（计算机软件与理论专业论文）组件式地理信息系统平台研究.pdf

哈尔滨榨大学硕十学位论文 摘要 本文研究了丌发组件式地理信息系统平台的相关技术，给出r 一个组件式地理信息系统平台的架构。 本文首先介绍了地理信息系统的组成、功能及其标准化等方面 的内容，分析了组件式地理信息系统的优点及其现实意义。在分析 现有专业开发工具使用的局限性的基础上，提出建立一个新的、具 有自主版权的、集成的、组件式的地理信息系统平台。 本文充分利用现代计算机以及信息处理方面成熟的技术，如面 向对象技术、组件技术等，探讨解决系统实现的关键技术问题。作 者研究了地理信息系统的基本功能及其相应子系统的划分：研究了 面向对象方法构建的地理信息系统中的对象的类的层次，分析了采 用c o m 规范的必要性和合理性。介绍了通用的空间数据结构及其空 间数据的存储，提出了空间数据组织方案。研究了空间数据的连接 查询，并给出了一个实用的空间m 近邻查询的改进算法。最后在这 些基础上提出组件式地理信息系统平台设计的步骤及体系架构，并 给出其数据管理组件及空间分析决策支持组件的软件结构。 本文对开发具有自主版权的、集成新讨算机技术的组件式地理 信息系统软件平台做出了一些探索。组件式g i s 技术会给整个g i s 技术体系和应用模式带来巨大影响，为传统g i s 面临的多种问题提 供了全新的解决思路。 关键字：地理信息系统，组件对象模型，面向对象，软件平台 莹：鎏三堡：ji 薯兰i 窑坠： a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h er e l a t e dt e c h n o l o g i e so fd e v e l o p i n gg i sp l a t f o r m a r es t u d i e da n dak i n do fc o mg i sp l a t f o r ms t r u c t u r ei sg i v e n t h ec o n s t i t u t i o n f u n c t i o na n ds t a n d a r d i z a t i o no fg i sa r e f i r s t i n t r o d u c e d i nt h i s p a p e r ，t h e n t h e a d v a n t a g e a n dt h er e a l i s t i c s i g n i f i c a n c e o fc o mg i sa r e a n a l y s e d o nt h eb a s eo fa n a l y s i n gt h e l i m i t a t i o no ft h es p e c i a le x i s t i n gt o o l s ，i ti sp r o p o s e dt oe s t a b l i s hag i s p l a t f o r m ，w h i c hi sn e w ，w i t hs e l fc o p y r i g h t ，i n t e g r a t e da n d b a s e dc o m t h em a t u r ec o m p u t e ra n di n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e so f m o d e r nt i m e s ，s u c ha s0 b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g ya n dc o mt e c h n o l o g y ， a r em a d ef u l lr i s eo fi nt h i sp a p e r ，a n dt h ek e yt e c h n o l o g i e so nh o wt o r e a l i z et h es y s t e ma r ed i s c u s s e d t h eb a s i cf u n c t i o na n dt h ep a r t i o no f g i sa r es t u d i e d 。a n dt h e ni ti sb r o u g h tf o r w a r do nh o w t oc o n s t r u c tt h e o oc l a s so fg i s ，a n dt h ei m p o r t a n c ea n dt h er a t i o n a l i t yo fa d o p t i n gt h e c o mc r i t e r i o na r ea l s oa n a l y s e d t h ec o m m o ns p a t i a ld a t as t r u c t u r e a n di t s s t o r a g ea r ei n t r o d u c e d ，a n dam e t h o do nh o w t oo r g a n i s i n gt h e s p a t i a l d a t ai s p u t f o r w a r d t h e nt h ej o i n q u e r y o fs p a t i a ld a t ai s s t u d i e d ，a n d ab e t t e r m e n ta r i t h m e t i co fh o wt o g e t t h e i n n e a r n e i g h b o u r so fas p a t i a lo b j e c t i s g i v e n a b o v e a l lo ft h e s e t h ed e s i g n s t e p s a n dt h es t r u c t u r eo fg i ss o f t w a r e p l a t f o r m a r e b r o u g h t f o r w a r d ，a n dt h es o f t w a r es t r u c t u r eo fi t s d a t am a n a g e m e n tg r o u p w a r e a n ds d s sg r o u p w a r ea r eg i v e n i nt h i s p a p e r ，h o w t o d e v e l o p t h es o f t w a r e p l a t f o r m o fc o m g i s ，w h i c h h a ss e l f c o p y r i g h t a n d i n t e g r a t e s t h en e w c o m p u t e r t e c h n o l o g i e s ，i s s t u d i e d c o mg i sw i l lb r i n gg r e a ti n f l u e n c eo fg i s t e c h n o l o g ys y s t e ma n dg i sa p p l i c a t i o np a t t e r n ，a n dan e wm e t h o d o u h o wt or e s o l v et h ep r o b l e m so ft r a d i t i o n a lg i si sg i v e n k e yw o r d s ：g i s ，c o m ，0 b j e c t o r i e n t e d ，s o f t w a r ep l a t f o r m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 地理信息系统 第1 章绪论 1 1 1地理信息系统简介 地理信息系统( g e o g r a p h i cin f o r m a t io rs y s t e m 简称g i s ) 是 集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空恻 科学、信息科学、应用数学、管理科学为一体的新兴学科，是在计 算机软硬件平台支撑下，以采集、存储、管理、分析描述地球表面 与空间地理分布有关的数据的空间信息系统“。传统的测绘工作者 绘制的地图是一种“模拟”地理信息系统，它虽有图形数据及拓扑 关系，也有属性数据，但在图面上的空间数据不便于多层叠加分析， 不便于精确和快速量算，不便于及时更新，更不便于图形数据与属 性数据的相互作用、共同分析。而构建在计算机软硬件平台上、以 信息网络为基础的地理学空间系统，将地图( 空间数据库) 和文字描 述( 属性数据库) 结合起来，实现空间地理信息和文字属性数据的共 同处理和查询分析，图文并茂、形象直观。将过去手工、单一、静 态、以定性为主的分析技术推进到多数据源、时空结合、定性和定 量结合的综合分析技术，成为资源、环境管理和决策的重要技术手 段。 g i s 由五个主要的元素所构成：硬件、软件、数据、人员和方 法2 t “。 硬件：是g i s 所操作的计算机，今天g i s 软件可以在很多类型 硬件上运行，从中央计算机服务器到桌面计算机，从单机环境到网 络环境。 软件：g i s 软件提供所需的存储、分析和显示地理信息的功能和 哈尔滨i ：程人学硕p 学位论文 工具。主要的软件部件有： 输入和处理地理信息的： 具 数据库管理系统( d b m s ) 支持地理查询、分析和视觉化的工具 容易使用这些工具的图形化界面( g u i ) 数据：一个g t s 系统中最重要的就是数据了。地理数据和相关 表格数据可以自己采集或者从商业数据提供者处购买。gt s 把空间数 据和其他数据源的数据集成在一起，可以使用被大多数公司采用柬 组织和保存数据的数据库管理系统，来管理空间数据。 人员：g i s 技术如果没有人员来管理系统和制定讨划应用于实际 问题，将没有什么价值。g i s 用户的范围包括从设计和维护系统的技 术专家，到那些使用该系统并完成他们每天工作的人员。 方法：成功的g i s 系统，具有好的设计计划和自己的事务规律， 这些都是规范而且对每一个公司来说具体的操作实践又是独特的。 虽然g i s 是一门多学科综合的边缘学科，但其核心是计算机科 学，基本技术是数据库、地图可视化及空间分析( 见图i 1 ) ；因此， 可以这样定义：g i s 是处理地理数据的输入、输出、管理、查询、分 析和辅助决策的计算机系统。 图1 1地理信息系统的组成 地理信息系统按内容、功能和作用可分为两类：工具型地理信 息系统和应用型地理信息系统“”1 。 工具型地理信息系统也称地理信息系统开发平台或外壳，它是 具有地理信恳系统基本功能，供其它系统调用或用户进行二次丌发 的操作平台。地理信息系统是一个复杂庞大的空间管理信息系统。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用地理信息技术解决实际问题时，有大量软件开发任务，如各用户 重复开发埘人力物力是很大的浪费。工具型地理信息系统为地理信 息系统的使用者提供种技术支持，使用户能借助地理信息系统工 具中的功能直接完成应用任务，或者利用工具型地理信息系统加上 专题模型完成应用任务。 应用型地理信息系统是根据用户的需求和应用目的而设计的一 种解决一类或多类实际应用问题的地理信息系统，除了具有地理信 息系统的基本功能外，还具有解决地理空间实体及空间信息的分布 规律、分布特性及相互依赖关系的应用模型和方法。它可以在比较 成熟的工具型地理信息系统基础上进行二次开发完成，工具型地理 信息系统是建立应用型地理信息系统的一条捷径。应用型地理信息 系统也可以是为某专业部门专门设计研制的，此系统针对性明确， 专业性强，系统开销小。 经历三十多年的发展，地理信息系统正在形成完整的技术系统 并逐渐建立其理论体系。g i s 应用也已形成一个多层次和不同尺度的 应用格局，成为信息产业的重要组成部分。然而，计算机技术和全 球信息网络技术的飞速发展，对g i s 产生了巨大的冲击，组件式g i s 和万维网g i s 等新兴技术应运而生，g i s 正在进入一个崭新的发展阶 段。g i s 同时管理地理空问信息和数据库属性数据，广泛应用于城市 市政设旋管理、管网、电信、电力、土地管理、城市规划、交通管 制、房地产、旅游、公安、消防、资源、环境、国土规划等领域。 1 12 地理信息系统的功能 由于地理信息系统发展的多源性，其功能具有可扩充性以及应用 的广泛性。其基本功能包括“”? ： ( 1 ) 数据的采集、检验与编辑：主要用于获取数据，保证地理信 息系统数据库中的数据在内容与时间上的完整性、数据值逻辑一致 及无错等。一般而论，地理信息系统数据库的建设占整个系统建设 3 哈尔滨r 程大学硕士学位论文 投资的7 0 或更多。为此信息共享和自动化数据输入成为地理信息系 统研究的重要内容。 ( 2 ) 数据操作( 数据格式化、转换、概化) ： 数据格式化是指不同数据结构的数据间变换，是一种耗时、易错、 需要大量计算的工作。 数据转换包括数据格式转化、数据比例尺的变换。在数据格式的 转换方式上，矢量到栅格的转换比其逆运算快速、简单。数据比例 尺的变换涉及到数掘比例尺的缩放、旋转、平移等方面，其中最重 要的是投影变换。 数据概化包括数据平滑、特征集结等。 ( 3 ) 数据的存储与组织：这是一个数据集成的过程，也是建立地 理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织。 栅格模型、矢量模型或栅格3 v 量混合模型是常用的空间数据组织方 法。空吲数据结构的选择在很大程度上决定了系统所能执行的数据 分析功能。在地理数据的组织与管理中，最为关键的是如俺将空j 且j 数据和属性数据融合为一体。大多数现行系统都是将二者分开存储， 通过公共项( 一般为地物标识码) 来进行连接。 ( 4 ) 查询、检索、统计、计算功能：查询、统计、计算是地理信 息系统以及其它许多自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分 析功能。 ( 5 ) 空间分析：这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，是地理信息系统应用深化的重要 标志。包括缓冲分析、叠首分析，拓扑分析等几个方面。 ( 6 ) 可视化：地理信息系统为用户提供了许多用于显示地理数据 4 哈尔滨【程大学硕士学位论文 的工具，尤为重要的是地理信息系统的地图输出功能。 1 1 3 地理信息系统的标准化 g i s 的主要目的是提供空间决策支持，关键的一个问题就是实现 信息共享。各部门信息的交换和流通正是信息社会的基础。信息共 享的实现除了由国家颁布定的法律规范来保障外，最需要的是要 有统一的g i s 标准。g i s 标准化是一个综合而复杂的概念，它的内容 非常3 “泛，涉及到几乎所有与g i s 有关的领域。对g i s 标准化的内 容，i j 以分两个层次去理解。一是狭义的标准化，其内容包括数据、 数据交换、数据库转换、图形、软件、硬件等方面的标准。即主要 包括空间数据标准和信息技术标准两个方面。二是广义的标准化， 其内容则更为广泛，除以上两个方面外，还包括地理、算法、解译 和行业标准等方面的内容。 标准化是g i s 技术开发、系统建立与运行的一种重要机制。现 在对这种机制的需要比以往任何时候都更为迫切。从技术的角度看， g i s 标准建立在计算机和信息处理等多种技术的标准之上，离开了这 些标准，就无法开发最基本的系统。从应用的角度来看，一个g i s 系统的成功在很大程度上依赖于数据和各种模块的综合与集成。一 般情况下，要达到这目的，有两种途径，即通过大量丽分散的个 体工作而实现，或者通过制定和实施某种标准进行综合集成。显然， 前者只能是一种短期的有限解决办法，而长期的综合性办法必须依 靠标准的制定及其实施。所以，g i s 标准是数据共享和系统集成的重 要前提，同时也是提高综合效益的必由之路。 g i s 的标准化问题不但涉及g i s 技术本身，而且与各种相关技 术，特别是与计算机和信息处理技术密切相关。它产生的影响也非 常之深刻，对未来这一技术的推广和应用，以及整个g i s 界都将产 生巨大影响。一个可行的标准是数据共享和g i s 集成的盼提，标准 化可以增强g i s 系统的功能、灵活性和效率，也使它更易于推广应 用。总之，g l s 标准化的作用是多方面的，归纳起来主要有以下几个 哈尔滨 释人学硕十学位论文 方面： 1 ) j j 移植性：为了获得在硬件、软件和系统上的综合投资效益， 系统必须是可移植的，使所开发的应用模块和数据库能够在各种计 算机平台e 移植。 2 ) 巨操作性：1 一个大型信息系统，往往是一个由多种计算机平 台组成的复杂网络系统，有了标准，可以促进用户从网络的不同节 点上获取数据。即从不同硬件环境中获取数据和实现各种应用。 3 ) 可伸缩性：为了适应不同的项目和应用阶段，一种优秀的软 件必须以相同的用户界面在不同大小级别的计算机上运行。 4 ) 通用环境：标准提供了一个通用的系统应用环境，如提供通 用的用户界面和查询方法等。利用这个通用环境，用户可以减少在 学习上的弯路和提高生产效率。 另一方面，一个g i s 标准的制定实际上是一项重大的技术进步。 它为建立各种系统软件和硬件组成提供了标准界面，也为检测各部 分功能的j 下确性提供了机会。所以标准被认为是系统开发和集成的 个最好的指南。极大地增强了数据的应用、信息共享和数据产7 e 的能力，提高了系统的经济效益。 1 1 4 组件式地理信息系统 g i s 技术从发展历程看，经历了g is 模块，集成式g i s ，模块化 g i s ，核，心化g i s ，组件式g i s 和w e b g i s 六个阶段。组件式g i s 足 g i s 技术发展的一个全新的阶段。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，而且具有面向 对象的可视化的界面和使用方便的标准接口，可以与传统的m i s 、0 a 等系统有机的集成，克服传统g i s 与m i s 系统难于成一体的缺点。 因而组件式g i s 有着广阔的发展前景”。 1 ，1 4 1 组件式g i s 系统的特点 把g i s 的功能适当抽象，以组件形式供开发者使用，将会带来 f 喻尔滨f ：程大学硕十学位论文 许多传统g i s 工具无法比拟的优点“： 1 ) 小巧灵活、价格便宜 在组件模型下，各组件都集中地实现与自己最紧密相关的系统 功能。组件化的g i s 平台集中提供空间数据管理能力，并且能以灵 活的方式与数据库系统连接。在保证功能的前提下，系统表现得小 巧灵活，而其价格仅是传统g i s 开发工具的十分之一，甚至更少。 这样，用户便能以较好的性能价格比获得或开发g i s 应用系统。 2 ) 直接嵌入m i s 开发工具 组件的生产建立在严格的标准之上，冈此，儿符合标准的组件 都叮在目的流行的各种开发工具上使用。这样，v b 、v c 、d e l p h i 、 p o w e r b u i l d e r 、n o t e s 、f o x p r 0 、a c c es s 等都可直接成为g i s 或g m i s 的优秀丌发工具，它们各自的优点都能够得到充分发挥。这与传统 g i s 专门性开发环境相比，是一种质的飞跃。 3 ) 强大的g i s 功能 新的g i s 组件都是基于3 2 位系统平台的，采用i n p r o c 直接调 用形式，所以无论是管理大数据的能力还是处理速度方面均不比传 统g i s 软件逊色。小小的g i s 组件完全能提供拼接、裁剪、叠合、 缓冲区等空间处理能力和丰富的空问查询与分析能力。 4 ) 开发简捷 由于g i s 组件可以直接嵌入m i s 开发工具中，对于广大j 【：发人员 来讲，就可以自由选用他们f 熟悉的开发工具。而且，g l s 组件提供的 a pt 形式非常接近m i s 工具的模式，开发人员可以像管理数据库表。 样熟练地管理地图等空间数据，无须对开发人员进行特殊的培训。 在g i s 或g m i s 的开发过程中，开发人员的素质与熟练程度是十分重 要的因素。这将使大量的m i s 开发人员能够较快地过渡到g i s 或g m t s 的丌发工作中，从而大大加速g i s 的发展”。 随着现代化建设速度的加快，我国资源与环境正在发生显著的 变化，尤其城市面貌更是日新月异。面对日益增多的信息、越来越 快的更新速度以及新老技术管理人员的交替，城市许多行业领域的 管理等都面临着非常大的压力。尽快采用先进的管理系统是十分必 7 喻尔滨1 程人学硕士学位论文 ；# i i i i i - _ i i i i i i i i ；i i i i i i i i i i i - _ l i ；i i i i i i i j i i i j i i i i _ j i i i i i i ；i i i i _ - - - _ 自_ _ _ _ l l nr r 要的。g i s 和g m l s 系统完全可以通过对空问地理信息与数据库信息 的综合管理，为有关部门和荦位提供全面的信息管理和有力的辅助 决策支持服务。 1 14 2 组件式地理信息系统的意义 我国g i s 的发展比发达国家要落后许多年，尤其是g l s 软件的 开发与应用方面差距更大。组件式g i s 开发平台的出现，特别是国 产优秀组件式g i s 平台的推出，大大缩短了我国与发达国家g i s 软 件之r h j 的差距，为我困中小型g i s 应用系统的建设带来了新的机遇 ”。我们完全有可能一步跨越几个台阶，直接利用最新的技术，丌 发出先进的管理系统： 1 ) 性能与可靠性有较大提高 国产组件式g i s 开发平台和国外几乎同时起步，系统从较高的 技术起点出发，性能和可靠性较过去的系统已经有了较大的提高， 且在各个领域的实际应用中积累了不少经验，完全可以充当中小型 系统的支撑平台。 2 ) 充分利用现有的开发人员 由于组件式g i s 开发平台可以采用一般的m i s 工具来开发，n 其开发a p i 的形式与常规数据库的开发接口类似，所以许多m i s 丌 发入员只需经过短期学习就可以承担起g i s 或g m i s 的丌发任务，这 是普及g i s 或g m i s 至关重要的因素。 3 ) 开发周期缩短 由于采用高层次的开发工具，开发者可尽可能地利用已有的绛 验和技能，加上组件式g i s 平台本身具有层次简明的特点与对象化 的丌发方法，将会大幅度缩短构造一个g i s 或g i s 系统所需的时削。 过去，利用传统g i s 开发平台开发一个应用系统往往需要一年或更 长的时间，而采用组件式g i s 丌发平台，对于不太复杂的系统柬晓， 几周就可以构造出原型，几个月就能见到成效了。 4 ) 可扩展性增强 组件本身封装程度高，系统的升级可以做到较为透明。整个g i s 哈尔滨l 程大学硕士学位论文 系统就是由组件搭建而成，其结构必然更为简单且易于调整。此外， 组件遵循的是幽际标准，丌放性会更好。 5 ) 降低系统建设成本 如果采用传统g i s 开发平台，构造一个运行在卜几台计算机上 的中小型g i s 系统，购买开发环境的费用在3 0 万元人民币左右。而 采用国产组件式g i s 平台产品，开发环境只需几千元，加上平均几 白元一个的运行许可，总体平台费用会降到十分之一左右。 我国g i s 发展了近二十年，但目前仍未形成有规模的产业。组 件式g i s 丌发平台的出现是推动我国g i s 软件产业和应用事业的一 个重要机遇。从另一方面看，g i s 要真正得到发展，必须改变原来过 于专业化的开发方式，让更多的开发人员掌握开发工具，使其成为 一个比较大众化的应用领域。 1 1 5 地理信息系统的国内外发展现状 地理信息系统近年发展迅速，其内涵和外延正在不断变化 。 最初的地理信息系统都是一些具体的应用系统，充其量只能称之为 一门技术。现在已发展成一个独立的、充满活力的新兴学科，这已 经为大家所公认。地球信息科学从理论上讲是解决地球信息问题， 它的范围包括从卫星航空遥感或全球定位系统( g p s ) 接受信息，变换 和校正后进入空i h j 数据库：数据库中的地理信息可以方便地检索、 查询，在此数据库和相关知识库的基础上能够定义和生成各种领域 专用模型，如城市规划模型、灾害评价模型等；运用这些模型对地 理数据进行有效分析，并把分析结果或是决策咨询建议以直观、清 晰的形式输出。这一范围包括了计算机科学、地图学、航测、遥感 等多种学科的交叉”“。 目前世界上常用的g i s 软件己达4 0 0 多种。它们大小不一，风 格各异。国外较著名的有a r c 州f o ，g e r n a m a p ，m g e ，m a p i n f o 等； 国内较著名的有m a p g i s ，g e o s t a f 和c i t y s t a r 等。虽然g i s 起步 晚，但它发展快，目前已成功地应用到一百多个领域。 9 哈尔滨i 科人学硕十学位论文 尽管现存的地理信息系统软件很多，但对于它的研究应用，归 纳概括起柬确二种情况。一是利用g i s 系统来处理用户的数据： 一 是在g l s 的基础e ，利用它的丌发函数库二次开发出用户的专用的 地理信息系统软件。目前已成功地应用到了包括资源管理、自动制 图、设施管理、城市和区域的规划、人口和商业管理、交通运输、 石油和天然气、教育、军事等九大类别的一百多个领域。在美国及 发达国家，地理信息系统的应用遍及环境保护、资源保护、灾害预 测、投资评价、城市规划建设、政府管理等众多领域。近年来，随 着我豳经济建设的迅速发展，加速了地理信息系统应用的进稗，在 城市规划管理、交通运输、测绘、环保、农业、制图等领域发挥了 重要的作用，取得了良好的经济效益和社会效益。 1 ) 地理信息系统在地理空问数据管理中的应用：即以多种方式 录入的地理数据，以有效的数据组织形式进行数据库管理、更新、 维护、进行快速查询检索，以多种方式输出决策所需的地理空削信 息。 2 ) g i s 在综合分析评价与模拟预测中的应用：g i s 不仅可以对地 理空问数据进行编码、存储和提取，而且还是现实世界模型，可以 4 , q - 对现实世界各个侧面的思维评价结果作用其上，得到综合分析评 价结果；也可以将自然过程、决策和倾向的发展结果以命令、函数 和分析模拟程序作用在这些数据上，模拟这些过程的发生发展，埘 未来的结果做出定量的和趋势预测，从而预知自然过程的结果，对 比不同决策方案的效果以及特殊倾向可能产生的后果，以做出最优 决策，避免和预防不良后果的发生。 3 ) g i s 的空间查询和空间分析功能的应用：为了便于管理和开发 地理信息( 空间信息和属性信息) ，在建库时是分层处理的。也就是 说，根据数据的性质分类，性质相同或相近的归并一起，形成一个 数据层。这样g is 对单幅或多幅图件及其璃性数据进行分析和指标 量算。这种应用以原始图为输入，而查询和分析结果则是以原始图 经过空间操作后生成的新图件来表示，在空间定位上仍与原始图一 致。因此，也可j q - 其称为空间函数变换。这种空剧变换包括叠置分 1 0 哈尔滨i 程大学硕十学位论文 析、缓冲区分析、拓扑空间查询、空问集合分析( 逻辑交运算、逻辑 并运算、逻辑差运算) 。 4 ) g i s 的输出功能在地图制图中的应用：地理信息系统的发展是 从地图制图丌始的，因而g is 的主要功能之就是用于地图制图， 建立地图数据库。与传统的、周期长、更新慢的手工制图方式相比， 利用g is 建立起地图数据库，可以达到一次投入、多次产出的效果。 它不仅可以为用户输出全要素地形图，而且可以根据用户需要分层 输出各种专题，如行政区划图、士地利用图、道路交通图等等。更 重要的是由于gt s 是。1 种空问信息系统。它所制作的图也能够反映 一种空间关系，可以制作多种立体图形，而制作立体图形的数据基 础就是数字高程模型。 5 ) 地理信息系统与遥感图像处理系统的结合的应用：遥感数掘 是地理信息系统重要信息源。其实目前大多数g i s 系统己揉进图像 处理功能，并把它作为其一个子模块。 6 ) 应用g i s 一些二次开发函数库开发出具有特定功能软件系统。 7 ) g is 中属性数据的综合及融合：在现有的g i s 中，属性数据只 是用于检索和查询，或进行简单的统计，难以深入的分析，难以发 掘隐含在其中的模式和规律。在众多项的属性数据中，有时将几个 属性项的属性数值加以综合，构成一个具有某领域特定意义的新属 性项新属性值，这种综合不是综合前属性数据值的简单反映，也不 是它们的孤立集合，而是经过某领域研究人员深思熟虑的综合分析， 用数量表示某领域问题的综合概念和结果特征。 我国g i s 产业目前正处于起步阶段，随着产业化的推进，暴露 出不少存在的问题，严重阻碍着g i s 产业健康有序地发展，因此国 家将围绕建立一个工程( 数字化中国工程) 、完善两个体系( 国家对地 观测体系和国家空i b j 信息技术应用体系) 、发展三个产业( 空| 白j 数据 服务产业、空间信息软件产业、空间信息应用产业) 来开展未来空r b j 信息技术领域方面的工作。在g i s 方面，以发展产业为目标，从加 强推广应用、实现传统行业改造着手，开展关键技术研究攻关和应 用示范工程的丌发，促进g i s 在资源环境、城市建设、电力、通信、 1 1 哈尔滨i ：程大学硕士学位论文 交通、农业等方面的应用，为建立中国的“数字地球” 础、软件基础和应用基础。 12 课题的来源、目的和意义 本课题来源于黑龙江省信息产业厅专项资金项目一 系统软件平台研究。 奠定技术基 地理信息 以计算机为核心的信息处理系统技术是二次世界大战后科技革 命的主要标志之一。在信息的诸多类型中与空矧相关的信息是十分 重要的一类。人类生存的地球这个三维空间中的万物无不与空阳j 位 置相关，如何利用计算机处理空间相关信息是地理信息系统产：生和 发展的原动力。g i s 技术在国防、城市规划、交通运输、环境监测和 保护等与国民经济乃至国家命脉相关的重要领域的成功应用，极大 地推动了社会生产力的发展，同时，也极大地刺激了g i s 技术的迅 速发展，使之成为世界各国激烈竞争的高科技热点之。 ( 1 ) 为了不断适应软件产业的新变化，更具灵活性、易扩充、更具 柔性、更具开放性的地理信息系统的研究具有重要意义。 1 ) 原有的地理信息系统的研究与开发在许多方面为新的系统结 构的研究奠定基础，积累了经验。 2 ) 为解决软件的可重用性、可扩展性，组件式开发思想需要在g i s 系统中得到进一步支持。 3 ) g i s 与其他的模型和知识库的结合。这是许多应用领域面临的 一个非常实际的问题，即存在g i s 之外的模型和知识库与( ；i s 耦合成一个有机整体需进一步研究。 ( 2 ) 采用面向对象的系统分析与设计方法。面向对象方法为人们在 计算机上直接描述物理世界提供了一条适合于人类思维模式的方 法，面向对象的技术在g j s 中的应用，已成为g i s 的发展方向。这 是因为空| 1 白j 信息较之传统数据库处理的一维信息更为复杂、琐碎， 面向对象的方法为描述复杂的空问信息提供了一条直观、结构清晰、 哈尔滨i ? 程人学硕十学位论文 组织有序的方法。 ( 3 ) 标准化。一个可行的标准是数据共享和g i s 集成的前提，标准 化可以增强g i s 系统的功能、灵活性和效率，也使它更易于推广应 用。由于g i s 的标准化，可以提高系统的可移植性、互操作性、可 伸缩性，提供了一个通用的系统应用环境。 应用g i s 系统专业开发工具进行实用f , i s 系统的开发，具有较 大的优点，同时也有明显的缺点。”1 。 ( 1 )优点 利用g i s 系统专业开发工具进行g i s 系统的开发时，其主要的 优点表现在以下几方面： 1 ) 较高的开发平台。各种g i s 系统专业开发工具一般提供了 强大的数据输入输出功能、空间分析功能、良好的图形平台、巨大 的存储容量、良好的可靠性能，可以在较高的起点上直接进行g i s 系统的组织开发工作，开发的系统性能和可靠性好。 2 ) 可靠性好。专业的g i s 系统开发工具作为成熟的产品，它 在容量、可靠性等各个方面经过了严格的测试和许多用户的使用。 3 )简单易学。g i s 系统专业开发工具是一个应用软件，即使 提供二次丌发功能，也是建立在已经实现的各种功能基础上的，所 以对用户来说，不需要特别高的程序设计思想和数据控制能力，掌 握利用这些工具丌发g i s 系统的技术相对比较容易。 ( 2 )缺点 利用g i s 系统专业开发工具进行g i s 系统丌发时，也存在着如 下一些不可克服的缺点： 1 ) 可扩展性差。一些传统的g is 系统专业开发工具虽然也提 供了一些接口语言，但总体上来说还是一个难于真正修改的“黑币 子”。应用这些工具开发实用系统时，往往遇到这种情况：我们要开 发的系统，往往只需要使用专业开发工具提供的很少一部分功能( 如 2 0 ) ，而采用专业开发工具可能只实现系统的9 0 功能，而余下的 哈尔滨r 删大学硕、l 学位论文 1 0 功能很难用这个开发工具开发完成，甚至根本无法实现。造成这 利”晴况的原因是：开发工具从总体上讲是一个“黑匣子”，用户很难 甚至完全不可能知道和控制( 或完全控制) “黑胆子”内的功能：而 在实际应用中，要开发的往往并不是完全传统意义上- 的g i s 系统， 而是将g i s 技术与mt s 、d s s 和c a d 等集成的系统，在这种情况下， 应用这些开发工具，很难实现与这些实用系统的无缝集成。总之， 对于g i s 系统专业开发工具来说，它已经实现并提供的功能，g i s 应用系统开发者可以非常容易的使用，而专业丌发工具没有提供的 功能，则很难甚至根本无法用专业开发工具去实现。 2 ) 较为庞大，软硬件要求高。为了能够支撑运行这些g i s 系 统专业开发工具，往往对系统的软硬件有较高的要求。这在_ 丌发一 些小型的g i s 应用系统，特别是在开发传统意义以外的应用g f s 技 术的专业系统中，需要付出额外的代价。 3 ) 没有系统的版权。这一点在很大程度上是制约使用这些 g i s 系统专业开发：f 具的重要因素。而利用这些g i s 系统的专业工具 开发系统，实际上只是在人家系统的基础上作一些简单的应用开发， 歼发完成的产品同样需要这些专业开发工具的支撑平台。也就是用 户除了支付开发费用外，还要再购买这些支撑平台。对于g i s 系统 开发者来说，这就等于没有自己的产品，没有自主的系统版权，还 要受到软件升级等各种因素的制约。 g i s 具体发展目标是：开发具有自主版权的全系列g is 软件产 品，包括基础软件和应用开发平台软件，还有开发网络环境下的大 型g i s 软件产品；建立全国范围的g i s 技术培训体系和推广应用网 络，丌发大型g i s 应用示范工程。从技术角度看，g is 的发展方向表 现为：系统互操作、系统模块化、系统多维化、系统智能化、平台 网络化和应用社会化。 系统互操作 g i s 可互操作也指数据标准化，相应的可互操作的地理信息系统 可以理解为g i s 系统集成平台，它实现在异构环境下多个地理信息 系统和其应用系统之间的互相通信和协作，以完成某一特定任务。 1 4 哈尔滨【。程大学硕士学位论文 数据多维化 g i s 的数据只有面向多维化发展才能适应现代的要求，多维一般 体现为二三维，目前研究重点集中在三维数据结构的设计、优化与实 现，以及可视化技术的运用，三维系统功能和模块设计等方面。 系统模块化 模块化的g i s 是面向对象和构件技术的地理信息系统，它把g i s 的功能模块划分为多个控件，每个控件完成不同的功能，通过可视 化的软件丌发工具集成起来，形成最终的g i s 应用。 系统智能化 提供决策支持服务是g i s 系统智能的体现，而这一点目前显得 尤为重要，当前的研究重点是如何将决策支持领域的研究成果与g i s 结合起来。 平台网络化 基于w w w 的地理信息系统是利用if 1 t e r n e t 技术在w e b 上发布空 间信息供用户浏览和使用。它可分为四部分：客户端、信息代理、 服务器和编辑器。面向网络化的g i s 是以计算机技术、现代通信、 网络技术、虚拟现实技术的综合应用为基础，可以构造出一种人们 进行社会交往和交流的新型空间。 应用社会化 应用社会化是指作为数字地球核心的数字城市在发展的同时， 相应的g i s 系统的发展也在面向社会化。数字地球的核心思想是用 数字化手段统一的处理地球信息和最大限度地利用信息资源。实际 上，数字地球也可以理解为g is 的延伸，建立数字地球的核心技术 包括g i s 与数据库、遥感、遥测、信息技术等。 近年来地理信息系统技术发展迅速，其主要的原动力来自日益 广泛的应用领域对地理信息系统不断提高的要求。另一方面，计算 机科学的飞速发展为地理信息系统提供了先进的工具和手段，许多 计算机领域的新技术，如面向对象技术、三维技术、图象处理和人 工智能技术等都可直接应用到地理信息系统中。网络化g l s 、丌放式 g i s 、虚拟g i s 、多媒体g i s 、三维g i s 、时态o i g 、组件式g i s 都是 1 5 哈尔浜i 稃人学硕十学位论文 当前计算机技术的发展使g is 的发展呈现的几种主要趋势，此外g i s 软件与建筑及规划设计c a d 、办公自动化、统计分析等软件系统的集 成等都是g i s 研究与发展的热点。这些g i s 的发展趋势并不是孤立 的，而是相互影响、相互促进，它涉及多学科的相互渗透、相互支 撑。其目的就是促进地理信息产业的建设与发展，更好地为人类了 解和保护人类赖以生存的环境服务。可以预见，随着计算机技术的 发展，信息高速公路的建成，一个以地理信息系统为平台，以信息 高速公路为纽带的“数字地球”，必将为人类信息交流与共享提供 一种全新的方式。 组件式软件技术已经成为当今软件技术的潮流之一，为了适应 这种技术潮流，g i s 软件象其他软件一样，已经或正在发生着革命性 的变化，即由过去厂家提供了全部系统或者具有二次开发功能的软 件，过渡到提供组件由用户自己再开发的方向上来。组件式软件是 新一代g r s 的重要基础，组件式g i s 是面向对象技术和组件式软件在 g i s 软件开发中的应用。“”。无疑，组件式g i $ 技术将给整个g i s 技 术体系和应用模式带来巨大影响，为传统g i s 面临的多种问题提供 了全新的解决思路。组件式g i s 的发展符合当今软件技术的发展潮 流，同时也极大地方便了应用和系统集成。 1 3 本文主要研究内容 我们建立这个组件式g i s 平台的短期目标是为了实现对黑龙江 省中小企业或城市设施的自动管理，而最终目标是为了建立一种适 用于各种管嘲信息管理、并最终形成辅助决策支持的通用地理信息 系统平台，以便对我国开发g i s 自主版权的软件作出一些有益的探 索。 本文着重于组件式g i s 平台的设计与实现的关键技术问题的探 讨。g i s 实现起来比较具体，需要很多部门进行协调，而且经济效益 在表面上看不那么明显，所以应用情况并不好，实际上g is 实现难 度大的缺点远远小于其巨大带动效应所带来的优点。 本文主要围绕w i n 2 0 0 0 或w in n t 平台下开发组件式地理信息系 哈尔滨r 程大学硕寸。学位论文 统平台为主线。项目背景是为黑龙江省中小企业或城市设施的管理、 维护、查询等的灵活、实时、实用的综合系统平台，为宏观管理提 供决策依据。为此，作者充分利用现代计算机以及信息处理方面成 熟的技术，如面向对象技术、组件技术等，探讨解决系统实现的关 键技术问题。作者研究了地理信息系统的基本功能及其相应子系统 的划分；为了快速显示地图、查询分析地图，使用了一种有效的地 图文件分层数据结构模型，并在对空间数据的存储和查询分析研究 的基础上提出了一种卫近邻空间查询的改进算法。在分析其它软件 平台的基础上，提出了我们组件式地理信息系统平台具备的功能、 发计的步骤以及基本的组件。 本文主要研究了组件式地理信息系统的相关理论及技术，安排 如下： 1 ) 介绍了地理信息系统的组成、分类、功能、标准化及国内外 发展现状，探讨了组件式地理信息系统的特点、必要性和发 展前景。 2 ) 讨论了组件式地理信息系统构建的关键技术：面向对象技 术，组件技术。 3 ) 研究了空间数据模型、空间数据的存储与管理的方法，探讨 了利用空间索引组织空间数据的方法。 4 ) 研究空| 刨查询分析，探讨了空间见近邻算法。 5 ) 在分析研究的基础上，根据组件设计的基本原则，提出了组 件式g is 系统集成平台的基本框架及其主要的组件。 哈尔滨r 程人学硕士学位论文 第2 章组件式g i s 平台构建中的关键技术 2 1 面向对象技术 21 1 面向对象技术概述 近十几年来，一种新颖的、具有独特优越性的新方法正引起全 世界越来越广泛的关注和高度重视，这就是被誉为“研究高技术的 好办法”的面向对象方法( 0 b j e c t 一0 r i e n t e d ，简称o o ) 93 技术。面 向对象技术的思想萌芽于6 0 年代，到8 0 年代初，以s m a l l t a lk 一8 0 语言为代表逐渐发展成熟，并在9 0 年代大范围流行开来，在计算机 用户界面、人工智能、软件工程等很多领城取得了极大的成功。 面向对象方法的基本出发点就是尽可能按照人类认识世界的方 法和思维方式来分析和解决问题。客观世界是由许多具体的事物或 事件、抽象的概念、规则等组成。面向对象方法f 是以对象作为最 基本的元素，它也是分析问题、解决问题的核心。计算机所实现的 对象与真实世界的对象具有一一对应的关系，不需作任何转换，这 样就使0 0 方法更易于为人们所理解、接受和掌握。面向对象方法具 有模块化、信息封装和隐藏、抽象性、多态性、继承性等独特之处， 为解决大型软件管理，提高软件可靠性、可重用性、可扩充性和可 维护性提供了有效的手段和途径。面向对象理论强调软件的可维护 性和可重用性，其关键思想主要有以下几个方面： 1 ) 类( c l a s s ) 和对象( 0 b j e c t )现实世界中的很