（地图学与地理信息系统专业论文）linux平台下基于矢量格式的webgis平台的研究与实现.pdf

摘要 地理信息系统( g i s ) 作为地理科学与计算机技术的结合，从诞生以来，其发展就j i t 行业的发展息息相关。从2 0 世纪9 0 年代开始，随着以i n t e r n e t 为代表的网络技术的迅 猛进步，w e b g i s 得以产生并在具体应用的推动f 得到了飞速的发展，成为g i s 服务的一 种理想的实现方式。 9 0 年代后期计算机行业中的操作系统的多元化进程明显加快。其中l i n u x 操作系统 以其开源免费、安全稳定等特点在服务器领域以及个人桌面应用领域内的迅速崛起，尤其 引人关注。从传统的w i n d o w s 平台向l i n u x 平台的迁移。这不仅是一个技术话题，在信息 安全、产业自主等因素的影响下，它甚至越来越具有浓厚的政治色彩。在这种大趋势的影 响下，基于l i n u x 平台的w 曲g i s 平台研究自然而然地成为地理信息科学领域内一个新兴 的课题。 一 本论文在建设部和研究课题的支持下，对l i n u x 平台下基于矢量格式的w 曲g i s 平台 进行了研究以及一个具体的应用实现。 文章首先介绍了目前现有的几种基于矢量格式的w 曲g i s 系统的实现，分析了它们在 服务器端数据组织、客户端交互、应用逻辑的开发等几个方面的特点和彼此的不同，结合 l i n u x 平台下现有软件体系的特点，确定了选用数据库统一组织管理地理信息数据的总体 思路。在可扩展、稳定性以及软件规模等因素的考虑下，选定开源数据库软件p o s t g r e s q l 作为具体实现时的后台数据库，并引入p o s t g r e s q l 的专用g i s 扩展库p o s t g i s 作为二次 开发的基础。 在系统的设计过程中，论文借鉴了主流g i s 软件中的“工程”与“图层”的思路，针 对性地设计了“w o r k s p a c e ”、“l a y e r ”与“s k i n ”等概念对数据库中的g i s 数据进行组织 和规划，通过过程语言p l p g s q l 完成了对p o s t g r e s q l 的必要扩展，以内置s q l 函数的 方式实现了对w o r k s p a c e 、l a y e r 以及s k i n 的建立、删除、相互引用等管理功能。并在“模 块化”的指导原则下，基于服务器端脚本语言p h p 设计开发了针对w o r k s p a c e 、l a y e r 以 及s k i n 的功能全面、内容丰富的操作函数库，以响应各种客户端查询操作，实现服务器 端的应用逻辑。而客户端，本文则是采用j a v a a p p l e t 技术及以j a v a s c r i p t 脚本实现在通用 网络浏览器内对矢量格式电子地图的绘制以及各种放大、缩小、移动、选取、标注等操作， 并与服务器端的数据完成交互查询以及动态的结果显示。 最后本文对整个系统的设计思路以及实现方式进行了总结，并提出了这个基于l i n u x 的矢量格式的w e b g i s 应用需要进一步研究和解决的问题以及前景展望。 哭键词 w e b g i s ，l i n u x ，矢量格式，j a v a a p p l e t ，p o s t g r e s q l ，p o s t g i s ，数摒库扩展 a b s t r a c t y uz h a n f u ( c a r t o g r a p h ya n d 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 d i r e c t e d b yp r o f c h o n g j u ny a n g i n s t i t u t eo f r e m o t e s e n s i n g a p p l i c a t i o n s c a s , b e r i n gh 0 0 1 0 1 ) a sac o m b i n a t i o no f g e o g r a p h ys c i e n c ea n dt h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h ed e v e l o p m e n to f g i sh a sb e e n c l o s e l yr e l a t e dw i t ht h ea d v a n c e m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ys i n c ei t s v e r y b e g i m f i n g i nt h e 19 9 0 s ，a st h en e t w o r kt e c h n o l o g yd e v e l o p e dq u i c k l y , w e b g i sg r a d u a l l yt o o k i t s s h a p e a n d g a i n e d ab o o m i n gd e v e l o p m e n ta n dg r a d u a l l y t u r n e di n t oa ni d e a lf o r mo f g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns e r v i c e i nt h el a t e19 9 0 s ，t h ed i v e r s i f i c a t i o no ft h ec o m p u t e ro p e r a t i n gs y s t e m sb e c a m em o r ea n d m o r eo b v i o u se s p e c i a l l ya tt h es e r v e rs i d e w i t ht h en a t u r eo f o p e ns o u r c ea n ds o u n ds e c u r i t y , l i n u xh a sb e c o m ea s t r o n gp o w e r b o t hi ns e r v e ra n dp cm a r k e t t h et r a n s i t i o nf r o mw i n d o w s p l a t f o r mt ol i n u xi sn o to n l yat e c h n i c a li s s u e ，g i v e nt h ef a c t o ro fi n f o r m a t i o ns e c u r i t ya n dt h e i n d u s t r yi n d e p e n d e n c eo f an a t i o n ，i te v e nb e a r sm u c hp o l i t i c a lm e a n i n g u n d e rs u c hat r e n d ，t h e r e s e a r c ho fw e b g i so nl i n u x p l a t f o r mh a sn a t u r a l l yb e e n ah o ti s s u ei ng i sf i e l d s u p p o r t e db yt h em i n i s t r yo fc o n s t r u c t i o n ，t h i sp a p e rj l a s tf o c u s e so nt h er e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o no f a v e r t o rf o r m a tw e b g i s s y s t e mo n t h el i n u xp l a t f o r m ， t h ep a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e ds e v e r a lp r e s e n tm e t h o d st or e a l i z ev e c t o r - f o r m a t t e dw e b g i s a n dt h e nm a d ea n a n a l y s i so nt h es e v e r s i d e d a t ao r g a n i z a t i o n ，c l i e n ti n t e r a c t i o n ，a p p l i c a t i o n l o g i ce t c c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es o f t w a r eu n d e rl i n u x p l a t f o r m ，t h ep a p e r d e c i d e s t ou s ed a t a b a s et os t o r ea n dm a n a g ea l lt h eg e o g r a p h i c a ld a t a f i n a l l yt h eo p e n s o u r s es o f t w a r e o fp o s t g r e s q lw a sc h o s e nd u et oi t ss t a b i l i t y 、e x t e n s i b i l i t ya n dp r o p e rs i z e a l s oi t se x c l u s i v e g i se x t e n t i o np o s t g i sw a su t i l i z e da st h eb a s eo f a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t d u r i n gt h es y s t e md e s i g n ，t h ep a p e r c r e a t e dt h ec o n c e p t i o no fw o r k s p a c e ，l a y e ra n ds k i nt o o r g a n i z et h ed a t ai nd a t a b a s ei na c c o r d a n c ew i t ht h ei d e ao fp r o j e c t a n dl a y e ri nt h em a i n s t r e a m g i sp a c k a g e e x t e n d e df u n c t i o n sf o rp o s t g r e s q la r ed e v e l o p e db yp l p g s q li nt h ef o r mo f e m b e d d e ds q lf u n c t i o n st oc r e a t e 、d e l e t ea n d m a n a g e t h ew o r k s p a c e ，l a y e ra n ds k i n u n d e rt h e i d e ao fm o d u l i a z t i o n a h u n d a n tf u n c t i o n st oi n t e r a c tw i t hw o r k s p a c e l a y e ra n ds k i na r ec o d e di n p h pl a n g u a g eo nt h es e r v e rs i d et oh a n d l ea l lt h em a pr e q u e s t w h i l eo nt h ec l i e n te n d ，t h i s i m p l e m e n t a t i o na d o p tj a v aa p p l e tp a c k a g ea n dj a v a s c r i p t t oa c h i e v et h em a pr e n d e r i n g 、 z o o m i n g 、r o a m i n g 、s e l e c t i n g a n dl a b e l i n ga n dt h ei n t e r a c t i v es e a c h i n go nt h es e r v e rs i d e f i n a l l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e dt h es y s t e md e s i g na n dt h e r e a l i z a t i o nm e t h o d s f u r t h u r l yi t p r e s e n t e dt h ep r o b l e m st h a tn e e dt ob es o l v e do f t h i sv e c t o r f o r m a t t e dw e b g i si nt h ef u t u r e k e v o r d s v e b g i s l i n u x ，v e r i e rf o r m a t j a v aa p p l e t p o s t g r e s q l ，p o s t g i s ，d a t a b a s ee x t e n s i o n 一笙= 至堑笙 1 1 w e b g i s 的产生与发展 第一章绪论 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 ，g i s ) 是用于获取、存储、 检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。它通过不 同方式的遥感与非遥感手段获得包括地图、遥感图像、统计数据等信息，最终以 空间位置信息为基础向用户提供分析以及决策支持服务。 g i s 从产生之初，就带有两个鲜明的特征：一、作为一个计算机系统，它的 发展与演变与整个计算机行业的发展息息相关：二、它以空间实体作为处理对象， 处理地理空间位置数据以及与之相关的信息。 进入2 0 世纪9 0 年代，随着国际互联网( i n t e r n e t ) 的迅速崛起以及其在全球 范围内的飞速发展，使得基于h t t p 协议的万维网成为高效的全球性信息发布渠 道，也为g i s 的进一步发展提供了契机。随着人们对地理信息系统应用模式的需 求不断升级，利用i n t e r n e t 在w e b 上发布和出版空间数据，为用户提供空间数 据浏览、查询和分析功能的w e b g i s 的概念应运而生。其基本思想就是在互联网 上发布地理信息，让用户通过浏览器浏览和获得一个地理信息系统中的数据和功 能服务。 1 9 9 3 年，美国x e r o x 公司的p a l oa l t o 研究中心开发出了世界上第一个 w e b g i s 的原型系统h t t p ：m a p w e b p a r e x e r o x c o m m a p ，提供了全球l ：2 0 0 万 的d l g 数掘( d i g i t a ll i n eg r a p h ) 让用户进行浏览 1 。 1 9 9 4 年，作为国家空间基础设施( n s d i ) 建设的内容之一，加拿大b r a n d o n p l e w e 公司推出了提供世界各地旅游信息的网站v i r t u a l t o u r i s t c o m ，该网站以 电子地图的形式提供全球近3 0 ，0 0 0 个旅游地的风土人情、文化等旅游信息供游 客查询 1 。 从1 9 9 5 年开始，提供实时地图发布服务( 1 i v em a p p i n gs e r v i c e s ) 的系统开 始出现，典型的系统如美国人口调查局的t i g e r 地图服务系统( t i g e rm a p p i n g s e r v i c e ) t m s ，该系统可以交互式的提供街区道路图以及全国人口专题图。还有 一些类似的地图服务系统提供在线的地图查询和浏览，如g e o s y s t e m sg l o b a l 公 司的b ! ! b ；! ! ! ：i q g ! ! ! ! ：! 皿，v i c i n i t y 公司的b ! b ；! ! ! ：m i q q i ! ：! ! 巴， e t a k 公司的i ! ! q ；! ! ! ：! ! s g ! ! 女! ：! ! 堡。 应陔浇，在1 9 9 6 年以莳所出现的这些系统还不能称之为w e b g i s ，而仅仅是地 图服务器。1 9 9 6 年以后，随着网络技术的进一步酱及，传统的c 1 ie n t s e r v e r 模式向b r o w s e s e r v e r 模式的迁移转化益加快，g 1 s 操作中的很多功能丌始在 标准的浏览器端被各种技术所实现应用模式逐渐清晰。由此g i s 通过w w w 功能 i 加u xf 特j 。九鞋+ 摊i 的w e b g l s 、r 仃的研究1j 实珧 得以扩展，真j f 成为一种大众使用的工具。从w w w 的任意一个节点，i n t e r n e t 用户可以浏览万维网g 1 s 站点中的空问数据、制作专题图，以及进行各种空1 1 日j 检 索和空削分析从而使g i s 进入干家万户。同时各大g i s 软件厂商的也开始了激 烈竞争，争相发布各自的w e b g i s 产品来占领市场。 真正意义上的w e b g i s 时代也因为这些实际应用和支撑软件的相互促进而正 式宣布到来。 1 2w e b g i s 的主要特点 基于i n t e r n e t 的w e b g i s 是g i s 的新技术发展趋势之一，与传统的基于桌面 和单机的g i s 系统相比，w e b g i s 具有如下优点 2 ： 1 ) 更广泛的访问范围：客户可以同时访问多个位于不同地方的服务器上的 最新数据，而这一i n t e r n e t i n t r a n e t 所特有的优势大大方便了g i s 的数据管理， 使分布式的多数据源的数据管理和合成更易于实现。 2 ) 平台独立性：无论服务器客户机是何种机器，无论w e b g i s 服务器端使 用何种g i s 软件，由于使用了通用的w e b 浏览器，用户就可以透明地访问w e b g i s 数据，在本机或某个服务器上进行分布式部件的动态组合和空间数据的协同处理 与分析，实现远程异构数据的共享。 3 ) 可以大规模降低系统成本：普通g i s 在每个客户端都要配备昂贵的专业 g i s 软件，而用户使用的经常只是一些最基本的功能，这实际上造成了极大的浪 费。w e h g i s 在客户端通常只需使用w e b 浏览器( 有时还要加一些插件) 其软件 成本与令套专业g i s 相比明显要节省得多。另外，由于客户端的简单性而节省的 维护费用也不容忽视。 d ) 更简单的操作：要广泛推广g i s ，使g i s 系统为广大的普通用户所接受， 而不仅仅局限于少数受过专业培训的专业用户，就要降低对系统操作的要求。通 用的w e b 浏览器无疑是降低操作复杂度的最好选择。 5 ) 平衡高效的计算负载：传统的g i s 大都使用文件服务器结构的处理方式， 其处理能力完全依赖于客户端，效率较低。而当今些高级的w e b g i s 能充分利 用网络资源，将基础性、全局性的处理交由服务器执行，而对数据量较小的简单 操作则山客户端直接完成。这种计算模式能灵活高效地寻求计算负荷和网络流量 负载在服务器端和客广】立；f l ；的合理分配，是一种较理想的优化模式。 b ) 良好纳可扩眨r i ：w | ( - b ( ；i s 彳i ( ! 容易删w e b 中的其他信息服务进行无缝集成， 呵以矬：灵活多变( f ) g i s 应j t j 。 抑一章缔论 1 3w e b g i s 的应用 基于自身的诸多特点，w e b g i s 在以下儿个层面都具有广阔的应用前景： 1 ) 空间数据发布：能够以图形方式显示空间数据，较之与单纯的f t p 方式， f f e b g i s 使用户更容易找到需要的数据； 2 ) 空间查询检索：利用浏览器提供的交互能力，进行图形及属性数据库的 查询检索： 3 ) 空间模型服务：在服务器端提供各种空阃模型的实现方法，接受用户通 过浏览器输入的模型参数后，将计算结果返回。 4 ) w e b 资源的组织：在w e b 上存在着大量的信息，这些信息多数具有空间分 布特征，利用地图对这些信息进行组织和管理，并为用户提供基于空间位置的检 索服务，无疑也可以通过w e b g i s 实现。 目前的实际应用中，w e b g i s 已经广泛进入各个行业，包括农业、林业、水利、 地矿、交通、通讯、新闻媒体、城市建设，教育、国土资源、环境、人口、海洋 以及军事等几十个领域，在旅游、统计分析、房地产、油气管理、土地和地籍管 理、水资源管理、环境监测、资源合理利用、智能交通管理、跟踪污染和疾病的 传播区域、商业选址、市场调查、移动通讯、民用工程、城市管道管理、在线政 府公共信息服务等应用上都发挥着重要作用。 1 4l i n u x 操作系统快速崛起 计算机操作系统在发展过程中，逐步呈现出多样化的趋势。 目前比较常见的操作系统有u n i x 、w i n d o w s 、l i n u x 、0 s 2 、m a co sx 、f r e e b s d 等。其中u n i x 面向高端应用，主要应用于服务器平台。而在桌面应用上，w i n d o w 占据了绝对的统治地位，并且从w i n d o w sn t 开始，也逐步向服务器市场进军。 而近年来作为脱胎于u n i x 的开放源码的l i n u x 操作系统，由于其代码的开放性、 在网络应用方面的高性能及良好的安全特性，异军突起，越来越引起人们的重视。 2 0 0 3 年，i b m 公司的e s e r v e rl i n u x 超级计算机更是在著名的“全球t o p 5 0 0 超 级计算机”排名中以每秒钟1 l 万亿次的计算能力将l i n u x 平台强大的集群处理 能力发挥至极至，当选为全球排名第三的超级计算机 3 ，充分显示了l i n u x 操 作系统强大实力与巨大潜力。同时由于l i n u x 完全开放源代码，部署成本低廉， 更是使得它在服务器领域中的市场份额不断攀升。达到整个市场比重的近三分之 l i n u x 之所以大受欢迎，免费仅仪是其中一个因素，更多的原因在于【4 】 1 l i n u x 是个真正的抢占式多任务、多线程、多用户的操作系统； 2l i n u x 性能非常稳定，功能强劲，可以与最新的商用操作系统媲美： ! ! ! 坚! 苎主叁墨堡堕堕些! 旦! ! ：! 垒些塑壅! 茎塑 3 l i n u x 具有非常广泛的平台适用性。它在i n t e lx 8 6 平台、a l p h a 平台以及 a p p l e 、s u n 和s g i 等公司的计算机上都有相应的发布版本。同时l i n u x 已经开始在诸如p d a 以及职能手机等平台上运行，适用范围得到了极大 的扩展： 4 目前现有的很多应用程序可以直接在l i n u x 平台上运行。大多数为s c o u n i x 开发的应用程序都能在l i n u x 平台上运行( 借助于i b c s 软件包) ， 其运行效率甚至高于s c ou n i x 平台。借助d o s e m u ，l i n u x 可以运行很 多d o s 应用程序：而借助w a b i 或w i n e ，l i n u x 甚至可以运行很多w i n d o w s 平台下的应用软件； 5 l i n u x 公开自己的内核源代码。不用担心某公司出于商业目的在软件中留 下后门： 各国政府出于安全和财政方面的原因，近年来逐渐公开倾向推广l i n u x 操作 系统及该操作系统下的应用。尤其是亚太和欧洲地区，近一两年平台转换趋势日 益明显，成为整个计算机产业界不可忽视的一个重要现象。这种现象已经愈发地 明显，美国的b u s i n e s s w e e k l y 以及( ：n e w s w e e k ) ) 均曾以此为专题进行了深入 报道。 包括i b m ，o r a c l e 等软件提供商均早早为自己最为畅销的服务器端产品 w e b s p h e r e 、d b 2 、o r a c i e 数据库等发布了i ，i n u x 版本。进入2 0 0 4 年，世界著名 的计算机厂商d e l l 和h p 动作更直达一线，除了原有的运行l i n u x 的服务器产品 之外，开始正式发售安装l i n u x 操作系统的个人电脑 5 6 ，从而形成了从服务 器到个人桌面的全l i n u x 配置体系，其中h p 甚至开始在全球范围内提供2 4 * 7 的 不间断电话或者e m a i l 技术服务，支持采用l i n u x 平台的系统地运行。 种种迹象表明，l i l q u x 在操作系统领域内的优势开始愈发增强，成为未来计 算机行业中一只引发连锁变革的重要力量。 1 5l i n u x 平台下的g l s 与w e b g l s 研究 随着l i n u x 平台的逐步推广，对各种应用软件的需求也在不断增加。g i s 作 为i t 行业的一个重要分支也逐渐产生了l i n u x 下应用软件的需求。 目前l i n u x 平台下最著名的桌面应用是g r a s s ( g e o g r a p h i cr e s o u r c e s a n a i y s i s s u p p o r ts y s t e m ) ，它最早出美国陆军工兵研究实验室( u s a f r a y c o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n gr e s e a r c hl a b o r a t o r i e s ，1 9 8 2 1 9 9 5 ) 研制，目的 是为军队的土地管理和环境规划提供一个工具。随着版本的不断升级，目前g r a s s 能够支持几乎所有业界主流的栅格和矢量格式并能完成遥感图像的常规处理：而 从功能上来看，g r a s s 能够很好地实现空叫分析、地图生产以及数抛可视化 ( 2 d 2 5 d ，3 d ) ，成为l i n u x 平台下最为出色和著名的g i s 平台 7 。g r a s s 现在 群。章绪论 已经成为一个开放源代码的系统，用户能够免费获得并能应用于商业及非商业领 域。整个软件的维护及迸一步开发通过互联网上的开发小组进行推进，并在持续 发布最新的版本。 其他的一些单机g 1 s 的开源项目也都因为有全球各地的参与者的协同开发 而在逐步完善和壮大，这其中包括f m a p s ，f r e e g i s ，j s h a p e ，o p e n m a p ，p c r a s t e r 等 8 。但是影响力和实用程度都不能与g r a s s 同日而语。 而与此同时，传统的g i s 厂商也以不同的方式向l i n u x 平台渗透。例如世 界排名第一的g i s 软件供应商e s r i 公司就在2 0 0 2 年的4 月l 曰正式发布了其纯 j a v a 版的g i s 开发包m a p o b j e c t sj a v as t a n d a r de d i t i o n ，这个由9 0 0 多个g i s 组件构成的j a v a 开发包完全支持跨平台开发，可以基于此构筑单机的g i s 系统 以及在网络上的g i s 部署。利用这个版本的m a p o b j e c t s ，在l i n u x 下开发单机 g i s 应用系统业将会快捷地完成 9 。 在w e b g i s 方面，也出现了一些l i n u x 平台下的地图应用服务器，并有了 具体的应用，比较著名的是美国明尼苏达大学主持研制的开源项目m a p s e r v e r 。 该项目最初发源于明尼苏达大学自然资源学院( m n d n r ) 所承担的由n a s a 以及明 尼苏达州自然资源部联合资助的f o r n e t 开发项目，旨在实现一个互联网环境下 的以在线制图为主要手段的、以在线资源数据管理和使用为目的的w m s 服务实 例。由于项目成果令人振奋，该开发随后得到了明尼苏达州土地管理信息中心以 及n a s at e r r a s i p 项目的继续支持，并且将源代码完全公布于互联网上，鼓励更 多的相关部门进行实际部署，以获得更多的应用和改进。目前已经有近百个 w e b g i s 实例在m a p s e r v e r 的支持下顺利运行起来，行业涉及森林监测、土地侵 蚀以及土地利用监测、油气田调查、人口普查、公共卫生、导游、市政管理等众 多领域 1 0 。 商用g i s 市场上，m a p i n f o 公司提供了1 0 0 的纯j a v a 地图服务器m a p x t r e m e f o rj a v a ，其中包含了强大的对象模型和s e r v l e t e n a b l e d ( j a v as e r v e rp a g e s ) 地图组件库，为开发商集成网络应用提供了高可视度的、直观的图解组件。 m a p x t r e m ef o rj a v a 带有一系列可视和非可视的j a v a b e a n s ，可与普通的j a v a 开发环境轻松结合，开发出瘦客户端，、中型客户端和胖客户端等多种w e b g i s 应 用 1 1 。 e s r i 公司在2 0 0 2 年4 月2 9 同发布的a r c i m s4 产品就已经实现了对m s w i n d o w s 、r e dh a tl i n u x 、s u ns o l a r i s 、i b ma i x 以及h p u x 等主流操作系统 的全【面支持从而使得该公司的这款最著名的网络地图发布产品几乎成为目前业 界内对平台问题解决得最为出色的产品 1 2 。 在国内，l i n u x 平台下的g l s 与w e b g i s 研究尚处于早期的发展阶段，应用 产品相对较少。武汉吉奥信息工程技术有限公司开发的g e o s u r f 软件，借助j a v a 一! ! ! 竺! 垫! ：叁堕堑生堕坠! 壁! ! ! ! ：堂塑竺壅! ! 苎些 语言的平台无关性而能够在l i n u x 平台下展开应用；中科院地理所在国家“9 6 3 ” 信息获耿与处理技术主题资助的“面向网络海量空间信息的大型g i s ”项目的支 持下，联合其他多家单位，设计开发了可完全基于u n i x l i n u x 环境的大型g i s 基础平台一g e o m o r p h ee n t e r p r i s e 】0 。这是国内公开报道的第一款可以完全运 行在l i n u x u n i x 环境下的g s 基础软件平台，也是业界第一款支持国产红旗 l i n u x 操作系统的g i s 平台 t 3 。 可以明显地感到，目前已经有越来越多的研究力量开始在l u n i x 平台下的 g i s w e b 6 i s 研究e 1 6 本论文背景 在新一轮的政府采购中，国家建设部采用了国产开放源码的操作系统“红旗 l i n u x ”同时也就相应要求有l ir l u x 平台下的各种常规和行业软件来支持它的日 常办公应用。由于建设部门所接触到的数据具有明显的空间特性，迫切要求能有 一个l i i l u x 平台下的网络g i s 产品来支持建设部门的电子政务工程，因此在建设 部的”十五”攻关计划中对l ir l l i x 平台下的网络g i s 软件提供了支持。 本论文收到了建设部“十五”攻关计划“城市数字化系统集成关键技术研究” 的子项“基于l i n u x 操作系统的w e b g i s 的空间信息服务技术”的支持，并具体 将研究目标确定在“l i h u x 系统下基于矢量格式的_ | l e b g i s 应用平台的快速搭建 与实现”，作为文章的项目依托。 1 7 论文结构组织 本论文共分为七章，其中： 第一一章主要介绍了w e b g i s 的产生与发展，特点及应用。并简要介绍了l i n u x 操作系统的迅速崛起以及其对各种通用以及行业应用软件的需求，从而引出本文 的选题背景介绍。 第二二章将就矢量格式的概念，优缺点，以及目前现有的基于矢量格式的 w e b g i s 的实现技术做一个介绍和比较并结合国内外的典型产品予以说明。 第鼍章将介绍本系统的总体设计，结合l f l u x 平台下软件开发的特点，从系 统的实现目标、系统结构设计、系统数据分析、技术路线确定等方面予以论述。 第四章介绍数掘库的详细设计，数据库端的数据组织等问题。 2 i ；：_ 儿驻将4 - ：要介绍服务器端应h j 逻辑的设计j 实现。 第1 攀将生要介绍将以一个具体的应卜台的搭建来验证整个系统的可行 性。 第七豪将对整个系统的i 筻汁和实现做一一个总结，并分析现有的问题以及进一 第一章绪论 步的工作。 l i n u x 下堪j 。矢量格的w e b g i s l7 丹的j f j 究j 爻班 第二章矢量格式以及矢量w e b g i s 2 1 g i s 中两种数据结构的概述 地理信息系统为了实现对现实世界中的地理信息的管理和利用，必须首先对 各种地理现象和地理实体进行抽象表达，即利用特定的数据结构米将现实世界数 字化。目前而言，主要是栅格数据结构与欠量数据结构两种实现方式。这两类数 据结构都可以用来描述地理实体的点、线、面三种基本类型。而地理实体的非几 何属性可以和几何属性电录在一起，也可以通过指针结构相联系。 在矢量结构中，现实世界的物体或状态用点、线或者面表达，与他们在地图 上的表达相类似，每一个实体的位罱使用它们在坐标参考系统中的空间位置( 即 地理坐标) 定义。地图空间中的每一个位置都有唯一的坐标值与之对应。点、线 和多边形用于表达不规则的地理实体在现实世界中的状态。例如，用一条线表达 一条道路，用一个多边形表达一个地块。同过这样的方式，使得矢量数据模型中 的空问实体与所要表达的真实地理实体形成对应关系。 在栅格数据结构中，空间被规则地划分为大小均一的正方形栅格。地理实体 的位置和状态同它们所占据的栅格的行号和列号来定义。每个栅格的大小代表了 实现定义的分解力。地理特征的位置由距离它晟近的栅格记录决定，而该位置上 物体的类型和状态则是由栅格的值来进行表达。与矢量格式不同，栅格模型的最 小单元与它表达的真实世界空间实体并没有直接的对应关系。栅格数据模型中的 嘲2 i 两种对真实世界的抽象方法：栅格结构与矢量结构0 4 】 空间实体单元1 i 是通常概念上理解的物体，他们只是彼此分离的栅格。例如 竺望签型! 些坠垡签里鉴! 望! 条道路并不能由个明晰的栅格标示出来，只有一组栅格通过它们自身的取值才 能共同表现出来这是一条道路实体。即地理实体的具体属性由栅格的属性值决 定。 图2 - l 形象地表现了基于同一个地理单元所分别进行的栅格与矢量格式的数 据抽象。 2 2 矢量数据结构 矢量数据结构基于“坐标空间是连续空间”这一假设，目的是尽可能地精确 定义抽象出来的位置、长度和大小等属性。 在矢量数据结构中，地表实体的位置参照地图上使用的x y 坐标系统表达。 地理特征最终都会通过点、线、面这三种基本元素的组合表达到二维地图上。 2 2 1 点实体 点实体包括由一对单独的x ，y 坐标定位的一切地理或者制图实体，在矢量 数据结构中，除点实体的x ，y 坐标外还应贮存其他一些与点实体有关的数据来 描述点实体的类型、制图符号和显示要求等。例如“点”可能是一个与其他信息 毫无关系的符号，但在记录时都应该包括符号类型、大小、方向等有关信息；如 果“点”是文字实体，记录的数据还应该包括字符大小，字体、排列方式、比例 方向以及与其他属性数据的连接方式等信息。对其他类型的点实体也应该做相应 的处理。 2 2 2 线实体 线实体可以定义为直线元素组成的各种线性特征。直线元素由两对以上的x ， y 坐标定义，通过形如( x i , y h x 2 , y 2 x 。，y 。) 形式记录。最简单的线实体只贮存 它的起止点坐标、属性、显示符等有关数据。例如线实体输出时可能用实线或者 虚线描绘，这类信息属于符号信息，它只说明实体的输出方式，而不比限定于特 定的线型存储。 现实世界【 ：，许多的线地物都具有连续的特性，丽在地理信息系统中，已录 条线的座标点的数目终究是有限的，因而记录线实体需要坐标采样。通常组成 | i | | 线的线元素越短，x ，y 坐杯数量越多，越逼近于真实的曲线。 2 2 3 面实体 i i l i ：火体也被称作为多边形，一般阁柬表示政区等闭合地理区域。在记录面状 i n u x 下基于矢量 * j 的w e b g i s 、卜的研宄j 实现 实体的时候，通常通过记录面状实体的边界来实现。但是在其体应用时，因为多 边形涉及较为复杂的拓扑关系问题，在具体的表现方法上会有不同处理。但是记 录边界点坐标的方式无疑是最为直观清晰的方式。 2 3 栅格数据结构与矢量数据结构的比较 作为g i s 中两种表现空问数据的重要方法，栅格数据和矢量数据备有自己的优点和局 限性，对比如f 1 5 1 6 ： 表2 - 1 ：矢量数据模型和栅格数据模型的比较 栅格数据矢量数据 优点：优点： 1 数据结构简单1 数据结构更为严密，数据量小； 2 叠加操作易实现，更有效；2 表现地理数据的精度较高： 3 便于实现各种空间分析：3 对拓扑信息的操作更为有效： 4 数学模拟方便，便于做图像的有效增强；4 图形输出效果美观； 缺点：缺点： 1 数据结构不严谨不紧凑，需要压缩解决；1 比栅格数据结构复杂； 2 难以表达拓扑关系：2 叠加操作没有栅格有效； 3 图形输出不美观，线条有锯齿，需要增加3 表达空问变化能力差； 栅格数量来克服，但会增加数据文件：4 不能做增强处理： 4 投影变换较为费时； 目前大多数桌面g i s 平台都支持这两种数据结构。而在具体的应用中，则会 根据不同的使用目的集中于一种数据结构之上。例如在集成要遥感以进行空间模 拟运算等应用中，一般采用栅格数据结构：而在网络分析、规划、选址、测算等 分析应用中，通常采用矢量结构。而在w e b g i s 研究中，因为网络带宽以及在标 准的网络浏览器中的硬件和软件环境限制，两种数据结构在应用上的差别更加明 显，更是需要结合实际情况正确地做出选择。 2 4 o p e n g isg e o m e t r y 矢量数据模型与数据库表达 24 1 o p e n g tsg e o m e t r y 矢量数据模型 为了规范矢量空间信息的表达和存储，o p e n g i s 专门制定了g e o m e t r y 模型。 通过模型表达的任何个地理几何对象必然满足以下两个约束条件：与一个用来 确定该几何对蒙坐标的空间参考系统相关联：该几何对象属于一个已知的 g e o m e t r y 类，是这个类的一个具体实现。 以g e o m e t r y 这个类为起点，o p e n g i sg e o m e t r y 模型的框架组织t l i x , j j , j 1 7 ： 堡空叁里垫鉴坠丝篓璧翌! 璺! ! g e o m e t r y ( 抽象类，不可实倒化) 。p o i n t ( 可实例化) 0 c u r v e ( 抽象类，不可实例化) 一l i n e s t r i n g ( 可实例化) l i n e 0 s u r f a c e ( 抽象类，不可实例化) p 0 1 y g o n ( 可实例化) o g e o m e t r y c o l l e c t i o n ( 可实例化) - m u l t i p o i n t ( 可实例化) m u lt i c u r v e ( 抽象类，不可实例化) - m u l t i l i n e s t r i n g ( 可实例化) m u l t i s u r f a c e ( 抽象类，不可实例化) m u l t i p o l y g o n ( 可实例化) 其中g e o m e t r y 为基类，作为一个抽象类，它不可被实例化，而是用于派生 可以实例化的予类。在派生过程中，o p e n g i s 约定g e o m e t r y 的子类只能用于表 现二维以下空间维度内的几何实体，即仅限于点，二维平面内的线和多边形，这 样保证了g e o m e t r y 子类的任何一个具体实例在拓扑上是闭合的，即具有明确的 边界。具体来说，p o i n t ，l i n e s t r i n g ，p o l y g o n ，m u l t i p o i n t ，m u l t i l i n e s t r i n g ， m u l t i p o l y g o n 以及g e o m e t r y c o l l e c t i o n 这7 个类可以实例化，用以创建空间几何 表达实例。 2 4 2g e o m e t r y 矢量数据的数据库表达 为了适应数据库技术在g i s 数据存储中的同益广泛的应用，配合g e o m e t r y 模型的推广应用，o p e n g i s 还分别制定w e l l k n o w nt e x t (