（精选幻灯片）第一部分 GIS软件开发基础.ppt

GIS软件开发技术,主讲：蔡忠亮武汉大学资源与环境科学学院,1,课程主要内容,第一部分GIS软件开发技术基础第二部分MapInfo环境下的GIS开发技术第三部分Arc/Info环境下的GIS开发技术第四部分GIS底层开发技术,2,课程讲授方法,多媒体课堂教学（12学时）教学实践（24学时）时间安排：5，（*9），13，（*16）周四79节，在3区1424上课。612，1416周四79节，在资环试验中心实习。,3,第一部分GIS开发技术基础,第一章GIS基础第二章GIS软件的发展与技术,4,定义邬伦在他的书中提到“地理信息系统的定义是由两个部分组成的。一方面，地理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；另一方面，地理信息系统一个技术系统，是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统”。陈述彭在他的书中提到“地理信息系统可简单定义为用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统”。,第一章GIS基础,1.1地理信息系统定义、类型和构成,5,1.1地理信息系统定义、类型和构成,类型按研究的范围分：全球性的、区域性的和局部性的；按研究的内容分：综合性的和专题性的；按空间数据的时空性质分：2维的、2.5维的、3维和4维的。,第一章GIS基础,6,1.1地理信息系统定义、类型和构成,构成,第一章GIS基础,7,1.1地理信息系统定义、类型和构成,构成硬件,第一章GIS基础,8,1.1地理信息系统定义、类型和构成,构成硬件：GIS主机：包括大型、中型和小型机，工作站/服务器和微型计算机；GIS外部设备：包括各种输入和输出设备。主要的输入设备有图形数字化仪、扫描仪、解析和数字摄影测量设备；主要的输出设备包括各种绘图仪、图形显示终端和打印机等；GIS网络设备：包括布线系统、网桥、路由器和交换机等。,第一章GIS基础,9,1.1地理信息系统定义、类型和构成,构成软件：系统软件：主要指计算机操作系统，包括windows系列、Unix和Linux等；数据库软件：除了用于支持复杂空间数据的管理软件之外，还包括服务于管理非空间属性数据的数据库系统，如Oracle,Sybase,Informix,DB2,SQLserver等；GIS专业软件：一般指具有丰富功能的通用GIS软件，它包含了处理地理信息的各种高级功能，可作为其他应用系统建设的平台。其代表产品有Arc/Info,MGE,MapInfo,GeoStar和MapGIS等；,第一章GIS基础,10,1.1地理信息系统定义、类型和构成,构成-软件：,第一章GIS基础,11,1.1地理信息系统定义、类型和构成,构成-软件：,第一章GIS基础,12,1.1地理信息系统定义、类型和构成,构成数据：地理信息系统的操作对象是地理数据、它具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。空间特征是指地理实体的空间位置及相互关系；属性特征表示地理实体的名称、类型和数量等；时间特征指实体随时间而发生的相关变化。根据地理实体的空间图形表示形式，可将空间数据抽象为点、线和面三类元素，它们的数据表达可以采用矢量或者栅格两种组织形式，分别称为矢量数据结构和栅格数据结构。,第一章GIS基础,13,1.1地理信息系统定义、类型和构成,构成人员：包括系统开发人员和GIS技术的最终用户，他们的业务素质和专业知识是GIS工程及其应用成败的关键。应用模型：GIS应用模型的选择和构件也是系统应用成败至关重要的因素，虽然GIS为解决各种现实问题提供了有效的基本工具，但对于某一个专门应用目的的解决，必须通过构件专门的应用模型，土地适宜性模型，公园选址模型，最优路径分析模型等。它反映了人类对客观世界利用改造的能动作用，并且是GIS技术产生社会经济效益的关键所在，也是GIS生命力的重要保证。,第一章GIS基础,14,1.2地理信息系统的研究内容(邬伦),一、地理信息系统的基本理论研究地理信息系统的概念、定义和内涵；地理信息系统的信息论研究；建立地理信息系统的理论体系；研究地理信息系统的构成、功能、特点和任务；总结地理信息系统的发展历史，探讨地理信息系统发展方向等理论问题。,第一章GIS基础,15,1.2地理信息系统的研究内容(邬伦),二、地理信息系统技术系统设计地理信息系统的硬件设计和配置；地理空间数据结构及表示；输入和输出系统；空间数据库管理系统；用户界面和用户工具设计；地理信息系统工具软件研制；网络地理信息系统的研制等。,第一章GIS基础,16,1.2地理信息系统的研究内容(邬伦),三、地理信息系统应用方法研究应用系统设计和实现方法；数据采集与检验；空间分析函数与专题分析模型；地理信息系统与遥感技术、GPS技术的结合方法；地学专家系统研究等。,第一章GIS基础,17,1.3地理信息系统的数据流程,第一章GIS基础,18,1.4地理信息系统的功能(黄杏元),第一章GIS基础,19,1.4地理信息系统的功能(黄杏元),由计算机技术与空间数据相结合而产生的GIS这一高新技术，它包含了处理地理信息的各种高级功能。它的基本功能是数据的采集、管理、处理、分析和输出；同时GIS依托这些基本功能，通过利用空间分析技术、模型分析技术、网络技术、数据和数据库集成技术、二次开发技术等，演绎丰富的应用功能，以满足社会和用户的广泛需要。,第一章GIS基础,20,1.4地理信息系统的功能(黄杏元),一、基本功能1、数据采集与编辑：野外测量数据及属性数据-键盘、电子数据记录簿；地图数据-跟踪数字化仪、扫描数字化仪；像片资料-摄像机；图像数字信息-磁带机；编辑、接边、分层、图形与属性的连接等；数据入库。,第一章GIS基础,21,1.4地理信息系统的功能(黄杏元),一、基本功能2、数据存储与管理：数据库技术是数据存储和管理的技术。GIS数据库具有数据量大，空间数据和属性数据具有不可分割的联系，以及空间数据之间具有显著的拓扑结构等特点，因此GIS数据库管理功能，除了与属性数据有关的DBMS功能之外，对空间数据的管理技术主要包括：空间数据库的定义、数据访问和提取、空间检索、开窗、接边、数据更新和维护等。,第一章GIS基础,22,1.4地理信息系统的功能(黄杏元),一、基本功能3、数据处理与变换：数据变换：投影变换、辐射纠正、比例尺缩放，误差改正及处理等；一种数学状态-另一种数学状态；数据重构：数据拼接、数据截取、数据压缩等；一种几何形态-另一种几何形态；数据抽取：全集-子集。4、空间分析与统计：叠置分析：缓冲区分析：数字地形分析,第一章GIS基础,23,1.4地理信息系统的功能(黄杏元),一、基本功能5、产品制作与显示：GIS产品是指经由系统处理和分析，产生具有新的概念和内容，可以直接输出供专业规划或决策人员使用的各种地图、图像、图表和文字说明等，其中地图是GIS产品的主要表现形式。6、二次开发：为使GIS技术广泛应用于各个领域，满足各种不同的应用需求，它必须具备的另一个重要功能是二次开发功能。,第一章GIS基础,24,1.4地理信息系统的功能(黄杏元),二、应用功能1、资源调查资源清查是地理信息系统最基本的职能，这时系统的主要任务是将各种来源的数据汇集在一起，并通过系统的统计和覆盖分析功能，按多种边界和属性条件，提供区域多种条件组合形式的资源统计和进行原始数据的快速再现。以土地利用为例，可以得到不同土地利用类型的分布和面积、按不同高程带划分的土地利用类型、不同坡度区内的土地利用现状、不同时期的土地利用变化等。,第一章GIS基础,25,1.4地理信息系统的功能(黄杏元),二、应用功能2、城乡规划进行城市与区域多目标的开发和规划，包括城镇总体规划、城市建设用地适宜性评价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置，以及城市环境的动态监测等。这些规划功能的实现，是以地理信息系统的空间搜索方法、多种信息的叠加处理和一系列分析模型(回归分析、投入产出计算、模糊加权评价等)加以保证的。,第一章GIS基础,26,1.4地理信息系统的功能(黄杏元),二、应用功能3、灾害监测借助遥感遥测数据的搜集，利用地理信息系统，可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和洪水淹没损失的估算，为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息。黄河三角洲地区防洪减灾信息系统，在ARCINFO地理信息系统软件支持下，借助于大比例尺数字高程模型加上各种专题地图如土地利用、水系、居民点、油井、工厂和工程设施以及社会经济统计信息等，通过各种图形叠加、操作、分析等功能，可以计算出若干个泻洪区域及其面积，比较不同泻洪区域内的土地利用、房屋、财产损失等，最后得出最佳的泻洪区域，并制定整个泻洪区域内的人员撤退、财产转移和救灾物资供应等的最佳运输线路。,第一章GIS基础,27,1.4地理信息系统的功能(黄杏元),二、应用功能4、环境管理环境管理涉及人类社会活动和经济活动的一切领域，一个大中型城市每年搜集和监测的环境数据可能多达100万个，对如此大量的数据，应使其有效地为环境管理决策及其它用途服务。5、宏观决策地理信息系统利用拥有的数据库，通过一系列决策模型的构建和比较分析，为国家宏观决策提供依据。系统支持下的土地承载力的研究，以解决土地资源与人口容量的规划。三峡地区研究，提供了建库前后环境变化的数量、速度和演变趋势等可靠的数据。,第一章GIS基础,28,1.5地理信息系统与相关学科及技术,一、相关学科及技术(邬伦）,第一章GIS基础,29,1.5地理信息系统与相关学科及技术,一、相关学科及技术(邬伦）地理学：是一门研究人类生活空间的学科。它为GIS提供了一些空间分析的方法和观点，成为GIS的理论依托；地图学：地理信息系统脱胎于地图，地图学理论与方法对地理信息系统的发展有着重要的影响。计算机制图为地图特征的数字表达、操作和显示提供了一系列方法，为地理信息系统的图形输出提供技术支持。计算机科学：为地理空间信息的表达、存储、处理、分析和应用提供了有利的工具。数据库技术提供数据的管理、更新、查询和维护功能；计算机图形学提供算法基础；CAD对于辅助设计提供支持；软件工程对于GIS的系统设计提供科学的方法。遥感技术：遥感作为空间数据采集手段，已经成为地理信息系统的主要信息源与数据更新途径。,第一章GIS基础,30,1.5地理信息系统与相关学科及技术,二、与相关学科技术的区别、联系（龚健雅）1.GIS-CAC：CAC是GIS的技术基础，它涉及GIS中的空间数据采集，表示、处理、可视化甚至空间数据的管理。主要区别在于空间分析方面。一个完善的GIS可以包含CAC的所有功能，此外还应该具有丰富的空间分析能力，特别是对图形数据和属性数据进行深层次的空间分析，以提供对规划、管理和决策有用的信息。2.GIS-DBMS:一些关系数据库管理系统，他们不仅是一般事务管理系统的基础软件，同时也是GIS中属性数据管理的基础软件。目前有些GIS的图形数据也交给关系数据库管理系统管理，而关系数据库管理系统也向空间数据管理方面扩展。GIS除了需要功能强大的空间数据的管理功能之外，还需要具有图形数据的采集、空间数据的可视化和空间分析等功能。同时GIS比一般的事务处理更加复杂，在功能上更加丰富。,第一章GIS基础,31,1.5地理信息系统与相关学科及技术,二、与相关学科技术的区别、联系（龚健雅）3.GIS-CAD：CAD主要用来代替或者辅助工程师进行各种设计。二者的共同点是都有坐标参考系统，都能描述和处理图形数据及其空间关系，也都能处理非图形属性数据。它们的主要区别是：CAD多为规则的几何图形及其组合，图形功能极强，属性功能相对较弱。GIS处理的图形及其关系复杂，空间数据与属性数据的相互操作频繁，空间分析功能较强。4.GIS-遥感图像处理:遥感图像处理是专门对遥感图像进行分析处理的软件。,第一章GIS基础,32,1.6地理信息系统的发展态势,一、GIS已经成为一门综合性的技术GIS成为信息技术(IT)的重要组成部分不但与GPS、RS相结合构成3S技术，而且与CAD、多媒体、通信、因特网、办公自动化、虚拟现实等多种技术相结合，构成了综合的信息技术自身系统功能和支持功能的不断完善、成为用户对地球表面及其附近的空间和非空间数据的进行获取、处理、分析、表示和传输的重要手段。,第一章GIS基础,33,1.6地理信息系统的发展态势,二、GIS产业化的发展势头强劲三、GIS网络化已构成当今社会的热点Internet的发展，为GIS的发展提供了一次机会；WebGIS具有廉价、实用和易推广的特点，各大GIS软件厂商纷纷推出各自的WebGIS解决方案。如ESRI的InternetMapServer(IMS)，Intergraph公司的GeomediaWebMap，MapInfo公司的MapXtreme，Autodesk公司的MapGuide。,第一章GIS基础,34,1.6地理信息系统的发展态势,四、地理信息科学的产生和发展GeoinfomaticsGoodChild于1992年提出地理信息科学(GIScience)（GeographicInformationSystem)概念，他认为地理信息科学主要研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存储、提取以及管理和分析中提出的一系列基本过程，如数据的获取和集成、分布式计算、地理信息的认知和表达、空间分析、地理信息基础设施建设、地理数据的不确定性及其对于地理信息系统操作的影响、地理信息系统的社会实践等。它的理论和方法处于发展的初级阶段，学科体系尚未健全。,第一章GIS基础,35,2.3GIS软件的开发内容,2.2GIS软件的开发方法,第二章GIS软件开发基础,2.1GIS软件的发展与技术,2.4GIS软件开发的相关技术,2.5GIS软件开发的图形基础,2.6GIS软件开发的数据库基础,36,2.1GIS软件的发展与技术,地理信息系统是一类获取、处理、分析、表示并在不同系统、不同地点、和不同用户之间传输数字化空间数据的计算机应用系统。空间位置、属性及时间是地理空间分析的三大要素。由于地球上80%以上的信息与空间位置有关，它应该成为在操作系统、数据库管理系统之上的主要应用集成平台，占据软件产品的主流地位。,但是，目前GIS软件在技术上并不能适应飞速发展的应用要求，尤其不能适应“数字地球”和“数字城市”、“数字区域”建设中数据集成和功能集成的需要。认真研究现有GIS理论与软件实现技术的不足，寻求理论、方法、技术和工具四个层次的突破和创新，已经成为当务之急。方裕,第二章GIS软件开发基础,37,2.1GIS软件的发展与技术,自从1960年加拿大测量学家RogerFTomlinson提出“要把地图变成数字形式的地图，便于计算机处理与分析”的观点以来，就一直是研究与发展GIS软件的指导思想。纵观GIS发展30多年的历史，GIS软件技术及其应用取得了巨大的发展，但也存在着严重的不足。从技术层面着眼，其发展大致可以分成三个阶段：一代、二代、三代。,1、GIS软件发展的历史回顾,第二章GIS软件开发基础,38,2.1GIS软件的发展与技术,（1）第一代GIS软件,从60年代中期到80年代的中后期，是GIS软件从无到有、从原型到产品的阶段。由于各种条件，包括自身理论和实现技术的不成熟和IT技术的限制，这一阶段的GIS软件存在许多不足。,基本技术特点,以图层作为处理的基础,由于当时GIS系统中空间数据的主要来源是纸质地图的数字化，在GIS的数据模型中，图层处于中心地位。定义某一地理轮廓，在此范围内的相关（专题）空间数据组成图层，同一图层的空间数据存放在一个文件之中。空间定位与量算以图廓范围内的平面笛卡尔坐标系为基础，操作局限于当前图层内。利用计算机技术可以计算空间实体之间的拓扑关系，实现同一区域内各种专题数据的叠置、影响区域分析（缓冲）和线状实体的路径分析。但是，各类查询与计算只能在同一图层中进行。,第二章GIS软件开发基础,39,2.1GIS软件的发展与技术,基本技术特点,以系统为中心,当时的GIS软件空间数据各自有自己的数据格式，自成系统，不同的GIS系统基本上没有联系。与其它的软件工具，例如MRP软件、CAD软件等在数据和程序上不存在集成关系。,单机、单用户,由于IT技术的限制，当时的GIS系统只能在单机上运行，尽管在后期X协议和X终端已经普遍使用，但由于不能描述空间数据及其操作，这时的GIS软件无法实现分时操作模式。,第二章GIS软件开发基础,40,基本技术特点,2.1GIS软件的发展与技术,全封闭结构，支持二次开发能力非常弱,当时的GIS只提供功能极其有限的供查询和计算的自定义语言，与数据库、通用的编程语言没有建立联系，用户只能按照已经开发好的应用系统功能接口操作，或者联机地、一步一步地完成自己预定的计算任务，无法连贯地、批量地实现复杂的自定义应用功能。,第二章GIS软件开发基础,41,在主要实现技术上，以文件系统来管理空间数据与属性数据,GIS中的数据分为空间数据和属性数据两类，空间数据描述空间实体的地理位置及其形状，属性数据则描述相应空间实体有关的应用信息。由于当时数据库管理系统只能管理结构化数据，对空间数据这样的非结构化数据使用无法进行定义、管理与操纵，GIS软件只能在文件系统中自行定义空间数据结构及其操纵工具。由于最初关系型DBMS不够成熟与普及，对属性数据这样的结构化数据，也放在文件系统中进行管理，空间数据、属性数据两者之间通过标识码建立联系。,2.1GIS软件的发展与技术,应用领域基本上集中在资源与环境领域的管理类应用,基本技术特点,第二章GIS软件开发基础,42,（2）第二代GIS软件,从80年代末到90年代中期，是GIS软件成熟和应用快速发展的时期。这一阶段，GIS软件作为一种软件工具，理论与技术已经基本成熟。由于其具备空间数据操纵能力，在应用中受到青睐，应用领域迅速扩展。这个时期，网络技术已经成熟并广泛应用，巨大的应用前景也对GIS软件提出了各种各样的要求，GIS软件实现技术得到了迅速发展。但是，GIS的基本技术体系仍然没有发生根本的变化。,2.1GIS软件的发展与技术,第二章GIS软件开发基础,43,基本技术特点,以图层作为处理基础,由于空间数据模型没有根本的变化，以图层为处理基础的模式依然没有变化。对属性数据的查询可以在数据库范围内进行，但对空间数据的操作仍然限制在同一图层之内。在GIS应用系统事先定义的应用功能以外，大量的应用问题求解只能采用人工的交互操作方式。,2.1GIS软件的发展与技术,引入网络技术，多机、多用户,由于这一阶段网络技术已经成熟，应用范围迅速扩大，GIS软件也转向多用户和Client/Server结构。但是，由于空间数据组织和存储模式没有根本变化，Client与Server的关系基本上属于空间数据文件下载和回送的关系，基本的空间数据处理功能在Client端实现。是一种典型的“胖Client”类型。Server只作空间数据的服务器使用，以NFS（网络文件系统）技术为基础，只能实现一种Device-Shared的C/S结构。,第二章GIS软件开发基础,44,基本技术特点,以系统为中心,GIS应用系统仍然是自成体系，不同系统之间空间数据的交换能力有所提高，以数据转换为主要手段。由于属性数据利用商用DBMS来管理，可以利用标准的结构化查询语言来进行操纵，通过属性的综合查询结果显示相应的空间图形，数据操纵能力有所增强。另一方面，可以以属性数据库为纽带与其它系统建立联系，与其它系统的集成能力略有增强，但仍然比较弱。,支持二次开发的能力有所增强,由于通用编程语言的编程环境逐渐完善，GIS提供应用编程接口（API）可以嵌入应用系统的程序，例如，系统定义的GIS功能程序可以以库函数的形式出现，通过“Include”方式供应用程序调用。这一阶段的GIS系统支持二次开发的能力有所增强，但灵活性仍受到较大的限制。,2.1GIS软件的发展与技术,第二章GIS软件开发基础,45,2.1GIS软件的发展与技术,基本技术特点,应用领域开始有较大范围的扩展，但基本上是管理类应用,引入空间数据的优越性越来越为人们所认识，GIS的应用范围迅速从资源环境领域向外扩展。城市规划与公用设施管理、电力、电信管理、交通管理等许多领域成为GIS应用的新热点。规划、布点、选址、路由选择等分析决策应用开始出现，但基本上还是以管理类应用为主。,AM/FM,第二章GIS软件开发基础,46,2.1GIS软件的发展与技术,（3）第三代GIS软件,90年代中期开始，估计将延续10年或稍长的时间。这一阶段IT技术的突出进步是网络技术，特别是Internet在全球的普及以及面向对象软件方法论和支撑技术的成熟，为GIS软件的技术进步注入了新的活力。GIS逐渐渗透到人类生活的各个方面，迎来了GIS应用高速扩展的时期。大量的应用要求驱使GIS软件技术快速发展，开始具备作为应用集成平台的能力。,第二章GIS软件开发基础,47,基本技术特点,仍然以图层为处理的基础，但面临不断演化,虽然空间数据的存储引入了新的技术，但空间数据模型仍然没有很显著的变化。商用DBMS（如Oracle、Informix、DB2、SQLSERVER等）相继实现了对空间数据的管理，尽管还不够完善，空间数据的管理手段还是有了明显的提高。但是，由于DBMS对空间数据的操纵手段还比较原始和初等，加上GIS在设计思想上没有突破地图的限制，适合空间数据处理的中间件相当缺乏，以图层为处理基础的局面并没有得到根本的变革，Client端上空间处理仍然以图层下载为主要桥梁。但是，随着GIS应用的多样化，以图层处理为基础所带来应用上的不便与弊端为越来越多的人们所认识，新的处理模式正在酝酿与试探之中。,2.1GIS软件的发展与技术,第二章GIS软件开发基础,48,基本技术特点,引入了Internet技术，开始向以数据为中心的方向过渡，实现了较低层次的（浏览型或简单查询型）的B/S结构,由于Internet技术和WEB技术的成熟与大规模普及应用，GIS开始面向传统行业和广大民众服务，逐渐向以数据为中心的方向过渡，WebGIS走向成熟，已经成为GIS应用的一种重要方式，空间信息应用的B/S结构已经出现。但是，由于对空间数据的操纵手段比较弱，难以实现复杂的一体化操作。目前这类系统基本上是浏览型或功能相对简单的查询型系统，完全操作型的系统尚未出现。,2.1GIS软件的发展与技术,第二章GIS软件开发基础,49,基本技术特点,开放程度大幅增加，组件化技术改造逐步完成,面向对象软件方法论的成熟，体现面向对象的软件开发工具逐渐普及。其中最突出的是软插件技术，软件系统组件化已经成为一种趋势。国外主要的GIS软件在九十年代中期开始组件化改造，并在20世纪末相继完成。这样，GIS软部件可以与主要的跨平台编程工具结合，作业控制语言可以在软部件基础上组织复杂应用，GIS软部件也可以作为各种应用软件的功能部件出现。至此，GIS软件的开放性大幅度提高，融入了主流软件，实现了跨平台运行的夙愿。,2.1GIS软件的发展与技术,第二章GIS软件开发基础,50,基本技术特点,逐渐重视元数据问题，空间数据共享、服务共享和GIS系统互连技术不断发展,GIS软件的广泛应用，空间数据和GIS服务功能的共享提到了重要的议事日程。属性数据的共享由于ODBC的出现已经解决，不同GIS系统之间空间数据的共享已经不满足于数据的互相转换，空间数据的元数据问题受到越来越多的关注，GIS功能标准化的问题也倍受重视，不同GIS系统之间互操作成为突出的问题。开放GIS组织（OGC）提出了开放地理信息规范（OPENGIS），旨在解决空间数据的继承、共享以及地理操作的分布与共享，对GIS开发平台提出了更高的要求。可以预计，各类空间数据引擎、适应多种GIS软件的功能代理会在较短的时间内出现。OPENGIS（应该还会有改善和提高）就像ODBC之于数据库，将成为空间数据操作的统一标准。,2.1GIS软件的发展与技术,第二章GIS软件开发基础,51,基本技术特点,实现空间数据与属性数据的一体化存储和初步的一体化查询，并将不断完善,第三代GIS软件实现了用商用DBMS实现了空间数据和属性数据的一体化存储和初步的一体化查询，提高了空间数据的操纵能力。多源空间数据仓库技术也将在未来两三年内逐渐成熟。但是，由于目前对空间关系的理解和表达形式还没有一个完整的、确定的框架，空间信息的完整性、一致性研究有待深入，目前的空间数据、属性数据一体化查询语言还比较初等，表达能力还比较弱，完善和提高尚需时日。,2.1GIS软件的发展与技术,第二章GIS软件开发基础,52,基本技术特点,应用领域迅速扩大，应用深度不断提高，开始具有初步的分析决策能力。,随着GIS应用需求的急剧扩大，大量的LBS(LocationBestService)应用为GIS注入了新的活力，开拓了广阔的市场；GIS进入AM/FM领域导致出现异步更新的协同工作环境。各类分析决策需求、甚至三维应用要求也摆在应用开发的面前。第三代GIS软件一般将此类应用问题放在应用层面来解决，在没有探索出一种公共模型的情况下，这种做法不失为有用之道。但是，这必然是就事论事，缺乏一般性。在数据挖掘已经广泛使用的今天，完整意义下的空间数据挖掘还没有出现，更多的是对属性数据进行挖掘，辅以简单的空间显示。,2.1GIS软件的发展与技术,第二章GIS软件开发基础,53,2.1GIS软件的发展与技术,目前GIS软件存在的共性问题,以图层为处理的基础，处理能力、尤其大范围、跨图幅区域灵活处理能力较弱。由于目前GIS软件不能实现跨图幅的计算，多图幅的空间运算必须首先将涉及的图幅拼成一个新的图幅后才能进行，批量运算的能力大受限制。二维的空间数据组织与管理，限制了应用范围。目前GIS空间数据模型及其操作的设计在空间上是面向平面二维结构的，实质上并没有三维处理的能力。实际应用中对出现的三维问题或是针对具体问题通过在属性数据中定义附加数据项针对具体问题进行处理，或是采用三维实体表面造型的方法解决类如地形地貌的表现问题，处理能力非常有限。静态、单时相空间数据组织与管理，限制了分析决策事务的实现。GIS延续了地图处理的模式，只能处理单时相的空间数据，虽然可以有一定的地域分析处理能力，但对于涉及空间数据挖掘，例如切片、钻取等以探索动态的变化趋势寻求发展规律等分析决策事务显得无能为力。,2、GIS软件存在的问题以及原因分析,第二章GIS软件开发基础,54,2.1GIS软件的发展与技术,目前GIS软件存在的共性问题,空间数据尺度割裂，单一比例尺数据处理，不同尺度空间数据的互动关系弱。比例尺是地图的基本属性，GIS沿袭处理地图的模式，只能进行单一比例尺空间数据的处理，甚至将为地图出版而进行的地球表面投影平面化处理结果作为空间对象存储的基础。不同尺度的空间数据之间基本上没有互动关系，同时，也将长期以来困扰地图处理的许多问题带入了GIS。基本上以系统为中心，不同系统之间壁垒比较分明，数据共享与服务共享困难。在三十多年的时间里，形成了许多GIS软件，他们在不同的环境中独自发展，有自己的文化背景、领域背景和技术背景，形成了自己的数据模型和功能组织结构。虽然在功能闭包和问题描述能力方面大同小异，但实际操作上差别甚大，加上内部空间数据组织互相保密，形成了不同的壁垒，为数据共享和服务共享增加了许多困难。,第二章GIS软件开发基础,55,2.1GIS软件的发展与技术,目前GIS软件存在的共性问题,影像数据管理与处理能力弱，跟不上大规模快速数据获取技术的发展。目前，大部分GIS软件处理矢量空间数据的能力较强，但影像数据的处理能力很弱，空间实体的识别和处理几乎不能自动进行。影像数据在GIS中基本上只能起到表面覆盖和场景渲染的作用，没有两者之间的互动关系，形不成一体化处理的能力。空间事务处理组织能力弱。由于对空间实体之间的关系缺乏完整的描述框架，在GIS空间数据模型与组织方面存在不少问题，事务处理时空间实体的封锁粒度甚难把握，基本上采用图层封锁的办法，难以组织有效的原子事务和嵌套事务机制，直接影响了GIS复杂应用的操作难度。,第二章GIS软件开发基础,56,2.1GIS软件的发展与技术,问题原因,上述问题的出现有其必然的原因。总的说来，一是GIS理论与软件技术发展的历史较短，作为一类应用软件，技术发展往往滞后软件主流技术一段时间；二是空间数据和空间关系相当复杂，缺乏完善的模型，其组织和处理要比目前大多数应用软件困难得多，其中许多方面目前还没有找到有效的方法。,处理方式停留在面向过程，而不是面向问题。主要表现在缺乏形式化的模型表达手段，涉及空间数据处理的程序综合研究甚少，提供的工具以面向过程为主。多用户条件下空间数据的同步处理机制尚未形成，由于空间数据结构的复杂性，实现上使用了大量的指针类型，在跨机参数传递上存在许多困难，不仅不能实现真正意义上的协同工作，甚至连传统意义上的RPC也没有实现。空间数据模型与组织面向地图，而不是面向客观存在的空间实体及其时空关系。在GIS中，作为一个整体的地球表面被人为地分割成许多相对独立的经投影变换后的平面部分，引起了一系列处理上的困难。,第二章GIS软件开发基础,57,2.1GIS软件的发展与技术,问题原因,空间数据与属性数据的联系薄弱，仅仅通过标识码实现，难以体现复杂的时空关系，适应管理但不适应分析与决策。影像数据的数据结构问题研究不够，整体存储的方式手段过于简单，基本上无法建立有效的索引机制，导致矢量、影像数据之间无法建立有效的联系手段及互动关系。虽然用商用DBMS管理空间数据，但空间数据查询能力不强，空间数据和属性数据的联合操纵能力弱。不同尺度空间数据之间基本上没有联系，缺乏相互之间的互动机制。各类标准缺乏。,第二章GIS软件开发基础,58,2.1GIS软件的发展与技术,目前GIS软件仍然是Tomlinson型的，基本上只适用于地图处理，由于许多关键技术尚未突破，目前IT领域中许多行之有效的处理机制与实现技术还没有在GIS软件中得到充分体现。随着GIS应用领域的不断拓展，现有的设计思想、体系结构和数据组织已经不适应应用发展的要求。尽管地图长期以来是我们认识空间世界的一种主要且有效的工具，但确实存在着许多固有的缺陷。GIS为我们提供了全新的管理、使用空间信息的手段，随着人类获取数字化空间数据的手段和能力的不断提高，地图作为空间数据进入GIS系统的主渠道作用将会越来越弱，最终将回归到作为GIS处理、分析结果的表现形式之一。因此，GIS没有必要再受到地图这种表现形式的制约。我们需要的不仅仅是将地图存入计算机，而是要将地球（哪怕是一部分）存入计算机，以空间位置为框架集成各类信息。新一代GIS软件理论和技术必须有一个大的变革，才能适应需要。,3、第四代地理信息系统及其发展思路,第二章GIS软件开发基础,59,2.1GIS软件的发展与技术,第四代GIS软件应该具备支持数字地球（区域、城市）的能力，成为OS、DBMS之上的主要应用集成平台。实现：由二维处理向多维处理的转变；由面向地图处理向面向客观空间实体及其时空关系处理的转变；由以系统为中心向以数据为中心，实现空间数据共享与服务的转变；由管理型向分析决策型的转变。,第四代GIS软件的目标,第二章GIS软件开发基础,60,第二章GIS软件开发基础,2.1GIS软件的发展与技术,(1)面向空间实体及其时空关系的数据组织与融合,第四代GIS软件的技术体系,改变以图层为基础的组织方式，实现直接面向空间实体的数据组织,实现不同尺度空间数据的互动,实现矢量、影像数据的互动,实现多维属性与嵌套表组织,实现多源空间数据的装载与融合，支持数据仓库机制,强大的索引机制,61,第二章GIS软件开发基础,2.1GIS软件的发展与技术,(2)统一的海量存储、查询和分析处理,第四代GIS软件的技术体系,支持TB级以上的空间数据存储,有效的空间、属性一体化管理、查询机制,面向问题的分析、处理手段和工具,以空间数据为基础的数据挖掘,联机事务处理(OLTP)与联机分析处理(OLAP),扩充的、支持空间的“关系”概念与“关系运算”,62,2.1GIS软件的发展与技术,(3)有效的分布式空间数据管理和计算,第四代GIS软件的技术体系,多用户同步空间数据操作与处理机制,数据、服务代理和多级B/S体系结构,异种GIS系统互连与互操作,空间数据分布式存储与数据安全,空间数据高效压缩与解压缩,第二章GIS软件开发基础,63,2.1GIS软件的发展与技术,(4)一定的三维和时序处理能力,第四代GIS软件的技术体系,空间数据的增量存储与快速还原能力,时空数据处理与分析机制,混合式三维空间数据模型,快速广域三维计算和显示,数据空间化,第二章GIS软件开发基础,64,2.1GIS软件的发展与技术,(5)强大的应用集成能力,第四代GIS软件的技术体系,有效的遥感、地理信息系统、全球定位系统集成,强大的应用模型支持能力,GIS与MIS等的有机集成,GIS与OA的有机集成,GIS与CAD的有机集成,有一定实时能力、微型化、嵌入式GIS与各类设备的集成,第二章GIS软件开发基础,65,2.1GIS软件的发展与技术,(6)灵活的操纵能力和一定的虚拟现实表达,第四代GIS软件的技术体系,多通道用户界面,数据空间化与可视化支持,一定的虚拟现实表达,模型定义语言及其支持机制,第二章GIS软件开发基础,66,2.1GIS软件的发展与技术,第四代GIS软件的核心部分是空间、属性数据的组织、管理、操纵、分析、表达以及与其它应用软件的集成接口（包括应用模型定义接口），为了适应分布式处理和互操作的要求，还需要有大量的空间数据处理中间件，制定一系列的数据、服务传输协议。而空间数据的采集、加工与分析结果的制图输出等功能可以作为外围部件，与核心部分配套。,第四代GIS软件体系结构,第二章GIS软件开发基础,67,2.1GIS软件的发展与技术,第四代GIS软件的研究与开发是我国在这一领域攀登世界高峰重要举措，具有重要的科学意义和巨大的应用前景。这项工作必需取得国家的支持和鼓励，在国家科技计划的统一安排和指导下，动员全国的力量，坚持科技创新和跨越式发展，加强学科交叉，走产业化的道路，有计划、有步骤地进行。完整的第四代GIS软件的实现既涉及理论、方法的研究与创新，需要构建一个新的理论体系，又需要有许多关键实现技术的突破，还需要工程化的软件实现，从而形成新的技术体系和新的产品，具有很高的难度，决不是可以一蹴而就的事情。因此，要抓住空间数据模型与组织这个关键，实施重点突破的方针，逐步完善各项机制，用渐进的方式实现第四代GIS软件的最终目标。,第四代GIS软件分阶段实现策略,第二章GIS软件开发基础,68,第二章GIS软件开发基础,2.1GIS软件的发展与技术,第四代GIS软件分阶段实现策略,采用企业机制，产品开发面向应用，发展产业,坚持产品开发与技术研究并重，工程化、实用化；依靠全国的力量开展联合科技攻关，建立产、学、研相结合，以企业为推广应用主体的科技创新体制,十分重视标准规范，标准先行,首先，要建立地球空间数据的元数据标准、GIS功能与接口标准、空间数据共享标准、GIS通信协议集等一系列标准规范，保证研究工作的顺利开展,总体规划、分布实施，分阶段实现目标,第一阶段：建立标准规范，开展理论和技术的研究，开发有一定创新的新一代GIS软件原型。争取在数据模型、组织和分析处理机制方面有所突破；实现具有海量空间数据管理和查询、多用户同步机制和一定应用集成能力的GIS软件产品。,第二阶段：突破以面向空间实体及其时空关系的研究；突破矢量、影像数据互动技术的研究，实现不同尺度空间数据互动的原理模型，形成较完整的软件原型；实现具有初步三维和时空数据处理能力、突破以图层为处理基础的模式；有一定的空间数据挖掘和初步虚拟现实表达能力、一定的影像、矢量数据融合的第四代GIS软件产品；同时对第一阶段的产品开展应用示范，结合应用和关键技术的突破改善其结构、丰富其功能。,形成完整的理论、方法、技术和工具体系，实现完整的软件产品，全面达到第四代GIS软件的最终目标。,69,2.2GIS软件的开发方法,一、GIS的专业开发工具,在GIS系统的发展过程中,目前已出现了大量的GIS系统的专业开发工具。从这些专业开发工具的组成结构上，可以归纳为以下的几个主要类别。,1、集成式GIS,指集合各种功能模块的大型GIS系统软件包。ESRI公司推出的ArcInfo，GemSys公司的GenaMap等都是集成式GIS开发工具。集成式GS系统的优点是各项功能已形成独立的完整系统；缺点是系统复杂、庞大，成本较高，并且难于与其他应用系统集成。,第二章GIS软件开发基础,70,2.2GIS软件的开发方法,一、GIS的专业开发工具,2、模块化GIS,模块化GIS系统是把GIS系统按功能划分成一系列模块，运行于统一的基础环境中。Intergraph公司的MGE就是一个有代表性的模块化GIS系统。模块化GIS系统具有较强的工程针对性，便于开发和应用。,第二章GIS软件开发基础,71,2.2GIS软件的开发方法,一、GIS的专业开发工具,3、组件式GIS,组件式GIS是随着近年计算机软件技术的发展而产生的,代表了GIS系统的发展潮流。组件式GIS具有标准的组件式平台,各个组件不但可以进行自由、灵活的重组,而且具有可视化的界面和使用方便的标准接口。最主要的组件式GIS平台就是Microsoft的COM(ComponentObjectModel的简称，即组件对象模型)。基于COM，Microsoft推出了ActiveX控件技术。ActiveX|控件已经成为当今可视化程序设计的标准控件，新一代的组件式GIS大都是采用ActiveX控件来实现的。Intergraph公司推出的GeoMedia，ESRI公司推出的MapObjects，MapInfo公司推出的MapX，中科院地理信息产业发展中心开发的ActiveMap等，都是采用Activex来实现的。这类GIS系统提供的是为完成GIS系统而推出的各种标准ActiveX控件，使GIS系统开发者不必掌握专门的GIS系统开发语言，只需熟悉基于Windows平台的通用集成开发环境，知道组件式GIS各个控件的属性、方法和事件，就可以利用各种可视化开发语言(如VisualC+、VisualBasic、VisualFoxpro、BorlandC+、Delphi、C+Builder、PowerBuilder等等)和利用这些控件组织实现GIS系统。所以,组件式GIS在系统的无缝集成和灵活性方面具有优势，从一定意义上讲，它代表了GIS系统的发展方向。,第二章GIS软件开发基础,72,2.2GIS软件的开发方法,一、GIS的专业开发工具,4、万维网GIS,万维网GIS即WebGIS。是Intemtet技术与GIS系统相结合的产物。已经有一些公司推出了万维网GIS产品，如MapInfo公司的MapInfoProServer、MapXtreme，Intergraph公司的GeoMediaWebMap，ESRI公司的InternetMapServerforArcVire&MapObject和Autdesk公司的MapGuide等等。已经推出的万维网GIS是利用现有的GIS软件通过CGI或者ServerAPI构造的过渡产品。随着组件式GIS的发展和分布式对象Web(DistributedObjectWeb)技术的逐渐成熟,未来的万维网GIS将是基于COM/ActiveX或COBRA/Java开发的分布式对象GIS系统。,第二章GIS软件开发基础,73,2.2GIS软件的开发方法,一、GIS的专业开发工具,优点,高起点,可靠性好,简单易学,各种GIS系统专业开发工具一般提供了强大的数据输入输出功能、空间分析功能、良好的图形平台、巨大的存储容量、良好的可靠性能,可以在较高的起点上直接进行GIS系统的组织开发工作，开发的系统性能和可靠性好。,专业的GIS系统开发工具作为成熟的产品,它在容量、可靠性等各个方面经过了严格的测试和许多用户的使用。,GIS系统专业开发工具是一个应用软件，即是提供二次开发功能,也是建立在已经实现的各种功能基础上的，所以对于用户来说，不需要特别高的程序设计思想和数据控制能力，掌握利用这些工具开发GIS系统的技术相对比较容易。,第二章GIS软件开发基础,74,第二章GIS软件开发基础,2.2GIS软件的开发方法,一、GIS的专业开发工具,缺点,可扩展性差,较为庞大,软硬件要求高,没有系统版权,75,2.2GIS软件的开发方法,二、底层开发GIS软件,优点,较强灵活性,易于扩展成各种系统,具有系统版权,第二章GIS软件开发基础,76,2.2GIS软件的开发方法,二、底层开发GIS软件,缺点,难度大量大,开发连续性难以得到保障,对开发人员的素质要求高,第二章GIS软件开发基础,77,2.2GIS软件的开发方法,三、GIS软件开发方法的选择,考虑系统本身的性质和特点,分析二次开发和底层开发的特点,估计设计者自身的具体情况,78,2.3GIS软件的开发内容,界面设计,空间索引模块开发,文件管理模块开发,图形显示模块开发,图形编辑模块开发,数据库模块开发,空间分析模块开发,符号模块开发,开发内容,第二章GIS软件开发基础,79,2.4GIS软件开发的相关技术,1、语言选择2、结构化程序设计3、面向对象技术4、组件式技术5、网络技术6、虚拟现实技术7、嵌入式技术8、多媒体技术,第二章GIS软件开发基础,80,2.4GIS软件开发的相关技术,1、语言选择,VisualC+，VisualBasic，VisualFoxpro，BorlandC+，Delphi，C+Builder，PowerBuilder，Java，VisualJ+，JBuilder，,2、结构化程序设计,思想：自顶向下、逐步求精；按功能模块组成树状结构；各模块相对独立；模块内部有顺序、选择和循环三种结构组成；模块化的实现方法是通过子程序。优点：复杂任务简单化；使用方便。缺点：数据与过程相互独立，代码重用性差；可能导致数据与所需处理过程不匹配现象；封装性和隐蔽性差。,依据开发要求和个人能力而定！,第二章GIS软件开发基础,81,2.4GIS软件开发的相关技术,3、面向对象技术,思想：吸取结构化设计的优点，将现实世界问题目标化简单化；将数据与操作（处理过程）封装为一个相互依存、不可分割的整体；通过数据抽象技术将对象抽象为类；通过封装将信息隐蔽；通过对象之间的消息机制