（计算机软件与理论专业论文）基于webgis的校园地理信息系统研究与实现.pdf

太原理 ：人学硕十研究生学位论文 基于w e b g l s 的校园地理信息系统研究与实现 摘要 地理信息系统( 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 ，简称g i s ) 是以空 间数据为基础，在计算机硬件的支持下，对空问相关数据进行采集、管 理、操作、分析、模拟和显示，采用地理模型分析方法，适时提供多种 空间和动态地理信息，为研究和决策服务而建立起来的计算机系统。 w e b g i s 是建立在i n t e r n e t 上具有浏览器服务器体系结构( b s ) 的网 络g i s ，是利用万维网技术对传统g i s 的改造和发展，它改变了传统g i s 的运行模式，使用户可以借助方便、廉价的i n t e r n e t 网，通过b r o w s e r 这一统一的图形用户界面，访问位于不同地区不同类型的空间信息资源。 数字化校园是利用计算机技术、网络技术、通讯技术对学校与教学、科 研、管理和生活服务有关的所有信息资源进行全面的数字化；并用科学 规范的管理对这些信息资源进行整合和集成，以构成统一的用户管理、 统一的资源管理和统一的权限控制：把学校建设成面向校园内，也面向社 会的一个超越时间、超越空间的虚拟大学。 基于w e b 的校园地理信息系统是w e b g i s 的一个具体应用。首先，本 文在论述了数字校园建设的重要性和必要性的基础上，提出了数字太原 理工大学的构想。其次，详细介绍了校园w e b g i s 的设计与实现，主要包 太原理工大学硕士研究生学位论文 括校园w e b g i s 的系统需求分析、系统设计的指导思想和目标、系统总体 设计原则、系统开发技术路线、软硬件配置、系统安全策略等。三是重 点论述了校园w e b g i s 数据库的详细设计，主要包括建库的步骤和原则、 空间数据采集、属性数据采集、多媒体数据采集和图形数据分层等。最 后，详细介绍了校园w e b g i s 的功能设计和部分功能实现的源代码。 关健词：地理信息系统，数字校园，w e b g i s ，设计，实现，太原理工大 堂 太原理： 大学硕：哪孵究生学位论文 r e a l i z a t i o na n dr e s e a r c h0 ft h e c a i p u sg e o r a p h l ct n f o r m a t i o n s y s t e mb a s e do nw e b g i s a b s t r a c t 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 ) i sac o m p u t e rs y s t e m ，w h i c h c o l l e c t s ，m a n a g e s ，a n a l y z e sa n ds h o w ss p a t i a ld a t a ，i ta d o p t sg e o g r a p h i c a l m e t h o dt op r o v i d es p a t i a la n dd y n a m i ci n f o r m a t i o na n dh e l ph u m a n i t yd o r e s e a r c ha n dm a k ed e c i s i o n w e b g i si sb u i l to nt h ei n t e r n e tw i t hb r o w s e r s e r v e ra r c h i t e c t u r e ( b s ) n e t w o r kg i s ，i st h eu s eo fw e bt e c h n o l o g i e sf o rt h er e h a b i l i t a t i o na n d d e v e l o p m e n to ft r a d i t i o n a lg i s ，i tc h a n g e dt h et r a d i t i o n a lg i so p e r a t i o n a l m o d e l ，s ot h a tu s e r sc a nt a k ea d v a n t a g eo fc o n v e n i e n t ，i n e x p e n s i v ei n t e m e t b r o w s e rt h r o u g ht h i su n i f i e dg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c el o c a t e di nd i f f e r e n t r e g i o n s t ov i s i td i f f e r e n tt y p e so fs p a t i a li n f o r m a t i o n r e s o u r c e s d i g i t a l c a m p u s i st h e u s eo f c o m p u t e rt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yt os c h o o l sa n d t e a c h i n g ，s c i e n t i f i cr e s e a r c h ， 太原理一 大学硕十研究生学位论文 m a n a g e m e n ta n ds e r v i c el i f eo fa l li n f o r m a t i o nr e l e v a n tt ot h er e s o u r c e st o c o n d u c tc o m p r e h e n s i v ed i g i t i z e d ；a n dt h eu s eo fs c i e n t i f i cs t a n d a r d sf o rt h e m a n a g e m e n to ft h e s ei n f o r m a t i o nr e s o u r c e si n t e g r a t i o na n di n t e g r a t e dt of o r m au n i f i e du s e rm a n a g e m e n t ，i n t e g r a t e dr e s o u r c em a n a g e m e n ta n du n i f i e d a u t h o r i t yc o n t r o l ；t h es c h o o lb u i l d i n gi n t ot h ec a m p u sa n dt h ec o m m u n i t y b e y o n do n et i m e ，b e y o n ds p a c ev i r t u a lu n i v e r s i t y b a s e do nt h ee , ；1 i 1 1 r r l l 。i 。cw e bg ! si sw e b g ! sas p e c i c n r n r n l l e n t i n n f i r s t ， t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h ei m p o r t a n c ea n dn e c e s s i t yo ft h e b u i l d i n go ft h e c a m p u sf i g u r e so nt h eb a s i so ft h ef i g u r e sp r e s e n t e dt a i y u a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yc o n c e p t s e c o n d l nt h ed e t a i l e dd e s i g na n dt h er e a l i z a t i o no f w e b g i sc a m p u s ，i n c l u d i n gt h em a i nc a m p u sw e b g i ss y s t e mn e e d sa n a l y s i s ， s y s t e md e s i g ng u i d e l i n e sa n do b j e c t i v e s ，s y s t e md e s i g np r i n c i p l e s ，s y s t e m d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yl i n e ，s o f t w a r ed i s t r i b u t i o n ，s y s t e ms e c u r i t ys t r a t e g y t h i r d ，f o c u so nt h ec a m p u sw e b g i sd e t a i l e dd a t a b a s ed e s i g n ，i n c l u d i n gt h e c o n s t r u c t i o no ft h em a i ns t e p sa n dp r i n c i p l e s ，s p a t i a ld a t ac o l l e c t i o n ，a t t r i b u t e d a t ac o l l e c t i o n ，m u l t i m e d i ad a t aa c q u i s i t i o na n dg r a p h i cd a t as t r a t i f i c a t i o n f i n a l l y , t h ef u n c t i o nt h a th a si n t r o d u c e dc a m p u sw e b g i si nd e t a i li sd e s i g n e d a n dt h es o u r c ec o d et h a tf u n c t i o nr e a l i z e sp a r t i a l l y k e yw o r d 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 s ，d i g i t a lc a m p u s ，w e b g i s ， d e s i g n ，r e a l i z a t i o n ，t a i y u a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：垫丝翻日期：垒6 ：昱羔! 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：董塑塑日期： q ：篁! ! ! 导师签名：日期： 太原理：i 二大学硕： ：研究生学位论文 第一章绪论 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 ) 的任务是采集、存储、 k 管理、分析和显示地球空间信息。1 。它是以数字化的形式反映人类社会赖以生存的 地球空间和变迁的各种空间数据以及描述这些空间数据特征的属性，以模型化的方 法来模拟地球空间对象的行为，在计算机软、硬件的支持下，以特定的格式支持输 入输出、存贮、显示以及进行地理空间信息查询、综合分析、辅助决策的有效工具。 1 1w e b g i s 的起源 自1 9 6 3 年加拿大地理信息系统( c g i s ) 诞生以来，经过多年来的发展，传统的 g i s 技术已经成熟。g i s 正广泛的应用于城市规划、设施管理、资源、环境、能源、 农业、水利、交通、国防、人口、灾害防护以至人民生活的各个方面，发挥着越来 越重要的作用。 信息高速公路的提出，信息技术以及 n t e r n e t 的飞速发展与广泛应用，人们对 分布式应用研究以及共享信息和知识需求不断增长，从而对6 1 s 的研究也发生了根 本变化。1 9 9 8 年美国副总统戈尔提出了“数字地球”的概念，其核心是全球的信息 化，是对真实地球及其相关现象的统一性的数字化重视和认识。数字地球也是一个 g s 系统，因为它包容了全球与地理有关的信息。数字地球以i n t e r n e t 技术为起点， 建立一个连通全球的信息网络，提供数字地球籍以存在的空间。因此实现“数字地 球”离不开网络化g i s 的支持”“”。 人们在社会生活中不断提出对空间信息更新和更高的需求。越来越多的用户依 赖于互联网获取外界信息。在i n t e r n e t 上使用浏览器进行信息查询，实际上就是向 w e b 服务器端请求数据。不同于常见的文本、图像、声音和视频等信息，对于一些 比较专业的数据，通用的w e b 服务器和浏览器一般不会提供支持。随着i n t e r n e t 的 普及和6 1 s 在各个领域越来越广泛的应用，人们希望通过互联网也能进行g 1 s 信息 的查询。而 n t e r n e t 的迅猛发展和广泛应用，使其必将成为g i s 软件的运行环境， 基于w e b 的6 s 应用已越来越成为广大g s 用户新的迫切的需求。 太原理j ：大学硕士研究生学位论文 w e b o s 是g i s 与i n t e r n e t 的有机结合，是g i s 在广域网环境下的一种应用， 最终的目标是实现空间海量信息的网络化”1 。g i s 通过国际互联网在功能上得到了延 伸，使之能够真正成为一种大众使用的信息工具。从 n t e r n e t 的任意一个节点，人 们可以浏览网上的各种分布式的、具有超媒体特性的地理空间数据及属性数据，进 行地理信息的空间分析、查询，以支持智能辅助决策。通过对空间信息网络化和超 媒体技术的集成，w e b g i s 提供给用户的信息不仅仅是矢量化的空间信息，还有遥感 影像、动态视频、文字说明等多种信息6 1 。 与传统的g 1 s 比较，w e b g i s 有以下优势：是基于网络的c l i e n t s e r v e r 或 b r o w s e r s e r v e r 系统，使原来基于单机或局域网的g i s 系统扩展到整个因特网，并 通过w e b 为世界范围内的网络用户提供地理信息，有助于实现分布式地理信息的存 贮、获取和发布。 1 ) 可提供图形、图像数据与属性数据的动态连接，进行可视化查询和空间分析 功能。地图数据对每一个i n t e r n e t 用户来说都是即时更新的。 2 ) 可以使用户不必购买专用g i s 软件，只通过浏览器，在任意的网络节点就可 进行浏览、查询。 3 ) 与w e b 中的其他信息服务进行无缝集成时，可以实现g i s 数据在中心服务器 上的集中保存、处理，有利于数据的完整性和保密性。 4 ) 适应于不同的软、硬件平台，无论服务器客户机是何种机器，无论w e b g i s 服 务器端使用何种g i s 软件，只要使用通用的w e b 浏览器，用户就可以透明地访问 w e b g i s 数据，实现远程异构数据的共享。 1 2w e b g i s 的目标 w e b g s 虽然已经发展不少时间了，但是它还是不够成熟，从系统角度看，在未 来的几十年内。地理信息将向着数据标准化( i n t e r o p e r a b eg i s ) 、数据多维化 ( 3 d & 4 dg i s ) 、系统集成化( c o m g i s ) 、平台网络化( w e b g s ) 和系统智能化( c y b e r g i s ) 的方向发展。 l 、数据标准化 太原理工大学硕士研究生学位论文 地理数据的继承与共享、地理操作的分析j 与共享、g i s 的社会化和大众化等客 观需求，使得尽可能降低采集、处理地理数据的成本以及实现地理数据的共享和互 操作成为共识。互操作地理信息系统的出现就是为了解决传统g i s 开发方式带来的 数据语义表达上不可调和的问题，这是一个新的g i s 系统集成平台，它实现了在异 构方式下多个地理信息系统之间的互相通信和协作，以完成某一特定任务”。 1 9 9 6 年，美国成立了开放地理信息系统联合会( o g c ，o p e ng i sc o n s o r t i u m ) ， 旨在利用其提出的开放地理数据互操作规范( o g s ) 给出一个分布式访问地理数据和 获得地理数据处理能力的软件框架，各软件开发商可以通过实现和使用规范所描述 的公共接口模板进行互操作。o g i s 规范是互操作g i s 研究中的重大进展，它在传统 地理信息系统软件和未来的高带宽网络环境下的异构处理环境之间架起一座桥梁。 目前，o g l s 规范初具规模，很多g i s 开发商也先后声明支持该规范。国内的一些具 有战略眼光的g i s 软件商也在密切关注着o g s 规范，并已着手开发遵循该规范的基 础性g i s 软件。 2 、数据多维化 三维g i s 目前的研究重点集中在三维数据结构的设计、优化与实现，以及三维 可视化技术的运用、三维系统的功能和模块设计等方面。另外，地理信息系统所描 述的地理对象往往具有时间属性，即时态。随着时问的推移，地理对象的特征会发 生变化，而这种变化可能是很大的，但目前大多数地理信息系统都不能很好的支持 地理对象和组合事件在时间维的处理。许多g i s 应用领域都有基于时间特征的要求， 如区域人口的变化、平均年龄的变化、洪水最高水位的变化等。对这样的应用背景， 仅采取作为属性数据库中的一个属性不能很好地解决问题，因此，如何设计并运用 四维g i s 来描述、处理地理对象的时态特征是g i s 的一个重要研究领域。 3 、系统集成化 组件式软件技术成为了当今软件技术的潮流之一，它的出现改变了以往封闭、 复杂、难以维护的软件开发模式。c o m g i s 便是顺应这一潮流的新一代地理信息系统， 是组件式技术在g 1 s 软件开发中的应用。c o m g s 的基本思想是把g i s 的功能模块划 分为多个组件，每个组件完成不同的功能。各个g i s 组件之间，以及g i s 组件与其 它非g i s 组件之间，可以方便的通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的 1 太原理：( 大学硕士研究生学位论文 g i s 应用。 4 、平台网络化 飞速发展的i n t e r n e t i n t r a n e t 已经成为g i s 新的系统平台，利用】n t e r n e t 技 术在w e b 上发布空问数据供用户浏览和使用是g i s 发展的必然趋势。从w e b 的任一 节点，i n t e r n e t 用户可以浏览w e b g i s 站点中的空间数据、制作专题图，进行各种 空间检索和空问分析，这就是基于w e b 的地理信息系统( w e b g i s ) 。1 。w e b g s 显然 要求支持i n t e r n e t n t r a n e t 标准，具有分布式应用体系结构，它可以看作是由多 主机、多数据库与多台终端通过i n t e r n e t i n t r a n e t 组成的网络。 5 、系统智能化 赛博空间( c y b e r s p a c e ) 是以计算机技术、现代通讯、网络技术、虚拟现实技术 的综合应用为基础，构造出一种人们进行社会交往和交流的新型空间，是一个人工 世界。在赛博空间中具有智能能力的g s 系统就是c y b e r g s ，它自动地接受用户以 高级语言描述的指令，利用它能够感知并作用于所处的赛博空间的“本领”。通过与 其他空间智能体的交互，为用户找到赛博空间中所需要的信息。 1 3w e b g i s 的现状 从9 0 年代开始，人们对g s 的网络开发和应用做了很多有意义的探讨并提出了 很多实现模型。 由于i n t e r n e t 技术本身正处于发展阶段，尽管w e b g i s 软件发展很快，总的说 来还处于初级阶段。目前，w e b g i s 的建设面临四个方面的挑战。 1 ) 数据的继承问题。在开发新的g s 应用的过程中，不可避免要使用旧的地理 数据，还要使用其它g s 应用程序生成或处理的地理数据“。如何不经过复杂的数 据转换或拷贝而直接使用这些异质、远程的地理数据成为对g s 互操作性的要求。 2 ) 数据的共享问题。随着现代航测技术、卫星遥感技术和全球定位系统技术的 应用，地理数据的积累越来越庞大，数据共享问题越来越突出。 3 ) 数据的操作问题。随着g i s 发展的迅速，应用的深入，所要处理的数据量也 日趋庞大、复杂，本地的计算平台往往不能承担这些计算或存储量。如何将计算合 太原理：| = 大学硕士研究生学位论文 理地分柿到网络中具有相应计算和存储能力的计算平台上，成为对g 1 s 分布操作的 刻不容缓的问题。 4 ) 网络内容的交互问题。随着系统用户数量迅速上升，海量信息的涌现，以往 的那种集中式信息处理模式即胖服务器瘦客户端的布局不仅缺乏交互性，费时费力， 而且系统不堪重负。 由于w e b g i s 的重要性和它所提供的巨大商业机会，世界各大g s 厂商纷纷推出 自己的w e b g i s 产品“”。现在全球有很多网站可以提供用户交互访问远程g i s 服务的 能力。这些系统通过本地机运行远程主机上的g i s 软件。g i s 和 n t e r n e t 是正在迅 速发展的技术，它们使得g t s 软件开发人员“能够设计出主要面向专家级的应用， 或使之接近专业人员甚至是普通大众”。一些著名的商业g i s 软件包，诸如e s r i 的 a r c i n f o 和a r c v i e w ，是通过运行他们自己的w e b 服务器。许多在线系统是为特定 的任务量身定做的，这或许也是大多数基于w e b 的g i s 系统的发展之路。 1 4 课题的背景及目的 1 9 9 0 年由美国克莱蒙特大学教授凯尼斯格林( k e n n e t hg r e e n ) 发起并主持的一 项大型科研项目“信息化校园计划”( t h ec a m p u sc o m p u t i n gp r o j e c t ) ，是数字化 校园的概念最早出现。1 9 9 8 年1 月3 1 日，美国前副总统戈尔( a lg o r e ) 在美国加利 福尼亚科学中心发表了题为“数字地球：二十一世纪认识地球的方式”的演讲，最先 提出“数字地球”概念，全世界普遍接受数字化概念，引出“数字城市”、“数字校 园”等各种概念。 数字化校园是利用计算机技术、网络技术、通讯技术对学校与教学、科研、管 理和生活服务有关的所有信息资源进行全面的数字化：并用科学规范的管理对这些 信息资源进行整合和集成，以构成统一的用户管理、统一的资源管理和统一的权限 控制；把学校建设成面向校园内，也面向社会的一个超越时间、超越空间的虚拟大 学“。数字校园系统将成为校园新的信息源，任何与校园有关的信息都将给定位， 并与空间数据联系起来。用户将可以图文并茂的查询校园信息，而且获得最为直接 的效果。数字校园系统有很大的集成度，用户可以随时获得所需的信息，就如同置 太原理： 火学硕士研究生学位论文 身于校园中一般。从而可以提高校园对外的知名度，而且给学校的各项工作都带来 了很大方便，可为学校创造可观的社会效益。 太原理工大学是山西省唯一的一所2 1 i 工程重点大学，近几年来，学校的发展 可以用日新月异来形容，学校的管理水平对其未来的发展具有举足轻重的作用。g i s 为校园的动态管理与规划提供了一个有效的、现代化的管理工具，应用地理信息系 统技术，能更高效、直观、综合地管理空间和属性信息。它比单纯的基于属性数据 库的管理信息系统具有更直观、信息容量更大的优点，它能有效地提高校园的管理 水平。因此数字工大的提出对我们学校的发展有比较重大的意义。 太原理i ：人：学硕士研究生学位论文 第二章地理信息系统概要 2 1 地理信息系统( g i s ) 2 1 1g i s 概要 地理信息系统( g i $ ) 是融计算机图形学和数据库以及信息系统于一体的存储和 处理空间信息的高新技术，它把地理位置和相关属性有机的结合起来，根据实际需 要准确真实图文并茂地输出给用户。可以借助其独有的空间分析功能和可视化表达 进行各种辅助决策的这些特点己使其成为现代社会必不可少的基础设施，即将渗透 到生产生活的每一方面。 从学科角度定义，g i s 属于技术学科，它主要涉及地理学、测量学、制图学、 摄影测量与遥感、计算机科学。特别是在计算机制图、数据库管理、计算机辅助设 计、遥感和计量地学形成了g i s 的理论与技术基础，计算机辅助设计偏重于图形处 理与设计，数据库管理系统主要实现对地形和非图形数据的优化存储、管理与检索， 遥感技术是对遥感图像进行处理和分析以提取专题信息的技术。 从计算机的角度看，地理信息系统是由计算机硬件、软件、数据和用户4 大要 素组成，如图2 - 1 。硬件包括各类计算机及其输入输出和网络设备，软件是支持信 息的采集、处理、存储管理和可视化输出的计算机程序系统，数据则包括图形和非 图形数据、定性和定量数据、影像数据和多媒体数据等，用户是地理信息系统所服 务的对象，是地理信息系统的主人，g i s 的用户一般分为普通用户和从事系统的建 立、维护、管理和更新的高级用户。在4 大组成要素中，数据处于核心地位，用户 通过软件和硬件操纵数据，在地理信息系统成本构成中，硬件、软件和数据的比通 常为1 ：2 ：7 。 太原理i ：人学硕士研究生学位论文 图2 - 1 地理信息系统的构成 f i g 2 - 1g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mc o m p o s i t i o n 2 1 2g i s 的电子地图 建立地理信息系统的基本步骤之一是数据采集，数据采集也是一个完整的g s 系统应具备的基本功能。地理数据分为空间数据和属性数据两部分，数据采集也因 此分为空间数据的采集和属性数据的采集。空间数据的采集方法有很多，目前由采 集的数据源不同可分为地图数字化，遥感数据获取和以g p s 为数据源的数据采集等。 其中，地图数字化是最基本的数据采集方法“”。 1 、地图数字化 在地图数字化中，首先要选择合适的地图投影和建立适当的坐标系。而地图数 字化所采用的具体方法受设备条件，人力条件和数字化内容的影响。早期时由于受 g i s 软硬件的限制，主要采用手工键盘录入地图的方式。但是随着数字化仪和扫描 仪获取地图数据的方式逐渐普及起来，大大提高了数字化的精度和速度。 1 ) 利用数字化仪获取数据。数字化仪是直接以矢量形式获取地图指标数据，绝 大多数的g i s 和图形处理软件都带有利用数字化仪进行数字化的模块，而g i g 的系 统设计者亦可以自己编写数字化接口程序。 2 ) 利用扫描仪获取数据。扫描矢量化是目前较为流行的数字化方法，这种方法 是先用扫描仪将地图扫描为栅格图象，然后对栅格图象进行屏幕跟踪矢量化。 不同的地图数字化方法其数字化的具体技术方法也稍有不同，但其基本步骤可 归纳为确定数字化路线、准备数字化地图、设置数字化仪、确定投影方式和坐标系、 r 太原理l ：火! 学硕一协册究生学位论文 利用数字化软件进行数字化等内容。 2 、遥感数据获取 遥感数据采集因为涉及的内容非常，。泛，而且其技术含量也非常高，所以就目 前来说它的用法还远没有被普及，主要是因为各种客观因素限制，例如遥感地图的 设备和数据采集费用就比较昂贵等。 3 、用g p s 采集数据 用g p s 采集数据也是当前比较常用的一种新型手段。全球定位系统( g l ，sg l o b a l p o s it i o n i n gs y s t e m ) 是美国从7 0 年代开始研制，前后历时2 0 年，耗资1 0 0 多亿美 元，在9 0 年代中期建成的具有全方位、全天候的新一代卫星导航定位系统1 。 2 1 | 3g i s 数据模型 空间数据模型是对空间数据元素之间的描叙。空间数据按其存储格式分为两大 类，即矢量数据和栅格数据。矢量数据按其是否明确表示地理实体的空问相互关系 分为拓扑型数据和实体型数据两种类型。栅格数据按其压缩编码方式不同也分为游 程压缩编码，链式编码和四叉树压缩编码等多种形式。各种形式的空间数据结构及 其相互转换一直是深入研究g i s 的主要内容。 1 、矢量数据模型 矢量数据是人们较为习惯的一种表示空间数据的方法。它是指通过记录地理实 体坐标的方式精确的表示点、线、面等实体的空间位置和形状。矢量数据按其结构 是否明确表示地理实体间空间相互关系分为拓扑型数据和实体型数据。 a 实体型数据模型 实体型数据模型是最简单的矢量数据模型。在实体型数据模型中，点用对( x ，y ) 表示，线用两个或两个以上有序坐标对来表示等等。用实体型数据模型表示空问数 据直观明了，但是用实体型数据模型组织空间数据有以下不足： 1 ) 相邻多边形的公共边界被存储两次，造成数据的多余和不一致； 2 ) 不能显示表达空间实体间的拓扑关系； 3 ) 不能表示含岛结构的复杂多边形。 太原理l ：火学硕十研究生学位论文 在实际应用中，有代表的实体型数据模型有a t i a sg r a g p ic s 的b n a 数据格式， 这是一种a s c l 格式文件，可用各种文本编辑器进行数据录入。 b 拓扑型数据模型 拓扑型数据模型有坐标文件、节点文件、弧段文件和多边形文件等一系列含拓 扑关系的数据文件组成。节点文件由节点记录组成，存储每一个节点号、节点坐标 及与该节点连接的弧段等：弧段坐标文件存储组成弧段的点的坐标；弧段文件由弧 记录组成，存储弧段的起止节点号和左右多边形号：多边形文件由多边形记录组成， 存储多边形号、组成多边形的弧段号以及多边形的周长、面积和中心的坐标。 2 、栅格数据模型 尽管习惯于用矢量数据模型组织空间数据，但是栅格数据模型更适合计算机的 处理和表达。栅格数据模型表示的是不连续的、经量化的近似数据，栅格数据的比 例尺就是栅格大小与地表相应单元之比。由于栅格单元直接记录的是地理实体的属 性值或指向属性的指针，因此其特点是属性明显而位置隐含。 在6 s 中常用的栅格数据的压缩编码技术有游程压缩编码、链式数据编码、四 叉树编码、分块压缩编码等。 3 、矢量与栅格数据格式的转换 由矢量数据模型和栅格数据模型可以看出因为其存储数据的方式不一样，必然 导致其数据量的不一样。矢量数据模型因其虽然组织结构比较简单，但是它的代价 就是消耗了大量的存储空间，因此这种数据组织模式存储的数据量相当大，而栅格 数据模型模式存储的数据量则大大减少。于是在某些场合数据的转换就成为了必要。 a 矢量到栅格数据格式的转换 由矢量到栅格数据格式转换之前，首先要确定栅格单元的大小：栅格单元的大 小又称为栅格图象的分辨率。栅格单元的大小直接决定了矢量数据转换后的精度“”。 如图2 2 所示，设d x 和d y 分别为栅格单元在x 和y 方向上的边长，x m a x ，y m i n 和y y 表示图形的边界范围，m 和n 表示转换后栅格的行数和列数，则有如下关系： m = iy m a x y m n i d y n = ；x m a x x m i n f d x 太原理：i ：火学硕十研究生学位论文 图2 - 2 矢量栅格数据转换关系 。 f i g u r e2 - 2v e c t o rr a s t e rd a t ac o n v e r s i o nr e l a t i o n s b 栅格到矢量数据格式的转换 要将栅格数据还原矢量数据就必须实行其栅格数据到矢量数据的转换。基本的 方法和步骤： 1 ) 图象二值法：将扫描后按o - 2 5 5 不同灰度值量度的数据压缩到两个0 和灰阶， 设g ( i ，j ) 为原栅格图象灰阶值距阵，b ( i ，j ) 为压缩后的二值化距阵，t 为定义在 最大与最小灰阶之间的阂值。则有 2 ) i fg ( i ，j ) zt h e nb ( i ，j ) - 1e l s eb ( i ，j ) = 0 3 ) 细化或提取边界点和节点。 4 ) 边界线跟踪和生成拓扑关系。 5 ) 去除冗余节点：由于边界或弧段是在对栅格的逐点跟踪过程中生成的，当边 界为直线或近似直线是，会造成大量冗余节点。当然还有比较常见的方法是双边晃 直接搜索法。 2 1 4g i s 数据库设计 从数据处理的角度来看，g i s 又是以空间数据为中心的信息转换系统。这个空 间数据库的本身是地理现象的多面模型，接受多样性的数据输入和提供多样性的信 太原理：1 ：入学硕十研究生学位论文 息产品。 尽管设训数据库的过程和方法都与一般的数据库设计时有相同的地方，但是由 于g i s 既管理空间数据又管理与空问数据相关联的属性数据，所以g i s 数据库的设 计就比其它的数据库系统要复杂的多。 下面是几个值得注意的方面： 1 、地理元数据 元数据是关于数据的数据，是有关数据和信息资源的描述信息。地理元数据是 关于地理相关数据和信息资源的描述信息。它通过对地理空间数据的内容、质量、 条件和其它特征描述与说明，帮助人们有效地定位、评价、获取和使用地理相关数 据。 空间元数据是一个由若干复杂或简单的元数据项用与记录的组合。 2 、地理信息的分类和编码 地理信息的种类繁多、内容丰富，涉及很多领域，如何将它们有机地进行组织、 存储、管理和检索，直接影响数据库乃至整个g i s 的应用效率。只有将地理信息按 一定的规律进行分类和编码，使其有序地存入计算机，才能对它们有效地管理。 地理信息分类应按以下几个原则进行分类和编码： 科学性 系统性 稳定性 不受比例尺限制 兼容性 完整性和可扩展性 适用性 灵活性 但是随着国际交往地增多，地理信息分类与编码还应该考虑国际信息交流地需 求，尽量与国际相关标准接轨。 地理信息分类是将具有不同属性或特征的信息区别开来地过程，它是编码的基 础。信息编码是将地理信息分类的结果用于计算机和人识别的符号体系表示出来的 1 ， 太原理：| 二大学硕十研究生学位论文 过程。 地理信息分类码的价值主要体现在以下几个方面： 在采集数据时，利用分类码作为用户标识码( i d ) 输入数据。 在维护管理数据时，分类码可以用于检查数据的精度和完整性，对数据层进 行调整或重新组织。 在地理信息系统应用中，分类码是最为频繁、最重要地检查因子。 在信息服务和数据共享时，往往借助分类码向用户提供所需的数据。 分类码在地理信息系统地应用是多方面的，应当十分重视分类码的标准化。 2 1 5 电子地图制作 1 、用m a p l n f o 地图数字化 制作电子地图主要包括下面两个部分： 1 ) g i s 数据的显示样式调整 测量所得数据经过处理后，仅仅为一些坐标点，还不能以直观的形式显示，更 不能进行数据分析。因此，须先将各种构造物按表的要求转化为点、线或区域样式， 再调整其具体属性，包括颜色、大小、形状等。 2 ) 栅格图像的矢量化 为降低电子地图的制作费用，我们不必也不可能对地图上的所有点进行实测， 此时我们使用已有的栅格地图的相对位置信息来获得其它的地理数据。 首先，在m a p i n f o 中以表的方式打开栅格地图，并将图像配准。栅格图像配准 主要包括选择投影和单位，输入控制点，编辑控制点等步骤。 然后，新建数字化图层，并使其处于可编辑状态。 之后是屏幕跟踪矢量化地图，在这里可以使用自动跟踪或手动跟踪。自动跟踪 简单快捷，但精度较低：手动跟踪费时费力，但有较高精度。因此应根据实际情况 选择使用。 2 、m a p x 的集成地图技术 m a p n f om a p x 是低价高效、强大的a c t i v e x 组件，可以很方便地集成到使用标 太原理：| = 人学硕十研究生学位论文 准可视化编程工具开发的商业应用中”。m a p l n f om a p x 支持您将地图功能添加到任 何应用中，提供了一种高度可视化的方法，来显示和分析基于位置的数据，从而更 好地为客户服务。 特点： 1 ) 真正的对象链接和嵌入( o l e ) ，可以进行快速应用开发。m a p x 支持开发者方 便快捷地将地图功能集成到新的或已有的应用中。可以使用标准的编程语言：v j s u a b a s i c ，v i s u a c + + ，d e l p h i p o w e r b u i l d e r 和o r a c l ee x p r e s so b j e c t s 等。因为 不需要学习新的或高难度的编程语言，开发者可以快速展开工作，方便地设计和实 现地图功能和特性。m a p l n f om a p x 提供了一个流线化的对绿模型，大量的方法和事 件，高效的属性页和默认值，以及其他向导，来帮助简化应用开发。 2 ) 强大的地图功能，包括地图查看、操作和专题制图功能。专题制图允许用户 指定颜色、符号来在地图上表达数据值，包括范围渲染、独立值、点密度、饼图和 柱状图、符号等级图。 3 ) 空间服务器访问( s s a ) 支持开发者连接企业级空间服务器中的动态数据，这些 服务器包括o r a c l e 9 is p a t i a l ，i n f o r m i x 和i b m ，d b 2 数据库。 m a p i n f om a p x 完全支持o r a c l e 9 is p a t i a l 的s d o - g e o m e t r y 空间数据格式。还 支持o r a c l e 的坐标系统和投影。对直通机制的支持使得任何有效的s o l 查询可以传 递给o r a c e 9 i 。 m a p i n f om a p x5 0 版还使用o r a c l e 的o c i ( o r a c l ec a li n t e r f a c e ) p r e f e t c h 方法，在每个请求中检索多行数据，从而提高了性能。 同时还支持其他常用的数据访问方法，包括对m i c r o s o f ta c c e s s 和m i c r o s o f t s o ls e r v e r 的访问。m a p i n f om a p x 还将可以直接读取e s r is h a p e 格式。栅格数据 可以用于m a p l n f om a p x ，以便增加诸如航空照片此类的位图。 4 ) 支持对象合并、创建缓冲区、对象擦等图形编辑功能。节点编辑功能允许用 户通过增加、删除和移动单个节点来编辑几何图形，如多边形。 5 ) 包括缩放、漫游、查询、距离测算和图层控制在内的用户控制。 6 ) 通过圆域、矩形和多边形选择数据。 7 ) m a p n f om a p x 可以导出为下列格式：j p g ，g i f ，w m f ，b m p ，t i f ，p n g ，p s d 。 1 4 太原理：c 大学硕士研究生学位论文 2 2 网络地理信息系统( w e b g i s ) 2 2 1w e b g i s 概要 网络地理信息系统( w e b g s ) 可以简单定义为w e b 上的g i s ，它以w e b 页面作为 g i s 软件的用户界面，是基于i n t e r n e t i n t r a n el 的技术标准和通信协议的网络化 地理信息系统。w e b g i s 由数据库服务器( s e r v e r ) ，w e b g s 代理服务器( 1 n f o r m a t i o i l a g e n t ) 和w e b g i s 浏览器( b r o w s e r ) 组成“。见图2 - 3 。 图2 - 3 w e b g i s 的组成 f i g 2 - 3w e b g i sc o m p o s i t i o n 每一个w e b g i s 服务器是信息的提供者，它相当于个分布式节点，定义统一的 入口。w e b g i s 代理服务器舶主要功能是通过本地的服务器响应来缓冲直接访问w w w 的请求。代理服务器保存了各分布式节点的元数据，通过网络协议和元数据规范与 各w e b g i s 服务器相连，可对元数据进行查询和分析。在安全性方面，通过代理服务 器的过滤，可以增强内部网络的安全性。w e b g i s 浏览器是客户端的应用程序，提供 了人机交互的界面。人们通过它向服务器发出请求，同时解释和显示服务器回送的 h t m l 页面。它可直接与数据服务器相连，实时获取w e b g i s 服务器的各种数据，也 可通过w e b g l s 代理服务器实现数据预览、可视化查询。地理信息系统同时管理地理 空问信息和数据库属性数据，可进行空间分析和可视化表达，能进行各种辅助决策， 太原理：c 火学硕士研究生学位论文 。泛应用于城市规划、市政设施、交通管理、电子地图、环境保护、灾害处理、旅 游路线等领域。随着g i s 的不断成熟与发展，它要求有更新的手段来解决不断出现