（系统工程专业论文）小型地理信息系统平台的自主研制与开发.pdf

摘要 本文在对地理信息系统的体系结构、功能和发展应用的研究基础上，旨 在自主研制和开发一个小型地理信息系统平台软件。整个系统按照软件工程 的方法，通过u m l 进行系统的设计和规划，采用面向对象技术，使用 m i c r o s o f tv i s u a lc 上+ 6 0 进行系统开发。在数据库设计方面，采用关系数 据库存储空间对象数据，空间数据模型采用基于矢量的数据模型；拓扑关系 模型采用空间数据模型与空间数据索引相结合的方式，空间数据索引采用基 于改进r - t r e e 算法，属性数据索引采用b + 树数据结构；网络数据传输采用 三层结构模型，并采用j a v aa p p l e t 进行开发。 整个系统在开发初期取得较好的效果，文件、编辑、绘制等模块的主要 功能已经完成，可以实现数据格式的相互转换、矢量图形的绘制、空间数据 和属性数据的查询等基本功能，运行结果正确且具有良好的速度和稳定性， 但仍需进行深层次的开发和完善，以扩展和应用到其它领域。 关键词：地理信息系统；矢量数据模型；空间数据；关系数据库 a b s tr a c t t h is p a p e ra i m s t om a k ear e s e a r c ho ng i r l sa r c h it e c t u r ea n d d e v e l o pas m a l 1g i sp l a t f o r mw h o s ei n t e ll e c t u a lp r o p e r t yr i g h tjs o w n e db yt h ed e v e l o p e r s t h es y s t e ma d o p t ss p a t i a ld a t am o d e lb a s e do nt h ev e c t o rd a t am o d e l t o p o l o g yr e l a t i o nm o d e lu s e ss p a t i a ld a t am o d e lc o m b i n e dw i t hs p a t i a l d a t ai n d e x ：a n dm a k e su s eo fr e l a t i o nd a t a b a s et os a v es p a t i a le n t i t y d a t a u m lt e c h n o l o g yi s e m p l o y e d t o d e s i g n a n dl a y o u tt h e s y s t a m s t r u c t u r e t h eo b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g yp l i e st h em i c r o s o f tv i s u a l c + + 6 0t od e v e l o pt h es o f t w a r e t h es p a ti a ld a t ai n d e xb e t a k e st h e s p a t i a ld a t as t r u c t u r eb a s e do nt h ei m p r o v e dr - t r e es t r u c t u r e ，a n d t h ep r o p e r t yi n d e xu s e st h eb + t r e ed a t as t r u c t u r e n e t w o r kd a t a t r a n s p o r t a t i o na d o p t s t h et h r e e 一1 e v e lf r a m em o d e l ，a n du s e sj a v a a p p l e tt oe x p l o i tt h en e t w o r kp a r t i nt h ef i r s ts t a g eo fd e v e l o p p i n g ，t h es y s t e mp e r f o r m sg o o d ，a n d b a s i cg i sf u n c t i o n s ，s u c ha sf i l eo p e r a t i o n ，t h ec o n v e r s i o nb e t w e e n d if f e r e n td a t a f o r m a t s ，d r a w i n gv e c t o rg r a p h i c sa n dq u e r yb e t w e e n s p a t i a ld a t aa n da t t r i b u t ed a t a ，c a nb er e a i z e dw i t hc o r r e c ta n d r a p i dr e s u l ta n ds t a b i l i t y ，h o w e v e r ，t oi m p l e m e n tt h ew h o l ef u n c t i o n s n e e d sa o n gp e r i o do fh a r dw o r kt od e v e l o p et h es y s t e mt oad e e p e r 1 e v e l k e y w o r d s ：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 ) ；v e c t o rd a t am o d e l ； s p a t i a ld a t a ；r d b m s ( r e l a t i o nd a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ) 小型地理信息系统平台的自主研制与开发 1 引言 1 1 课题的提出 1 1 1 关于地理信息系统 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 ) 是一项以计 算机为基础的包括地理学、测量学、地图学等多门学科综合的新兴技术【1 】， 是围绕着这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科， 是管理和研究空间数据的技术系统，如图1 1 。在计算机软硬件支持下，它 可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理、对数据的有效管理、 研究各种空间实体及相互关系。通过对多因素的综合分析，它可以迅速地获 取满足应用需要的信息，并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果【2 1 。 图1 1g i s 体系结构 f i g1 1s y s t e ms t r u c t u r eo f g i s 1 1 2 课题提出的必要性与可能性 一方面，随着我国经济建设的高速发展和信息化时代的来临，对信息的 高效和方便地处理成为当务之急，如对各大中型城市的供水和配电管网系统 的管理，如用传统的管理手段和管理方式，往往在管网管理与维护上存在着 查询检索不方便、资料的利用率低、信息传输渠道老化，对决策者、信息咨 询者不能提供及时、准确的决策依据等问题，很难实现高效的管理 3 1 。而管 网地理理信息系统却可将管网图形和设备数据资料有机结合在一起，并将传 小型地理信息系统平台的自主研制与开发 统的数据库数据带入可视化的空间当中，这样就可以弥补了mi s 系统中分 析数据的局限性，并打破了常规统计图组成的屏幕格局，使一堆枯燥的数据 变成了直观的图形 4 1 ，在此基础上用户能更直观方便地使用和处理数据，加 大了对信息处理的能力。 另一方面，虽然现在有许多成型的商用地理信息系统软件，但价格昂贵 且各自存在缺陷，利用g i s 专业开发工具进行g i s 系统开发时，存在着一 些不可克服的缺点【5 j ： 1 、可扩展性差。一些传统的g i s 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“黑匣子”。应用这些开 发工具开发实用系统时，往往只需使用专业开发工具提供的很少一部分功能 ( 如2 0 ) ，而实现系统的9 0 功能。 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。 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 统专业开发工具的重要因素。利用它们开发的g i s 系统，实际上只是在人家 系统的基础上做一些简单的应用开发，开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以外，还需要再购买这些 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。 同时，我们已经积累了一些相关地理信息系统工程项目的开发经验，如 金州自来水管网综合管理系统【6 】，在实际应用中已经表现出良好的性能和效 果，所以决定以面向自来水管网、配电管网等管网信息系统方面为突破口来 开发一套自主版权的地理信息系统软件，随着研究和开发的不断深入，将可 使其扩展到其他领域，成为具有综合功能的大型g i s 软件平台。 1 2 当前g i s 同类产品的研究应用现状与与发展方向 1 2 1 国内外g i s 研究应用现状 国外的g i s 系统平台产品已经非常成熟，以e s r i 和m a p l n f o 两家公司 为代表，他们的产品包括了g i s 的全套解决方案，软件的功能强大完善，然 小型地理信息系统平台的自主研制与开发 而价格昂贵。e s r i 的a r c i n f o 1 8 1 在国内外的应用非常广泛，它推出的系列 产品包括地图浏览器a r c e x p l o r e r ，桌面g i sa r c v i e w 1 9 】，空间数据库【2 0 1 引 擎a r c s d e ，以及用于网络的组件m a p o b j e c t s 和空间分析模块等。随着技术 的发展，他们已转向更加前沿的研究，如三维地理信息系统，同时也在忙于 制定行业标准规范，以实现数据资源的共享。 国内的功能比较完善的g i s 产品也有一些，最有代表性的是北京超图地 理信息技术有限公司开发的超图s u p e r l a p 川，还有中国地质大学的 m a p g i s l 2 2 1 和武汉吉奥信息工程技术有限公司开发的吉奥之星g e o s t a r 2 3 1 。虽 然这几种软件，尤其是超图在功能上几乎可以与国外的大牌产品相抗衡，但 由于早期的数据通常是存储成为a r c i n f o 或者m a p l n f o 2 4 】的格式，所以人 们宁愿追加投资也不愿尝试新的国内软件，国内地理信息系统软件市场仍然 是这两种产品的天下。 当前，g i s 的应用体现在两个方面，一是利用g i s 系统来处理用户的数 据，二是在g i s 的基础上，利用它的开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、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、物 流等一百多个领域。 近年来，随我国经济建设的迅速发展，加速了地理信息系统应用的进程， 除了传统的城市规划管理、交通运输、测绘、环保、农业、制图等领域外， 也在商业管理中发掘其应用，如g i s 在物流配送中的应用7 1 ，不但会促进物 流业的发展，而且有助于电子商务的兴起。 1 2 2 g i s 的发展方向 地理信息系统的发展趋向从总的系统角度看，将向着数据标准化，系统 集成化，平台网络化和应用社会化方向发展：从系统内部角度看，将逐步走 向数据采集自动化i 8 1 ，空间数据和属性数据组织的一体化，数据结构的标准 化及空间分析功能的多样化【9 】；从应用的角度看，地理信息的发展还有待于 各种专业应用模型的开发。 当前，g i s 的研究热点体现在以下几个方面： 1 、三维和多维地理信息系统和地理数据的描述信息成为当前g i s 研究 小型地理信息系统平台的自主研制与开发 领域的热点 9 1 ，特别是真三维地理信息系统，以及分布式异构空间数据库的 集成等等。随着机器处理速度的加快和存储芯片容量的增大，真正的三维地 理信息系统会流行起来，而且网络带宽允许的情况下，三维网络地理信息系 统的出现也很有可能。 2 、空间可视化技术和虚拟现实。g i s 中引入多媒体技术和虚拟现实技 术，使g i s 更加形象、直观，增强了可视化程度和交互性【l 。 3 、开放式g i s ( o p e ng i s ) 。o p e ng i s 协会( o g c ) 【2 5 】致力于开放的地理 信息系统( o p e ng i n ) 研究并且制定了一套支持o p e ng i s 的规范o g i s ( o p e n g e o g r a p h yi n t e r o p e r a b l es p e c i f i c a t i o n ) 【l l 】。它鼓励软件开发商和系统集成者 坚持o g i s 的标准，逐步地开发出一系列符合规范的工具、数据库及其他地 理信息互操作的产品，以最大限度地共享资源及信息交互。 4 、智能化g i s 。g i s 的发展依赖于计算机软硬件技术，也依赖于地理学、 测绘学、统计学、航天技术、遥感技术和人工智能与专家系统 2 6 1 等技术的 进步与发展，g i s 与相关技术的相互结合将推动g i s 向集成化、自动化和智 能化方向发展。 5 、网络g i s 2 7 j 。因特网成为了新的g i s 的操作平台，集中在空间数据 的发放、地址的查询和地图的显示上。目前基于i n t e r n e t 的地理信息系统， 我们常称为w e b g i s ，这主要是由于大多数的客户端应用采用了w w w 协议。 随着技术的进步，客户端可能会采用新的应用协议，因此也被认为是i n t e r n e t g i s 。已经有一些公司推出了万维网g i s 产品，如i n t e r g r a p h 公司的g e o m e d i a w e bm a p 2 引，e s r i 公司的i n t e r n e tm a ps e r v e rf o ra r c v i e w & m a p o b j e c t s 1 8 】 和a u t o d e s k 公司的m a p g u i d e 2 9 】等等。 1 3 本文的思路 论文的第2 章主要论述系统的整体设计，包括系统的功能、采用的数据 模型、数据结构，并对实现网络部分的几种技术进行了比较和分析。 第3 章论述系统的实现，主要阐明了编辑和绘制子系统的实现过程以及 解决的问题和取得的效果等。 最后一章是结论与展望。 4 小型地理信息系统平台的自主研制与开发 2 系统的分析与设计 2 1 系统的基础设计 2 1 1 软件工程设计方法 计算机软件工程是应用计算机科学、数学及管理科学等原理来指导计算 机软件开发和维护的工程学科1 2 。它采用工程的概念、原理、技术和方法 来开发与维护软件，把经过时间考验而证明正确的管理技术和当前能够得到 的最好的技术方法结合起来借鉴传统工程的原则、方法，创建软件以提高质 量、降低成本的学科。 在设计开发过程中，我们非常注重遵守软件工程的目标、活动和原则来 进行。 l 、由于瀑布式开发模型应用 比较成熟，能够清晰、直观的表 达软件开发全过程，明确规定要 完成的主要任务和活动，所以我 们采用瀑布式的开发模型( 如图 2 1 ) 。 在瀑布模型中，将各项活动 规定为依照固定顺序连接的若干 阶段工作，形如瀑布流水。瀑布 模型的特征是：每以阶段接受上 一阶段的工作结果作为输入；其 工作输出传出给下一阶段；每一 阶段工作都要进行评审，得到确 认后，才能继续进行下阶段工作。 图2 1 瀑布开发模型 f i g 2 1 d e v e l o p i n gm o d e lo f w a t e r f a l l 2 、采用面向对象的分析和设计方法，实现了系统软件的模块化、抽象 与信息隐藏、局部化、一致性以及适应性等特征。面向对象的方法学认为， 小型地理信息系统平台的自主研制与开发 客观世界是由许多各种各样的类组成的，每种对象都有各自的内部状态和运 动规律，对象之间的作用和联系就构成了各种不同的系统。面向对象方法学 追求的是使解决问题的方法空间与客观世界的问题空间结构达成一致，由于 面向对象的技术在理解问题空间、控制需求变化、消除从分析设计到编码的 鸿沟、支持软件复用等各方面优于其他方法，使之成为目前软件开发的主流 方法。 目前已经提出了很多不同的没、面向对象的分析、设计方法，如 g o r d - y o u r d o n 方法，b o o c h 方法，o m t 方法，j a c o b s o n 的u s ec a s e 驱动方 法等等。这些方法在侧重点、符号表示和实旌策略上略有不周，但是基本的 概念是一致的，这些概念有：对象、类、属性、服务、消息、继承、封装等 等。我们在本系统设计中主要使用了u s ec a s e 豹u m l ( u n i f i e dm o d e l i 盎g l a n g u a g e ) 进行系统结构的设计规划。 3 、在软件工程中，软件工具与环境对软件工程的支持颇为重要。在系 统开发中，我们采用了面向对象的工具软件环境，为软件工程提供了高质量 的支持。 4 、重视开发过程的管理。开发过程中，从代码的编写到文档的说明等 都遵守严格的规范，以保证软件开发的连续性和一致惶，同时也保证了软件 产品的质量。 软件开发模型是软件开发全部过程、活动和任务的结构框架。软件开发 模型能够清晰、直观的表达软件开发全过程，明确规定要完成的主要任务和 活动，可以作为软件开发项目工作的基础。 在瀑布模型中，将各项活动规定为依照固定顺序连接的若干阶段工作， 形如瀑布流水。瀑布模型的特征是：每以阶段接受上一阶段的工作结果作为 输入；其工作输出传出给下一阶段；每阶段工作都要进行评审，得到确认 后，才能继续进行下阶段工作。瀑布模型较好地支持结构化日记开发，但是 缺乏灵活性，无法通过软件开发活动澄清本来不够确切地需求。 2 1 2 数据管理设计 数据管理设计目的是确定在数据管理系统中存储和检索数据的基本结 构，其原则是要隔离数据管理方案的影响，不管该方案是普通文件、关系数 6 小型地理信息系统平台的自主研制与开发 据库、面向对象数据库或其他方式。 目前，主要有三种主要的数据管理方法，即文件、关系和面向对象。 1 ) 普通文件管理：普通文件管理提供基本的文件处理和分类能力。 2 ) 关系型数据库管理系统( r d b m s ) ：关系数据库管理系统建立在关系 理论 的基础上，采用多个表来管理数据，每个表的结构遵循一系列范式进行规范 化，以减少数据冗余。 3 ) 面向对象的数据库管理系统：面向对象的数据库1 3 0 是一种正同益成 熟的技术，它通过增加抽象数据类型和继承特性等来创建和操作类和对象服 务，实现对象的持续存储。 这样，就存在四种数据管理方式： 1 ) 全部采用文件管理 将所有的数据存放于一个或多个文件中，包括结构化的属性数据。采用 文件管理数据的优点是灵活，即每个软件厂商可以任意定义自己的文件格 式，管理各种数据，这一点在存储需要加密的数据以及非结构化的、不定长 的几何体坐标记录时是有帮助的。文件管理的缺点也是显而易见的，就是需 要由开发者实现属性数据的更新、查询、检索等操作，而这些都可以利用关 系数据库来完成，换言之，利用文件管理增加了属性数据管理的开发量，并 且不利于数据共享。目前许多软件采用文本格式文件进行数据存储，其目的 就是为了实现数据的转入和转出，与其他应用系统交换数据。 2 ) 文件结合关系数据库管理 目前大多数g i s 软件都采用这种数据存储方案。考虑到空间数据是非结 构化的、不定长的，而且旌加于空间数据的操作需要g i s 软件实现，这样就 可利用文件存储空间数据，而借助已有的关系数据库管理系统( r d m s ) 管 理属性数据。采用这种管理方式可以实现： 空间数据：通过文本进行管理： 时间数据：是结构化数据，可以利用数据库管理： 。非空间属性数据：利用数据库进行管理； 非结构化的描述数据：由于描述数据，不论是文本、图象，还是声音、 小型地理信息系统平台的自主研带j 与开发 录象，一般都对应一个文件，这样可以简单地在关系数据库中记录其文件路 径，其优点是关系数据库数据量少，缺点是文件经常会因为删除、移动等操 作而变得不可靠。 由于空间几何坐标数据和属性数据是分开存储管理的，需要定义它们之 间的对应关系。通常的解决方法是在文件中，每个实体都有个唯一的标志 码，而在关系数据表结构中，也有一个标志码属性，这样每条记录可以通过 该标志码确定与对应实体的连接关系。 采用这种管理方式的缺点是在于经常进行根据实体i d 的查找，使查询、 模型运算等操作的速度变慢。 3 ) 全部采用关系数据库管理 在这种管理方式中不定长的几何实体坐标数据以二进制数据块形式存 储在关系数据库，换言之，坐标数据被集成到r d m s 中，形成空间数据库。 个实体对应数据表中的一条记录，这样它就避免了对“连接”关系的查找。 现在，关系数据库已经提供了一致的访问接口( s q l ) 以操作分布的海量数 据，并且支持多用户并发访阐，完全性控制和一致性检查。这些正是构造企 业级的地理信息系统所需要的。 采用全关系g i s 数据管理，由于几何体坐标数据长度不定长，会造成存 储效率低下，此外，现有的s q l 并不支持空间数据检索，需要软件开发厂 商自行开发空闻数据访问接口。 4 ) 面向对象数据库( o o _ d b m s ) 管理 应用对象数据库管理g i s 数据，可以定义扩充对象数据库中的数据类型 以支持空间数据，包括点、线、多边形等几何体，并且允许定义对这些几何 体的基本操作。包括计算距离，检测空间关系等操作也可以由对象数据库 管理系统“无缝”地支持。通过对象数据库管理系统，提供了对于各种数据 的一致的访问接口以及部分空问模型服务，这样不仅实现了数据共享，而且 空间模型服务也可以共享，使g i s 软件将重点放在数据表现以及开发复杂的 专业模型上，但对象数据库管理系统还未成熟，许多技术仍需要进一步研究。 由于关系数据库比较成熟，经比较分析，我们采用的是关系数据库管理 的方式。 s 小型地理信息系统平台的自主研制与开发 数据库结构模型 数据库是自描述性完整记录的集合。之所以是自描述性的，是因为它在 数据字典中包含它自身的描述，数据字典也称为数据目录或元数据。之所以 说是完整记录的集合，是因为记录之间的关系也存储在数据库中。这种关系 使的数据库管理系统能够基于存储关系构造更复杂的对象。数据库技术的发 展经过了几个阶段。早期的数据库集中在组织数据的事物处理上，随后关系 模型和微型计算机导致了个人数据库应用的使用。随着局域网的出现，各部 门开始实现工作组的客户服务器数据库。 数据库被映射倒多个不同文件中，每个文件被分成定长的存储单元。块 是存储分配和数据传输的基本单元，一个块可能包含多个数据项。数据库的 一个目的就是减少磁盘和存储器之间传输的块的数量。减少磁盘访问次数的 一个方法就是在主存储器中保留尽可能多的块。缓冲区是主存储器中用于存 储磁盘块的拷贝部分。每个块总有一个拷贝放在磁盘上，但磁盘上的拷贝可 能比缓冲区中的拷贝旧。 当数据库程序需要磁盘上的块时，缓冲管理器就提出请求。若所要求的 数据块在缓冲区内，则将该块所在的地址传给请求者；倘若没有在缓冲区内， 若缓冲区内有空余的存储空间，则为该块分配空间，若没有可利用的空间， 就要将其他的数据块移出缓冲区，移出的块当它在最近一次写回磁盘时被修 改过才回被写回磁盘，然后将该块从磁盘读入缓冲区内，并将该数据块的地 址返回给请求者。缓冲区替换策略为：假定最近访问过的块是晟有可能再次 被访问的，通过查看执行用户请求所需要的每一步，数据库系统通常可以预 先确定哪些块需要的。 本系统设计的数据库模型对用户提供两种查询方式：面向初级用户的 界面查询，使用应用程序目标码实现用户请求；面向专业人员的s q l 查 询，通过d m l 编译器将查询语言中d m l 语句翻译成查询求值引擎能理解 的低级指令，或通过嵌入式d m l 预编译器将d m l 语句转化为宿主语言中 普通的过程调用语句，进而实现用户的请求，如图2 , 2 所示。数据库管理员 实现对数据库结构的定义，以及对数据库的管理和更新。对数据库的连接有 两种方式，一是利用系统本身提供的数据库，以二进制形式存储的空间数据 9 小型地理信息系统平台的自主研制与开发 文件和以a s c i i 形式存储的关系属性数据文件，通过b + 树实现对属性数据 的索引和改进r t r e e 数据结构对空间数据的索引：二是利用o d b c 与外接 数据库联接，例如o r a c l e ，s q ls e r v e r2 0 0 0 等，将对象空间数据和属性数 据以面向对象方式存储在外部数据库中。 用户 d b m s 磁盘数据存储 图2 2 数据库系统结构 f i g2 2d m a b a s es y s t e ms t r u t u r e 模型中事物管理器则是保证即使在数据库发生故障时也保持数据库的 一致性，保证若发事物的执行部发生冲突。文件管理器负责文件在磁盘上的 空间分配，管理数据库存储信息的数据结构。数据文件存储数据库本身的数 i 0 小型地理信息系统平台的自主研制与开发 据，数据字典则记录数据库结构的元数据。由于数据字典和索引的频繁使用， 一般情况下不将他们移出内存空间。 将数据库映射倒文件上一般有两种方法：一种方法是使用多个文件，在 所有的文件中只存储同样长度的记录；另一种选择就是构造自己的文件，使 之能容纳不同长度的记录。文件在逻辑上是记录的序列，文件中记录的组织 一般有如下的方法： 堆文件组织：一条记录可以放在文件中的任何地方，只要哪个地方有 空间存放这条记录，记录是没有顺序的，通常一个关系是一个单独的文件。 顺序文件组织：记录根据关键码的值顺序存储。 散列文件组织：各个记录的同一属性需要计算一个散列函数，散列函 数的结果确定了记录应该存储在文件中的哪个块中。 聚集文件组织：不同关系的建立可以存储在同一文件中。由于不同关 系中的相关记录存储在相同文件中，于是一个i o 操作可以从所有关系中取 道相关记录。 顺序文件是为高效处理按搜索码排列的记录而设计的。用指针把记录链 接起来。每个记录的指针指向在搜索顺序上的下一个记录。为减少顺序文件 处理中的块访问次数，我们在物理上按照搜索码顺序存储对象，或尽可能按 照搜索码排序。 顺序文件组织形式允许记录按排序的顺序读取，对显示和指定的查询处 理算法非常有效。然而当插入和删除后，维护物理上的顺序也是非常困难的。 因一个单一的插入或删除后，将导致很多记录的移动，而且代价很高。 对插入，应用如下规则： 在文件中定位按搜索码排序处于被插入记录之前的那条记录。 若这条记录所在的块中有一个空记录，则就在那里插入新记录。否则， 将新记录插入倒一个溢出块中。调整按搜索码顺序把记录链接在一起的指 针。 由于插入操作比删除操作更频繁使用，让删除记录占据的空间空着，一 直等到随后进行插入操作时，才重新使用这个空间。在文件的开始处，分配 一定数量的字节作为文件头，文件头包含文件的各种信息。在文件头存储的 小型地理信息系统平台的自主研制与开发 内容只有删除的第一个记录的地址，用这个第一个记录来存储第二个可用记 录的地址，依次类推。在插入一个新的记录时，找到文件头所指向的可用记 录，并改变文件头的指针以指向下一个可用记录。若没有可用空间，就把 这条记录新记录插入到文件末尾处。 2 1 3 界面设计 系统界面是人机交互的接口，包括人如何命令系统以及系统如何向用户 提交信息。一个设计良好的人机界面可以使用户更容易掌握系统，从而增加 用户对系统的接受程度。总的来说，现在有两种界面形式： 1 ) 基于命令行的g i s 界面 命令行是最简单的界面形式，并且很早就已经在各种操作系统软件中被 采用。它使用文本语言，要求用户了解可以使用的选项，但需要记忆各种命 或者不断查找帮助文档。因为g i s 软件包含大量的图形操作，所以采用命 图2 3 系统主界面 f i g2 3m a i ni n t e r f a c eo fs y s t e m 令行界面时，需要有一个图形窗口显示操作结果，这样命令行界面起到控制 台的作用。命令行界面的优点在于对于专业人员来说，利用批命令文件或者 小型地理信息系统平台的自主研制与开发 脚本文件，可以依次完成多步操作，来提高执行效率。 2 ) 基于菜单驱动的g i s 界面 当m s w i n d o w s 成为p c 上主流操作系统之后，菜单驱动的用户界面几 乎在所有的应用软件中被采用。它按照层次，列出了系统所提供的所有操作， 用户可以通过键盘或鼠标来选择一个操作。每个菜单都有相应的帮助信息， 便于用户随时查看。所以菜单驱动界面的最大好处就在于界面的友好性，便 于用户在较短时间内掌握系统。当然，在g i s 中。往往要对批量数据进行处 理。并且需要较长的计算时间，这种情况是菜单驱动界面所难以容忍的。 随着g i s 的广泛应用，界面的友好性越来越重要，所以我们采用基于菜 单驱动的g i s 界面形式，图2 3 是本系统的主界面。 2 2 系统功能结构设计 2 2 1 系统主要功能 一般地，通用地理信息系统都必须具备矢量图形操作，空间和属性数据 的双向查询以及空间分析等功能。专用地理信息系统则根据自己的需要又增 加了特殊的功能，如用于交通运输的g i s 系统通常具有最短路径分析功能。 本系统具有的以下特性，既包括基本的g i s 功能也包括一些管网g i s 的功 能： l 、g i s 图形显示管理 1 ) 用户可以将地理背景图( 如地形图、分区图、街道图) 、供水线路和 设备图形按图层1 3 1 分层显示： 2 ) 能够实现无级缩放、漫游、比例切换、改变显示方式、自动标注等 视图功能： 3 ) 用户可以根据坐标、图块号或管线、设备、用户对g i s 图形进行定 位显示： 4 ) 能够对统计数据进行图形化分析： 5 ) 用户可以通过各种输出设备( 普通打印机、绘图仪) 以多种方式输出 g i s 图形。 2 、图形及属性数据档案管理 小型地理信息系统平台的自主研制与开发 管理内容包括所有基础及专业图层。管理方式有 1 ) 可增加、删除或改变各种图形对象。( 如：管线、阀门、消火栓、 水表、建筑物等。) 2 ) 可更改属性数据库信息，并保证空间与属性数据的一致性。 3 、综合查询及定位 可以对用户、单位、街道及各类设备进行多种条件查询，查询结果可 以同时以浏览表和图形方式显示出来。 4 、数据分析及报表统计 在任意指定区域内对各种设备可以在指定条件下做统计分析，并生成 多种专业报表， 统计结果以统计图( 直方图、饼图、折线图等) 方式显示。 2 2 2 系统功能模块 如n ( 2 4 ) 所示，本系统包含以下基本功能模块：文件、编辑、查询、统 计、报表、表管理、系统管理、地图管理、窗口、帮助等，具有商用地理信 息系统软件的基本功能，还具有应用管网系统方面的专用功能，下面分别对 各功能作简要说明： 图2 4 系统功能模型 f i g2 4f u n c t i o nm o d e lo fs y s t e m 1 文件 具有基本的文件系统处理功能，可保存或打开空间数据文件和工程文 1 4 小型地理信息系统平台的自主研制与开发 件，并可实现与m a p i n f o 的m i f 格式文件相互转换等功能，还具有打印预 览、页面设置、打印、打开位图文件等功能。 2 编辑 具有通用的图形对象编辑功能，可以选择、删除、屏幕清除、恢复、撤 消、屏幕拷贝、图形的合并与分割，以及多边形选择等功能，还可以插入或 链接o l e 对象。 3 视图 实现工具条的显示或隐藏，对图层进行放大、缩小、显示全图，以及全 屏显示、设置工作路径等辅助功能。 4 查询 实现面向初级用户的简单查询和面向专业人员的s q l 语句查询，并可对 指定区域内数据的查询，以及对选中路径的自动漫游等。 5 统计 对选中区域内空间对象的属性数据或其他数据进行统计，并提供多种显 示方式。 6 绘制 能够绘制点、直线、折线、多边形、椭圆、圆弧、矩形、圆角矩形、标 注等空间对象，可修改点、线、标注、区域显示样式等，以及用户可以根据 自己需要来定义新的空间数据对象。 7 报表 能够实现报表生成、报表定置、报表存储等功能 8 表管理 实现对本图层属性数据的操作，可以添加或删除属性数据字段、改变字 段类型、删除表、表更名，以及显示表数据。 9 地图管理 管理地图图层，确定图层可视、可选、可编辑操作，创建特定对象的专 题图，改变坐标系、投影方式等功能。 1 0 窗口管理 可改变窗口排列方式以及实现布局窗口、鹰眼窗口等功能。 小型地理信息系统平台的自主研制与开发 1 1 系统管理 实现对用户权限的设定和修改，以及通过o d b c 与o r a c l e 、 2 0 0 0 等外部数据库软件的连接、管理。 1 2 帮助子系统 实现多种不同的帮助方式，帮助用户熟悉系统的使用，并引导用户进行 系统的二次开发等。 2 3 空间数据组织 2 3 1 g i s 空间数据模型 为了能够利用信息系统工具来描述现实世界，并解决其中的问题，必须 对现实世界进行建模。对于地理信息系统而言，其结果就是空间数据模型。 空间数据模型可以分为三种： 场模型：用于描述空间中连续分布的现象，表示了在二维或三维空间 中被看作是连续变化地数据。场模型在信息系统中的实现就是栅格数据模 型： 要素模型：用于描述各种空间地物，强调了离散对象，根据它们的边 界线以及组成它们或者它们相关的其他对象，可以详细地描述离散对象。要 素模型在具体实现时就是矢量数据模型； 网络模型：可以模拟现实世界中的各种网路，表示特殊对象之间的交 互。 目前广泛应用的数据模型是基于平面图的矢量数据模型和基于连续铺 盖的栅格数据模型。 1 ) 栅格数据模型 栅格数据模型是基于连续铺盖的。它是将连续空间离散化，即用二维铺 盖或划分铺盖整个连续空间【1 4 1 。它以栅格元素值来表示空间属性，在栅格 数据中，点用一个栅格元素来表示，线用一组相邻的栅格单元来表示，面( 区 域) 用相邻栅格单元的集合来表示。其特点是：描述区域位置明确，属性明 显，数据结构简单，易与遥感结合，但是难以建立地物问的拓扑关系，图形 1 6 小型地理信息系统平台的自主研制与开发 质量低且数据量大。 2 ) 矢量数据模型 矢量方法强调了离散现象的存在，由边界线( 点、线、面) 来确定边界， 因此可以看成是基于要素的。最常见的例子就是地表高程。 矢量数据模型是用离散的线或点来描述地理现象及特征【14 1 ，在矢量数据 中，点是空间的一个坐标点，线由多个点组成矢量弧段，面是由曲线段组成 的多边形，其特点是：能以最小存储空间精确地表达地物的几何位置，面向 目标的操作，精度大，但是数据结构复杂且难以同遥感数据结合，且难于处 理位置关系( 如求交，包含) 。 可见，矢量数据模型在信息处理与分析能力方面有着明显的优势。在矢 量数据模型中，各图层分别包含点状、线状、或多边形地物。这些简单的、 规范的基本几何元素，不仅使系统的处理变得简单。也有成熟的几何理论和 变换方法作为数学基础，使地理信息系统各种复杂的空间关系的分析，例如， 投影变换，邻域关系，最短路径等等。所以在本系统中，我们采用了矢量数 据模型。 2 3 2 空间数据的拓扑关系模型 “拓扑”一词来自于希腊文，意思是“形状的研究”。拓扑学是几何学 的一个分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性。空间数据的拓 扑关系是地理信息系统的基石，地理信息系统通过拓扑关系建立空间数据模 型，并定义空间数据之间的关系，从而实现空间分析和运算”】。当前商用 地理信息系统中，主要通过两种模型来实现空间数据的拓扑关系。 1 、 空间实体模型+ 空间索引 8 0 年代后期出现的商用地理信息系统，尤其是桌面地理信息系统大多数 采用这种方式，其中以m a p i n f o 为代表，e s r i 的a r c v i e w 也是这种模式应用 的实例。 “空间实体+ 空间索引”模型的基础是“空间实体”。空间实体是地理 实体的抽象，主要包括点、线、面三种基本类型。每个空间实体都是自包含 的，也就是说，每个对象都维护着自己的所有属性。任一空间实体，都是一 个或多个“部分”组成的。部分是由“点集”组成的，“点集，是若干点的 小型地理信息系统平台的自主研制与开发 集合。这样，在一个实体对象内部，记录着其全部空间信息，从而建立了实 体对象的拓扑模型。实体对象还能说明对象类型、样式等信息的其他属性。 一个图层是由多个空间实体组成的，由于每个空间实体都是自包含的，因此 没有必要通过建立特征表来建立对象到节点的引用关系。 “空间实体+ 空间索引”模型的空间查询功能是通过“空间索引”技术 来实现的。空间对象索引的目的就是要求对给定的空间坐标，能够以最快的 速度搜索到坐标范围内的空间对象。空间索引技术实际上是一种动态的“拓 扑”关系机制，只有在需要时，系统才会根据空间索引建立并使用实体间的 拓扑关系。 该模型以独立、完整、具有地理意义的实体为基本单位对地理空间进行 表达。在具体组织和存储时，可将实体的坐标数据和属性数据( 如建立了部 分拓扑，拓扑关系也放在表中保存) 分别存放在文件系统和关系数据库中， 也可以将二者统一存放在关系数据库中。 2 、p o l y v r t 结构 由美国计算机图形与空间分析实验室( l a b o r a t o r yf o rc o m p u t e r g r a p h i c sa n ds p a t i a la n a l y s i s ) 研制的矢量数据结构p o l y v r t ，是一种以弧 段( a r c ) 为基础的拓扑数据结构。实现这类空间数据模型的系统主要是以 a r c i n f o 为代表的一些专业g i s 产品。 这种结构的基本元素称为“弧段”或“链段”。弧段在两个端点有节点， 并伴有共享该段的左、右两个多边形的编码。弧段可以有任意多个中间节点。 在p o l y v r t 模型中，多边形也是由弧段组成的，每个多边形通过建立一个 环绕边界的弧段目录表生成。这种结构不仅存储了空间对象的集合信息，而 且还存储了空间对象之间的拓扑关系。 这种结构的特点是，除了节点外，每个空间对象都是由更基本的对象组 成的。只有节点的坐标是被实际存储的，其他复杂对象的坐标信息实际上是 逻辑构成的，任一复杂对象都能分解为一组节点及其拓扑关系。这样，一个 图层中存储的全部坐标信息就是节点的坐标。因此，建立除节点外的其他对 象，就必须建立“引用关系”，即拓扑关系。拓扑关系是显式地存储在“特 征表”中的。而且，必须将此特征表填写完整，才能进行正确的拓扑关系运 小型地理信息系统平台的自主研制与开发 算。在进行拓扑关系运算时，系统将根据现有的特征表，快速进行查询。 3 、两种拓扑模型的比较 p o l y v r t 模型与空间实体模型的区别主要在于如何定义复杂空间 对象以及如何定义空间对象之间的关系。 ( 1 ) p o l y v r t 结构中，以拓扑关系为基础组织和存储各个几何要素， 其特点是以点、线、面间的拓扑连接关系为中心【l 。该模型的主要优点是 数据结构紧凑，拓扑关系明晰，系统中预先存储的拓扑关系可以有效提高系 统在拓扑查询和网络分析方面的效率，但也有不足： 对单个地理实体的操作效率不高。由于拓扑数据模型面向的是整个空 间区域，强调的是各几何要素之间的连接关系，在另一方面对具有完整、独 立意义的地理实体作为个体存在的事实没有足够的重视，因此增加、删除、 修改某一地理实体时，将会牵涉到一系列文件和关系数据库表格，这样不仅 使程序管理工作变得复杂，而且会降低系统的执行效率。 难以表达复杂的地理实体。复杂地理实体由多个简单实体组合而成， 拓扑数据模型的整体组织特性注定了它不可能有效地表达这一由多个独立 实体构成的有机集合体。 难以实现快速查询和复杂的空间分析。由于在拓扑数据模型中，地理 实体被分解为点、线、面基本几何要素存储在不同的文件和关系表中，因而 凡涉及到独立地理实体的操作、查询和分析都将花费较多的c p u 时间，在 大区域的复杂空间分析方面表现尤为明显。 局部更新困难，系统难于维护与扩充。由于地理空间的数据组织和存 储是以基本几何要素( 点、弧段和多边形) 为单元进行的，系统中存储的复 杂拓扑关系是g i s 工作的数据基础，当局部一些实体发生变动时，整层拓扑 关系将不得不随之重建，因而这样的系统在维护和扩充方面需要更多的精 力，并且容易出错。 ( 2 ) 空间实体模型中，在具体实现时采用的是完全面向对象的软件开发 方法，每个对象( 独立的地理实体) 不仅具有自己的各种属性( 含坐标数据) ， 而且具有自己的行为( 操作) ，能够自己完成一些操作。该模型能够很好地 克服拓扑关系数据模型的几个缺点，具有实体管理、修改方便，查询检索、 1 9 小型地理信息系统平台的自主研制与开发 空问分析容易的优点，更重要的是它能够方便地构造用户需要的任何复杂地 理实体，而且这种模式符合人们看待客观世界的思维习惯，便于用户理解和 接受。同时，面向实体的数据模型自然具有系统维护和扩充方便的优点。 其缺点是： 拓扑关系需临时构建。由于面向实体的数据模型是以地理实体为中心 的，并未以拓扑关系为基础组织、存储地理实体，表达地理空间，因此拓扑 关系并不是一开始就存在，而是在需要时才临时导出各种拓扑关系，这需要 消耗一定的系统资源和时间。 动态分段。网络分析效率降低。在结点弧段多边形拓扑关系链 中，显式的拓扑表有四个：结点弧段表，弧段一结点表，弧段多边 形表和多边形一弧段表。有了这四个关系表，我们就能直接查找任意结点、 弧段和多边形的拓扑属性，便于进行动态分段和网络分析等其它与拓扑关系 有关的拓扑分析，基于拓