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地理信息软件工程课程论文题目基于GIS的协同标绘技术方法研究学院测绘地理信息学院专业大地测量与测绘工程学生姓名郭锴学号102011236指导教师李景文2012年11月10日1基于GIS的协同标绘技术方法研究郭锴①②（①桂林理工大学测绘地理信息学院，广西桂林，541004；②广西空间信息与测绘重点实验室（桂林理工大学），广西桂林，541004）【摘要】以空间数据库为基础而建立的GIS应用系统，使得用户可以通过空间数据库引擎访问数据库中的地理信息数据，极大的提高了系统在管理和分析海量空间数据方面的能力，而且也更适合建立分布式的多节点集群的应用。同时，随着计算机支持的协同工作(CSCW)技术的发展，计算机应用开始走向协同工作的方式，其思想的发展和实现符合协同标绘的实际背景。因此，将GIS技术、CSCW技术以及其它相关技术融合，以此提高GIS标绘应用的协同性和交互性具有重要的研究意义。【关键词】地理信息系统（GIS）；计算机支持系统协同工作（CSCW）；协同标绘AstudyoftechnologyandmethodsofGIScollaborativeplottingAbstract:GISapplicationsystemwhichbasedonspatialdatabase,allowtheusertoaccessthedatabasethroughspatialdatabaseengineandimprovegreatlytheabilityofthesysteminthemanagementandanalysisofmassivespatialdata.Itismoresuitablefortheestablishmentoftheapplicationmechanismsofdistributedmulti-nodecluster.Meanwhile,withthedevelopmentofComputerSupportedCooperativeWork(CSCW)technology,computerapplicationsbegantoworktogether.Thedevelopmentandrealizationofthisthinkingisinlinewiththeactualbackgroundofco-plotting.Therefore,puttingGIStechnology,CSCWtechnologyandotherrelatedtechnologiesintegrationandimprovingthelevelofapplicationforGISplottingcollaborativehasimportantresearchsignificance.Keywords:Geographicinformationsystems(GIS);ComputerSupportedCooperativeWork(CSCW);CollaborativeplottingGUOKai①②（①CollegeofSurveying,MappingandGeoinformation,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China;②GuangxiKeyLaboratoryforSpatialInformationandGeometrics,Guilin541004,China）1、引言伴随着计算机技术的进步和互联网应用的普及，GIS正日趋成为一个开放的、共享的信息资源而被广泛的应用于各个领域。现有的GIS应用都是基于数据库管理系统(DBMS)的管理空间对象的信息系统，以地理空间数据为操作对象是GIS与其它数据库管理系统的根本区别，其最突出的特点在于可以有效地集成和管理海量地理信息数据。尤其是GIS系统的面向对象的构件化开发方法和GIS数据在关系数据库中的存储控制技2术都较以往有了巨大的进步，为GIS应用提供了技术支持，使得以往在技术上很难实现的需求问题都迎刃而解。但是，目前，由于各单位自建GIS应用的需求和底层技术相对独立，因此缺乏一种有效方式使得各作战单位和应用系统之间进行交互和协同，造成不同单位的态势信息标绘各自独立，无法共享，成为限制GIS系统实际使用效能的最主要原因。[GIS协同标绘技术研究]许多高级用户已经不仅仅满足于简单的地图要素的编辑与显示、图层控制、地图量算和空间数据分析等基本功能，更倾向于将GIS与相关应用系统进行功能整合，实现:GIS数据和其它业务数据交互共享。因此，将计算机支持的协同工作技术(CSCW)引入到GIS协同标绘过程中来，成为解决以上问题很重要的一条解决思路。2、GIS协同标绘技术GIS协同标绘系统是以GIS技术为基础，采用计算机协同工作(CSCW)的思想方法，对地理空间数据进行有效的控制和管理，体现出CSCW的两个最基本的特征一交互合作性和合作者地域分布性。传统的标绘系统是以单用户模式进行标绘，不能满足多个用户协同交互式的标绘。而CSCW系统简单的说就是支持一组用户参与一个共同的任务，并提供给他们共享环境的接口。CSCW技术的实质和目的是利用计算机和通信技术建立一个协同工作环境，在此环境中，人们可以互相合作，共同完成一个工作[1]。可以按照时间和空间将CSCW进行概念分类,体现CSCW的两个最基本的特征一交互合作性和合作者地域分布性。具体地说，交互合作性可分为是同步的还是异步的，合作者地域分布是指合作者是远程的还是本地的。由此可以将CSCW系统分为远程同步系统(如视频会议)、远程异步系统(如电子邮件)、本地同步系统和本地异步系统。其中，远程同步系统可以使在地域上分布的参加者进行实时交互协作，可以满足对不同单位在异地进行实时标绘的要求，因此在本图形协同标绘系统中采用了远程同步这种工作模式进行协同工作。3、系统设计3.1体系结构设计目前，主流的协同编辑系统所采用的体系结构主要有:集中式、复制式和复合式三种。集中式结构采用常见的C/S方式，优点在于结构简单，所有数据都集中在服务器端管理，使得数据的并发访问和一致性维护得以简化，缺点在于服务器端负载会很大，响应性不佳，难以适用有大量用户和需要频繁交互的应用环境。尤其是GIS应用的数据量通常很大，所以集中式结构不是协同标绘应用的理想选择。复制式结构的系统中，在各分布的站点上都有一份完整的程序和数据，各站点根据群组成员的需求来对本地数据进行标绘操作，然后将本地的数据更新通知其它相关的站点，以维持全局标绘结果的数据一致性。其优点在于本地响应性好、可靠性高，缺点在于并发性处理3复杂以及系统整体的一致性维护困难，并且随着系统中用户数量的增加，用于并发处理的时间会急剧增加，也会不可避免的影响到本地的性能。复合式结构是介于集中式和复制式之间的一种结构，系统可以视需求，将程序和数据在集中式应用和各分布站点之间进行分别配置，集中式应用可以主要管理协同群体的登录与验证、并发处理和共享数据的访问控制等功能，还可以在小范围内对GIS数据进行集中管理。各站点也可在本地对参与协同的用户操作进行处理和反馈，根据需要再将结果通知相关用户或者集中式应用进行处理。如此可在一定程度上降低系统的并发控制的复杂性，但缺点在于其逻辑结构复杂，系统设计、开发和配置使用起来相对复杂。根据实际情况来看，GIS协同标绘主要是在所属图层中对标绘符号的编辑操作，具有协同编辑的特征，复合式的系统结构也更符合GIS协同标绘的实际应用背景。本文以一种基于会议方式的主席—用户模式的地图协同标绘感知系统体系结构为例，对协同标绘系统结构设计进行简要说明。会议方式是多人的群体进行协同工作的一种基本方式,参加协同工作的人们聚集在一起,围绕一个共同的任务进行讨论,交换信息,相互协商,达成共识,作出决定,共同完成任务[2]。会议由在服务器端的协同工作主席与在客户端的协同工作的用户组成。主席与用户的工作任务是不同的，主席负责启动和创建协同标绘会议、集中管理整个会议(议题、数据记录、信息存储与恢复等)、用户的呼叫和会议的日志。用户呼叫主席成功后,参与讨论具体标绘内容,各用户之间的标绘行为设计为分布式,除了响应本地的行为,还将本地的行为复制到参加协同工作的其他用户端并与之分享。具体的体系结构如图:[3]图1地图协同标绘感知系统体系结构43.2系统结构设计对于只需查询地理信息数据和标绘数据的用户可以通过B/S结构的web浏览器直接打开和查询所需的有关地理信息数据和标绘数据，其优点在于操作界面简单统一，可以降低部署客户端的成本。对于需要进行协同标绘操作的用户，采用传统的C/S结构来实施协同标绘操作，因为客户端除具有基本的GIS操作功能以外，还要具有人机交互和人人交互的能力，所以C/s的方式更适合用户的使用习惯。采用多层的方式来实现的协同标绘，可以自上而下地分为:表现层、服务层和数据层的三层结构，如图2所示。[地图协同标绘感知系统的设计与实现]图2GIS系统标绘系统结构4、协同标绘系统实现的关键技术4.1协同感知的实现协同感知是CSCW交互技术的重要方面。在协同标绘系统中,协同的感知主要包括两个方面:第一方面是对用户状态的感知。用户状态包括用户信息、连接状态、工作状态。第二方面是标绘信息的感知,即每个用户要感知到其他用户的标绘动作。在协同标绘系统中,主要是通过用户状态的实时显示和过程记录来实现协同感知。每个用户状态的改变都会实时地通知其他用户,这样用户可以通过协同信息显示窗口随时了解各个用户当前的状态[1]。4.2并发控制的实现GIS协同标绘系统支持多用户实时协同工作，则不可避免地要发生多用户的并发操作，也带来了多用户间的协作冲突。而用户之间使用网络传输共享信息，因网络的自身不稳定性,以及时延和传输的不可靠性，再加上多用户协同之间的人为因素，都给协同带来了很严峻的问题。[移动实时协同标绘系统的设计与实现]通常有以下几种并发控制机制：即事务协议、加锁协议、串行协议、令牌环协议等。网5格分布式实时协同制图系统采用令牌环协议，这种方式较为简单。在分布式实时协同制图系统设计一个主持人站点，它具有对共享资源的控制权，例如，它可操作地图、标绘地图，决定将控制权交给下一位主持。主持人站点随需变更。协同用户希望进行某种操作，需要先申请成为主持人，得到控制权。分布式实时交互协同，不仅要实现各用户间协同操作，还要保证协同操作过程的实时性[4]。4.3协同消息的实现在整个系统的协同服务进行时，会产生许多不同种类的消息，在消息的转发过程中也存在单播（点对点）和多播（点对多）的方式，在消息的反馈类型上，有的是有反馈的，有的是无反馈的。例如，协作者客户端的登录、获取网格中的资源的请求、一个协作者与另外一个协作者单独交谈等这类消息的发送过程，采用的是单播，有反馈类型的；而在群体协同会议的协同活动中，采用的是多播，无反馈类型。因此，系统的消息的协同传输也应该予以单独考虑。4.4用户管理的设计与实现在协同标绘系统中,用户管理的目的是防止非授权用户加入协同标绘会议。用户管理是通过主席来进行的,主席在启动协同标绘会议时,从用户库中选择参加这次协同标绘会议的用户,只有这些用户才能加入协同标绘会议。当一个用户登录会议时,主席要判断这个用户是否是会议的参加者,如果不是,则拒绝这个用户加人;如果是会议的参加者,还要进行身份认证。通过网络进行身份认证可以通过RSA公钥系统进行,这是网络数据安全讨论的问题,在此不多加以叙述。图3用户登录验证过程5、总结本文讨论的GIS协同标绘系统虽然在设计和建立上仍然十分复杂繁重，但是其合作者的地域分布性和交互合作式的标绘方式仍然有着广泛应用市场,如:在军事应用领域,此系统可以辅助参谋在网上进行作战部署、研讨作战态势等;在市政建设应用领域,本系统可以在网上共同策划城市规划图;在航空领域、地质勘探等其他领域中也同样有着应用需求。5.1GIS协同标绘系统的优势6基于空间数据库模式的GIS协同标绘技术与传统的GIS标绘技术相比，主要有以下几方面的优势:(1)基于空间数据库技术构建的GIS