多種資料來源地理資訊處理的Internet GIS 方法

摘　要　介紹了多種資料來源擷取、管理和地理資訊處理的Internet GIS方法和用這種方法設計的Internet GIS 的原理及功能特徵.

 關鍵詞　Internet GIS方法；互通性；Java/JDBC;客戶/伺服器
分類號　P208

Internet GIS Approach to Multisource Data and Geoprocessing
Yuan Xiangru(National Laboratory for Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing,
WTUSM, 129 Luoyu Road, Wuhan, China, 430079)　Gong Jianya　Chen Lili　Han Haiyang

Abstract　Most of recent researchers believe that a lack of awareness, and problems of accessibility of spatial data are significant bottlenecks to increasing numbers of users and applications. It is not easy for users to get spatial attribute from image of WWW geographic information system (WWW GIS). In order to solve these problems, the vector graphic seamless link with main database model and new WWW GIS system have been developed with Java and JDBC. This paper introduces Internet GIS approach to mutlisource data and geoprocessing, and the principle and functions of Internet GIS.
Key words　Internet GIS approach； interoperability； Java/JDBC； Client/Server

　　隨著地理資訊系統的快速發展，對數字地理空間資料的擷取、儲存和共用的需求日益增大。許多面向工程的GIS應用認為GIS資料是孤立的資訊，資料是獨立地被擷取、儲存和分析，僅用來滿足單個工程和程式的需要。資料很少被共用，導致資料擷取和儲存的冗餘和低效率。GIS使用者需求的增長促進了GIS事業的發展，一個機構致力於開發一個完整的資料庫， 並通過代理部門來滿足GIS應用的需要。Internet環境鼓勵免費或以最小費用使用這些公開的數字資訊。
　　用資訊擷取的兩種傳統方法——伺服器應用程式介面法和外掛程式法來構造用戶端分布式空間資料查詢和互連網絡擷取系統 (Peng, 1997)。使用者從伺服器端得到的映像沒有空間屬性特徵，而且不便於操作。在這些方法中，CGI （通用門柵介面） 作為返回適當檔案和產生一個網上傳輸檔案的通路，在HTTP伺服器上編寫。所有空間資料的操作都在伺服器端完成。因為目前HTML2.0支援地理資訊資料檔案，從CGI檔案或程式得到的檔案不能嵌入向量資料。GIF格式或JPEG格式的映像是空間資料返回僅有的形式。這樣對映像的處理非常耗時，如縮放、漫遊、網上製圖及模型分析服務等，因為每次發送訊息給伺服器時，伺服器都需要尋找資料庫、執行操作、產生GIF，然後再傳送給瀏覽者。毫無疑問，這對網路傳輸和資料庫伺服器是非常重的負擔 (Lin, 1997)。
　　為解決這些問題，筆者用Java 和 JDBC開發了基於向量圖形分布式模型的全球資訊網地理資訊系統。與傳統方法比較，這種方法可以通過全球資訊網從資料庫伺服器中擷取和管理組件括GeoFile( Fox Pro )、GeoDB (Microsoft SQL Server)、Arc/Info、MapInfo、DXF及MGE在內的多資料來源資料，並直接將這些資料轉送給用戶端。使用者可方便地操作這些向量資料，包括漫遊、縮放、查詢和分析。在用戶端，使用者可以像在伺服器端一樣操作資料。該方法同時具有地理資訊處理功能，如地圖特徵分析、查詢、空間分析、專題製圖、距離分析及表操作等。Internet GIS方法在GIS使用者和空間資料服務之間提供了極大的靈活性和互通性。

1　Internet GIS 原理

　　對於一般的地理資訊系統軟體而言，使用它的目的是用於地理資訊資料的生產、管理和維護。目前較有影響的地理資訊系統軟體有Arc/Info、MapInfo和MGE等。使用這些軟體的使用者大多為地理資訊生產部門。地理資訊生產部門生產這些地理資訊的目的是讓大多數使用者有償使用，以實現地理資訊共用。若這些地理資訊資料以一種簡單的方式讓使用者在全球範圍內得以共用，將給地理資訊生產部門和使用者帶來良好的經濟效益。使用地理資訊資料的使用者可以分為3類：① 使用地理資訊資料的未經處理資料；② 使用地理資訊資料的中間結果；③ 使用地理資訊資料的最終圖表。
　　Internet GIS可以定義為：在Internet上能夠讓全球使用者使用全球範圍內地理資訊資料的地理資訊系統。Internet GIS為地理資訊資料生產部門提供特殊的資料銷售方法，為使用者提供不同層級的地理資訊資料共用和服務，以同時滿足3類使用者的不同需求。它使地理資訊為全球使用者使用成為現實，原理見圖 1。

圖１ Internet GIS原理
Fig.1 The Principle of Internet GIS

　　Internet GIS基本的要求如下：
　　1) 互通性的應用環境。使用者可在任意軟、硬體平台上利用特殊的工具和必需的地理資訊資料去解決問題。
　　2) 共用資料空間。用模型支援多種分析和製圖應用。
　　3) 異構資料瀏覽。在Internet上研究和擷取資訊，分析可用資源。
　　Internet GIS 是基於向量圖形分布式模型的，即使用者操作的是向量圖形的地理資訊資料；地理資訊資料庫伺服器、Web伺服器、JDBC伺服器和客戶機的任務分離；計算是在Internet 上分布式進行的；地理資訊資料庫伺服器和客戶機是多個且分布在Internet 上；實現多資料來源的互通性。

2　多種資料來源的擷取和管理

　　Internet GIS 的主要用途是為地理資訊生產部門和Internet 使用者之間提供紐帶和橋樑。除了地理資訊資料生產、更新和維護外，它還具有一般地理資訊系統的所有其它特徵和功能。擷取和管理多種地理資訊資料來源是Internet GIS應具備的首要特徵。Arc/Info、MapInfo、MGE等地理資訊系統都有自己的地理資訊資料格式。Internet GIS必須具備擷取和管理現有地理資訊系統資料格式的能力，將已有的地理資訊資料實現共用。
　　Internet GIS 的JDBC和擴充JDBC資料群組織組件負責從資料庫伺服器擷取資料。它包含許多子組件，如GeoStar資料擷取子組件、Arc/Info資料擷取子組件等。目前，它支援以形資料格式：① GeoStar內部資料格式，包括GeoDB (Miscosoft SQL Server) 和GeoFile；② MapInfo的MIF資料格式及內部資料格式；③ MGE的ASCⅡ載入資料格式和DGN資料格式；④ Arc/Info的E00資料格式和Coverage資料格式；⑤ AutoCAD的DXF資料格式。
　　地理資訊資料格式可以分為3大類：① 以非面向關聯式資料庫形式形成的檔案型資料格式，如Arc/Info、MapInfo、MGE等；② 以面向關聯式資料庫形式形成的地理資料格式，如GeoDB 等；③ 幾何對象用檔案形式儲存,屬性對象用面向關聯式資料庫形式形成的地理資訊資料格式，如GeoFile等。
　　以上3類不同格式的資料來源要用不同的組件來完成。JDBC資料群組織組件實現面向關聯式資料庫的地理資訊資料的擷取，擴充JDBC資料群組織組件實現非面向關聯式資料庫的地理資訊資料的擷取。對於第三類，要通過JDBC和擴充JDBC資料群組織組件結合予以實現。
　　系統在客戶機運行後，列出使用者能使用的所有相關的資料庫服務網域名稱 (或網址) 和地理資訊資料目錄。終端使用者通過標準的SQL語句或擴充的SQL語句從這些地理資料源中找到使用者所感興趣的目錄，返回資料以形成資料層。在層的基礎上，JDBC和擴充的JDBC伺服器從資料庫伺服器擷取資料，傳送到客戶機並形成圖形。
　　毋需資料庫伺服器中的所有資料通過Internet傳輸給客戶機，而是用SQL語句或擴充的SQL語句選取使用者感興趣的資料集合傳輸給客戶機，這便是使用JDBC和擴充JDBC資料群組織組件的最大優點。這樣可減少資料的傳輸量和伺服器的負擔，從而提高了效率。
　　對客戶機的使用者而言，可以用幾種形象而直觀的方法通過JDBC和擴充JDBC資料群組織組件獲得多種資料來源的地理資訊資料：① 索引圖方法。通過在索引圖上選擇使用者感興趣的圖幅，實現從資料庫伺服器擷取地理資訊資料，如1∶100萬中國數字地圖。② 資料來源和圖幅名列表方法。系統在客戶機列出使用者所選資料庫伺服器中所有的地理資訊資料來源和圖幅名稱供使用者使用。③ 幾何方法。通過幾何分割，從資料庫伺服器中提取使用者所關心的地理資訊層。④ SQL語句方法。通過JDBC伺服器，由SQL語句從資料庫伺服器中擷取使用者需要的地理資訊資料。
　　JDBC資料群組織組件的GeoStar子組件從資料庫伺服器的SQL Server上通過SQL語句得到資料，通過Internet 傳輸至客戶機，在客戶機上顯示資料圖形，背景是Netscape瀏覽器，它顯示有關資訊，並提供Java虛擬機器。關於Arc/Info的Coverage資料，擴充JDBC資料群組織組件的Arc/Info子組件應用擴充SQL語句從資料庫伺服器上獲得資料，通過Internet 傳輸至客戶機形成圖形。關於MapInfo的MIF資料，其操作過程與關於 Arc/Info 的 Coverage 資料大體相似，不同的是它使用擴充JDBC資料群組織組件的MapInfo子組件。有關圖例參見文獻 ［2］。
　　通過JDBC和擴充JDBC資料群組織組件獲得地理資訊資料後，需要對這些向量資料進行管理。資料管理是通過組件來實現的，見圖 2，如顯示組件、製圖組件、分析組件和資料管理組件。組件化資料管理體現物件導向的特徵即包容性、多元性、繼承性和動態串連性。系統運行時，所有組件並非一次性從伺服器下載到客戶機，而是僅下載使用者正在使用的組件，其它組件在使用者需要時動態地從伺服器下載運行。系統在設計時可以使功能多而且齊全，但到達客戶機上的組件僅為使用者需要使用的組件，這有助於減輕Internet 和客戶機的負擔，對實際工程具有很大的意義。

圖２ 系統組織
Fig.2 The Construction of the System

3　地理資訊處理及特徵

　　Internet GIS方法為空白間資料查詢和操作提供了強大功能。首先，它提供了根據屬性尋找圖形的功能。SQL查詢操作將具有一些特殊條件的地物尋找出來，並將這些地物類列在一個屬性工作表裡。其次，它實現了空間關係查詢，通過一個特定的幾何圖形對地物進行查詢，如點、線、矩形、圓、多邊形等。通過比較，在一定範圍內空間查詢的另外一個方法是在點、線、面地物周圍的緩衝區內進行。
　　同時，它也提供許多資料統計和圖形表示的方法。例如，描述不同層次和不同地區資料的方法、範圍描述法、個體描述法等。系統不但提供給使用者多種符號，如統計圖形中的條狀、餅狀和曲線等，還具備設計專題符號的能力。
　　Internet GIS為多種資料來源的地理資訊處理提供了距離分析、專題製圖功能。專題製圖包括二維或三維的餅狀圖、柱狀圖、等值圖、趨勢圖、分級統計圖和質地填充圖，為多資料來源資料分析和示圖提供了強有力的方法。此外，使用者可以在用戶端使用本機印表機輸出各種分析、查詢、製圖和表操作的結果。
　　Internet GIS的主要特徵有以下幾點：
　　1) 基於向量圖形分布式模型。即向量圖形、任務分離、分散式運算、分布式伺服器和客戶機、多資料來源互通性。
　　2) 使用者在用戶端方便地實現地理資訊資料操作，如漫遊、縮放、查詢和分析等操作。
　　3) 在所有具有JAVA 虛擬機器的平台和作業系統上都可以運行。使用者可以在任一全球資訊網瀏覽器上啟動，如Netscape 瀏覽器和Internet Explore瀏覽器，啟動本系統後，與瀏覽器無關。
　　4) 使用Java和JDBC，可以從面向關係地理資訊資料庫 (如Sybase, SQL server, Oracle等) 和非面向關係地理資訊資料庫中得到地理資訊資料。
　　5) 安全性強。使用者可以擷取地理資訊資料，但在用戶端不能儲存這些資料。
　　6) 操作簡單方便。無需安裝，只要知道系統所在的IP地址或網域名稱，使用者就可以啟動。
　　7) 擷取和管理多種地理資訊資料來源資料，如GeoFile、GeoDB、Arc/Info、MapInfo、DXF及MGE等。
　　8) 具備空間分析能力，如地圖特徵的分析、查詢、空間分析、專題製圖、距離分析及表操作。
　　9) 支援多種語言，可同時以多種語言運行，如漢語、英語和日語等。

4　結　論

　　隨著Internet技術的快速發展，互連網地理資訊系統將會進一步影響地理空間資料的出版發行以及GIS軟體的發展。基於向量圖形分布式模型的 Internet GIS 方法是在Internet上實現多種資料來源擷取、管理和地理資訊處理的有效方法。它證明了在Internet上實現地理資訊資料為全球使用者共用和使用的可行性和實用性，還提供了互通性GIS的新方法以及GIS使用者和地理資訊資料服務之間高度的靈活性。

*國家自然科學基金及國家“九五”重點科技攻關資助項目，編號 49525101 及 95D0203。
作者簡介：袁相儒，男，30 歲，博士生，現從事互連網地理資訊系統研究。
作者單位：袁相儒　龔健雅　陳莉麗　韓海洋　武漢測繪科技大學測繪遙感資訊工程國家重點實驗室，武漢市珞喻路 129 號，430079

參考文獻
1　袁相儒，龔健雅.向量圖形與主要資料庫無縫串連全球資訊網地理資訊系統的設計和實現.武漢測繪科技大學學報，1997, 22 (3): 260～263
2　龔健雅，袁相儒，陳莉麗，等.跨平台分布式地理資訊組織與處理.武漢測繪科技大學學報，1998， 23 (4)： 364～369
3　Lin H, Zhang L. A Web-Based GIS Catalog Browser for Distributed Spatial Data Retrieving. GeoInformatics96, Wuhan, 1996
4　Lin H, Zhang L. Pluggable Computing Strategy for Integration of GIS Environment Modeling. GeoInformatics97, Taibei, 1997
5　Peng Z, Nebert D. An Internet-based Data Access System. GeoInformatics97, Taibei, 1997