面向網(wǎng)絡(luò)的新一代地理信息系統(tǒng)

前言

隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，空間數(shù)據(jù)的處理正深入到各個專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，GIS的應(yīng)用范圍將越來越廣泛，從最初地學意義上的測量和統(tǒng)計，發(fā)展到處理一切與地理空間位置相關(guān)的信息，覆蓋了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、國防等眾多領(lǐng)域，幾乎涉及人類生活的各個方面。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得一些大型應(yīng)用系統(tǒng)工作方式發(fā)生了改變，其中處理的海量空間數(shù)據(jù)也從原來的集中、獨占走向分布、共享。如何通過標準的分布式計算平臺，對海量空間數(shù)據(jù)庫進行高效、可靠的管理和使用成為當前GIS技術(shù)面臨的重大課題?？臻g信息基礎(chǔ)設(shè)施的進一步完善，使得空間數(shù)據(jù)的處理逐步從科學計算型過渡到?jīng)Q策支持型，這就要求構(gòu)建包括海量空間數(shù)據(jù)處理、各專業(yè)領(lǐng)域業(yè)務(wù)處理和跨專業(yè)領(lǐng)域綜合業(yè)務(wù)處理在內(nèi)的大型分布式地理信息系統(tǒng)。因此大型GIS平臺開發(fā)與應(yīng)用，在測繪、國防等大型關(guān)鍵性業(yè)務(wù)處理中將起舉足輕重的作用，同時更是構(gòu)造數(shù)字地球、數(shù)字城市系統(tǒng)的基礎(chǔ)性技術(shù)。地理空間信息產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代知識經(jīng)濟的重要組成部分，它以GIS技術(shù)為核心，集成航天航空遙感（RS）、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）等技術(shù)，積極推動測繪、制圖等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向現(xiàn)代數(shù)字型經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前全世界有關(guān)GIS的軟件生產(chǎn)、技術(shù)服務(wù)、應(yīng)用工程以及空間數(shù)據(jù)加工的年總產(chǎn)值已經(jīng)達到500億美元左右，并且以20％～24％的年增長速度繼續(xù)高速發(fā)展。當前我國GIS相關(guān)產(chǎn)業(yè)年總產(chǎn)值100多億元，我國的重要大型空間信息建設(shè)工程幾乎完全依賴國外軟件，在國際形勢復(fù)雜多變的今天，這種局面再也不能繼續(xù)下去了。研制開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的、支持Unix／Linux大型服務(wù)器、具有TB級空間數(shù)據(jù)處理能力、可以支持局域和廣域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下空間數(shù)據(jù)的分布式計算、能夠支持國家空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大型GIS基礎(chǔ)軟件平臺（即新一代GIS，也稱第四代GIS軟件）十分緊迫。新一代GIS軟件是國家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要軟件支撐，是連接地理空間信息資源建設(shè)和信息資源開發(fā)應(yīng)用的橋梁，直接關(guān)系到國家的信息安全和國防安全，對改造我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、促進新型產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展具有積極現(xiàn)實的和重大的戰(zhàn)略意義。本研究成果來源于國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）“面向網(wǎng)絡(luò)海量空間信息大型GIS”（2003AA133010）。項目組研究人員充分研究國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，基于面向服務(wù)體系架構(gòu)（SOA）提出“縱向多級、橫向網(wǎng)格”的架構(gòu)；研制了面向地理實體的空間數(shù)據(jù)模型，以地理實體及其關(guān)系的描述為核心，具有二維和三維的空間表達能力，支持基于結(jié)構(gòu)和基于空間規(guī)則的空間拓撲關(guān)系，并全面支持繼承、組合等非空間關(guān)系，解決了空間數(shù)據(jù)在計算機中的一體化組織與表達問題；基于地理數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了矢量、柵格、影像、三維四位一體的海量數(shù)據(jù)存儲，具備TB級的空間數(shù)據(jù)存儲與管理能力；真三維動態(tài)建模與可視化達到實用化；緊密結(jié)合行業(yè)特色，研制支持跨平臺的深層次GIS應(yīng)用系統(tǒng)可視化搭建集成環(huán)境，實現(xiàn)不同粒度層次的新一代“零編程”二次開發(fā)模式。整個課題實現(xiàn)了一系列創(chuàng)新成果。

內(nèi)容概要

　　本書是以國家“十五”863計劃項目“面向網(wǎng)絡(luò)海量空間信息大型GIS”研究成果為核心，系統(tǒng)闡述當前地理信息系統(tǒng)(GIS)領(lǐng)域中最新研究理論方法，總結(jié)作者近10年來最新的研究成果，提出一個完整的面向網(wǎng)絡(luò)的新一代GIS理論體系、技術(shù)架構(gòu)和實施方法。本書主要內(nèi)容包括：GIS發(fā)展現(xiàn)狀回顧與新一代GIS提出、面向網(wǎng)絡(luò)的新一代GIS的系統(tǒng)架構(gòu)、面向?qū)嶓w的空間數(shù)據(jù)模型、分布式海量空間數(shù)據(jù)管理、空間信息服務(wù)、空間信息獲取與可視化、三維空間數(shù)據(jù)可視化、新一代GIS的開發(fā)模式等，外基于新一代GIS系統(tǒng)架構(gòu)以及相關(guān)新技術(shù)，介紹了國產(chǎn)GIS軟件——MapGIS 7.0的實例等。　　本書可作為GIS及相關(guān)專業(yè)的碩士生、博士生教材，也可作為GIS高級研究人員、GIS研發(fā)人員和GIS高級程序員的參考用書和技術(shù)指南。

書籍目錄

前言第1章  緒論   1.1  國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀   1.2  目前GIS存在的主要問題   1.3  新一代GIS的提出 第2章  新一代GIS的體系架構(gòu)   2.1  面向服務(wù)的體系架構(gòu)技術(shù)   2.2  新一代GIS的體系架構(gòu) 第3章  面向?qū)嶓w的空間數(shù)據(jù)模型   3.1  現(xiàn)有空間數(shù)據(jù)模型的缺陷   3.2  面向地理實體的空間數(shù)據(jù)模型的提出   3.3  空間數(shù)據(jù)模型的概念層次   3.4  空間數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計 第4章  分布式海量空間數(shù)據(jù)管理   4.1  地理數(shù)據(jù)庫   4.2  柵格與影像數(shù)據(jù)庫   4.3  空間數(shù)據(jù)庫引擎技術(shù)   4.4  長事務(wù)處理技術(shù)   4.5  時空數(shù)據(jù)管理技術(shù)   4.6  元數(shù)據(jù)管理技術(shù)   4.7  數(shù)據(jù)安全與授權(quán)機制   4.8  數(shù)據(jù)中心第5章  空間信息服務(wù)   5.1  空間信息服務(wù)標準   5.2  空間信息服務(wù)基礎(chǔ)   5.3  空間信息應(yīng)用服務(wù)   5.4  Web服務(wù)與空間信息系統(tǒng)集成 第6章  空間信息獲取與可視化   6.1  空間信息獲取與更新   6.2  空間信息可視化與制圖 第7章  三維空間數(shù)據(jù)可視化   7.1  三維空間數(shù)據(jù)模型   7.2  三維數(shù)據(jù)的存儲管理   7.3  三維處理平臺MAPGIS-TDE   7.4  地表景觀建模、可視化及分析   7.5  數(shù)字高程模型建模、可視化及分析   7.6  地質(zhì)體結(jié)構(gòu)建模、可視化及分析   7.7  地質(zhì)體屬性建模、可視化及分析 第8章  新一代GIS的開發(fā)模式   8.1  插件式開發(fā)模式   8.2  分布式工作流管理技術(shù)   8.3  搭建式開發(fā)模式 第9章  大型GIS的發(fā)展趨勢   9.1  新一代GIS的特點   9.2  GIS未來發(fā)展趨勢 參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：3.2 面向地理實體的空間數(shù)據(jù)模型的提出目前廣泛應(yīng)用的各種地理信息系統(tǒng)中所采用的空間數(shù)據(jù)模型基本上都沿用了圖庫、圖幅、圖層、地理對象、幾何對象這樣的組織結(jié)構(gòu)，從本質(zhì)上說是面向紙質(zhì)地圖的數(shù)字化處理，具有比較突出的缺點。（1）水平分幅、垂直分層的數(shù)據(jù)組織模型不能直觀反映人們對現(xiàn)實世界的感知。這種以圖層作為空間數(shù)據(jù)處理的基本單位的數(shù)據(jù)組織模型雖然方便數(shù)據(jù)采集、組織、存儲和管理，但卻人為地割裂了地理空間，不能直接反映人們的感知。分層的數(shù)據(jù)組織不能表達不同類型實體之間的空間和語義關(guān)系；分幅割裂了同一個實體的空間連續(xù)性，并削弱了GIS的處理分析能力，尤其是對大范圍空間的數(shù)據(jù)處理能力。（2）忽視地理實體之間的語義拓撲關(guān)系。例如，因為分層居民區(qū)與飛機場之間的關(guān)系、河流與橋梁之間的關(guān)系都難以表達，這就使GIS成了功能層次較低的空間數(shù)據(jù)存儲和管理系統(tǒng)，不能滿足空間決策分析的需要，缺乏對規(guī)則、定義域、行為的定義，只能表達狹義的實體關(guān)系。（3）傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型不足以表達一些較特殊的地理現(xiàn)象。例如，地質(zhì)單元或植被單元之間沒有明晰的界限，還有連續(xù)的場有時被突然的不連續(xù)中斷。精確的對象模型和連續(xù)的場模型是現(xiàn)實世界的兩個極端抽象，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型無法表達，模型表達能力不夠。（4）空間數(shù)據(jù)模型標準化工作較少。這樣，在新一代GIS中的空間數(shù)據(jù)模型就需要突破現(xiàn)有空間數(shù)據(jù)模型的限制，具備準確描述地理實體、實體之間的語義關(guān)系和標準化程度高的特征；要求數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能夠支持統(tǒng)一的海量數(shù)據(jù)的存儲、查詢和分析處理，包括支持TB級以上的空間數(shù)據(jù)存儲的有效空間、屬性一體化管理、查詢機制等（吳信才，2004；東凱和方裕，2004）。新一代的空間數(shù)據(jù)模型的要求具體體現(xiàn)在以下幾個方面。第一，能比較真實地模擬現(xiàn)實世界。為了達到這一目的，面向地理實體空間數(shù)據(jù)模型是根據(jù)語義而不是根據(jù)幾何表示的復(fù)雜性來劃分實體。能全面描述地理實體的空間數(shù)據(jù)模型，必須要能存儲地理實體的空間特征、非空間特征以及實體之間的空間關(guān)系和非空間關(guān)系。信息組成如圖3～1所示。第二，容易為人所理解，支持語義表達和轉(zhuǎn)換。首先，其數(shù)據(jù)組織和分類符合人類的思維習慣。其次，支持語義關(guān)系，以便于語義的表達和轉(zhuǎn)換。例如，沉積巖和砂巖就是類與子類的關(guān)系，而塑料管是水管的子類型等。重要的是對空間數(shù)據(jù)中所包含的意義的共同理解。系統(tǒng)應(yīng)該提供一種語義的表達和轉(zhuǎn)換機制，使得具有不同應(yīng)用背景的系統(tǒng)和用戶能夠方便地交換空間數(shù)據(jù)而不會造成語義上的誤解和損失。最后，支持規(guī)則。規(guī)則的類型包括空間規(guī)則、連接規(guī)則、屬性規(guī)則和關(guān)系規(guī)則等。第三，便于在計算機上實現(xiàn)。該模型既要便于在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中還要便于在文件系統(tǒng)中實現(xiàn)。

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