（计算机科学与技术专业论文）基于openlayer的通信网gis平台的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 洲y 1m 7 1 1 1 1 1 8 帅0 0 m 8 8 i 6 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：书炬0 签字日期：7 。年g , 9 ! 日 新虢冲磅角 导师签名：叶锣拍刊 签字日期：么汐年月，石日 中图分类号：t p 3 9 3 0 7 u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 基于o p e n l a y e r 的通信网g i s 平台的研究 r e s e a r c ho i lg i sp l a t f o r mo fc o m m u n i c a t i o nn e th 白r k b a s e do p e n l a y e r 作者姓名：杨焕新 导师姓名：杨芳南 学位类别：工学 学科专业：计算机科学与技术 学号：0 8 1 2 0 5 7 1 职称：高工 学位级别：硕士 研究方向：网络管理 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师杨芳南老师的悉心指导下完成的，杨芳南老师严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 杨芳南老师对我的关心和指导。 杨芳南老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向杨芳南老师表示衷心的谢意。 王占刚对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的 感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李金泓、刘涛等同学对我论文中的研究工作 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 中文摘要 摘要：地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是融计算机技术、 数据库管理系统和计算机图形学于一体的一门跨专业的新技术。借助于g i s ，我们 能够方便地实现信息地图化和数据可视化。自2 0 世纪9 0 年代以来，g i s 的应用得 到迅猛发展，己经普及到土地管理、城市交通运输、邮电通信等诸多领域。 随着通信技术的发展，对电信线路资源的管理提出了更高的要求，管理现代化 的呼声也越来越高。电信线路资源的查询难、管理难和维护难成为当前的热点问 题。实现电信线路资源管理的自动化和智能化是电信业务继续高速发展的关键之 一。电信通信网复杂度的增加以及对自动化管理的迫切要求需要先进的网络管理 方法，以便对不同类型的电信网络、设备和业务进行有效的管理。 首先，论文以通信网为研究对象，通过对通信管线资源管理系统的研究和分析， 结合g i s 的设计理念，提出了通信管线资源g i s 模型。该模型完整的描述了通信 管线资源系统，同时实现了设备资源到g i s 图层和业务网到g i s 图的双重映射， 模型将g i s 与m i s 有效的结合在了一起，优化了系统的设计。 其次，依托于光纤在线监测系统，基于在光缆网管理中遇到的实际问题，在通 信管线资源g i s 模型的基础上，对光缆网g i s 平台进行了需求分析和概要设计。 选择了开源的u d i g 、g e o s e r v e r 作为g i s 平台，利用o p e n l a y e r 工具包设计并实 现了光缆网g i s 平台。 本论将g i s 与通信管线资源管理结合起来，提出了通信管线资源g i s 模型，完 善了g i s 在通信管线资源管理工程方面的设计方法，利用开源的g i s 软件和平台， 设计并实现了光缆网g i s 平台。 关键词：g i s ；通信资源管理；g e o s e r v e r ；o p e n l a y e r ；光纤监测 分类号：t p 3 9 3 0 7 a bs t r a c t a b s t r a c t ：g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) i sa n e wt e c h n o l o g yw i t hc o m p u t e r t e c h n o l o g y ，d a t a b a s em a n a g e m e n t ，a n dc o m p u t e rg r a p h i c s w i t hg i s ，w e c a l le a s i l y r e a l i z ei n f o r m a t i o nm a p sa n dd a t av i s u a l i z a t i o n s i n c e 9 0 s ，2 0 t hc e n t u r y ， g i s a p p l i c a t i o n s ，w h i c hh a sb e e nr a p i dd e v e l o p m e n t e d ，h a ss p r e a dt ol a n dm a n a g e m e n t ， u r b a nt r a n s p o r t ，p o s ta n dt e l e c o m m u n i c a t i o n sa n do t h e ra r e a s w i mm ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h em a n a g e m e n to f f e s o u f c e so nt h et e l e c o m m u n i c a t i o n sl i n e sp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t s ，t h ev o i c e o fm o d e r nm a n a g e m e n tm o r ea n dm o r e t e l e c o m m u n i c a t i o n1 i n e r e s o u r c eq u e r yi s d i 伍c u l t t o m a n a g e d i f ! f i c u l ta n dh a r d t om a i n t a i n ac u r r e n th o t t o p i c t e l e c o m m u n i c a t i o n sl i n e st oa c h i e v ea u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n tr e s o u r c em a n a g e m e n t i st h er a p i dd e v e l o p m e n to ft e l e c o m m u n i c a t i o n s e r v i c e st oo n eo ft h ek e y s t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si n c r e a s ei nc o m p l e x i t ya n dt h en e e d f o ra u t o m a t e d m a n a g e m e n to f t h eu r g e n tn e e df o ra d v a n c e dn e t w o r km a n a g e m e n to nd i f f e r e n tt y p e so f t e l e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k s ， e q u i p m e n ta n ds e r v i c e sf o re f f e c t i v em a n a g e m e n t f i r s t ， t h e t h e s i s f o rm es t u d yc o m m t m i c a t i o nn e t w o r k s ，t h r o u g ht h e c o m m u n i c a t i o n s p i p e l i n e r e s o u r c em a n a g e m e n ts y s t e mr e s e a r c ha n da n a l y s i s ， c o m b i n e dw i t hg i sd e s i g nc o n c e p t sp r o p o s e dg i sm o d e lo fc o m m u n i c a t i o np i p e l i n e r e s o u r c e s c o m p l e t ed e s c r i p t i o no f t h em o d e ll i n e so f c o m m u n i c a t i o nr e s o u r c es y s t e m ， w h i l ea c h i e v i n gt h ee q u i p m e n tr e s o u r c e st ot h eg i sl a y e r sa n db u s i n e s sn e t w o r kt o t h e g i sm a po ft h ed o u b l em a p p i n g ，g i sa n dm i sm o d e lw i l le f f e c t i v e l yc o m b i n e t o g e t h e rt oo p t i m i z et h es y s t e md e s i g n s e c o n d ， r e l y i n go nt h eo p t i c a lf i b e rl i n em o n i t o r i n gs y s t e m ， c a b l en e t w o r k m a n a g e m e n tb a s e do np r a c t i c a lp r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h ec o m m u n i c a t i o np i p e l i n e r e s o u r c e sg i sm o d e l sb a s e do ng i sp l a t f o r mo nt h ec a b l en e t w o r kn e e d sa n a l y s i sa n d a s u m m a r yo ft h ed e s i g n s e l e c tt h eo p e ns o u r c eu d i g ， g e o s e r v e ra sg i sp l a t f o r m ， u s i n go p e n l a y e r k i td e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ff i b e r - o p t i cn e t w o r kg i sp l a t f o r m t h ec o m m u n i c a t i o nl i n e so ft h eg i sa n di n t e g r a t e dr e s o u r c em a n a g e m e n t ， p r o p o s e dg i sm o d e lo ft h ec o m m u n i c a t i o np i p e l i n er e s o u r c e s ， i m p r o v e dm a n a g e m e n t o fg i sr e s o u r c e si nt h ec o m m u n i c a t i o np i p e l i n ee n g i n e e r i n gd e s i g nm e t h o d s ， b s eo f o p e ns o u r c eg i ss o f t w a r ea n dp l a t f o r m ，d e s i g n e d a n di m p l e m e n t e daf i b e r - o p t i c n e t w o r kg i sp l a t f o r m k e y w o r d s - g i s ；c o m m u n i c a t i o nr e s o u r c em a n a g e m e n t ；g e o s e r v e r ；o p e n l a y e r ； o p t i c a lm o n i t o r i n g c l a s s n o ：t p 3 9 3 0 7 v 目录 中文摘要i i i j 6 l 】3 s t r a c t i v 1绪论1 1 1引言1 1 2应用背景。l 1 2 1g i s 发展概况1 1 2 2g i s 在通信网方面的应用3 l - 3课题意义。4 1 4主要研究内容4 1 5论文组织结构5 1 6本章小结5 2地理信息系统基本概念6 2 1地理信息系统简述6 2 1 1 地理信息系统概念6 2 1 2 地理信息系统的特征6 2 1 3 地理信息系统的研究内容6 2 2地理信息系统数据模型7 2 3地理信息系统数据库内容9 2 4地理信息系统的功能1o 2 5本章小结1 2 3地理信息系统的开发1 3 3 1开源的地理信息平台1 3 3 2g i s 开发方式的介绍1 4 3 3w e b g i s 的系统构建模式1 5 3 4 o p e n g i s 的相关介绍1 6 3 4 1 开放的地理数据互操作规范1 6 3 4 2w f s 和w m s 的定义和主要操作1 6 3 5本章小结1 8 4 通信管线资源g i s 模型的研究1 9 4 1通信网g i s 资源管理的主要内容1 9 4 1 1 通信网概述1 9 4 1 2 通信管线资源网1 9 4 2通信管线资源g i s 模型的设计2 0 4 2 1 通信管线资源g i s 模型2 1 4 2 2 通信管道资源g i s 模型的设备描述2 l 4 2 3 资源模型的业务图描述2 3 4 2 4 资源模型中设备间的逻辑关系2 3 4 3本章小结2 5 5光缆网g i s 平台的需求分析和概要设计2 6 5 1光纤在线监测系统概述2 6 5 2光缆网g i s 平台的需求分析2 6 5 3光缆网g i s 平台的总体设计2 8 5 3 1 系统的体系结构2 8 5 3 2 系统的结构模型3 0 5 3 3 系统设备的主要关系及其描述方式3 1 5 3 4 业务图的描述3 2 5 4光缆网g i s 平台主要功能的设计3 2 5 5本章小结3 9 6光缆网g i s 平台的详细设计与实现4 0 6 1开发环境的搭建4 0 6 2g i s 数据的配置发布4 0 6 3 通信g i s 平台的数据库设计4 1 6 3 1g i s 平台地图数据表4 1 6 3 2g i s 图层的数据库表4 2 6 3 3 逻辑关系的数据库表4 3 6 4光缆网g i s 平台主要模块的详细设计与实现4 5 6 4 1 设备逻辑服务设计4 5 6 4 2g i s 基本功能模块设计与实现4 8 6 4 3 资源管理模块设计与实现。5 0 6 4 4 导航树模块设计。5l 6 5 本章小结5 3 7 总结5 4 参考文献5 5 独创性声明5 7 学位论文数据集5 8 1 绪论 1 1 引言 9 0 年代以来，随着信息技术的迅猛发展，g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m ，地理信息系统) 的应用也越来越广泛。g i s 是一种为了获取、存储、检索、 分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统( 1 9 9 8 年，美国国家 地理信息与分析中心定义) n 1 。它融合了计算机图形和数据库技术，把地理位置和 相关属性有机的结合起来，根据不同用户的需要，可以把基于地理位置的空间信 息及其属性准确、直观的输出，在城市规划、工程勘测和施工领域，借助其独有 的可视化表达能力和空间分析功能，进行更可靠的信息管理以及更直观的辅助决 a 窭 2 】 柬。 近年来，通信行业的发展也取得了飞速的发展，与之伴随而来的，就是日益庞 大的通信网络的通信资源的管理。通信资源作为架构通信网络的基础，是承载各 种信息的载体，包括物理资源和逻辑资源。管线网、电缆网、光缆网机房等通信 基础设施作为物理资源，是通信网络建设的基础。在通信基础设施上，建立了传 输网、交换网、数据网、智能网、d c n 网等专业通信网络口1 。通过对网络的调度和 配置，形成了通道、电路、号码等逻辑资源，逻辑资源之间又形成复杂的多层次 拓扑结构。所有的这些资源，都有特定的地理位置信息h 1 。如果利用g i s 技术进行 通信资源的管理以及建模分析，必将起到事半功倍的效果。 1 2 应用背景 1 2 1g i s 发展概况 g i s 从上世纪6 0 年代开始，最初的研究目的是为解决地理问题，发展至今已 经成为一门涉及测绘学科、环境科学、计算机技术等多学科的交叉学科。 g i s 在国际上的发展可以分为四个阶段，分别是6 0 年代的开拓期，7 0 年代的 巩固期，8 0 年代的发展期，9 0 年代的全面应用阶段。 6 0 年代的g i s 主要有加拿大的c g i s ，也是世界上第一套g i s ，美国哈佛的 s y m a p ，美国人口调查局建立的d i m e ，加拿大统计局的g r d s r 。这时候的g i s 系统 主要是关于空间数据的地学处理，大多地理信息系统工作限于政府及大学的范畴， 国际交往甚少。 进入7 0 年代以后，一些经济发达国家先后建立了许多专业性的g i s ，在自然 管理和规划方面发挥了重大作用。从1 9 7 0 年到1 9 7 6 年，美国国家地质调查局就 建成了5 0 多个信息系统。其他国家如加拿大、德国、瑞典和日本等也相继发展了 自己的g i s 。地理信息系统在继承6 0 年代技术基础之上，充分利用了新的计算机 技术，但系统的数据分析能力仍然很弱；在地理信息系统技术方面没有新的突破； 系统的应用与开发多限于某个机构畸1 。 8 0 年代后期兴起的计算机网络技术使地理信息的传输时效得到了极大地提 高，它的应用从基础信息管理与规划转向了更复杂的实际应用，成为了辅助决策 的工具，并促成了地理信息产业的形成。各种商业性的咨询公司，软件制造商大 量涌现，开始提供系列化专业性的服务。这个时期地理信息系统发展最显著的特 点是产品商业化，实用的g i s 系统进入了市场。 进入9 0 年代，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及， g i s 深入到了各行各业乃至千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺 少的工具和助手。这一时期，g i s 软件在以下几个方面取得了很大的进展： 开放g i s 的研究，主要是制定g i s 互操作与数据共享标准。 关系数据库和g i s 的结合，利用r d b m s 存储g i s 数据。 g i s 构件的开发，g i s 系统正迅速走向构件化。 互联网，尤其是万维网已经成为g i s 新的操作平台。 我国g i s 的发展较晚，至今为止经历了四个阶段，即起步( 1 9 7 0 1 9 8 0 ) 、准备 ( 1 9 8 0 1 9 8 5 ) 、发展( 1 9 8 5 - 1 9 9 5 ) 、产业化( 1 9 9 6 以后) 阶段。g i s 已在许多部门和 领域得到应用，并引起了政府部门的高度重视。 从应用方面看，地理信息系统已在资源开发、环境保护、城市规划建设、土地 管理、交通、能源、通讯、地图测绘、林业、房地产开发、自然灾害的监测与评 估、金融、保险、石油与天然气、军事、犯罪分析、运输与导航、1 1 0 报警系统、 公共汽车调度等方面得到了具体应用。我国地理信息系统方面的工作自8 0 年代初 2 开始。以1 9 8 0 年中国科学院遥感应用研究所成立全国第一个地理信息系统研究室 为标志，在几年的起步发展阶段中，我国地理信息系统在理论探索、硬件配制、 软件研制、规范制订、区域试验研究、局部系统建立、初步应用试验和技术队伍 培养等方面都取得了进步，积累了经验，为在全国范围内展开地理信息系统的研 究和应用奠定了基础嘲。 自9 0 年代起，地理信息系统步入快速发展阶段。执行地理信息系统和遥感联 合科技攻关计划，强调地理信息系统的实用化、集成化和工程化，力图使地理信 息系统从初步发展时期的研究实验、局部实用走向实用化和生产化，为国民经济 重大问题提供分析和决策依据。地理信息系统的存在与发展已历经3 0 余年。用户 的需要、技术的进步、应用方法论的提高，以及有关组织机构的建立等因素，深 深地影响着地理信息系统的发展。 随着信息社会的到来，整个社会进入了信息大爆炸的时代。面对海量信息，人 们对于信息的要求发生了巨大变化，对信息的广泛性、精确性、快速性及综合性 要求越来越高。随着计算机技术的出现及其快速发展，对空问位置信息和其它属 性类信息进行统一管理的地理信息系统也随之快速发展起来，在此基础上进行空 间信息挖掘和知识发现是当前亟待解决的问题，也是g i s 研究的热点和难点之一， 地理信息系统的空间分析作用也因此越来越凸显其重要性。 1 2 2g i s 在通信网方面的应用 目前，6 i s 在通信领域中的应用可分为两个方面：一是g i s 和通信技术集成， 可以在通信领域提供空间数据服务；另一方面，6 i s 与已有的应用于通信资源的管 理信息系统( m i s ) 集成，于网络管理、网络规划以及运营决策的辅助手段方面， 在通信领域中有很广泛的应用口3 。 将g i s 应用与通信资源的管理，可以充分利用通信资源的空间位置信息，将庞 大的数据信息转化为直观的图形信息进行管理。 m i s 是系统理论、信息理论、管理学、计算机、通信、网络与数据库等多种理 论和技术相融合的产物。它主要用于处理与文字和数据相关信息，注重数据的输 入、处理与输出工作。m i s 的信息表现形式较单一，缺乏直观性和决策可视化。6 i s 相对于m i s 拥有丰富的空间数据分析功能，通过对空间数据或属性数据进行分析 3 处理，将数据库表中的特定值赋给地图对象符号或图案使图形与数据有机结合， 可创建专业信息与实际地理位置信息专题图。 g i s 系统可将通信系统资源信息准确标定在专题图上，提供图形化操作平台和 信息服务系统，将原本不可见的通信传输资源数据实现可视化管理，进一步提高 管理效率，实现了通信网络资源管理规范化、系统化、可视化、智能化嘲。 g i s 借助图形、图像等可视化手段处理与管理数据，用生动图形信息取代生硬 文字说明，使大量数据以图形方式进行人机交互成为可能，为系统可视化开发提 供捷径。由此，g i s 和m i s 技术相融合是解决通信行业的资源管理问题的有力途径。 另外，基于地理位置及其属性数据的空间分析，能够在巨大的性能数据中，剥 离出有用的信息并进行准确直观的分析，空间分析方式可以成为网络规划、运营 决策的绝佳辅助手段。 1 3 课题意义 今天，随着通信事业的高速发展，通信网络覆盖范围迅速扩大，业务种类日益 丰富，通信网络及其相关的资源变得越来越复杂。通信资源的种类繁多、分布广 泛、涉及多专业、多部门，这给各个业务部门的资源共享造成了很大的障碍。而 g i s 利用计算机图形和数据库技术，把通信资源的地理位置和相关属性有机的结合 起来，可以庞大的通信资源的空间信息及其属性，进行合理准确的整合后，非常 直观的输出以进行配置管理。所以，采用g i s 技术可以使得用户对已有资源的空 间分布规律进行更直观全面的了解，使得通信网络的规划、建设和管理更加科学、 合理和高效。 因此，对通信g i s 系统的研究有着非常重要的意义。 1 4 主要研究内容 本论文的主要的研究对象是通信网，主要的研究内容是对通信网的管线资源进 行g i s 建模，并在通信网的光缆网层面利用开源的g i s 平台实现模型的一个原型。 在本论文中，进行了开源g i s 平台的选型工作，着重分析和研究了通信管线资源 的分层和各设备的类型，建立了通信管线资源g i s 模型，最后依托光纤在线监测 4 系统，利用w e b g i s 的开发模式，设计并实现了光缆网g i s 平台。 1 5 论文组织结构 本论文的组织结构如下： 第一章回顾了g i s 发展的主要概况，介绍了g i s 在通信网络资源管理方面的应 用，在此基础之上提出了本论文的主要研究内容以及课题的意义。 第二章介绍了地理信息系统的基本概念、主要特征以及研究内容，从系统数据、 空间数据模型、属性数据模型三方面阐述了地理信息系统的数据模型，概要介绍 了地理信息系统的数据库内容，最后从五个方面简要介绍了地理信息系统的主要 功能。 第三章系统的内容主要有开源g i s 平台的选型，介绍g i s 的三种主要开发方式， 最后简要概述了开放的g i s 规范。通过对比主流的开源g i s 桌面软件和g i s 服务 器，确定了利用u d i g 和g e o s e r v e r 来编辑和发布g i s 数据，并利用o p e n l a y e r 工 具包来进行前台的开发。三种主要的开发中主要介绍了我们采用的第二种，也就 是w e b g i s 的开发方式，并概要介绍了w e b g i s 的系统构建模式。最后的o p e n g i s 的相关介绍着重介绍了w f s 和w m s 的基础知识。 第四章介绍了通信网g i s 资源管理的概念，着重介绍了通信管线资源网的内 容。在对通信管线资源仔细分析和研究的基础上，提出了通信管线资源g i s 模型， 并从模型的设备描述、业务图描述和设备间的逻辑关系三个方面详细的阐述了通 信管线资源g i s 模型的概念。 第五、六章是光缆网g i s 平台的需求分析以及设计实现。 最后是对本论文的不足和可改进的地方做了简要的总结。 1 6 本章小结 本章在介绍了g i s 开发的应用背景知识的基础上，总结了g i s 开发的课题意义， 并介绍了本论文的主要研究内容以及论文的组织结构。 2 地理信息系统基本概念 2 1 地理信息系统简述 2 1 1 地理信息系统概念 地理信息系统( g i s ) 是一种决策支持系统，它具有信息系统的各种特点。它 是一种采集、储存、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和 处理海量地理数据的通用技术。地理信息系统主要由五部分组成，即计算机硬件 系统、计算机软件系统、地理空间数据、人员和方法。其核心是软硬件系统，空 间数据反映g i s 的研究内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表 达方式，方法是系统应用成败的至关重要的因烈9 1 。地理信息系统除了具备一般数 据库管理系统的数据输入、存储、查询和显示输出等基本功能外，还能够进行空 间查询和空间分析。 2 1 2 地理信息系统的特征 地理信息系统具有以下三个方面的特征： 第一，具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态 性： 第二，由计算机系统支持进行空间地理数据管理，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： 第三，计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信息系统 能以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。 2 1 3 地理信息系统的研究内容 地理信息系统研究的内容主要有以下三个方面，见图2 - 1 所示，这三个方面也 可以看作是三个研究层次。 6 地理信息系统 概念、定义、内涵 理论体系的构成、特点、功能、任务 发展历史和发展方向 硬件配置 数据结构 地理信息系统工具 输入输出系统 空间数据管理 用户界面等 应用系统设计 专题分析模型 数据采集与校验 专家系统 图2 - 1 地理信息系统的内容体系 2 2 地理信息系统数据模型 1 ) 系统数据 在地理信息系统中，现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象，这些地 理特征至少由空间位置参考信息和非位置信息两个组成部分。地理信息系统的基 本思想是将地球表层信息按其特性的不同进行分层，每个图层存储特征相同或相 似的事物对象集，如道路、建筑物等构成不同的图层，然后分层管理和存储。不 同的事物对象集根据需要抽象成点、线、多边形、混合线以及混合多边形等g i s 基础数据。每个图层都有一个唯一的数据库表与其相对应，其中存储的除了地理 位置信息以外，还有每个地理要素对应的其他相关信息，这个数据库表称为属性 数据库，库中内容称为属性数据n 0 1 。 由此可见，g i s 中空间数据主要包括，空间数据( 几何数据) 和属性数据，另 外还有时态数据，用来表示实体随时间而发生的变化。 2 ) 空间数据模型 空间数据由点线面组成，是构成地图的基本数据。点代表任何在地理位置上可 以用) ( y 定位的信息，比如：变电站、杆塔、通信站。线代表任何具有长度的信息， 比如光缆、管道井。面或多边形代表任何具有边界的信息，无论这些边界是自然 形成还是行政划定n 1 3 。 点、线、面组成了基本数据，同一类型的基本元素构成一个图层，多个图层构 7 成了一幅地图，g i s 的空间数据模型如图2 - 2 所示： 图2 - 26 i s 的空间数据模型 空间数据通常有矢量数据和栅格数据两种形式n 羽。 栅格结构是最简单最直观的空间数据结构，又称为网格结构或像元结构，它将 地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个像元或像素， 由行、列号定义，并包含一个代码，表示该像素的属性类型和量值，或仅仅包含 指向其属性数据的指针。栅格数据广泛地用于遥感像片、数字摄影图像以及各种 网格化的数据形式。 矢量数据结构是另一种最常见的图形数据结构，它是通过记录坐标的方式精确 地表示点、线、面等地理实体的空间位置和形状。该数据结构通常用于描述线状 分布的地理要素，如河流、道路和等值线等等。任何的点、线和面实体都可以用 直角坐标点x ，y 来表示，这里的x ，y 可以对应于地面坐标经度和纬度，也可以 对应于数字化时所建立的平面坐标x 和y 。点可以表示成一组坐标( x ，y ) ，线和面 则可以表示为多组( x 1 ，y l ；x 2 ，y 2 ；x n ，y n ) ，由于表示面的多边形由首尾相 连的线所组成，所以起止点的坐标相同。矢量数据较栅格数据具有空间关系描述 全面，对线状或网络状事务分析方便，空间属性综合查询方便等诸多优点，在城 市分区规划和详细规划、土地管理等公用事业的管理中有着广泛的应用n 3 1 。 以往使用的g i s 或基于矢量，或基于栅格。g i s 的发展使矢量和栅格可以集成 于一个窗口环境下，一般是将栅格作为背景，矢量数据用于查询和分析 3 ) 属性数据模型 地理信息系统的重要特征之一，就是把图形数据与属性数据综合到一个单一的 系统中，这使得空间数据与非空间数据之间交互的复杂分析与建模成为可能。作 为地理数据组成部分的属性数据，区别于一般的商业化数据的一个重要特征是它 具有位置标识或定位坐标，每一个属性数据总是与某一个或一组地理实体相对应 的n 钔。目前，在地理信息系统中对属性数据的处理普遍采用关系数据库系统。 关系模型严格按照符合现代数据模型的定义，数据结构简单清晰，存取路径完 全对用户隐蔽。关系模型的最大特色是描述的一致性和独立性，实体之间的联系 不是用指针表示，而是由数据本身通过公共值( 关键字) 隐含地表达它们之间的联 系，采用关系代数和关系运算来描述和处理数据，具有严格的数据基础，是当前 数据库中最常用的数据模型。 2 3 地理信息系统数据库内容 目前，大部分g i s 中的属性数据采用关系数据模型。在g i s 应用中，关系数据 库有两个明显的优点：首先，数据库中每个表可以独立制备、维护和编辑；其次， 关系表能保持独立，直到查询或分析时要求不同表中的属性数据连接在一起。因 为连接表的需求通常是暂时的，因此关系数据库能胜任数据管理和数据处理。关 系型数据库模型是g i s 和管理信息系统中的标准模型n 5 1 。随着g i s 逐渐变成一个 组织机构越来越大的信息系统中的一部分，一个g i s 项目所需的属性数据可能来 自整个组织的数据库。如果说空间数据将g i s 与其他信息系统区分开来，那么属 性数据就使得g i s 与其他信息系统相联系。 g i s 数据库中具有如下基本内容： 1 具有地理位置的空间实体，它是g i s 系统中属性数据描述的对象。g i s 把地 理实体抽象地用点、线、面三个基本特征形态来表示。点可以是大学、通信局、 政府机关等，线可以是道路、河流、线缆等，面可以是地块、行政区域等等。 2 实体的属性数据。如土地的用途、价格，光缆的配线情况、生产年代、使用 年限等等。 3 空间实体之间的拓扑关系。我们不仅能得出空间实体的空间坐标、长度、面 9 积、高度和体积等描述地物空间尺度的数量特征，而且还能得到地物之间的空间 联系。图形数据的拓扑结构用来描述空间实体的空间联系，是地理空间数据处理 的依据。 2 4 地理信息系统的功能 一个g i s 软件系统应具备五项基本功能，即数据采集和监测输入、数据编辑和 处理、数据存贮与管理、空间查询与分析、图形与交互显示。具体内容及关系如 图2 3 所示。 图2 3g i s 功能概述和表现 1 ) 数据采集和监测输入 数据采集和监测输入是建立地理数据库必须的过程。数据输入功能可将地图数 据、统计数据等输入，并转换成计算机可处理的数字形式。对多种形式、多种来 源的信息，可实现多种方式的数据输入，如栅格数据输入、属性数据输入等。目 前可用于地理信息系统数据采集的方法与技术很多，有些仅用于地理信息系统， 1 0 如手扶跟踪数字化仪：目前，自动化扫描输入与遥感数据集成最为人们所关注。扫 描技术的应用与改进，实现扫描数据的自动化编辑与处理仍是地理信息系统数据 获取研究的主要技术关键n 6 1 。 2 ) 数据编辑和处理 数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。属性编辑主要与数据库管理结合在一 起完成，图形编辑主要包括拓扑关系建立、图形编辑、图幅拼接、误差校正等功 能。初步的数据处理主要包括数据格式化、转换、概括。数据的格式化是指不同 数据结构的数据间变换，是一种耗时、易错、需要大量计算量的工作，应尽可能 避免：数据转换包括数据格式转化、数据比例尺的变化等。在数据格式的转换方式 上，矢量到栅格的转换要比其逆运算快速、简单。数据比例尺的变换涉及到数据 比例尺缩放、平移、旋转等方面，其中最为重要的是投影变换：制图综合 ( g n e e r a l i z a t o i n ) 包括数据平滑、特征集结等n 7 1 。目前地理信息系统所提供的数 据概括功能极弱，与地图综合的要求还有很大差距，需要进一步发展。 3 ) 数据存贮与管理 g i s 主要提供空间与非空间数据的存储、查询检索、修改和更新的能力。矢量 数据结构、栅格数据结构、矢栅一体化数据结构是存储g i s 的主要数据结构。数 据结构的选择在相当程度上决定了系统所能执行的性能。 数据结构确定后，在空间数据的存储与管理中，关键是确定应用系统空间与属 性数据库的结构以及空间与属性数据的连接。目前广泛使用的g i s 软件大多数采 用空间分区、专题分层的数据组织方法，用g i s 管理空间数据，用关系数据库管 理属性数据。 4 1 空间查询与分析 空间查询是地理信息系统以及许多其它自动化地理数据处理系统应具备的最 基本的分析功能：而空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其 它计算机系统的根本区别，地理信息系统的空间分析可分为三个层次的内容：空间 检索，包括从空间位置检索空间物体及其属性、从属性条件检索空间物体：空间拓 扑叠加分析，实现空间特征的相交、相减、合并等，以及特征属性在空间上的连 接：空间模型分析，如b u f f e r 分析、网络分析、三维模型分析等以及面向专业应 用的各种特殊模型分析等。 5 ) 图形与交互显示 地理信息系统为用户提供了许多用于地理数据表现的工具，其形式既可以是计 算机屏幕显示，也可以是诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件，尤其要强调的是 地理信息系统的地图输出功能。一个好的地理信息系统应能提供一种良好的、交 互式的制图环境，以供地理信息系统的使用者能够设计和制作出高质量的地图。 除上述五大功能外，还有用户接口模块，用于接收用户的指令、程序或数据， 是用户和系统交互的工具。由于地理信息系统功能复杂，且用户又往往为非计算 机专业人员，因此，用户界面是地理信息系统应用的重要组成部分。 2 5 本章小结 本章主要从地理信息系统概述、数据模型、数据库内容和主要功能五个方面介 绍了地理信息系统的基本概念。系统简述主要介绍了g i s 的定义、特征和研究内 容；数据模型首先介绍了地理信息系统系统中的主要的数据分类，然后分别从空 间数据模型和属性数据模型两个方面介绍了地理信息系统数据模型；数据库内容 从关系型数据的描述方式触发，阐述了如何在数据库中构建g i s 数据的空间实体、 属性信息以及空间实体间的拓扑关系；最后从地理信息系统的五个主要的功能入 手，详细介绍了一般在地理信息系统上实现的功能和应用。 1 2 3 地理信息系统的开发 3 1 开源的地理信息平台 开源软件多种多样，其有着来源广、费用低、扩展性强的特点，而且，开源 g i s 软件基本都能遵守o p e n g i s 规范，可定制性强，可以采取更为灵活的方式进行 二次功能开发。因项目所用的操作系统平台和开发语言不同，有不同的开源软件 可用。以下分别从开源桌面g i s 平台和开源g i s 服务器两个角度进行介绍和分析。 开源的桌面软件主要有g r a s s 、q g i s 和u d i g 。g r a s s 是一个地理信息系统用于 地理空间数据管理和分析，图象处理，图形地图制作，空间建模与可视化，支 持p o s t g i s 、o d b c 、m y s q l 、o r a c l e 数据库，几乎包含了所有的主流g i s 数据库， g r a s s 基于c + + 语言开发，本是美国军方开发的g i s ，开源后一直受到许多政府机 构、美国的大学和环境咨询公司的青睐n 引。q g i s 是基于c 语言开发的地理信息系 统，可运行在l i n u x ， u n i x ，m a co s x ，和w i n d o w s 平台之上，非常好的支持了 1 j | m s 。其强大的分析功能和g r a s s 不分上下，而且界面友好，与g r a s s 很多功能需 要手动输入命令相比，对使用者提供了很大的方便，但是q g i s 只能支持p o s t g i s 数据，比g r a s s 稍逊一筹。u d i g 是基于e c l i p s er c p 的开源项目，它既是一个 g