畢業(yè)論文基于geotools的開源webgis在數(shù)字城市中的應(yīng)用研究

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和因特網(wǎng)的快速發(fā)展，我國政府、企業(yè)信息化程度不斷提高，GIS在“電子政務(wù)”、企業(yè)管理、大眾生活中的應(yīng)用更加廣泛。當(dāng)前主流的GIS應(yīng)用開發(fā)方式為基于商業(yè)GIS軟件平臺(tái)之上進(jìn)行二次開發(fā)，以滿足應(yīng)用的需求。而傳統(tǒng)商業(yè)GIS軟件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、平臺(tái)依賴性、費(fèi)用高、功能固定、擴(kuò)展性差等問題，不能很好滿足政府、企業(yè)的中小

2、型GIS應(yīng)用的需要，而開源GIS系列系統(tǒng)、類庫、數(shù)據(jù)庫等產(chǎn)品經(jīng)過20多年的發(fā)展逐步發(fā)展成熟，一些產(chǎn)品在功能、性能上已經(jīng)可以和商業(yè)GIS軟件相媲美，許多已經(jīng)在實(shí)際項(xiàng)目中得到應(yīng)用，而且利用其開源、免費(fèi)的特征，可實(shí)現(xiàn)用戶功能的定制，功能模塊化的組織結(jié)構(gòu)也有利于與其他信息系統(tǒng)的融合和擴(kuò)展，因此，利用開源GIS產(chǎn)品進(jìn)行中小型GIS應(yīng)用的開發(fā)相比于商業(yè)GJS軟件更加經(jīng)濟(jì)、高效。</p><p>　　本文在對(duì)GIS的發(fā)展歷程，

3、體系結(jié)構(gòu)的變遷，開源GIS的發(fā)展進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)出基于開源GIS產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的獨(dú)特優(yōu)勢;然后重點(diǎn)對(duì)開源GIS中間件GeoTools的功能、結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究了利用GeoTools進(jìn)行空間數(shù)據(jù)可視化的方法，并設(shè)計(jì)出一種基于GeoToolS開發(fā)GIS應(yīng)用的通用框架;該框架基于MVC模式設(shè)計(jì)，具有良好的可擴(kuò)展性和松散藕合關(guān)系，適合與其他信息系統(tǒng)的融合;最后基于該框架設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了公路管理信息發(fā)布平臺(tái)，在實(shí)際GIS應(yīng)用中利用該框架進(jìn)行應(yīng)

4、用的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)，檢驗(yàn)了利用開源GIS產(chǎn)品構(gòu)建應(yīng)用的可行性，對(duì)于開源GIS應(yīng)用的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞:GIS;開源;GeoTools；軟件框架</p><p><b>　　1緒論</b></p><p><b>　　課題背景及意義</b></p><p>　　

5、地理信息是人類實(shí)踐活動(dòng)所認(rèn)知和獲取的地球空間自然和人造目標(biāo)定位和屬性的信息，是指有關(guān)地球?qū)嶓w的性質(zhì)、特征和狀態(tài)的表征。它具有區(qū)域空間的分布性這一本質(zhì)特征，同時(shí)也具有客觀存在性、抽象性、綜合性、可存儲(chǔ)性和可傳輸性等重要特征，是人類生存和社會(huì)發(fā)展的基本信息。作為地理信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，地理信息系統(tǒng)(oeo腳phicInformationsystem，簡稱015)是一個(gè)集地理信息科學(xué)、測繪學(xué)、制圖學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)于一體的多學(xué)科交叉的

6、綜合信息系統(tǒng)[ll，涵蓋地理空間信息的采集、輸入、存儲(chǔ)、編輯、處理、分析、顯示，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)空間信息數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的組織管理，并對(duì)空間信息進(jìn)行不同需求的分析、處理，提供數(shù)字化輸出以滿足現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中管理、決策和研究的需要，其核心是用計(jì)算機(jī)來處理和分析地理信息。目前，GIS已逐漸成為一種服務(wù)于信息化建設(shè)的技術(shù)工具，已廣泛應(yīng)用于水利水電、城市規(guī)劃、交通運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)與監(jiān)測、農(nóng)林牧業(yè)等國民生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域中。</p><p

7、>　　GIS應(yīng)用就其應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可分為三大領(lǐng)域:第一類是政府應(yīng)用，“電子政務(wù)”是當(dāng)今政府加強(qiáng)信息化建設(shè)的新方向，是指在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)支撐下，政府機(jī)構(gòu)日常辦公、信息收集與發(fā)布、公共管理等事務(wù)在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的環(huán)境下進(jìn)行的國家行政管理形式。GIS已成為很多政府決策部門工作必備的支撐系統(tǒng)之一，在國家水利、電力、林牧業(yè)、地礦、交通、資源環(huán)境保護(hù)等機(jī)構(gòu)己發(fā)揮重要作用。第二類是企業(yè)應(yīng)用，隨著信息時(shí)代的到來，企業(yè)的組織、運(yùn)營、管

8、理也逐漸向信息化方向發(fā)展，GIS通過提供可視化地理空間信息服務(wù)結(jié)合企業(yè)管理信息系統(tǒng)，為企業(yè)的業(yè)務(wù)規(guī)劃、物流等領(lǐng)域提供輔助決策。第三類是大眾應(yīng)用，WebGIS的產(chǎn)生為大眾提供了獲取地理空間信息服務(wù)的平臺(tái)，通過開放的、操作簡單的WebGis服務(wù)，滿足大眾對(duì)地理信息的需求，如:方便人們出行的谷歌、百度地圖服務(wù)?？偨Y(jié)當(dāng)前GIS應(yīng)用的特點(diǎn)可知，Gis己不再作為單獨(dú)的、專業(yè)的、封閉的系統(tǒng)提供地理數(shù)據(jù)、空間分析等功能，而是更多的與政府、企業(yè)的相關(guān)管理

9、信息系統(tǒng)集成，從多角度、多層次為用戶提供決策、分析的手段。</p><p>　　目前，GIS已逐漸成為一種服務(wù)于信息化建設(shè)的技術(shù)工具，與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的無縫集成是Gis應(yīng)用的活力所在。根據(jù)GIS應(yīng)用的不同開發(fā)方式，主要分為三種:一是從頭獨(dú)立開發(fā)GIS工具，包括空間數(shù)據(jù)模型及操作、空間數(shù)據(jù)可視化過程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、GIS功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)等;二是基于商用GIS軟件平臺(tái)之上的二次開發(fā)，目前知名的商用GIS軟件國際廠商包括:ESR

10、I、Maplnfo、Autodesk、Ingergraph，國內(nèi)有superMap、oeostar、基于GeoToolS的開源GIS應(yīng)用的研究與實(shí)踐MaPGIS等，這些商用Gis平臺(tái)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了關(guān)于空間數(shù)據(jù)建模、空間數(shù)據(jù)訪問、空間分析、空間數(shù)據(jù)可視化等功能，并對(duì)外提供豐富的編程接口，利用這些商用GIS軟件平臺(tái)提供的API，用戶可根據(jù)實(shí)際需要開發(fā)GIS應(yīng)用;三是基于開源GIS產(chǎn)品、中間件、數(shù)據(jù)庫等進(jìn)行Gis應(yīng)用的開發(fā)，目前較出名的開源GIS

11、產(chǎn)品包括:GRASS、Worldwind、QGis、uDig是功能全面的桌面GIS軟件，Geoserver、Mapserver是功能完善的GIS服務(wù)器，GcoTools、GDAUoGR是兩個(gè)出色的GIS中間件，包含多種空間數(shù)</p><p>　　隨著我國信息化基礎(chǔ)建設(shè)的高速發(fā)展，GIS承載的空間信息服務(wù)成為政府職能、企業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)、大眾生活中越來越來重要的工具，這也加快了GIS系統(tǒng)與其它信息管理系統(tǒng)的融合，GIS不再是

12、作為一個(gè)專業(yè)、封閉的系統(tǒng)為地理專業(yè)工作者提供服務(wù)，而是更多的與其他信息管理系統(tǒng)進(jìn)行集成，作為一個(gè)整合的綜合型信息管理系統(tǒng)，滿足人們決策、管理的需求?，F(xiàn)在，GIS在政府、企業(yè)各種信息管理系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)的可移植性、跨平臺(tái)性、可擴(kuò)展性、易用性都提出了更高的要求。而目前國內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的GIS系統(tǒng)平臺(tái)比較少，只有MapGIS、Geostar等少數(shù)fL個(gè)產(chǎn)品，大量進(jìn)口國外GIS系統(tǒng)平臺(tái)增加了GIS應(yīng)用開發(fā)的成本，另外使用商業(yè)軟件進(jìn)行G

13、IS應(yīng)用二次開發(fā)也存在一些垢病，因此，利用數(shù)目眾多、結(jié)構(gòu)靈活的開源GIS中間件進(jìn)行開發(fā)是一種不錯(cuò)的選擇，隨著開源Gis產(chǎn)品的不斷成熟、豐富，其在實(shí)際中的應(yīng)用會(huì)越來越多，本文針對(duì)開源GIS產(chǎn)品及其構(gòu)建方式的研究也具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　國際地理空間開源基金會(huì)(openSourceoeospatialFoundation，簡稱os

14、oeo)于2006年成立，宗旨為支持開源Gis軟件的開發(fā)及推動(dòng)其更廣泛的使用，并對(duì)開源項(xiàng)目提供法律和資金上的支持，并得到了包括GIS軟件商用廠商Antodesk、ESRI等在內(nèi)的許多企業(yè)的贊助，一年一度的開源地理空間軟件年會(huì)是眾多開源GIS技術(shù)愛好者、科研人員以及商用GIS企業(yè)代表們展示產(chǎn)品、交流合作、探討GIS未來發(fā)展的契機(jī)[zl。</p><p>　　國外關(guān)于開源Gis軟件的應(yīng)用開展的比較早，己有許多開源GI

15、S產(chǎn)品在實(shí)際項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。其中，加拿大RefractionsResearch公司是世界領(lǐng)先的開源GIS服務(wù)公司，該公司在開源的PostgreSQL數(shù)據(jù)和GeoTools工具庫上，開發(fā)了PostGis空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和uDig網(wǎng)絡(luò)GIS系統(tǒng)，基于postGIs、Geoserver、Mapserver、openLayers、Mapguide、uDig、Openjump靈活組合，為美國、加拿大政府和企業(yè)完成了許多項(xiàng)目，并長期進(jìn)行開發(fā)培訓(xùn)和技

16、術(shù)服務(wù)。以下是該公司主導(dǎo)下開發(fā)的項(xiàng)目。</p><p>　　希臘出租物業(yè)搜索網(wǎng)—Rento，系統(tǒng)采用PostGis和插件擴(kuò)展開發(fā)，支持以空間范圍和自然語言檢索希臘出租物業(yè)，Rento每分鐘接受和處理數(shù)百個(gè)查詢請(qǐng)求，用戶可以使用類似“雅典大學(xué)附近的公寓”或“地鐵站附近不超過800歐元的閣樓”等自然語言，迅速查找到目標(biāo)物業(yè)。</p><p>　　加拿大人口Web地圖系統(tǒng)，管理人口信息數(shù)據(jù)庫，支

17、持各種人口數(shù)據(jù)分析與制表。采用開源M叩Server地圖引擎，為VISTA系統(tǒng)開發(fā)了地圖查詢、顯示、生成統(tǒng)計(jì)表格、曲線、專題圖等功能，并可以以PDF格式輸出。</p><p>　　AT&T公司開源Web地圖系統(tǒng)，管理代理商分布和信號(hào)覆蓋區(qū)域，供內(nèi)部銷售人員使用。采用oeoserve:和PostGIS實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　滑坡報(bào)告Web系統(tǒng)，要求林木公司報(bào)告伐木場所的滑坡狀況和現(xiàn)

18、場及周邊棲息地的影響。為了保證報(bào)告符合標(biāo)準(zhǔn)、減少錯(cuò)誤，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為web方式，使用開源軟件PostGIS進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)提供滑坡報(bào)告錄入界面并審核是否符合標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)的空間信息，如滑坡面積、森林面積、影響區(qū)域等都有系統(tǒng)自動(dòng)生成。</p><p>　　國內(nèi)關(guān)于開源GIS產(chǎn)品的研究和應(yīng)用都還處于起步階段，己有不少科研學(xué)者、研究生從事相關(guān)的工作。文獻(xiàn)3中作者提出使用GcoTools實(shí)現(xiàn)WebGIS應(yīng)用軟件的一種方法，客戶端采

19、用apPlet方式，在apPlet中調(diào)用GcoTools類庫實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程資源的空間數(shù)據(jù)訪問，使用JDBC實(shí)現(xiàn)對(duì)屬性數(shù)據(jù)的訪問。該方法簡化了WebGIS的構(gòu)建結(jié)構(gòu)，降低了開發(fā)成本，維護(hù)方便，在城市供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)查詢軟件中有所應(yīng)用。文獻(xiàn)4中作者提出一科，多層次WebGIS架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)國土資源數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布平臺(tái)，利用GeotoolS構(gòu)建空間服務(wù)器，完成空間數(shù)據(jù)的訪問和分析，利用JZEEServlet技術(shù)構(gòu)建應(yīng)用服務(wù)層，完成用戶請(qǐng)求的解析和處理，利用A

20、jax技術(shù)構(gòu)建客戶端，完成用戶操作請(qǐng)求和響應(yīng)處理。</p><p>　　目前國內(nèi)還缺少自主的開源空間信息項(xiàng)目，對(duì)國外優(yōu)秀的升源Gis產(chǎn)品項(xiàng)目的研究也不多，利用開源GIS項(xiàng)目進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的也不多。因此，對(duì)開源GIS產(chǎn)品在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用的可行性和構(gòu)建方式的研究是一個(gè)很有現(xiàn)實(shí)意義的研究方向，也是學(xué)習(xí)Gis的一種有效的途徑。</p><p>　　1.3論文主要研究內(nèi)容</p><p

21、>　　隨著我國信息化建設(shè)的不斷深入，Gis系統(tǒng)作為子系統(tǒng)在電子政務(wù)系統(tǒng)、企業(yè)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越普遍，傳統(tǒng)GIS應(yīng)用大多是基于商用Gls軟件平臺(tái)上的二次開發(fā)，近年來，開源GIS產(chǎn)品的成熟發(fā)展給Gis應(yīng)用開發(fā)提出了新的構(gòu)建方式—利用開源Gis軟件構(gòu)建實(shí)際應(yīng)用。本文主要就利用開源GIS產(chǎn)品構(gòu)建GIS應(yīng)用的可行性進(jìn)行研究，探討了幾種開源Gis的構(gòu)建方式，深入分析了開源中間件GcoTools的組織結(jié)構(gòu)、功能及開發(fā)方式，在公路管理系統(tǒng)項(xiàng)目

22、中進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用GcoToofs中間件開發(fā)實(shí)現(xiàn)GIS功能，并對(duì)空間數(shù)據(jù)顯示效率進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)性能進(jìn)行比較分析，是開源Gls在應(yīng)用中一次有意義的嘗試。</p><p>　　論文的研究工作從以下幾個(gè)方面分別展開:</p><p>　　(1)研究Gis的發(fā)展歷程，典型體系結(jié)構(gòu)，開源Gis的應(yīng)用和發(fā)展情況。</p><p>　　(2)重點(diǎn)對(duì)開源中間件GcoTools的結(jié)

23、構(gòu)、功能進(jìn)行分析，對(duì)JTs的功能、結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為后續(xù)Gis框架的提出做理論鋪墊。</p><p>　　(3)空間數(shù)據(jù)可視化是Gis的重要功能，本文對(duì)基于GcoToofs的空間數(shù)據(jù)可視化處理的流程進(jìn)行深入研究，并提出一種基于GcoTools的GIS應(yīng)用開發(fā)的框架。</p><p>　　(4)基于實(shí)際項(xiàng)目需求，采用面向?qū)ο蠹岸鄬哟谓Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了公路管理信息發(fā)布平臺(tái)，并采用設(shè)計(jì)的框架開發(fā)應(yīng)用，完成

24、GIS功能操作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，包括:地圖瀏覽、圖層操作、空間查詢、屬性查詢、距離面積計(jì)算、路段打樁、道路視頻管理等。</p><p><b>　　4論文組織結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　論文主體部分包括6章內(nèi)容，組織結(jié)構(gòu)如下:</p><p>　　第1章為緒論，主要內(nèi)容包括:課題研究背景、國內(nèi)外GIS研究現(xiàn)狀、淪文主要的研究內(nèi)容和論文的組織

25、結(jié)構(gòu)。</p><p>　　第2章為Gis技術(shù)概述，主要內(nèi)容包括:Gis簡介、GIS的發(fā)展歷程、月幾源GIS技術(shù)。</p><p>　　第3章為GeoTools技術(shù)研究，主要包括:OpenGIS規(guī)范介紹、GeoTools功能結(jié)構(gòu)分析、JTS功能結(jié)構(gòu)分析，是本文的重點(diǎn)工作之一，為后續(xù)提出通用GIS開發(fā)框架做理論研究鋪墊。</p><p>　　第4章為基于GcoTool

26、s構(gòu)建Gis應(yīng)用方式設(shè)計(jì)，主要包括空間數(shù)據(jù)可視化流程、基于GcoT0ols的空間數(shù)據(jù)訪問、基于GcoTools的空間數(shù)據(jù)顯示、開源Gls構(gòu)建技術(shù)的比較分析和基于GcoTools的GIS應(yīng)用的通用框架設(shè)計(jì)，集中體現(xiàn)了本文的工作。</p><p>　　第5章為公路管理和信息發(fā)布平臺(tái)的設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括:系統(tǒng)需求分析、功能分析、平臺(tái)總體設(shè)計(jì)和兩個(gè)子系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)。</p><p>　　第6章為公

27、路管理和信息發(fā)布平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，主要內(nèi)容包括:信息發(fā)布平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)和公路管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　2地理信息系統(tǒng)(GIS)概述</p><p><b>　　2.1G15簡介</b></p><p><b>　　2.1.1基本概念</b></p><p>　　地理信息系統(tǒng)(Geographic

28、Information System，簡稱GIS)是一個(gè)涵蓋地理信息科學(xué)、測繪學(xué)、制圖學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)的多學(xué)科交叉的概念，其功能、結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，關(guān)于Gis的準(zhǔn)確定義目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的觀點(diǎn)，這里援引幾個(gè)較為接受的定義[5]:</p><p>　　GIS is a system of hardware, software and Procedures to facilitate the management, ma

29、nipulation，analysis，modeling，representation and display of georeferenced data to solve complex problems regarding planning and management of resources.”</p><p>　　“GIS是一個(gè)由硬件、軟件及應(yīng)用程序組成的系統(tǒng)，包含對(duì)地理相關(guān)數(shù)據(jù)的管理、操作、分析、建

30、模、數(shù)字化表現(xiàn)與顯示等功能操作，提供對(duì)基于資源的決策和管理的支持?！?lt;/p><p>　　Burrough在1986年給出GIS的定義如下:“Set of tools for collecting，storing，</p><p>　　Retrieving at will，transforming and displaying spatial data from the real worl

31、d for a particular set of purposes.”</p><p>　　Arnoff在1989年給GIS下定義如下:“a computer based systems that provides four sets Of capabilities to handle geo-referenced data including data input，data management(data s

32、torage and retrieval)，manipulation and analysis and data output.”</p><p>　　因此可見，GIS是以應(yīng)用為導(dǎo)向的空間信息技術(shù)，強(qiáng)調(diào)空間實(shí)體及其關(guān)系，注重空間分析與模擬，是重要的地理空間數(shù)據(jù)管理和分析工具，用來對(duì)那些需要空間展現(xiàn)和分析來進(jìn)行決策支持和信息管理提供支持!61。</p><p>　　2.1.2 GIS組成&l

33、t;/p><p>　　從結(jié)構(gòu)上看，地理信息系統(tǒng)由三部分組成:數(shù)字化的地理數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)硬件、計(jì)算機(jī)軟件。</p><p><b>　　(1)數(shù)字化的數(shù)據(jù)</b></p><p>　　數(shù)字化的數(shù)據(jù)是信息在計(jì)算機(jī)中的表現(xiàn)形式，是指要使用計(jì)算機(jī)軟硬件進(jìn)行圖形化顯示和空間分析操作的地理空間信息。GIS中的數(shù)據(jù)不同于其他信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，它具有空間特性，是與現(xiàn)實(shí)

34、世界中的地物相關(guān)聯(lián)的信息，根據(jù)數(shù)據(jù)是否與空間位置相關(guān)，將GIS數(shù)據(jù)分為空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)兩類，如圖2.1所示GIS中一條數(shù)據(jù)記錄中，該記錄表示一個(gè)橋梁實(shí)體，經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)表示該事物的空間位置，屬于空間數(shù)據(jù)，名字和日期數(shù)據(jù)表示該事物的屬性，屬于非空間數(shù)據(jù)，GIS將空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合進(jìn)行分析、處理。</p><p><b>　　(2)計(jì)算機(jī)硬件</b></p><

35、p>　　是指用來數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)相關(guān)硬件設(shè)備，包括:用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的存儲(chǔ)設(shè)備，用于數(shù)據(jù)分析、處理的處理機(jī)，用于輸入、顯示、輸出的各種外圍設(shè)備。</p><p><b>　　(3)計(jì)算機(jī)軟件</b></p><p>　　這里是指運(yùn)行于計(jì)算機(jī)硬件之上并且允許你處理GIS數(shù)據(jù)的相關(guān)計(jì)算機(jī)程序的總和，根據(jù)應(yīng)用層次包括以下三類:</p>&

36、lt;p><b>　　操作系統(tǒng)及系統(tǒng)軟件</b></p><p>　　操作系統(tǒng)運(yùn)行于計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)之上，是所有其他應(yīng)用軟件的運(yùn)行平臺(tái)，當(dāng)然GIS軟件也不例外，為程序合理分配計(jì)算機(jī)資源。系統(tǒng)軟件提供對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行分析和維護(hù)提供支持，方便使用者使用計(jì)算機(jī)資源。</p><p>　?、?GIS軟件及相關(guān)軟件</p><p>　　GIS軟件提供核

37、心的Gis功能操作，相關(guān)軟件可以包括:對(duì)輸出進(jìn)行處理的圖像處理軟件、對(duì)GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的數(shù)據(jù)庫管理軟件、對(duì)GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的數(shù)據(jù)采集軟件等。</p><p><b>　?、跥IS應(yīng)用系統(tǒng)</b></p><p>　　是指基于通用GIS軟件基礎(chǔ)上，利用Gis軟件提供的接口進(jìn)行二次開發(fā)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合產(chǎn)生的應(yīng)用系統(tǒng)，是GIS實(shí)際應(yīng)用的具體表現(xiàn)形式，如:基于Gis的環(huán)境

38、監(jiān)測系統(tǒng)、車輛監(jiān)測系統(tǒng)、電力供應(yīng)系統(tǒng)等實(shí)際應(yīng)用。</p><p>　　2.1.3 GIS功能</p><p>　　地理信息系統(tǒng)所具有的基本功能應(yīng)包括:數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示和輸出，這也是作為信息系統(tǒng)應(yīng)具備的功能。</p><p>　　(1)數(shù)據(jù)輸入:也稱數(shù)據(jù)采集，是GIS中數(shù)據(jù)的生成過程。Gis使用的數(shù)據(jù)常常</p>

39、<p>　　來自很多源，數(shù)據(jù)來源主要包括:人工數(shù)字化輸入、航拍圖片和紙質(zhì)地圖的掃描輸入、現(xiàn)存的數(shù)字化數(shù)據(jù)集等，遠(yuǎn)程遙感的衛(wèi)星圖像和GPS將是未來Gis數(shù)據(jù)源的主要提供者。該過程中數(shù)字化操作是指將紙質(zhì)地圖的形式轉(zhuǎn)換成可在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的數(shù)字形式，主要由兩種方法用于數(shù)字化操作:人工數(shù)字化和掃描數(shù)字化。</p><p>　　(2)數(shù)據(jù)編輯:隨著地圖要素的數(shù)字化操作，用戶需要完成將所有的空間要素關(guān)聯(lián)到其對(duì)應(yīng)的

40、屬性數(shù)據(jù)，清理并改正在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤，這就是數(shù)據(jù)編輯的工作職能，編輯的結(jié)果是要產(chǎn)生一系列數(shù)據(jù)集，其中的每條記錄都準(zhǔn)確無誤的表示了原來地圖中的空間要素及其關(guān)聯(lián)屬性，確保兩項(xiàng)事情:一是產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和原來地圖相比準(zhǔn)確無誤，二是建立的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確無誤。</p><p>　　(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ):當(dāng)數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字化、編輯后，數(shù)字化的地圖數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)在磁盤或其他存儲(chǔ)設(shè)備上，存儲(chǔ)使用的數(shù)據(jù)模型最常用的包括:柵格

41、格式和矢量格式。兩種格式都將原有地圖數(shù)據(jù)簡化為一種容易存儲(chǔ)的通用格式。</p><p>　　(4)數(shù)據(jù)操作:當(dāng)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中存儲(chǔ)后，用戶就可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的操作，</p><p>　　GIS操作通常以一個(gè)工具包的形式提供給用戶，工具包中包括基本的數(shù)據(jù)操作和分析功能，如:數(shù)據(jù)檢索、面積周長測量、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、投影變換、圖幅接邊等。</p><p>　　(5)數(shù)據(jù)分析:G

42、IS的核心在于其強(qiáng)大的分析能力，空間分析能力是GIS區(qū)別與</p><p>　　其他信息系統(tǒng)重要特征，盡管數(shù)據(jù)采集輸入是最耗時(shí)的操作，但真正使用的是數(shù)據(jù)分析功能。GIS通過對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的處理過程建模，利用模型對(duì)實(shí)際處理過程進(jìn)行模擬分析、統(tǒng)計(jì)，得到一系列有用的信息，作為分析的結(jié)果以地圖或者其他形式輸出給用戶。如對(duì)距離某一事故地點(diǎn)一定范圍內(nèi)各種空間要素的搜索，并對(duì)相關(guān)的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為事故處理提供所需要的信息。&l

43、t;/p><p>　　(6)數(shù)據(jù)顯示和輸出:數(shù)據(jù)經(jīng)過分析、統(tǒng)計(jì)處理，需要以地圖等可視化的形式輸出，這也是GIS區(qū)別于其他信息系統(tǒng)的重要特征，滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)更加直觀、方便、快捷的需要。GIS需提供空間分析、統(tǒng)計(jì)結(jié)果的可視化輸出、多種數(shù)據(jù)格式的輸出以滿足用戶后續(xù)處理需求。</p><p>　　2. 2 GIS發(fā)展趨勢</p><p>　　2. 2. 1 G I S發(fā)展歷

44、程</p><p>　　自20世紀(jì)60年代GIS誕生起至今，GIS的體系結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了GIS模塊、集成式GIS,模塊化GIS、核心式GIS、組件式GIS和WebGIS幾種形式[7]，如圖2.2所示。</p><p>　　20世紀(jì)60年代至70年代，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助制圖在地圖量算、分析處理中具有快速、準(zhǔn)確、靈活的特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)應(yīng)自然資源和環(huán)境保護(hù)的管理需求增加，大量的空間環(huán)境數(shù)據(jù)

45、需要處理，因此需要一種更加快速、方便、準(zhǔn)確的方式，計(jì)算機(jī)由于其在輔助制圖中的出色表現(xiàn)，自然而然成為替代者首選，一些滿足特定功能需求的GIS模塊產(chǎn)生了，這時(shí)的GIS理論研究還不成熟，應(yīng)用也是出于起步階段，GIS的體系結(jié)構(gòu)以一些獨(dú)立的功能模塊為主，還不具備協(xié)同工作的能力。</p><p>　　20世紀(jì)70年代末至80年代中期，由于得到了政府的大力支持，各大高校也紛紛建立實(shí)驗(yàn)室參與GIS理論和技術(shù)的研究，這時(shí)期是GIS

46、發(fā)展的快速階段，GIS的組織形式不再停留于GIS模塊，而是向一系列可通信模塊組織的集成式GIS發(fā)展，到80年代初，已有商用GIS產(chǎn)品產(chǎn)生，如:GIS商用產(chǎn)品巨人ESRI在80年代初發(fā)布了ARC/INFO等是集成式GIS的代表，這種體系結(jié)構(gòu)式GIS發(fā)展的一個(gè)里程碑代表，因?yàn)樗谝淮瓮暾膶?shí)現(xiàn)了GIS應(yīng)具有的各項(xiàng)功能，形成獨(dú)立的系統(tǒng)，但由于其臃腫的身軀、復(fù)雜的系統(tǒng)和專業(yè)的使用使得它使用要求很高，也無法與其他系統(tǒng)進(jìn)行集成。</p>

47、<p>　　隨著軟件開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，模塊化的思想逐漸成為軟件設(shè)計(jì)的主導(dǎo)，把它引入到GIS領(lǐng)域，同時(shí)為了解決集成式GIS的種種缺點(diǎn)，便誕生了另一種結(jié)構(gòu)組織—模塊化GIS，它把GIS按照不同功能劃分一些列模塊，使用者可以根據(jù)需要選擇所需模塊進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用，但是模塊化GIS也存在無法與其他信息系統(tǒng)集成的缺點(diǎn)，原因在于它也是基于一個(gè)復(fù)雜的基礎(chǔ)平臺(tái)之上。</p><p>　　隨后產(chǎn)生的核心式GIS就是為了解

48、決集成式GIS和模塊化GIS的缺點(diǎn)，它本質(zhì)上也是模塊化的設(shè)計(jì)思想，將一系列GIS功能作為操作系統(tǒng)的擴(kuò)展庫提供給開發(fā)者使用，這樣開發(fā)者在系統(tǒng)開發(fā)中就可以通過調(diào)用這些庫來實(shí)現(xiàn)所需的GIS功能。這種以動(dòng)態(tài)庫的形式提供的GIS功能使得開發(fā)者擁有較大的自主性和靈活性，使得GIS可以與其他信息系統(tǒng)集成開發(fā)，但其接近底層的操作也加大了其開發(fā)的難度，開發(fā)者需精通其開發(fā)庫中的功能函數(shù)及其接口才能開發(fā)出性能良好的應(yīng)用。</p><p&g

49、t;　　進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)成為GIS發(fā)展的又一塊肥沃的土壤，各科研機(jī)構(gòu)及商業(yè)GIS廠商都陸續(xù)展開了網(wǎng)絡(luò)GIS的理論和技術(shù)研究。近年來，組件式軟件結(jié)構(gòu)模型以其跨平臺(tái)、靈活組織、便捷開發(fā)的接口優(yōu)勢成為開發(fā)人員的新寵，目前組件式平臺(tái)有Microsoft的COM(Component Object Model，組件對(duì)象模型)/DCOM(Distributed Component Object Model，分布式組

50、件對(duì)象模型)和OMG的CORBA( Common Object Request Broker Architecture，公共對(duì)象請(qǐng)求代理體系結(jié)構(gòu))，以分布式計(jì)算為基礎(chǔ)的分布式應(yīng)用系統(tǒng)逐漸成為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主流結(jié)構(gòu)形式，它解決了傳統(tǒng)的客戶端—服務(wù)器模式中出現(xiàn)的一系列負(fù)載均衡問題，特別適合需要大量空間數(shù)據(jù)訪問和分析處理操作的GIS應(yīng)用。基于CORBA，Java推出了RMI技術(shù)作為分布式對(duì)象的一種實(shí)現(xiàn)，基于RMI技術(shù)可以開發(fā)出靈活、易用、真正跨平

51、臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)GIS應(yīng)用。</p><p>　　WebGIS與組件式GIS不是無關(guān)的兩種分類，而是緊密相關(guān)的，它倆都是基于WWW技術(shù)發(fā)展起來，核心思想是分布式計(jì)算，在WebGIS的構(gòu)建方式中，組件式GIS的思想隨處可見，通過WebGIS可以實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算應(yīng)用。在未來的GIS應(yīng)用中，WebGIS和組件式GIS將占據(jù)重要地位，可以說，WebGIS是組件式Gls在現(xiàn)實(shí)中的實(shí)現(xiàn)方式，組件式GIS是WebGIS發(fā)展的核心理論基礎(chǔ)

52、。</p><p>　　新世紀(jì)以來，地理信息系統(tǒng)在政府、企業(yè)中的應(yīng)用更加廣泛，GIS與其他信息系統(tǒng)的集成為政府、企業(yè)提供決策、分析的支持;與此同時(shí)，WebGIS的發(fā)展為大眾提供越來越多豐富多彩、簡單實(shí)用的地理空間位置服務(wù)。這階段的GIS產(chǎn)業(yè)更加注重GIS與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行無縫集成的方式、地理空間信息的開放與共享、三維GIS實(shí)現(xiàn)技術(shù)的研究。</p><p>　　2.2.2G15發(fā)展的基石&l

53、t;/p><p>　　近年來，GIS發(fā)展勢頭迅猛，在政府、企業(yè)和大眾生活中都有重要的應(yīng)用，這主要得益于以下幾個(gè)方面l8l。</p><p>　　(1)信息技術(shù)的發(fā)展:包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)、全球定位技術(shù)的發(fā)展成熟，</p><p>　　使得基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，而與遙感技術(shù)、全球定位技術(shù)緊密相關(guān)的地理信息系統(tǒng)也得到了快速發(fā)展，目前遙感技術(shù)、全球定位技術(shù)與地理信息系統(tǒng)合稱為“

54、35”技術(shù)，是新世紀(jì)信息發(fā)展的重要方向，三種技術(shù)的整合及應(yīng)用將在國民生產(chǎn)生活中發(fā)揮巨大的推動(dòng)作用。</p><p>　　(2)通信技術(shù)的發(fā)展:可以說90年代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)使得互聯(lián)網(wǎng)成為新世紀(jì)的寵兒，也使我們逐步步入信息化社會(huì)，網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展離不開通信技術(shù)強(qiáng)有力的支撐，隨著通信帶寬、通信質(zhì)量的不斷提高，使得在網(wǎng)絡(luò)上傳輸大規(guī)模數(shù)據(jù)逐漸成為可能，這也促進(jìn)了基于海量數(shù)據(jù)大規(guī)模存儲(chǔ)的地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，使得網(wǎng)絡(luò)GIS逐步成為

55、GIS應(yīng)用的新的方式。</p><p>　　(3)計(jì)算機(jī)硬件價(jià)格下降與處理能力的提高:隨著計(jì)算機(jī)硬件制造水平的不斷提高，制造成本不斷降低，購買海量存儲(chǔ)設(shè)備和高性能計(jì)算機(jī)的價(jià)格不斷下降，因而，以前地理信息系統(tǒng)由于其復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和海量的空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)而使得其費(fèi)用高昂的問題逐漸得到解決，越來越多的企業(yè)、政府部門具有購買相關(guān)產(chǎn)品的能力，使得地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用率不斷提高。</p><p>　　(4)

56、強(qiáng)大的可視化功能:地理信息系統(tǒng)所具有的強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)可視化功能使其在眾多信息系統(tǒng)軟件中脫穎而出，它將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)相結(jié)合，并能向用戶以圖形的方式展現(xiàn)多種信息及分析處理的結(jié)果，更加直觀、方便、快捷，具有良好的用戶體驗(yàn)，正如中國老話所講:一圖勝千言!</p><p>　　(5)空間信息在生活中的重要性:據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，所有信息中大概有70%左右的信息是和地理位置相關(guān)的信息，足可說明空間信息在生產(chǎn)、生活中的重要性，

57、利用GIS提供的空間分析和顯示的功能，可以協(xié)助人們進(jìn)行決策分析、信息管理、工作計(jì)劃。</p><p>　　2.3開源GIS開發(fā)技術(shù)</p><p>　　2.3.1開源GIS簡介</p><p>　　開源(Open source)是一種軟件開發(fā)方法，它利用通過軟件分發(fā)進(jìn)行的同行審查和處理透明性的優(yōu)勢，以達(dá)到軟件更好的質(zhì)量、更高的可靠性、更大的靈活性、更低的費(fèi)用，打破商

58、用軟件廠商的封鎖的目的。</p><p>　　近年來，在眾多技術(shù)愛好者和政府、開源社區(qū)的支持下，開源軟件發(fā)展迅速，產(chǎn)品性能越來越穩(wěn)定，有些已經(jīng)與商業(yè)軟件在功能、性能上相當(dāng)甚至超過了商業(yè)軟件，在軟件產(chǎn)品的各個(gè)領(lǐng)域，都可以找到與商業(yè)軟件具有相似功能的開源軟件，具代表性的如:Apache Tomcat作為優(yōu)秀的Web服務(wù)器，擁有近七成的市場占有率，Eclipse作為Java IDE產(chǎn)品在市場占有率和使用量上已經(jīng)超過了商

59、業(yè)JBuilder，SSH架構(gòu)在web開發(fā)中已成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，GNU/Linux操作系統(tǒng)在市場中占據(jù)不可或缺的地位，MySQL、PostgreSQL作為優(yōu)秀的開源數(shù)據(jù)庫。</p><p>　　在地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域，開源的發(fā)展也非常迅猛，己經(jīng)形成了一個(gè)種類繁多、功能齊全的產(chǎn)品線，典型的開源GIS項(xiàng)目包括[9]:專業(yè)GIS分析軟件GRASS、地圖投影算法庫Proj4、空間數(shù)據(jù)庫PostgreSQL和MySQL、網(wǎng)絡(luò)地圖服

60、務(wù)器GeoServer和MapServer、瀏覽器客戶端軟件Mapbuilder、OpenLayers，GIS中間件GeoTools、GIS拓?fù)渌惴◣霬TS等等。</p><p>　　將優(yōu)秀的開源中間件類庫應(yīng)用于地理信息項(xiàng)目實(shí)踐中，一方面將現(xiàn)有功能直接在系統(tǒng)中調(diào)用，提升了開發(fā)效率;另一方面是經(jīng)過長期開發(fā)積累，大多數(shù)開源中間件類庫都相對(duì)成熟、穩(wěn)定，能夠保證項(xiàng)目實(shí)踐有一個(gè)堅(jiān)實(shí)可靠的運(yùn)行基礎(chǔ)。</p>&

61、lt;p>　　2.3.2開源GIS的優(yōu)勢</p><p>　　目前，在國內(nèi)Gis軟件市場中，商用軟件占據(jù)著主導(dǎo)地位，開源Gls的商業(yè)應(yīng)用還比較少，大部分的政府、企業(yè)GIS應(yīng)用還是建立在商用GIS平臺(tái)之上的。但是，隨著GIS在政府、企業(yè)中的應(yīng)用方式越來越多，需求也各不相同，GIS與其他信息系統(tǒng)的無縫集成將成為未來Gis應(yīng)用的主要形式，商用Gis也逐漸顯現(xiàn)出一系列弊端:</p><p>

62、　　(1)GIS應(yīng)用具有平臺(tái)依賴性，由于對(duì)商用平臺(tái)的依賴，使得使用不同商用軟件開發(fā)的GIS應(yīng)用間進(jìn)行數(shù)據(jù)、操作的共享幾乎不可能，因而限制了應(yīng)用的擴(kuò)展性能。根源在于商業(yè)GIS軟件平臺(tái)的封閉性、獨(dú)立性，各商用GIS軟件間很難實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的互操作。</p><p>　　(2)用戶沒有對(duì)程序代碼的控制權(quán)，開發(fā)出來的應(yīng)用不具有自主版權(quán)。</p><p>　　(3)安全性問題，由于得不到商用軟件的源碼

63、，開發(fā)人員也無法知道軟件實(shí)現(xiàn)過程中有沒有漏洞等安全問題，因此基于其開發(fā)應(yīng)用也具備同樣的安全隱患。</p><p>　　(4)很多GIS軟件開發(fā)需要學(xué)習(xí)其復(fù)雜的二次開發(fā)語言，不利于開發(fā)人員的應(yīng)用開發(fā)。</p><p>　　(5)商用GIS模塊的收費(fèi)很高，與當(dāng)今越來越多的GIS應(yīng)用在政府、企業(yè)中小型應(yīng)用越來越多不相適應(yīng)。</p><p>　　(6)用戶定制能力差，開發(fā)者

64、只能基于商用軟件的API提供的功能進(jìn)行二次開發(fā)，限制了用戶添加定制功能的能力，因而可能出現(xiàn)無法完全滿足實(shí)際需要的情況。</p><p>　　上述問題在一些政府、企業(yè)業(yè)務(wù)管理中的GIS應(yīng)用中體現(xiàn)的更加明顯，究其根本原因在于其軟件的非開源特性，而開源軟件產(chǎn)品正好可以解決上述問題，隨著開源GIS產(chǎn)品的成熟發(fā)展，其商業(yè)化使用也是必然的趨勢。現(xiàn)在，幾乎所有的商業(yè)軟件功能在開源領(lǐng)域內(nèi)都可以找到合適的替代方案[10]。GIS的

65、各個(gè)功能模塊開源項(xiàng)目于商業(yè)軟件的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2.1所示。</p><p>　　相比于商用GIS軟件，開源GIS產(chǎn)品在以下幾個(gè)方面具有優(yōu)勢:</p><p>　　(l)安全性高，由于代碼向大眾開放，海量的使用和研究使得漏洞等安全問題會(huì)在使用中不斷的被發(fā)現(xiàn)并能及時(shí)得到修正，用戶對(duì)代碼的掌控也使得安全性有保障。</p><p>　　(2)用戶的定制能力強(qiáng)，由于開發(fā)源代碼，

66、用戶在開發(fā)過程中可以根據(jù)實(shí)際需要修改代碼，添加自定義功能擴(kuò)展，可最大化的滿足實(shí)際需要。</p><p>　　(3)對(duì)開放標(biāo)準(zhǔn)的支持使得開源GIS產(chǎn)品容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的互操作，利于GIS應(yīng)用于其他系統(tǒng)的集成。</p><p>　　(4)用戶的自由度更大，開發(fā)更加靈活。</p><p>　　(5)免費(fèi)或極低的費(fèi)用，大大降低了應(yīng)用的開發(fā)成本。</p><

67、p>　　3開源GeoToolS技術(shù)研究</p><p>　　3.1 OpenGIS規(guī)范</p><p>　　OpenGIS(Open Geodata Interoperation Specification，OGIS-開放的地理數(shù)據(jù)互操作規(guī)范)由美國OGC(OpenGIS協(xié)會(huì)，Open GIS Consortium)提出。該協(xié)會(huì)成立于1994年，是一個(gè)致力于打破傳統(tǒng)GIS軟件地理數(shù)

68、據(jù)的“無交互”問題，促進(jìn)地理數(shù)據(jù)處理方法的新技術(shù)和商業(yè)方法的互操作的非盈利組織，OGC的軟件規(guī)范就是OpenGIS規(guī)范，它是一個(gè)通用的分布式訪問地理數(shù)據(jù)和地理處理數(shù)據(jù)源的軟件結(jié)構(gòu)規(guī)范。OpenGIS為全世界的GIS軟件開發(fā)者提供了一個(gè)詳細(xì)的通用的界面模板，這個(gè)模板可以與由其它軟件開發(fā)者開發(fā)的開放GIS軟件進(jìn)行交互操作[11]。</p><p>　　OpenGIS就是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中對(duì)不同種類地理數(shù)據(jù)和地理處理方法的透明

69、訪問。</p><p>　　OpenGIS的目的是提供一套具有開放界面規(guī)范的通用組件，開發(fā)者根據(jù)這些規(guī)范開發(fā)出交互式組件，這些組件可以實(shí)現(xiàn)不同種類地理數(shù)據(jù)和地理處理方法間的透明訪問，建立一個(gè)無“邊界”的、分布的、基于構(gòu)件的地理數(shù)據(jù)互操作環(huán)境，與傳統(tǒng)的地理信息處理技術(shù)相比，基于該規(guī)范的GIS軟件將具有很好的可擴(kuò)展性、可升級(jí)性、可移植性、開放性、互操作性和易用性。</p><p>　　開放GI

70、S規(guī)范中描述的開放GIS框架包括:</p><p>　　(1)數(shù)學(xué)上、概念上用數(shù)字表示地球和地球現(xiàn)象的通用方法。</p><p>　　(2)執(zhí)行訪問、管理、處理、表示和在信息協(xié)會(huì)間共享地理數(shù)據(jù)的通用模式。</p><p>　　(3)使用開放地理數(shù)據(jù)模型和開放GIS服務(wù)模式來解決技術(shù)和制度上無交互性問題的框架。</p><p>　　3.2 G

71、eoTools分析</p><p>　　3.2.1 GeoTools介紹</p><p>　　GeoTools是一個(gè)純Java語言實(shí)現(xiàn)的開源GIS中間件，GeoTools類庫遵循OGC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范開發(fā)，提供了從數(shù)據(jù)訪問層到數(shù)據(jù)渲染層的GIS操作的實(shí)現(xiàn)，并定義了一系列標(biāo)準(zhǔn)的接口對(duì)外提供調(diào)用，GeoTools可用來構(gòu)建不同種類的GIS系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)GIS應(yīng)用服務(wù)器、桌面應(yīng)用客戶端等，是開源GIS產(chǎn)品

72、中較為優(yōu)秀的代表，著名的開源GIS桌面uDig、優(yōu)秀的WebGIS服務(wù)器Geoserver就是基于GeoTools之上構(gòu)建的，GeoTools類庫具有模塊化的組織結(jié)構(gòu)，各模塊間松散藕合，結(jié)構(gòu)清晰，并提供了大量的插件以豐富功能實(shí)現(xiàn)，具有良好的可擴(kuò)展性，開發(fā)者可根據(jù)需要自由組織功能模塊，添加新的插件或模塊。</p><p>　　目前GcoTools具有的功能包括:</p><p>　　(1)采

73、用JTS作為矢量數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)模型的實(shí)現(xiàn)，它是遵循OGC簡單要素規(guī)范下SQL版本的一種實(shí)現(xiàn)[12]，實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)的二維建模和空間分析功能。</p><p>　　(2)GeoTools支持多種GIS數(shù)據(jù)源的訪問，具體包括:矢量文件、柵格文件、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、OGC規(guī)范下WMS地圖圖片服務(wù)、OGC規(guī)范下WFS矢量要素服務(wù)等。具體支持的數(shù)據(jù)格式見下圖:</p><p>　　(3)實(shí)現(xiàn)了OGC規(guī)范

74、下坐標(biāo)參考系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)換服務(wù)的一個(gè)子集，提供一些標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)參考系統(tǒng)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能。</p><p>　　(4)支持空間數(shù)據(jù)查詢，包括屬性查詢和空間查詢，遵循OGC規(guī)范下過濾編碼規(guī)范[13]，通過定義屬性和空間參數(shù)以確定要操作的要素集的子集。</p><p>　　(5)支持空間數(shù)據(jù)的符號(hào)化顯示，遵循OGC規(guī)范下簡單樣式描述規(guī)范[14]。</p><p>　　(6)采用J

75、AI庫支持柵格數(shù)據(jù)的管理、顯示。</p><p>　　(7)支持兩種地圖著色器的實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　3.2.2 GeoTools功能結(jié)構(gòu)</p><p>　　GeoTools類庫按照不同功能分為若干獨(dú)立的組件，組件間組織關(guān)系松散耦合，這種組織結(jié)構(gòu)允許開發(fā)者只使用類庫的一部分功能，或者繼承某些組件類而拓展出新的功能，或者可以使用組件的另一種實(shí)現(xiàn)來替代某組件的缺

76、省實(shí)現(xiàn)，這就使得開發(fā)更加靈活多變，可根據(jù)實(shí)際需要靈活組織、運(yùn)用。GeoTools類庫的體系結(jié)構(gòu)圖見圖3.1。</p><p>　　圖3.1 GeoTools類庫體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　Fig 3.1 GeoTools library structure</p><p>　　GeoTools [15]整體上分為三大模塊:主類庫、插件和擴(kuò)展模塊。主類庫定義了元數(shù)據(jù)

77、、空間幾何模型、空間參考、矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)渲染等功能的類實(shí)現(xiàn)及操作接口;插件模塊是主類庫中定義的一些標(biāo)準(zhǔn)接口的具體實(shí)現(xiàn)，主要包括了不同格式的數(shù)據(jù)訪問實(shí)現(xiàn)和不同標(biāo)準(zhǔn)的空間參考實(shí)現(xiàn)，GeoTools正常工作離不開插件的支持，該模塊的組件支持運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)集成;擴(kuò)展模塊為在主類庫的基礎(chǔ)上針對(duì)特定應(yīng)用開發(fā)的功能模塊，如:針對(duì)shapefile的渲染器實(shí)現(xiàn)、基于空間數(shù)據(jù)構(gòu)建地圖網(wǎng)絡(luò)并求兩實(shí)體間最短路徑的實(shí)現(xiàn)等。</p>

78、<p><b>　　(l)主類庫:</b></p><p>　　主類庫基于標(biāo)準(zhǔn)的模型/視圖/控制器(MVC)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3.2所示，“視</p><p>　　圖”對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)顯示組件，“模型”則對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)模型組件，原類庫中并不含“控制器”邏輯，而是留給了類庫的使用者即開發(fā)人員來實(shí)現(xiàn)，因此開發(fā)人員擁有充足的自由空間，根據(jù)實(shí)際需求編寫合適的業(yè)務(wù)邏輯，進(jìn)行空間數(shù)

79、據(jù)的處理。下面將詳細(xì)分析數(shù)據(jù)模型組件和數(shù)據(jù)顯示組件的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖3.2 GeoTools主類庫結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　Fig.3.2 GeoTools main library structure</p><p><b>　　數(shù)據(jù)模型組件:</b></p><p>　　數(shù)據(jù)模型組件用于描述現(xiàn)實(shí)世界中

80、的地理實(shí)體在計(jì)算機(jī)中的表示形式，包括:幾何模型、空間參考模型、要素模型、數(shù)據(jù)訪問與存儲(chǔ)模型、查詢模型。下面分別介紹各個(gè)模型的作用。</p><p>　　幾何模型(JTS):為基于矢量表達(dá)的空間數(shù)據(jù)提供幾何建模，使用坐標(biāo)點(diǎn)及坐標(biāo)點(diǎn)的集合來表達(dá)“點(diǎn)”、“線”、“面”、“點(diǎn)集”、“線集”和“面集”等幾何對(duì)象，</p><p>　　該模型也實(shí)現(xiàn)了基于幾何對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)空間分析操作，在GeoTools的

81、實(shí)現(xiàn)中，該模型采用JTS來實(shí)現(xiàn)對(duì)簡單幾何對(duì)象的二維建模和空間分析操作。</p><p>　　空間參考模型(Referencing):為空間定位和與空間相關(guān)的數(shù)據(jù)操作提供合適的空間參考系，提供坐標(biāo)參考系間變換和投影的功能，該模型提供了定義坐標(biāo)參考系，需要由EPSG插件提供具體的大地測量基準(zhǔn)面數(shù)據(jù)。</p><p>　　要素模型(Feature):要素是GeoTools中的核心術(shù)語，它是描述地

82、理空間數(shù)據(jù)對(duì)象的基本單位，它描述了一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界中的客觀地理實(shí)體，如:一條河流、一座橋梁都可以理解為要素，在類定義中，要素對(duì)象包含一個(gè)標(biāo)識(shí)符，一組描述其特征的屬性集合，以及定義該要素屬性的概要模式。這些屬性包括要素實(shí)體的空間幾何定義、實(shí)體的其他屬性等。</p><p>　　數(shù)據(jù)訪問和存儲(chǔ)模型(Data、JDBC、XML):該模型定義了創(chuàng)建、訪問和存儲(chǔ)數(shù)</p><p>　　據(jù)的方法，提供了訪

83、問不同數(shù)據(jù)源空間數(shù)據(jù)的方式，包括:訪問文件系統(tǒng)中矢量、柵格數(shù)據(jù)的接口，訪問數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的接口，訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的接口。使用DataStore接口存取矢量數(shù)據(jù)，使用GridCoverageExchange接口存取柵格數(shù)據(jù)，插件模塊中包含了眾多</p><p>　　訪問不同數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)訪問和存儲(chǔ)模型的實(shí)現(xiàn)，這些數(shù)據(jù)格式包括:GML格式、shapefile格式、GeoTiff格式柵格圖片、空間數(shù)據(jù)庫、web地圖服務(wù)器及

84、Web要素服務(wù)器等。</p><p>　　數(shù)據(jù)查詢模型(Filter):該模型提供了一種從空間數(shù)據(jù)源或已知要素集中尋找、獲得所需數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方式，查詢模型定義了Filter類來構(gòu)造查詢過濾條件，并遵循OGC標(biāo)準(zhǔn)的過濾查詢規(guī)范而實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　?、跀?shù)據(jù)顯示組件:</b></p><p>　　數(shù)據(jù)顯示組件提供了通過圖像來表現(xiàn)要素內(nèi)容

85、的一種標(biāo)準(zhǔn)方式。該組件通過遵循一系列用于創(chuàng)建可視化地圖的復(fù)雜渲染規(guī)則，提供一種標(biāo)準(zhǔn)的方式來渲染要素?cái)?shù)據(jù);它還提供了用于創(chuàng)建圖像的渲染基礎(chǔ)流程結(jié)構(gòu)。包括空間樣式模型和渲染器模型。</p><p>　　空間樣式模型(Styling):定義了空間數(shù)據(jù)顯示的符號(hào)化模型，遵從OGC的Styled Layer Descriptor(SLD)規(guī)范和 Symbology Encoding(SE)規(guī)范。SLD規(guī)范描述了圖層對(duì)象與符

86、號(hào)化模型間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用XML格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù);SE規(guī)范描述了用符號(hào)化模型繪制要素的規(guī)則。</p><p>　　渲染器模型(Render):空間數(shù)據(jù)顯示渲染器，將空間數(shù)據(jù)Features和特定符號(hào)化模型Style利用一種顯示設(shè)備如:GraphicsZD進(jìn)行顯示，提供了一種流式的渲染器實(shí)現(xiàn)，占用內(nèi)存小，無緩存。</p><p><b>　　(2)插件庫:</b></

87、p><p>　　GeoTools的插件庫主要包括不同數(shù)據(jù)格式訪問的具體實(shí)現(xiàn)和不同的EPSG坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)封裝，表3.1顯示了GeoTools的插件庫。</p><p><b>　　(3)擴(kuò)展模塊:</b></p><p>　　本模塊是在主類庫之上開發(fā)的一些應(yīng)用示例，供開發(fā)者參考使用。目前GeoTools擴(kuò)展模塊中包括了WMS擴(kuò)展，它提供了訪問WMS服

88、務(wù)的客戶端的開發(fā)API，MapPane擴(kuò)展，它是一個(gè)Swing控件，實(shí)現(xiàn)了簡單的地圖顯示功能，graph擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)基于Features建立抽象圖和訪問的方法。</p><p>　　3.3 JTS分析</p><p>　　3.3.1 JTS介紹</p><p>　　Java拓?fù)涮准?Java Topology Suite)是由Vivid Solutions開發(fā)，在L

89、GPL開源協(xié)議下發(fā)布，是OpenGIS規(guī)范下簡單要素規(guī)范(Simple Features Specification)的SQL版本實(shí)現(xiàn)，它具體實(shí)現(xiàn)了完整、健壯的基于二維的空間數(shù)據(jù)模型和分析算法，并以Java應(yīng)用程序接口的形式向外界提供調(diào)用，使用純Java語言實(shí)現(xiàn)，利用精確的模型和成熟的幾何算法，為二維幾何數(shù)據(jù)提供了完善的空間分析實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　JTS空間模型是建立在一個(gè)簡單、二維的歐式幾何空間，因此它

90、所能表達(dá)的空間數(shù)據(jù)僅限于二維空間，盡管JTS中的幾何對(duì)象可以包含三維的坐標(biāo)信息，但在進(jìn)行空間操作和分析時(shí)，JTS仍會(huì)把坐標(biāo)映射在一個(gè)XY軸的歐式空間中進(jìn)行處理，第三維的信息并不起作用，如圖3.3所示。因此，使用JTS進(jìn)行地理空間數(shù)據(jù)建模和分析時(shí)，首先要將地球曲面映射到一個(gè)二維歐式空間中，然后在此幾何空間中建立各種空間數(shù)據(jù)模型，進(jìn)行分析處理。</p><p>　　圖3.3 JTS空間模型</p>

91、<p>　　Fig.3.3 JTS spatial model</p><p>　　3.3.2 JTS功能結(jié)構(gòu)</p><p>　　JTS類包結(jié)構(gòu)及其功能如表3.2所示[16]:</p><p>　　JTS類庫中的核心類包是gcom包，其中包括了JTS空間數(shù)據(jù)模型最重要的三個(gè)類:Geometry、Envelope、Coordnate，下面重點(diǎn)分析三個(gè)類。

92、</p><p>　　JTS Coordinate類:</p><p>　　Coordinate類提供了JTS幾何對(duì)象的空間位置信息，包含有三個(gè)數(shù)據(jù)域: x、y、z,分別代表三維幾何空間中三維屬性，盡管‘z’屬性在基于二維歐式空間建模的JTS中不起作用。圖3.4顯示了Coordinate類的類圖:</p><p>　　(2)JTS Envelope類:</p

93、><p>　　JTS Envelope對(duì)象定義一個(gè)在歐式空間中與坐標(biāo)軸平行的矩形區(qū)域，該類用來定義每個(gè)JTS幾何對(duì)象的外界矩形，并且實(shí)現(xiàn)了基于外界矩形進(jìn)行的空間分析相關(guān)操作，包括:contains、intersects等，Envelope對(duì)象類圖見圖3.5。</p><p>　　(3)JTS Geometry類:</p><p>　　JTS Geometry類是一個(gè)定義

94、了地理空間元素的幾何模型的抽象類，在它的子類中實(shí)現(xiàn)了OGC規(guī)范中簡單要素規(guī)范中的各種幾何模型，包括:Point(點(diǎn))、LineString(線)、Polygon(多邊形)等基本幾何模型以及在這些基本幾何模型上派生出的幾何模型。</p><p>　　Geometry對(duì)象的實(shí)現(xiàn)依賴于Coordinate對(duì)象和Envelope對(duì)象，它使用一個(gè)Coordinate對(duì)象的集合來定義幾何對(duì)象的空間位置屬性，使用Envelop

95、e對(duì)象來定義幾何對(duì)象的邊界。它還定義了一些易用的空間分析方法，如buffer()用于計(jì)算距離該對(duì)象指定距離的緩沖區(qū)對(duì)象，外包多邊形分析(convexHull)，交叉分析(intersection)，聯(lián)合分析(union)，差異分析(differenee)，對(duì)稱差異分析(symDifferenee)，鄰接分析(disjoint)等空間拓?fù)浞治霾僮鞣椒?，distance()和area()是用于計(jì)算距離和面積的空間操作方法。Geometry對(duì)

96、象的創(chuàng)建使用GeometryFactory工廠類進(jìn)行創(chuàng)建，Geometry類圖見圖3.6。</p><p>　　4基于GeoTools構(gòu)建GIS應(yīng)用框架設(shè)計(jì)</p><p>　　本章重點(diǎn)研究了基于GeoTools構(gòu)建GIS應(yīng)用的方式方法，是論文工作的重要體現(xiàn)，是后面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。空間數(shù)據(jù)時(shí)GIS系統(tǒng)的核心，而數(shù)據(jù)的可視化顯示是GIS系統(tǒng)區(qū)別于其他信息系統(tǒng)的重要特征，更是GIS中最常用的操

97、作，因此本文首先就空間數(shù)據(jù)可視化的流程、方法進(jìn)行了深入研究，然后深入分析了GeoTools中空間數(shù)據(jù)可視化的流程，最后基于以上研究，對(duì)基于開源GIS產(chǎn)品的應(yīng)用開發(fā)方式按照不同層次分類和比較分析，得出基于GeoTools開發(fā)應(yīng)用的優(yōu)勢所在，并設(shè)計(jì)了基于GeoTools開發(fā)GIS應(yīng)用的實(shí)用框架。</p><p>　　4.1基于 GeoTools的空間數(shù)據(jù)可視化研究</p><p>　　空間數(shù)據(jù)

98、是GIS操作的核心，矢量數(shù)據(jù)的可視化過程可分為數(shù)據(jù)訪問和數(shù)據(jù)顯示兩個(gè)過程[17]。數(shù)據(jù)訪問過程又分為: 源數(shù)據(jù)訪問、內(nèi)存數(shù)據(jù)模型封裝、過濾;數(shù)據(jù)顯示過程又分為: 符號(hào)化圖形模型、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、圖形繪制與顯示。</p><p>　　4.1.1空間數(shù)據(jù)訪問</p><p>　　采用面向?qū)ο笏枷?，GIS中的對(duì)象實(shí)體按不同操作層次劃分，包括要素(Feature)、圖層(MapLayer)、地圖(Map

99、)，對(duì)象間層次關(guān)系見圖4.1，要素是地圖操作對(duì)象中具有實(shí)際意義的最小單元，對(duì)應(yīng)于用點(diǎn)、線、多邊形簡單幾何圖形表示的具有特定含義的客觀世界中的物理實(shí)體，要素可以是由一種幾何形狀表示的簡單要素，也可以是由多種幾何形狀聚合表示的復(fù)雜要素;圖層是具有相同或相似物理意義的要素的聚合(如:用點(diǎn)表示的橋梁要素的聚合可以組成一個(gè)圖層);地圖由多個(gè)圖層疊加組成，表示由多種物理意義的要素聚集的信息表達(dá)[18]。</p><p>　　

100、應(yīng)用GeoTools進(jìn)行空間數(shù)據(jù)訪問，GeoTools以插件庫的形式提供對(duì)多種主流地理數(shù)據(jù)格式的訪問支持，包括shapefile、arcsde、wfs等矢量數(shù)據(jù)，postgis、oraele、db2等數(shù)據(jù)庫，mif、geotiff、arcgrid等柵格數(shù)據(jù)。先介紹幾個(gè)和數(shù)據(jù)訪lb]相關(guān)的包:org.geotools.data包負(fù)責(zé)地理數(shù)據(jù)的讀寫(如:ShapefileReader用于讀取shpfile數(shù)據(jù))，org.geotools.g

101、eometry包負(fù)責(zé)提供對(duì)JTS的調(diào)用接口，以將地理數(shù)據(jù)封裝成JTS中定義的幾何對(duì)象(Geometry)，org.geotools.feature包負(fù)責(zé)封裝空間幾何要素對(duì)象(Feature)，對(duì)應(yīng)于地圖中一個(gè)實(shí)體，包含:空間數(shù)據(jù)(Geometry)、屬性數(shù)據(jù)(Attribute)、參考坐標(biāo)系(ReferencedSystem)、最小外包矩形(EnveloPe)等屬性，是GIS操作的核心數(shù)據(jù)模型。</p><p>

102、　　在地圖訪問中，Map對(duì)象包含一個(gè)MapContext對(duì)象，用于保存當(dāng)前地圖包含的多個(gè)圖層對(duì)象，每個(gè)圖層對(duì)象維持一個(gè)訪問該圖層對(duì)應(yīng)的源文件或數(shù)據(jù)庫表的連接FeatureSource，當(dāng)訪問空間數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)eatureSource調(diào)用FeatureReader進(jìn)行要素對(duì)象的讀操作，后者利用AttributeReader從具體數(shù)據(jù)格式中讀取一條記錄，調(diào)用FeatureBuilder封裝成特定圖層類型Schema的Feature對(duì)象，使用fi

103、lter對(duì)象對(duì)其進(jìn)行過濾，最后將滿足過濾條件的要素對(duì)象集返回。以讀取shapefile矢量數(shù)據(jù)文件為例說明空間數(shù)據(jù)讀操作的序列圖見圖4.2。</p><p>　　4.1.2空間數(shù)據(jù)顯示</p><p>　　地圖的顯示是多個(gè)圖層進(jìn)行疊加顯示的結(jié)果，顯示時(shí)按照?qǐng)D層所處的不同層次由低層到高層分別進(jìn)行符號(hào)化顯示。顯示模塊基于數(shù)據(jù)訪問模塊的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)果要素對(duì)象集進(jìn)行符號(hào)化處理、渲染，地理/設(shè)備坐標(biāo)

104、轉(zhuǎn)換，繪圖類繪制，設(shè)備顯示[19]，地圖顯示流程見圖4.3。GeoTools提供對(duì)空間要素的顯示操作支持,相關(guān)類包括:org.geotools.map定義了對(duì)地圖圖層及其屬性的描述，便于圖層管理;org.geotools.styling包含對(duì)圖層樣式定義文件(.sld)的訪問，獲得圖層渲染樣式對(duì)象集(FeatureTypestyler)，由具體樣式對(duì)象(StyleZD)構(gòu)成;org.geotools.renderer包含對(duì)要素對(duì)象集(F