（系统分析与集成专业论文）基于gis的数字流域系统集成关键技术研究.pdf

i 摘 要 作为数字地球的一个区域层次，数字流域系统是一个庞大的系统工程，涉及到非 常广泛的范畴和知识，也是传统水利水电信息化建设的必由之路。以所承担的数字 清江课题为背景，本文主要研究了基于 gis 平台的数字流域系统集成关键技术及实 现，对其中的组件 gis 技术、多层体系结构、系统设计、功能设计等进行了深入的 探讨。 文章首先针对数字流域系统建设的技术路线进行了分析， 对系统建设所涉及的体 系结构层次模型以及 gis 技术、组件技术、面向对象技术、系统集成等相关技术做 了简要的介绍，重点分析了数字流域系统建设的技术难点及相应的解决方案。在此 基础上讨论确定了应用系统建设的集成体系结构、集成方式以及集成方案，着重论 述了三层 c/s 体系结构的分布式企业应用系统集成模式。 其次，本文讨论了基于 gis 技术的系统平台设计目标及开发策略，详细探讨了系 统的总体结构设计及相应的关键技术实现，包括系统的总体功能、性能设计、工程 开发模块的划分、数据库的逻辑设计等问题。 再者，文章剖析了集成系统的实现问题，讨论了系统环境的建立、数据库的实现 以及应用平台的实现，给出了三层 c/s 体系结构数据服务层、应用逻辑层、表 现层在数字清江集成 gis 系统中的具体实现。论文对集成系统开发中的用户权限管 理、动态注记、模块通信以及计算模型调度等重点问题的具体实现进行了深入探讨。 文章最后针对基于 gis 的集成系统解决方案在数字清江系统中的具体应用特点 给出了实例分析。 关键词： 数字流域；地理信息系统；组件对象技术；系统分析与集成 ii abstract as an important regional level of digital earth, digital valley is a systems engineering, which relates extensive category and knowledge and is the key path from traditional hydropower to information construction. an integration solution of a gis- based digital valley system is introduced in this paper. the key technologies and realization of digital valley systems analysis and integration including the related com gis technology, system integration, multiple ties framework, system design, function design are analyzed and discussed in detail. in the first place, the technology solution of digital valley is proposed, and the related technologies such as tiers framework model and gis technology, com technology, object oriented technology, system integration is presented briefly. after analyzing the technology difficulties and corresponding solution in the system construction, the framework, integration mode, and integration solution are put forward. the emphasis is put on the three tiers client/server structure distributed enterprise application solution in the second place, the aim and strategy of the gis- based system platform is discussed, the emphases of this chapter is the structure design, function design, performance design, engineering module partition and the logical design of database. in the third place, the realization of the integration system is presented. the construction of the system environment, the realization of the database and the application platform based on three tiers framework, key problems in the system realization such as the user management, dynamic marker, asynchronous telecom, and module dictation are analyzed in detail. at last the example of the application system is given to show the main character. key words: digital valley; gis; com; system analysis and integration 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并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阅。本人授 权华中科技大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 1 绪 论 1 . 1 数字流域的概念及信息内涵分析 作为“ 数字地球” 的一个应用层次，广义的讲，“ 数字流域” 是把流域及与之相关的 所有信息数字化，并用空间信息的形式组织成一个有机的整体，从而有效地从各个 侧面反映整个流域完整的、真实的情况，并提供对信息的各种调用要求。狭义的讲， 数字流域的概念是将广义数字流域的研究对象局限于流域的水电能源范畴，为全流 域的水利水电部门应用和服务的计算机管理与应用系统14。由此可见，数字流域是 一个集数字化、网络化和信息化等多种高新技术为一体的可视化计算机管理和应用 系统， 是数字地球建设的一个重要区域层次58。 它不仅能在计算机上建立虚拟流域， 再现流域的各种资源分布状态，更为重要的是，它可以在对各类信息进行专题分析 的基础上，通过各种信息的交流、融合和挖掘，促进全流域不同部门、不同层次之 间的信息共享、交流和综合，进而对全流域的所有信息进行整体的综合处理和研究， 为全流域资源在空间上的优化配置、在时间上的合理利用，宏观、全局地制定整体 规划和发展战略，减少资源浪费和功能重叠，实现可持续发展提供科学决策的现代 化工具9。 数字流域是一个巨大的系统工程，根据数字流域的基本思想，可以将其大致划 分为数字流域可视化基础信息平台(基础层)、数字流域专业应用系统(专题层)以及数 字流域综合管理与决策系统(综合层)等三个大的子系统1013 ，如图 1- 1 所示，它们 既相对独立，又相辅相成，可以分阶段、有步骤地自下而上逐步实施和完成。 2 数字流域综合管理及决策子系统 数字流域可视化基础信息平台子系统 数字流域专题应用子系统 专 题 层 综 合 层 基 础 层 图 1 - 1 数字流域的主要内容及层次结构 1 . 2 g i s 技术在数字流域信息系统中的应用 数字清江基础层的构建主要是综合运用 rs、gis、gps 及多媒体和网络等技术 将全流域的地理环境、基础设施、自然资源、生态环境、人口分布、社会和经济状 态等各种信息进行数字化采集和存储，分别建立全流域各类信息的空间数据库以及 与其相对应的属性数据库，构建一个基于 gis、具有全流域基础信息和三维流域景观 模型的可视化数字流域统一基础信息框架或平台（特别是流域的水文地理信息平台） 1416 。在此平台上实现各种信息的查询、显示及多媒体输出。在“ 数字清江” 的专题 层开发中，主要是依托数字流域基础信息平台，建立处理、解决全流域关于雨情、 水情动态分析和预测、洪水演进模拟和仿真、洪水预警和预报、防洪和抗旱减灾指 挥、水资源梯级调度和分配、大坝及电厂安全监控和运行、电力综合调度与指挥、 生态环境保护与防治以及水利水电工程管理和运行等具体实际应用问题的模型库， 并开发出相应的基于数字流域的水利水电行业各职能部门信息管理及辅助决策系统 1718。数字流域综合管理与决策系统是数字流域系统工程的综合应用层，目的是在 实现各专题 gis 的基础上，以数字流域基础信息平台为依托，通过对全流域的基础 地理、自然资源以及社会和经济等各个领域的不同信息进行综合处理、分析和研究， 在数字清江项目中，综合应用层的重点是建立数字清江水情分析仿真及梯级优化调 度的集成 gis 系统，实现各专题水文及梯级调度数学模型与基础 gis 系统的无缝集 3 成1925，以及多源属性、空间数据的一体化管理2627。 1 . 3 课题研究背景、意义 数字清江水情分析仿真与梯级优化调度集成 gis 系统是数字流域系统的具体体 现，需要考虑分布式多模型集成、异构分布海量数据的协同处理、空间数据库设计 等问题，作为数字流域层次结构的综合应用层，集成系统的开发水平直接影响到整 个系统的实用性和效率。本文就数字清江的集成框架、平台、数据管理、界面设计 及相关的关键技术进行了详细分析，并进行具体实现，为类似系统的开发提供参考 价值。 1 . 4 论文的结构和内容 本论文主要讨论了基于 gis 的数字流域系统集成的关键技术研究及其在清江流 域水情分析仿真与梯级调度集成 gis 系统中的实现和应用。本论文内容安排如下： 第一章 概述：阐述了本论文的研究背景和研究意义。 第二章 系统建设的技术路线分析：重点阐述了系统实施中遇到的技术难点，论 述并重点分析了基于三层客户机服务器的体系结构，对象关系数据库管理系统的集 成平台；采用可视化程序开发方法并辅助以空间决策技术的解决方案的确定。 第三章 系统集成总体设计：详细描述了系统的总体结构及功能设计，叙述了系 统的设计目标、数据库的总体设计及数据的标准化设计等。 第四章 集成系统实现：利用前面提到的理论及设计，具体给出了系统的技术实 现、系统的软、硬件环境、数据库建设过程及应用系统平台的开发实现。 第五章 应用系统实例分析：针对集成 gis 系统具体在数字清江系统中的应用特 点给出了应用实例分析。 第六章 总结与展望：对数字流域的整体研究与实现进行总结，并提出系统将来 继续研究的方向。 4 2 基于 g i s 的数字流域系统集成技术路线分析 2 . 1 数字流域系统集成技术难点分析 由于流域信息除了属性数据外，地形数据与空间数据息息相关，关系数据库难 以直接动态描述空间信息，不能将图形信息与属性信息置于同一数据库下管理，同 时，用来处理图形数据的gis系统，不能解决流程复杂的水情分析和梯级优化调度的 计算管理工作，难以描述水情分析仿真和梯级优化计算过程。换而言之，数字流域 工程中的水情分析仿真和梯级优化调度部分数据既需要采用rdbms进行管理，又需 要采用gis软件管理空间数据。例如业务人员在基本数据管理中查询水电站所涉及的 图形与文本数据，就需要同时访问rdbms和gis这两个异质数据库。由此可见，建 立一个“ 图文一体化” 的流域综合信息管理系统十分困难22，其主要技术难点包括： 1数据量大、种类繁多、格式各异 由于数字流域概念本身广泛的外延和内涵，使得流域集成gis系统数据具有多元 化的特点，不但数据量庞大，而且数据种类繁多，格式各异。 （1）海量数据：系统现己拥有各种规格的清江流域基础地理信息数据。同时； 系统还保存了大量的历史属性数据及计算方案供查询，这些信息还将持续快速增长， 例如水文站与雨量站的实时测报系统数据量每一天都在膨胀。对于这些海量数据的 存储和备份己成为整个信息系统数据建设的核心问题。 （2）种类繁多：系统数据包括图形数据（gis）和属性数据（mis）两部分。 （3）格式各异：gis数据不仅表达空间实体（真实体或者虚拟实体）的位置和几 何形状， 同时也记录空间实体对应的属性， 这就决定了gis数据源包含有图形数据 （又 称空间数据）和属性数据两部分。图形数据又可以分为栅格格式和矢量格式两类。 传统的gis一般将属性数据放在关系数据库中，而将图形数据存放在专门的图形文件 中。不同的gis软件采取不同的文件存储格式，如： arc/info coverage、arc/view shapefile、tif等。 2计算模型繁多、通信调度复杂 整个系统涉及到多达十几个水情分析仿真及梯级优化调度专业数学模型， 模型的 5 计算访问以及模型间通信调度非常复杂，对计算调度模块的并发访问处理等关键问 题需要解决23。 3系统的平台多样性 用于处理空间数据的gis平台和处理洪水调度及梯级优化调度计算的mis平台 并存，unix操作系统与windows nt操作系统并存，关系数据库系统与文件系统并 存，是数字清江集成gis系统的特点，需将这些跨系统的平台集成在一起难度很大 2122。 4业务流程复杂 除了水情分析仿真、洪水调度及梯级优化计算分析功能，系统同时需要提供二 维、三维全流域大地形视景漫游系统以及海量数据的快速查询，洪水调度方案的决 策支持，各种业务相互交叉，如何解决业务流程的正确性、高效性和灵活性是系统 建设的难点之一。 5网络响应速度 对于一个分布式计算所使用的网络系统，其网络访问速度是系统成败的关键， 由于数字清江集成gis系统上运行着大量的图形数据，其数据量严重影响了网络响应 速度，加之该系统又是一个实时运转的数据库系统，对网络速度的要求较高，故解 决好响应时间同图形数据的大访问量之间的矛盾是非常重要的。 6空间信息检索 gis数据库是一种特殊的数据库，其查询语言受到一般数据库查询语言的制约。 gis数据库与一般数据库最大的不同是“ 空间” 概念，由于gis空间数据本身所具有的 特点，使得基于关系模型的查询语言（sql）不能很好地解决空间概念问题。如何 能够描述复杂的空间关系查询并选择空间数据的表达形式是gis领域需解决的重大 问题2830。 7清江流域多个内部网络的互联 由于清江公司下辖各级不同的管理部门和不同的业务部门，要求各部门使用通 用的数字清江集成gis系统，必须开发一套适用于所有职能部门使用的系统，该系统 需采用高内聚、低耦合、模块化的开发方法，使得清江公司不同的职能部门可以很 6 方便的定制具体业务所需的用户界面。 8数据更新与数据共享 数据收集、输入过程的繁琐是实用gis系统的显著特点。通常，数据的收集、输 入费用要占去gis系统实施费用的大部分，而系统建成后的维护费更是主要用在数据 的更新上。要降低数据收集和更新费用，其基本途径是实现数据共享，把收集、更 新工作社会化，使数据在不同的机构、部门、组织之间可以交换、共用，以数据重 复利用率的提高来降低单个系统的平均费用，降低整个系统建设的总费用，数据共 享的主要障碍在于组织机构之间的协调以及数据的标准化。 根据以上分析可以看出， 实现功能完备的梯级优化调度和水情分析仿真系统 （专 题mis）及流域地理信息系统（gis）的难度相当大，而数字流域集成gis系统不但 要完成上述功能，还要实现系统的无缝集成，使得系统解决方案的确定变得十分复 杂。 2 . 2 地理信息建模系统 通用gis的空间分析功能对于大多数的应用问题是远远不够的，因为这些领域都 有自己独特的专用模型，目前通用的gis大多通过提供进行二次开发的工具和环境来 解决这一问题。如arc/info提供的进行二次开发的宏语言aml。二次开发工具的一个 主要问题是它对于普通用户而言过于困难。而 gis成功应用于专门领域的关键在于支 持建立该领域特有的空间分析模型。gis应当支持面向用户的空间分析模型的定义、 生成和检验的环境，支持与用户交互式的基于gis的分析、建模和决策。这种gis系 统又称为地理信息建模系统 （geographic information modelling system， 简称gims） ， gims是目前gis研究的热点问题之一。 目前实现通用gis空间分析功能与各种领域专用模型的结合主要有三种途径： （1）松散耦合式：即除gis外，借助其他软件环境实现专用模型，其与gis之间 采用数据通讯的方式联系。 （2）嵌入式：即在gis中借助gis的通用功能来实现应用领域的专用分析模型。 （3）混合型空间模型法：是前两种方法的结合，即尽可能利用gis提供的功能， 7 最大限度地减少用户自行开发的工作量和难度，又保持外部空间模型法的灵活性。 为了充分利用已经开发的水利专题应用计算模型， 系统采用了松散耦合式开发模 式来实现gis与水利水文模型及知识库的耦合，其优点在于构建了一个开放式的系统 平台，既可以充分利用已有的水利水文模型及知识库，又为系统的无缝集成扩展提 供了良好的接口。 2 . 3 组件对象技术（c o m / d c o m ）的应用 com的英文全称是component object model （组件对象模型） 3132，它是微软公 司提出的一种用于开发和支持程序对象组件的框架。com由一些对象和对象的接口 组成。在com里，接口提供对象操作的机制。而接口是由一个或多个相关的方法、 属性和事件组成的。一般来讲方法代表对象要执行的一些动作。属性表示对象的一 个特殊情况如count和name。 事件是与对象相关的事情发生时通知系统其余对象的方 法。这样接口就决定了如何与对象的一个客户进行交互，操作对象并确定利用该对 象可以或不可以做什么。 把gis的功能适当抽象，以组件形式供开发者使用3338，是当前gis开发的主流 趋势，其优点主要有： （1）小巧灵活、价格便宜：在组件模型下，各组件都集中地实现与自己最紧密 相关的系统功能。组件化的gis平台集中提供空间数据管理能力，并且能以灵活的方 式与数据库系统连接。在保证功能的前提下，系统表现得小巧灵活，而其价格仅是 传统gis开发工具的十分之一，甚至更少。这样，用户便能以较高的性价比获得或开 发gis应用系统。 （2）直接嵌入mis开发工具：组件的生产建立在严格的标准之上，因此，凡符 合标准的组件都可在目前流行的各种开发工具上使用。这样，vb、vc、 delphi、 powerbuilder、notes、foxpro、access等都可直接成为gis或gmis的优秀开发工具， 它们各自的优点都能够得到充分发挥。这与传统gis专门性开发环境相比，是一种质 的飞跃。 （3）强大的gis功能：新的gis组件都是基于32位系统平台的，采用inproc直接 8 调用形式，所以无论是管理大数据的能力还是处理速度方面均不比传统gis软件逊 色。小小的gis组件完全能提供拼接、裁剪、叠合、缓冲区等空间处理能力和丰富的 空间查询与分析能力。 （4）开发简捷：由于gis组件可以直接嵌入mis开发工具中，对于广大开发人 员来讲，就可以自由选用他们熟悉的开发工具。而且，gis组件提供的api形式非常 接近mis工具的模式，开发人员可以像管理数据库表一样熟练地管理地图等空间数 据，无须对开发人员进行特殊的培训。 组件技术的gis提供了解决地理信息系统建模的理想解决方案。 在数字清江集成 gis系统建设充分利用了组件技术的优势，基于商品化的gis组件平台开发，通过将 gis组件嵌入通用的开发环境vc +来实现高效、无缝的系统集成，专业模型也可以 使用通用开发环境来实现，gis组件的选择见下一节分析。 2 . 4 g i s 软件的选择 gis软件选型对解决数字流域系统集成是至关重要的。随着gis的应用从单个项 目走向网络化、企业化，并不断呈现出社会化大众应用的趋势，对gis软件平台的要 求越来越高。单个、独立的空间处理产品很难满足在数据共享和管理、多用户分布 式网络计算的支持、面向特征的运用与无缝的连续空间数据库等方面的需求。大型 gis系统由不同分支系统组成，这些系统通常来自多供应商，包括多种不兼容的软硬 平台、网络协议，用户需要将这些多类型、多协议的产品、资源及应用通过网络无 逢连接起来，构成理想的、开放的、完善的企业应用模式。 数字流域涉及的技术相当广泛，技术平台的选择应特别注意两点：一是开放性， 选择的技术平台必须符合开放性原则，才能保证数字流域系统在实施过程中的可持 续性和可发展性，也能保证多种技术的有机集成；二是实用性，数字流域系统是为 水利工作服务的，实用是其最重要的标准，在实用的基础上适当考虑先进性。在综 合对比考虑并参考已有的流域专题gis系统的基础上，根据数字流域系统的需求，系 统采用了esri的sde作为空间和属性数据集成的解决方案，而前台的开发采用了 mapobjects gis组件嵌入vc+集成环境开发实现，下面简要介绍一下系统所选择的 9 gis软件产品及其特点： 1sde（spatial database engine） sde把空间数据存放在商业化数据库软件3941，如oracle之中，继承了其 client/server体系和快速的检索性能；并以api（应用程序接口）提供gis功能函数， 供用户开发使用。其特点是： 超大型、连续无缝的空间数据库管理；极快的空间数据存取。 client/server体系。 多用户共享。 api灵活、开放而健全的开发工具。 sde性能如此之高的原因在于其优化的技术： 采用面向要素存储技术，读取一个要素只需一次磁盘动作。 采用空间索引技术，可把检索的范围从数千万个要素极快地集中到数十个 要素。 不存储拓扑关系，但能实时地计算拓扑关系，从而进行复杂的空间分析。 client/server体系采用异步通讯技术。client发出请求，不必等待结果，而是 将部分结果返回，再继续查找，从而以最小的网络压力实现最快的通讯速度。 区域的锁定机制既保证了数据的一致性，又提高了数据的共享性。 两阶段提交和数据恢复机制保证了数据的安全。 api函数可供 mapobjects，arcview，c，visual basic，java调用，灵活 方便。 2mapobject mapobject是基于windows和nt平台的一个制图与gis组件的集合42，支持应用 系统开发人员把gis与桌面制图功能嵌入到windows应用程序中，能够与其它图形、 多媒体、数据库组成完全的综合性应用软件，是基于前端应用业务的良好的地图开 发环境。它包括一个ole控制部件和一个由35个可编程ole开发对象组成的集合。 ole拥有基于对象的软件集成化结构，ole控制部件可以使开发者提高工作效率， 以极快的速度将基于地图和gis的功能加入到自行开发的应用系统。此外，由于是在 10 标准的开发环境中操作mapobject，使得开发人员可以有很大的选择余地。 mapobject支持图形文件（shapefile）、大量图像格式以及sde数据层，可作为 sde的客户端应用。 2 . 5 系统集成体系结构的确定 近年来，网络技术的迅速的发展为信息资源的共享提供了基础。目前常见的网 络计算模式及特点如下4344： 1传统的集中式：这是一种主机终端模式，所有的计算任务和数据管理任 务都集中在主机上，终端只是主机输入/输出设备的延长这种模式的优点是容易管 理，缺点是对主机的性能要求很高，而且开发者必须为每个新的应用重新设计同样 的数据管理部件。也浪费了作为终端的计算机的计算能力，并且从性能价格比来看， 在购置费用相当的情况下，一台主机的性能往往比不上几台计算机所组成网络的性 能，因此这种模式己逐渐退出主流。 2客户机/服务器（client/server，简称c/s）模式：客户机/服务器计算模式定 义了台式机如何和服务器相连，以实现数据和应用的共享，并利用台式机的处理能 力将数据和应用分布到多个处理机上。一般说来，在这种模式下，服务器只集中管 理数据，而计算任务分散在客户机上，客户机和服务器之间通过网络协议来进行通 讯。客户机向服务器发出数据请求，服务器将数据传送给客户机进行计算，计算完 毕后结果可返回给服务器。这种模式的优点是充分利用了客户机的性能，使计算能 力大大提高；另外，由于客户机和服务器之间的通讯通过网络协议进行，是一种逻 辑的联系，因此物理上在客户机和服务器两端是易于扩充的。它是目前占主流的网 络计算模式。 3浏览器/服务器（broser/server）模式：在这种模式下，用户端只需一通用的 浏览器，如netscape或internet explorer，服务器则为web服务器。浏览器和服务器之 间通过tcp/ip这一通讯协议进行连接。浏览器发出数据请求，由web服务器向后台 取出数据并计算，将计算结果返回给浏览器。这种模式的优点是：由于用户端所用 软件只是一个简单的浏览器，无需安装，用户基本上无需培训，用户端软件也无需 11 维护；软件的升级与修改只在服务器端进行，对用户透明，服务器与浏览器可处于 不同的操作系统平台。其缺点为：（1）稳定性不好，由于在客户端把控制权交给了 ie，所以有许多错误不可预知。（2）asp技术是通过明码实现的，没有真正的完全编 译，所以速度与效率上都有所欠缺。 基于以上的分析，c/s模式为目前局域网平台gis的首选，将gis功能与数据库访 问分层实现有利于提高系统的访问速度。 将数据请求层放在客户端和以odbc作为数 据库的访问方式保证了应用系统的开放性，其访问可跨越数据系统和操作系统平台， 使系统具有良好的可扩充性。 gis与mis的系统集成平台引入传统的二层客户/服务器机制后， 可以将信息系统 集成定义为两层c/s结构，如图2- 1所示。前端用户和应用系统构成client端结构，后 台数据服务器构成server端结构。客户端负责引导用户输入数据源、功能要求和模型 选择，以及有关输入输出选择项，将这些信息提交后台服务器。后台mis服务器、 gis服务器负责检索符合用户功能要求的数据，并将操作结果返回给客户端。 g i s 数据服务器 空间数据 库 m i s 数据服务器 属性数据 库 显示终端 p c前端应用前端应用 结果 请求 s e r v e r c l i e n t 图2 - l 两层c / s 结构 但这种传统的二层c/s模式，所有的表示逻辑和应用逻辑等都在client端，使之 非常臃肿且负载太重，从而影响了效率；server作为数据库、文件服务器，进行业务 数据的处理和维护，功能相对简单，这种结构存在以下几个局限： （1）它是单一服 务器且以局域网为中心的，所以难以扩展至大型企业广域网或internet。 （2）.受限于 供应商。 （3）软、硬件的组合及集成能力有限。 （4）难以管理大量的客户机。因此， 三层c/s结构应运而生4549。 三层c/s结构是将应用功能分成表示层、功能层和数据层三部分50。其解决方案 12 是：对这三层进行明确分割，并在逻辑上使其独立。原来的数据层作为dbms已经独 立出来，所以关键是要将表示层和功能层分离成各自独立的程序，并且还要使这两 层间的接口简洁明了。 在三层c/s中，表示层是应用的用户接口部分，它担负着用户与应用间的对话功 能。它用于检查用户从键盘等输入的数据，显示应用输出的数据。为使用户能直观 地进行操作，一般要使用图形用户接口 (gui)，操作简单、易学易用。在变更用户 接口时，只需改写显示控制和数据检查程序，而不影响其他两层。检查的内容也只 限于数据的形式和数值的范围，不包括有关业务本身的处理逻辑。 功能层相当于应用的主体，它是将具体的业务处理和数据处理逻辑地编入程序 中。表示层和功能层之间的数据交往要尽可能简洁。 数据层就是dbms，负责管理对数据库数据的读写。dbms必须能迅速执行大量 数据的更新和检索。现在的主流是关系数据库管理系统 (rdbms)。因此一般从功能 层传送到数据层的要求大都使用sql语言。 和两层c/s结构相比，三层c/s结构具有更灵活的硬件系统构成，对于各个层可以 选择与其处理负荷和处理特性相适应的硬件。合理地分割三层结构并使其独立，可 以使系统的结构变得简单清晰，这样就提高了程序的可维护性。三层c/s结构中，应 用的各层可以并行开发，各层也可以选择各自最适合的开发语言，有利于变更和维 护应用技术规范。按层分割功能使各个程序的处理逻辑变得十分简单。 三层c/s结构的优点在于： 1具有灵活的硬件系统构成 对于各个层可以选择与其处理负荷和处理特性相适应的硬件。 这是一个与系统可 缩放性直接相关的问题。例如，最初用一台unix工作站作为服务器，将数据层和功 能层都配置在这台服务器上。随着业务的发展，用户数和数据量逐渐增加，这时就 可以将unix工作站作为功能层的专用服务器，另外追加一台专用于数据层的服务器。 若业务进一步扩大，用户数进一步增加，则可以继续增加功能层的服务器数目，用 以分割数据库。清晰、合理地分割三层结构并使其独立，可以使系统构成的变更非 常简单。因此，被分成三层的应用基本上不需要修正。 13 2提高程序的可维护性 三层c/s结构中，应用的各层可以并行开发，各层也可以选择各自最适合的开发 语言。 3利于变更和维护应用技术规范 因为是按层分割功能，所以各个程序的处理逻辑变得十分简单。 4进行严密的安全管理 越关键的应用，用户的识别和存取权限设定越重要。在三层c/s结构中，识别用 户的机构是按层来构筑的，对应用和数据的存取权限也可以按层进行设定。例如， 即使外部的入侵者突破了表示层的安全防线，若在功能层中备有另外的安全机构， 系统也可以阻止入侵者进入其他部分。 因此，在数字流域集成gis系统中采用三层结构的c/s模型，即客户应用服 务器数据库服务器，在三层c/s模型中，客户端包括应用程序和开发工具。cpu 密集型应用能够充分利用客户端的处理能力以及自治性来减少服务器的管理。服务 器端分为两部分；应用服务器和数据库服务器。应用服务器包括从客户端划分出来 的一部分应用及从专用服务器中划分出的一部分工作，概括的说主要实现业务逻辑 和数据逻辑的工作，并对应用提供透明的数据库访问接口。基于服务器的应用程序 代码在此可以更好地得到保密，应用代码可以访问其他服务器应用或作为其他服务 器应用的路由。由于应用被划分在多个服务器和局部网络上，因此利用应用服务器 解决对数据库服务器的客户请求过于频繁的问题，提高网络性能，如图2- 2所示。 应用程序 用户界面 进程管理 交换数据 c / s 通讯管理 o r a c l e 数据 库服务器 c l i e n t 端应用服务器s e r v e r 端 图 2 - 2 三层 c / s 结构 基于上图，客户端主要完成应用程序的功能；应用服务器管理网络通信、 client 与 server的数据交换、水情分析及梯级优化调度的业务逻辑工作以及c/s通信管理的 工作，数据库服务器提供对数据的管理与存储功能。在多个客户机同时访问数据库 14 时，请求先经过应用服务器的缓冲，再传递给数据库服务器，减少对数据库服务器 的压力。 2 . 6 数字流域的系统集成模式 通常基于gis平台的信息系统集成方式可以分为如下几种5155： 1基于数据文件交换的方式 同一gis软件系统不同模块之间或不同系统之间采用import/export的文本文件交 换形式。这是最简单也是效率最低的一种方式，它适用于任意系统之间的数据和模 型集成。 另外，大型商业gis软件如arc/info具有一致的数据模型和数据结构，提供二次 开发语言，构成软件开发平台。不同模块之间可以采用二进制进行数据交换接口 （arcedit和arcplot），具有密切关系的不同 gis软件系统之间也可以采用这种方式 （如arc/info和erdas）。在这种模式下用户除了在操作系统的基础上开发应用模型 被宿主系统调用外，其它所有的操作只能建立在这个商业软件平台基础上，不同的 商业软件平台一般无法直接进行数据共享和功能互补。 2基于api的方式 采用应用程序接口（api）的形式进行集成。如arc/info提供rpc接口实现客户 端与服务器端的通讯，提供arc/info与arc/view的集成。同时用户可以遵循rpc规 范开发应用模块以实现系统集成。esri提出的分布式计算环境( distributed computation enviroment)也是基于api的思想。而常用的对象关系数据库技术 （ordbms）将空间数据作为一种数据类型直接集成进入数据库系统，用户可以在 这种平台上直接管理矢量空间数据、遥感图像数据和普通关系数据，可以利用这种 数据库平台的api开发gis应用系统。 3面向对象的方式 对象连接与嵌入（ole）的自动化功能（automation）提供了对象之间的互操作 功能，用户可以将该软件作为一个对象嵌入自己的系统。这无疑是地理信息系统软 件向开放和互操作发展的重要方向之一，也是本系统所选择的集成方式。 15 由于数字流域集成gis系统是将地理信息和数据库信息进行跨平台集成这一特 点，决定了系统需要一种分布式空间数据管理和分析机制，这种机制需要与多种地 理数据的时间、空间和属性发生联系，需要解决不同系统平台之间复杂的关系，所 以在系统集成中选择了面向对象的集成方式。 2 . 7 数字流域的系统集成方案 基于以上几节的分析，系统集成采用基于三层客户/服务器的体系结构，在关系 数据库管理系统的集成平台上，采用可视化程序开发方法并辅以空间决策技术进行 应用程序的开发工作5660。 具体集成方案如下：通过对有关gis和数据库相关产品的比较研究，选用 sde 和oracle作为数据服务器server解决方案，采用自主开发的模型计算调度软件和 mapobject作为应用服务器middleware解决方案，后台采用oracle数据库存放空 间数据和属性数据，通过sde进行空间数据的管理，前台表现层使用 visual c+和 mapobjects相结合的方式开发具体应用，作为系统和用户交换的界面和接口，它用 于处理用户从键盘等输入的数据，显示具体业务计算输出的数据。数据的集成采用 将gis图形、属性数据库从arc/info文件格式转化为oracle关系型数据库格式，成为采 用client/server结构高效的空间数据库， 通过sde可以对数据库进行复杂高效的查询， 为前端应用程序的灵活性提供了保障。将gis数据用geodatabase建模，转换到oracle 数据库中，同时用sde作为访问oracle空间数据的通道，即以oracle为整个系统的后 台数据库，以sde作为各模块空间数据访问的枢纽（如图2- 3），实现了流域空间信 息和属性信息的一体化集成管理。值得一提的是sde对数据的访问形式为：由用户 的应用程序（user application）通过sde应用编程接口（sde api）向sde服务器提 出空间数据请求，sde服务器内存放有空间对象模型，并依据空间对象的特点在本 地完成空间数据的搜索，将搜索结果通过网络向用户的应用程序返回。 基于sde的c/s模式对数据具体访问过程如下61：在服务器端，由sde服务器处 理程序、关系数据库管理系统和实际的数据，服务器在本地执行所有的空间搜索和 数据提取工作，它仅将满足搜索条件的数据在服务器端缓冲存放并发回到客户端。 16 缓冲处理收集大块的数据，然后将整个缓冲区中的数据发往客户端应用，而不是一 次只发一条记录。在服务器端处理并缓冲的方法大大提高了效率，并使网上荷载大 大降低。这在应用操纵数据库中大规模的记录时变得至关重要。所有的服务器任务 都是在sde服务器所在的平台上完成的，而客户端应用则可运行于多种不同的平台 和环境，去访问同一个sde服务器和数据库。 水情分析及梯级 优化调度操作 g i s 查选分析操作 属性及空间一体化 数据库o r a c l e 9 i 应用服务器 s d e 空间数据访问 属性数据访问 属性数据访问 图2 - 3 数据访问的信息流程示意图 通过sde中间件技术的作用，将不同的操作系统平台和数据库平台的差异之处屏 蔽在中间件之后，将面向特定领域（如空间数据管理及应用）所需的技术高度专业 化地实现出来，供不同的客户端高效地共享和互操作。 17 3 基于 gis 的数字流域系统集成设计 根据“ 数字流域集成gis系统” 建设的需求，从企业因素、技术因素和经济因素等 方面进行充分评估论证，综合分析用户实力、系统环境、经费预算以及时间效益， 在此基础上将各种信息资源按照合理的框架组织，进行系统的总体设计。 3 . 1 系统建设目标 地理信息系统（gis）技术为水利行业信息管理的标准化、网络化、空间化提供 了有效的工具6266。流域水情分析和梯级调度集成gis系统要求具有以下特点： 1界面友好、工具丰富：拥有图文并茂的界面是gis最基本的功能，除此之外， gis软件所提供的丰富的工具也是必不可少的。包括： 图形操作工具：放大、缩小、漫游等； 图形编辑功能： 多种方式生成点、线、面；相对已有要素的平行线、垂线、中点等生成新要素； 按角度、半径或长度生成圆或弧段。 图形修改，如：平移move、删除delete、复制copy、线段去头trim、线段打断split、 线段延伸extend、镜像mirror、平行拷贝parallel等。 属性操作：增加、删除属性、拷贝/粘贴部分或全部属性； 注记操作：生成、编辑、拷贝、改变颜色/大小/字体、转换； 2系统要以数学模型和决策分析为支撑：对于水利工作者来说，仅对图形进行 简单的浏览、查询是没有太大意义的。如何要让gis在水利行业发挥出更大的作用需 要利用gis软件特有的专业分析功能。水利行业要求gis平台提供专业的分析算法和 专业模型，以便对各种水利数据进行深层次的分析，使系统具有辅助决策支持功能， 为有关部门提供科学的计算结果和决策依据。 3系统要能够管理海量数据：由于行业的特殊性，水利信息系统数据库是由实 时水雨情库、工程信息库、社会经济信息库、图形库、动态影像库、历史大洪水库、 方法库、超文本库、历史台风数据库、水文数据库等多个数据库组成。庞大的数据 18 量要求gis具有海量数据管理功能。 4支持网络化：在网络技术和环境日趋成熟和完善的时代，水利部门要借助网 络技术，充分利用网络资源，实现资源共享，这就要求gis系统支持b/s、c/s模式， 支持internet/intranet技术，实现网络化。 5支持通用标准：要求支持通用的计算机技术标准，如：基于工业标准的组件 对象模型（com）；支持计算机辅助工程（case）工具；支持windows nt的用户 界面标准（gui）；使用标准的可视化建模语言uml来定制数据模型；支持工业标 准的大型数据库；通过tcp/ip、http协议，运用标准的xml、sql，实现基于网络 的通讯等。 6系统要统一规划，分步实施：在设计和规划系统之初，就应该从宏观、全局、 长远的角度来统筹考虑，但因为经费的投入问题、现阶段的应用需求，以及其他各 种软硬件环境的制约，迫使系统建设无法“一步到位”。这样，“统筹规划，分步 实施”就不失为一种上佳选择。而要做到这一点，系统所依赖的gis平台的可伸缩性、 可扩展性则是关键。因此，要求基于gis的系统建设可以分步实施，由初级搭建到构 架完善，可以无缝扩展，系统数据和程序能够平滑移植。 7系统的可集成性：水利gis在实际应用中往往要跟其他的诸如mis或oa等系 统紧密结合，方可满足需求。因此，要求gis可以与外部系统无缝集成。 8系统的安全性：系统的安全性应具有三个方面的意义：一是系统自身的坚固 性，即系统应具备对不同类型和规模的数据和使用对象都不能崩溃的特质，以及灵 活而强有力的恢复机制；二是系统应具备完善的权限控制机制以保障系统不被有意 或无意地破坏；三是系统应具备在并发响应和交互操作的环境下保障数据安全和一 致性。 由于图形在流域信息查询中的直观性，数字流域集成gis系统的建设中必须加强 gis部分的功能，完善空间数据库的内容，增加计算机绘图、空间查询统计等复杂的 功能，实现规划管理辅助决策系统，并解决mis与gis系统的无缝集成问题，实现“ 图 文一体化” 的设计目标，将清江水电开发公司的管理水平提高到一个新台阶。 结合清江公司对数字流域集成gis系统建设的需求，确定系统设计目标如下： 19 1灵活规范的业务流程管理 根据清江水电开发公司不同职能部门的具体要求，实现一种规范化业务办公流 程。系统对所注册的用户识别身份，提供不同的办公功能。例如对水文