（地图学与地理信息系统专业论文）基于gis的城市公交查询系统研究.pdf

摘要 城市交通是城市社会、经济活动的动脉和纽带，对城市经济发展和人民生活水 平的提高起着非常重要的作用。根据国内外城市交通发展的经验，优先发展公共交 通是解决城市交通问题的根本途径之一。但是，目前我国各城市在进行公共交通系 统建立的工作中，普遍遇到的一个问题是：大量的城市基础要素与交通信息未被充 分的表达出来，给城市的现代化管理带来了诸多困难。如何充分利用现有的城市道 路基础设施，使车与车、车与路、车与乘客相互协调，提高公交车辆的营运效率，为 市民提供便捷的查询系统，是现代公共交通发展急需解决的问题。 近年来，随着我国城市化进程的加快，不少城市的规模在扩大、人口在增加、 道路在延伸，城市的公交线路也在不断地增加。在城市中，选择合适的公交车前往 目的地就成为与广大普通市民出行密切相关的一个问题。地理信息系统( g i s ) 作为 一门融计算机图形和数据库于一体，储存和处理空间信息的边缘综合性学科，能把 地理位置和相关属性有机结合起来，根据实际需要准确真实、图文并茂地输出给用 户，满足不同部门、不同用户对空间信息的要求，并借助其空间分析能力和可视化 表达，用于各种辅助决策。随着面向对象技术和组件技术在g i s 中的应用，c o m g i s 成为g i s 发展的又一大趋势。c o m g i s 由于其在开发模式、系统功能等方而的独特 优越性，受到越来越广泛的欢迎。将c o m g i s 技术用于建立城市公交查询系统，在 地图上直观地显小出目标的地理位置和周边环境，并查找到目标周边的公交站点及 如何到达目标，可以极大地方便人们出行乘车。 本系统采用组件式开发模式。根据系统功能需求及系统规模，选用的g i s 组件 是e s r i 公司的m a p o b j e c t s 组件，开发工具是v i s u a lb a s i c n e t 。系统数据采用文 件和关系型数据库混合存储的存储方式，即：空间数据存储在s h a p e 文件中，属性 数据存储在关系型数据库m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 3 中。 在日常生活中，市民出行需要了解以下一些内容：目的地的空间位置、目的地 周边的公交站点分布、如何乘坐公交车才能方便快捷地到达目的地。这需要城市空 间信息的查询定位、公交站点的查询定位、公交线路的查询定位及公交换乘的路径 分析。城市公交查询系统以城市的地图为载体，以公交线路及公交站点为重要管理 对象，为广大市民提供一个对城市空间信息进行查询的平台。 系统实现了地图放大、缩小、漫游等g i s 软件所具备的基本功能。乘客能够对 现有的公交站点、公交线路，地名进行查询，并可以对查询信息进行定位。乘客输 入任意出行起点、终点，系统可在相应的约束条件下，查找搜索出最优公交出行路 径和换乘方案，最后以图的形式反馈给乘客。 关键词：地理信息系统，组件式g i s ，公交查询，公交换乘，m a p o b j e c t s a b s t r a c t u r b a nt r a f f i ci st h ea r t e r ya n dt a c h eo fc i t ys o c i e t ya n de c o n o m ya c t i v i t y , i ti sv e r y i m p o r t a n tf o rt h ec i t y se c o n o m yd e v e l o p m e n ta n dt h ei n c r e a s e o fp e o p l e sl i v i n g s t a n d a r d a c c o r d i n gt ot h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sc i t yt r a f f i cd e v e l o p m e n te x p e r i e n c e ， t h ep r i o r i t yd e v e l o p m e n to fp u b l i ct r a f f i ci so n eo ft h eu l t i m a t ea p p r o a c h e st os o l v et h e p r o b l e mo fu r b a nt r a f f i c b u t ，n o wd a y so u rc o u n t r y sc i t i e si ne s t a b l i s h i n gt h ep u b l i c t r a f f i cs y s t e mg e n e r a l l yf a c i n gap r o b l e m ，t h a ti sl a r g e l yc i t y sf o u n d a t i o nf a c t o ra n d t r a f f i ci n f o r m a t i o nh a v en o tb e e ns h o w n ，a n dt h i st a k i n gal o to fd i f f i c u l tt oc i t y sm o d e m m a n a g e m e n t h o wt om a k et h eb e s tu s eo fe x i s t i n gf o u n d a t i o ne s t a b l i s h m e n to fc i t yr o a d ， t om a k ec a ra n dc a r , c a ra n dr o a d ，c a ra n dp a s s e n g e re a c ho t h e ri nl i n e ，t oi m p r o v ep u b l i c v e h i c l e e f f i c i e n c y , t op r o v i d et h ec o n v e n i e n tq u e r ys y s t e mf o rt h ec i t i z e n ，i st h ep r o b l e m t ob es o l v e de m e r g e n c yf o rm o d e r np u b l i ct r a f f i cd e v e l o p m e n t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h ea c c e l e r a t i n go fo u rc o u n t r y se i t yc o u r s e ，m a n yc i t y s s c a l ee n l a r g e d ，p o p u l a t i o ni n c r e a s e d ，r o a de x t e n d e d ，e i t y sp u b l i ct r a f f i cl i n ei sa l s o i n c r e a s e dc o n s t a n t l y i nt h ee i t y , t oc h o o s ea na p p r o p r i a t eb u st od e s t i n a t i o nb e c o m ea p r o b l e mc o r r e l a t i v et oc i t i z e n sd a i l yl i f e a sas y n t h e t i c a l l ys u b j e c t ，g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) i nh a r m o n yw i t hc o m p u t e rg r a p ha n dd a t a b a s et e c h n o l o g y , s t o r ea n dm a n a g es p a t i a li n f o r m a t i o n ，c a nc o m b i n eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nw i t hi t s a t t r i b u t e ，b a s e do np r a c t i c er e q u i r ee x a c t l yo u t p u tt ou s e r s a l o n gw i t ha p p l i a n c eo f o b j e c to r i e n t e dt e c h n o l o g ya n dc o m p o n e n tt e c h n o l o g y , c o m g i sb e c o m eat r e n di n g i sd e v e l o p m e n t d u et ot h ep r i o r i t yo fe x p l o i t a t i o nm o d e ，s y s t e mf u n c t i o na n ds oo n ， c o m g i sb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a r i t y u s i n gc o m g i si ne s t a b l i s hc i t yp u b l i c q u e r ys y s t e m ，h u g e l y c o n v e n i e n c ep e o p l e sr i d i n g t h es y s t e ma d o p tc o m g i se x p l o i t a t i o nm o d e a c c o r d i n gt os y s t e mf u n c t i o na n d s c a l e ，u s em a p o b j e c t sa sc o m p o n e n t ，v i s u a lb a s i c n e ta st h et 0 0 1 t h i ss y s t e mc h o o s e s f i l e sa n dd a t a b a s et os t o r a g et h es y s t e md a t a t h a ti st os a y , s p a t i a ld a t ai ss t o r e di ns h a p e f i l e sa n dt h ep r o p e r t yd a t ai ss t o r e di nr e l a t i o nd a t a b a s em i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 3 i nd a i l yl i f e ，c i t i z e nh a st ok n o ws o m eo u t g o i n gm a t t e ra sf o l l o w s ：d e s t i n a t i o n s 1 1 1 s p a t i a ll o c a t i o n ，t h ed i s t r i b u t i o no fb u ss t a t i o na r o u n dt h ed e s t i n a t i o n ，h o wt or i d eb u sc a n c o n v e n i e n t l ya n da p a c ea r r i v ed e s t i n a t i o n t h i sn e e d s t h eq u e r yp o s i t i o no f c i t y ss p a t i a l i n f o r m a t i o n ，b u ss t a t i o ni n f o r m a t i o n ，b u sl i n ei n f o r m a t i o na n dr o u t ea n a l y s i so fb u s e x c h a n g e u r b a np u b l i ct r a f f i cq u e r ys y s t e mb a s e do nm a p ，m a n a g e b u sr o u t ea n ds t a t i o n ， a n d p r o v i d ec i t i z e nam e t h o dt oq u e r yc i t y ss p a t i a li n f o r m a t i o n t h es y s t e mr e a l i z e ss o m eb a s i cf u n c t i o no fg i ss u c ha sz o o mi n ，z o o mo u ta n dp a n p a s s e n g e rc a nq u e r yb u ss t a t i o n ，b u sr o u t ea n dp l a c en a m e ，a n dc a no r i e n tt h er e s u l to f t h ei n f o r m a t i o n p a s s e n g e ri n p u tt h eb e g i n - p o i n ta n de n d - p o i n ta tw i l l ，s y s t e mc a ns e a r c h t h ep r i o r i t yo u t g o i n gr o u t ea n de x c h a n g ep r o j e c ti nt h ee o n d i t i o no fc o r r e s p o n d i n g r e s t r i c t ，a n ds h o wp a s s e n g e ra sg r a p h k e y w o r d - g i s ，c o m g i s ，b u sq u e r y ，b u se x c h a n g e ，m a p o b j e c t s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包 含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：豫移 明年6 只予日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利 等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：矽晒踣 导师签 铅砖抓 嘲年6 其乡b 巧年其7 日 长安大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 近年来，随着我国城市化进程的加快，不少城市的规模在扩大、人口在增加、道路 在延伸，城市的公交线路也在不断地增加。在城市中，选择合适的公交车前往目的地就 成为与广大普通市民出行密切相关的一个问题。地理信息系统( g i s ) 作为一门融计算机 图形和数据库于一体，储存和处理空间信息的边缘综合性学科，能把地理位置和相关 属性有机结合起来，根据实际需要准确真实、图文并茂地输出给用户，满足不同部门、 不同用户对空间信息的要求，并借助其空间分析能力和可视化表达，用于各种辅助决 策。随着面向对象技术和组件技术在g i s 中的应用，c o m g i s 成为g i s 发展的又一大趋势。 将c o m g i s 技术用于建立城市公交查询系统，在地图上直观地显示出目标的地理位置和 周边环境，并查找到目标周边的公交站点及如何到达目标，可以极大地方便人们出行 乘车。 i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 是以信息通信技术将人、车、路三者紧密协 调、和谐统一，而建立起的大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输管理 系统。i t s 将有效地利用现有交通设施、减少交通负荷和环境污染、保证交通安全、 提高运输效率、促进社会经济发展、提高人民生活质量，并以推动社会信息化及形成新 产业受到各国的重视。目前已形成世界二十一世纪的发展方向。国内在这方面起步较晚， 但大部分城市都作出了很大的努力，提出了“优先发展城市公共交通 的交通政策。 i t s 是当今解决交通问题的重要手段。它利用先进的计算机技术、网络技术、通信 技术、自动控制技术等技术辅助交通管理，从而形成一种新型的信息化交通管理系统。 这样就能更加有效的利用基础交通设施，即时对路况进行监测，及时对路网交通流进行 调度，对交通事务进行处理，有效排除交通事故隐患，避免道路的拥挤和阻塞。可以最 大程度的提高路网通行能力，提高运输的机动性、安全性和生产效率，同时减少能源消 耗和环境污染。 1 2 研究目的及意义 随着人们生活水平的提高，出行乘车对游客来说显得尤为重要，怎样在最短的时间 内到达目的地，乘客提出了越来越高的要求。因此，高效、方便的公交查询系统除了可 第一章绪论 以为出行者提供公交线网基础信息、线路运行信息外，还可以将经过计算机分析的最佳 出行线路及换乘方案推荐给出行者，通过引导乘客合理化选择线路，减少乘客的出行延 误，从而提高整个公交线网的运行效率。 公交查询系统开发的目的是为乘客的出行提供准确、及时、优化的公交信息服务。 系统向乘客提供公交信息的动态走向，生成出行辅助计划，对乘客的出行进行主动而合 理的引导，在较大程度上方便乘客，从而将无序的交通出行变得有序，优化客流分布，提 高公交线网的运行效率，同时将该系统投入实际应用也是提高城市形象的一项重要举 措。 乘客能够对现有的公交站点、公交线路、运营计划进行查询。乘客输入任意出行起 点、终点，系统可在相应的约束条件下，查找搜索出最优公交出行路径和换乘方案，最后 以图的形式反馈给乘客。同时管理人员可根据站点、线路的变更，运营调度计划的调整， 及时更新系统的公交线网，对与公交有关的其他基础数据方便地进行管理和维护。 1 3 城市公交查询系统概况 1 3 1 国外研究现状 发达国家十分重视公交查询系统的研究和应用。发达国家发展公交查询系统的一个 最重要的目的是通过为出行者提供准确、及时的信息服务，吸引更多的出行者使用公共 交通，从而促进公交交通的发展。在发达国家，研究、开发和建设公交查询系统的费用 大部分由其政府承担，发达国家公交企业是系统的使用者和受益者。 他们发展公交查询系统的特点是： 1 、着力提供更为快捷、方便的电话咨询服务。 这要求电话咨询时有较高的效率，否则人们会因为等待时间过长而放弃电话咨询。 2 、触摸屏在“出行前 和“出行中 得到广泛的应用。 触摸屏技术具有信息量大、交互性好等特点，在美国公交查询系统中得到广泛的应 用。在1 9 9 6 年，美国加州洛杉矶地区便装有7 8 部触摸屏，使用的效果良好。触摸屏提 供的交通信息包括：线路、票价、班次和旅程时间、调整公路交通信息等静态或实时信 息。除此之外，洛杉矶地区的触摸屏还被用在发生冲突事件时传递信息的重要手段。 3 、与车辆自动定位技术相结合的路边车内电子显示设备，为出行中的人们提供动 态的实时信息服务。 在没有使用电子站牌以前，美国公交企业采用在各重要站点张贴公交线路班次表的 2 长安大学硕士学位论文 办法，使乘客确定出行或等车时间。这一方法的不足之处是不能反映线路上的突发事件。 在使用与车辆自动定位技术相结合的路边车内电子显示设备以后，可以做到实时的预 测车辆的到站、离站时间，提高服务的可靠性，增强了公交方式出行的吸引力。 4 、与网络相结合，是公交查询系统的重要发展方向。 网络技术的发展使越来越多的人使用i n t e m e t ，在i n t e m e t 上提高和发布交通信息已成为 公交查询系统发展的重要方向，一些基于w e b 的新公交查询系统，可以提高比常规方 式更为方便、快捷的服务，而且查询费用低廉。 1 3 2 国内研究现状 2 0 0 4 年，国家发改委在节能中长期专项规划中提出：在特大城市要大力发展城 市公交查询系统、抑制私人机动交通工具对城市交通资源的过渡使用。在大城市建立以 道路交通为主，轨道交通为辅，私人机动交通为补充，合理发展自行车交通的城市交通 模式；中小城市主要以道路公共交通和私人交通为主要发展方向。从这里我们可以看出 国家对城市公交系统发展的重视。 但由于我国公交系统的发展起步较晚，我国城市公交查询系统的发展处于一个落后 的水平，广大乘客可以获得信息的方式很少，公交信息的完整性和准确性得不到保证， 而且还没有专门的机构负责信息的发布和管理，我国公交查询系统的现状如下： 1 、乘客可以获得的公交信息少，而且方式主要是常规手段。 我国乘客一般获得公交信息的方式局限于电话、交通图、向熟人问讯等常规方式。 乘客可以获得的公交信息很少，除去线路、站点等基本信息以外，有关班次、车辆到站 以及离站的时间信息基本没有。 2 、乘客出行中获得信息困难，基本上没有实时信息。 除去杭州、上海等少数几个城市，乘客可以通过分布在城市中的若干电子站牌获得 一些公交车辆的运营信息外，其他城市中“出行中 的乘客无法获得任何实时信息。在 我国一些城市中，有不少装饰华美的公交站台，但在这些站台上却找不到实用的城市交 通图。总而言之，我国乘客在出行中无论是“静态线路信息还是“动态实时信息”都 很难获得。 、 3 、缺乏专门的交通信息发布管理机构，乘客获得信息的准确性得不到保证。 目前，我国大多数城市对于交通信息的发布没有专门的管理机构和规章制度，在城 市交通信息服务需求小的情况下尚可应付，但随着城市交通信息服务需求的增长，从事 3 第一章绪论 交通信息服务的人员和企业数量的增加，需要有专门的管理机构和制度。当前的城市交 通信息服务存在着“混乱 和“低效”，有些甚至是对乘客的误导。 4 、我国公交信息系统与网络的结合还是低层次的。 在我国一些城市出现了基于网络的公交信息服务系统，但总体上还是处于一个较低 的层次。这些信息系统还属于一种静态的公交信息查询系统，还不能做到为乘客的出行 自动生成出行计划和方案。 由上所述，我国公交查询系统总体上还处于较低的水平。较低的发展水平既是发展 的困难，也是发展的机遇。我们应该发展公交查询系统作为一个提高公交效率、增强公 交吸引力的重要手段。 1 3 3 存在的问题 我国城市公交网络这方面的起步较晚，但是各地政府都给予了极大的重视，相继建 立了公交查询系统，但是效果不甚理想。主要存在以下一些问题： 1 、多数查询系统的形式单一，覆盖面较小。 2 、数据存储结构不够合理，不易扩充，不能支持人以两点的查询。 3 、多数没有地图显示能力，不够直观。 4 、具有地图显示能力的系统，几乎全部采用非自主产权的g i s 插件，运行速度慢， 查询效果差。 5 、咨询方式单一，没有充分发挥现有的各种通信资源。 1 4 本文所作的工作 本文主要研究了g i s 技术在城市公交查询系统中的应用。利用e s r i 的二次开发组 件m a p o b j e c t s 设计并实现了西安市公交查询系统。主要工作概括如下： 1 、西安市公交查询系统结构、功能以及实现技术方案的分析与设计； 2 、系统空间数据的采集以及空间数据库的设计以及实现； 3 、西安市公交查询系统最佳换乘和最短路径的算法实现； 4 、对面向对象编程、组件化软件开发方法以及软件设计模式，在公交查询系统中的 应用进行了较为具体的研究。 4 长安大学硕上学位论文 1 5 论文研究内容及组织结构 论文研究的主要内容是基于地理信息系统的公交线路查询，满足用户在最短时间内 到达目的地的要求，有效综合了线路、费用、时间及相关的动态交通数据，计划出行路 线和提供在线信息，对用户的出行提供帮助。 论文主体部分分为6 章，主要内容安排如下： 第一章，绪论。主要介绍论文的研究目的、意义和主要内容，然后介绍了城市公交 查询系统的概况以及国内外现状。 第二章，关键理论与技术。介绍课题研究中涉及的相关技术，主要有g i s 技术，组 件式g i s 技术、空间数据库技术，以及经典最短路径算法。 第三章，基于g i s 的公交查询系统的总体设计。介绍该系统的总体结构的设计方案， 选用的g i s 组件，开发环境，开发工具等，最后叙述了系统功能模块的划分。 第四章，基于g i s 的公交查询系统的详细设计。详细介绍了系统各个模块的设计思 路以及系统数据库的设计。 第五章，基于g i s 的公交查询系统的功能实现。介绍数据访问的实现，换乘算法的 实现，系统各个模块的实现过程，以及系统运行的界面效果。 第六章，总结与展望。对全文的总结和展望。 5 第二章关键理论与技术 第二章关键理论与技术 2 1 地理信息系统( g i s ) 2 1 1gis 的基本概念及特点 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是2 0 世纪6 0 年代开始迅速 发展起来的地理学研究技术，是多种学科交叉的产物，是一种特定的十分重要的空间信 息系统。地理信息系统的定义由两部分组成：一方面，地理信息系统是一门描述、存储、 分析和输出空间信息理论和方法的新兴的交叉学科；另一方面，地理信息系统是以地理 空间数据库( g e o s p a t i a ld a t a b a s e ) 为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空 间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机系统【l 】。 同一般的信息系统相比，地理信息系统具有以下几个方面的特点： 1 、地理信息系统在分析和处理问题中使用了空间数据和属性数据，并通过数据库 管理系统将二者联系在一起共同管理、分析和应用，从而提供了认识地理现象的一种新 的思维方法；而管理信息系统则只有属性数据库的管理，即使存储了图形，也往往以文 件形式等机械方式存储，而不能进行相关空间数据的操作，如空间查询、检索、相邻分 析等，更无法进行复杂的空间分析； 2 、地理信息系统强调空间分析，通过空间分析模型来分析空间数据，地理信息系 统的成功应用依赖于空间分析模型的研究和设计； 3 、地理信息系统由计算机系统支持进行空间地理数据的组织和管理，并由计算机 程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难 以完成的任务。 地理信息系统的外观，表现为计算机软硬件系统；其内涵却是由计算机程序和地理 数据组织而成的地理空间信息模型。当具有一定地学知识的用户使用地理信息系统时， 他所面对的数据不再是毫无意义的，而是把客观世界抽象为模型化的空间数据，用户可 以按应用的目的观测这个现实世界模型的各个方面的内容，取得自然过程的分析和预测 的信息，用于管理和决策，这就是地理信息系统的意义。一个逻辑缩小的、高度信息化 的地理系统，从视觉、计量和逻辑上对地理系统在功能方面进行模拟，信息的流动以及 信息流动的结果，完全由计算机程序的运行和数据的变换来仿真。地理学家可以在地理 信息系统支持下提取地理系统各不同侧面、不同层次的空间和时间特征，也可以快速地 6 长安大学硕士学位论文 模拟自然过程的演变或思维过程的结果，取得地理预测或“实验 的结果，选择优化方 案，用于管理与决策。 2 1 2g l s 的组成部分及主要功能 地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体的数据及其关系，包括空间定 位数据、图形数据、属性数据等，用于分析和处理在一定区域内分布的各种现象和过程， 解决复杂的规则、决策和管理问题。 地理信息系统主要由四个部分组成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空 间数据和系统管理操作人员。地理信息系统不仅仅表现为计算机硬件系统，其内涵是由 计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，是一个缩小的、高度信息化的地 理信息系统。 一个完善的地理信息系统应该具有以下主要功能： 1 、基本功能用于编辑、显示和测量图层，主要包括对空间数据和属性数据的输入、 存储、编辑，以及制图和空间分析等功能。地理信息系统的空间分析功能包括空间特征 的几何分析、数字地面模型分析、网络分析、数字影像分析和地理变量的多元分析。这 些分析功能为用户提供了解决多种问题的有效手段，是地理信息系统的重要组成部分。 2 、叠加功能允许两幅或更多图层在空间上比较地图的要素和属性，分为合成叠加 和统计叠加。 3 、动态分段功能将地图网络中的联机根据其属性将特征相近的联机分段，分段是 动态进行的。动态分段引入交通地理信息系统是为了分析以线为基础的运输系统的属 性。 4 、网络分析功能的主要目的是对地理网络( 如公共交通网络) 、城市基础设施网络 ( 如各种网线、电力线、电话线、供排水管线等) 进行地理分析和模型化。 5 、其它主要功能还包括地形分析功能和删格显示功能。 图2 1 说明了这些功能之间的关系，以及它们操作数据的不同表现。 7 第二章关键理论与技术 悃 图2 1g i s 功能概述( 椭圆) 以及它们的表现( 矩形) 从图2 1 中可以看出，数据获取是从现实世界的观测、以及从现存文件、地图中获 取数据。有些数据己经是数字化的形式，但是往往需要进行数据预处理，将原始数据转 换为结构化的数据，以使其能够被系统查询和分析。查询分析是求取数据的子集或对其 进行转换，并交互现实结果。在整个处理过程中，都需要数据存储检索以及交互表现的 支持，换言之，这两项功能贯穿了地理信息系统数据处理的始终。 2 1 3gis 的历史发展阶段 地理信息系统的发展可以分为以下4 个阶段： 1 、6 0 年代为地理信息系统的开拓期，注重于空间数据的地学处理。对于这个时期 的地理信息系统的发展来讲，专家的兴趣和政府的推动起着积极的引导作用，并且大多 数地理信息系统的应用限于政府和大学的范畴。早期的地理信息系统运行速度慢、存储 容量小、空间分析功能极为简单。 2 、7 0 年代为地理信息系统的发展巩固期，注重于空间地理信息的管理。这种发展 应该归纳为以下3 个方面的原因：一是各国政府对资源开发、利用乃至环境保护问题的 8 长安大学硕士学位论文 关注，产生了对g i s 技术的强烈需求；二是计算机技术的迅速发展，数据处理速度加快， 内存容量加大，尤其是计算机硬件价格的下降，使得政府部门、学校以及科研机构、私 营公司也能够配置计算机系统，而且软件方面，出现了利用关系数据库管理的新型地理 信息系统软件；第三，专业化人才不断增加。这个时期地理信息系统发展的总体特点是， g i s 在学术研究方面取得了长足进展，但在实际方面尚未取得重大突破。 3 、8 0 年代为地理信息系统技术的推广应用时期，注重于空间决策支持分析。地理 信息系统的应用领域迅速扩大，从资源管理、环境规划到应急反应，从商业服务区域划 分到政治选举分区等，涉及到许多科学领域。许多国家制定了本国的地理信息系统发展 规划，启动了若干科研项目，建立了一些政府、学术机构。这个时期地理信息系统发展 的显著特点是商业化实用系统进入市场。在这一时期，出现了a r c i n f o ，g e n a m a p ， m a p i n f o ，t r a n s c a d 等大量商业化地理信息系统。 4 、进入9 0 年代，地理信息系统进入用户时代。一方面，地理信息系统已经成为许 多机构必备的工作系统，尤其是财政决策部门在一定程度上由于受地理信息系统的影响 而改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等。另一方面，社会对地理信息系统的 认识普遍提高，需求大幅度增加，从而导致了地理信息系统应用的扩大与深化。 2 1 4gis 的应用 凡是和空间位置有关的应用都可以采用g i s 技术。各个行业涉及的信息都和地理空 间位置有着或多或少的联系。当行业应用和地理空间位置结合时，可以采用g i s 技术。 图2 2 列举了g i s 在资源管理、城市管理、社会经济等各领域的运用。 图2 2t ；i s 的应用系统 9 第- 二章关键理论与技术 如银行系统办理的很多业务和空间位置关系不大，但当我们对一定区域范围的所有 银行进行各种业务的对比分析，或者考虑新的银行点的增加选址，或者需要查询距指定 地点最近的银行以及其到达路线时，需要考虑现有各银行点的空间分布，选址还要分析 其他相关因素的空间分布，到达指定银行还需要考虑道路的空间分布。在这种情况下， 需要采用g i s 技术。 再比如，土地管理部门的业务办公是按一定流程进行的，和空间位置没有直接联系。 但业务内容需要涉及到被管理的土地的空间位置、形状、面积等空间特征，为了提高业 务办理效率，可以采用g i s 技术进行图文一体化管理。 2 2 组件式gis 2 2 1 软件组件化技术 1 、组件技术的必然性 传统的软件开发方法可分为两个方式。一种方式是，一个项目开发完全从头开始， 只借助开发工具和开发函数库；另一种方式是，项目中的所有子系统或者功能模块都是 被外包的，也就是说，通过购买并参数化标准软件来提供足够接近的实际需求的解决方 案。使用第一种方式，开发完全定制的软件有其优势所在：它可以最优地配置到用户的 业务模型中，并且可以充分的利用开发团队内部专有的知识和经验。因此，如果定制软 件能有效地满足需求，那么它们都具有很强的市场竞争力。 但是，即使定制软件能够很好的工作，它们的开发过程也存在着一些严重的缺陷： 从头开始的开发代价非常昂贵；除了一些有专家指导开发出的模块会令人比较满意，系 统总体的解决方案通常不够理想。由于用户对大多数系统的要求都不仅限于其系统本身 功能的实现，而还需要和其机构内部其他系统之间，以及商业伙伴和用户之间进行互操 作，因此很多系统的开发都部分的或完全地失败。除此之外，在当代社会，商务需求的 迅速变化以及新的软件技术的不断更新，使得很多定制软件在还没有开发出来就己经变 得过时了。 定制软件内在的缺陷，加上潜在的优势有时又难以实现，因此软件的外包成为软件 开发的主要趋势，也推动了标准的软件组件技术的发展。 2 、组件的特点 组件有三个显著的特点：1 ) 每个组件都是一个独立的单元；2 ) 每个组件都作为第三 方的组装单元；3 ) 没有外部可见状态【3 1 。 1 n k 安大学顺学位论文 这些特性有几重含义。组件是独立的单元，意味着它必须能p 它所在的环境以及其 他组件完全分离。因此，组件必须封装自己内部的全部特征。并且，作为一个独立的单 元，组件具备原子性，它是不可拆分的。也就是说，即使系统使用了某个组件，它也不 能访问这个组件的任何内部细节信息。 在这样的约束下，为了组件之间的组装，组件不仅必须具备足够好的内聚性，还必 须将自己的依赖条件和所提供的服务表达清楚。组件必须封装它的实现，并且只通过良 好定义的接口与外部环境进行交互。 毫无疑问，组件技术有利于软件的复用，提高开发的效率。从某些方面来理解，软 件组件被认为大体上与硬件组件相类似，尤其是集成电路。图23 说明了软件组件在整 个软件系统中类似于硬件集成电路的工作原理。 图23 连接在软件总线上的软件i c 组件化的软件结束了以往大量升级的问题。由于需求或软件执行环境的变化，传统 上完全集成的软件需要周期性的升级。这些过程普遍比较艰难，如老数据库的移植，确 保向上的兼容性，对客户的再次培训，以及购置更优配置的硬件设备等。而在基于构件 的软件方案中，小的演变替代了大规模的革新，对个别需要升级或者不相协调构件进行 单独升级将会更加平滑。 222 组件式g i s 简介 组件式g i s ( c o m p o n e n t sg i s ，缩写为c o m g i s ) 基于标准的组件式平台，各个组件 之间不仅可以进行自由、灵活的重组，而且具有可视化的界面和使用方便的标准接口。 组件式平台主要有m i c r o s o f t 的c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件对象模 型) d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，分稚式组件对象模型) 和o m g 的 c o r b a ( c o m m o no b j e c tr g q u c s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ，公共对敦请求代理体系结构1 ，目 前m i c r o s o f t 的c o m d c o m 占市场领导地位。基于c o m d c o m ，m i c r o s o f t 推出r a e t i v e x 技术。a c t i v e x 控件是当今可视化程序设计中应用最为广泛的标准组件。新一 第二章关键理论与技术 代的组件式g i s 也大都是a c t i v e x 控件或者其前身o l e 控件。组件式g i s 代表着当今 g i s 发展的潮流。 组件式g i s 符合当今软件技术的发展潮流，极大地方便了应用和系统集成。同传统 的g i s 比较，这一技术具有以下几方面特点： 1 、高效无缝的系统集成 g i s 应用系统建设实际上是对g i s 数据、基本空间处理功能与各种应用模型进行集 成。各种资源和设施管理的g i s 应用更是要求g i s 和m i s 乃至办公自动化( o a ) 有机结 合，这对g i s 系统集成方案提出了很高的要求。组件式g i s 不依赖于某一种开发语言， 可以嵌入通用的开发环境( 如：v i s u a lb a s i c 或d e l p h i ) 中实现g i s 功能，专业模型则可以 使用这些通用开发环境来实现，也可以插入其它的专业性模型分析控件。因此，使用组 件式g i s 可以实现高效、无缝的系统集成 2 、无须专门g i s 开发语言 传统g i s 往往提供独立的二次开发语言，如a r c i n f o 的a m l 、m g e 的m d l 、m a p l n f o 的m a p b a s i c 等。对g i s 基础软件开发者而言，设计一套二次开发语言是不小的负担， 同时二次开发语言对用户和应用开发者而言也存在学习上的负担。而且使用系统所提供 的二次开发语言，开发能力往往受到限制，难以处理复杂问题。组件式g i s 则不需要专 门的g i s 二次开发语言，只需实现g i s 的基本功能函数，按照组件标准开发接口。这 有利于减轻g i s 软件开发者的负担，而且增强了g i s 软件的可扩展性。g i s 应用开发者， 不必掌握专门的g i s 开发语言，只需熟悉基于w i n d o w s 平台的通用集成开发环境，以 及组件式g i s 各个控件的属性、方法和事件，就可以完成应用系统的开发和集成。目前， 可供选择的开发环境很多，如v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、v i s u a lf o x p r o 、d e l p h i 、c + + b u i l d e r 以及p o w e rb u i l d e r 等等。 3 、大众化的g i s 组件式技术已经成为业界标准，用户可以象使用其他a c t i v e x 控件一样使用组件式 g i s 控件，使非专业的普通用户也能够开发和集成g i s 应用系统，推动了g i s 大众化进 程。组件式g i s 的出现使g i s 不仅是专家们的专业分析工具，同时也成为普通用户对 地理相关数据进行管理的可视化工具。 4 、成本低 由于传统g i s 结构的封闭性，往往使得软件本身变得越来越庞大，不同系统的交互 性差，系统的开发难度大。组件式g i s 提供空间数据的采集、存储、管理、分析和模拟 12 长安大学硕士学位论文 等功能，至于其他非g i s 功能( 如关系数据库管理、统计图表制作等) 则可以使用专业厂 商提供的专门组件，有利于降低g i s 软件开发成本。另一方面，组件式g i s 本身又可 以划分为多个控件，分别完成不同功能。用户可以根据实际需要选择所需控件，最大限 度地降低了用户的经济负担【2 4 5 6 1 。 2 2 3 组件式gis 的数据管理方式 1 、现有数据存储方式 对于组件式g i s 来说，软件要求小巧、灵活、移植性和可扩展性强，同时要求强大、 方便的数据库管理功能。虽然文件存储g i s 数据模型结构灵活、操作简便、显示速度快， 但难以提供较强的数据库管理功能，混合存储g i s 数据模型综合了文件存储和数据库存 储模型的优点，但是需要解决数据一致性问题，空间数据管理效果低，无法获得数据库 系统的支持，数据共享性差，且在网络方面无法得到有效的拓展。早期的g i s 中大多采 用混合存储模型。 随着数据库技术的发展，数据库系统速度和功能大大提高，且能支持多种类型的数 据，可以方便地将属性数据和空间数据有效的集成起来。数据库存储g i s 数据模型在一 些专业、规模不太大的g i s 中得到了广泛的采用。 2 、关系型数据库及其对组件g i s 的支持 自2 0 世纪7 0 年代关系模型提出后，由于其优点突出，迅速被商用数据库系统采用。 据统计，7 0 年代以来新发展的d b m s 系统中，近百分之九十是采用关系数据模型，其 中涌现出了许多性能优良的商品化关系数据库管理系统，例如小型数据库系统f o x p r o ， a c c e s s ，p a r a d o x 等，大型数据库系统d b 2 ，i n g r e s ，o r a c l e ，i n f o r m i x ，s y b a s e ， s q ls e r v e r 等。8 0 年代和9 0 年代是r d b m s 产品发展和竞争的时代。各种产品经历 了从集中到分布，从单机环境到网络环境，从支持信息管理到联机事物处理( o l t p ) ，再 到联机分析处理( o l a p ) 的发展过程；对关系模型的支持也逐渐完善；系统功能不断增强。 关系数据模型是关系数据库系统的基础。在关系模型数据库中，基本结构是二维表， 这种二维表称为关系( r