在服務(wù)器端系統(tǒng)向客戶端提供信息或系統(tǒng)服務(wù)。對(duì)于GIS應(yīng)用來說，用戶要求在互聯(lián)網(wǎng)上不僅能夠?yàn)g覽文字信息，而且需要瀏覽大量的動(dòng)態(tài)交互圖形信息，并且不同的用戶有著不同的需求。靜態(tài)頁面不能滿足要求，需要采取雙向交互式方法的動(dòng)態(tài)頁面來實(shí)現(xiàn)，即根據(jù)用戶的指定從數(shù)據(jù)庫里面查尋數(shù)據(jù)生成頁面，分發(fā)給用戶(如圖 2)。WebGIS一般由四部分組成：WebGIS瀏覽器(Browser)，可以通過Web服務(wù)器連通到任何地點(diǎn)的另一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器上，讀取各種地理信息；WebGIS信息代理(Information Agent)，是空間信息網(wǎng)絡(luò)化的關(guān)鍵部門，提供直接訪問數(shù)據(jù)庫的功能；WebGIS服務(wù)器，能解釋中間代理請(qǐng)求及操作數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和實(shí)現(xiàn)瀏覽器與服務(wù)器的動(dòng)態(tài)交互；WebGIS編輯器(Editor)，具有可視化、多窗口的功能，能建立GIS對(duì)象、模型和進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的編輯及顯示。

圖2 WebGIS分布式地理信息系統(tǒng)模型

WebGIS的主要特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

(1) 基于Internet/Intranet標(biāo)準(zhǔn)、分布式服務(wù)體系結(jié)構(gòu)；

(2) 發(fā)布速度快、范圍廣，維護(hù)方便；

(3) 數(shù)據(jù)來源豐富、分布存儲(chǔ)；

(4) 用戶界面友好、建設(shè)投資少；

(5) 系統(tǒng)安全性強(qiáng)、協(xié)同性好。

3 基于云計(jì)算的WebGIS系統(tǒng)構(gòu)建

WebGIS系統(tǒng)開發(fā)最初采用通用網(wǎng)關(guān)接口技術(shù)，以及相繼發(fā)展起來的IDC、ASP、ISAPI、NSAPI等技術(shù)方法，后來又產(chǎn)生了被稱為“插件”(Plug-in)的應(yīng)用技術(shù)。目前采用比較流行的技術(shù)，一是Java語言，包括Java小程序Applet和Java虛擬機(jī)(VRM)等；二是采用ActiveX控件及 COM 組建對(duì)象模型等網(wǎng)絡(luò)開發(fā)技術(shù)。目前采用的技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)的WebGIS系統(tǒng)平臺(tái)在許多領(lǐng)域都得到了很好的應(yīng)用。

圖3 WebGIS系統(tǒng)開發(fā)構(gòu)建模型

歸納起來，無論是云計(jì)算還是目前WebGIS的發(fā)展，相同之處與關(guān)鍵點(diǎn)都是要把相關(guān)的操作、軟件、硬件、服務(wù)、數(shù)據(jù)維護(hù)、信息獲取等從個(gè)體PC遷移到網(wǎng)絡(luò)，兩者均是由多主機(jī)、多數(shù)據(jù)庫與多臺(tái)終端，通過Internet/Intranet連接而組成的，在線的空間數(shù)據(jù)倉庫、庫目錄為Web用戶提供在線數(shù)據(jù)服務(wù)，使任何地方的任何 Internet用戶都可獲得感興趣的地理信息和使用GIS空間分析功能，以滿足不同層次用戶對(duì)GIS數(shù)據(jù)的使用需求，讓這一切都能夠隨時(shí)隨地在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行。構(gòu)建的系統(tǒng)模型如圖3所示。

3.1 WebGIS系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

基于云架構(gòu)的WebGIS系統(tǒng)采用瀏覽器技術(shù)，采用三層結(jié)構(gòu)或者多層結(jié)構(gòu)，多層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于減少業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)中出現(xiàn)的困難，客戶端僅僅實(shí)現(xiàn)用戶的界面、基本的數(shù)據(jù)完整性的驗(yàn)證等，而真正的數(shù)據(jù)、邏輯思想都存放在服務(wù)器端，從而使得企業(yè)邏輯體現(xiàn)得更獨(dú)立，業(yè)務(wù)的變更對(duì)客戶端的影響也會(huì)減少到最低程度，使客戶端真正形成“瘦客戶”。多層結(jié)構(gòu)可以劃分為瀏覽器層、Web服務(wù)器層、應(yīng)用服務(wù)器(統(tǒng)計(jì)、查詢邏輯對(duì)象)層、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器層。

在系統(tǒng)的使用過程中，用戶通過局域網(wǎng)或撥號(hào)方式連接到 Web服務(wù)器，以使用 J2EE平臺(tái)為例，使用瀏覽器調(diào)用Web服務(wù)器的應(yīng)用程序或JSP腳本文件，Web服務(wù)器的應(yīng)用程序或HTML腳本文件再調(diào)用應(yīng)用服務(wù)器內(nèi)SERVLERT，EJB，WebService對(duì)象(封裝了查詢邏輯)，該對(duì)象負(fù)責(zé)連接主機(jī)數(shù)據(jù)庫，保證系統(tǒng)高效運(yùn)行。

在三層客戶端/服務(wù)器模式上架構(gòu)的應(yīng)用系統(tǒng)不但具備了大型機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定、安全和處理能力高等特性，同時(shí)擁有開放式系統(tǒng)成本低、跨平臺(tái)、可擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。而交易中間件作為構(gòu)造三層結(jié)構(gòu)應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，提供兩個(gè)主要功能：負(fù)責(zé)客戶機(jī)和服務(wù)器間的聯(lián)接和通訊；提供一個(gè)三層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用開發(fā)和運(yùn)行平臺(tái)。

目前有多種的平臺(tái)以及產(chǎn)品支持多層體系結(jié)構(gòu)，其中主流的開發(fā)平臺(tái)有兩種：基于Java的J2EE技術(shù)以及基于微軟產(chǎn)品的.NET技術(shù)。

3.2 WebGIS應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 用戶層

(1) 個(gè)性化：按照不同層次的用戶的需求可以進(jìn)行定制用戶常用的功能界面；

(2) 統(tǒng)一的信息門戶：采用Web瀏覽器作為系統(tǒng)的統(tǒng)一入口，采用統(tǒng)一的應(yīng)用支撐平臺(tái)作為統(tǒng)一的信息門戶，易于使用、易于管理、易于維護(hù)、易于擴(kuò)充；

(3) 實(shí)時(shí)消息：系統(tǒng)提供及時(shí)的消息傳遞功能，對(duì)于例如區(qū)域性的天氣預(yù)報(bào)、地震洪水災(zāi)害等重要事件可以進(jìn)行及時(shí)的提醒功能；

(4) 擴(kuò)展功能：采用B/S體系，同時(shí)結(jié)合C/S體系的優(yōu)點(diǎn)，可提供靈活的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、空間分析、與其它系統(tǒng)集成等擴(kuò)展功能，滿足用戶的需要。

3.2.2 應(yīng)用層

(1) 協(xié)同工作：通過同步(實(shí)時(shí)通訊)或者異步(電子郵件)的方式，實(shí)現(xiàn)多個(gè)地址、多個(gè)用戶之間的數(shù)據(jù)交換及交流；

(2) 輔助決策支持：在細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)據(jù)運(yùn)作的模型，由計(jì)算機(jī)生成輔助決策的統(tǒng)計(jì)報(bào)表、分析結(jié)果、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、預(yù)測(cè)等，為決策層提供有用的信息而不是大量雜亂無章的數(shù)據(jù)。

3.2.3 數(shù)據(jù)層

(1) 地圖數(shù)據(jù)中心：以柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)為主的、以地圖數(shù)據(jù)服務(wù)器為載體的工作流控制中心；

(2) 信息中心：包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)空間數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)目錄數(shù)據(jù)、地理實(shí)體編碼數(shù)據(jù)及三維景觀數(shù)據(jù)；

(3) 屬性數(shù)據(jù)中心：以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫為載體的生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心。

3.3 應(yīng)用服務(wù)器集群

采用三層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用模型，為用分布式環(huán)境處理關(guān)鍵性業(yè)務(wù)提供了一個(gè)結(jié)構(gòu)化的解決方案。中間件應(yīng)用設(shè)計(jì)應(yīng)該是從異構(gòu)的計(jì)算資源中創(chuàng)建一個(gè)“虛擬主機(jī)”，在分布式應(yīng)用系統(tǒng)環(huán)境下提供可管理的相互關(guān)聯(lián)的資源。

中間件提供了一個(gè)基礎(chǔ)的框架去幫助用戶建立、運(yùn)行和管理一個(gè)三層客戶端/服務(wù)器模式的應(yīng)用，而不需要從零做起，大大縮短了應(yīng)用開發(fā)的時(shí)間，提高了應(yīng)用開發(fā)的成功率。

復(fù)雜的業(yè)務(wù)系統(tǒng)能夠支持的并發(fā)用戶數(shù)往往非常有限，有時(shí)僅僅幾十個(gè)并發(fā)用戶就可以讓CPU達(dá)到極限，中間件可以使云計(jì)算擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化能力，將有限的硬件資源優(yōu)化到極限，同時(shí)，中間件讓云計(jì)算具有強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡能力，平時(shí)可以分配普通的資源，當(dāng)并發(fā)用戶猛增時(shí)，云計(jì)算可以動(dòng)態(tài)分配更多的資源和帶寬以進(jìn)行負(fù)載均衡，一切處理均自動(dòng)完成，從而使得 SaaS軟件有效的在不同的負(fù)荷下工作。

在三層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用模式中，表示邏輯層和資源管理器作為應(yīng)用界面和數(shù)據(jù)的管理者，在傳統(tǒng)的二層模式中已有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)，而作為三層結(jié)構(gòu)核心的中間層，由于其擔(dān)負(fù)“承上啟下”的樞紐作用，在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。中間件在對(duì)事務(wù)完整性的保證、對(duì)大規(guī)模并發(fā)處理的響應(yīng)、對(duì)異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)的透明支持，以及對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)的安全性保護(hù)等方面的表現(xiàn)將成為應(yīng)用系統(tǒng)成敗的決定性因素。

GIS服務(wù)器軟件可以使用現(xiàn)階段較為成熟的 ESRI公司的ArcGIS Server。ArcGIS Server是一個(gè)用于構(gòu)建集中管理、支持多用戶的企業(yè)級(jí)GIS應(yīng)用平臺(tái)。ArcGIS Server在請(qǐng)求式架構(gòu)中是可行的候選者，緩沖地圖碎片可以上傳給像亞馬遜簡(jiǎn)單存儲(chǔ)服務(wù)(S3)之類的云計(jì)算銷售商，以此在云中形成數(shù)據(jù)中心。ArcGIS Server可以完成空間數(shù)據(jù)管理、二維三維地圖可視化，數(shù)據(jù)編輯、空間分析等即拿即用的應(yīng)用和類型豐富的服務(wù)。作為集成云，ArcGIS在線內(nèi)容共享程序使得用戶和組織機(jī)構(gòu)能提供地理數(shù)據(jù)內(nèi)容。另外，地理信息共享和地圖發(fā)布則可以通過ArcIMS完成如圖4。

圖4 ArcGIS Cloud工作界面

4 結(jié)語

云計(jì)算作為一種技術(shù)趨勢(shì)正迅速興起，幾乎在提供或者消耗軟件、硬件以及基礎(chǔ)設(shè)施的每個(gè)產(chǎn)業(yè)中都能得以應(yīng)用。在未來的 WebGIS產(chǎn)品平臺(tái)解決方案中，基于云架構(gòu)的WebGIS系統(tǒng)能夠滿足海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問，云服務(wù)和部署模型所提供的技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)是研究和發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域。同時(shí)，云計(jì)算使得WebGIS組織機(jī)構(gòu)變得更加具有成本效益，更多產(chǎn)且更靈活，從而能快速的提供新功能。

雖然云計(jì)算有許多優(yōu)點(diǎn)，但了解它的風(fēng)險(xiǎn)以及在云體系中工作的時(shí)機(jī)是非常重要的。安全和隱私是IT專業(yè)人士作為供應(yīng)商、經(jīng)紀(jì)人或者用戶考慮轉(zhuǎn)移到云環(huán)境時(shí)最關(guān)心的兩大問題，尤其是GIS數(shù)據(jù)的安全性問題?；A(chǔ)地理信息通常是保密級(jí)別的，由于數(shù)據(jù)不是放置在本地，而是放置在服務(wù)商的云計(jì)算機(jī)上，數(shù)據(jù)泄密就有可能發(fā)生。一旦泄密，數(shù)據(jù)擁有者將面臨巨大的風(fēng)險(xiǎn)和信任危機(jī)。

本文通過對(duì)傳統(tǒng)的WebGIS實(shí)現(xiàn)方法的局限性的分析研究，在基于云計(jì)算的框架下探討了WebGIS系統(tǒng)的分析與構(gòu)建，但是如果要搭建較為實(shí)用與完善的WebGIS系統(tǒng)，還需要更加深入地探討系統(tǒng)的應(yīng)用需求和開發(fā)環(huán)節(jié)。云計(jì)算結(jié)合WebGIS開拓了地理信息資源利用的新領(lǐng)域，為GIS信息的高度社會(huì)化共享提供了可能，為GIS信息的提供者和使用者提供了有效途徑，為傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。

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