（地球探测与信息技术专业论文）株洲市综合管网地理信息系统的研究.pdf

摘要 本论文首先介绍地下管线的基本概念及给出管线的种类，根据地 下管线图的种类说明管网系统类型：综合管网系统和专业管网系统， 随后从株洲市综合管网地理信息系统的概况出发，说明g i s 的基本概 念、产生、发展、组成，指出g i s 包括硬件、软件、数据和人才。其 中对软件和硬件做出了一些具体的分类和比较，可用于实际系统的实 现中。 从实际需改进的系统出发，进行软件体系结构的简介，说明其在 软件设计中的重要性、模型、描述方法。体系结构风格是体系结构的 经验总结，是人类进行软件工程实践时得出最有价值的成果之一。其 中最重要的、最常见的一种是分层体系结构，进而重点介绍了分层体 系中跟随软硬件技术发展起来的二层c s 、三层c s 、b s 。并根据现 实系统的具体情况，比较出三者之间的差异，得出能够实用于进行系 统改进的一种三层c s ，这些结论能够应用于这种类型的g i s 系 统。具有一定的实用价值。 根据改进后的株洲综合管网地理信息系统，详细列出了一部分系 统实现的基本功能，重点示范说明系统初始界面生成、登录管线数据 库、删除对象操作的源代码。随的对系统进行了总结，说明其缺陷及 更一步改进的方法。 关键词g i s 软件体系结构三层c s 综合管网 a b s t r a c t i h l sd l s s e r t a t l o n 丘r s t l y l n 仃o d u c e s t h eb a s l c l n c e p t l o n o f u 1 1 d e r 伊o u n dp i p e l i n e sa 1 1 dp r e s e n t sm e l ( i n d so f p i p e l i n e s ，i l l u m i n a t e st h e 锣p eo fp i p e l i n e sn e t w o r ks y s t e ma c c o r d i n gt ot h ek i i l d so fu n d e 毽r o u n d p i p e l i n eg r a p h s s u c ha s i n t e g r a t i v ep i p e l i n e s n e m o r k s y s t e l n a n d p r o f e s s i o np i p e l i n e s n e “r k s y s t e i i l t 1 1 e n a c c o r d i n g a st 1 1 e g e n e f a l s i t u a t i o no ft h e i n t e 伊a t i v ep i p e l i n e s n e t w o r k g e o 野a p h yi n f o 姗a t i o n s y s t e m o fz h uz h o u c “y ；n 丑a t e m eb a s i c i n c 印t i o n ，p r o d u c e ， d e v e l o p m e n t a n dc o n s t i t l l e n to f g i s ，p o i n t o u tm a tg i si n c l u d e s h a r d w a r e ，s o r w a r e ， d a t aa n dt a l e n t h e r e i n t oid os o m ec o n c r e t e c l a s s i f i c a t i o na n dc o m p a r ec o n t r ap o s e d 】1 a 1 d 、v a f ea n ds o 小v a r e ，w h i c h c a i lu s ei nt h er e a l i z a t i o no f p r a c t i c a ls y s t 锄 a c c o r d i n gt o t h e p r a c t i c a ls y s t e m t i l a ti l e e d i m p m v e ，is i l l l p l y i n 仃o d u c es o r w a r ea r c h i t e c t u r e柏dd e m o n s 仃a t ei t s e s s e n t i a l i t y o f s o f w a r e d e s i g n ，m o d e l ，d e s c r i p t i v ew a y | a r c h i t e c t i l r es t y l e i s e ) ( p e r i e n c e ds u 咖髓a r i z a t i o no fa r c h i t e c t l l r e ，i s o n eo fm em o s tv a l u e d p r o d u c t i o no fs o f h v a r ee n g i n e e r i n gp f a c t i c e t h em o s ti m p o r t a n ta n d f a m i l i a ro n ei s l a y e r e da f c h i t e c t u r e t h e n ii n 打i ) d u c e 锄de m p h a s 协。 t 、】v o t i e sc l i e n t s e r v e r ，l r e e t i e sc l i e n t ，s e r v e ra l l db r o w s e f s e r v e r ，w h i c h 、一 d e v e l o p w i t ht h es o 缸w a r ea n dh a r d w a r e t e c h n o l o g yi m p r o v e m e n t a c c o r d i n gt o t h ec o n c r e t es i t u a t i o no f p r a c c a ls y s t e m ，ic o m p a r em e d i 仃b r e n c eo fn i ea b o v et h r e ea n dma ：k eac o n c l u s i o nm a tt h r e e t i e s c l i e n 以e “e ra r c h i t e c t i l 】r ec a i ll l s ei i ls y s t e i ni m p r o v e m e n | p r a c t i c e a b o v e c o n c l u s i o nc a i l 印p l yf o rt h i st y p eg i sa n dh a v c a p p l i e dv a l u e a c c o r d i n g t 0t h ei m p m v e d s y s t e mo f z h u z h o u i n t e g r a t i v ep i p e l i n e s n e “) l ，o r kg i s ，id e t a i l e d l ye n u m e r a t cs o m es y s t e m 叩p l i e db a s i c 劬c t i o n ， s 仃e s s e dd e m o n s 仃a t e s y s t c mi 血t i a li n t e 如c e ，e n t e rp i p e l i i l e sd a t a b a s e ， d e l e t ed b j e c to p e r a t i o na n de x p l a i nt h e s es o u r c ec o d e t h e nis u mu pm e i m p r o v e ds y s t e m ，i l l u m i l l a t ei t sd e f a i l l t ，a n dp r c s e n tt h ew a y t h a tc a nu s e t oi m p r o v c s y s t e i l li nf i l t l l r e k e yw - o r d sg i ss o r w a r ea r c h i t e c t l l r em r e e t i e sc l i e n t s e r v e r i n t e 乒a t i v ep i p e l i n e sn e 饥r o r k 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的成果。尽我所知，除论文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证明而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献已在论文的致谢语中作了明确 的说明。 作者签名：盈堑盏日期：地年包月三堑日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅；学校可以公布学位论文 的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：聊躲鲤期：地年鱼月必 中南大学硕士学位论文 第一章绪沦 第一章绪论 地下综合管网是城市建设的重要内容和城市生存和发展的生命线，地下综合 管线探测是物探技术的一个重要分支，对采集到的综合管线数据应充分加以利 用，加强综合管网资料的管理对城市的安全和发展具有重大意义。当前我国城市 化水平不断提高，基础建设发展迅速，在城市区域内已初步形成大规模的错综复 杂的地下综合管网，形成大量管网资料需要处理，但传统的手工制图，靠人工记 忆管理和人工统计、分析的手工管理方式效率低下，很难适应这种快速发展的海 量数据库的要求，造成大量浪费并阻碍了维护效率和服务水平的进一步提高。对 信息的处理和分析，计算机有得天独厚的优势，近年来g i s 技术发展和成熟， 为计算机从事综合管网g i s 管理提供了充分的手段，因此用计算机技术实现地 下综合管网管理，步入规范化、自动化、科学化的轨道。 1 ，l 地下管线 城市地下管线是城市基础设施的重要组成部分，提供城市高质量、高速度运 转所必需的物质流、信息流、能量流，从而保证城市这一有机体正常的新陈代谢， 保证各种生产、经营和社会活动的正常进行。地下管线布设现状的基础资料，是 城市规划、设计、施工建设和管理的重要依据。株洲市是一个中南地区重要的工 业城市，改革开放二十几年以来，一直快速的发展，基础设施建设更多。地下管 线资料有六七十年代的，也有近一二年的，无论是新资料还是原有资料，其数据 量是巨大的，作为城市的规划部门，手工管理与需求之间的矛盾日益突出，必需 借助于现代化的管理手段，才能适应城市现代化高速发展的需求l u h 。 1 ，2 地下管线种类 地下管线类型有给水管，雨水管，污水管，雨污合流，燃气管，电力管，市 话管，有线电视，长话管，工业管，路灯管，消防管，热力管，交通信号，专业 管等，其中最常用的是给水、排水、燃气、电讯、电力、工业、市政等类型管线。 如表卜l 【1 】【3 1 。 中南大学硕士学位沦文第一章绪论 表1 1 管线分类编码表 管线名称色别代号 生产水c s 给水 蓝j s 生活水 h s 污水w s 排水褐p s 雨水y s 煤气m q 燃气液化气粉红r q y h 天然气t r 市话s h 长话c h 电讯 绿d x 广播g b 电视d s 供电g d 电力橙d l 路灯l d 乙炔y o 工业 石油黄g ys y 氧y 人防r f 市政大红s z 综合管沟z h 专业紫z y 1 3 地下管线图 地下管线图分为综合管线图、专业管线图、管线纵横断面图等【i j l j j i 珥】。 综合管线图主要用于各类管线的综合管理，表现地下空间各类管线之间的关 系，便于自来水公司、电讯各公司、燃气公司以及铺设专业管道的公司之间的协 调，减少矛盾，加强协作，同时也便于市政府各职能部门的监督和管理。 专业管线图，主要用于某种管线的设计、施工和管理，它更注重本种管线的 详细信息，表示内容更丰富。如给水管线上，各阀门的详细资料一一类别、规格、 颜色、购买价格、使用年代、材质、水厂的设备、水泵的使用情况、管线之间最 小安全距离、管线服务范围等。而综合管线图一般用于市政公用管线的管理，其 主要是表示市内道路下的管线，并不管理小区内的管线，而专业管线不仅要管理 市内道路下的管线，而且还要管理到小区内的专业管线。综合管线圈和专业管线 图各施其责，又相互关联，二者相辅相成，只有二者的有机结合才能将地下空间 实体表示得更详细，更清楚，更有助于地下管线管理的科学化、自动化。 剖面图主要用于了解地下管线在垂直方向上的相互关系，有利于管线在垂直 方向上布设的控制。纵剖面图主要用于某条管线在垂直方向上的沿走向埋设情况 中南大学硕+ 学位论文第一章绪沦 的调查。横剖面图主要用j 二考查各类管线在垂直走向上的某一横断面上的布置情 况。这在城市规划部门特别熏要。 1 4 地下管线案例 由于地下管线资料庞大，资料不完整，更新速度慢，现势性差，管理不完善 等弊端，使得施工单位无法及时准确地掌握地下管线信息，为了赶工期，施工单 位盲目施工，致使地下管线遭到破坏，给人民的生命财产造成巨大损失，这种例 子在国内屡见不鲜。 1 9 7 7 年北京建国门立交桥施工打穿真径6 0 0 咖的自来水干线，造成水资源 浪费和周围企业和居民供水中断。 1 9 8 0 年天津一个农民盖房挖沟时，将一通往日本的通讯光缆挖坏，造成线 路中断1 2 个多小时，造成直接经济损失7 0 多万元。 1 9 8 7 年上海某处施工时挖断电缆导致电台停播。 1 9 9 0 年广州机场路扩建工程施工，由于施工单位将主光纤通讯电缆挖断， 造成白云机场至北京、上海、香港、汕头等地通讯中断。 1 9 9 4 年广州东风西路施工中，打穿一条煤气管道，造成煤气泄漏引起爆炸 事故，致使一辆前往抢救的救护车报废，交通中断。 1 9 9 4 年沈阳市建设大路旌工，挖穿一条煤气管道，造成煤气泄漏并引起爆 炸事故。 2 0 0 3 年深圳市尖沙嘴立交桥施工，打穿一根自来水管道及一根军用光缆。 以上各种案例均是由于不了解地下管线信息造成的，造成这种盲目施工的原 因有很多种，各行业之间的各自为政( 如：自来水公司不了解煤气公司的地下管 线情况) 、地下管线资料不全，更重要的原因是面对大量的地下管线信息，手工 管理难负重担，使得信息更新滞后，出图速度慢，特别是信息查询困难，在大量 的数据中难以提出对施工有价值的信息，为了克服管理的弊端，更好地满足成都 市发展对地下管线的要求，实现办公自动化，必需借助于现代化的科技手段，采 用地理信息系统来实现地下管线的科学管理“。 1 5 株洲市综合管网地理信息系统概况 为把株洲市建设成为经济发达、社会稳定、环境优美的现代化工业城市，提 高城市规划、建设与管理的效率和效益，株洲市规划局9 9 年委托大升高科开发 了株洲市综合管网地理信息系统的第一个版本，通过采用先进的地理信息系统技 术，实现在城市规划中地下管网信息的计算机获取、存储、应用和共享。为城市 中南大学硕士学位论文 第_ 章绪论 规划、建设和管理提供强有力的技术支持手段。随着信息技术的发展，以及需求 的改变，株洲市规划局重新委托华育软件开发综合管网地理信息系统的第二版， 主要解决并发用户问题多时程序反应速度慢及打印图形的问题。 4 中南大学硕士学位论文第= 章g t s 简介 2 1g l s 的定义 第二章g is 简介 g i s 是英文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 的缩写。中文为地理信息系统 的含义川“。 2 1 1 信息、地理信息 信息( i n f o r m a t i o n ) 是用数字、文字、符号、语言、图像等介质来表达客观 事物、事件、现象等的内容、数量或特征，以便向人们提供关于客观世界新的知 识，作为人们生产、经营、管理、分析、决策的依据。信息具有客观性、可传输 性、适用性、共享性等特征。人们就是通过不断地获取信息、传递信息、使用信 息来改造我们的世界，使人类步入发达、文明的社会。 信息来源于数据( d a t a ) ，是数据深加工的产物。数字、文字、语言、图像都 是数据。人类为了更好地认识自然，改造自然，在与自然斗争的过程中创造了数 学、文字、符号、图形、图像，人们借助于数据的多种形式，表达现实世界，并 从这些原始数据中提取对人类有用的信息，指导人类的活动。通常数据和信息在 日常生活中，人们并不强调区分。数据是信息的载体，信息是数据的内涵，是数 据的内容和解释。 地理信息( g e o g r 印h i ci n f o r m a t i o n ) 是指空间地理分布有关信息，它表达研 究对象所固有的数量、质量、分布特征、联系和规律。地理信息是空间信息，具 有多维的特征。在同一地下位置有多个专题和属性，如一个生活小区有土地承载 力、土地建筑用地等级、噪声等级、污染等级、人口密度等多种信息。而且地理 信息具有时序性，即动态性，如通过研究某一地区的云层在不同季节、月份的变 化特征，找出其规律性，以便预测出雨季在何时来临，用来指导防汛的工作，通 过掌握地理信息的多维性，可以建立面向多目标的地理信息系统。掌握地理信息 的动态性，可以建立预测系统和模拟系统“”1 。 巾南大学硕士学位论文第二章研s 简介 2 1 2 信息系统、地理信息系统 信息系统( i s ) 是指对数据和信息进行采集、加工处理、分析、存储和再现， 并能回答用户一系列问题的系统。信息系统的四大基本功能是：采集、存储、加 工、再现。如图2 一l 示。 图2 1 信息系统四大功能 信息系统分类：空间信息系统和非空间信息系统，如图2 2 示。 信息系统 空间信息系统 萎兰空间信息系统 非空间信息系统 图2 2 信息系统分类 经营信息系统 企业管理信息系统 金融信息系统 交通运输信息系统 中南大学硕士学位论文第二章g i s 简介 地理信息系统( g i s ) 的定义有如下几种： 它是以采集、贮存、管理、分析和描述整个或局部地球表面( 包括大气 层在内) 与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。 它是一个有组织的硬件、软件、地理数据和人才的集合，目的在于有效 采集、存储、更新、操纵和显示各种形式的与地理有关的信息。 它是一个能够保存和使用数据来叙述地球表面位置信息的计算机系统。 从各个g i s 的定义看出，g i s 的研究范畴非常广，从整个地球到区域、局部， 从地球内部到地球表面，再到大气层，所以真正的三维g i s 应研究地壳、地表、 大气层。而通常建立的只是二维g i s ，其研究对象是地表物体。g i s 按研究范围 大小可分全球性的、区域性的、局部性的“”“。按研究内容的不同可分为综合 性的和专题性的，如图2 3 示。 2 2g i s 的发展 图2 3g i s 分类图 22 1 g l s 产生和发展的背景 g i s 得到了发展有以下几个原因1 】 “】【1 5 】； 资源环境信息的爆炸所至。国土规划、区域规划、环境保护、灾害监测与预 测、大型工程的开展；全国人口普查和工业调查等大量数据的获取；海洋、 大气、陆地等各种监测、通讯网站的建立；遥感( r s ) 技术、g p s 技术的迅速 发展，获取了大量空间数据。 7 中南大学硕士学位论文 第二章g i s 简介 g i s 是一门交叉学科，它同其它各种相关学科，互通有无，共同发展，如 图2 4 示。正是由于相关学科的发展，使得规划管理、决策等部门的工作方 式向自动化、科学化迈进。传统的报表、制图方式、生产周期长，越来越难 以适应信息大爆炸的需求。 由于人类文明程度的提高，社会的进步，人类已认识到对大自然赋予的各种 资源，不能掠夺式开发，必需科学合理地加以利用，采用科学的管理，进行 定量分析和预测，以保证社会的可持续发展。 2 2 2g i s 的问世 图2 4 g i s 交叉科学图 5 0 年代，由于电子计算机科学的兴起和它在测绘学中的应用，使人们开始 有可能用计算机来收集、存贮和处理各种与空间和地理分布有关的图形和属性数 据并希望通过计算机对数据的分析来直接为管理和决策服务，以导致地理信息系 统的问世。 1 9 5 6 年，奥地利测绘部门首先利用计算机建立了地籍数据库，随后各国的 土地测绘和管理部门都逐步发展土地信息系统( l i s ) 用于地籍管理。 1 9 6 3 年，加拿大测绘学家r f t o m l i n s o n 首先提出了地理信息系统这一 术语，并建立了世界上第一个g i s 一一加拿大地理信息系统( c g i s ) ，用于自然 资源的管理和规划。随后，美国哈佛大学研究出s y 姒p 系统软件。 早期的g i s 软件，由于计算机水平不高，存贮量小，磁带存取速度慢，且缺 少分析功能，使得这些软件更有机助制图的特点。随后与g i s 有关的组织机构纷 纷成立，如1 9 6 6 年美国成立城市和区域信息系统协会( u r i s a ) ；1 9 6 9 年又建 立地理信息数据收集和处理委员会( c g d s p ) 。这些组织和机构的建立，对于传 中南大学硕士学位论文第章g i s 简介 播g i s 知识和推动g t s 技术发展，起到重要的指导作用【。 2 2 3g i s 的进展 随着计算机理论及技术的发展，g i s 在国内外得到了飞速发展，表现在如下 几点： ( 1 ) 专业性团体和会议大为增加。在国内，g i s 协会早于1 9 9 3 年就已成立，中 国城市规划学会中增设城市g i s 专业委员会，建设部还成立城市g i s 研究中 心和城市g i s 信息产业中心。各专业部门也纷纷成立了g i s 的应用研究机构， 大力开展g i s 技术的推广应用。跨国性或全国性的g i s 会议也不断增加。 ( 2 ) 参加各种有关g i s 会议的人数大量增加。 ( 3 ) g i s 软件的数量和销售量增加很快。国内的平台软件得到了发展，如m a p g i s 、 g r o w 等。 ( 4 ) 高等院校增设g i s 课程和g i s 专业。 ( 5 ) 对有关g i s 方面标准化的研究活动加强，建设部、国测局、标准化局等有关 管理部门积极组织和开展城市地理编码、基于城市基础信息系统分类编 码与图形编辑l ：5 0 0 1 ：2 0 0 0 地形图分类编码等规范的制定。 目前国内，一批国家级和区域级的地理信息系统已建立，并投入运行，取得 效益；一批具有规模的测绘单位进行了g i s 技术改造，形成了具有相当规模的数 据化测绘基地，大量地图数据采集入库；一批“3 s ”技术项目的实施，在灾害监 测和国土资源开发中发挥效益；一批数据采集、处理、输出设备研制成功，并进 入市场。这些事实证明国内地理信息产业进入了一个高速发展阶段“”。 2 2 4g i s 的特点 地理信息系统按其研究范围可分为全球的、区域的、局部的三种。为了满足 地理信息系统对地球表面、地下、空中的若干地理要素进行科学的管理和分析的 要求，地理信息系统必须具备以下特点“”1 ： ( 1 ) 公共的地理定位基础。所有的地理要素都要按经纬度或特定的坐标系统进行 严格的空间定位，并按一定的地理单元进行管理，只有这样才能使具有时序 性、多维性、区域性特征的空间要素进行复合和分解，将隐含在数据中的信 息表达出来，形成空间和时间上连续分布的综合信息基础，支持空间问题的 处理与决策。 中南大学硕士学位论文 第二章g i s 简介 ( 2 ) 标准化和数字化。将众多信息源的空间数据和统计数据进行分级、分类、 编码、规范化、标准化，以便于计算机的输入、输出。有利于进行社会经济， 自然资源、环境要素之间的对比和相关分析。 ( 3 ) 多维结构。在二维空间编码的基础上，实现多专题的第三维信息结构的组合， 并按时间序列延续、从而使它具有信息存储、更新和转换的能力，为决策部 门提供实时显示和多层分析。 2 2 5g i s 的应用领域 可以说，凡是需要考虑空间位置( 地点、距离、方位、分布、相互关系) 的 问题，都可以应用g i s 技术。因此，应用领域十分广阔。主要的应用领域介绍如 下： ( 1 ) 环境保护、分析与评价 ( 2 ) 资源保护、分析与利用 ( 3 ) 军事应用 ( 4 ) 城市规划、建设与管理 ( 5 ) 土地利用与管理 ( 6 ) 公共设施( 如上下水道、煤气等) 的规划、设计与管理 ( 7 ) 地图测绘、维护与更新等 2 3g i s 的组成 从计算机科学的角度来看，地理信息系统由四个主要部分组成一一计算机硬 件、软件、数据和人才。 2 31 硬件 g i s 的硬件主要由计算机和计算机外设组成，如图2 5 示，计算机是系统的 核心，主要完成数据的加工、处理和分析。g i s 所需的计算机主要外设有：输入 设备一一数字化仪、扫描仪、解析测图仪、全站仪等；存储设备一一磁带机、硬 盘、光盘；输出设备一一打印机、绘图仪、显示屏；网络设备一一网卡、路由器、 网桥及一些小附件。g i s 可以是单机的，但现在的g i s 一般是在一个局域网或广 域网内，下文所讲的体系结构的选择就基于这点。 l o 中南大学硕士学忙论文第二章g t s 简介 i数字化仪扫描仪解析测图仪测绘仪器 lj r j |上 ii l磁带机、硬盘、光盘 计算机 土 。 ： 上0 l打印机 绘图仪 显示屏 图2 5g i s 主要硬件 g i s 的输入设备主要有数字化仪、扫描仪、解析测图仪及全站仪“”1 。数字 化仪是g i s 主要输入设备，它为g i s 提供矢量数据。数字化仪的分辨率，数字化 方式，操作员经验是影响矢量数据的主要因素，因此为了使原图的精度不至于损 失太大，就选用高分辨率的数字化仪。扫描仪也是g i s 的主要录入设备。扫描仪 按扫描方式可分为栅格扫描仪和矢量扫描仪。它主要是向g i s 提供栅格数据，作 为g i s 的底图或图片。扫描矢量是现在的主流。主要是借助于扫描仪和特定软件， 将数字化的工作变得更容易，更简捷。解析测图仪可用于数字测图。第三代解析 测图仪是面向g i s 数据采集而设计的。可直接为g i s 提供图形数据，另外，遥感 图像处理系统也为g i s 提供了丰富的数据源。全站仪( t o t a ls t a t i o n ) 也称速 测仪，是一种很好的野外数据采集仪器，它能以数字形式自动记录测量数据，这 些野外数字数据可以通过接口和数据格式转换程序向g i s 提供其能接受的数据 格式数据，一般数据格式转换程序能够在几种主流的g i s 平台软件之间进行格式 转换。 运行g i s 的计算机包括大型、中型、小型工作站以及微机几种系列，由于计 算机硬件的飞速发展，微机也可作为小型g i s 软件系统的服务器。 地理信息系统的研究对象是地球或其局部，由于事物的多态性、复杂性，使 得g i s 要处理的数据是海量的，所以g i s 必须拥有海量存储设备。包括硬盘、磁 带、光盘。 2 32 软件 根据层次划分，g i s 软件由系统软件和应用软件组成。系统软件包括操作系 统、设备驱动软件、网络软件、编程语言、数据库管理系统等。应用软件包括基 本功能软件、接口软件、专业软件等m 。如图2 _ 6 示。 中南大学硕士学位论文第一- 章g i s 简介 第二层 第一层 第零层 图2 6g i s 软件屡次 g i s 软件的基本构成，从广义上可将g i s 的软件分成数据采集、转换系统、 地理数据库系统、图形图像系统、空间分析、空间查询系统、专家系统、输出系 统。其中地理数据系统是核心，如图2 7 示。 图2 7g i s 软件构成图 1 2 中南大学石亘士学位论文 第二章g i s 简介 数据采集及转换系统是针对不同输入设备，通过接口软件将数字化数据输入 到地理数据库，或将其它系统的数据转换成g i s 可以接受的数据格式，转入g i s 地理数据库中；g i s 图形图像处理系统具有强大的图形编辑和图像处理能力及文 本操作功能；空问分析、空间查询系统是g i s 的突出特色部分，它支持由图到属 性和由属性到图的双向查询和一些复杂的拓扑查询，利用其强大的空间分析功能 网络分析、地形地性分析、叠加分析、缓冲区分析、统计分析等功能，向用 户提供科学的决策信息，使领导者的决策更具有科学性、准确性，避免盲目决策 “。如图2 8 示。 图2 8 空间查询与空间分析系统 专家系统是研究模拟专家的推理思维过程，将相关领域专家的知识和经验以 知识库的形式录入计算机，由计算机进行推理和决策的系统。专家系统使g i s 向智能化、自动化的方向发展，智能化的g i s 和g i s 数据库是现在主要研究方向 之一乜2 m 1 。g i s 专家系统如图2 9 示。 中南大学硕士学位论文 第二章g i s 简介 图2 9 专家系统结构图 地理数据库系统负责地理数据的存储和管理( 图2 1 0 ) ，市场上流行的g i s 平台大多采用空间数据与属性数据分开管理的形式，二者通过统一的标识码来联 系。空间数据采取内部格式的数据文件进行管理，属性数据采取关系数据库进行 管理，克服了关系数据库管理可变长的空间数据的弱点，又发挥了关系数据库管 理定长的属性数据的优点，但这种管理方式也给系统带来了额外的负担和开销。 一个有发展前途的数据模型可能是面向对象数据模型，它可以管理图形数据又可 有效地管理属性数据。 件。 数据库管理系统 地理数据 位置坐标 拓扑数据 属性数据 图2 1 0 地理敷据库系统 输出系统负责g i s 产品的输出，在不同的设备上输出地图、图像、报表、文 2 3 3 数据 主要有两类性质的数据。一类是空间型( 位景) 数据。通常以空间三维坐标 ( x 、y 、z ) 或地理坐标( 经纬度和海拔高程) 来表示，还包括各数据之间的拓 扑关系。另一类数据是属性数据，即文字型数据，是可以用文字和数字来表示的 中南大学硕士学位沦文 第二章g i s 简介 数据。 2 3 4 人才 g i s 系统从设计、建库、管理、运行直到用来分析处理问题，自始至终都需 要有专门技术的人才。他们必须掌握g i s 的基本知识，熟悉所能利用的工具以及 分析问题的模型，并且对数据的性质有清楚的了解。 中南大学硕_ 。学位论文第三章软件体系结构简介 第三章软件体系结构简介 软件体系结构是在二十世纪九十年代被研究人员提出的，在这之后，进行了 体系结构的分类与表示方法的研究。 软件体系结构( s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 的定义不是很统一，但可定义如下： 软件体系结构是包含组成系统的组件，组件之间的关系以及组件和环境之间的关 系为内容的描述和约束。可以把人体肌肉骨格看作一个软件进行体系结构分析， 则每块肌肉是组件，每块骨头也是组件，联系肌肉与肌肉，肌肉与骨头，骨头与 骨头之间是肌腱，肌腱可以看作为组件之间的关系，肌肉骨格与整个人体的关系 可看作为组件与环境的关系，如皮包着骨头和肌肉等。 软件体系结构是在高级抽象层次上对软件基本结构的一种描述，能够把信息 准确地、无二义性地传递给所有开发过程的参与者，包括开发人员、测试者、维 护者以及项目管理人员。 3 1 软件体系结构的重要性 软件开发最主要的三方面是：资金，进度，质量，对于这三方面来说，是相 互矛盾的，又是相辅相成的，每一方面都已作为一个专门课题研究。软件开发是 高人力资源成本的活动，如何进行软件工作量和开发成本的估计是个难题，估计 的和实际的相差一个数量级是可能的。软件的进度控制可由相应的软件过程模型 来实现，现在著名的有r u p ( r a t i o n a lu n i f o r mp r o c e s s ) 和x p ( e x t r e m e p r o g r a 咖i n g ) 。质量控制是软件开发的核心之一，现在主要的质量标准有 i s 0 9 0 0 l 质量体系和卡内基梅隆( c a r n e g i em e l l o n ) 的s e i 提出的软件过程能力 成熟度模型c 删( c a p a b i l i t ym a t u r i t y d e l ) 。c 删进行软件过程评估和软件 能力评价。 产品质量控制是过程控制的重要内容，进度控制得好估计资金和实际费用就 会相符，资金、进度及质量可以统一于软件过程控制，可见软件过程是何等重要， 著名的r u p 是如是定义的：用例驱动、以体系结构为中心以及迭代的增量的( 或 基于组件) 进行软件开发。也由此可见软件体系结构的重要性。 软件开发组织必须能够根据用户的要求改进或扩充软件，使软件更加完善， 这在维护阶段又可叫完善性维护，其实在软件开发生命周期中软件的需求经常变 动的，如何使得需求的变更花费更少的代价来完成呢，c 删中有专门的软件配置 管理( s o f t w a r ec o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n t ) 关键过程区域来指导。好的软件 体系结构在需求变更时不被破坏，确保系统在性能、可靠性、可移植性、可伸缩 1 6 中南大学硕士学位论文第三章软件体系结构简介 性、互操作性等方面的要求，因而可以把代价最小化。这指出两点，一是好的软 件体系结构应该能够容忍需求的变动，二是一旦体系结构确定下来，在开发过程 中尽量不要变更体系结构1 。 软件体系结构至少在以下几个方面对软件开发产生正面的影响。 系统理解。通过对系统高层设计的抽象，增加了对软件系统的理解力。 软件复用。体系结构描述支持多层次的复用，重点在于组件库中组件的复用， 其次是框架的复用，以及设计模式的复用。 系统构造。体系结构的描述给出了系统主要的组件和组件之间的依赖关系， 为系统开发提供了部分蓝图。 软件进化。软件体系结构能够明确勾画出一个系统的“承重墙”，系统维护 人员能够更好地理解对系统的修改，更能准确在估算维护的代价，同时通过改变 组件之间交互的连接机制来改善系统各方面的性能成为可能。 系统分析。体系结构描述为系统分析提供了新的途径和方法。 项目管理。成功的项目均将可行的软件体系结构作为软件开发过程的一个里 程碑。客观地评估一个体系结构，有利于加深对需求分析、实现策略和潜在风险 的理解。 3 2 软件体系结构模型 对软件体系结构进行建模，根据侧重点不同，体系结构模型可分成五种：结 构化模型，框架模型，动态模型，进程模型和功能模型。 结构化模型是最常见的体系结构模型，它将整个体系结构看成是一系列组 件、连接件( 即组件之间关系) 以及其他一些成员的结构化的组合。所谓其他成 员，主要是指系统的结构轮廓，限制条件、风格、属性、分析、需求等。这类模 型通过结构反映系统的主要内涵，包括系统的配置、约束、隐含的假设条件、风 格、性质等。 框架模型则重点描述系统的整体一致性，而不是结构化细节，这类模型更多 地被用于某一特定领域的应用。 功能模型认为体系结构是一组按层次组织的功能构件，下层向上层提供服 务。可看作一种特殊的框架模型。 动态模型可以说是结构化模型和框架模型的补充。主要描述系统的一些粗粒 度的行为特征，如系统重构和系统演进等。“动态”是指系统总体框架的改变， 包括建立和采用预先设定的系统的演进路线等。 进程模型是一种构造性的、可操作的、命令式的模型。主要将注意力集中在 系统的构造过程上，即如何按照一定的步骤来描述一个系统的构造过程。 1 7 中南大学硕士学位论文第三章软件体系结构简介 多视图模型，即从不同的视图( v i e w ) 来分析软件体系结构：概念视图 ( c o n c e p tv i e w ) 、模块视图( m o d u l ev i e w ) 、执行视图( e x e c u t i o nv i e w ) 和代码视图( c o d ev i e w ) “。在这种模型中，每一个视图只关心系统的一个侧 面，多个视图结合在一起，反映了系统软件体系结构的全部内容。 3 3 软件体系结构描述 3 3 1 体系结构描述概述 软件体系结构的描述可以使用专门的体系结构描述语言( a d l ) 和实用软件体 系结构描述方法来描述。 体系结构描述语言集中描述了接个系统的高层结构，通常a d l 提供一个概念 框架和一套具体的语法规则，用于描述软件体系结构。任何一个体系结构描述语 言还应提供相应的工具，以用来分析、显示、编译和模拟用该语言描述的体系结 构。由于研究目标和应用领域的不同，已发展了具有不同风格和描述能力的各种 a d l 语言。 可以利用通用的对象标记方法进行体系结构的建模，对u m l 进行一些扩展， 用来表示与对象设计不同的抽象概念，删l 中的构造型( s t e r e o t y p e ) 是在模型层 中加入新的建模元素的扩展机制。u m l 是一种定义良好、易于表达、功能强大且 普遍适用的建模语言。 下面图3 一l 给出了描述体系结构的两种方法： 图3 1 体系结构的两种描述方 中南大学颤士学位j 龟文第三章软件体系结构简介 33 2 实用软件体系结构描述方法 实用软件体系结构描述方法是从实用的角度将软件体系结构的设计、描述和 表示同软件系统建模融为一体。实用软件体系结构描述方法从四个不同的视图来 分析软件体系结构：即前面所说的概念视图产、模块视图、执行视图和代码视图。 其中概念视图是按照系统的主要设计元素之间的关系来描述系统；模块视图 主要用于系统分解并且将模块进行层次划分；执行视图用于将功能组件分配给运 行实体，侧重于软件的动态结构问题；代码视图用于将源代码组织成目标代码、 运行库和二进制文件。这四个视图均用u m l 描述，并大量使用u m l 构造型。 软件体系结构的四个视图关系如图3 2 所示： 3 4 软件体系结构风格 图3 2 体系结构四视图的关系 软件体系结构风格刻画类具有共同的结构特征和语义特征的系统。是软件 体系结构设计的经验总结”。 常见的体系结构风格有： 中南大学硕士学位论文第三章软件体系结构简介 面 数据流式，如批处理、管理一过滤器等。 调用返回式，如主程序和子程序、分层系统等。 独立组件式，如通信进程、事件系统等。 虚拟机式，如表格驱动的解释器、基于规则的系统等。 数据中心式，如数据库、超文本系统、仓库系统等。 体系结构风格的使用对于体系结构设计具有重要作用，可表现于以下几个方 提高了对于设计的复用。 有效的代码复用。 易于对系统结构的理解。 支持风格相关的体系结构分析。 3 5 分层的体系结构风格 有多种经典的体系结构风格，如分层系统，管道一过滤器系统，容器系统， 黑板系统等等。株洲综合管网地理信息系统的体系结构属于分层系统1 。 t 分层系统：采用层次化的方式组织系统，每层有自己的组成元素，有自己的 语法和规则，具有完整描述所需系统的能力。分别从不同的视角表示同一系统， 从一层转换到另一层意味着语义的转换。 ：- 例如，一个c + + 源程序和该程序经编译后的目标代码，这两者描述的是相4 同的系统，但它们是不同层的表示，程序单元依赖函数和变量，而机器代码依靠 二进制位来运作。类似的，经过c p u 解释后转换而成的各种子处理单元如加法器、 寄存器的命令，这些命令由集成电路实现。源程序、目标代码和机器命令这三层 每一层都有它自己的语义，来自不同层的元素放在一起并没有意义。因此，分层 意味着语义的转换，每一层通常可看成是个利用下层的服务为它的上层提供服 务的虚拟机。这种分层机制支持基于抽象程度递增的系统设计，使得设计者可以 把一个复杂系统按抽象级别递增的步骤展开。在分层系统中，组件是实现层次功 能的虚拟机，层次与层次之间交互的协议构成了连接器的内容。约束主要指层次 之间的交互约束。 分层系统的基本结构如图3 3 所示： 巾南大学硕士学位论文第二章软件体系结构简介 、 。 _ _ 暑e 如雕辩t o r r + 。 ic p o n e n ) j iv i 嚏u 酬m a e h i ：! i e ；_ n t ，t量 | = i 1 | p r 龇0 d 卜乓r _ l f 。一”一。? 一一。一一一；? t1 7 。一t t - 1 、一一一一蔓 l e 6 打嘀秭j 誊睁奢j 董一 j v i l 国l ：1 m 萏e h i r 滔i i _ i _ ：1 曩 薯2 簟? i 篁篁。1 ；。“一_ r 。_ _ 。o o 曩? ：。一_ ；_ _ 了| - 一：1 1 誊：_ ，7 ： j 曩。一 _ ；_ _ 一量羔“董一：一_ i i 藉葫赢；：蔷薹7 一 i i ；净菇蠢甜心董 i 鬻篓。誊誊鎏誊黧曼j 。孓 图3 3 分层系统的基本结构 ! 啊黼a lm a e h 蚋尊nf i ：_ i ! ：e 划i z 夸t l 幛知l _ ! i t 沁m ! 一 饼i 鲥钟j 。 在系统设计中，有另外一种不同的分层方法。首先，把系统分成若干子系统， 再依次扩展每一个系统的功能，最终系统的层次结构形成一棵树，这种分层方法 没有前面所说的那种语义的转换，而是在一个语义域中对细节进行了扩展和精 化，可叫“分级”，级之间的元素是不严格的，可以从一级调整到另一级，在实 际应用中，对于分层系统与分级系统常不加区分，都可叫分层系统。 树型层次系统如图3 4 所示： 图3 4 树型分层系统 2 1 系统级 子系统级 基础模块级 中南大学硕士学位论文 第三章软件体系结构简介 3 51 分层系统的特点 分层系统具有如下优点： 支持基于抽象程度递增的系统设计，设计者可以把一个复杂系统按递增步骤 分解开来。 支持功能逐步改善，因为每一层只与相邻的上下层交互，功能的改变只影响 相邻的上下层。以门的锁例。功能是提供室内物的保护，从以前的铁锁到现在的 防盗门，功能