（地图学与地理信息系统专业论文）地理要素的并发编辑研究.pdf

中文摘要 摘要 近年来随着计算机协同工作和电子政务的迅速发展，空间数据和空间信息技术已经在政 府行政管理领域得到广泛应用。同时，行政管理方式正逐渐由个人工作时代迈入协同工作时 代，原先的个人承担、分级管理的工作模式已经无法满足社会发展的需要，协同成为电子政 务的发展方向。g i s 作为电子政务的空间信息基础平台，必须具有协同工作能力，为协同电 子政务的发展提供技术支持。 协同g i s ( c o g i s ) 支持多个用户在协同工作环境下，根据共同任务目分工合作、交互 协商，共同完成涉及地理信息的任务。并发性、一致性和快速响应性是协同g i s 的特点， 需要对每个用户的操作进行同步，保证多用户的操作结果一致且不发生冲突。多用户并发状 态下的协同编辑策略是协同g i s 必须解决的问题。由于空间数据的复杂性及具体实现技术 的局限，目前g i s 软件并没有实现真正意义上的协同工作，特别是地理要素并发协同编辑 问题没有得到解决。 本文从电子政务和协同g i s 的发展需求出发，针对目前g i s 软件中不能实现多用户对 地理要素协同编辑的现状，通过对地理要素并发编辑中诸多关键技术的研究，探讨多用户协 同环境下对g i s 数据协同编辑的处理策略，为多用户协同编辑同一地理要素提供可能。论 文主要研究内容与结论如下： ( 1 ) 研究支持协同编辑的g i s 系统的体系结构，提出基于消息传递的实时协同方式， 把用户的g i s 操作封装成命令消息并在协同用户之间传递，达到能够进行实时协作的目的。 ( 2 ) 根据要素类型和空间操作类型对g i s 操作进行分类，提出使用并发操作矩阵进行 并发编辑的冲突检测的方法。提出基于命令消息的冲突检测方法，减少网络传输数据量，降 低网络负载，提高效率，降低出错率。探讨冲突消解策略，解决存在的冲突。 ( 3 ) 研究并发编辑结果的合并和更新方法，提出根据操作消息存储库中的操作消息记 录对空间数据进行修改，采用添加时间属性的要素类实现空间数据的增量更新。 本文的研究突破现有g i s 软件不能协同编辑同一要素的局限，为c o g i s 架构的构建， 特别是协同编辑功能的实现提供了基础，对促进g i s 体系架构的发展、推动协同g i s 的构 建具有重要意义。 关键词：协同g i s ，地理要素，并发编辑，多用户协同，电子政务 英文摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r ka n d e - g o v e r n m e n t , s p a t i a ld a t aa n ds p a t i a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h e f i e l d so fm a n a g e m e n ti ng o v e r n m e n t a la d m i n i s t r a t i v ed e p a r t m e n t s t h es o c i e t yi ss t r i d i n gf o r w a r d t ot i m e so fc o l l a b o r a t i o n t h eo l d e rm o d ei nw h i c ho n et a s ki sa s s i g n e dt oo n ep e r s o nc a nn o l o n g e rm e e tt h ed e m a n do fs o c i e t y sd e v e l o p m e n t c o l l a b o r a t i o nb e c o m e st h e t r e n do f d e v e l o p m e n to fe - g o v e r n m e n t g i si st h eb a s ef l a to fs p a t i a lo r i e n t a t i o no fe - g o v e m m e n t , s oi t n e e d st od e v e l o pi n t oc o g i st om a k ee - g o v e r n m e n tg r o wb e t t e r a p a r tf r o mt h eb a s i cf u n c t i o n so fg i s ，c o g i sh a st os u p p o r tm u l t i p l eu s e r s c o o p e r a t i o ni n t h ec o l l a b o r a t i v ee n v i r o n m e n t d i v i s i o na n dc o o p e r a t i o no fat a s kc a nb er e a l i z e di nc o g i s c o n c u r r e n c e ，c o n s i s t e n c ya n df a s t r e s p o n s ea r et h ef e a t u r e so fc o g i s i nc o g i ss y n c h r o n i z a t i o n a r ee x e c u t e dt om u l t i u s e r s o p e r a t i o n st oa v o i dc o n f l i c t s ，a n dt oe n s u r et h a tt h er e s u l t so f m u l t i u s e ra r ec o n s i s t e n t b e c a u s eo fc o m p l e x i t yo fs p a t i a ls t r u c t u r ea n dl i m i t a t i o n so ft e c h n o l o g y , g i ss o t t w a r eh a sn o ta c h i e v e dc o o p e r a t i v ew o r k ；e s p e c i a l l yt h ei s s u e so fc o - e d i to fg e o g r a p h i c a l f e a t u r eh a v en o tb e e ns o l v e d t h i sp a p e ra i m sa tt h ed e m a n df o rd e v e l o p m e n to fc o o p e r a t i v eg i sa n dt h es h o r t a g eo f t o d a y sg i ss o f t w a r e t h r o u g ht h es t u d yo nc o - e d i to fg e o g r a p h i c a lf e a t u r e s ，t h es t r a t e g yf o r c o o r d i n a t e de d i t i n gg i sd a t ai nt h ec o l l a b o r a t i v ee n v i r o n m e n ti sa n a l y z e d t h es t u d ym a k e si t p o s s i b l ef o rm u l t i p l eu s e r st oe d i to n eg r a p h i c a lf e a t u r e t h er e s e a r c h e so ft h i sp a p e ra f ed e s c r i b e d b e l o w ： ( 1 ) r e s e a r c ht h ea r c h i t e c t u r ew h i c hs u p p o r t sc o l l a b o r a t i v ee d i to fs p a t i a ld a t a , t a k e m e s s a g e - b a s e ds y n c h r o n i z e dt e c h n o l o g yt ot r a n s f e ru s e r s o p e r a t i o n s ，a n dr e a l i z es y n c h r o n o u s c o o p e r a t i v ew o r k ( 2 ) c l a s s i f yg i so p e r a t i o n sa c c o r d i n gt ot h et y p e so ff e a t u r e sa n dt h er e s u l t so ft h eg i s o p e r a t i o n s ，t h e nd e s i g nam a t r i xt oj u d g ei ft w oo p e r a t i o n sa l ec o n f l i c t i n g t h em e t h o dt od e t e c t c o n f l i c t sb yt h em a t r i xo fc o n f l i c ti st ob ep r e s e n t t h em e c h a n i s mt or e m o v ec o n f l i c t si st ob e d i s c u s s e d ( 3 ) t h ew a y st om e r g et h er e s u l t so fc o - u s e r s o p e r a t i o n sa n dt ou p g r a d em e r g e dr e s u l t si n t o s p a t i a ld a t a b a s ea r et ob eg i v e n t h i ss t u d yb r e a k st h r o u g ht h el i m i t a t i o n so fc o - e d i ti nt h ec u r r e n tg i ss o f t w a r e ，a n d p r o v i d e saw a yt op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fc o g i s i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei nt h ep r o m o t i o n o fg i sf r a m e w o r ka n dan e wc o l l a b o r a t i v eg i s k e y w o r d s ：c o g i s ；g e o g r a p h i c a lf e a t u r e ；c o - e d i t ；m u l t i - u s e rc o o p e r a t i o n ；e g o v e r n m e n t i i i 图目录 图目录 图1 1 技术路线图6 图2 1 体系结构图1 0 图2 2 多用户协同编辑界面1 1 图2 3 命令消息格式的设计框架1 2 图4 1 线要素插入结点与删除结点。：2 9 图4 2 线要素添加结点与移动结点3 0 图4 3 变形操作冲突3 2 图4 - 4 变形操作不冲突3 2 图4 5 多边形插入结点与删除结点3 3 图4 _ 6 多边形添加结点与移动结点3 4 图4 7 冲突检测流程3 6 图4 8 根据操作类型和参数判断冲突3 6 图4 9 根据对临时要素的执行结果判断冲突3 7 图4 1 0 根据不同操作顺序的结果判断冲突3 7 图4 1 l 冲突提示3 9 图4 1 2 继续执行3 9 图4 1 3 自动消解结果4 0 图4 1 4 裁决冲突主界面4 1 图4 1 5 浏览用户详细操作信息界面4 2 图5 1 并发编辑结果合并流程图5 2 图5 2 多边形并发编辑5 3 图5 3 完成操作结果合并的多边形要素5 4 v i i 表匿录 表目录 表2 1 缓冲区分祈操作生成的命令消怠包含元素分析1 2 表2 2g i s 协同操作命令消息存储表( a p eg i sm e s s a g e ) 结构1 3 表3 1 非编辑操作集1 5 表3 - 2 编辑操作集2 0 表霹1 点要素的并发编辑操作矩阵2 4 表4 2 线要素的并发编辑操作矩阵2 5 表4 3 多边形要素的并发编辑操作矩阵3 0 表4 4 要素类的并发编辑操作矩阵3 4 i x 学位论文独创性声明 本人郑重声明： i 、坚持以搿求实、创新一的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个入在导师指导下进行的研究工作和取褥的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、资料和有关材料均是真实的。 唾、本论文中除引文和致谢豹态容外，不包含其它人或其它规构跫经 发表或撰写过的研究成果。 5 、其它同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢 意。 作者签名：曼丛作者签名：基翊 网 期：翌鲤墨：垒笸：堡 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定祝构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校毽誊馆被查阅；有权将学位论文的蠹容编入有关数据麾进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名：量监 日 期：垫堕：碰! 鸹 第一章绪论 1 1 选题背景 第1 章绪论 在信息化社会中，人们的生活方式和劳动方式均具有群体性、交换性、分布性和协作性 的特点。一个政府部门或企业在协同工作环境中，会发挥出更大的效率。计算机支持的协同 工作( c s c w ) 向人们提供一种全新的工作环境和交流方式。经过多年的发展，c s c w 越来 越多地被人们应用到促进社会进步的各个领域。协同工作支撑环境的研发也成为软件行业的 热点，电子政务即是其中之一。电子政务的核心是实现行政和日常事务网上管理，建立政府、 社会和公众之间的有机服务系统。 空间基础数据是电子政务的重要信息资源，g i s 是电子政务的核心支撑技术。g i s 可以 为电子政务提供空间辅助决策平台和可视化工具，提高政府决策的科学性和时效性。g i s 是 电子政务的支撑技术，在电子政务向协同化方向发展的今天，需要研究支持协同的g i s 架 构，来满足电子政务中多用户同时进行协同g i s 操作的需求。社会与科技的快速发展使得 各种工作变得越来越复杂，几乎每项工作的完成都是集体智慧的结晶( 比如政府中为了完成 某项任务，往往需要各部门的协同工作) 。仅仅支持个人决策的系统已经无法满足人们对于 关系到长远发展的重大问题的决策需要，协同决策成了必然趋势。协同的工作环境能够帮助 决策者们理解复杂的空间问题和环境，促进决策者之间的相互交流，增进他们之间的了解和 信任，提高决策的科学性和民主化，对于当前电子政务建设具有重要现实意义( 张雪松， 2 0 0 4 ) 。在当前电子政务建设进一步发展的需求下，需要扩展传统图文工作流的协同工作能 力与提高其应用灵活性，并能够对群体同步协同工作提供良好支持( 孙亚琴，2 0 0 7 ) 。因此 需要研究支持协同操作的g i s 架构来支持电子政务的协同工作方式，实现同步协同中多用 户实时交流，共同完成基于空间数据的任务。 协同g i s ( c o o p e r a t i v eg i s ，c o g i s ) 是g i s 和c s c w 结合的产物，即协同操作的地理信 息系统，简称c o g i s 。c o g i s 技术的实质和目的是：利用计算机和通信技术建立一个基于 地理信息协同工作的环境，在此环境中人们可以相互合作，共同工作于一个研究领域或一个 项目，或求解一个学术上的难题( 李人厚，1 9 9 7 ) 。c o g i s 中g i s 操作不仅仅涉及人机交互， 关键还在于人与人的交互。因此c o g i s 应当支持多用户协同，充分体现群体性、协作型、 互动性的特点。为实现这一目标，必须要有灵活、功能强大的机制，来解决多用户并发状态 下对空间数据的协同编辑问题。目前多用户条件下空间数据的同步处理机制尚未形成，由于 空间数据结构的复杂性，实现上使用了大量的指针类型，在跨机参数传递上存在许多困难， 不仅不能实现真正意义上的协同工作，就连传统意义上的r p c 也没有实现( 方裕，2 0 0 1 ) 。 现有的g i s 基础平台虽然已经开始涉及多用户编辑和长事务处理等内容，如e s r i 的a r c s d e ， 中地数码公司的m a p g i s7 0 等，但大都只具有异步工作的协同处理功能，而对多用户地理 空间数据的同步协同处理并未提供相应功能。即使某些支持分布式功能的g i s ，也只提供每 个用户在各自的数据版本上修改，而对其他用户是不可见的，不能明显地支持群体协同工作。 与传统数据编辑工作相比，地理数据的编辑有其特殊性，编辑中涉及的地理实体较多， 地理数据的编辑可以几分钟完成，也可能几个月完成。传统的数据编辑并发控制机制对于地 翘蘧黉素豹并发编辑磷究 理数据处理并不十分适含( 程吕秀2 0 0 4 ) 。国内外对空间数据的并发控制研究集中在加锁机 制和版本技术鼹个方面。传统的数据编辑中所广泛采用的多用户并发控制策略在地理数据编 辑孛并不适用。荠发控制思想主要包括悲观所移乐溪镁，悲观锁是采羯“锁定修改释敖” 的锁定方法，这对于地理数据处理是不得已而为之的方法：而采用乐观锁实现的多用户编辑， 用户无法获知其它用户的操作，且多用户提交并发编辑的结果时，要传递给服务端的数据量 很大，影响系统的响应速度。由于现行并发控制技术存在的缺点和不足，所以需要研究多用 户编辑环境下的荠发控矧视制，实现空洞数据酶协同编辑工作环境。这是c o g i s 的重要研 究课题之一。在c o g i s 框架中，对支持多用户并发操作的体系结构，提高用户之间的协同 感知等问题还需要进步研究。 1 。2 国内外研究现状 l 。2 1 协同地理信息系统的研究 对协同g i s ，国内外学者已经进行了相关的研究。g o r d o n 等人( 1 9 9 6 ) 在其z e n o 系 统中解决了异地决策者做空间计划的问题。c h u r c h e r 等人( 1 9 9 6 ) 在g r o u p a r c 中实现了g i s 的协同会议。蒋婕( 2 0 0 0 ) 认为我国许多城市的土地管理部门纷纷建立的基于g i s 的事务 处理系统，实际上是一种基于g i s 懿计算机支持群体协同工作系统，s a t o s h io y m a 等人 ( 2 0 0 1 ) 在京都数字城市的项目中实现了多a g e n t 的备类信息协作置取。国家防汛抗早总指 挥部、水利部、国家测绘局、国家气象同和科技部遥感中心等部门联合研建的“国务院防汛 气象倍感系统”也是一个典型的分布、协同式g i s ( 张渍浦，1 9 9 9 ) 。n c g i a 在1 9 9 4 年裁 专门成立了一个协同空闷决策“c o l l a b o r a t i v es p a t i a ld e c i s i o n m a k i n g ”研究专题。a r r e s t r o n g ( 1 9 9 5 ) 认为，群体协同式空间决策支持系统的研究应该借鉴计算机支持的协间工作 ( c s c w ) 的研究成果。 楣对予应用系统蕊富，g i s 基础平台在支持协阉工馋方面发展较为落后。虽然现有g i s 基础平台已经开始结含多用户编辑和长事务等处理内容，如e s r i 麓a r c s d e ，中蠢羹公司的 m a p g i s 等，但是现有的g i s 基础平台并未提供多用户地理空间数据的同步协同处理功能， 真正意义上的协同g i s 基础平台尚未出现( 李伟，2 0 0 5 ) 。n c g i a 认为地理信息系统中的协 同存在的主要问题包括六个问题( a r m s t r o n g1 9 9 5 ) ：体系结构问题、协同操作结果决策的复 杂性、协同翔题、共事闷题、提高协鬻方案蕊效率。m a c e a c h r e n 等( 2 0 0 3 ) 总结得出地理 信息系统协同的概念框架涉及以下6 个方面：问题域、协同任务、观点一致性、空间和时间 域、交噩特征、群体工作的协调工具。蒋婕等( 2 0 0 0 ) 提出协同g i s 系统的概念框架及设 计制约着其应用的深入发展。m e i s s n e r 等人( 2 0 0 2 ) 孵吁在继承的灾密管理和交流信息系统 中需要辫同g i s 熬帮助。程承旗等( 2 0 0 3 ) 指出协嗣g i s 将是g i s 发震豹一个重要趋势， 可见有关协同g i s 的研究尚处于初级阶段。 1 2 。2 空间数据操作的并发控制研究 目前主流的地理信息系统大多只支持单个设计者的独立设计和人机交互能力，很少考虑 。2 第一章绪论 设计者之间协同工作的问题。即使某些支持分布式功能的g i s ，也只提供每个用户在各自的 数据版本上修改，而对其他用户是不可见的，不能支持群体实时协同工作。多用户协同的 g i s 不仅是空间数据的查询、分析和编辑的工具，更是一个支持群体间通讯和协作的人人 交互工具。因此需要研究支持多用户协同操作空间数据时的并发机制，确保多用户在对空间 数据进行并发查询、获取、协同编辑修改和分析时，不会产生冲突。 并发控制技术广泛应用于一般的分布式系统和分布协同系统( m u n s o n ，1 9 9 6 ) 。一般的 分布式系统是非交互式系统，其并发控制一般是面向系统的，并发控制由用户进程发出，而 对用户透明。例如，数据库系统的加锁目的是使各个用户均感觉到只有他自己在单独使用这 个系统，使系统拥有更高的吞吐率( c h a n g ，2 0 0 2 ) 。而在协同系统中，协作感知是多个用 户进行协同工作的基础，用户对共享对象的操作应立即被其它参与协同工作的用户所感知 ( e l l i s ，1 9 9 1 ) 。另外协同系统是支持人一人交互的人机交互系统，比其它系统需要更多地考 虑人的问题( s l a g t e r ，2 0 0 0 ) 。因此，并发控制机制的选择需要考虑到对用户协同工作的影 响以及用户接口的表现形式。 在现有的g i s 软件中，有些g i s 操作可以实现多用户之间的并发，而有些则不能。如空 间查询检索可以多用户同时进行，而对图形和属性数据的编辑则不能。对不加任何控制时不 能直接并发的g i s 操作，如当多个用户同时对同一个要素进行编辑，大多以加乐观锁和悲观 锁的方法来实现并发。 乐观锁：即用版本技术支持多用户并发操作。当数据库服务端的第一次启动时，就建立 了数据库缺省的状态和版本。用户可以在此基础上建立公共的或私有的数据版本，并且在自 己的数据版本上工作，因而无须对多个用户同时访问的数据对象进行锁定。g e o d a t a b a s e 、 m a p g i s 就采用了这种乐观的并行控制协议，通过维护各个版本的状态信息使用户在各版本 中进行独立的事务处理而互不影响。当不同用户编辑不同版本的空间数据库时，所有中间结 果都缓存在各自的数据库状态中，在对数据库编辑完毕并提交数据成果时，空间数据库管理 系统通过对比各个版本所指向的数据库状态，检查各状态下空间数据库的修改内容，并以交 互方式或事先设定好的取舍方案保留不同版本中的变更要素。目前基于版本技术的研究很 多：杨平( 2 0 0 6 ) 详细分析了空间数据库版本控制的基本原理，并通过实例讲述了版本控制 技术在多用户并发操作、长事务处理及历史数据回溯管理等方面的应用。何保国( 2 0 0 7 ) 研 究了多用户状态下，采用乐观锁对存储于o r a c l e 数据库中的空间数据及其属性信息进行并 发编辑控制的策略。李伟( 2 0 0 5 ) 针对协同g i s 对多用户地图编辑和长事务处理的协同需 求，结合多版本技术给出了基于任务划分的协同g i s 工作模型。王映辉( 2 0 0 3 ) 结合版本 机制，给出基于客户端和服务端的版本控制缓存实现策略。这种并发控制机制的优点是解决 了不同状态中因对同一记录的修改而引起的版本冲突，从而保证了空间数据库的完整一致 性，实现了多用户对空间数据的并发操作、长事务处理。缺点是用户在对当前版本进行编辑 时，不能感知到其它用户的操作，操作结束后；在提交修改时，如果与其它用户的操作有冲 突，只能选择维持原状、放弃自己的修改或否决别人的修改，无论做出哪种选择都会导致之 前的部分修改无法保留。 悲观锁：即采用“锁定修改释放”的策略，通过锁定图层中某个空间实体或某个区域 的数据，实现并发控制。在完成编辑以前，其它用户看到的是编辑以前的样子，且不能对锁 定的数据进行编辑。只有在提交了修改或作了回滚后，其它用户才可以对锁定的区域进行修 改，从而能够很好的实现操作的并发控制。 一3 地壤舞素豹势发编辑 i 拜究 加锁方法中锁定粒度的确定是个很重要的问题，如果锁定粒度过粗，用户在并发操作时， 一次锁定的空闻对象很多，其它用户要对其中某个空间实体进行操作时，可能要等待缀长时 闻，这样会使用户在操作对感觉到报多约束；丽粒度划分缀缨时，要实现对空间对象的控制， 可能需要在数据库中产生大量数据，影响并发控制的效率。 对于锁粒度的研究很多，如荷兰地籍与公共注册署发展了一种事态工作拷贝的方法对变 更编辑所涉及的矩形工作区进行锁定，不允许其饱搡伤员在同一时阀内对工作区的统一专题 层进行编辑，以保持数据一致性( o o s t e r o m1 9 9 7 ) 。攀伟( 2 0 0 5 ) 提蹴通过对象锁对不同粒 度对象的可见性、可操作性进行加锁。李建华( 2 0 0 4 ) 从锁定类型、锁定粒度、锁定逻辑规 范等方西讨论多用户并发控制问题。胡蓓昆( 1 9 9 9 ) 分析了数据页和数据表上的锁定粒度对 并发性鞫一致性的影响。罗拥军( 2 0 0 5 ) 对圈元、区域、图层等不同逻辑单位进行封锁。支| l 英( 2 6 ) 提出对不同粪型数据集合，采用基于角色翱权限的封锁粒度，实现统一封锁。郭 朝珍( 2 0 0 6 ) 提出对某个空间实体或装区域内的所有空间实体进行加锁。 目前国内外对空间数据的并发控制研究集中在乐观锁和悲观锁两个方面，这些方法对于 地理数撼处理并不十分会适。空闻数据中事务持续时润较长，如果使用趣锁枧制，会影响事 务的并发程度，因丽不熊满足实际应粥的需要。采用敝本技术实现的多用户编辑，让糟户感 觉只有囱己在对空间数据进行操作，在编辑时无法获知其它用户的操作，不能达到协同g i s 对于协嗣感知的要求。并且，在多用户提交并发编辑的结果时，要传递给服务端的数据量很 大，影响系统鲍响应速度。目前尚未有方法能允许对网一要素进行并发编辑操作，并保留所 有修改绣暴，因此需要研究多焉户编辑环境下豹并发控僚l 机制，对每个用户酶操佟进行同 步，使得每个用户的操作互相不发生冲突，并且保证用户的结果保持一致。 1 2 。3 空间数据库更新的研究 空间信息的更新是当前g i s 的核心问题之一。空间数据库更新，是用反映研究区域空 间目标现势状况的地理空间信息，修正、补充和更新原数据库中的相应数据，以真实地反映 其现状，傺存历史数据、记录变亿源因，使数据库现状与实际现状傺持一致熬过程( 滕晓光， 2 0 0 5 ) 。更新空闯数据有两种基本方法：一是基于版本的数据更新；二是基于基态修正的增 量数据更新。 基于版本的数据更新适合于版本数据密不可分或数据量相对较小的数据( 李塞华， 2 0 0 6 ) 。该方法不能谖裂在不同的舨本上到底变化了哪些内容，需要将不露版本的数据完全 进行备份和更新。当更新的部分只是少数时，没有更新的部分也需要在各个不同的版本中重 复存储，从而造成大量的数据冗余，给数据的存储和备份造成一定麻烦。 基于基态修正的数据更新在数据原始状态的基础上，对变化的信息进行更新。先用现状 数据取代历史数据，爵建立现状数据与掰史数据豹联系，以便麓在反映现状数据豹溺时，蘧 时实现历史与现实的响应。该方法对每个对象只需存储一次，每变化一次，只有很小的数据 量需记蒙。只有在事件发生或对象发生变化时才存入系统，减少了数据冗余量，是理想的数 据更新方式。澳大利亚w e s t e r na u s t r a l i a 州发展了一种人工交互用新获得的空间数据替代原 有数据，保餐历史数据，黉将变更后熬新信愚与位变貔熬闵边数据穗题酝麴工作滚程( s h a w ， 1 9 9 8 ) 。汪斌( 2 0 0 7 ) 介绍协同更新系统的特点、理论基础和实现方法，阐述协同更新系统 的功能模块设计。潘瑜春( 2 0 0 4 ) 分析地理信息系统空间数据的更新方式、实现技术，强调 4 第一章绪论 了空间分析技术在更新方式中的重要性。周晓光( 2 0 0 6 ) 提出一种时空数据自动化的更新方 法，以地理空间变化事件构建动态操作算子，实现增量更新。其中提到的使用起始时间和终 止时间来区别现有空间对象和历史空间对象，对象有更改时，将原有对象写入历史数据库， 而新增一个对象存入现实数据库，对本研究的数据更新方法起指导作用。 上述两种数据库更新方法是目前空间数据库更新的最基本方法。基于版本修正的数据库 更新方法方便易行，适用于不必记录所有数据每时每刻的变化，而是周期性更新的空间数据； 基态修正的数据更新方式灵活、冗余小，而且能更好的保证空间数据的现势性，是未来数据 库更新的主要方式。 1 2 4 国内外研究现状小结 协同g i s 的研究处于起步阶段，支持多用户协同的系统框架尚未形成，没有实现真正 的协同g i s 基础平台，因此需要研究支持多用户协同感知的g i s 协同编辑系统。多用户状 态下的并发控制机制是协同系统的重要问题，传统悲观锁会影响并发程度，而乐观锁则存在 着无法支持协同感知、传输数据量大等问题，所以需要研究新的并发控制机制，保证用户的 操作互相不发生冲突。 1 3 研究的目的及意义 目前主流的g i s 系统，仅能支持单个设计者的独立设计和人机交互的能力，很少考虑 设计者之间协同工作问题。即使某些支持分布式功能的g i s 系统，也只提供每个用户在各 自的数据版本上修改，对于其他用户是不可见的，不能明显地支持协同编辑工作。随着c s c w 和电子政务的迅速发展，g i s 应用中对协同的要求越来越高，g i s 不仅仅是一个空间数据的 查询、分析和编辑工具，而且也是一个支持群体通讯和协作的人人交互工具。鉴于这种现状， 本文在对空间要素的g i s 操作集合进行分析的基础上，通过对g i s 操作的并发冲突检测和 处理方法的研究，建立一个支持多用户协同的g i s 编辑系统，初步尝试为协同g i s 中的协 同编辑工作环境建立解决方案，提高用户对协同用户操作的感知能力，实现并发操作的冲突 检测和处理方法，以及数据库更新方法。 本文针对g i s 软件中协同操作能力的不足和协同g i s 发展的需求进行多用户并发操作 的研究，试图突破现有g i s 软件不能协同编辑同一要素的局限。该研究为c o g i s 架构的构 建，特别是协同编辑功能的实现提供了方法，对促进g 1 s 体系架构的发展，推动可协同的 新型g i s 的构建，具有重要的现实意义。 1 4 研究的技术路线 论文采用的技术路线如图1 1 所示： 一5 地理要素的并发编辑研究 。! 尊。 。把4 j “ “鼍一 。? 。? 体系结构研究 研究支持多用户协同编辑i 4 j 7 t 。”， 工作的体l 系结构 一，、。，：曩， 一j ! ， 。j 一 h： j j ，、“ji|+7 | ，j 。t | 7j j j 一卜 研究支持支持用户的协同感知 ，j 研究基于消息的协同信息传递方式及 i， 和自由编辑的协同模式 【二。，l g i s 操作转化为消息的方法 o，o ， ，一z 一，”，。z一“r 。f k ， 之乡 ，l 。锰忙啦一般：。- 。、! i j 。! ? ? i 一0 褫i 、鼍j 鼍豢，“j 镰| 。j ：荔羲。豫| ? ? ；一争。7 i “的图形操作羹 “”3 4 5 ”“”类的操作一1 分析要素的属性操作隧 i 归纳非编辑操作集合 j ，t t ， 一，j l ；。j 托| 孽 7 | ，= ，1 | ， 。? 撅：。移绱艘群i i 酾4 彤。，i i i 。| i 一? ；：，j ? 一一 _ ，二f ；j 7 ，二- 曼。_ 0 ：j 归纳编森作藁茗i 么。疵二。；，i ! 二! 一，二 之多 冲骞检零7i 根据编辑操作集合构建并发操作矩阵 臣，参 萝法_ 瞬究，钳g 嘲，磁搿嬲j 绷黝缈嬲黝 貉黝鲈獭瓢墨 笔。? 0 研究基于并发操作矩阵进行冲突判断的方法 萱荔 霉爱一j + ”j “l 咎黟? ，；。； 雾 6 j 提供多种方式消除更新中的冲突 k n 口仉。一! “o ：a i 瑰 氛崩i 劳，磁 多 * 嶙嗡畦任墨萑虬沸馗舟j 鬻? 一鬈。雩? 非j 。：警吩嚣一t 4 j 。僻瑶等亳獬j je 骼碧，。j 黟j 誓哆鼍粉 并发编辑结果更新方| 法研究7 ； 善7 0 ；，：荔j ：；：篡。纛i 菇j 笼荔；，纛，纛纛墨鬈f - ；，。7 j 穆| 根据并差曩售堡登要黧编辑操l ，凋研究增加时间属性的增量数据更新方式蹙 、v l 作结果合并规则 眵j 一一鬣 终鼻：二巍g 。黪，咖璺勉：移：嚣旋冤织缘2 缆黝籀绣r 鳜壅黝缓獬糍缴毵黼缓缎彩缀誊缵缴黔嬲 图1 - 1 技术路线图 1 从电子政务协同共享平台的实际应用需求、协同g i s 进一步发展的要求和现有g i s 系统在协同操作上的局限性等几个方面，阐述论文研究路线和论文结构。 2 从协同g i s 、并发控制和空间数据库更新的研究及存在的问题等三个方面系统地分 析和总结国内外研究现状。 3 探索协同编辑g i s 系统的体系结构，实现多用户在多个客户端进行编辑，而服务端 负责协同数据的管理、并发冲突的检测。研究支持多用户协同感知和自由编辑的协同模式。 对基于消息的传递g i s 操作的协同方式进行研究。 4 分析g i s 操作的分类，总结非编辑操作的集合和编辑操作的集合。 5 根据操作集合构建冲突判断矩阵，研究根据冲突判断矩阵进行并发操作的冲突判断 的方法，确保多用户的协同操作不会产生数据的不一致性。研究基于命令消息的冲突检测函 数。研究不同冲突的冲突消解策略。 6 研究利用命令消息存储库进行空间数据执行和更新的方法。根据并发操作矩阵讨论 多用户编辑操作结果的合并规则。 1 5 研究内容与论文组织 1 5 1 论文的研究内容 本文主要对以下内容进行研究： 6 第一章绪论 1 协同感知方法研究：研究支持多刚户协同编辑g i s 的体系结构，使用空间镜像数 据来解决多用户数据共享的问题。将基于消息中间件的集成技术和g i s 技术相结 合，以解决满足协同感知问题，使协同编辑的用户能够感知到其他用户的编辑动作。 2 g i s 操作分类研究：通过分析地理要素的分类和g i s 操作在地理要素上执行的结 果，实现对g i s 操作的分类，为协同编辑中对不同操作采取不同处理方法提供基 础。 3 并发控制研究：在构建对并发操作矩阵的基础上，探索并发编辑中冲突检测的方法。 研究基于命令消息和空间数据的冲突判断方法。 4 协同编辑操作记录和执行方法研究：研究用户编辑操作在数据库中的存储方法，在 此基础上，探讨利用存储记录来实空间数据更新的方法。通过对转换操作函数的详 细研究，分析和归纳并发编辑完成后编辑操作的合并规则。 5 协同编辑结果的更新研究：研究利用时间戳，实现对协同编辑的空间数据进行增量 更新的方法。 6 冲突消解策略探讨：通过对冲突类型的分析，研究针对不同类型的冲突可以采取的 冲突消解方法。 1 5 2 论文的组织 论文共分六章，每一章的具体研究内容如下： 第一章：绪论。介绍论文的选题背景、协同g i s 的研究现状、空间数据的并发控制研 究现状、空间数据库更新的研究现状、研究的目的和意义、研究的技术路线以及研究的内容 和论文组织。 第二章：协同操作框架模型。给出支持协同编辑空间数据系统的体系结构和用户协同模 式，并研究用命令消息进行操作传递的方法。 第三章：g i s 操作集。研究g i s 操作的分类，总结非编辑操作和编辑操作的集合。 第四章：并发冲突检测。包括冲突检测在系统中的执行、冲突判断规则、并发操作矩阵、 并发冲突判断函数和并发冲突检测的实现。 第五章：并发编辑结果的更新。主要分为三部分：冲突消解策略，并发编辑的结果合并 规则和空间数据的更新方法。冲突消解策略探讨了自动消解、协商和仲裁三种消解方法在协 同编辑系统中的使用。并发编辑结果的合并规则包括编辑操作执行顺序、操作转换、并发编 辑结果合并流程和编辑结果合并示例。空间数据的更新方法研究了使用添加时间属性的要素 类实现空间数据的增量更新，以支持历史数据的保存和查询。 第六章：结论与展望。总结本研究取得的成果，提出仍需进一步研究的问题。 - 7 - 第二章g i s 协同编辑系统框架 第2 章g i s 协同编辑系统框架 协同编辑系统使得分布在不同地理位置上的用户可以协同完成同一个g i s 编辑任务。 协同编辑系统的设计目标为：要具有快速的响应能力、良好的协作性和较好的可扩展性。并 发编辑的研究的重点是同步状态下的协同编辑。实时的协同编辑不仅要求系统对本地用户的 操作命令能作出迅速的反应，同时更注重于协同操作的实时感知，使协作群体获得快速的实 时响应速度。 本章研究支持多用户分布式同步协同编辑空间数据的系统体系结构，以及使用消息传递 方式实现用户间实时协同信息的传递方法。 2 - 1 系统体系结构 为了满足支持在地域上分布的群体通过协作共同编辑空间数据的应用需求，采用复制式 体系结构，将空间数据镜像、用户协同编辑程序分布在各客户端，每个客户端都拥有一个在 本地运行的协同编辑程序副本，负责处理本地用户的操作事件并将操作发送给其他协同站 点，同时负责接收处理来自其他站点的用户操作并将结果呈现给用户( 徐向华，2 0 0 5 ) 。对 于本地g i s 操作，应用程序副本在本地空间数据镜像上执行，将执行结果呈现给本地用户， 同时将用户操作发送给其他对等协同站点。对于来自其它站点的g i s 操作命令，可以在本 地机上解释执行，更新本地空间数据镜像，并将结果呈现给该用户。在g i s 实时协同操作 的过程中各客户端是对等的。 客户端和服务端之间需要实时传递g i s 操作。g i s 数据复杂而且数量大，如果在网络上 传递的是g i s 数据，将会大大影响系统的响应速度。为减少网络负担，采用消息传递的方 式进行实时协同：用户操作只修改空间数据在本地的镜像，并在操作时生成命令消息，以消 息传递为通讯基础来实现。消息传递是一种支持高速、异步、程序到程序间可靠通信的技术。 程序之间通过发送数据包进行通讯，这种数据包即称为消息( m e s s a g e ) 。消息可以将用户 的操作进行传输，保证客户端之间、客户端和服务端之间能够相互理解和传递消息，同时消 息可以反映用户的意图，实现空间操作、协同数据等分类传输。 支持协同编辑g i s 的系统体系结构如图2 1 所示： 1 服务端维护实际空问数据，协同用户登录时，服务端将此次协同相关的空间数据传递给 客户端，客户端在本地建立空间数据镜像，之后协同编辑中的本地用户做出的所有操作 都在本地的空间数据镜像上完成。 2 在服务端建立g i s 命令消息存储库，用于存储每个协同用户做出的g i s 操作。 3 用户在本地执行g i s 操作，并将该操作命令、操作对象、操作参数等信息封装成命令 消息发送给服务端。 4 服务端接收到客户端发来的操作，对于不修改空间数据的操