【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)在各行各業(yè)的應用越來越廣泛，應用逐步向深度、廣度發(fā)展，這就需要一個簡單易用、功能強大、性能完整的地圖解決方案。而隨著計算機網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展， Inter/Intra 的普及，基于 Web 的地圖服務越來越受到人們的青睞。 WEB 地圖發(fā)布的平臺多種多樣。 Esri 公司作為地理信息系統(tǒng)應用的主流服務商，提供的 產(chǎn)品被許多顧客青睞，指定必須使用其公司產(chǎn)品。其提供的 ArcIMS 是一個基于服務器的產(chǎn)品，它提供了一個用于在網(wǎng)頁上發(fā)布 GIS 數(shù)據(jù)和服務的分層框項目可行性研究報告 16 架結構。 ArcIMS 使得網(wǎng)站提供 GIS 數(shù)據(jù)、交互式地圖、元數(shù)據(jù)目錄以及目標 GIS應用成為可能。但其提供的 ARCIMS 產(chǎn)品定位為簡單地圖發(fā)布，并不能滿足我們地圖功能的需求，比如等值線、渲染圖、地圖的復合標注等。而性能完整、具有分析功能的產(chǎn)品 ARCGIS Server 價格高昂。為降低產(chǎn)品生產(chǎn)風險，保護投資者利益，我們在技術實現(xiàn)過程中采用 ArcIMS 作為 WebGIS 的服務平臺 ，再對其進行二次開發(fā)，封裝地圖實現(xiàn)的細節(jié)，擴展其功能，將業(yè)務邏輯與技術實現(xiàn)分離，降低開發(fā)難度，使業(yè)務開發(fā)人員無需了解 ArcIMS 相關技術，并獲得較好的分析功能。 1. ArcIMS 的體系結構及特點 一、 ArcIMS 體系結構 ArcIMS 是 ESRI 公司的第二代 WebGIS 平臺軟件，用于滿足在 Intra/Inter上提供地理數(shù)據(jù)和服務的需要。 ArcIMS 的體系結構專為 Inter 的應用設計開發(fā)。他適用于小型的 Intra 站點，同樣可以根據(jù)需要來擴展以滿足企業(yè)級系統(tǒng)或電子商務站點的需要。當站點 需求增加時， ArcIMS 可以伸縮配置以滿足服務器端的要求。新的空間服務器可以快速地加到原有的虛擬服務器中。 ArcIMS 是一個由客戶端部件和服務器端部件組成的分布式系統(tǒng)?？蛻艚?jīng)過 Inter 或 Intra 服務器向 ArcIMS 發(fā)出請求信息 ,ArcIMS 服務器處理該請求，并將結果返回到客戶瀏覽器。 ArcIMS 的體系結構如下圖 26 所示 : 圖 26 ArcIMS的體系結構 (1)服務器端部件 服務器端由邏輯事務層的部件組成： ArcIMS 應用服務器連接器，應用服務器，空間服務器和管理器以及 Web 服務器。服務器端的部件用來處理請求，創(chuàng)建、運行項目可行性研究報告 17 地圖服務和管理站點。 當 Web 服務器接到請求時，交由三個 ArcIMS 應用服務器連接器 (Servlet、ColdFusion、 ActiveX)中的一個繼續(xù)處理。由 Servlet 連接器處理完的 ArcIMS 的請求被迅速地交給 ArcIMS 應用服務器。應用服務器負責負載分發(fā)并跟蹤記錄哪個地圖服務運行在哪個空間服務器上。當使用 ColdFusion 和 ASP 時，請求相應地交給ColdFusion 和 ASP 應用服務器。處理過的請求通過連接器交給應用服務器。 ArcIMS 的核心是空間 服務器。服務器提供五種功能：影像表達，矢量數(shù)據(jù)流，地址匹配，查詢和數(shù)據(jù)提取。空間服務器并不被直接訪問而是通過虛擬服務器 ,虛擬服務器為了管理的方便由一個或多個空間服務器組成。對某個地圖服務的請求由指派給該地圖服務的虛擬服務器組中的一個空間服務器來完成。 ArcIMS 監(jiān)控器（ Monitor）和 ArcIMS 任務分配器（ Tasker），作為兩個中間進程在后臺運行，支持 ArcIMS 空間服務器。它們可以作為 Windows NT 的服務或者UNIX 的后臺進程存在。 （ 2） 客戶端部件 ArcIMS 支持 HTML Viewer 和 Java Viewer。在 ArcIMS 軟件包中包含三種Viewers： ArcXML 客戶端， HTML/DHTML Viewers 和包括 ArcExplorer 3 在內(nèi)的 Java Viewers。 Java Viewer 使用 Java 2 Applet 并同時支持影像和矢量地圖服務。 Java Viewer提供更豐富的客戶端的處理能力，支持矢量數(shù)據(jù)流，同時支持多個地圖服務以及在同一窗口加入本地數(shù)據(jù)。 HTML Viewer 是瘦客戶端，但同時只支持一個影像地圖服務。 HTML Viewer 可以使用 Servlet 連接器，也可以利用 ColdFusion 和 ActiveX 連接器。 二、 ArcIMS 的特點 (1)簡單的基于向導的界面 ArcIMS 在創(chuàng)建、設計、管理 GIS 站點上提出了一套簡便易行的解決方案。它的便捷然而強大的管理構架可以幫助你完成建立 Web 服務以及優(yōu)化站點的工作。 (2)強大的智能化的客戶端 ArcIMS 同時推出 HTML 和 Java 兩種版本的強大的客戶端。 ArcIMS Java 客戶項目可行性研究報告 18 端支持真正的客戶服務器方式，它允許客戶直接使用本地緩沖中的數(shù)據(jù)，許多操作可以直接在客戶端快速高效地執(zhí)行。 (3)地圖編輯和地圖注 釋功能 ArcIMS 客戶端還支持動態(tài)地編輯和標注地圖信息。它允許用戶將編輯結果返回給服務器，并幫助記錄下對服務器端數(shù)據(jù)庫所做的改變。地圖注釋功能還允許在地圖上標注符號用來提示其他人的注意或以備今后查看，這大大提高了網(wǎng)上 GIS 數(shù)據(jù)的交互能力。 (4)方便的定制功能 ArcIMS 的客戶端可以通過標準語言如 VBScript 和 JavaScript 方便地定制以適用于不同的功能需求。它可以為最終用戶和希望自己定制界面和應用的開發(fā)商提供廣闊的空間。 (5)高質(zhì)量的制圖顯示功能 由于 ArcIMS 支持矢量數(shù)據(jù)流，因此獲得了更 清晰的屏幕顯示效果。 (6)開放的、可伸縮的結構 ArcIMS 獨特的結構提供了一個開放的、靈活的平臺。你可以很容易地擴展原有的網(wǎng)上 GIS 應用，無須重新構建。此外， ArcIMS 與很多其他流行的 Inter 技術兼容，如 ColdFusion, Microsoft Transaction Server, Active Server Pages 等。 對 ArcIMS 的二次開發(fā) 在項目實施過程中，我們需要實現(xiàn)一些基于地理信息系統(tǒng)的分析功能，例如等值線等。但咨詢了 ESRI 公司的有關技術人員后得知，在 ArcIms 地圖發(fā)布平臺上，很難實現(xiàn)這些分析功能，只有 ArcGis server 才具有這些性能。但是 ArcGis Server高昂的價格將使我們的產(chǎn)品生產(chǎn)成本加大，同時使我們產(chǎn)品的市場競爭力降低。經(jīng)過技術研究、評估，我們認為使用 Java 對 ArcIms 進行二次開發(fā)是可行的。 一、實現(xiàn)目標和模式 采用構件技術，基于 ArcIms 進行二次封裝。對簡單操作和復雜運算功能都進行封裝，業(yè)務開發(fā)人員只需了解函數(shù)的使用，即可開發(fā)出專業(yè)的應用系統(tǒng)，大大提高開發(fā)效率，并且無需了解 ArcIMS 相關技術。需要達到的目標如下： 項目可行性研究報告 19 采用內(nèi)存共享 和高效的圖像壓縮技術，可以完全滿足低速網(wǎng)絡訪問的需要； 適應多用戶訪問； 地圖控制功能：包括放大、縮小、地圖漫游、全圖顯示、顯示圖層控制； 查詢功能：包括點查詢、矩形查詢等； 地圖標注功能：包括單個（智能）標注、復合標注以及動態(tài)標注； 等值線和等值面的制作功能。 Java 對 ArcIMS 開發(fā)有兩種模式，一種是 Bean，另一種是標簽，這兩種模式一般都是使用 JSP 作為顯示層。我們將使用 Bean 的模式開發(fā)， ArcIMS 提供了對地圖操作的類以及 JSP 開發(fā) ArcIMS 的例子。我們的目的是將原有的類進行封裝，使得每 個功能的使用變得簡單，并添加相應的地圖分析功能，如等值線、渲染圖。 二、實現(xiàn)簡介及其類設計 我們在開發(fā)過程中參考了 ESRI公司提供的 JSP(使用 JavaConnector classes API)開發(fā) ArcIMS 例子，以下是開發(fā)技術難點解決方法： a 二次封裝大部分開發(fā)使用了 Java 開發(fā) ArcIMS 的 API，即 JavaConnector Classes API, 在用戶安裝 ArcIms 時必須選擇安裝連接器 Java Connector(非默認安裝 )。 b 等值線、等值面 shape 文件的生成使用了 MapObjects Classes API 的接口。 c 為解決多用戶的問題，為每個用戶建立一個地圖對象，并且開辟一個工作目錄，用戶的操作如制作等值線、渲染圖等都在自己的目錄下進行，彼此不受影響。 下圖為具體的類設計圖。從圖 27（ 1） 可以看出，地圖擁有多個圖層 (即圖層集合 )，而圖層又擁有多個元素，換言之，地圖實質(zhì)是根對象，圖層為地圖的子對象，元素又是圖層的子對象。所有的操作都從地圖出發(fā)。 項目可行性研究報告 20 圖 27（ 1）地圖、圖層、元素關系附屬圖 圖 27（ 2） 地圖類涉及 項目可行性研究報告 21 地圖套件將雙調(diào) 和方程模型應用于等值線生成過程的關鍵步驟 —— 網(wǎng)格生成 ,從本質(zhì)上克服了以往算法存在的缺點。 一、等值線繪制的通常方法 等值線的繪制，在水利、土木、地質(zhì)等工程和技術領域內(nèi)有著極其廣泛的應用。在許多實際應用中，我們能得到的數(shù)據(jù)集往往是散亂分布且較為稀疏的。例如：在分析某區(qū)域降雨量時，數(shù)據(jù)只能由地理位置分布散亂、數(shù)目不可能很多的觀察站提供數(shù)據(jù)。人們?yōu)檠芯科渥兓?guī)律，得到形象的全局概念，將繪制等值線作為重要的手段之一。 等值線生成的一般步驟為：離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化、三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)生成和等值線追蹤。其中三維網(wǎng)格 數(shù)據(jù)生成是最關鍵的步驟，直接影響等值線生成的效果和速度。這里，筆者采用的網(wǎng)格為正方形網(wǎng)格。與三角網(wǎng)格相比，正方形網(wǎng)格更為直觀，直接與直角坐標對應，生成的正方形網(wǎng)格除了可用于生成等值線，還可方便地用于其它數(shù)據(jù)分析，如生成渲染圖等。 在傳統(tǒng)地等值線繪制過程中，一般采用代數(shù)插值法生成網(wǎng)格，其原理為根據(jù)邊界點（采樣數(shù)據(jù)點）的值，通過代數(shù)方法對網(wǎng)格點數(shù)據(jù)進行插值。如：距離平方倒數(shù)法、趨勢面法、克立格法等。雖然這些方法比較簡單，但邊界點上的不連續(xù)性易導致內(nèi)部點誤差，同時得到的插值結果不位于同一光滑曲面上，其結果 是生成的等值線分布不協(xié)調(diào)，甚至會出現(xiàn)等值線相交的情況。 本地圖套件引入雙調(diào)和方程模型生成三維網(wǎng)格的方法，不僅徹底解決了代數(shù)插值的弊端，而且有以下的優(yōu)點：得到的偏微分方程解為多階可微的連續(xù)函數(shù)，具有極佳的光滑性；可在任意坐標點上生成數(shù)據(jù)，使得網(wǎng)格的密度和區(qū)域劃分具有靈活的可控性。例如：為了繪制某一地區(qū)降雨量等值線，我們可以充分利用全省觀測站的數(shù)據(jù)集擬合曲面模型，再在該地區(qū)的范圍內(nèi)進行高密的網(wǎng)格數(shù)據(jù)插值，這樣既充分利用了全局數(shù)據(jù)，使曲面模型更為合理，同時又不必生成該地區(qū)范圍以外的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，大大地提高了等 值線生成的效率，具有很高的實用價值。 二、雙調(diào)和方程數(shù)值擬合原理 通常，離散數(shù)據(jù)擬合可以用下式表示： 項目可行性研究報告 22 ],[)( 21 NxxxxZ ??? (1) )( jj xZ ?? j=1,2… N (2) 其中 x 為連續(xù)的 m 維矢量， Nxxx ?, 21 和 NZZZ ?, 21 分別為輸入的離散采樣點（邊界點）的 坐標和數(shù)值， ? 為映射關系， )(xZ 為輸出的連續(xù)響應。 對 (1)式建立雙調(diào)和方程 ? ??? Nj jj xxWx )()(4 ?? (3) 其中 4? 為雙調(diào)和操作符， jW 為加權數(shù)， )(x? 為采樣函數(shù) 該方程的通解可寫為 ?? ?? Nj jmj xxGWx 1 )()( ?? (4) 其中 mG 為 m 維雙調(diào)和格林函數(shù)，其表達式如下表所列 表 二 雙調(diào)和格林函數(shù) 維數(shù) m 雙調(diào)和格林函數(shù) 1 3x 2 )1(2 ?xx 3 x 4 xln 5 1?x … … m mx?4 其中 表示 m 維矢量 x 的模值 根據(jù) (2)式，此方程邊界條件顯然為 jj Zx ?)(? j=1,2… N (5) 將 (5)式代入通解 (4)，可得： 項目可行性研究報告 23 ?? ?? Nj jimji xxGWZ 1 )(? i=1,2… N （ 6） (6)式為一個 N 維線性方程組，解此方程組，可得加權數(shù) jW ： j=1,2… N 至此，輸出 響應 )(x? 已唯一確定，可根據(jù)任意輸入坐標 x 得到相應插值。 對于一維和二維雙調(diào)和方程，都有明確的物理意義。一維雙調(diào)和方程可以看成一根無限長的均勻彈力直線在 N 點處受力時的純彎曲形變；二維雙調(diào)和方程則可看成一張無限大的均勻彈力薄板在 N 點處受力時的純彎曲形變。由此可見，由二維雙調(diào)和方程擬和的曲面具有自然、協(xié)調(diào)的特性，由此曲面插值網(wǎng)格生成的等值線應是高質(zhì)量的。 三、二維雙調(diào)和插值用于等值線生成算法 當 m＝ 2 時，（ 4）式可寫為 ?? ??? Nj jjj yyxxyxGWyx 1 ),(),(),( ??