（计算机软件与理论专业论文）基于粒子群优化算法的商业网点选址系统的研究与实现.pdf

ab s tr a c t abs t r act t h e s i t e s e l e c t i o n a n d l a y o u t o f c o m m o d it y n e t w o r k a re t h e i m p o r ta n t p a r ts o f o p e r a t i o n a n d m a n a g e m e n t s y s t e m o f t h e e n t e r p r i s e .i t w i l l h a v e g r e a t e ff e c t o n t h e p l a n a n d t h e d e v e l o p m e n t o f t h e e n t e r p r i s e . t h e a p p li c a t i o n o f g i s p ro v i d e s u s n e w i d e a s a n d n e w m e a s u r e s .b a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t r a d i t i o n a l s i t e s e l e c t i o n m o d e l , c o m b i n i n g g i s w it h m a th e m a t i c a l m o d e l , u s i n g t h e k n o w l e d g e o f g i s s pac e a n a l y s i s , h a s m a d e u p t h e t r a d i t io n re s e a r c h m e t h o d a n d p r o v i d e d t h e s c i e n t i fi c , v i s u a l l y o r i e n t e d d a t a a n d i n f o r m a t i o n f o r c o m m e r c ia l d e p a r t m e n t s d e c i s i o n m a k i吨. t h i s p ro j ec t c o m b i e s g i s t e c h n o l o g y w i t h m a t h e m a t i c a l m o d e l. i n v e s t i g a t e s o n t h e c o n s t r u c t io n o f u r b a n c o m m o d it y n e t w o r k p la n n i n g a n d l o c a t io n m o d e l , a n d t h e n m a k e s a j u d g e m e n t a n d f o r e c a s t o f t h e a p p l i c a t i o n o f th e m o d e l . i n t h e r e s e a r c h p ro c e s s , i t a k e a d v a n t a g e o f f o r m e r l o c a t i o n m o d e l a n d t h e c o r r e l a t i o n a l g o r i t h m , s o a s t o e v o l v e a s u it a b l e m o d e l a s w e l l a s t h e c o r r e s p o n d in g i m p ro v e m e n t a l g o ri t h m b a s i n g o n d e m o g r a p h i c f a c to r . a n d c a r ry o n t h e q u a n t i fi c a t io n a n a l y s i s o f t h e c o n d it i o n s a ff e c t i n g s i t e s e l e c t io n a n d l a y o u t o f c o m m o d it y n e t w o r k . . i d e s i g n a n d d e v e l o p t h e s y s te m o f s i t e s e l e c t i o n b a s e d o n mo j 勿 u s i n g t h e m a p o b j e c t ( j a v a e d i t i o n ) , c o m p a r e d w i h t h e f o r m e r g i s s y s te m , it i s e a s i e r t o b e t r a n s p l a n t e d .t h e a u t h o r d r a w s o n t h e e x p e r i e n c e o f p a s t s t u d y a n d i m p r o v e s o n t h e a l g o r it h m o f l o c a t io n m o d e l .m a k e s u s e o f i m p r o v 吨 p a r t i c l e s w a m o p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m .i t h a s m a d e g r e a t p r o g r e s s 运t h e v a l i d i t y , v e r a c i t y a n d e ff i c i e n c y . i n t h e e n d , t h e a u t h o r t a k e s t h e l a y o u t o f t i a n j in a t m o p e r a t o r s f o r e x a m p l e ; c a r r i e s o u t a n e x p e r i m e n t o n t h e m e t h o d o f s it e s e l ect i o n t h e e x p e r i m e n t w i l l c o m e。 任 t h e s y s t e m a d o p t s t h e f o r e r u n n e r s g i s t e c h n i q u e , o p t im i z e s t h e a l l o c a t i o n o f 六治ou 比 c e s b y b l i n d n 勿a g e o g r a p h y i n f o r m a t i o n s y s t e m , r e d u c e s t h e w a s t e o f re s o u r c e s c a u s e d e s s 切。 诚 p r o d u c e a na n d s o c i a l p e r f o r m a n c e w i t h m a x i m u l i m i t .l t c a n g e n e r a t e r e m a r k a b l e s o c i a l a n d r e t u r n s . t h e s i t e s e l e c t i o n o f ab s tr a c t c o m m o d i ty n e tw o r k c a n b e a p p li e d t o m a n y d o m a i n s s u c h a s b a n k , s u p e r m a r k e t , r e t a i l t r a d e ,c a t e r in g e s t a b l i s h m e n t , e n t e r ta m m e n t g o t o g e t h e r w i t h p h y s i c a l d i s t r i b u t i o n e t c .i t i ll u s tr a t e a g o o d p r o s p e c t o f a p p l ic a t i o n a n d e x t e n s i o n . k e y w o r d . 二g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s te m , s i t e s e l e c t i o n , p a r t i c l e s w a m o p t i mi z a t i o n a l g o r i t h m 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、保存、 使用学位论文的规定， 同意如下各项内 容:按照学校要求提交学位论文的印 刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印 刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以 及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以 赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 渗 n 蜂 a te )年 了 月 了 日 经指导教师同意， 本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部5 年 秘密1 0 年 机密2 0 年 ( 最长 5 年，可少于 5 年) ( 最长 1 0 ( 最长 2 0 ，可少于 1 0 年) ，可少于 2 0年) 年年 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的 成果。 除文中己 经注明引用的内 容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的 研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均己 在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学 位 论 文 储 签 名 : 4 0 x0 7 年了月西日 第一章绪论 第一章 绪 论 1 . 1引言 商业网点的 选址是商业网点及其活动过程在空间上的排列组合形式和地域 上的表现。商业网点选址的核心是对商业网点的科学布局，通过多方案的比较 分析， 应用科学的、综合的研究方法，对网点 布局所涉及区域的土地资源、交 通资源、人力资 源进行全面研究，优化配置各类资源，使之有利于商业业态的 发展及商业环境的协调。 选址是一项关键性长期的投资，关系着企业的发展前途，一旦确定了 地址， 那么就需要长期的 投入人力物力对其进行维护，而且在相当 一段时间内，它也 不受外界环境变化而轻易调整:同时，选址又是企业确定经营目 标和制定经营 策略的重要依据. 不同的地区有不同的社会地理人口 交通情况，这些因素制约 着该地区的顾客来源特点，因此，选址具有着战略性的意义。如果选址得当， 那么它就决定了 可以 吸引有限地段内的潜在顾客，也间 接决定了可以获得收益 的多少，从而反映出 此地作为一种资源的价值的大小。因此，选址是一项把战 略前瞻性、决策科学性、经营艺术性有机结合起来的一项重要工作，越来越引 起各商业个体的重视。 商业成功的关 键是“ 选址、选址、 选址” 。商业选址直接关系企业经营的战 略决策，是影响企业效益的一个决定性因素.因此，国内外不同领域的学者对 这一问题进行了 广泛的研究， 构建了许多商业网点选址模型。 本文将以g i s 技 术 m 为 核心， 在分 析 传统商 业网点 选址模型 的 基 础 上， 结合 相关数学模型， 运 用g i s 空间分析的有关知识， 探讨基于g i s 技术的城市商业网点选址模型的 构 建，以希望有助于商业网点选址问题的 解决.最后，以 天津市某 a t m运营商 的网点规划为案例， 对提出的选址方法进行全面的实践， 取得了较好的实践效 果。 粒 子群优 化( p a r t ic l e s w a r m o p t im i z a t i o n , p s o ) 算法 是 一 种基于群智能 ( s w a r m i n t e l lig e n c e ) 方 法 的 演 化 计 算( e v o l u t i o n a ry c o m p u ta t i o n ) 技 术 2 1 e p s o 算 法 第一章绪论 同 遗传算法 类 似， 也是一 种基于群体( p o p u l a t io n ) 的 优 化工具。 p s o 算法的 优 势 在于简单容易实现同时又有深刻的智能背景，既适合科学研究， 又特别适合工 程应用。 p s o 算法不仅是求解连续函 数 优化的 有力工具， 而且离散的 p s o 算法又 扩展了 它的 应用领域， 用于解决组合优化问 题等， 在一定程度上完替了 基本p s o 算法。 目 前 在国际上 p s o 算法己 经广泛应用于函 数优化， 神经网 络训练， 工业系 统优化与控制以及其他遗传算法等应用领域。 1 . 2研究背景及向肠的提出 地理 信息 系统( g e o gr a p h i c i n f o r m a t io n s y s t e m ) 是 近十年来发展 起来的 一门 综合应用系统，它能把各种信息如地理位置和有关的视图结合起来，并用地理 学、几何学、 计算机科学等技术采集、存储、编辑、显示、转换、分析和输出 地理图形及其属性数据。 这样，可根据用户需要将这些信息图文并茂地输送给 用户，便于分析及决策使用。 地理信息系统作为一个工具、平台，可以供我们在其上进行一系列的设计 开发。主流应用主要在传统领域，像城市规划、土地管理、测绘、环保、 农业 等领域，而在非传统领域譬如企业界的 应用则极少。 本文以g i s 为平台 进行选 址模型、 选址理论的 应用， 可以说拓展了g i s 平台的应用领域。 业内 关于选址 模型的 研究比 较多， 但是 传统商业网 点 选址模型大都是基于统计的静态 模型， 主要从经济学和地理学的角度，抽象的 数学模型往往容易脱离实际，并且难以 全面考虑复杂、抽象的选址要素，选址过程缺乏计算机和决策者的动态直观交 互过程。 p s o算法的优势在于简单容易实 现同时又有深刻的智能背景， 既适合 科学研究，又适合工程。因此， p s o算法一提出，立刻引起了演化计算等领域 的学者们的 广泛关注， 并在短短的 几年时间 里出现大量的 研究成果， 形成了一 个研究热点。 解决连续函数的优化问 题， p s o算法具有很大的 优势。 将改 进的 p s o算法运用到商业网点选址的问题中，以期得到商业网点的 最佳位置， 这是 本论文的实践意义之所在。 至于其理论 意义就在于对p s o算法优化问 题做出一 些尝试， 扩大了p s o算法的 应用领域， 丰富了p s o算法的理论基础。 但是， 与经典的方法比较， p s o算法还是一门新兴的学科， 其实现方法上， 还有待改进， 尤其是其理论基础堕需完善。 由于基于p s o算法的 应用目 前主要 集中在连续型函数优化的问题，其能够解决的问题和实现的功能都比较有限， 第一章绪论 如何改进这些算法， 从而更好的结合地理信息系统与p s o算法， 成为选址领域 内一个十分重要的课题。 这也是本文所要研究的另一个主要内 容。 1 . 3本文主 要内 容 商业网点作为商户吸引客户、开展各项业务的基础设施，其选址是否得当 直接关系到商户的切身利益。而选址则无疑成为一项综合性、 技术性极强的工 作，它受社会、经济、人文、地理等许多因素制约，需要多方面的背景知识。 商业网点选址的结果会对该网点的营业、利润以及企业的整体系列效益起到至 关重要的作用。 、 本文通过把粒子群优化算法与地理信息系统有机的结合起来， 采用改进的 粒子群优化算法，以 人口 为主要因素的 选址数学模型作为粒子群优化算法中的 “ 适应度函数” ， 来进行最优化处理， 将待选地址的实际值与经过粒子群优化算 法计算的到最优值相比较，最接近的备选点，即为我们所关注的最佳盈利点。 在此基础上，本文主要研究了如下内容: . 研究了地理信息系统的概念， 历史，发展方向以 及未来。另外还针对 性的介绍了我们后面项目 中 应用的w e b g i s . . 分析了商业网点选址，包括选址的意义、原则，对影响网点选址的因 素进行了总体描述和逐一分析，并介绍了几个常见的选址模型，为后 面总结出以人口为主要因素的商业选址模型提供了理论基础。并着重 介绍了基于g i s的商业网点选址系统的建立步骤，后面的模型建立就 是按照这个步骤进行的。 . 系统地介绍了粒子群优化算法，包括算法的原理、 流程以 及它与其他 算法的比较，并介绍了离散制的粒子群优化算法。尤其是对算法的改 进做了重点描述以及分析。 . 以人口 因素为主导因素建立新的选址模型，并将其与粒子群优化算法 有机的结合起来( 将此模型的数学表达式作为“ 适应值函数” ) ，最后 通过将待选点根据模型的数学表达式所计算出来的值与利用粒子群优 化算法计算出 来的 值进行比较， 得到与算法最优结果最为 近似的点即 为所求点。并且这些处理都是在g i s系统平台之上完成的，从而达到 了g i s系统与商业网点选址模型的有机结合。这是本文的又一个主要 第一章绪论 实际意义所在。 . 地图的漫游、 浏览、 查询， 特定点的 放大、 缩小查 看功能。 . 采 用 iv t a p o b j e c t s - j a v a v 2 .。 以 及 j a v a , j s p , s e r v l e t , t o m c a t 等 技 术开 发了 一个b / s 架构的商业网点选址决策支持系统。 通过对地图数据的采集以 及算法的的科学分析，从而得到对待选网点科学客观预测。 以 下是本文的一个大体思路，如图1 . 1 : 分析影响选址的因素、侧重点以及选 址愈义 比 较分析常见选址方法及模型，确定 建立模型的步甄 p s o 算法分析改进 建立以人口为主导因素 的选址模型 建立并求解 墓于p s o的商业网点选 址的算法模型 编制选址实验系统 应用研究并得出结论 图1 . 1 本文思路 1 . 4本文的组织结构 本文研究重点是以g i s 为可视化平台， 利用改进的p s o 算法建立选址模型。 第一章绪论 文中 第一章绪论， 介绍商 业网点选址的意义， 并初步介绍了 本文将要采用 的研究方式。 从第二章开始讨论商业网 点选址的问 题， 首先介绍g i s ( 地理 信息系统) 相 关的基本概念和发展 情况， 然后介绍描述了 现今比 较流行的we b g i s . 第三章探讨商业网点选址的问 题。分析影响商业网点选址的重要因素以 及 一些流行的选址模型。 并将g i s 与商业网点选址相结合， 分析g i s 给传统的商 业网点选址所带来的改进。 第四、五章是论文的核心内 容，研究了 基本粒子群优化算法及其改进，并 对商业网点的选址进行了数学建模。第四章首先介绍了粒子群优化算法，研究 了 其基本原理以 及流程，并对其进行了改进给出仿真结果分析。第五章量化了 商业网点的各个影响因素， 与改进的p s o算法相结合建立商业网点选址的数学 模型。 第六章介绍论文实验系统的设计与实验结果分析。 介绍实验数据的选择和 实验模型的设计。 论文最后对研究工作进行总结，并提出进一步的研究方向。 第二章 g i s . 地理信息系统 第二章 gis- 地理信息系统 2 . 1g i s 绘述 随着信息技术的快速发展， 如今的社会是信息化、 数字化、 智能化的社会。 地理信息系统( g i s ) 这一国际上的新兴技术，是实现全球数字化、城市数字化 的关键技术之一。它是一种融计算机图形学、数据库、地理科学、信息科学和 管理科学于一体， 存储和处理空间信息的高新技术。它把地理位置和相关属性 有机结合，根据实际需要准确、真实、图文并茂地输出，以满足不同领域对地 理信息的要求。 地理信息系统因其独有的空间分析和可视化表达功能，广泛应 用于各种辅助决策中。 2 . 1 . 1 g i s 的基本概念 地理 信息 系 统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s te m ) 是 近 十年来发展 起来的 一门 综合应用系统，它能把各种信息如地理位置和有关的视图结合起来，并把地理 学、 几何学、 计算机科学及各种应用对象、 c a d技术、 遥感, g p s 技术、 i n t e rn e t , 多媒体技术及虚拟现实( v r ) 技术等融为一体， 利用计算机图形与数据库技术来 采集、存储、编辑、显示、转换、分析和输出 地理图形及其属性数据。这样， 可根据用户需要将这些信息图文并茂地输送给用户，便于分析及决策使用。社 会经济活动中的各种空间 经济现象也可以 抽象为点、线、 面等空间要素. 地理 信息系统在商业上的应用则是商业现代化的产物。交通工具的进步、连锁商店 的兴起、 信息 技术的发 展等因素， 均促使商业经营的方式发生根本性的 转变， 同时也促使了商业地理信息系统的产生和发展。 据估算， 超过 8 0 9 6 的商业经济 数据具有空间特性或者与空间位置有关， 合理有效地开发和利用这些空间数据， 可以优化资源配置，降低商业运行成本， 并用于规划、监测、改善区域商业和 经济环境。正确的商业地理定位是从较大区域的地理环境分析到小的商圈， 综 合考虑自 然地理 特别是 人文地理的各方面因素，并确定最终的商业地理定 位。 地理信息系统是现代信息社会的产物。 由 于计算机技术与网络技术的迅速发展， 第二章 g i s - 地理信息系统 数字地球、 数字城市等概念的 相继提出， 空间 信息技术的 应用范围 得到了极大 地拓展， 开始由 资源环境领域向 社会经济领域和商业领域转变。 在这种情况下， 传统的g i s 技术与相关前沿的t t 技术相合， 在强调和拓展空间信息服务的基 础上，逐步演变为基于位置的服务，并成为近两年国内 外空间信息技术和应用 研究的 热点 和前沿3 2 . 1 . 2 g i s 的墓本功能 1 量算与统计 地理信息系统是一种空间 信息系统。 通过g i s 的有关应用程序， 分别可以在 一维、 二维和三维空间里实现对各种研究 对象的长度、面积或体积的快速量算， 为用户提供各种有用的数据。利用地理信息系统还将多种数据源信息汇集在一 起，通过系统的统计和叠置分析功能，进行数据的条件统计分析。 2 预测、监测 g i s 中预测主要采用数字和统计的方法， 通过历史资料和数字模型的建立对 事物进行定量分析，并对事物的未来作出判断和预测。 3 规 划与 管理 城市和区域规划中涉及到诸多方面和众多因素，如交通、人口、 经济、文 化、教育、治安、基础设施等。地理信息系统技术能够进行多要素的管理分析， 它具有为规划部门快速提供大量信息的能力。 4 辅助决策 从系统工程的角度看，决策就是要针对系统的状态信息并根据这些信息可 能选取的策略，以及采取这些策略对系统状态所产生的后果进行综合研究，以 便按照某种衡量准则选取一个最优策略。为了达到一项决策，首先要有充分的 资料与数据， 作为分析的依据:然后提出各种行动方案， 确定预估各方案益损 值的方法，找出 评价方案的准则，列出 各种可能出现的自 然状态以 及它们发生 的概率;再选用决策方法，最后选出最佳方案。地理信息系统在其多要素空间 数据库的 支持下，通过构建一 系列决策模型，并对这些决策模型 进行比 较分析， 为各部门决策提供科学的依据，辅助政府部门决策的制定。 第二章 g i s 一 地理信息系统 2 . 1 . 3 g i s 的发展历史及现状 经过近4 0 年的发展， g i s 系统已 从原来的带有学术 研究 性质的应用研究逐步 走向服务于企业，服务于管理的社会化应用发展研究，并且己 广泛应用于科研 教育、社会生产、管理决策等各个层面和领域。 . 与整个计算机技术发展过程相 适应。g i s 系统发展经历了 几个不同的发展阶段， 在g i s 的 应用体系结构上表现 为:以 主 机( m a in f r a m e c o m p u t e r ) 为中 心的 g i s 系 统技 术 应用 体 系结构; 基于 桌 面p c 机( 微机) 的 g i s 系统技 术应用体系结构和支持i n t e r n e t / i n t r a n e t 网络技术标 准的分布式g i s 系统技术应用体系结构。 1 学术探索阶段 早期的g i s 发展的显著 特点是许多与g i s 有关的组织与机构纷纷成立， 对 g i s 知识传播与技术发展起到重要的指导作用。 5 0 年代，由 于电子技术的发展 及其在测量与制图学中的应用， 人们开始有可能用电 子计算机来收集、 存贮和 处理各种与空间和地理分布有关的图形和属性数据。 1 9 5 6 年， 奥地利测绘部门 首先利用电子计算机建立了地籍数据库，随后这一技术被各国广泛应用于土地 测绘与地籍管理。1 9 6 3 年， 加拿大测量学家自 先提出地理信息系统这一术语， 并建立了世界上第一个地理信息系统加拿大地理信息系统( c g i s ) ， 用于资 源与环境的管理和规划。 稍后， 北美和西欧成立了 许多与g i s 有关的组织与机 构，如美国城市与区域信息系 统协会( u r i s a ) ，国际 地理联合会( i g u ) 地理数 据收集和处理委员会( c g d p s ) ， 等等， 极大地促进了 地理信息系统知识与技术 的传播和推广应用。 2 飞速发展和推广应用阶段 进入7 0 年代， 计算机技术的工业化、 标准化与实用化， 以 及大型商用数据 库系统的建立与使用， g i s 技术朝实用化方向发展。与此同时， g i s 软件市场 活跃。g i s 技术受到政府部门、商业公司和大学的普遍重视，成为一个引人注 目 的领域。 一些发 达国家先后建立了许多专业性的 土地信息系统( l i s ) 和资 源与 环境信息系统( g i s ) ， 如1 9 7 0 年至1 9 7 6 年， 美国 地质调查局先后建5 0 多个信 息系统，其它国家也相继发展自己的g i s 。关于g i s 软件、硬件和项目 开发的 商业公司篷勃发展。 到1 9 8 9 年，国际市场上有报价的g i s 软件达7 0 多个， 并 出现一些有代表性的公司和产品，如美国环境系统研究所的a r c / i n f o . i n t e r g r a p h 公司的m g e ， 及g e n a s y s 公司的g e n a m a p 等等。 数字地理信息生产 第二章 g i s 地理信息系统 标准化、 工业化 和商品 化。 如美国地质调查局( u s g s ) 已 经建立起数字地图 生 产技术体系，可定期向社会发布d l g . d e m等标准地理数据。各种通用和专 用的地理空间分析模型得到深入研究和广泛使用， g i s 的空间分析能力显著增 强。 有关g i s 的具有 技术 权威和行政权威的 行业机构 和研究部门 在g i s 的应用 发展中发挥引导和驱动作用。 如美国国家科学基金会支持的国家地理信息和分 析中心( n c g i a ) 每年都要制定g i s 技术优先发展计划， 以促进全国g i s 事业发 展。 3 1 地理信息 产 业的 形 成 和社会化地理 信息系 统( s o c i a l g i s ) 的出 现 00年代以 来， 随着互联网络的发展及国民经济信息化的推进， 地理信息系 统作为大的地理信息中心，进入日 常办公室和千家万户之中，从面向专业领域 的项目 开发到综合性城市与区域的可持续发展研究，从政府行为、学术行为发 展到公民行为和信息民主，成为信息社会的重要技术基础。互联网，尤其是万 维网己经成为g i s 新的操作平台。 9 0 年代， 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 ms 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。 2 . 2 w e b gi s 在g i s 被人们关注开发和应用的同时，随着i nt e rn e t 技术的不断发展和人 们对地理信息系统( g i s ) 的需求，利用i n t e rn e t 在w e b 上发布和出 版空间数据， 为用户提供空间数据浏览、查询和分析的功能，已 成为g i s 发展的必然趋势。 这样基于i n t e rn e t 技术的网络地理信息系统( w e b g i s ) 就应运而生。 网络地理信 息系统( w e b g i s ) 是指地理信息系统从单机及主从式计算机上转移到网络环境 下的 地理信息系 统的 泛称， 它强调的是 地理信 息 系统的 工 作环境 14 i a w e b g i s 就是以ww w ( w o r ld w id e w e b ) 的 w e b页 面作为g i s软件的 用户界面， 把 i n t e rn e t 和g i s 技术结合在一起， 能够进行交互操作的g i s ， 是基于网络的客户 机服务器( c l i e n t / s e r v e r ) 系统。 它是一个分布式系统， 客户机和服务器可以 位 于不同的地点和不同的计算机平台上。 网络地理信息系统we b g i s 是g i s 与i n t e r n e t 的有机结合，通过i n t e r n e t . g i s的功能得到了 扩展。 在i n t e rn e t 的任意一个节点， 人们通过w e b 界面可以 第二章 g i s - 地理信息系统 浏览和获取各种地理空间数据及属性数据、图像、 文件，制作专题图，进行各 种空间信息检索和空间分析。地理数据的概念已 扩展为分布式的、超媒体特性 的、相互关联的数据。w e b g i s 改变了g i s 数据及应用的访问和传输方式，使 g i s 真正 变成了 大众使用的 工具。 2 . 2 . 1 w e b g i s 的基本结构 目 前we b g i s 是以 分布式对象技术为核心， 以万维网为载体系统。 三层结构 的客户枷服务器( c / s ) 是当前网络系统的主体模型， 其中服务器包括数据库服 务器和应用服务器。 we b g i s 数据库服务器必须符合因特网的接入规范，同时又 具有管理空间数据的功能。目 前， g i s 产品还不完全具备此功能， 几家大数据库 厂商已 开 始与 o p e n g i s 组织合作改 造和扩充自 己 的 关系 数 据库， 引 入面向 对象 的 概念， 发展 对象 关系 型数 据库， 以 支 持空间数 据。 e s r i , m a p i n f o 等推出 将空间 数 据无 缝集成在关系 型数据 库中的 产品， 如 s d e . s p a ti a l w a r e ， 统一 管 理 空间数据和属性数据， 提高了系统的效率。 we b g i s 应用服务器保存各分布式节 点的元数据， 通过网络协议和元数据规范与各we b g i s 服务器相连， 提供各种基 于元数据的查询和分析功能， we b g i s 应用服务器起到对空间数据集和地理模型 的引导和过渡的作用。we b g i s 的浏览器( b r o w s e r ) 是客户端工具，可以直接与 数据库服务器相连， 实时获取w e b g i s 服务 器的 各种数 据， 也可以 通过w e b g i s 应用服务器实现数据预览、可视化查询和融合分析的功能，如图2 . 1 . 在w e b g i s 结构中， www服务器对客户机分配其访问 上层应用服务器和数 据库服务器所需的软件部件。在分配软件部件时，首先用超文本传入协议 ( h ttp ) ， 使用i n t e r n e t 交互对象请求代理协议( i n t e r n e t i n t e r o b j e c t r e q u e s t b r o k e r p r o t o c o l ， 简称i i o p ) 通过对象请求代理( o r b ) ， 直接与 应用服务器和数据库服务 器实 现在 线 方式的 对话。 在 j a v a a p p le t 中 使 用 c o r b a 组 件， 通 过 h o p 与 后端服 务器上的c o r b a 组件通信。 也可用j a v a r m i 技术实现前后端连接。 或用a c t i v e x 控件通过d c o m和c o r b a 技术， 完成对服务器的访问。 i 客户端 客户端主要向服务端提出空间数据服务请求，并根据服务端返回的结果进 行实 时 处理、 分 析与显示. 客户 端的主 要实 现技术 采用 g i s j a v a a p p l e t s ， 也 可以 是基于浏览器的h t m l v i e w e r 或是基于 】 d k 的应用程序。 g i s j a v a a p p le t s 支持栅 第二章 g i s - 地理信息系统 格数据( j p e g , g i f ) 、影像数据流、矢量数据流、d e m数据和3 维数据流，并且 所有的表现均是基于j a v a b e a n 组 件的方式提供， 用户可以根据需要定制自己的客 户端。 图2 . 1 we b g i s结构图 2 we b 服务器 we b 服务器负责接受客户端的g i s 服务请求，传递给应用服务器，再把结果 送回给客户。 w e b 服务器 选择目 前支持1 2 e e 的商业产品， 如i b m w e b s p h e r e , s u n a p a c h e , t o m c a t 等. 3 g i s 应用服务 器 g i s 应用服务器是一个基于j a v a 2 企业级版本的应用，作为wi n d o w s n t 的服 务或者u n i x 的后台进程存在。 g i s 应用服务器提供g i s 各种服务， 完成空间应用 服务的主要处理逻辑， 包括栅格地图、 影像数据流、 矢量数据流、 d e m数据流、 3 维数据流、空间查询和空间分析服务等， 生成的结果通过we b 服务器传送给客 户端。影像数据服务是提供对大型无缝影像数据库的访问，根据浏览器端的数 据的调用范围，通过接口 调用生成浏览器端当前窗口大小的影像数据，经压缩 后，传到浏览器上浏览。 矢量数据服务主要根据客户端对矢量数据的请求来提 供对矢量数据的调用，生成矢量数据流，再传到客户端的应用程序。 4 】 空间 数据库 服务 器 数据库服务器提供空间数据的存取与管理，包括对影像、 矢量、d e m、属 性数据的管理，并根据应用服务器的请求，提供各类数据服务。服务端提供两 第二章 g i s - 地理信息系统 种数据组织方式，一是基于文件管理的方式，二是基于关系数据库管理的方式。 基于数据库管理的 方式目 前支持s q l s e r v e r 和o r a c l e 两种大型关系( 对象关系) 数 据 库 ， 遵 循 o p e n g i s 规 范 i气 2 . 2 . 2 w e b g i s 的特点 1 1 采 用 分布式服 务 体 系 结构 分布式服务体系结构是 在客户端和服务 器端都能 提供活跃的、 可执行进程 的体系结构，能有效地平衡两者之间的处理负载， 如动态提取数据子集并进行 分析的进程任务在服务器端执行，而空间信息查询集的选定和按比例缩放地图 则在客户端执行。 他允许用户嵌入自己 定制的 g i s 服务， 使用的数据既可以是本 地的也可以是分布的数据， 从而使传统的 g i s 向分布式g i s 转变。 2 跨平台 特性 传统的 g i s 软件都是针对不同 操作系统的， 对不同的 操作系统， 分别要使用 相应的g i s 应用软件。而利用 a v a 技术的we b g i s 则能做到 “ 一次编译，到处运 行”，真正发挥跨平台的技术优势。 3 】 信息 共享 通过i n t e rn e t ，没有专业g i s 知识的人，可以在任何站点操作we b g i s 应用系 统， 享用地理空间信息服务. 全球范围内任意一个www 站点的i n t e m e t 用户都可 使用 通用 浏览 器进 行浏览、 查 询， 额外的 p l u g in , a c t i v e x 控件和 j a v e a p p le t i i 常 是免费的， 降 低终端用户的 经济负担和技术难度， 很大程度上扩大了 g i s 的潜在 用户范围。 用户界面友好 . 操作简单w e b g i s 使用标准的i n t e r n e t 浏览器作为 用户使用界面和工具， 通过 与用户交互就可以定制网页。 5 】 系 统开发 和 应 用成 本 低 w e b g i s 通常 使 用免费 的 插件 a c t i v e x 或 j a v a a p p l e t ， 从而 大大 地降 低了 终端 客户的培训成本和技术负担。另外利用组件式技术，用户可以根据实际需要选 择控件，这也很大程度地降低了用户的使用成本。 6 】 操作 更简 便， 信息 发 布 速度快， 维 护方 便 由于运用了 i n t e m e t 技术， we b g i s 的信息更新及时， 而且发布速度快. 传统 第二章 g i s - 地理信息系 统 的地理信息系统，当用户规模有所扩大，数据有所变更之后，都需对原有系统 做大量的改动。 而在we b g i s 中则只需维护服务器端的数据， 用户端就能及时看 到更新的数据。 阴 平衡高 效的 计算 负 荷 高级的we b g i s 能充分利用网络资源， 将基础性、 全局性的处理交由服务器 执行，而对数 据量较小的 简单操作则由 客户端直 接完 成。 这种计算模式能灵活 高效地寻求计算负荷和网络流量负载在服务器和客户端的合理分配，是一种较 理想的优化模式网 . 8 】巨 大的 扩展 空间 i n t e m e t 技术是经过标准化组织i e t f ， 这就为we b g i s 的进一步扩展提供了极 大的发挥空间， 使we b g i s 容易与we b 中其他信息服务无缝集成， 建立灵活多变 的g i s 应用。 除上述之外，网 络地理信息系统与一般基于因特网的 信息系统相比，最大 的特点是在空间框架下实现图形、图像数据与属性数据的动态连接，提供可视 化查询和空间 分析功能 闭 。 2 . 2 . 3 w e b g i s的分类以及基于 j 2 e e 的w e b g i s 用于开发 w w w 上 g 1 s 的 技术多 种多 样， 如 c g i ( 通 用网 关 接口 ) , p l u g - i n s ( 插 件法) 、基于we b a p i 的开发、利用a c t i v e x 控件和c o m构件模型、基于j 2 e e 的 we b gi s . i 利用c g i 技术方法构建w e b g i s 系统 通用网关接口( c g i ) 是i n t e rn e t / i n t e ae t 网 络服务器调用外部应用程序的接 口，通过c g i 可以 扩展网络服务器的功能。 c g i 的实质性作用是定义服务器和网 关程序如何通信。 在客户端， we b 浏览器以 h t m l 建立用户界面;在服务器端， g i s 软件通过c g i 与w e b 服务器相连。当 用户 发送一个请求到服务器上， 服务 器 通过c g i 把该请求转发 给后端运行的 g i s 应用程序，由 应用程序生成结果交还到 服务器上，服务器再将结果传递到用户端。 其工作方式如图2 . 2 所示。目 前市场 上 推出 的 w e b g i s 系 统 软 件有 一 部 分 就是 利 用 这 一 原 理 实 现 的， 如 m a p i n f o 公 司 的 m a p i n f o , m a p x t r e m e . 这种实 现方式的 风 险 在于要 在目 前的 i n t e rn e t / i n t e rn e t 上发布和传输g i s 数据信息，需要解决2 个技术难点，一方面是现有的网络浏览 第二章 g i s- 地理信息系统 器不能读取矢量图形数据，矢量数据在网上传输就得先在服务器端转换成栅格 图形数据， 如b m p , j p e g 等，这样一转换就使数据量增大许多倍，使本已 拥挤 的网络不堪重负:另一方面，传统的 g i s 原有的数据类型与i n t e r n e t / i n t e r n e t 现有 的数据类型相距甚远， 要在浏览器上实现原有的许多操作变得很困难。 用这种 技术方法构造w e b g i s 具有简单易行的特点，适用于对原有g i s 系统的网络化改 造。 w e bn i s c g 1 请求 1 引r n 月j w e nm * zg m5 * 6 ci s 应用系统 妇厅卜 口目h刀目 曰 图2 . 2 c g i 技术方法构建we b g i s 系统示意图 c g i 方法的目的在于弥补h t ml 的不足。c g i 提供了一个在