（计算机应用技术专业论文）基于web的gis系统的研究与实现.pdf

济南大学硕士学位论文 摘要 近年来，地理信息系统无论是在理论上还是在应用中都处于一个高速发展的时期， 并成为一个跨学科、多方向的研究领域，随着计算机网络技术的高速发展，更衍生出 了基于i n t e m e t ，i n 廿a n e t 的w 曲g i s 技术。本文在对当前w 曲g i s 技术探讨研究的基础 上，选用m a p x 廿e m e 工具构建了基于网络的四层w 曲g i s 体系架构，并与实际相结合， 应用于“烟台开发区生态工业园地理信息系统”的设计与实现。全文大致分五部分： 第一章和第二章对地理信息系统的历史背景以及相关知识作了简要介绍。 第一章简要概述了地理信息系统的历史背景。 第二章为地理信息系统概述，涉及结构、构造技术和发展方向，并指出在我国目 前形式下面临的问题。 第三章、第四章是论文的重点，系统而又有重点的阐述了基于i n t e m e t 的地理信 息系统的分析、设计和实现。 第三章阐述了w 曲g i s 的特点、分类、实现技术的比较和现有开发平台的分析比 较，并调研了目前w 曲g i s 技术的应用现状。 第四章简要介绍了本课题的研究背景，并在前一章研究的基础上构建了基于 m a p x 廿e m e 的四层w 曲g i s 体系架构，并将之应用于实际，用于“烟台开发区生态工 业园地理信息系统”的设计与实现，包括系统的可行性、技术实现、功能模块及运行 界面等内容。 第五章对本文的研究内容进行了总结，并提出了一些需进一步探讨的问题。 关键词：地理信息系统；w 曲g i s ；m a p x t r e m e ；四层体系架构；标记 基于w 曲的g i s 系统的研究与实现 a b s t r a c t 1 1 1r e c e n ty e a r s ，g 【si sb e i n go na r a p i dd e v e l o p m e n tp h a s e ，n o to l l l yi nt h e o 科b u ta l s o 洒a p p l i c t i o n nh a sb e c o m ear e s e a r c hd o m a i no fm u l t i p l e - s u b j e c t 孤dm 山t i p l e - d i r c t i o n d i s c i l s s i l l g 砌也龇r a p i dd e v e l o p m c n to fm ec o m p u t e rn e 咖r kt e c h n o l o g y ，血ew ：e b g i s t e c h n o l o g yb 髂e do ni i l t e m e t ，i n t r a n e th a s 锄e 唱e d t l l i s 也e s i ss t u d i e st l l ep r c s e mw 曲g i s t e c l u l o l o g ya n dc o l l s 劬c t s 1 ef o 噼n o o r e dw 曲g j s 础i t e c t u r eu s e db ym a p x 吮m eb a s e d o nh t h e n “sa r c 胁e c 眦i s 印p l i e dt op r a c t i c ei no r d e rt od e s i 弘a i l di m p l 蹦1 e n tm e e c o l o g yh d u s 仃i a lp 盯k sg e o g m p h i ci i l f 0 彻a t i o ns y s t e m 1 1 1 i st h e s i sc o n s i s t so f 矗v e c i l a p t e r s ： i nc h a p 把rla t l d2 ，t 1 1 eh f s t o r yb a c k g r u o da n dc o 玎e j a t j v cj ( i l o w i e d g eo fg i si s m a d eab d e fi n 打o d u c t i o n i nc l 印t e r1 ，恤el l i s t o r yb a c k g r o u n do fg i si si n t r o d u c e di ng e n e r a l c h a p t e r2 d e s 嘶b e s g e o 目印l l i ci m 姗a t i o ns y s t e mg e n e m l l y ，i n v o l v i n g t h e s t n l c t u r e 、c o 璐t n j c t i o nt e c l n o l o g ya i 】【dd e v e l o p i n g 仕n d t h ep m b l e m sp r e s e n ti nt 圭l eo u r c o u n 自呵a r ea l s oi n 协) d u c e d c h a p t c r3a n d4a r c 幽ek c m e lp a f to ft h ed i s s e r t a t i o n ，i n 、v h j c h 吐l ea n a l y s i s 、d e s i 弘 a 1 1 di m p k m e n t a t i o no fm eg i sb a s e do ni n t e m e ta r ed i s c l l s s e ds y s t e m a t i c a l l ya n d s p e c i & a l l y c h a p t e r3d e s c 邡e sw e b g i sg e n e m l l y ，i n v o l v i n gm ec h a r a c t e r i s t i c 、c l a s s i f i c a t i o n 、 c o m p a r i s o no ft l l er e a l i z a b l et e c h n o l o g ya n d 缸a l y s i so ft h ep r e s e n ts o r w a r cp l a t f o 肌i n “sc h a p t e rm ea p p l i c a t i o ns i t 咖o i l sp r e s e mi nw e b g i sa r ea l s om e s t i g a t e da 1 1 ds t u d i e d i i l c h a p t e r4 ，t 1 1 er e s e a r c hb a c k g r o m l do fp r 巧e c ti si n 心o d u c e db r i e n ya n d 也e f o 衅n o o r e dw 曲g i sa r c l l i f e c t u r eb a s e do nm a p x t r e m ei sc o n s t u r c i e do nt h ef b l l i l d a t i o no f f o r e g o i n gs t u d i e s t l l i sa r c i i i t e c t u r ei s 印p i i e dt 0 也ep r a “c ei no r d e rt od e s i g na n d 洫p l e m e n tt h ee c o l o g yi n d u s 缸a lp a r l 【sg e o g r a p h i ch f b r n l a t i o ns y s t e m i n 谢五c ht h e f e a s i b i l j t yo fs y s t e m 、t e c h i l i c a lr e a l i z a t i o n 、c t t o nm o d u l ea n di r l t e r a c t i v ei m e r f a c e sa r e i i 济南大学硕士学位论文 i n t r o d u c e d i nt i l el a s tc h 印t e rg e n e 浏掉v i e wi sg i v c nf o rt h i sd i s s e n a t i o n ，锄ds o m ei m p r o v e m e n t s u g g e s t i o n s 盯ea l s op r e s e m e d k c y w o r d ：g e o g r a p h j ci n f b n n a t i o ns y s t e m ；w e b g i s ；m a p x 仃e m e ；f o 阱n o o r e dw e b g i s a r c l l i t e c t u r e ；i 砘 l i l 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 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：蚣 日期：鲨6 ：堕：! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名堂导师签名：氇童日期：谢：壁：争 一 w 济南大学硕士学位论文 第一章引言 自古以来，人类都在自觉不自觉地接受、存储、利用、传递信息。 如今，信息活动已经渗透到社会生活的各个领域，日益成为社会发展的一项重 要资源，它提供了关于现实世界的事实和知识，是事物和运动状态的客观存在以及 其相互作用的反映，是人认识客观世界的媒介，对人类认识世界和改造世界有直接 影响。随着人类社会的发展，人类对信息的需求日益迫切，对信息的处理和利用无 论是广度还是深度上都较以往有了极大的提高，没有人会否认现在的社会是信息的 社会。生产力的飞速发展，正促使着人类社会由工业时代向信息时代的转变，生产 力的发展促进着对信息的需求，生产力的发展也决定着信息处理于流通的物质条 件。如何有效地存储，充分地利用信息，以提高生产率，已引起各国普遍的关注。 那么，究竟什么是“信息”呢? 信息( i n 缸m a t i o n ) 是近代科学的一个专门术语，已广泛地应用于社会的各个 领域。但是，直到目前为止，仍然没有一个关于信息的统一标准的定义。狭义信息 论认为，信息是“两次不定性之差”，即指人们获得信息前后对事物认识的差别。 比如，香农认为：信息是使不确定性消除的某种东西；而广义相对论认为，信息是 指主体( 人、生物或机器) 与外部客体( 环境、其他人、生物或机器) 之间相互联 系的一种形式，是主体和客体之间的切有用的消息或知识，是表征事物特征的一 种普遍形式。比如，森德斯( d o n a l d h s 锄d e r s ) 就认为：信息是已经整理并有用的 数据，是经过加工后输出的，可以加深人们对事物的理解和达到特定目的的知识。 无论如何，从这些不同的定义中，我们可以看到，有一点是共同的，那就是：信息 向人们或机器提供了关于现实世界新的事实的知识，它是一种抽象，不随载体的物 理设备形式的改变丽改变。 信息来源于数据( d a t a ) ，但又不是数据，而是加工后的数据，它能更直接、明 确的反映现实的概念。如何处理这些得来的信息，如何有效地管理和利用信息，已 成为信息社会的重要内容，与此相适应，各种信息系统应运而生。 1 1 信息系统的构成 信息系统( h 面锄a t i o ns y s t e m ) 是具有处理、管理和分析数据能力的系统，它 基于w 曲的g i s 系统的研冤与实现 能够为单一的或有组织的决策过程提供有用的信息f 1 捌。针对不同的具体应用，有各 种各样的信息系统，比如：财务管理信息系统、资源与环境信息系统、人工智能信 息系统、决策支持系统等等。但是，无论哪一类信息系统，其主要组成单元都包括： 信息源、信息处理单元、信息接受者以及信息管理者。基本结构如图卜1 所示。 图l 1 信息系统的构成 1 信息源 即信息的来源。根据地点不同，可分为内源和外源；根据时间不同，可分为一 次信息源和二次信息源。 2 信息处理机 信息处理机负责获取数据，对数据进行存储、加工、传输，并向接受者提供这 些信息。一般由数据采集、数据管理、数据传输等装置构成。 3 信息接受者 即信息的接受体，一般是信息用户或存储媒介。 4 信息管理者 信息管理者负责系统的设计和实现，以及系统运行的协调、维护等。 由此可见，信息系统的核心部分是信息处理机。系统的效率，所能提供的功能 等都取决于信息处理机的效能。它大体由三部分构成：数据采集、管理和传输。 数据采集；汇聚所需的信息，信息的录入可以是手工操作，也可以是自动录入。 但信息系统的数据录入工作量通常非常巨大，因此如何实现自动录入是一个关键的 技术。无论用何种录入手段，都要求数据准确，录入方便并且具备校验。 数据传输：信息的传输效率是衡量整个系统的利用效率的一个重要尺度。数据 传输实际上是一个数据通讯问题。如今，计算机网络技术的迅速发展，为数据的传 输提供了一种全新，高效的技术。同时，人们也正在不断将更新的技术、设备引入 到信息系统中来。 数据管理：包括数据存储、数据处理和数据检索，数据存储是个复杂的问题， 它包括物理存储和逻辑存储两方面。物理存储指存储介质、存储机构和存储的安全 2 机制：逻辑存储主要指存储的逻辑结构。数据处理( 或称数据变换) 包括对录入数 据进行加工提取出有用信息，然后对提取出的有用信息进行选择、分类、排序、归 并和模型计算、预测等，最后按一定格式形成数据结构，以便于对数据进行检索处 理。数据检索是关于数据的利用，是按一定的格式和规则对数据进行查询、插入、 删除、添加等。数据管理部分决定了整个信息系统所能提供的主要服务。 随着人类社会的进步，信息处理的方式也在不断的进步。今天，计算机信息处 理已成为信息处理的主要方式，计算机产业正以惊人的速度发展，计算机处理信息 的能力也越来越强，涉及输入、分析、处理、存储、输出和传播信息等各个方面。 1 2 计算机网络技术发展概况 计算机网络技术的发展是信息网络诞生的基础。计算机网络技术的发展历史并 不长久，但发展速度很快。在几十年的时间里，其演变过程大致分为三个阶段【3 】： 具有通讯能力的计算机系统一以共享资源为主的计算机网络一以局域网及其互连 网为支撑环境的分布式计算阶段。 第一阶段，具有通讯能力的计算机系统 这一阶段的系统是由一台计算机主机( h o s t ) 通过通讯线路直接与若干终端 ( t e n i l i i l a t o r ) 相连构成。终端的功能是获取用户的输入并把主机的计算结果呈现给用 户：主机负责系统的主要计算，因此该系统又称为终端计算机网络。随着计算 机应用的深入，和计算机批处理软件的出现，要求数据集中处理，于是出现了远程 批处理作业工作站。随着远程终端数量的增加，使得通讯线路的负担加重，同时主 机既要进行数据处理，又要承担通讯控制，为减轻主机负担，前端处理机( f e p f r o n t e n dp r o c e s s o r ) 出现了，它专门负责通讯控制。同时在终端群用集中器 ( c c 0 n c e 曲o r ) 汇集各终端，而前端处理机和集中器之间则用高速通讯线路相连。 这种改善以后的结构大大提高了系统性能。如图1 之所示。 传孙 三亘三三互】+ j j 三 通讯线路。4 三二k ：二：、i 一( 终端) 图1 2 具有通讯能力的计算机系统 第二阶段，以共享资源为主的计算机网络。 基于w e b 的0 i s 系统的研究与实现 前一阶段的系统只能利用一台主机的资源。随计算机应用的进一步发展，要求 各个主机能互相共享资源，于是出现了计算机计算机网络。结构如图1 3 所示。 这里系统的主机能同时进行数据处理和通讯，实现了资源的共享。 圈1 - 3 计算机一计算机网络 第三阶段，以局域网及其互连为支撑环境的分布式计算阶段。 前一阶段的系统实质上还是以主机为核心，主机在计算机网络中处于支配地 位，因此特别强调主机的配置，系统的网络控制和管理功能都是集中式的，因此成 为集中式计算模式。随着计算机应用深入企业、机关和家庭，局域网技术迅速发展， 同时个人计算机( p c p e r s o n a lc o m p u t e r ) 功能增强，发展成为独立的计算平台。这 就导致了分布式计算模式的诞生，它对网络的发展起到了决定性的影响。用户可以 将网络上的主机，网络工作站。通讯服务器和个人计算机作为一个整体对待。 信息和网络的相结合是历史发展的必然，这是由信息的数字技术革命所决定 的。数字技术革命全面实现了多种信息表达形式的数字化。通讯技术的发展促使了 计算机网络的诞生，时间和空间的距离变得模糊，同时也深刻地影响着人们接受处 理信息的方式，为信息的传输和利用提供了新的技术。如前所述，信息的采集、处 理、传输是信息系统的三大部分，必须实现整体协调和综合集成，计算机网络正是 为这种集成提供了必要的条件，它给原有的信息系统带来了根本的变化。 1 3 信息时代的地理学 地理学上的任何重大进展，都与人类的重要历史阶段紧密地联系在一起【4 5 1 。信 息时代的到来，计算机技术和系统分析方法的应用为现代地理学再现了广阔的前 景。 信息时代的地理学，对地理信息的采集、管理和分析提出了更高的要求。地理 4 济南大学硕士学位论文 决策的科学性取决于对地理信息的获取和分析技术水平，于是地理信息系统技术应 运而生。 现代地理学的最重要的特征是对地理系统空间和过程的定量综合分析。地理系 统和其他信息系统的根本区别之一就在于其强烈的空间特性。现代地理学将空间分 布和时间过程相结合，探求地理实体的空间分布格局及其成因和发展规律。现代地 理学的另一个显著特点是从系统的角度进行人地关系的研究，在讨论地区差异的同 时，更重视在单一而有限的地理区域内，进行各种现象关系的分析研究，既要探索 区域问的差异性和相似性，又要探索区域和更大的宏观区域的系统相关性1 6 】。 地理学所面临的，是个人文、经济、自然和社会组成的复杂的巨系统，是物 质、能量和信息的统一体。地理学所要揭示的是一个基于地貌、土壤、植被、城市 和区域等地理实体的物质世界，而地理学家感受到的却是一个现实的用以指导决策 的信息世界，地理信息系统就是要以地理信息世界模拟表达地理现实世界，用信息 联系反映地理现象之间的联系，仿真各种自然的和地理思维的过程，完成现代地理 学对地理空间和时间过程研究的艰巨任务。 地理系统是由相互联系的地理因素联接而成的统一体，包括资源、能源、交通、 人口、科技、经济、政治、教育、流通、生态环境、管理和信息流通等多方面，是 一个复杂的多层次的开放性动态系统，它具有一定的空间范围和时间演变规律。现 代地理学就是要通过系统信息分析、通过决策和反馈，调控系统行为，以达到以最 小的代价取得最大的经济效益和社会效益的目的。地理学、系统理论和信息科学、 计算机技术相结合发展起来的地理信息系统，为城市和区域复杂系统的研究提供了 强有力的工具。 地理信息系统中的主要技术有三种：计算机技术、数据库技术、网络通信技术 吼 计算机技术。二十世纪四十年代电子计算机的诞生是信息技术的一次革命，这 次革命导致了整个人类社会的重大变革。到七十年代后期，第四产业信息产业 开始发展起来，它包括信息技术和信息商品化产业，信息产业的发展状况，以及对 国民经济发展起到的作用，已经被视为衡量一个国家国力强弱的标准之一。 数据库技术。地理信息系统中涉及的数据多种多样，手工处理这些庞大的数据 不仅单调繁琐，效率极低，而且容易出差错。另外对于空间模型的分析，几乎不可 能用手工进行有效处理。当计算机处理速度和存储容量能够面对日益膨胀的信息 基于w 曲的g i s 系统豹研究与实现 时，数据库和数据库管理系统( d b m s ) 应运而生。 如今，数据库技术已经成为信息系统的支柱。无论是面向过程的数据库管理系 统，还是面向对象的数据库管理系统，都具有管理大量的、持久的、共享的结构化 数据的能力，高效率的事物处理能力和自成体系的、功能丰富的、使用方便灵活的 高级语言。 网络通信技术。网络通信技术的发展，更加推动了数据库技术的发展，从根本 上改变了信息管理领域和信息流通领域的面貌。信息的收集、存储、处理、传输和 利用离不开计算机技术，而人类对信息共享和及时获取的要求又推动了网络通信技 术的发展。计算机与通信技术、网络技术融合在一起，形成了计算机网络系统，成 为信息技术的又一次突破。计算机网络的三种任意性( 在任意数目计算机上运行任 意未知数目的程序可能要在任意时刻互相通信) ，仍然是网络技术追求的目标们。 为了满足目益增长的高速数据传输的需要，为了满足人们要求在任何时间、任 何地点与任何人进行各种通信的需要，通信技术在数字化和综合化发展的基础上， 正向宽带化、全球化、个人化和智能化方向发展。网络通信技术和计算机技术一样， 已成为推动社会生产力发展，社会改革开放和社会信息化发展的重要工具。 1 4 地理信息系统区别于其它计算机软件系统的特点 目前数据库技术( d b m s ) 、计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制图( c a m ) 和计算机图形( c o m p u 怡rg 他p l l i c s ) 软件包已被许多研究者所采用，但这些系统却 不是为地理意义所设计的，无法取代g i s 的作用。g i s 正是在这些相关学科与地理 学相结合的基础上发展起来的。 数据库管理系统( d a 协b a s em a l l a g e m e n ts y s t e m ) 是操作和管理数据库的软件 系统。g i s 在数据管理上借鉴了d b m s 的理论和方法，非几何属性数据有时也采用 通用d b m s 或在其上开发的软件系统管理，对于空间地理数据的管理通用d b m s 有两个明显的弱点1 8 1 ： ( 1 ) 缺乏空间实体定义能力：目前存在的网状结构、层次结构、关系结构等， 都难以对空间数据结构全面、灵活、高效地加以描述； ( 2 ) 缺乏空间关系查询能力：通用d b m s 的查询主要是对实体的查询，而g i s 中要求对实体的空问关系进行查询，如关于方位、距离、包含、相邻、相交和空间 覆盖关系等，显然，通用d b m s 难以实现对地理数据空间查询和空间分析。 6 济南大学硕士学位论文 数据是信息的载体，对数据进行解释可提取信息，通用数据库和地理数据库都 是针对数据本身进行管理，而g i s 则在数据管理基础上，通过地理模型运算，产生 有用的地理信息，取得信息的多少和质量，与地理模型的水平密切相关。 计算机辅助设计( c o m p u t e 卜加d e dd e s i g l l ) 是使用计算机辅助设计人员进行设 计，以提高设计的自动化程度，节省人力和时间，专门用于制图的计算机辅助制图 ( c o m p u t e r - a i d e dm a p p m g ) 采用计算机进行几何图形的编辑和绘制，g i s 与c a d 和c j m 的区别在于： ( 1 ) c a d 不能建立地理坐标系和完成地理坐标转换： ( 2 ) 0 i s 的数据量比c a d 、c a m 大得多，结构更为复杂，数据间联系紧密， 这是因为g i s 涉及的区域广泛，精度要求高，变化复杂，要素众多，相互关联，单 一结构难以完全描述： ( 3 ) c a d 、c a m 不具备g i s 具有地理意义的空间查询和分析功能。 因此，g i s 是一种全新的区域研究支持系统，最适合于区域的地理特点，在思 维方法上也有质的改进，g i s 不仅具有地理意义明确的空问数据管理能力，并可在 系统支持下进行空问过程演化的模拟和预测，只有在地理信息系统支持下，才能高 效率、高精度定量地实现真正地理意义上的区域空间分析和过程模拟预测1 9 1 ，这是 g 1 s 的重要贡献。 基于w 曲的o i s 系统的研究与实现 第二章地理信息系统的概念及其发展 2 1 地理信息系统概述 地理信息系统简称g i s ( g e o g m i 舡c a l i n f b r 埘i o ns y s t e m ) ，也称为土地资源信 息系统( l a n dr e s o l l r c e si n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，在我国有时也称为资源与环境信息系 统( n a t u f a lr c s o u r c e sa i l de n v i m m n e n t1 1 1 f o 衄a t i o ns y s t e m ) 。【1 l ，1 2 1 类似的名称还有许 多，但研究对象，研究方法基本上是一致的，地理信息系统主要是用于理论研究和 方法探索中所用的名词，而其他名称则用于倾向应用目的的具体系统。 地理信息系统，是六十年代开始迅速发展起来的地理学研究新技术，是多种学 科交叉的产物。地理信息系统是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法， 适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术 系统，具有以下三个方面的特征： 1 具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和 动态性； 2 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间 分析、多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息； 3 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。计算机系统的支持是g i s 的重要特征，使g i s 得以快速、精确、综合 地对复杂的地理信息进行空间定位和过程动态分析。 地理系统的外观，表现为计算机软硬件系统：其内涵却是由计算机程序和地理 数据组织而成的地理空间信息模型，一个逻辑缩小的，高度信息化的地理系统，从 视觉、计量和逻辑上对地理系统从功能上进行模拟，信息的流动以及信息流动的结 果，完全由计算机程序的运行和数据的变换来仿真，地理学家可以在g i s 支持下提 取地理系统不同侧面，不同层次的空间和时间特征，也可以快速地模拟自然过程的 演变或思维过程的结果，取得地理预测或“实验”的结果，选择优化方案，这种信 息模拟是几乎没什么代价的，可以避免错误的决策带来的损失。 当具有一定地学知识的用户使用地理信息系统时，他面对的就不再是毫无意义 的数据，而是由空间数据组成的现实世界的一个抽象模型，它比地图所表达的自然 8 济南大学预士学位论文 世界模型更为丰富和灵活，用户可以按应用的目的观察这个世界模型的各个方面的 内容，也可以提取这个模型所表达现象的各个空间尺度指标。更为重要的是，它可 以将自然发生或思维规划的过程加在这个数据模型上，取得对自然过程的分析和预 测的信息，用于管理和决策，这就是地理信息系统的深刻内涵。 地理信息系统按内容可以分为三大类【1 1 ，1 4 1 5 l ： 1 专题信息系统( t h e m a t i ci n f b 加撕o ns y s t e m ) ，是具有有限目标和专业特点 的地理信息系统，为特定的专门目的服务，如森林动态检测信息系统、水资源管理 信息系统、矿产资源信息系统、农作物估产信息系统、草场资源信息系统、水土流 失信息系统等。 2 区域信息系统( r e g i o n a ii n f o r i i l 砒i o ns y s t e m ) ，主要以区域综合研究和全面 的信息服务为目标，可以用不同的规模，如国家级的、地区及省区级的、市级和县 级等为不同级别行政区服务的区域信息系统，也可以按自然分区或流域为单位的区 域信息系统。区域信息系统如加拿大国家信息系统、美国橡树岭( o a 姘d g e ) 地区 模式信息系统、美国圣地亚哥县信息系统、我国黄河流域信息系统等。 许多实际的地理信息系统是介于上述二者之间的区域性专题信息系统，如北京 市水土流失信息系统、海南岛土地评价信息系统、河南省冬小麦估产信息系统等。 3 地理信息系统工具或地理信息系统外壳( g i s t 0 0 1 ) ，地理信息系统工具是 一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息 系统基本功能的软件包。它们或者是专门设计研制的，或者在完成了实用地理信息 系统后抽取掉具体区域或专题的地理空间数据后得到的，具有对计算机硬件适应性 强、数据管理和操作效率高、功能强且具有普遍性并易于扩展、操作简单、容易掌 握，适用于来作为地理信息系统软件支撑软件以建立专题或区域性的实用性信息系 统，也可以作教学软件。由于用来作为地理信息系统软件设计技术要求高，而一般 地学工作者的软件编制能力不足以编制十分复杂的系统软件，况且重复编制比较复 杂的基础软件也造成人力的极大浪费，因此采用地理信息系统工具，加入与具体任 务有关的空间数据并开发相应的应用软件，无疑是建立实用地理信息系统的一条捷 径。目前地理信息系统工具的研制还不十分成熟，在功能覆盖、应用程序接口、硬 件适应面和使用灵活性上还不能满足所有领域不同层次的需要，但随着人们对它的 重视和研究工作的开展，水平会大大提高，成为类似通用的数据库管理系统( 如 d b a s e l l i ) 的软件工具。 9 基于w c b 的g i s 系统的研究与实现 国内外己在不同档次的计算机设备上研制了一批地理信息系统工具，如美国环 境系统研究所研制的w 系列机上运行的a r c 删f o 和适用于p c 机上的 m i c r o - a r c ，玳f o 系统、美国耶鲁大学森林与环境研究学院的m a p ( m a pa n a l y s i s p a c k a g e ) 系统等。 在通用的地理信息系统工具支持下建立实用信息系统，可以节省软件开发的人 力、物力和财力，缩短系统建立周期，提高系统水平，使地理信息系统技术易于推 广，也使广大地学工作者把更多的精力投入到高层次的应用模型开发上，这种工作 方法正为越来越多的地学工作者所接受【1 5 1 6 1 。 2 2 地理信息系统的构成 完整的g i s 主要由四个部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理 空间数据和系统管理操作人员。其核心是计算机系统，空间数据反映了g i s 的地理 内容，而管理人员和用户决定了系统的工作方式和信息表达方式。系统构成如图2 1 所示。 图2 - lg i s 系统构成 1 计算机硬件系统 计算机硬件是计算机系统中的实际物理装置的总称，可以是电子的、电的、磁 的、机械的、光的元件或装置，是g i s 的物理外壳，系统的规模、精度、速度、功 能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，受硬件指标的支持或制约。 g i s 由于其任务的复杂性和特殊性，必须由计算机设备支持。g i s 硬件配置一般包 括四个部分： ( 1 ) 计算机主机； ( 2 ) 数据输入设备：图形数字化仪，图像扫描仪，键盘，通讯端口等； ( 3 ) 数据存储设备：软盘，硬盘，磁带，光盘及相应的驱动设备： 1 0 济南大学硕士学位论文 ( 4 ) 数据输出设备：图形图像显示器，矢量栅格绘图机，行式点阵打印机等； 2 计算机软件系统 指g i s 运行所必需的各种程序，通常包括： ( 1 ) 计算机系统软件 由计算机厂家提供的，为用户开发和使用计算机提供方便的程序系统，通 常包括操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、库程序以及各种维护使用 手册、程序说明等，是g i s 日常工作所必须的。 ( 2 ) 地理信息系统软件和其他支撑软件 可以是通用的g i s 工具系统或专门开发的g i s 软件包，也可以包括数据库 管理系统、计算机图形软件包、c a d 、图像处理系统等，用于支持对空间数据 输入、存储、转换、输出和用户接口。 a 数据输入与校验：通过各种数字化设备将各种已存在的地图数字化， 或者通过通讯或读磁盘磁带的方式录入遥感数据和其他系统已存在的数据，还 包括以适当的方式录入各种统计数据，野外调查数据和仪器记录的数据。 数据校验就是通过观察、统计分析和逻辑分析检查数据中存在的错误，并 通过适当的编辑方式加以改正。 b 数据存储与管理：数据存储和管理内容包括空间景物的位置、相互间 联系以及它们的地理意义( 属性) 的结构和组织，以及数据格式的选择和转换、 数据压缩编码、数据的联接、查询、提取等。 c 空间分析函数转换与空间指标量测【捌：指对单幅或多幅专题图件及其 属性数据进行分析运算和指标测量，在这种操作中，以一幅或多幅图作为输入， 而分析计算结果则以一幅或多幅新生成的图件表示，在空间定位上仍与输入的 图件一致，故可称为函数转换。空间函数转换可分为基于点或象元的空间函数， 如基于象元的算术运算、逻辑运算或繁类分析等；基于区域、图斑或图例单位 的空间函数，如叠加分类、区域形状测量等；基于邻域的空间函数，如象元连 通性、扩散、最短路径搜索等。量测包括对面积、长度、体积、空间方位、空 间变化等指标的计算。函数转换还包括错误改正、格式变换和预处理。 d 数据输出与表示模块：输出与表示是将地理信息系统内的原始数据或 经过系统分析、转换，重新组织的数据以某种用户可以理解的方式提交给用户： 经过颜色的调配、尺寸的缩放、边框注记和其他附加信息产生，表格格式安排， 基于w 曲的g i s 系统的研究与实现 图形的分割、拼接、复合，数据的排序等输出处理，以地图、表格、数字或曲 线的形式表示于某种介质上。可采用c r t ( c a t l l o d er a yt u b e ) 显示器、胶片拷贝、 点阵打印机、笔式绘图仪等作为输出设各，也包括将结果记录于磁存储介质设 备或通过通讯线路传输到用户的其他计算机系统。 e 用户接口模块：该模块用于接收用户的指令和程序，系统通过菜单或命 令解释方式接收，解释并运行完成用户要求任务的系统程序。用户自行编制的 应用程序可以是调用系统功能的批处理程序，也可以是处理系统数据的分析程 序，用户接口模块可接纳用户开发的应用程序，并提供系统与用户程序的数据 接口。该模块还随时向用户提供系统运行信息和系统操作帮助信息，这就使地 理信息系统成为人机交互的开放式系统。 ( 3 ) 应用分析程序 是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特 定应用任务的程序，是系统功能的扩充与延伸。在优秀的g i s 工具支持下，应 用程序的开发应是透明的和动态的，与系统的物理存储结构无关，而随着系统 应用水平的提高不断优化和扩充。应用程序作用于地理专题数据或区域数据， 构成g i s 具体内容，这是用户最为关心的真正用于地理分析的部分，也是从空 间数据提取地理信息的关键。用户进行系统开发的大部分工作是开发应用程 序，而应用程序的水平在很大程度上决定系统的实用性优劣和成败。 3 地理空间数据 空间数据是指单个地或群体地以空间位置为参照的数据【9 0 2 1 。 空间位置可由以下两种方法表示： ( 1 ) 专门位置表示法 通过空问实体与某种坐标系统的联系或与某些数据要素之间空问位置的 联系来表示，即表示为绝对坐标和相对坐标。专门位置表示法可以表示： a 表示小尺度空间现象的抽象的点或者大尺度空间现象的点，如城 镇、高程控制点、交通网络的节点等； b 具有线性特征的线段，如水系、公路等； c 有规则的面，如栅格、象元等； d 用于面状描述的不规则多边形，如土壤分布、植被类型、空间影 响范围的表示等； 1 2 掰南大学硕士学位论文 ( 2 ) 列名位置表示法 用名称或编码等可标识的数码表示，如邮政编码、街区地址、门牌号码等。 它们只表示空间实体的组合和偶然的联系，本身并不能完整地表达空间位置， 而需参照其他空间要素，如地图上地名，编码才能确定实体的空间位置。 地理空间数据可以用来描述地球上可更新与不可更新的自然资源、人类赖以生 存的自然环境、人文经济与劳动力资源的有关信息，包括：地形地貌、土壤、岩石 矿藏、植被、水、土地利用、行政界限、交通网络、政治分区、邮政区公共设施位 置、土地界限、土地价值、土地所有权、人口普查分区、人口分布、收入分配、经 济区划、环境污染、疾病影响范围、自然灾害分布等。 空间数据表示了各种空间现象之间的空间关系，如邻接、距离、重叠、包含等， 空间信息的其他属性也可以用数据表示，有时在一定程度上空间关系或属性隐含于 数据结构之中，可以根据数据记录格式和数据结构计算出来。常用的空间数据结构 主要有两种，一种是空间关系隐含的网格( 栅格) 结构，另一种是空间现象的属性 隐含的矢量结构。 地理空间数据可以由位置组合变量的表格形式表示，也可以由相对位置在地图 或图像上表示，在地理信息系统中最常用的就是以地图表示的地理空间数据。 地图是地理学家最常用的地理信息载体和地理语言，包括表示地表形态和地表 地物分布( 水系、植被和土质、居民点、交通网、国界和行政区划等) 的普通地理 图和地形图，以及详细客观地表示某种( 或某些) 自然要素或社会要素的专题地图。 地图是一种图解图像，从地图上我们可以获得一个地区或整个地球表面的同一 时间的空间表象，他们建立超地物形态、尺寸和相对位置的视觉形象，从而可从地 图上得出地表景象的空间尺度，即空间坐标、长度、面积、高度和体积，除表示地 物的数量和质量方面的特征外，地图还可以表示出地物之间的空间联系和其他联 系，即邻近性、包括性、叠置性、相对距离、从属关系、经济和交通方面的联系等 等。 地图表达的对象可以是具体的( 如居民地植被、土壤等) 和抽象的( 如人口密 度、工农业产值、影响范围) 、现实的( 如河网、道路、城市土地利用) 和预期的 ( 如规划的灌溉网、规划的道路和土地利用规划) 。更为重要的是，地图还可表示 自然现象的发生发展过程，表达其空间上的变化和时间上的发展，如表示城市化过 程的城市扩展图、土地利用变化图、反映土壤侵蚀速率图等。 基于w 曲的g i s 系统的研究与实现 由于地图具有表达空间地理信息精确、简洁、丰富、动态、灵活等特点，地图 成为地学工作者普遍使用的第二代语言，也成为地理信息系统的最重要的数据源。 事实上，地图也是地理信息系统向用户输出信息的重要形式之一。 地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数 据，可以使图形、图像、文字、表格和数字等，由系统的建立者通过数字化仪或其 他系统通讯输入g i s ，是系统程序作用的对象，是g i s 所表达的现实世界经过模型 抽象的实质性内容，空间数据的概念已在前面介绍过了，地理信息系统的数据模型 j 包括三个互相联系的方面： ( 1 ) 某个已知坐标系中的位置 即几何坐标，表示地理景观在自然界或包含某个区域的地图中的空间位 置，如经纬度、平面直角坐标等，采用数字化仪输入时常采用数字化仪直角坐 标或屏幕直角坐标。 ( 2 ) 实体间的空间相关性 即拓扑关系( t o p o l o g y ) ，表示点、线、面、实体之间的空间联系，如网络 结点与网络线之间的枢纽关系( 图2 2 a ) ，边界线与实体之间的构成关系( 图 2 2 b ) ，面实体与岛或内部点的包含关系等( 图2 2 c ) 。空间拓扑关系对于地理 空间数据的编码、录入、格式转换、存储管理、查询检索和模型分析都有重要 意义，是地理信息系统的特色之一。 图2 2 几种典型的拓扑关系 ( 3 ) 与几何位置无关的属性 即常说的非几何属性或简称属性( a 删b u t e ) ，是与地理实体相联系的地理 变量或地理意义。属性分为定性和定量的两种，前者包括名称、类型、特性等， 后者包括数量和等级，定性描述的属性如岩石类型、土壤类型、土地种类、土 地利用、行政区划等，定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量、降雨 1 4 济南大学硕士学位论文 量、积温、水土流失量等，非几何属性一般是经过抽象的概念，通过分类、命 名、量算、统计得到。任何地理实体至少有一个属性，而地理信息系统的分析、 检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的，因此，属性的分类系统、量算 指标对系统的功能有较大的影响。地理信息系统特殊的空间数据模型决定了地 理信息系统的空间数据结构和特殊的数据编码，也决定了地理信息系统具有特 色的空间数据管理方法和系统空间数据分析功能，成为地理学研究和资源与环 境管理的重要工具。 4 系统开发、管理和实用人员 人是g i s 中的重要构成要素，g i s 不同于一幅地图，而是一个动态的地理模型， 仅有系统硬件和数据还构不成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、 维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多 种信息，为研究和决策服务。 2 3 地理信息系统的发展概况 2 3 1 地理信息系统发展回顾 地理信息系统技术的创立和发展是与地理空间信息的表示、处理和应用手段的 不断发展分不开的。 最早的地图用于航海。在罗马时代，土地测量员为帝国提供了丰富的地图地况 资料，在国家的支持下得到较大的发展，罗马帝国衰败后，测量地图的发展趋势趋 于停滞，直到十八世纪，随着欧洲文明的昌盛，地图生产开始复苏。到了二十世纪 六十年代初，在计算机图形学的基础上出现了计算机化的数字地图。 1 9 5 0 年，麻省理工学院( m i t ) 为它的旋风一号计算机制造了第一台图形显示 器：1 9 5 8 年，美国c a l c o m p 公司在联机的数字记录仪的基础上研制成滚筒式绘图仪； 1 9 6 2 年，麻省理工学院研究生i v a i le s u l e 订a n d 发表了题为“s k e t c h p a d ：一个人一 机通讯的图形系统”的博士论文，首次提出了“c o m p u t e rg m p l l i c s ”( 计算机图形学) 的术语，从而确定了这一科学分支的独立地位。地理信息系统也从六十年代开始， 由机助制图逐渐发展起来，经历了三个主要时则佗】： 1 六十年代