（地图学与地理信息系统专业论文）基于工作流框架的空间分析系统研究.pdf

华东师范大学硕士学位论文摘要 论文摘要 不论是在理论地理学还是区域科学的研究中，空间分析始终扮演着中心的角 色。计算机的普及，空间数据的采集、存储和处理等现代技术设备的迅速发展， 特别是g i s 技术的日益成熟更是使得空间分析被广泛地应用到各领域。随着应用 的深入，空间分析软件的设计必然会向着网络化、个性化以及智能化等方向发展， 其可视化、信息共享、功能互操作能力也越来越受到人们的关注。 工作流技术是目前企业实现办公自动化的关键技术，它通过可视化的定义过 程、模拟过程运行，进而实现过程的管理、控制及改进。将工作流技术与空间分 析相结合，可以提高计算效率、加强计算的灵活性及互操作性、减低操作的复杂 性，更有利于空间分析过程的进行及空间分析理论的应用及推广。 本文立足于搭建一个空间分析的平台，引入工作流的相关概念与思想，主要 工作如下： 1 ) 研究空间分析过程及其与空间信息工作流框架的对应关系，界定本空间 分析软件的操作角色，并针对每类角色的系统需求进行了详细的用例分析，为基 于工作流框架的空间分析平台设计和开发提供依据。 2 ) 研究工作流关键技术，提出适用于空间分析的空间原子活动模型及模型 定义语言( x s a w f l ) ，并根据w f m c 工作流管理系统参考模型，设计功能及系统 模块并加以实现，搭建了基于工作流框架的空间分析平台( s a w o r k f l o w ) ，目前 支持的方法有主成分分析、地理加权回归、统计图和专题地图。 3 ) 基于s a w o r k f l o w 平台对中国大陆劳动力迁移机制进行了实例研究，通过 该实例初步验证了本文空间信息工作流框架的可行性、空间分析工作流原子活动 规范的适用性及s a w o r k f l o w 平台的可操作性。 关键词：空间分析，空间信息工作流，人口迁移，主成分分析，地理加权回归 华东师范大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t s p a t i a la n a l y s i sh a sb e e na l w a y sp l a y i n ga c e n t r a lr o l ei nt h es t u d yo fg e o g r a p h y a n dr e g i o n a ls c i e n c e w h a tm a k e si tf u t h e r l yb ew i d e l yu s e d ，i st h ep o p u l a r i t yo f c o m p u t e r s ，t h ed e v e l o p m e n to fs p a t i a l d a t a c o l l e c t i o n , s t o r a g ea n dh a n d l i n g e q u i p m e n t ，a n de s p e c i a l l yt h es p r e a do fg i st e c h n o l o g y w i t ht h ed e e p e n i n go fi t s a p p l i c a t i o n ，t h ed e s i g no fs p a t i a la n a l y s i ss o f t w a r ei sb o u n dt oh a v eat e n d e n c yo f n e t w o r k 、i n d i v i d u a la n di n t e l l i g e n tm o d e ，s oi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n c ew i l lb ea t t a c h e d t 0i t sc a p a b i l i t i e so nt h ec o m b i n a t i o n , s h a r e ，c o o p e r a t i o na n dv i s u a l i z a t i o no fs p a t i a l i n f o r m a t i o n ? w o r k f l o wi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e st or e a l i z eo f f i c ea u t o m a t i o n w i t ht h e s u p p o r to ft h es o f t w a r et o o l s ，i td e f i n e st h es o f t w a r ep r o c e s s ，s i m u l a t e st h er u n n i n go f p r o c e s sa n dr e a l i z e st h ea c c u r a t em a n a g e m e n t , c o n t r o la n di m p r o v e m e n to fp r o c e s s t h ei n t e g r a t i o no ft h ew o r k f l o wt e c h n o l o g ya n ds p a t i a la n a l y s i sc a n i m p r o v et h e e f f i c i e n c y ，f l e x i b i l i t ya n di n t e r o p e r a b i l i t yo fa n a l y s i sp r o c e s s ，w h i c hw i l la c c e l e r a t e t h ea p p l i c a t i o na n de x t e n s i o no fs p a t i a la n a l y s i ss t u d y t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r daf r a m eo f s p a t i a la n a l y s i ss o f t w a r eb a s e do n w o r k f l o w t h em a i nr e s e a r c ha sf o l l o w s ： 11d i s c u s st h ec o r r e s p o n d e n c er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p a t i a la n a l y s i sp r o c e s sa n d g e o - w o r k f l o wu n i t ，d e f i n et h er o l e sw h ow i l lu s et h es p a t i a la n a l y s i ss y s t e m ，d r a wu s e c a s ed i a g r a m s ，i no r d e rt op r o v i d eab a s i sf o rd e s i g na n d d e v e l o p m e n t 2 ) b a s e do nt h ee x i s t i n gt h e o r yo f w o r k f l o w ，p u tf o r w a r das p a t i a la t o m i cm o d e l a n dm o d e ld e f i n i t i o nl a n g u a g e ( s a w o r k f l o w ) f i tf o rs p a t i a la n a l y s i s ，a n dd e v e l o pa s p a t i a la n a l y s i sp l a t f o r m ( s a w o r k f l o w ) w h i c hs u p p o r ts o m eo ft h es p a t i a la n a l y s i s m e t h o d ss u c ha sp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) ，g e o g r a p h i c a l l yw e i g h t e d r e g r e s s i o n ( g w r ) ，t h e m a t i cm a p s ( q u a n t i t i e sm a p ) a n dc h a r t s ( h i s t o g r a m ) 3 ) r e c t i f yt h ef e s i b i l i t yo fg e o w o r k f l o wf r a m e ，a p p l i c a b i l i t yo fs p a t i a la t o m i c m o d e la n do p e r a b i l i t yo fs a w o r k f l o ww i t hac a s es t u d yo nm i g r a t i o nm e c h a n i s m a n di t ss p a t i a lh e t e r o g e n e i t i e si nm a i n l a n do fc h i n a k e yw o r d ：s p a t i a la n a l y s i s ，g e o - w o r k f l o w , m i g r a t i o n ，p r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y s i s ，g e o g r a p h i c a l l yw e i g h t e dr e g r e s s i o n 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：弘日期：虹 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名：、1 ，宝 撇名：矽逸u 导师签名：历，飞ti ，。 日期：垒! 墨：! ：! ! 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论 空间分析( s p a t i a la n a l y s i s ) 是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据 分析技术，其目的在于提取和传输空间信息( 郭仁忠，2 0 0 1 ) 。空间分析的对象 是空间数据，空间分析的结果直接依赖于分析对象的空间位置( h a i n i n gr ，1 9 9 9 ) 。 正是这种对分析对象空间位置信息的依赖，形成了空间分析与传统统计分析的根 本性差异。通过空间分析可以发现隐藏在空间数据之后的更重要的信息，甚至是 有关空间问题的一般性规律。从这个意义上说，空间分析也可以看作是一个知识 发现的过程。可以说空间分析反映了人们对于空间数据的理解与解译能力，也决 定着人们利用空间数据的深度和广度。地理学家应用空间分析方法研究地理问题 的历史由来已久，不论是在理论地理学还是区域科学的研究中，空间分析始终扮 演着中心的角色( h a i n i n gr ，1 9 9 0 ；f i s c h e rm 等，1 9 9 7 ；应龙根等，2 0 0 4 ) 。 j o h ns n o w 于1 8 5 5 年绘制地图揭示了霍乱爆发区域和饮水水泵之间的空间位 置关系，第一次让空间分析得到社会的关注。这一时期的空间分析主要是基于地 图进行简单的数据分析，完全依靠人工计算，故只能对少数要素进行统计。 随着计算机的普及，空间数据的采集、存储和处理等现代技术设备的迅速发 展，使得空间数据的复杂性和数量急剧膨胀，远远超出了人们的解译能力。计算 机软件成为了空间分析主要工具，特别是g i s 技术发展成熟为地理现象和过程的 分析提供了新的平台f 王远飞等，2 0 0 7 ) 。较有代表性的商业g i s 软件如a r c g i s ， 其1 9 7 8 年问世的早期版本a r c l n f o ，主要运行在u n 系统下，后来陆续移植到基 于w i n d o w sn t ( a r c i n f o ， a r c v i e w3 x ) 的平台上和基于d o s 的平台上( p c a r e l n f o ，a r c v i e w3 x ) ，但命令行形式的交互模式，技术门槛较高，学习成本大。 2 0 世纪9 0 年代推出全新的基于桌面的地理信息系统a r e g i s ，它集空间图形、关系 数据库、统计图形、空间分析、网络通讯、面向对象的程序设计于一体，图形用 户界面直观( 张超等，2 0 0 0 ) 。 然而商业g i s 提供的空间分析功能准确说来应该属于空间数据操作的范畴 ( u n w i n ，2 0 0 3 ) ，即缓冲区分析、包含分析、相交分析、叠加分析等拓扑分析 和距离、面积、路径计算，以及基于空间关系的空间查询等简单的数据分析功能 等。而本文所谈论的空间分析主要是指空间数据分析( s p a t i a ld a t aa n a l y s i s ) ，空 间统计分析( s p a t i a ls t a t i s t i c a la n a l y s i s ) ，空间建模( s p a t i a lm o d e l i n g ) 。这部分理 论的发展与2 0 世纪6 0 年代的地理学计量革命是密不可分的。m a t h e r o n 在前人的基 础上，总结提出了“地统计学”，或称k r i g i n g 方法( m a t h e r o n ，1 9 6 3 ，1 9 7 1 ) ；在2 0 华东师范大学硕士学位论文 第章绪论 世纪7 0 8 0 年代，空间统计理论体系出现雏形，以c l i f f o r d ( 1 9 8 1 ) 的专著s p a t i a l p r o c e s s ：m o d e l sa n da p p l i c a t i o n s 为主要标志；在2 0 世纪8 0 - 9 0 年代，当今空间分析 的主要理论趋向成熟，包括s a r 、m a 、c 燃型，聚焦于空间异质性的局域统 计g e t i s g 和l i s a 出现；2 0 世纪9 0 年代后，地理学家们更是借助其它学科的力量 来分析复杂的空间问题( 陈述彭，1 9 9 1 ) ，将系统动力学、神经网络、模糊集合 模糊推理、分形理论、智能体理论、遗传算法等方法引入空间分析的范畴，昔日 复杂艰涩而只有少数学者涉猎的空间分析模型，正在并将迅速地被地理信息系统 的使用者和地球科学学者广泛使用。较常见的大型的统计和数据分析软件有 s p s s ，s a p s 、m a t l a b ，s p l u s ，其中，s p s s ，s a r s 等统计学软件缺乏对各种空 间数据格式的支持；m a t l a b ，s - p l u s 虽然陆续出台对空间数据支持的模块，但该 类软件使用者需要学习专门的开发语言，延长了开发周期，门槛高，学习成本大； 也有学者致力于专门空间分析软件包的开发研究，现如今较为主流的有空间相互 作用模型包( f i s h e r 等，1 9 9 6 ) 、空间点格局统计软件包( g e f i s 等，1 9 9 8 ) 和s p a c e s t a t ( a n s e l i n ，1 9 9 9 ) ，然而这些主要是针对空间分析的某个领域，很少有综合性的 软件，另外这些软件的可扩展性也不强。不同软件的结合使用，数据格式的互不 相同，妨碍了研究的进行，可见，发展综合性的空间分析软件是空间分析发展的 必然需求。 。 其次，发展友好的用户界面，降低入门台阶也是分析性软件的大趋势。很多 大型软件选择了可视化的建模方式，如m a t l a b 的扩展模块s i m u l i n k l ，它是面向 电子机械工程动态系统建模和仿真的一个软件包，它与用户交互接口是基于 w i n d o w s 的模型化图形输入，s i m u l i n k 提供了一些按功能分类的基本的系统模 块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是 如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要 的系统模型( 以m d l 文件进行存取) ，进而进行仿真与分析。类似的，a r c o i s 也 提供t m o d e l b u i l d e r 工工具，将模型以模型图的方式进行显示，通过将一系列的处 理过程串起来建立某个问题的模型。这种可视化建模的交互模式使得用户可以把 更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。利用这种交互模式可以 提高建模效率，降低操作的复杂性，更有利于空间分析过程的进行及空间分析理 论的应用及推广。 。另外，空间分析过程复杂化对空间分析软件的运算可监控性、动态修改能力 也提出了更高的要求。空间分析的过程中往往会涉及到多个计算方法，海量的数 据、方法的复杂性又大大增加了运算时间，地理研究者需要监控计算全过程；通 过挂起、恢复、终止操作可以对计算过程实时监控，以多种方式查询流程运行信 1 h t t p ：w w w m a t h w o r k s c o m p r o d u c t s s i m u l i n k 2 h t t p ：s e a r c h e s f i c o r n r e s u l t sm a p b o o k c f m ? q - - - u t i l i z a t i o n 2 华东师范大学硕士学位论文 第章绪论 息，对流程的计算参数进行自由调节。 最后，在地理学研究、地理信息科学发展及g i s 的实际应用中，空间分析因 其强大的辅助分析功能，其应用非常广泛，已经覆盖了城市管理与规划、生态环 境管理和规划、交通规划、森林管理、应急服务、自然风险分析、市场分析、物 流管理、犯罪司法等几乎所有的领域。对于地理问题的解决越来越依靠各种领域 的专家学者的互相协作，也正是所谓的“群体决策”( m r s t y t z ，1 9 9 6 ；潘志庚 等，2 0 0 0 ；龚建华等，2 0 0 1 a ；龚建华等，2 0 0 1 b ，m o n i e aw a c h o w i e z 等，2 0 0 2 ) ， 特别是在网络环境下，如何充分利用网络资源，合理分配处理任务，使网络内的 各个节点协同工作是空间分析软件面临的新问题。 基于以上分析可见，空间分析软件的设计必然会向着网络化、个性化以及智 能化等方向发展，信息共享、功能互操作、过程可视化能力也越来越受到人们的 关注。而工作流技术是目前企业实现办公自动化的关键技术，它通过可视化的定 义过程、模拟过程运行，进而实现过程的管理、控制及改进( 范玉顺等，2 0 0 1 ) 。 将工作流技术与空间分析相结合，可以提高计算效率、加强计算的灵活性及互操 作性、降低操作的复杂性，更有利于空间分析过程的进行及空间分析理论的应用 及推广。因此，将现代工作流技术与空间分析技术结合，建立空间信息工作流管 理系统，提供对空间过程的定义、管理、执行和控制功能，可以使上述空间分析 发展中遇到的问题得到有效解决( 高勇等，2 0 0 2 ) 。 工作流技术最早起源于办公自动化领域，主要面向文件处理、任务管理和 流程控制。科学工作流则主要面向数据流，侧重于密集的数据操作和计算，同 时带有数据转换、数据分析和模拟仿真。比较典型的科学工作流系统有k e p l e r 、 t a v e r n a 、t r i a n a 等。9 0 年代起，科学工作流技术开始被引入到地理学研究中， 出现了一批优秀的面向地理过程的系统，如g o o s e 、g e o o p e r a 、s p m s 和 w o o d s s ；1 9 9 8 年，“空间信息工作流更是作为一个相对独立的概念被提出 ( w e s k e ，1 9 9 8 ) 。作为科学工作流的分支，空间信息工作流具有部分执行性、 动态修改、可重用性、从错误中学习、跟踪和自动文档化等一般特性。其面向 空间信息的特殊特性则表现在1 ) 活动与子过程通常是算法复杂计算密集型的， 一般对应于特定的空间操作或空间分析，模型参数数目和参数类型复杂易变， 空间活动具有自动执行较少人工干预的特点；2 ) 数据在空间信息工作流中地位 更加重要，其工作流模型必须以数据为中心，而且数据也是高复杂度的，通常 对应于特定的空间数据，数据类型复杂、数据量大；3 ) 空间信息工作流的各个 部分都是空间相关的并受到空间语义的约束。 将工作流引入空间数据分析，其优越性表现在： 1 ) 降低软件使用门槛。利用可拖放的图形化设计建模工具，轻松完成工作流 华东师范大学硕士学位论文第章绪论 建模，按需自由组合模型和方法，空间分析模型设计不涉及任何编码，大大降低 了软件使用门槛。 2 ) 流程式管理监控计算全过程。通过流程的挂起、恢复、终止，可以实时 监控工作流运行，以多种方式查询流程运行信息，对流程参数进行自由调节，大 大提高软件的运行效率。 3 ) 软件易扩展。在一定的空间原子活动规范及工作流标准化参考模型的约 束下，建立空间分析方法集成平台，增强了软件的扩展性。 4 ) 流程可重用性。支持流程定义过程的记录及保存，包括方法的组合及参 数的设置，增强了模型的重用性。 因此，本文从地理研究的角度，将工作流引入到空间分析领域，设计详细的 空间原子模型体系，制定空间原子活动模型规范，探讨合理的工作流和空间分析 技术集成框架，力图搭建一个基于工作流框架的空间分析平台，为研究者提供灵 活、高效、友好的分析工具，并以主成分、地理加权回归和直方图、分级设色专 题地图为例进行实例研究。 1 2 国内外研究进展 工作流的概念出现于2 0 世纪7 0 年代，起源于生产制造业与办公自动化领 域。简单地说，工作流就是一系列相互衔接、自动进行的业务活动或任务。一 个工作流包括一组任务( 或活动) 及它们的相互顺序关系，还包括流程及任务 ( 或活动) 的启动和终止条件，以及对每个任务( 或活动) 的描述。工作流的 引入为企业实施工作流管理带来了诸多好处，包括提高企业运营效率、改善企 业资源利用、提高企业运作的灵活性和适应性、提高工作效率、集中精力处理 核心业务、跟踪业务处理过程、量化考核业务处理的效率、减少浪费、增加利 润、充分发挥现有计算机网络资源的作用。 2 0 世纪9 0 年代初，随着问题求解环境( p s e ) 在科学研究活动中的应用， 科学工作流和科学工作流管理被引入到科学问题求解环境中。在某种意义上， 科学工作流管理属于传统的工作流管理的范畴。从共性来说，科学工作流和商 业工作流都是对某一过程的描述，只不过科学工作流描述的是科学活动过程， 而商业工作流描述的是商业活动过程。但是，二者由于所面向应用领域的差异， 各自有不同的特点。在商业活动过程中，工作流管理主要是处理管理数据、财 务数据以及一些结构化的文档，比如合同、报表等。因此商业工作流具有静态 性和高度的重复性。而在科学活动中，由于科学活动过程往往具有不可预知性。 因此，科学工作流是动态的，而不是静态的。 空间信息工作流是工作流理论和技术在空间信息科学领域的拓展和延伸， 4 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 属于科学工作流。它是一种用于描述空间信息处理过程的计算机化的模型，根 据一定的规则和空间语义约束，支持空间数据流和空间操作流，完成特定的空 间应用。其面向空间信息的特殊特性则表现在：活动与子过程通常是算法复杂 计算密集型的，一般对应于特定的空间操作或空间分析模型参数数目和参数类 型复杂易变，空间活动具有自动执行较少人工干预的特点；数据在空间信息工 作流中地位更加重要，其工作流模型必须以数据为中心，而且数据也是高复杂 度的，通常对应于特定的空间数据，数据类型复杂、数据量大；空间信息工作 流的各个部分都是空间相关的并受到空间语义的约束。可以说，空间信息工作 流是科学工作流在空间分析领域的具体应用。w e s k e 等在1 9 9 8 年明确提出了空 间信息工作流( g e o w o r k f l o w ) 的概念( w e s k e ，1 9 9 8 ) 。他详细阐述了工作流和空 间应用的关系，工作流管理系统应用到地理研究领域的方法，提出一个科学工 作流管理系统w a s a 在空间分析领域的应用，该系统具备了空间建模和自动执 行的能力。a l o n s o 在1 9 9 4 年提出了g o o s e 系统，该系统作为用户与g i s 系统 之间的协同建模工具出现，其部分功能已经非常类似空间信息工作流管理系统。 a l o n s o 在1 9 9 5 年提出的g e o o p e r a 系统( g u s t a v oa l o n s o 等，1 9 9 5 ) 和 l a u r a a s e f f m o 在1 9 9 9 年提出的w o o d s s 系统是比较完整的空间信息工作流 管理系统( l a u r a a s e f f i n o x 等，1 9 9 9 ) 。特别是g e o o p e r a ，虽然目前还只是一个 原型系统，但是它从g o o s e 系统中借鉴了空间建模、数据族系跟踪、模型自 动执行等大量成功的经验，同时基于o p e r a 通用工作流管理系统，强调空间 模型的并发和分布执行、向前恢复的异常处理机制、事务、数据依赖性查询等 功能，这些都是空间信息工作流管理系统的重要特征。w o o d s s 系统已经通过 了真实数据的测试，应用到农业环境的研究中。归纳上述各系统可知，有些仅 仅是一个理论框架，有些还处在原型系统的层次。由于不符合w f m c 的工作流 产品规范，各个产品都有自己的软件体系结构和a p i 调用接口，空间模型也都 不一致，它们之间不存在互操作。另外，这些工作主要是采用商业工作流模型 对空间信息工作流进行建模，还无法确切表达空间信息处理过程的特性和问题， 因而需要研究建立与其自身相适应的建模理论和表达方式( 高勇等，2 0 0 2 ) 。 近几年国内学者也开始了空间信息工作流研究，其中相当一部分学者对空 间信息工作流的框架及相关理论和技术进行了探讨，高勇于2 0 0 2 提出了基于 o p e n g i s 的空间信息工作流管理系统框架，该框架有两个关键点：1 ) 通过被调 应用接口，采用工具代理的技术，完成工作流引擎与g i s 的集成；2 ) 由空间原 子活动集和空间原子活动模型构成空间原子活动规范定义。基于o p e n g i s 的系 统框架有效地解决了空间信息工作流管理系统的互操作性问题( 高勇等，2 0 0 2 ) 。 王华敏等引入了微工作流的概念，利用微工作流技术驱动g i s 系统，充分发挥 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 工作流技术的优良特性并可灵活地控制地理信息管理的业务流程( 王华敏等， 2 0 0 4 ) 。李满春等则在土地利用规划管理信息系统引入工作流技术，实现了业务 流程的管理和定制，并给出了工作流与g i s 集成的技术思路( 李满春等，2 0 0 4 ) 。 2 0 0 5 年，高勇等又提出了基于p e t r i 网和u n i n e t 理论并建立了空间信息工作 流模型g w p n 。该模型利用p e t r i 网和u n i n e t 的诸多优点兼顾控制流和数据 流并充分考虑了过程中的空间语义约束准确定义空间信息处理过程解决了空间 应用的特殊性问题( 高勇等，2 0 0 5 ) 。同年，刘瑜等提出了基于构件的空间信息 工作流框架，采用支持黑盒复用的基于构件的软件框架概念，探讨了空间信息 工作流框架的开发过程( 刘瑜等，2 0 0 5 ) 。也有学者进行了原型系统的开发实践 研究，呙维从空间信息工作流的整体框架入手，分析了工作流的相关技术，介 绍了空间信息工作流中的事务处理，提出了集s a g a 模型、分布式事务和版本数 据库模型于一体的x s a g a 模型，并讨论了原子活动的设计规范与相关实现，并 给出了一个空间信息工作流原型系统( 呙维，2 0 0 5 ) 。陈宁研究了面向g i s 的工 作流的流程建模、面向g i s 的工作流的事务处理和微核心工作流框架等，并在 此基础上针对某城市交警部门的需求开发了相应的基于g i s 的路政设施管理系 统( 陈宁，2 0 0 7 ) 。 综上所述，空间信息工作流管理系统研究才刚刚开始，现在一些研究者提 出的一些空间信息工作流管理系统，仅仅是一个理论框架，有些还处在原型系 统的层次，尚未成熟。另外，上述各种空间信息工作流大多为专门的应用而搭 建，基本没有支持综合性空间分析的系统，本文的立足点主要是在于搭建一个 空间分析的平台，引入了工作流的相关概念与思想，初步实现了一个单机版的 原型，整个构架遵从w f l v i c 标准，以便继续深入和扩展，以期为地理研究者提 供一个灵活、高效、友好的分析工具。 6 华东师范人学硕士学位论文 第= 章中闸分析方法模型库设计与实现 第二章基于工作流的空问分析软件框架设计与实现 21 空间分析过程及软件需求分析 211 空间分析过程 地理科学是研究地球表面及近地层空间过程的功能性因果关系及机制，空 间分析是进行地理科学研究的个重要手段，h a r o l dm o e l l e r i n g 提出了一个空 间分析和显示系统的概念，他认为空间分析和显示系统通过现实世界的原始数 据经过一系列的转换后，可以构建成一个实时的空间交互分析系统，从而为人 类输出真实的地图、空间数据库、表格等服务，贯穿地图数据从输入到输出之 间的过程，如图2 1 所示： 群 抽霉 模拟 真宴世界 。il “。 图2 1 空间分析和显示系统 正如图2 1 所示，空间数据分析本质是在现有的数据基础上应用某个操作 得到新的信息或数据，因此，空间数据分析过程不论算法多复杂，都可以抽象 为三步：空间数据输入、空间数据操作和空间数据输出：而空间数据操作又可 分为数据预处理、理论建模两步，如图22 。 图22 包含两方面内容： 1 ) 空间分析过程，空间分析一般流程包括五步： 数据输入。随着信息和测量技术的发展，空间数据的数据源也日益多样 化，如外业实地测量、航空摄影图像、卫星图像、地形图、海图、航空图和各 h t t p ：g s w h ue d u c n ，y g b m 洲t 女g “p t d = 3 2 2 圈。瞻扩曰 华东师范人学硕士学位论文第三章空间分析方法模型岸设计与实现 图2 2 空间分析流程图 种各样地图等。总的说来，空间数据通常包括矢量、栅格、t i n 和n e t w o r k 等 格式。不同格式的空间数据存储结构不同，因此读取方法不同，另外，其适用 的空间分析方法也不同。因此，综合性的空间分析软件需要支持多种空问数据 格式。 数据预处理。广义上讲，任何地理问题的研究都必须涉及到数据预处理， 数据预处理的方法一般包括格式转换、空间尺度转换、几何校正和空间数据插 值等。 理论建模。在地理学中空间数据能被挖掘出有用的信息，需要运用数 学方法建模：1 ) 运用数学语言对地理问题的描述，建立地理数学模型，从更高、 更深层次上揭示地理问题的机理；2 ) 运用有关数学方法，通过定量化的计算和 分析，对地理数据进行处理，从而揭示有关地理现象的内在规律。这些模型方 法主要包括空间统计、地统计学、及智能和高效计算方法如神经网络、遗传算 法和并行处理等( 王劲峰，2 0 0 0 ) ，另外还有模糊分析、分形理论等。 数据输出。空间分析结果显示方式主要包括地图、表格、文本和统计图 等。 空间分析工具。目前，具有空间分析功能的软件可归纳为以f 几类：专 业g i s 软件自身集成了大量的空间分析工具，如a r c g i st o o l b o x 的空间信息分 类、叠加、网络分析、领域分析、地统计分析等功能；基于组件式g i s 进行的 华东师范大学硕士学位论文第三章空间分析方法模型库设计与实现 二次开发；也有学者针对特定的领域或者方法开发了独立于g i s 系统的空间分 析软件，如空间相互作用模型包( f i s h e r 等，1 9 9 6 ) 、空间点格局统计软件包( g e t i s 等，1 9 9 8 ) 和s p a c e s t a t ( a n s e l i n ，1 9 9 9 ) ；也有针对专门领域开发的空间专项 软件包，例如进行空间各种流( 物流、人流、资金流、信息流、交通流等) 的分 析模拟和预测的软件包s i m 。 2 ) 空间信息工作流与空间分析过程对应关系 从以上空间分析过程来看，可以将空间分析的预处理或理论建模作为空间 分析过程的最基本单元，在空间信息工作流中称为空间原子。对某个空间分析 问题，在平台内部将以流程图的方式进行显示，通过将一系列的空间原子串起 来建立某个问题的模型。从空间过程的基本组成单元这一角度来看，每个空间 原子要服从一定的规范，才能使得工作流正常运转。因此，空间原子规范的制 定也是个很重要的内容。另外，各种空间原子的串接也是空间分析过程很重要 的部分，它使整个工作流得以有序运行。 2 1 2 基于工作流的空间分析软件需求分析 随着计算机的普及，空间数据的采集、存储和处理等现代技术设备的迅速 发展，特别是g i s 技术的日益成熟，使得空间分析软件面临着新的需求：海量 的空间数据环境需要新一代的以数据为驱动的地理探索和建模工具；多学科相 互渗入和融合，需要一个拥有综合性空间分析方法库的，并且能让用户灵活串 接各种方法的分析平台；空间分析数据海量化、空间分析方法多样化、空间分 析过程复杂化需要一个能对空间分析模型运行全过程实时监控、参数能动态修 改、支持可重用性的平台；空间分析涉及多个领域的专家，需要一个采取开放 式结构、模块化设计、统一建模标准，允许空间数据分析方法的扩充与重构的 平台。而工作流技术是目前企业实现办公自动化的关键技术，它通过可视化的 定义过程、模拟过程运行，进而实现过程的管理、控制及改进。将工作流技术 与空间分析相结合，可以提高计算效率、加强计算的灵活性及互操作性、降低 操作的复杂性，更有利于空间分析过程的进行及空间分析理论的应用及推广。 为此，本文试图搭建一个基于工作流框架的空间分析平台( s p a t i a la n a l y s i s w o r k f l o ws a 、黼l o w ) ，其需求可以用图2 3 用例分析图来表示。 9 华东师范大学硕士学位论文第三章空间分析方法模型库设计与实现 图2 3s a w o r k f i o w 用例分析图 s a w o r k f l o w 的操作角色可分为三类，即工作流搭建者、应用者、时间。其 中，搭建者和应用者可以是不同的人，也可以为同一人。 1 ) 工作流搭建者。利用s a w o r k f l o w ，- - 作流搭建者能根据特定的研究目 的搭建空间分析工作流模型，涉及的操作包括搭建工作流所必备的方法选择、 流程线连接等；工作流参数设置：工作流管理，比如工作流模型新建、打开、 保存等。 2 ) 应用者。应用者即空间分析工作流模型最终使用者，该角色操作包括： 选择工作流搭建者创建好的空间分析工作流模型，并输入空间数据以进行运算 分析；对空间信息工作流交互控制；最后，把运算结果以地图、表格、统计图、 文字等形式输出，为科学研究提供决策支持。 3 ) 时间。时间也是平台的特殊操作者，它执行的操作主要是对流程整个运 行过程的运行状态进行监控。 2 2s a w o r k f l o w 系统设计与实现 2 2 1 功能模块设计 从应用角度来看，s a w o r k f l o w 应该能够提供工作流定义、运行控制及交互 三个方面的功能支持。定义功能即对空间分析工作流的计算流程及组成计算流程 的方法进行定义和建模；运行控制功能，是在定的运行环境下，负责创建、执 行和控制工作流实例，激活相应的资源和应用，并完成过程中从一个活动到另一 个活动的控制转移，它是整个工作流管理系统的核心部分；运行交互功能是在工 作流实例的运行中，工作流管理系统与工作流参与者( 如空间分析研究者) 及外 部应用程序进行交互的功能。各工作流功能模块间关系如图2 4 所示： l o c 十人一 1 华东师范大学硕士学位论文第三章空间分析方法模型库设计与实现 图2 4s a w o r k f l o w 功能模块关系图 流程定义( 箭头1 ) 工具被用来创建计算机可处理的过程描述。它可以是形 式化的过程定义语言或对象关系模型，也可以是简单地规定用户间信息传输的一 组路由命令。流程执行服务由流程引擎完成功能，载入并解析流程定义( 箭头2 ) ， 并在可能时将流程发生的变化反映至流程定义中( 箭头3 ) 。流程执行服务最主 要的功能是和用户以及应用程序或工具交互并且执行运算( 箭头4 、5 、8 、9 ) ， 本文提供了空间分析模型库和制图库，对相应的计算分析进行了实现，这种方式 也有利于软件的进一步扩展和完善。最后是用户和应用程序交互完成功能( 箭头 6 、7 ) 。 2 2 2 系统模块设计 为实现工作流技术的标准化和开放性，1 9 9 3 年w f m c ( i 作流管理联盟， w o r k f l o wm a n a g e m e n tc o a l i t i o n ) 成立，并制定了一系列关于工作流管理系统的 规范。w f m c 提出的工作流参考模型( w d d c ，1 9 9 4 ) ，提供了通用的工作流管 理系统的体系框架( 图2 5 ) ，它把工作流管理系统划分为五个功能模块，并且 把各个功能模块之间的接口标准化。这五个接口分别是过程定义的输入和输出 华东师范大学硕士学位论文 第二章空间分析方法模型库设计与实现 接口、客户应用程序接口、被调应用程序接口、工作流管理系统互操作接口、 工作流管理和监测接口。w f m c 对上述5 个接口的规范都进行了较为详细的定 义。 驴l 一 接口4 nn 一蜥乏一u 碡百5 一 图2 5w f m c 工作流管理系统参考模型 基于w f m c 工作流管理系统参考模型，笔者将s a w o r k f l o w 划分为五大系 统模块，如图2 6 所示： f 3 一一f 当一一1 3 图2 6s a w o r k f i o w 系统模块关系图 s a w o r k f l o w 与w f l v l c 工作流管理系统参考模型对应关系如下： s a w o r k f l o w d e s i g n e r 流程定制模块对应“过程定义工具”，以图形化可拖拉的方 式提供流程的定制，并利用x m l 文件对建模过程进行记录；s a w o r k f l o w s e r v e r 1 2 哿 华东师范大学硕士学位论文第三章空间分析方法模型库设计与实现 工作流执行服务模块对应“工作流执行服务”，是s a w o r k f l o w 的核心模块，为 其它模块服务，提供流程解释、运行时驱动以及各种管理监控等接口； s a w o r k f l o w c o n s o l e 流程管理监控模块对应“管理监控工具 ，其功能是对工作 流中过程实例的状态进行监控与管理，并提供计算结果显示功能； s 删心l o w u t i l i 够流程运行交互模块对应“客户应用9 9 9 主要用来处理过程实例 运行过程中需要人工干预的任务。另外，s a p r o c e s s 为空间分析方法库，目前实 现了部分的方法和制图功能。 2 2 3 流程定制模块( s a w o r k f l o w d e s i g n e r ) 2 2 2 1 空间原子活动规范 空间原子活动的规范定义是与空间分析工作流系统实现密切相关的一个重 要问题( 高勇，2 0 0 2 ) 。从工作流的角度来看，空间原子活动是一个不可再分的 空间分析工作流活动。空间原子活动对应到空间分析上可以认为是一个空间基 本操作，或者是多个空间基本操作的组合。任何复杂的地理模型都可以由这些 空间原子活动构成，同时空间分析工作流系统支持由空间原子活动组成的用户 自定义模型库，实际上，工作流引擎执行一项活动时，总是先把它分解成为空 间原子活动，然后通过被调应用程序接口把相关信息作为参数传给空间方法库， 最后由空间方法库来分析空间原子活动并调用相应的计算功能，完成空间原子 活动的真正执行。 空间原子活动模型主要包括两个方面的内容：一方面，它是空间分析工作 流系统中表达一个空间分析操作的实体，它