软件工程硕士论文-基于gis的金花街道信息管理系统的设计与实现

软件工程硕士论文-基于gis的金花街道信息管理系统的设计与实现内容摘要：

on System， GIS）是一门介于信息科学、空间科学与地球科学等学科之间的交叉学科和技术 [45]，主要是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法。 GIS 与其他学科的关系如图 21[46]。 Garrison 于 1965 年最早提出了 “地理信息系统 ”这一术语。 1971 年投入运行的加拿大地理信息系统（ CGIS）是国际上公认的最早建立的较为完善的大型实用地理信息系统。 我国著名的测绘学家和地理学家陈述彭先生将地理信息系统定义为 “地理学的第三代语言 ”；美 国联邦数字地图协调委员会（ FICCDC）定义 GIS 为 “由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题 ”。 地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。 在地理信息系统中，现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象，这些地理特征至少由空间位置参考信息和非位置信息两个组成部分。 GIS 以地理空间数据库（ Geospatial Database） 为基础，采用地理模型分析方法，以地理数据（属性数据、集合数据、时间数据）为操作对象，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。 GIS 把地理位置和相关属性有机结合起来，根据实际需要，准确真实地输出给用户，借助其独有的空间分析功能和可视化表达，进行各种辅助决策。 GIS 已经在环境监测、区域规划、管理决策、交通管理、警务运用、城市设施管理、电力水利、灾害防治等方面得到普遍应用，已经形成一个价值数千亿美元的全球产业。 使用 GIS 技术进行信息化建设的单位基本上都将 GIS 作为整个企业应 用系统的底层基础支撑平台。 这其中一个重要原因是空间信息在我们生活中广泛存在，据 ESRI（ Environmental System Research Institute：美国环境系统研究所）的统计，日常工作中的近 70％的数据信息与空间位置有关。 自上世纪 90 年代以来，国际上广泛地应用 GIS 及其社会经济性足以证明， GIS 同电力、通讯系统一样是现代社会必不可少的基础设施，它既服务于社会经济建设，又服务于人民生活，成为社会赖以运转和发展的条件和保障。 武汉大学软件工程硕士毕业论文 16 地理信息系统的主要特征和类型 （一） 地理信息系统的特征 图 21 GIS 的学科 “树 ” 地理信息系统具有以下三个方面的特征：  具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性；  系统以分析模型驱动，具有极强的空间综合分析和动态预测能力，并能产生高层次的地理信息。  人机交互的计算机系统是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信息系统能以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。 （二） 地理信息系统的类型 地理信息系统按其内容可以分为三大类： （ 1）专题地理信息系统（ Thematic GIS），是具有有限目标和专业特点的地理信息系统 ，为特定的专门目的服务。 例如，森林动态监测信息系统、水资源管理信息系统、矿武汉大学软件工程硕士毕业论文 17 业资源信息系统、农作物估产信息系统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统等。 （ 2）区域信息系统（ Regional GIS），主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标，可以有不同的规模，如国家级的、地区或省级的、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统；也可以按自然分区或流域为单位的区域信息系统。 区域信息系统如加拿大国家信息系统、中国黄河流域信息系统等。 许多实际的地理信息系统是介于上述二者之间的区域性专题信息系统，如北京市水 土流失信息系统、海南岛土地评价信息系统、河南省冬小麦估产信息系统等。 （ 3）地理信息系统工具或地理信息系统外壳（ GIS Tools），是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包。 它们或者是专门设计研制的，或者在完成了实用地理信息系统后抽取掉具体区域或专题的地理系空间数据后得到的，具有对计算机硬件适应性强、数据管理和操作效率高、功能强且具有普遍性的实用性信息系统，也可以用作 GIS 教学软件。 如美国 MapInfo 公司的 MapInfo、 ESRI 的 Arc Info 等 通用软件。 按照内容划分，又可分为：城市信息系统、自然资源查询系统、规划与评估系统、土地管理信息系统等。 按照数据结构的不同，又可分为栅格型、矢量型和栅格 矢量混合型三种地理信息系统。 地理信息系统的构成 一个完整的 GIS 主要由四个部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系统 、地理数据（或空间数据）和系统 管理操作人员。 其核心部分是计算机系统（软件和硬件），空间数据反映 GIS 的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。 地理信息系统的功能概述 地理信息系统的核心问题可归纳为五个 方面的内容：位置、条件、变化趋势、模式和模型 [46]。 图 22 说明了这些功能的之间的关系以及操作数据的不同。 空间数据模型与空间数据结构及编码 为了能够利用信息系统工具来描述现实世界，并解决其中的问题，就必须对现实世武汉大学软件工程硕士毕业论文 18 界建模，建模常分为三个步骤 [47]：第一步选择一种数据模型来对现实世界中的数据进行组织；第二步是选择一种数据结构来表达该数据模型；第三步是选择一种合适的文件格式来记录该数据结构。 对于地理信息系统而言，其结果就是空间数据模型。 空间数据结构是空间数据模型在信息系统中的实现形式。 对空间数据模型 和空间数据结构的认识和研究在设计 GIS 空间数据库和发展新一代 GIS 系统的过程中起着举足轻重的作用。 制图 结构化数据 交互展示 原始数据 观察的的现象、文件与地图 存储与检索 数据预处理 查询与分析 展示与交互 数据获取 数据库 图 22 GIS 功能概述 （一） 空间数据模型 模型是对现实世界的简化。 地理信息系统目前广为采用的数据模型是基于平面图的矢量数据模型和基于连续铺盖的栅格数据模型。 栅格数据模型适合于描述连续的空间变量，矢量数据模型则适合于表达图形对象和制图。 （ 1）栅格数据模型 栅格数据模型是基于连续铺盖的，它是将连续空间离散化，即用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间，盖可以分 为规则的和不规则的，后者可当做拓扑多边形处理，如社会经济分区、城市街区；铺盖的特征参数有尺寸、形状、方位和间距。 对同一现象，也可能有若干不同尺度、不同聚分性（ Aggregation or Subdivisions）的铺盖 [48]。 在边数从 3到 N 的规则铺盖中，方格、三角形和六角形是空间数据处理中最常用的。 三角形是最基武汉大学软件工程硕士毕业论文 19 本的不可再分的单元，根据角度和边长的不同，可以取不同的形状，方格、三角形和六角形可完整地铺满一个平面（如图 23）。 图 23 三角形、方格和六角形的划分 为了 GIS 数据处理，栅格模型的一个重 要的特征就是每个栅格中的像元的位置被预先确定，所以很容易进行重叠运算以比较不同图层中所存储的特征，而不需要经过复杂的几何计算。 （ 2） 矢量数据模型 矢量数据模型将现象看作原形实体的集合，且组成空间实体。 在二维模型内，原型实体是点、线和面；而在三维中，原型也包括表面和体。 矢量模型的表达源于原型空间实体本身，通常以坐标来定义。 一个点的位置可以二维或者三维中的坐标的单一集合来描述。 一条线通常由有序的两个或者多个坐标对集合来表示。 特定坐标之间线的路径可以是一个线性函数或者一个较高次的数学函数，而线本身可以由中间点的 集合来确定。 一个面通常由一个边界来定义，而边界是由形成一个封闭的环状的一条或多条线所组成。 如果区域有个洞在其中，那么可以采用多个环以描述它。 （二） 空间数据结构 空间数据结构是在计算机中用以描述地理空间信息的点、线、面、体的方法。 良好的数据结构是一个问题解决的关键。 空间数据结构基本上可分为两大类：矢量结构和栅格结构（如图 24）。 两类结构都可用来描述地理实体的点、线、面三种基本类型。 随着空间数据理论的发展，为了适应三维 GIS 的需求，部分学者在结合栅格和矢量数据结构的特点上，又相继提出矢栅混合数据结构 [4951]。 空间数据编码是空间数据结构的实现，即将根据地理信息系统的目的和任务所搜集的、经过审核了的地形图、专题地图和遥感影像等资料按特定的数据结构转换为适合于计算机存储和处理的数据的过程。 由于地理信息系统数据量极大，一般采用压缩数据的编码方式以减少数据冗余。 武汉大学软件工程硕士毕业论文 20 图 24 栅格数据结构和矢量数据结构 （ 1） 栅格数据结构 栅格结构是最简单最直接的空间数据结构，是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、列定义，并包含一个代码表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包括指向其属性 记录的指针。 因此，栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。 在栅格结构中，点用一个栅格单元表示；线状地物沿线走向的一组相邻栅格单元表示，每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上；面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域。 遥感影像属于典型的栅格结构，每个象元的数字表示影像的灰度等级。 栅格结构的显著特点是：属性明显，定位隐含，即数据直接记录属性的指针或属性本身，而所在位置则根据行列号转换为相应的 坐标，也就是说定位是根据数据在数据集中的位置得到的。 栅格结构的缺点是如果栅格较大，则在计算面积、长度、距离、形状等空间指标时，误差较大。 （ 2）矢量数据结构 矢量结构通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体，坐标武汉大学软件工程硕士毕业论文 21 空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义，事实上，其精度仅受数字化设备的精度和数值记录字长的限制，在一般情况下，比栅格结构精度高得多。 矢量结构的特点是：定位明显、属性隐含，其定位是根据坐标直接存储的，而属性则一般存于文件头或数据结构中某些特定的位置上，这种特点使得其图形运 算的算法总体上比栅格数据结构复杂的多，有些甚至难以实现，当然有些地方也有所便利和独到之处，在计算长度、面积、形状和图形编辑、几何变换操作中，矢量结构有很高的效率和精度，而在叠加运算、邻域搜索等操作时则比较困难。 GIS 的开发模式 一个完整的 GIS 系统的应包括以下基本功能：  数据输入、存储、编辑；  操作运算；  数据查询、检索；  应用分析；  数据显示、结果输出；  数据更新。 地理信息系统中数据分为空间数据和非空间数据：空间数据表示实体的空间位置或是现在所处的地理位置，一般用坐标来表示。 非空间数据又称为属 性数据，表示实体特征类别、名称、值等。 属性数据虽然不表示位置，但是它的每一个值都是和某个位置联系在一起的。 空间数据是将数据按照逻辑类型分成不同的数据层进行组织的。 数据层结构按空间数据逻辑或专业属性分为各种逻辑数据类或专业数据层，原理类似于图件叠置片，例如，一幅地图可分为地貌、水系、道路、植被、控制点、居民点等层分别存储，如果想得到原图只需将各分层数据叠置在一起。 属性数据是指与空间位置没有直接关系的代表实体特定涵义的数据，它既可以是独立于专题地图的统计数据，也可以是与专题地图相关的表示地物类别、数量、等级的字 符串或数字。 另外，反映地物某一方面特征的指标也是属性数据。 GIS 根据其内容可分为两大基本类型： （ 1）应用型 GIS，以某一专业、领域或工作为主要内容，包括专题 GIS 和区域综合GIS；（ 2）工具型 GIS，也就是 GIS 工具软件包 (如户 ArcInfo 等 )，具有空间数据输入、武汉大学软件工程硕士毕业论文 22 存储、处理、分析和输出等 GIS 功能。 随着 GIS 应用领域的扩展，应用型 GIS 的开发工作日显重要。 如何针对不同的应用目标，高效地开发出既合乎需要又具有方便、美观、丰富的界面形式的 GSI，是 GSI 开发者非常关心的问题。 地理信息系统有三种开发模式 ，分别是独立二次开发、单纯二次开发和集成二次开发，现分别加以介绍： (1)独立二次开发 指不依赖于任何 GIS 工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言，如 Visual C ++，Delphi 等，在一定的操作系统平台上编程实现。 这种方式的好处在于无须依赖任何商业GIS 工具软件，减少了开发成本，但一方面对于大多数开发者来说，能力、时间、财力方面的限制使其开发出来的产品很难在功能上与商业化 GIS 工具软件相比，而且在购买GIS 工具软件上省下的钱 可能还抵不上开发者在开发过程中绞尽脑汁所花的代价。 (2)单纯二次开发 指完全借助于 GIS 工具软件提供的开发语言进行应用系统开发。 GIS 工具软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言，用户可以利用这些宏语言，以原 GIS 工具软件为开发平台，针对不同应。