基于GeoTools的开源WebGIS在数字城市中的应用研究

摘要近年来，随着计算机技术和因特网的快速发展，我国政府、企业信息化程度不断提高，GIS在“电子政务”、企业管理、大众生活中的应用更加广泛。当前主流的GIS应用开发方式为基于商业GIS软件平台之上进行二次开发，以满足应用的需求。而传统商业GIS软件具有结构复杂、平台依赖性、费用高、功能固定、扩展性差等问题，不能很好满足政府、企业的中小型GIS应用的需要，而开源GIS系列系统、类库、数据库等产品经过20多年的发展逐步发展成熟，一些产品在功能、性能上已经可以和商业GIS软件相媲美，许多已经在实际项目中得到应用，而且利用其开源、免费的特征，可实现用户功能的定制，功能模块化的组织结构也有利于与其他信息系统的融合和扩展，因此，利用开源GIS产品进行中小型GIS应用的开发相比于商业GJS软件更加经济、高效。本文在对GIS的发展历程，体系结构的变迁，开源GIS的发展进行研究的基础上，总结出基于开源GIS产品进行应用开发的独特优势;然后重点对开源GIS中间件GeoTools的功能、结构进行分析，研究了利用GeoTools进行空间数据可视化的方法，并设计出一种基于GeoToolS开发GIS应用的通用框架;该框架基于MVC模式设计，具有良好的可扩展性和松散藕合关系，适合与其他信息系统的融合;最后基于该框架设计并实现了公路管理信息发布平台，在实际GIS应用中利用该框架进行应用的开发和实现，检验了利用开源GIS产品构建应用的可行性，对于开源GIS应用的发展具有一定的指导意义和实践经验。关键词:GIS;开源;GeoTools；软件框架1绪论课题背景及意义地理信息是人类实践活动所认知和获取的地球空间自然和人造目标定位和属性的信息，是指有关地球实体的性质、特征和状态的表征。它具有区域空间的分布性这一本质特征，同时也具有客观存在性、抽象性、综合性、可存储性和可传输性等重要特征，是人类生存和社会发展的基本信息。作为地理信息科学和计算机技术结合的产物，地理信息系统(oeo脚phicInformationsystem，简称015)是一个集地理信息科学、测绘学、制图学、计算机科学于一体的多学科交叉的综合信息系统[ll，涵盖地理空间信息的采集、输入、存储、编辑、处理、分析、显示，利用计算机技术对空间信息数据进行有效的组织管理，并对空间信息进行不同需求的分析、处理，提供数字化输出以满足现实应用中管理、决策和研究的需要，其核心是用计算机来处理和分析地理信息。目前，GIS已逐渐成为一种服务于信息化建设的技术工具，已广泛应用于水利水电、城市规划、交通运输、环境保护与监测、农林牧业等国民生产生活的各个领域中。GIS应用就其应用领域的不同，可分为三大领域:第一类是政府应用，“电子政务”是当今政府加强信息化建设的新方向，是指在现代计算机、网络通信等技术支撑下，政府机构日常办公、信息收集与发布、公共管理等事务在数字化、网络化的环境下进行的国家行政管理形式。GIS已成为很多政府决策部门工作必备的支撑系统之一，在国家水利、电力、林牧业、地矿、交通、资源环境保护等机构己发挥重要作用。第二类是企业应用，随着信息时代的到来，企业的组织、运营、管理也逐渐向信息化方向发展，GIS通过提供可视化地理空间信息服务结合企业管理信息系统，为企业的业务规划、物流等领域提供辅助决策。第三类是大众应用，WebGIS的产生为大众提供了获取地理空间信息服务的平台，通过开放的、操作简单的WebGis服务，满足大众对地理信息的需求，如:方便人们出行的谷歌、百度地图服务。总结当前GIS应用的特点可知，Gis己不再作为单独的、专业的、封闭的系统提供地理数据、空间分析等功能，而是更多的与政府、企业的相关管理信息系统集成，从多角度、多层次为用户提供决策、分析的手段。目前，GIS已逐渐成为一种服务于信息化建设的技术工具，与其他业务系统的无缝集成是Gis应用的活力所在。根据GIS应用的不同开发方式，主要分为三种:一是从头独立开发GIS工具，包括空间数据模型及操作、空间数据可视化过程设计实现、GIS功能设计及实现等;二是基于商用GIS软件平台之上的二次开发，目前知名的商用GIS软件国际厂商包括:ESRI、Maplnfo、Autodesk、Ingergraph，国内有superMap、oeostar、基于GeoToolS的开源GIS应用的研究与实践MaPGIS等，这些商用Gis平台已经实现了关于空间数据建模、空间数据访问、空间分析、空间数据可视化等功能，并对外提供丰富的编程接口，利用这些商用GIS软件平台提供的API，用户可根据实际需要开发GIS应用;三是基于开源GIS产品、中间件、数据库等进行Gis应用的开发，目前较出名的开源GIS产品包括:GRASS、Worldwind、QGis、uDig是功能全面的桌面GIS软件，Geoserver、Mapserver是功能完善的GIS服务器，GcoTools、GDAUoGR是两个出色的GIS中间件，包含多种空间数据格式的访问、空间数据模型的构建、空间拓扑分析的功能。第一种方式由于其投入多、难度大、周期长，在实际Gis应用开发中一般不使用;第二种方式在实际开发中很常见，商用GIS软件平台基于常用开发语言都提供了良好的编程接口，适合专业系统的开发，但应用对于特定商用GIS平台的依赖性破坏了软件开发版权自主性，对多种数据源的支持屏障问题也阻碍其应用的广泛性，GIS功能的确定性使得开发无法完全满足用户实际需求，高额的购买使用价格使其在中小型GIS应用中不够经济;第三种方式目前在实际中应用不多，但有增多的趋势，随着开源Gis的不断发展成熟，一些GIS系统、中间件、类库等产品在功能和性能上与商业GIS软件越来越接近，开源Gis的开放体系结构、开放数据模型、开放空间数据互操作也正符合GIS未来发展的要旨，松散的模块化组织结构利于应用功能的扩展，开源、免费的特征使其拥有广阔的发展前景。随着我国信息化基础建设的高速发展，GIS承载的空间信息服务成为政府职能、企业运转、大众生活中越来越来重要的工具，这也加快了GIS系统与其它信息管理系统的融合，GIS不再是作为一个专业、封闭的系统为地理专业工作者提供服务，而是更多的与其他信息管理系统进行集成，作为一个整合的综合型信息管理系统，满足人们决策、管理的需求。现在，GIS在政府、企业各种信息管理系统中广泛应用，对系统的可移植性、跨平台性、可扩展性、易用性都提出了更高的要求。而目前国内具有自主知识产权的GIS系统平台比较少，只有MapGIS、Geostar等少数fL个产品，大量进口国外GIS系统平台增加了GIS应用开发的成本，另外使用商业软件进行GIS应用二次开发也存在一些垢病，因此，利用数目众多、结构灵活的开源GIS中间件进行开发是一种不错的选择，随着开源Gis产品的不断成熟、丰富，其在实际中的应用会越来越多，本文针对开源GIS产品及其构建方式的研究也具有一定的现实指导意义。1.2国内外研究现状国际地理空间开源基金会(openSourceoeospatialFoundation，简称osoeo)于2006年成立，宗旨为支持开源Gis软件的开发及推动其更广泛的使用，并对开源项目提供法律和资金上的支持，并得到了包括GIS软件商用厂商Antodesk、ESRI等在内的许多企业的赞助，一年一度的开源地理空间软件年会是众多开源GIS技术爱好者、科研人员以及商用GIS企业代表们展示产品、交流合作、探讨GIS未来发展的契机[zl。国外关于开源Gis软件的应用开展的比较早，己有许多开源GIS产品在实际项目中得到了应用。其中，加拿大RefractionsResearch公司是世界领先的开源GIS服务公司，该公司在开源的PostgreSQL数据和GeoTools工具库上，开发了PostGis空间数据库系统和uDig网络GIS系统，基于postGIs、Geoserver、Mapserver、openLayers、Mapguide、uDig、Openjump灵活组合，为美国、加拿大政府和企业完成了许多项目，并长期进行开发培训和技术服务。以下是该公司主导下开发的项目。希腊出租物业搜索网—Rento，系统采用PostGis和插件扩展开发，支持以空间范围和自然语言检索希腊出租物业，Rento每分钟接受和处理数百个查询请求，用户可以使用类似“雅典大学附近的公寓”或“地铁站附近不超过800欧元的阁楼”等自然语言，迅速查找到目标物业。加拿大人口Web地图系统，管理人口信息数据库，支持各种人口数据分析与制表。采用开源M叩Server地图引擎，为VISTA系统开发了地图查询、显示、生成统计表格、曲线、专题图等功能，并可以以PDF格式输出。AT&T公司开源Web地图系统，管理代理商分布和信号覆盖区域，供内部销售人员使用。采用oeoserve:和PostGIS实现。滑坡报告Web系统，要求林木公司报告伐木场所的滑坡状况和现场及周边栖息地的影响。为了保证报告符合标准、减少错误，系统设计为web方式，使用开源软件PostGIS进行开发。系统提供滑坡报告录入界面并审核是否符合标准，相关的空间信息，如滑坡面积、森林面积、影响区域等都有系统自动生成。国内关于开源GIS产品的研究和应用都还处于起步阶段，己有不少科研学者、研究生从事相关的工作。文献3中作者提出使用GcoTools实现WebGIS应用软件的一种方法，客户端采用apPlet方式，在apPlet中调用GcoTools类库实现对远程资源的空间数据访问，使用JDBC实现对属性数据的访问。该方法简化了WebGIS的构建结构，降低了开发成本，维护方便，在城市供水管网数据查询软件中有所应用。文献4中作者提出一科，多层次WebGIS架构，实现国土资源数据网络发布平台，利用GeotoolS构建空间服务器，完成空间数据的访问和分析，利用JZEEServlet技术构建应用服务层，完成用户请求的解析和处理，利用Ajax技术构建客户端，完成用户操作请求和响应处理。目前国内还缺少自主的开源空间信息项目，对国外优秀的升源Gis产品项目的研究也不多，利用开源GIS项目进行应用开发的也不多。因此，对开源GIS产品在现实中应用的可行性和构建方式的研究是一个很有现实意义的研究方向，也是学习Gis的一种有效的途径。1.3论文主要研究内容随着我国信息化建设的不断深入，Gis系统作为子系统在电子政务系统、企业管理系统中的应用越来越普遍，传统GIS应用大多是基于商用Gls软件平台上的二次开发，近年来，开源GIS产品的成熟发展给Gis应用开发提出了新的构建方式—利用开源Gis软件构建实际应用。本文主要就利用开源GIS产品构建GIS应用的可行性进行研究，探讨了几种开源Gis的构建方式，深入分析了开源中间件GcoTools的组织结构、功能及开发方式，在公路管理系统项目中进行系统设计，利用GcoToofs中间件开发实现GIS功能，并对空间数据显示效率进行了优化，对性能进行比较分析，是开源Gls在应用中一次有意义的尝试。论文的研究工作从以下几个方面分别展开:(1)研究Gis的发展历程，典型体系结构，开源Gis的应用和发展情况。(2)重点对开源中间件GcoTools的结构、功能进行分析，对JTs的功能、结构进行分析，为后续Gis框架的提出做理论铺垫。(3)空间数据可视化是Gis的重要功能，本文对基于GcoToofs的空间数据可视化处理的流程进行深入研究，并提出一种基于GcoTools的GIS应用开发的框架。(4)基于实际项目需求，采用面向对象及多层次结构设计了公路管理信息发布平台，并采用设计的框架开发应用，完成GIS功能操作，实现系统功能，包括:地图浏览、图层操作、空间查询、属性查询、距离面积计算、路段打桩、道路视频管理等。4论文组织结构论文主体部分包括6章内容，组织结构如下:第1章为绪论，主要内容包括:课题研究背景、国内外GIS研究现状、沦文主要的研究内容和论文的组织结构。第2章为Gis技术概述，主要内容包括:Gis简介、GIS的发展历程、月几源GIS技术。第3章为GeoTools技术研究，主要包括:O