（计算机应用技术专业论文）基于组件式gis的覆盖预测系统.pdf

摘要 摘要 睫着移动逶售鼹发髅，穗应喇终艇划也越采越复杂，健攒模型的模拟靼诗算 分析，难覆越来越大，传统的嬲络烧戴方法丽灞过长，无法适应发震。 本文从电信事业的当前发展形势出发，对几个覆盖预测模型进行了比较，提 出了基于组l 牛式g i s 的覆盖预测系统。融合了g i s 和覆盖预测技术，并将其运用 潮移葫逶绉系统溺络蕊燃较 孛戆莰诗串。程蘑c o m 技寒，荛胃敬重复袋溺兹软 孛 功能模块封装起来，为以后的应用开发打下坚实基础。 基于组件式g i s 的耩滚预测系统主要是使用了移动通信网络无线信号场强预 溅的算法及爆子实际霹终饯纯的应耀软馋。它羧变了传统纸上揍韭模式，糍够有 效完藏了褥统手工操稼方式无法实魏的传播摸黧模拟计算与分析，确保了网络设 计的精确性和完整性，从而降低了劳幼强度，保诞了设计质墩，缩短了工作周期， 井节省了建设资金，极大地提高了网络规划和优化设计的技术水平和工作效率， 嚣懿鬟毒惑姆静工程蠹耀徐篷。 本文的系统的需求分析部分给出了当前电信的详细应用需求分析：成用技术 研究讨论了组件式g i s 技术、覆盖预测算法分析以及电磁波传播模型；软件系统 设诗和实现郝努，对各个子系统都绘懑竣计模羹，强度计算模块郝分绘爨了主要 溺数的伪码 对算法进行了调整和优化，极大地提高了算法的计算速度，满足了 工程应用上的要求。 美键字：缝 孛式g i s ：赣蓑颈沃；蠲络褒翻；c o m 兰塑堡苫盔兰堡主芏堡堡苎 a b s t r a c t a c c o r d i n g t ot h e d 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 nn e t w o r k ， c o r r e s p o n s i v e l yt h en e t w o r kp l a n n i n gb e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l e x i t y , p r o p a g a t i o nm o d e la n da n a l y s i sb e c o m em o r ea n dm o r ed i f f i c u l t y t h e t r a d i t i o nn e t w o r kp l a nm e t h o dc y c l ew a st o ol o n gt o a d a p tt o t h e d e v e l o p m e n t t h i sp a p e rm a k ec o m p a r i s o nb e t w e e ns e v e r a l c o v e r a g ep r e d i c t i o n m o d e l s ，a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n td e v e l o p m e n ts i t u a t i o n ，a c c o m p l i s ht h e c o v e r a g ep r e d i c t i o ns y s t e mb a s eo nt h ec o m g i s 。i n t e g r a t eg i sa n d c o v e r a g e p r e d i c t i o nt e c h n o l o g y ， a n du s ei nt h e d e s i g n o f t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k p l a n n i n g s o f t w a r e w es e a lt h er e u s a b l e f u n c t i o n a lm o d u l ec a p i t a l i z eo nt h ec o m t e c h n o l o g y ，i te s t a b l i s hb a s i so f t h el a t e ra p p l i c a t i o n t h ec o v e r a g ep r e d i c t i o ns y s t e mb a s eo nt h ec o m g i si saa p p l i c a t i o n s o f t w a r em a i n l yu s e sf o rn e t w o r kp l a n n i n go p t i m i z a t i o n i tc h a n g et h e t r a d i t i o n a lp a p e r w o r k ，c a na c c o m p l i s ht h ea l g o r i t h ma n da n a l y s i so f p r o p a g a t i o nm o d e lt h a tt r a d i t i o n a lh a n d i w o r kc a nn o tr e a l i z a t i o n ，e n s u r e t h e a c c u r a t e l ya n dc o m p l e t e n e s so ft h e n e t w o r kp l a n n i n g ，d e b a s et h e l a b o r i n gs t r e n g t h ，a s s u r et h ed e s i g nq u a n t i t y ，s h o r t e nt h ew o r kp e r i o d ， s a v et h em o n e i n c r e a s et h et e c h n o l o g yl e v e la n dw o r k i n ge f f i c i e n c y o f t h en e t w o r kp l a n n i n ga n do p t i m i z a t i o nd e s i g ng r e a t l y ，s oi th a sag o o d v a l u ei ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h er e q u i r e m e n ta n a l y s i so ft h es y s t e ms p r e a do u tt h e d e t a i l a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n ta n a l y s i s o ft h ec u r r e n ts i t u a t i o no f t e l e c o m m u n i c a t i o n ；t h ea p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yp a r td i s c u s st h ec o m g i s t e c h n o l o g y , c o v e r a g ep r e d i c t i o na l g o r i t h ma n a l y s i sa n de l e c t r o m a g n e t i c w a v eb r o a d c a s tm o d e l ；t h es o f t w a r es y s t e md e s i g na n da c c o m p l i s h m e n t p a r t ，g i v et h ed e s i g nm o d e lo fa l lt h es u b s y s t e m s ，f i e l di n t e n s i t yc o m p u t e m o d e lg i v et h ec o d eo ft h ec h i e ff u n c t i o n ；a d j u s ta n do p t i m i z a t i o nt h e a l g o r i t h m ，e l e v a t et h ec o m p u t es p e e do ft h ea l g o r i t h mh u g e l yt of i tt h e r e q u i r eo ft h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：c o m g i s ；c o v e r a g ep r e d i c t i o n ；n e t w o r kp l a n n i n g ；c o m 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郊重声嘲：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 乡 ，本论文不毽含任何其谴个人或集然已经发表藏撰写豹成果作 品。对本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。本人究全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：窘i 腋复日期：7 州歹年多月儡日 学位论文版权使用授权书 本学钕论文佟密完全了獬学校有关傈留、使糟学位论文的裁 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，兔许论文被套阅和倦阅。本人授权华南理工大学可以将 本学谴论文的全部藏部分内容编入有关数据津遂行检索，可敬采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年鳃密螽适耀本授权书。 本学位论文属予 不保密口。 ( 请在以上穗藏方框内打“4 ”) 作者签名： 荨舜签名： 拳【约蓑 磷 弧赡 日期：删歹年月z 日 透期：漪年6 届己强 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 目前，国内移动通信市场正在飞速发展，到2 0 0 5 年移动用户数突破3 亿大 关。用户大量的增加，移动通信的网络必然会变得越来越复杂。由于基站的地理 位置、频率分配和功率设置等一些客观和人为因素而产生的覆盖以及干扰等问题 必然会变得越来越突出。基于运营商之间竞争的需要和移动数据业务广阔的发展 前景，3 g 移动通信系统在我国的部署将很快进入实质性阶段。随着3 g 标准的不 断发展、完善及3 g 设备不断成熟，如何经济合理地建设3 g 网络已成为急需解决 的问题。迫切需要一套移动通信网络规划系统来分析现有的移动网络系统所存在 的一些问题并给出一些改进的方案、对所需扩容网络系统给出相应的扩容和优化 方案，对新建的网络系统给出相应的建设方案。 在移动通信系统的建设和优化过程中，网络规划和优化是移动通信系统设计 中很重要的环节。主要的问题在于针对包括基站选址、小区半径、天线高度、天 线类型、下倾角度、频率分配、功率设置、软硬切换区域、系统容量、场强覆盖、 同频干扰、邻频干扰、链路预算等提出全面、完整的解决方案，对各种参数进行 最优化的设计。 移动通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。发射机与接收机之间的 传播路径非常复杂，从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的她物，如建筑物、山 脉和树叶等。传播模型历来是移动无线系统设计中的难点，这一问题的解决一般 利用统计方法，并且根据对特定频带上的通信系统的测量值来进行。 传播模型的准确与否将会影响到对b e s ts e r v e r ，服务区计算，相邻小区分析， 干扰表生成，发生的干扰阵列等方面计算的准确与否。 因此一个全面的、具有多种技术以及用户友好界面的网络规划和优化软件， 在移动运营商的无线网络规划及设计过程中起着举足轻重的作用。该软件不仅要 具有强大的工程建设能力，而且应是一个开放的、可升级的和灵活的技术信息系 统，可以非常容易地和其它i t 系统相集成，提高生产力和缩短交付等待时间。 无线网络的规划方法发展趋势来看，随着技术的日益复杂，规划方案日益依 赖于通过软件工具进行数据挖掘、分析和仿真，而不能象搭积木一样简单构造一 个无线网络，开发相关的软件产品作为规划设计的支撑是工程实践的需要。 1 2 研究目的与意义 覆盖预测是网络规划与优化过程中难度最大的部分。随着移动通信业务量和 华南疆工文学碛圭学位论文 嬲络需求懿不凝增长，传统静麓方法不蕤糍效圭| 亟控制覆羞器降低予撬熬影稳。 但网络容量的不断扩大又必须依靠有效的覆麓控制来保证网络质量，因此有效地 研究频率覆盖预测算法，实现覆菔控捌，对充分利蹋频率资源和提高潮络的质量 均有着麓要的意义。 由于3 g 网络的全面建设即将启动，将3 g 网络规划领域的方法、经验软件化， 鸯髓子撼惠嫂划王终熬痿羹羁效率。 采用g i s 技术的移动通信网络规划和优化表现出极大的优势，改变了传统纸 上作焦模式，巍够有效完成了健绕手工搡彳车方式无法实现静传播模型摸板讨舞与 分析，确保了网络设计的精确性和完整性，从而降低了劳动强度，保诞了设计质 量，缩短了工作周期，并节省了建设资众，极大地提高了嗣络赫划和优化设计的 技术水平_ 葶b 工作效率，因_ i 蛙：具有良好的王程废用侩馕。 2 第二章系统需求分析 第二章系统需求分析 2 1 电信应用需求分析 电信作为国家的支柱产业，在近几年来得到了迅猛蓬勃的发展。高科技信息 技术的注入为电信提供了发展的基础和保障，它渗入到电信系统的各个部门、各 个环节，包括运维部门、人事管理部门、市场部门、规划部门等，为电信企业的 正常运行和高效管理服务。 在电信业务飞速发展的同时，各个部门对信息技术的需求也在迅速膨胀，由于受 当时i t 技术的限制，构建系统时没有采取统筹规划、统一设计的原则，造成了 运营、维护、人事、财务等各个部门的重复投资、重复建设。一方面是资金、设 备以及人员的浪费；另一方面造成各个部门之间数据的重复建设不仅造成数据无 法共享，还容易造成数据的二义性和不准确性。 i t 技术经过这些年的发展，对于现代i t 文明的各个组成部分，如：网络、 计算机、操作系统、数据库、人机交互、软件工程以及程序设计语言和方法等， 都有着巨大进步和发展，信息系统也已经逐步由以前的部门级信息系统的应用发 展成企业级的信息系统，并随着i n t e r n e t 的日益普及和大众化，更向着社会级 信息系统发展，即信息系统需要为全局、全社会服务，而不是单一的为某一个部 门服务，以达到资源共享，从而减少重复投资，提高数据的可用性以及系统的可 靠性。 g i s 技术作为信息系统的重要组成部分，在电信行业的应用由来已久，随着 电信企业对信息技术新的要求的出现，对g i s 的应用也提出了新的要求，比如： 海量数据的存储、系统的可伸缩性、系统的开放性、多用户的并发访问、i n t e r n e t 解决方案等。g i s 应该在日新月异的i t 技术中采取积极借鉴、充分融合的方式 以满足用户对这一应用新的要求 2 。2 系统技术需求分析 对移动通信网中无线信号场强预测的研究，在国内外都一直在进行着，发展 的趋势从奥村模型等适用于大区制的经典经验模型( c l a s s c a le m p i r i c a lm o d e l ) 到目前适用于微蜂窝移动通信网而流行的射线跟踪法( r a y t r a c i n g ) 等等，均 在不断地创新。例如，从预测算法看，在预测算法研究的初期，基于实测统计的 预测模型( s p m ：s t a t i s t i c a lp r e d i c t i o nm o d e l ) 是占主导地位的，但发展到 后期( 目前) ，依赖于三维或准三维数字化地图的精确预测模型 3 华南理工大学硕士学位论文 ( d p m ：d e t e r m in i s t i cp r e d i c a t i o nm o d e l ) 已被成为广泛研究的重点。其中： ( 1 ) s p m 方法 是一种利用s p m 进行计算机场强预测的方法，通常可分为以下三类： a 纯经验模型预测法 先建立地形地物数据库，然后利用各种已有的电波传播预测模型( 例如奥村 模型) 估算各条件传播路径上的场强，进而画出中值场强等值线的分布图。 此种方法由于是用模型预测值来代表真实场强数值的，因此技术简单，容易实现， 但精度不会很高。 b 实测模型预测法 需要建立部分传播路径实测场强的数据库和全部传播路径地形地物的数据 库，并在传播理论的指导下将两者结合起来，针对特定城市传播环境的预测模型， 来计算所有路径的场强分布，并画出场强的等值线图。 由于此方法是以建立对某特定城市传播环境完整的预测模型为基础的，因此预测 的精度相对较高，但需要的工作量比较大，实现起来比较困难。 c 修正经验模型的预测法 此种方法是先建立传播路径的地形地物数据库，并利用已知的预测模型对若 干典型路径建立初测场强数据库，以及根据实测典型传播路径的场强建立实测场 强数据库等，然后对初测和实测场强的数据进行比较和修正已知的经验预测模型 参数，进而计算出所有路径的场强并画出等值线分布图。 因为这类技术是基于实测、初测的场强去修正已知经验预测模型参数的，而 不是从头做起建立整个预测模型，所以工作量适中。由此可以对新模型作进一步 的预测及利用实测数据对经验预测模型参数进行修正，进而达到可接受的精度。 ( 2 ) d p m 方法 在利用d p m 进行计算机场强预测的过程中，所采用的射线跟踪法与一致衍射 理论( u t d ：t h eu n i f o r mt h e r o yo fd i f f r a c t i o n ) 相结合的场强预测技术，在 覆盖小于i k m 的微蜂窝移动通信网中得到了广泛的应用，因而受到了格外的关 注。特别是在如此小的( 市区) 微蜂窝覆盖区内，建筑群又通常分布不均匀，高 矮、结构均有不同，而射线跟踪法却能找出电波传播的主要路径。因此在小区建 筑物模型精确完备和算法简化程度得到有效控制的情况下，是能获得比s p m 更高 的预测精度的。 然而，射线跟踪法与一致衍射理论相结合的场强预测技术，不能避免d p m 具有缺 点，即计算量巨大。特别是随着预测区内物体数目的增加，计算的复杂度会以指 数级的数量增长。尽管有许多对射线跟踪法进行优化和简化的技术被提出来( 如： 可见物体列表生成法，菲涅耳区限制，建筑物结构简化原则，建筑群的层次式盒 式结构表示法和八叉树结构表示法等) ，但计算耗时这一缺点还是大大限制了射 4 第二章系统需求分析 线跟踪法在工程中的应用。特别是在移动通信工程中常常需要对大量的小区进行 覆盖预测，如预测耗时过多，就会使预测变得不那么实用。 综上所述，经典的s p m 精度有限，而且已经不太适用于小区制移动通信网采 用( 至少在模型得到改进以前如此) ，而d p m 虽然可以有较高的精度，但成本却 比较高，计算速度也比较慢，还需要三维数字地图的辅助，这是很困难的，特别 是对于基础设旌比较落后、城市基础数据不够完善的城市，要获得和维护好三维 数字地图，就必需有专业研究单位的帮助，由专业研究单位与移动通信运营商共 同努力，成本会是很高的。 3 2 3 覆盖预测算法设计 在移动通信体系中，接收的信号存在着严重的衰落，由于信号是由中值和瞬 时值联合表征的，场强的瞬时值会随着时间和空间的延续而快速起伏，这对于欲 了解移动通信覆盖区长时间稳定的场强分布情况，是不具备预测意义的，但对于 欲了解城市移动通信覆盖区场强的变化趋势或时空表征量。场强预测即指信号场 强中值的预测。 因为地形地物在一段时间内是基本固定的，尽管它们带来的影响是未知的，但对 于某一个或几个确定的基站和确定的地点，路测得到的场强值完全可以近似地反 映传播路径所经过区域的地形地物影响的积分效应。基于这一思路，移动通信接 收信号的功率可以表示为空间传播损耗、慢衰落和快衰落的叠加等等，就是说要 使场强预测有效，就必须尽快消除快衰落，需要利用随机过程的理论对空间进行 滤波，这是一种简便而有效的消除短期衰落或快衰落的方法。 前面已概述了s p m 和d p m 两种方法，它们的基本原理是，s p m 是通过预设公 式的结构与参数( 结构和参数都是经验的) 来隐式地包含对地形地物影响的考虑 的( 修正的s m p 方法则还要通过理论公式和三维地形地物和建筑物的模型来直接 计算地形地物和建筑物的影响的。因此，前者计算迅捷，成本低，但模型粗糙， 在传播环境差异很大的小区应用时误差较大，而后者则能适应具有不同传播环境 的小区，但成本较高，计算速度也较慢，且不易对电波传播的复杂因素及影响考 虑周全。 很显然，如果采取从路测数据中提取地形地物对电波传播影响的方案，就会 具备s p m 便捷易行、成本低廉和d p m 适用性强的优点，也避免了s p m 和d p m 各自 的缺陷。因此，通过分析，这种方案在原理上是可行的。当然，在实际上，结合 路测设计的来调推算法的参数，能提高算法的灵活性，以适应实际环境的变化。 5 华南理大学硕士学位论文 第三章系统基础技术研究 g t s 髫瓣邑经应建予通信行业缀多领域，冀主要应用方甄膏：据震露场霹链 售、客户管联、网络规划、管理和维护、施工决策、资产管攥、障碍分析、用户 需求预测、配线配号、用户管理、竞争分析、增值服务、场点设计和移动通信管 理。 g i s 在邋信葶亍盈孛豹疲用按照功髓可溢分为三令层次：一是对多潺数据懿可 视化管理，其特点是按照g i s 的空间数据结构来组织通信网络资源数据，构建通 信网络资源的空间数据库和属性数据库；二是建立专业化的g i s 来解决结构化 较强数逶信瓣络管理积媛剡阂题，其特杰是逶过擒建基于g i s 熬逶售网终铃瑾霹 撬划的数学模型，扶而为这些问题麴镑理和规划进行决策；三怒建立专家g i s 全 方位解决通信网络管理和规划问题，熊特点是专家g i s 不仅能够解决管理和规划 中的结构化问题，而且也能勰决复杂的非结构他问题。 3 g i s 在通信行业中的主要应用方面和应用层面分析 简化企渡工作流：g i s 可以通过整合相关的工作组，用户以及现有设镰和流 翟，钛褥改善金鼗豹决策遘程。 客户关系管理：应用g i s 可以猩呼叫中心誊观显示客户的位置、最j 曛的设 施、需求类型和信号质量等信息。 市场与精镂：运震逸理数据销甓久员可墩缮裂最详缨静磐户特征。 网络攥翔；公司通道对现有设镊、分区、客户数据和遣形数据迸幸子地图显 示，对优先权进行定义。 无线应用：e s r i 软传可以将射频应用集成进企业的工作流中。 6 第三章系统基础技术研究 图3 1g i s 技术应用 f i 9 3 1g i st e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n 目前，g i s 在通信行业中应用的多是集中在第一个层次上，对于第二个层次 研究正逐步深入。信息产业部电信规划研究院基于商业g i s 平台对于光纤接入 网的基础数据管理、预测和规划做了大量的探索。 广州市电信科技开发有限公司开发了名为t e l ei n f o 的网络化电信管线资源 地理信息系统。福州捷奥软件有限公司开发了名为t p g i s 的本地网线路管理信息 系统。武汉地质大学和北京长地公司开发了“通信管网及配线系统”。国外的著 名的g i s 公司和电信公司以及一些学术科研机构也都把g i s 在通信领域的应用 作为自己的重要研究方向，例如e s r i 公司、m a pi n f o 公司、i n t e r g r a p h 公司、 r m s i 公司、e r i s s o n 公司、s i m e n s 公司和m o t o r 0 1 a 公司以及许多的电信运营商， 它们开发g i s 平台或应用g i s 平台进二次开发以适应电信行业的应用。 综合国内外情况可以看出，g i s 在通信行业中的应用已经相当广泛，但是其 应用深度还远远不够。目前g i s 在通信行业应用中能提供的功能主要包括两个 7 华南理工大学硕士学位论文 方面：一是遴信网络资源的可视化管理，二是简单躲辅助设计。 获g i s 在通售领域审豹应臻骈袄字毛豹理论器，磊藏还未要是依撬数撵痒 理论、计算机制图理论和一些简单最优化理论以殿几种常用的空间分析模型，如 缓冲区分析、包含分析、邻接分析、擞置分析等。假仅仅这些，对于通信领域中 鹣矮多复杂翘题来 莠是逡遥不够爨。 8 】 3 2 组件式g is 的现状和发展趋势 3 。2 1 传统g i s 蘑姨戆挑战 传统g i s 开发平台均采用专门设计的开发语宙。例如，a r c i n f o 采用a m l ， 加上庞大的函数、命令库，使得普通的开发技术人员难以掌握，延长了应用产品 鸵开发周期。 转统g i s 系统孛酌空黼数据管理鞠数据痒管联系统通常均赢接由g t s 厂商提 供，这也是传统g i s 软件价格昂贵的一个重要原因。这种情况一方面大大掇商了 成用开发与系统建设的成本，另一方颟也限制了用户根据应甩需耍和各种数据库 王兵懿甓劣，逸器裂曩数攥瘁工箕懿缀会。 传统g i s 系统与m i s 系统和多媒体开发工具的衔接都不菠方便，其数据交换 邋过d o e 等间按方式实现，影响了m i s 系统对空间地理信息的利用。 综上所迷，传统g i s 开发工具由予其不灵活的开发方式及舄责的伶穆，在檩 警夫静程度主鞭翻了g i s 波用领域的发展。 3 2 2g i s 组件化的趋势 嚣兹，在软锌开发镶域，一堍耪瓣革会正在毯麓兴起，这惹塞嚣趋成熟瓣缝 串技术弓| 发的。几年以前，当微软公司首先使用o l e 的时候，冀初衷是为了增强 软件的互操作性。然而在使用过程中，人们逐渐认识到这一技术背后的实质性内 容和它在软件开发中所扮演魄重要角饿。组件技术将以前所未谢魄方式提疯软件 产遂翁生产效率，这一点已逐步成为较释汗发天受的筵镣。传统鹩 c 1 i e n t s e r v e r 结构、群件、中间件等大型软件系统的构成形式，都将在组件的 麟础上重新构造。 缝 粤技零傻近二卡年慕兴起懿嚣疯对象技本谌入爨藏熬鹣爽震铯蹬段。褒组 牛技术的概念模式下，软件系统可以被视为相互协同工作的对象集合，其中每个 对象都会提供特定的服务，发出特定的消息，并且以标准形式公布出来，以便其 德对象了解张调用。缀传闻的接霹通过一瓣与平台涎关的语富i d l ( n t e r f a e e d e f i n e l a n g u a g e ) 来定义，丽量是二避裁兼容的，使孀者可班纛接 调用执行模块来获得对象掇供的服务。早期的类瘁，提供的是原代码级的麓用， 只适用于比较小规模的开发形式；而组件则封装得更加彻底，熙易于使用，并且 8 第三章系统基础技术研究 不限于c + + 之类的语言，可以在各种开发语言和开发环境中使用。 由于组件技术的出现，软件产业的形式也将会有所改变。大量组件生产商会 涌现出来，并推出各具特色的组件产品；软件集成商则利用适当的组件快速生产 出用户需要的某些应用系统；大而全的通用产品将逐步减少；很多相对较为专业， 但用途广泛的软件，如g i s 、语音识别系统等，都将以组件的形式组装和扩散到 一般的软件产品中。 地理信息系统( g i s ) 技术正处于一个重要的发展时期，新概念和新产品层出 不穷。在g i s 蓬勃发展的今天，g i s 的组件化趋势日益明显，已经成为g i s 的重 要发展方向之一。从发展历程看，g i s 可以划分为下图所示的几个发展阶段，了 解这一历程可以更好地认识g i s 组件化的趋势。 # 瓣獭攀鹣鬻鬻獬鬟盼 鬻墓鬻誊馥簇鬻i i i 懑瓣鬻粪嚣? 蘸囊纛囊秘鋈蠹i l 缀茹鬻鬻嚣 j 鼍j 麓壤能；、i l ； 瓣i l i ，* 萋攀雏撼黝嘲霉i l l _ 獭糟；l 秽 薰纂磐案薰羹蒸黪i 誊i ， 图3 2g i s 软件发展历程 f i 9 3 2p r o g r e s so fg i ss o f t w a r ed e v e l o p m e n t 在g i s 发展的早期阶段，由于受到技术的限制，g i s 软件往往是只能满足于 某些功能要求一些模块，没有形成完整的系统，而各个模块之间不具备协同工作 的能力。 随着理论和技术的发展，各种g i s 模块走向集成，逐步形成大型g i s 软件包 ( g i sp a c k a g e ) ，我们暂称之为集成式g i s ( i n t e g r a t e d g i s ) ，如e s r i 的a r c i n f o 、 g e n a s y s 的g e n a m a p 等均为集成式g i s 的代表。集成式g i s 是g i s 发展的一个重 9 蘩蘩 华南理工大学硕士学位论文 螫里程碑，其优点在于其集成了g i s 务项功能，形成独立完婺的系统；缺点在于 系统复杂、溅丈，骚焉静致成本高、难于与萁它瘛瘸或系统集残等滔题。 另一类g i s 为随后出现的模块化g i s ( m o d u l a r6 i s ) ，代表软件有i n t e r g r a p h 的m g e 等。模块化g i s 的赫本思想是把g i s 按照功能划分为一系列模块，趱行于 统一戆基醚环壤之上( 翔蘸i c r o s t a t i o n ) 。尽管诲多集或式g i s 软臀也哥以翅分 为几个模块，假模块化g i s 软件的模块被有目的谶划分得更细。模块化g i s 具有 较大的工程针对性，便于开发和应用，用户可以根据需求选择所需模块。但无论 怒集成式g i s 或是模块化g i s ，都缀雉与管理信感系统( m i s ) 以及专业应用模型 集成离效、花缝静g i s 藏愆。 为解决集成式g i s 与模块化g i s 的缺点，提出了核心式g i s ( c o r eg i s ) 的概 念。核心式g i s 被设计为操作系统的潦本扩展。w i n d o w s 系列操作系统上的核心 式g i s 提供了一系裂动拳逶接疼( d l l ) ，开发g i s 斑矮系统懿褥滚采震瑗鸯麓毒 绂编程语言，通过应用程序接口( a p i ) 访问内核所提供的g i s 功能。除了一些基 本的动态连接库以外，实现各种功能的动态连接庠可以被拆卸和重组，它提供了 勘态连接库一缀的更底层的组l 牛他方式，给用户撼供更大鲍灵激性。对数攥霹管 瑷要求较多鼢矮户甚至可黻选择m i s 开发工其来构造g i s 应粥，为g i s 与m i s 的无缝集成提供了全新的解决思路。但是，由于核心式g i s 提供的组件过于底层， 给应用开发者带来一定难度，也不适威可视化程序设计的潮流。 夔羞诗葵凝软舞技术瓣发震，g i s 缀舞诧发蕊舞了一拿垒凝懿除羧，癫瑗了 缀件式g i s ( c o m p o n e n t sg i s ，缩写为c o m g i s ) 。组件式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 鞠方便翡标猿接墨。缀纷戏平台主娶鸯鼙i c r o s o f t 静e 饿( c o m p o n e n to b j e c t m o d e l ，组俘对象模型) o 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 ，分布式组 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 e q u e s tb r o k e ra r c h it e c t u r e ， 公共对象请求代理体系结构) ，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 予c o m d c o m ，m i c r o s o f t 攘爨了a c t i v e x 技术，a c t i v e x 控锌蔻警今可裰纯程序 设计中应用最为广泛的标准组件。新一代的组件式g i s 也大都怒a c t i v e x 控件或 者族前身o l e 控件。组件斌g i s 代表稽当今g i s 发展的潮流。 莺际上大多数g i s 软终公司把开发缰缚式坎转终楚羹霰熬菱震战臻。 i n t e r g r a p h 公司声称已经避入组件式g i s 的时代，它雅出静g e o m e d i a 组 串式g i s 软件是其庞大的j u p i t e r 计划中的一部分。e s r i 和m a p l n f o 也分别推出了 骐a p o b j e c t s 和m a p x 。 蔻乎在开发缀释式g i s 鹣蘑嚣，滋现7 万缭瓣g i s ( w e b g i s ) 。万维溺g i s 是 i n t e r n e t 技术与6 i s 相结合的产物。g i s 通过w w w 功能得以扩展，真正成为一种 大众使用的工鼷。从w w w 的任意一个节点，i n t e r n e t 用户可以浏览万维劂g i s ! o 第三章系统基础技术研究 站点中的空闯数据、制l 乍专题图，以及进行各种空间检索帮空间分柝，从而使 g i s 进入予窳万户。已蠢一些公司捺密了万缝潮g i s 产品，魄螽：m a p i n f o 公司 的m a p i n f op r e s e r v e r 和m a p x t r e m e 、i n t e r g r a p h 公司的g e o m e d i aw e bm a p 、 e s r i 的i n t e r n e tm a ps e r v e r ( i m s ) f o ra r c v i e w m a p o b j e c t s 、a u t o d e s k 的 m a p g u i d e 以及b e n t l y 茨m o d e l s e r v e r d i s c o v e r y 等等。层懿万维鼷g i s 还处予 不成熟的初级阶段，已缀推出的万绒网g i s 产黼大多是莉丽现有g i s 软件通过 c g i 或者s e r v e ra p i 构造的过渡型产品。随着缀件式g i s 的发展和分布式对象 w e b ( d i s t r i b u t e do b j e c tw e b ) 技术的逐渐成熟，未来的万维网g i s 将楚基于 c o m a c t i v e x 藏c o b r a j a v a 开发静分布式对蒙万维瓣g i s 。簸蒸穑软彳孛的翅度来 看，组件式g i s 和万维嘲g i s 之间的界限将会变褥模糊不清，而只是应用方式上 的区别。 歇g i s 模块发裂集戏式g i s 是获分教囊集中愆过程，这怒g i s 发爨爨稔孛夔 一个重大谶步。从集成筑g i s 发展到模块化g i s ，这是g i s 组件化的开始，随后 发展到核心斌g i s ，g i s 组件化趋势越来越明显，并形成组件化的标准形式一组 件式g i s 稻w e b g i s 。 5 3 3 组件式g l s 带来全新的开发方式 3 3 1 传统的g i s = 次开发平台薅i i l i | 9 j i ；战 传统g i s 开发平台均采矮专门设计静开发港畜。弼弛，a r c i n f o 采翔a m l ， 加上庞大的函数、命令庠，使得普通的开发技术人员难以掌握，延长了应用产品 的开发周期。 黉统g i s 系统中豹空阕数据譬瓒窝数据淳管壤系统逶零麓壹接枣g i s r - 褰提 供，这也是传统g i s 软件价格昂贵的一个重要原阂。这种情况一方面大大提高了 应用开发与系统建设的成本，另一方蹰也限制了用户根据应用需要和各种数据库 工其的优劣，选择利用数据库工具的机会。 传统g i s 系统与m i s 系统帮多媒俸开发工其的衔接都不旗方便，其数据交换 通过d d e 等间接方式实现，影响了m i s 系统对空间地理信息的利用。 综上所述，传统g i s 开发工具由于其不灵活的开发方式及昂贵的价格，在相 当丈豹疆瘦上羧割了g i s 应鬟镶壤黪发震。 3 + 3 2 组件式g i s 系统的特点 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。 据g i s 瓣凌筑适当季垂象，浚缍锌形式袋开发者使躅，将会荣采许多传绫g i s 工其 无法比拟的优点。 各个g i s 控件之间，以及g i s 控件与其它非g i s 控件之间，可以方便地通过 华南理_ 工大学硕士学位论文 可视化的软件开发工具集成起涞，形成最终的g i s 应用。控件如同一堆各式各样 的积木，他们分别实现不圆的功熊( 包括g i s 和非g i s 功能) ，樱据需要恕实现器 种功能的“积木”搭建起来，就构成应用系统。 同传统的g i s 比较，这一技术具有以下几方面特点： 1 高姣无缝翡系统集袋 g i s 应用系统建设实际上鼹对g i s 数据、錾本空间处理功能与各种应用模型 逡毒亍集残。各耱瓷澡帮竣麓管褒熬g i s 瘫瘸更怒要求g i g 帮m i s 乃至办公耋动纯 ( 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。归纳起来，撼于传统 的g i s 基础软 譬主要裔西静模式的集成方案。 横试一：在g i s 基础软件与应用分析模裂之间，通过文件存取方式建立数 据交换通道。在这种集成方式中，g i s 与应用分析模型通过中间文件格戏交换数 据( 麴下国 ) ，不邋合予大爨丽频繁媳交换数据的情况，而鼠g i s 基础软件与 应用分析模型相互独立，系统蹩合性慕。 棱式二：矗接接瘸g i s 骏释提供豹二次秀发语言缡裁应弼分辑模攫( 魏下 图 ) 。解决了模式一的缺陷，但是g i s 所提供的二次开发语畜往往不能与c 、 c + 十、f o r t r a n 等专业羧痔竣诗语言褪魄，难缢秀发复杂懿应爨模型。 模式三：利用专业程序设计语言开发应用模型，并直接访问g i s 软件的内 部数搬结构( 如下图 ) 。应用模型开发者可以根据自穗的意愿选择使用俺静嵩 级语誊开发复杂的应嗣模型，僮是直接访问g i s 软件数撰结构增加了应耀开发的 难度。 ；￥_ 4 $ w 一 磷势。氅i 1 竺兰兰竺 蘸藿柚式一 。j 繁纂喽；i l ：竺羔! ：= ：j j 醢g 繁女3 黪j c 梗芄三曩霉罗一垂弓 鲁l 蛾鞴稳醺i 垂”l j 麓”_i譬?+：，；_=j篇黝 lj 图3 - 3g i s 基础软件与专业应用模型之间的集成方案比较 f i 9 3 3c o m p o n e n t so fd i f f e r e n tt r a d i t i o n a lg i si n t e g r a t i o nm o d e l s 模式四：通过动态数据交换( d d e ) 建立g i s 与应用模型之间的快速通信( 如 下图 ) 。这怒在d d e 技术发展起来以届，对第一种集成方式的改进，哪以避兔 频繁的文件数舔交换群带来的效率降低的缺陷，也避免了从g i s 井部懿接访闽 1 2 第三章系统基础技术研究 o i s 数据结构的代价。但是，o l s 与应用模型是分离的，这种攒按仍然是“有缝” 豹。 不沧采用以上何种系统集成模式，传统的g i s 软件在系统集成上都存在缺陷。 组件式g i s 提供了解决以上问题的瑕想方案。组件式g i s 不依赖于某一荸申开发语 言，可以嵌入逶建夔开发丽凌( 翔：v i s u a lb a s i o 蕺d e l p h i ) 中实聚g i s 功韪， 专业模型则可以使用这贼通用开发环境来实现，也可以插入菇它的专业憔模型分 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( 如下图) 。 圈3 4c o m g i s 与应用程序之间的无缝集成 f i 9 3 4s e a m l e s si n t e g r a t i o r lo fc o m g i s 2 。无矮专门g l s 开发语誊，直接嵌入黼l s 开发置舆 传统g i s 往往提供独立的二次开发语言，鲡a r c i n f o 的a m l 、m g e 豹m d l 、 m a p l n f o 的m a p b a s i c 等。对g i s 基础软件开发耆而言，设计一套二次开发语言 是不小的负抠，同时= 次开发语言对用户和应用开发者而畜也存在学习。上的负 攘。蠢显侵溺系统掰鬟供懿二次牙发谗言，并发怒力 圭莛受弱羧铡，难戮缝理复 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 誊的可扩展性。g i s 应用开发者，不必掌握专门黪g i s 开发瀣富，只 需熟悉基予w i n d o w s 平台的逶蹋集成开发环境，强及组释式g i s 各个控锌静璃性、 方法和事件，就可以完成应用系统的开发和集成。 组件的：生产建立在严格的标准之上，因此，凡符合标准的组件都可畿目前流 彳亍懿各耱开发工买主搜鬻。嚣兹，霹供选择瓣开发嚣凌镶多，知v i s u a le + + 、 v is u a lb a s i c 、v is u a lf o x p r o 、d e l p h i 、c 十十b u i l d e r 以及p o w e rb u i l d e r 等 等，都可直接成为g i s 溅g m i s 的优秀开发工具，它们各自的优点都能够得到充 分发挥。这与传统g i s 专门性开发强攘辐毙，怒一秘质的毪歇。 3 。大众他的g l 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 缀件式g i s 掖件，使非专业的普通用户也能够开发和集成g i s 应用系统，撼动了 g i s 大众馥滋程。缝 孛我6 i s 熬遗璇傻g i s 不寝怒专家翻瓣专照分撬工蒸，蠢对 也成为普通用户对地理相关数据进行管理的的可视化工具。 许多部门、组织和个人建设g i s 项目的初衷并非是与人按享他们的数据，而 华南理工大学硕士学位论文 是使瑶g l s 柬篱瑾帮维护德伺攘有豹财产、资源纛设麓。蕊诧佼统的g t s 软件主 要是面向地理数据的拥有者，系统非常昂贵、庞大而且复杂。随着社会信息化的 避一步