数字地图的总体设计
发布时间：2011-03-27 供稿： 编辑： 访问量：
数字地图可以理解为地理信息系统（GIS）的特定表现形式，是一个集信息采集、传输、存储、管理、处理、分析、和使用地理空间数据的计算机系统，它集计算机软硬件、地理空间数据和最终用户于一体，借助其独有的空间分析功能，准确、真实、图文并茂地输出用户感兴趣的信息。
数字地图的发展以应用为驱动，并以在不同应用领域日益增长的用户需求为导向，不断改进和完善其自身功能，为更多的社会生产部门提供强大的空间信息服务，并逐步走入社会大众的日常生产、生活当中。
一、数字地图的定义与特征
数字地图通俗地讲就是将地图上的所有内容和信息在计算机环境下生产、制作和应用，以数字的形式来组织、存储和管理的地图。它在计算机中的表示和存贮形式为一组数据，由坐标位置、属性编码和一定的数据结构所组成，在计算机屏幕上和输出设备上则表现为色彩鲜艳、直观的地图。
数字地图具有动态性，其内容和表示效果能够实时修改，内容的补充、更新极为方便。数字地图的组织较为灵活，所提供的信息能够用于统计分析，进行辅助决策。在新的技术支撑下，还能够实现将数字地图的内容与图像、声音、文字、录像等内容结合在一起，生成更富表现力的多媒体数字地图。特别是，数字地图可以非常方便地对普通地图的内容进行任意形式的要素组合、拼接，形成新的地图。与纸质二维地图相比，数字地图除能显示等高线、等值线外的其他丰富信息，还能大量无损失地复制，并且通过计算机网络进行传播。
归纳起来数字地图有别于传统地图的主要特征如下 :
◆ 空间信息可视化更为直观、生动，信息表现更为多样化；
◆ 基于超文本和内容的信息查询更为快捷；
◆ 空间信息探索工具更为强大；
◆ 信息内容更丰富、多样性和集成性；
◆ 信息更新快捷、方便 。
二、数字地图网络化的意义及特点
长期以来，受信息技术发展水平的限制，数字地图多以独立主机结构的模式为主。随着信息技术尤其是计算机通信网络的迅速发展，用户需求信息的类型和数量发生了很大的变化。除特定的专业用户外，各行各业都开始广泛应用数字地图。在这种情况下，独立主机结构的数字地图的弊端渐渐暴露出来：
（1）数据的交互性能较差。
（2）数据共享能力弱。
（3）数据冗余严重。
（4）分析能力有限。
（5）成本较高。
与独立结构的数字地图相比，网络化数字地图的出现使数字地图大众化及空间数据的共享成为可能，网络化数字地图具有传统数字地图无法比拟的优点，主要体现在：
（1）成本大为降低。无论是何种结构组织开发的网络化数字地图，它都是一个多用户的空间信息系统，用户不用购买多套软件，通过网络可以实现数据的共享。
（2）可以使企业的事务与数字地图有机结合。一般的网络化数字地图都留有扩展接口，基于此接口用户可进行二次开发，不但可提升数字地图的性能，更可使数字地图与企业原有的业务流程有机结合，大大提高工作效率。
（3）网络化数字地图是一动态系统，可以根据用户请求随时向用户动态提供其所需的服务，实现服务个性化。
（4）跨平台性能好。当前企业可能应用多种架构的信息系统，。如果开发得当，网络化数字地图可以很好的适用于异构系统。
（5）网络化数字地图可采用分布式处理系统以充分利用网络资源。采用分布式协同计算可完成复杂、计算量大的地理空间计算任务。这样，一些复杂的计算任务，诸如大规模查询可交由性能较强的服务器来执行，而数据量较小的简单操作则由本地计算机完成。
三、网络化数字地图涉及的技术及理论
（1）网络体系结构
伴随着网络技术和计算机技术的发展，网络计算模式已从早期的单一计算模式发展到后来的C/S模式乃至今天广泛应用的B/S模式。
C/S （Client/Server）结构，即大家熟知的客户机和服务器结构。它是软件系统体系结构，通过它可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到 Client端和Server端来实现，降低了系统的通讯开销。目前大多数应用软件系统都是Client/Server形式的两层结构，由于现在的软件应 用系统正在向分布式的Web应用发展，Web和Client/Server 应用都可以进行同样的业务处理，应用不同的模块共享逻辑组件；因此，内部的和外部的用户都可以访问新的和现有的应用系统，通过现有应用系统中的逻辑可以扩展出新的应用系统。这也就是目前应用系统的发展方向。
B/S （Browser/Server）结构即浏览器和服务器结构。它是随着Internet技术的兴起，对C/S结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下，用户工作界面是通过WWW浏览器来实现，极少部分事务逻辑在前端实现，主要事务逻辑在服务器端实现，形成所谓三层结构。这样就大大简化了客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的成本和工作量，降低了用户的总体成本。
（2）数据组织策略
基于分层的数据组织
分层理论是数字地图数据组织的主要理论之一。“层”是其中最重要的概念之一，“分层”是目前数字地图数据组织的最基本方法之一。矢量结构中的分层往往是基于几何要素分类实现的。一般的，分层组织中的信息可按如下方法分类：
地图集：地图集是地理数据组织中的顶层信息，实现对各个地图的管理。
图层集：图层集由多个空间图层组成的能满足一定应用需求的图层集合。
图层：图层是由多个具有某些相同或相似特性的同种类型的空间对象组成的集合。
尽管基于分层的数据组织策略是数字地图中空间数据的主要组织形式，并得到了广泛应用，但它在表述地理信息中仍有一定缺陷，主要有：
A、对现实中的地理现象的抽象往往忽视了地理现象的本质特性及现象之间的复杂的内在联系，获取的信息被极大简化。
B、较少考虑结构化实体的内在规律描述，致使分析能力相对较弱。
C、分层叠加的方法把现实世界划分为一系列图层，但现在些边界中人为误差较多。
基于特征的数据组织
针对分层组织存在的缺陷，要对地理现象进行合理抽象和简化，就需要一个高度统一的框架进行规范化的理解和表述。为此提出了“地理特征”的概念，进而引申出基于特征的数据组织方式。它的基本思想是把地理特征（如建筑物、公园等）作为地理信息的基本单元，利用地理特征来表达和描述实体。
（3）数据管理技术
目前广泛采用的是商业化数据库管理系统和文件混合的数据管理模式。即空间几何数据仍以文件形式表达，而属性数据采用DBMS的方式进行管理。其空间数据管理方式的基本思想是在商业化的DBMS基础上开发附加系统，用于管理空间几何数据和进行空间分析，使空间数据和属性数据逻辑上置于DBMS的统一管理之下。
从长远的发展趋势来看，使用功能强大的数据库管理系统进行空间数据的组织和管理是数字地图技术发展的必然趋势，但目前商业化的DBMS并不能完全满足空间数据管理的要求。主要原因是，空间数据类型复杂、存储量大，在使用中需要复杂的图形操作，空间拓扑以及空间分析等一系列特有功能，一般的商业化DBMS难以满足。
四、民用数字地图系统的总体设计要求
（一）设计目的
建立一个可用于普通商业民用的，可交互操作、可扩展的网络化数字地图, 重点考虑以下几方面的问题：
1 、数据采集、监测与编辑
主要用于获取数据，保证数字地图数据库中的数据在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性等。
2、数据处理与整合
初步的数据处理主要包括数据格式化、转换、概括。
3、数据存储与组织
这是建立数字地图数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织。栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数据组织方法。在地理数据组织与管理中，最为关键的是如何将空间数据与属性数据融合为一体。
4、空间查询与分析
空间查询是数字地图系统以及许多其它自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分析功能；而空间分析是数字地图系统的核心功能，也是数字地图系统与其它计算机系统的根本区别。
（二）关键技术
1、建立良好的地图坐标体系
逻辑关系
位置关系
坐标系统是GIS 系统的基础，不同的坐标系统相互之间的转换关系在共享不同GIS系统空间数据是起着重要的作用这对空间索引的建立以及后期的空间分析起着基础性作用。
2、 建立合适的数据库（重点是合适的索引）
合适的范式（不能有冗余）
数据库有扩展性（程序中有接口，可由用户自定义数据）
字段有互斥性
合理的数据组织方式
不同的索引方案对应着不同索引机制，在各有优点和缺点的不同索引之间，综合考虑以较小的代价换取较高性能将对后期空间分析起到至关重要得作用，他严重影响着空间分析的性能与效率。
3、 建立良好的缓存机制
（三）设计原则
1、实用性
以能够满足普通商业民用为设计目标，不片面追求技术先进性和功能强大性。
2、成熟性
选择成熟的技术和产品，设计时重点考虑安全性和成本。
3、开放性
考虑到最终产品的通用性，设计时必须考虑适当的开放性，留有接口，以利适用于更广的客户群及二次开发。
（四）功能需求分析
本系统的核心功能需要实现地图浏览、查询定位、统计汇总、及初步的路径分析（推荐最优线路），并要求能和用户已有的管理系统（数据库、监控系统等）结合。
可归纳为四大方面：
（1）后台管理
主要为系统管理员提供管理平台。
（2）客户端模块
各级用户依据权限使用各种业务功能。
（3）数据管理模块
为系统管理员、数据管理员提供的空间数据管理系统。
（4）外部接口
可根据客户需求，实现与GPS、视频监视等系统的互联。
五、系统总体设计方案
（一）系统总体结构
整体结构如下图
（二）软件架构
（1）采用B/S三层结构模式
（2）后台采用双数据库，一个存放空间地理数据，一个是存放综合数据，均采用SQLSERVER 2000。
（3）地图服务采用全球最流行的ARCIMS9和ARCSDE9。
（4）采用ARCIMS9和IIS构成应用服务器的中间层。
（5）ARCIMS9应用服务器使用SERVERLET CONNECTOR。
（6）所有页面设计采用ASP和ASP.NET，数据库连接采用ADO和ADO.NET。
（三）功能设计
功能设计架构
功能设计模块
整个系统分五大模块，分别为基本地图功能、综合信息查询、地理信息智能分析、外部接口、系统维护。所有的子系统都围绕空间地图进行数据的组织和展示。后台采用双数据库，即空间数据库和综合业务数据库，同时留有外部接口，以便和外部已有系统互联，实现功能的扩展，为整个系统的模块化和组件式打下基础。
