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以GIS为核心的数字化成图系统的设计与实现
[摘要]
本文阐述了基于组件式GIS来开发以GIS为核心的数字化成图系统的优越性，以及以GIS为核心的数字化成图系统的设计目标和基础地形要素的编码方案。文中还结合SuperMap Survey的开发过程，介绍了如何设计与实现基于GIS内核的专业数字化成图系统。
It’s necessary to develop a Digital Mapping System(DMS) specially for GIS to solve problems resulting from data conversion between DMS and GIS.In this paper,The advantages of development DMS for GIS based on Components GIS(ComGIS) technology are discussed.In addition,the goals for DMS for GIS are listed and how to encode GIS entities is also explained.Specially,SuperMap Survey is used to discuss the details for develop DMS for GIS.
[关键词]
数字化成图系统 以GIS为核心 组件式GIS 设计目标 SuperMap Survey
Digital Mapping System,for GIS,Component GIS,Goals,SuperMap Survey
1． 引言
数字化成图技术是目前最为常用的成图技术之一,数字化成图系统所提供的电子数据也是GIS一个非常重要的数据来源。数字化成图系统所提供的电子数据与GIS数据之间的无缝联接问题也是当前GIS发展亟需解决的难点问题之一。虽然当前国内外市场上数字化成图系统很多，但到目前为止，都未能很好地解决现有的问题。数字化成图系统所提交的电子数据进入GIS后存在的问题主要表现在：
（1） 在数据转换过程中普遍存在着信息损失。由于传统的数字化成图系统大多是基于CAD内核来开发的，它偏重于对空间几何信息的描述；而GIS则要求空间信息与属性信息联合存储与管理，这就导致了在数据转换的过程中，不仅空间信息会有损失，属性信息损失的情况会更严重。
（2） 数据转入后往往不能直接满足GIS的要求，仍需要大量的后期编辑工作，造成了资源的浪费，延长了系统的建设周期。
（3） GIS基础数据库的维护与更新的难度较大。由于在维护与更新的过程中需要在GIS与数字化成图系统之间进行频繁的数据转换，往往不能直接对基础数据库进行操作，造成了基础数据维护与更新的不便。
（4） 在数据转换的过程中，除了信息损失外，还往往伴随着数据膨胀。数据膨胀的结果有时会导致GIS无法对这些“海量”数据进行管理。
导致上述问题的原因有很多，归纳起来，主要有以下几方面的原因：
（1） 数据的复杂性与多样性。主要表现为现实世界的复杂性与多样性以及对同一空间对象在不同成图系统中描述与表达的不一致性。
（2） 对GIS理解的不同。不同的数字化成图系统的开发人员对GIS理解的不同，再加上缺乏相应的统一标准作为参照，这就导致了数据在表达上的差异性。
（3） 由于受到基础开发平台及开发力量的限制，数字化成图系统往往不能很好地兼顾到GIS对数据的要求。目前，绝大多数的数字化成图系统的开发商都不是GIS基础平台的开发商，这也或多或少地影响了数字化成图系统与GIS之间的沟通。
目前，市场上数字化成图系统较多，按其开发方式来分，主要可以分为两大类：（1）以CAD系统为二次开发平台。这些系统很好地利用了CAD系统灵活的编辑和强大的制图功能，但由于CAD系统与GIS在数据结构上存在着较大的差异，这使得其数据往往不能很好地满足GIS的要求。（2）独立平台的数字化成图系统。这样的系统在开发上虽然不必拘泥于二次开发开台的限制，在开发上具有较大的灵活性。但开发这样的系统，需要完全从底层做起，开发难度高，周期长，投资大。 组件式GIS（Components GIS，ComGIS）技术的出现，为开发以GIS为核心的数字化成图系统提供了一种新的开发手段和开发思路。
2. ComGIS技术及其作为数字化成图系统开发平台的优越性
2.1 什么是组件式GIS技术
组件式软件技术已经成为当今软件技术的潮流之一。基于组件开发(Component-Based Development，简称CBD)是软件开发的一次革命。与诸如面向对象和客户/服务器(Client/Server)等新趋势不同，基于组件开发不只是一种分布计算的新花样，而是一种广泛的体系结构，支持包括设计、开发和部署在内的整个生命周期计算的理念。
由于基于组件开发具有高度的重用性和互用性，所以它将影响应用程序构成的各个方面，包括所有类型的客户机，应用程序服务器和数据库服务器，将对应用程序开发的各个方面产生深刻影响。
基于组件开发的两个重要规范分别是MicroSoft的COM/DCOM和OMG的CORBA。目前Microsoft的COM/DCOM占市场领导地位，已经得到广泛应用，并逐渐成为业界事实上的标准。基于COM/DCOM，MicroSoft推出了ActiveX技术，ActiveX控件是当今可视化程序设计中应用最为广泛的标准组件。
所谓组件式GIS，是指基于组件对象平台，以一组具有某种标准通信接口的、允许跨语言应用的组件提供的GIS。这种组件称为GIS组件，GIS组件之间以及GIS组件与其他组件之间可以通过标准的通信接口实现交互，这种交互甚至可以跨计算机实现。
目前，国内外GIS厂商对组件式GIS平台的发展前景十分看好，纷纷推出了各自的GIS产品。如北京超图地理信息技术有限公司推出的全组件式GIS平台SuperMap2000、北京图原公司开发的MapEngineer、ESRI的MapObjects、MapInfo的MapX等。值得欣慰的是，国产的组件式GIS平台在功能上已经完全可以与国外同类产品相抗衡，在许多方面甚至优于国外同类产品，这使得开发以GIS为核心的数字化成图系统有了更大的选择空间。
2.2 使用组件式GIS开发数字化成图系统的优越性
组件式GIS的出现为开发以GIS为核心的数字化成图系统提供了一种新的开发手段，与传统的开发手段相比较，其优越性主要表现在：
（1） 组件式GIS本身就是一个完整的GIS，其数据模型与GIS的数据模型完全一致。基于此进行开发，可以保证数字化成图系统与GIS之间具有良好的兼容性。
（2） 组件式GIS具有灵活的开发手段。我们可以自由选择自己所熟悉的计算机语言进行开发（如VB，VC，Delphi,C Builder等），而不必专门学习二次开发语言。组件式GIS提供两种不同层次上的开发，一是基于ActiveX控件进行开发；二是直接基于组件式GIS的底层类库（SDK）进行开发。我们可以根据自己的需要灵活选择。
（3） 由于组件式GIS完全封装了GIS的功能，这使是开发人员可以完全专注于专业功能的实现，这就使得开发难度和开发周期大大降低。
（4） 基于组件式GIS开发的数字化成图系统具有良好的可扩充性。组件式GIS可以与包括数字化成图系统在内的其他系统无缝集成，开发人员可以直接使用已经写好的程序代码；组件式GIS平台往往由多个组件组成，开发人员可以根据系统的需要，随时选用新的组件对系统进行升级；在组件平台功能增强的情况下，开发人员甚至不用重新编译整个程序就可直接使用增强的底层功能，这就大大降低了系统维护和升级的难度。
表1 使用ComGIS的开发手段与传统的开发手段的比较
比较内容\开发手段 基于ComGIS平台 基于CAD平台 完全由底层开发
与GIS的兼容性 完全兼容 差 一般
是否以GIS为核心 是 否 很难做到
对空间数据库的支持 好 很差 差
开发难度 低 低 高
开发周期 短 短 长
开发投资 小 小 大
可扩展性 好 一般 较好
开发语言的选择 很多 少 很多
是否支持可视化开发 是 否 是
是否自主版权 是 否 是
3 以GIS为核心的数字化成图系统的设计
3.1 系统的设计目标
传统的数字化成图系统经过多年的发展，已经形成了一套比较完整的理论和技术体系。但是，GIS技术的飞速发展和广泛应用，对数字化成图系统提出了更高的要求，ComGIS技术的出现为传统的数字化成图系统向以GIS为核心的数字化成图系统的转变提供了一个较为理想的开发手段。与传统的数字化成图系统相相比较，以GIS为核心的数字化成图系统在设计上需要达到以下目标：
（1） 以GIS为核心，面向GIS。这就要求在系统的开发过程中充分考虑GIS对数据的要求，解决当前成图系统数据进入GIS所存在的问题。以GIS为核心是整个系统设计的灵魂和精华所在。
（2） 兼顾制图与GIS的双重需求。在满足GIS需要的同时，还必须考虑到制图对于数据表达的要求，其核心是实体的符号化表达。
（3） 开放性设计。不同地区、不同的GIS对数据的要求千差万别，这就要求数字化成图系统具有较大的灵活性和可定制性，以不变应万变。可定制性的内容应包括实体代码、实体属性、实体分层等。
（4） 对空间数据库的支持。近几年来，基于大型关系型数据库（如Oracle,SQL Sever等）的空间数据库技术在GIS工程建设中得到了广泛的应用，如何直接基于空间数据库进行数据的存储、管理、维护与更新是急需解决的问题之一。
（5） 多源数据集成。当前，数字化成图系统的电子数据格式和GIS的数据格式很多，数字化成图系统如果以对这些数据格式有着良好的支持，这会大大降低数据入库的难度，解决GIS工程建设中的数据瓶颈问题。
（6） 操作简便，符合作业人员的作业习惯。面向GIS进行数字化成图系统，工作量的增加是不可避免的。以GIS为核心的数字化成图系统必须提供高效简便的操作方式，以提高作业效率。
（7） 标准化与规范化。
3.2基础地形数据编码的设计
地形数据编码是在GIS中唯一标识某一地物的关键字。基础地形数据编码的设计也是在GIS中进行制图的需要,也是实现基础空间信息共享的基础。基础地形数据的编码是开发以GIS为核心的数字化成图系统的基础，是系统成败的关键之一。在进行基础地形数据编码设计时，必须遵循几个原则：（1）遵从国家和行业标准。（2）方便应用。用户可根据不同的需求，分层和按专题要素提取基础地形要素信息，随意定制专题显示及输出。（3）系统实现便利。在实际进行设计时，可在《国家基础地形要素编码》的基础上加以扩充，以满足系统的实际需要。
在实际系统的开发中，我们采用了基于实体特征的城市基础地理信息分类编码方案。该方案的特点是在地理要素分类的基础上，加入构成地理要素的实体的分类与特征属性，能够较好地满足GIS制图与分析的应用需求。有关该编码的详细内容可参考《基于实体特征的城市基础地理信息分类编码方案》（梁军，金文华）一文，本文不再赘述。
下面是一个地形要素的编码示例
编码 = 地形要素分类码（4位） 地形要素特征码
如： 1 1 1 0 2 0 （三角点点状符号的编码）
3.3 系统的功能设计
在功能设计上，以GIS为核心的数字化成图系统必须兼顾制图与GIS的双重需求。按其工作流程，可将其划分为以下几个模块：
（1） 数据输入模块。在此模块中，应支持目前常见的几种数据采集手段。包括:野外数字化测图（测绘）、扫描图矢量化、其他格式的电子数据（GIS数据和CAD数据）转入。在数据输入模块中，还需支持空间数据库作为其数据源。
（2） 编辑模块。这是以GIS为核心的数字化成图系统的核心模块。在编辑模块中，所有GIS实体的创建过程都必须是由系统完全封装而且是自动完成的。
（3） 查询、统计与分析。基于现有系统，可以直接完成一些常见的、简单的查询、统计与分析功能。
（4） 输出模块。包括几个方面的内容：制图输出、报表输出、其他格式的GIS数据输出、数据直接存入空间数据库。
4.以GIS为核心的数字化成图系统SuperMap Survey的实现
4.1 组件式GIS平台的选择
SuperMap Survey是北京超图地理信息技术有限公司开发的一套完全以GIS为核心的数字化成图系统。在组件式GIS平台的选择上，我们选择了全组件式GIS平台---SuperMap2000作为SuperMap Survey的开发平台。SuperMap2000是北京超图地理信息技术有限公司推出的全组件式GIS平台，与其他的ComGIS平台相比较，SuperMap2000更加适合作为以GIS为核心的数字化成图系统开发的基础平台，这主要是因为：
u SuperMap提供了两种层次的开发手段：ActiveX控件和SDK。特别是提供SDK的开发手段，特别适合开发这样的系统。
u 多组件组成。SuperMap2000由SuperMap核心控件、SuperWorkspace、SuperLegend、SuperTopo、Super3D、SuperLayout等多个组件，在组件的选择上具有很大的灵活性，使得整个系统的扩充性大大增强。
u 开放的线型和符号制作功能。SuperMap 2000 内置功能强大的线型编辑器和符号编辑器，允许用户根据专业需要设计新的线型和符号。
u 强大的制图、编辑和捕捉功能。SuperMap2000提供了可与CAD相媲美的编辑和捕捉功能，缩小了GIS和CAD系统在这方面的差距。
u 独特的多源空间数据无缝集成技术（SIMS）。SuperMap 2000 的数据转换功能可以方便地共享其他GIS软件平台的地理数据，提供了转换多种数据格式的能力。
u 空间数据库支持。通过SuperMap的空间数据库引擎，可以直接支持基于大型关系型数据库（如Oracle,SQL Server等）存储和管理空间数据。
4.2 SuperMap Survey的实现
在开发SuperMap Survey的时候，我们采用了SuperMap的底层SDK，编程语言采用了Visual C 6.0。在SuperMap SDK的支持下，我们针对数字化成图系统的需要进行了功能的扩充。在数据的存储结构上，我们采用了SuperMap2000所提供的SDB格式的数据存储结构，它是最大优点是采用双文件结构，而不是常见的一层一组文件的存储方式，这样就有利于保持数据的完整性。在编辑制图方面，我们对SuperMap底层所提供的编辑功能作了进一步的扩充，增加了适合数字化成图所需要的编辑功能。系统对于空间数据库的支持和其他格式GIS数据的支持，是基于SuperMap2000的空间数据库技术和SIMS技术来实现的。
经过紧张的开发，我们基于SuperMap2000的SDK，现已初步完成了以GIS为核心的数字化成图系统的开发工作，基本上实现了系统的设计目标。在SuperMap Survey中，我们实现了以下功能：
（1） 支持常用的测绘手段进行野外数字化测图。包括测记法（包括电子手簿），内外业一体化数据采集（电子平板）。利用SuperMap Survey可进行常规的大比例尺数字化测图。
（2） 扫描图矢量化。SuperMap Survey支持常见图像格式的图像调入、配准、切边、配准和屏幕矢量化。
（3） 支持基于SQL Server和Oracle等的空间数据库操作。可直接编辑数据库中的数据。
（4） 支持多种格式的GIS数据和CAD数据的导入和导出。
（5） 适合数字化成图系统的编辑和捕捉功能。完全自动化的GIS实体创建。专为地籍测量定制的地籍测量模块。
（6） 提供最为常用的GIS查询、统计和分析功能。
（7） 基于模板的标准图件输出。
（8） 开放性设计。使用SuperMap Survey所提供的参数管理程序可方便地定制各种参数。
图1 基于SuperMap2000开发的以GIS为核心的数字化成图系统
五 结论
以GIS为核心的数字化成图系统的开发，较好地解决了传统的数字化成图系统所提供的电子数据进入GIS所存在的问题，在实际应用中取得了良好的效果。
在系统开发的过程中，我们深深地体会到，以ComGIS作为数字化成图系统的开发平台，与传统的开发技术相比较，开发难度适中，开发周期短，开发投资小，与GIS的兼容性好，是开发以GIS为核心的数字化成图系统的理想选择。
[参考文献]
[1]陈述彭等，《地理信息系统导论》，科学出版社，北京，2000.1
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[4]中科院地理信息产业发展中心，《杭州市土地信息系统基础地形信息编码与分层方案》，2000.2
[5]北京超图地理信息技术有限公司，《理解SuperMap GIS》，2000.9
图片不知道怎么发上来
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农田地理信息系统是实现精准农业概念的核心系统，管理精准农业所有信息，进行农作物空间分析，给出准确可靠的农事操作方案。目前用于精准农业的地理信息系统在国内尚未见报道，除一般地理信息系统的功能外，要建立适合我国国情的、今后可以推广的精准农业地理信息系统，重点需要解决：（1）适合精准农业的数据库应用；（2）适合精准农业的空间分析系统；（3）与信息采集、遥感信息、农机控制等的接口。
农田GIS 数据库系统
数据库是精准农业农田地理信息系统的基础，数据来源于地理背景、本底调查、实时农田采集、以及经济的数据，主要的数据库有：
（1）地理背景数据库：试验示范地在北京的位置（行政区），试验示范地在小汤山镇的位置（行政区），1：1000地形图和全要素底图，农业设施，科学（气象站）、境界，地形，和土地利用（耕地、园地、林地、草地等）等；
（2）GPS数据库：GPS控制点，土壤、环境、水分等采样点的GPS点数据；
（3）土壤数据库：土壤类型、土壤剖面、土壤质地、耕作层与A层厚度、土壤养分淋洗等、土壤容重、土壤养分（土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾）、土壤微量元素（硼、锰、铜、锌等）、土壤含水量、土壤渗透性、田间持水量数据等，与地理背景数据叠加可以形成土壤要素空间分布图，不同深度土壤图等；
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（8）化肥农药数据库：品名、价格、形状、作用等；
（9）影像数据库：航片、卫星数据等；
精准农业的空间分析系统
精准农业需要特别的程序进行空间分析，以决策施肥、灌溉、播种、除草、灭虫等农事操作，要开发适合我国国情的空间分析软件。这种空间分析有：
（1）作物产量空间分布；
（2）土壤养分的空间分布；
（3）土壤水分空间分布；
（4）土壤微量元素空间分析；
（5）作物需求空间分析；
（6）环境空间分析等。
以及综合分析。它是专家系统的信息源之一，也是专家系统决策结果的空间分布载体，系统必须达到准确可靠，便于农业机械执行。
"精准农业"最先应用于发达国家的大型农场，它最基础的技术路线和原则是在充分了解土地资源和作物群体的基础上，因地制宜地根据田间每一操作单元的具体情况，精细准确地调整各项管理措施和各项物资投入的量，获取最大的经济效益。因此，它也适用于以县、乡(镇)、村为单元的我国农业生产。由传统模式逐步向发达国家精准农业发展模式转变过程中，GIS有着巨大作用。 GIS可以被用于农田土地数据管理,查询土壤、自然条件、作物苗情、作物产量等数据，并能够方便地绘制各种农业专题地图，也能采集、编辑、统计分析不同类型的空间数据，在精准农业中GIS可以应用于绘制作物产量分布图和进行农业专题地图分析。通过GIS提供的覆合叠加功能将不同农业专题数据组合在一起，形成新的数据集。例如,将土壤类型、地形、作物覆盖数据采用覆合叠加,建立三者在空间上的联系，可以很容易分析出土壤类型、地形、作物覆盖之间的关系。
目前地理信息系统已经进入了新的发展阶段,成为一种包括硬件生产、软件研制、数据采集、空间分析及咨询服务的新兴信息产业。GIS技术的发展一方面是基于Client/Server结构,即客户机可在其终端上调用在服务器上的数据和程序。另一方面是通过互联网络发展InternetGIS或Web-GIS，可以实现远程寻找所需要的各种地理空间数据，包括图形和图像，而且可以进行各种地理空间分析。这种发展是通过现代通讯技术使GIS进一步与信息高速公路相接轨，而且借助于通讯技术，可以将遥感（RS）、全球定位系统（GPS）和地理信息系统（GIS）有机地集成起来，成为各行各业，包括农业发展和进步的有力技术手段。
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gis应用的八件新衣！
目前，GIS的应用是以政府部门为主体，未来，面向企业以及大众的信息服务将成为GIS应用新的增长点。
地理信息技术的发展必须依据新的要求和标准，GIS在各行业的应用模式也需要改革和创新。总体来说，GIS应用将向智能化、规模化、集成化、一体化以及产业化五个方面深化发展。GIS在以下几方面的应用，很早就已开始，但是其创新空间仍然非常巨大。
GIS与智能交通
基于GIS的智能交通不仅能够通过图形的形式记述道路通行状况、迅速定位事故点、调度抢修车辆，以及提供交通疏散的方案等，还能够为这些信息的深层次挖掘、后续信息服务、辅助决策提供空间属性上的支持。具体应用包括监控、设施管理、车辆调度指挥、应急救援系统等。
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3S（RS、GIS、GPS）技术，尤其是GIS技术在农业的各个领域得到广泛的应用，农业部的多个业务部门纷纷构建了各自的应用系统。未来的农业应用将更多涉及精细农业、农作物监测及估产、农田水淹没分析以及绿色农业等方面。
精细农业: 通过分析影响小区产量差异的原因，制定经济、合理的生产决策方案，生成作物管理处方图，指导农田定位作业。
农作物监测及估产: 充分运用3S技术，较准确地估测出各种作物的最终产量，并跟踪监测各类作物在不同生长期的长势，从而根据需要及时采取有效措施，对农作物的生长进行监控，保证当年产量的稳定增长。
农田水淹没分析: 利用 GIS 和遥感技术，实现农田水淹没分析，评估农田损失情况。
绿色农业: 进行绿色农业工程，对所有农田的土壤重金属含量进行 GIS 分析，对绿色农作物的生产进行决策。