GIS二维矢量图形系统的设计与开发.docx
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GIS二维矢量图形系统的设计与开发
GIS二维矢量图形系统的设计与开发
摘要1
第一章绪论3
1.1选题来源以及意义3
1.2地理信息系统（GIS）的概况4
1.3课题内容及本人所做工作4
第二章地理信息系统的基本技术与发展动态6
2.1GIS的定义和研究内容6
2.2地理信息系统的现状及发展动态9
第三章图形系统的开发17
3.1开发应用于GIS的图形系统的意义及要求17
3.2程序功能说明19
3.3程序框架设计21
3.4实现绘图功能25
3.5实现所见即所得绘图27
3.6实现图元选择功能31
3.7实现图元移动功能33
3.8实现画笔和画刷风格选择功能35
3.9实现图片的编辑功能36
3.10实现图元修改功能40
3.11实现图形文件存储功能40
第四章系统实现41
第五章结论45
5.1心得体会45
5.2不足点46
5.3结束语47
致谢48
参考文献49
第一章绪论
科技的进步带来社会日新月异发展的同时也带来了爆炸性增长的信息。
使得信息管理的现代化变得非常迫切。
而计算机技术的飞速发展，为满足这种需求提供了可能。
地下管网的计算机管理系统正是为了给日益复杂的各种管网提供一个快捷可靠的管理方式而提出来的。
1.1选题来源以及意义
随着社会的发展与科学的进步，城市建设也有了巨大的进步。
城市的各种配套设施也越来越复杂。
随之而来的是遍布各处的管网线路。
从种类来看，有供水、排水、供热、通信、电力等不同种类。
而铺设的方式也有架空、埋地等不同方式。
同时还有成千上万的附属设备。
建设的年代可能跨越了凡十年甚至上百年。
这样使得对这些管线的管理非常困难。
迫切需要一种现代化的管理手段。
可以高效、准确、方便地管理这些设施[1]。
传统的人工管理是依靠保存的图纸来进行的。
在这种方式下，从绘图到管理再到查询资料，都要依靠手工完成，这样效率非常低下。
同时由于资源不能充分利用，造成不同部门间相互封闭，很容易出现施工爆管事故。
其次，由于这些信息的载体是传统的图纸，所以更新与维护非常不方便。
经常造成存档的图纸与实际的施工不符合。
相关信息的查询很不方便。
有时为了得到，某一条信息需要查阅大量的资料，即费时又不完整。
对于综合性的统计查询就更加困难。
国内的大、中、小城市，以及大型的现代化企业，都不同程度的存在上述问题。
解决这个问题已经成为当务之急。
这个问题的解决可以大大方便城市建设，以及促进经济的发展。
而现今信息技术的发展己经为解决这个问题提供了可能。
解决的途径就是建立针对城市管线的地理信息系统（GIS）[1]。
地理信息系统（GIS）是融计算机图形和数据库于一体，储存和处理空间信息的高新技术，它把地理位置和相关所属性有机结合起来，根据实际需求准确真实、图文并茂地输出给用户，满足城市建设、企业管理、居民生活对空间信息的要求，借助其独有的空间分析功能和可视化表达，进行各种辅助决策。
GIS的上述特点使之成为与传统方法迥然不同的解决问题的先进手段作为现代社会不可缺少的基础设施，渗透到生产生活的每一细节。
我们的选题来源于城市管线的管理所需。
在城市建设过程中，要铺设种类繁多数量巨大的管线、电缆。
我们开发的这套系统提供了对这些管线以及设备高效的绘制管理。
同时为设计施工以及规划决策提供可靠的辅助信息。
对管线设备的管理的地理信息系统和其他方面应用的地理信息系统相比有相同之处同时也有其自身的特点。
作为地理信息系统要能够全面地管理各种与地理位置相关的信息，同时提供可视化的使用方式。
1.2地理信息系统（GIS）的概况
地理信息系统（GeographicInformationSystem,GIS）是以采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。
GIS系统目前已发展成一门集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科。
随着人类科技的进步，各种新兴技术的发展，我们认识周围环境的手段也越来越多样。
在现代科技诞生以前，人们主要靠天生的本领来感知周围的环境。
靠视觉获得景物的影像，靠听觉得到声音信息，靠触觉体验温度的变化等等。
同时人们对环境的改造也局限于有限的范围和较小的规模。
在这种环境下，所获得的信息也是有限的和片面的。
依靠人们天生的记忆力以及分析能力，再辅以一些原始的工具，诸如纸、笔以及简单的计算就可以从容的管理这些资源。
随着社会进入电子信息时代，人们获得信息的手段也日趋丰富。
雷达的出现大大延长了人们的视力范围，通过人造卫星以及飞机遥感，人们已经可以认识整个地球的全貌。
而在局部，同样随着技术的进步人们获得的信息也在飞速的增加。
同时，由于人们对自然改造能力的提高，各种人工信息也在急剧增加。
在此情况下，对各种信息的有效的管理成为了急需解决的问题。
因此，运用GIS技术己经成为当今数字城市管理的主要方向[3]。
1.3课题内容及本人所做工作
课题内容：
本项课题的内容是应用于GIS的图形开发系统。
该项课题的内容参考了国内外相关的最新研究成果，同时详细分析了用户的实际需求。
在此基础上完全自主开发了一套，应用于GIS的计算机二维矢量图形系统。
该系统完全满足了用户需求，同时也具有比较好的适用性，可以推广到其他相关的应用领域。
系统的开发以VisualC++作为开发工具，以及与之配合的MicrosoftAccess作为数据库服务器。
设计时考虑了使用的方便性，拥有友好的图形界面。
完全遵从Windows的操作风格，简单易用。
总体来说系统具有以下儿种特点。
1．系统提供了一套完整的图形处理功能，包括图形的输入、输出、编辑处理等。
同时可以进行一定的图形填充，进行管网改造的辅助设计工作。
2．采用了面向对象的设计方法，使得系统具有良好的可靠性与稳定性。
3．完全图形化的操作界面，遵从Windows的设计风格。
可用性好，便于推广。
第二章地理信息系统的基本技术与发展动态
以计算机为核心的信息处理系统技术是二次世界大战后科技革命的主要标志之一。
在信息的诸多类型中与空间相关的信息是十分重要的一类。
人类生存的地球这个三维空间中的万物无不与空间位置相关，如何利用计算机处理空间相关信息是地理信息系统（geographicinformationsystem，简称GIS）产生和发展的原动力。
GIS技术在国防、城市规划、交通运输、环境监测和保护等与国民经济乃至国家命脉相关的重要领域的成功应用，极大地推动了社会生产力的发展，同时，也极大地刺激了GIS技术的迅速发展，使之成为世界各国激烈竞争的高科技热点之一［3］。
国家科委将其列入九五重中之重科技攻关项目。
MAPGIS，VIEWGIS，CITYSTAR，GEOSTAR等一批优秀国产GIS软件已经开始在许多领域得到广泛应用，成为国内GIS市场一支不可忽视的力量。
本文将侧重从GIS技术的角度讨论GIS的定义、研究内容及研究动态。
2.1GIS的定义和研究内容
2.1.1GIS的定义
GIS是计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的技术。
要给出GIS的准确定义是困难的，因为GIS涉及的面太广，站在不同的角度，给出的定义就不同。
通常可以从4种不同的途径来定义GIS［3］。
（1）面向功能的定义。
GIS是采集、存储、检查、操作、分析和显示地理数据的系统。
（2）面向应用的定义。
这种方式根据GIS应用领域的不同，将GIS分为各类应用系统，例如土地信息系统、城市信息系统、规划信息系统、空间决策支持系统等。
（3）工具箱定义方式。
GIS是一组用来采集、存储、查询、变换和显示空间数据的工具的集合。
这种定义强调GIS提供的用于处理地理数据的工具。
（4）基于数据库的定义。
GIS是这样一类数据库系统，它的数据有空间次序，并且提供一个对数据进行操作的操作集合，用来回答对数据库中空间实体的查询[3]。
我们认为，虽然GIS是一门多学科综合的边缘学科，但其核心是计算机科学，基本技术是数据库、地图可视化及空间分析（见图2-1）；因此，可以这样定义：
GIS是处理地理数据的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策的计算机系统。
虽然GIS使用了地图、可视化、数据库等技术，
图2-1 地理信息系统的组成
Fig.2-1 Structureofgeographicinformationsystem
但与CAD系统、计算机地图系统、数据库系统等均有很大的区别。
CAD系统提供交互式的图形处理功能，以辅助建筑、VLSI等人造对象的设计，其主要特点是设计者与计算机模型的交互。
目前许多CAD开始支持对象的非图形性质，而GIS处理的数据大多来自现实世界，较之CAD的人造对象更为复杂，数据量更大。
另外，CAD中的拓扑关系较为简单。
更重要的是，GIS强调对空间数据的分析，CAD这方面的功能要弱得多。
计算机地图系统侧重于数据查询、分类及自动符号化，具有辅助设计地图和产生高质量矢量形式的输出机制。
它强调数据显示而不是数据分析，地理数据往往缺少拓扑关系；另外，它与数据库的联系通常是一些简单的查询。
数据库系统是各种类型信息系统的核心。
通用数据库侧重非图形数据的优化存储与查询，其图形查询与显示功能极为有限，其数据分析功能也很有限。
然而，数据库的一些基本技术，如数据模型、数据存储、数据检索等，都在GIS中广泛采用，成为GIS的核心技术[4]。
由此可见，GIS已经形成了一个独立的、具有鲜明特色的研究领域。
GIS的研究内容很广泛，下面我们从输入、存储、操作和分析、输出4个方面来讨论GIS的研究内容。
2.1.2 GIS的研究内容
（1）输入。
地理数据如何有效地输入到GIS中是一项琐碎、费时、代价昂贵的任务，大多数的地理数据是从低质地图输入GIS。
常用的方法是数字化和扫描。
数字化的主要问题是低效率和高代价；扫描输入则面临另一个问题，扫描得到的栅格数据如何变换成GIS数据库通常要求的点、线、面、拓扑关系属性等形式。
就这一领域目前的研究进展而言，全自动的智能地图识别短期内没有实现的可能；因而，交互式的地图识别是矢量化方法的一种较为现实的途径。
市场上已有多种交互式矢量化软件出售[3]。
目前GIS的输入正在越来越多地借助非地图形式，遥感就是其中的一种形式。
遥感数据已经成为GIS的重要数据来源。
与地图数据不同的是，遥感数据输入到GIS较为容易，但如果通过对遥感图像的解释来采集和编译地理信息则是一件较为困难的事情；因此，GIS中开始大量融入图象处理技术，许多成熟的GIS产品，如MAPGIS中都具有功能齐全的图象处理子系统[3]。
地理数据采集的另一项主要进展是GPS技术。
GPS可以准确、快速地定位在地球表面的任何地点，因而，除了作为原始地理信息的来源外，GPS在飞行器跟踪、紧急事件处理、环境和资源监测、管理等方面有着很大的潜力。
（2）存储。
GIS中的数据分为栅格数据和矢量数据两大类，如何在计算机中有效存储和管理这两类数据是GIS的基本问题。
在计算机高速发展的今天，尽管微机的硬盘容量已达到GB级，但计算机的存储器对灵活、高效地处理地图这类对象仍是不够的。
GIS的数据存储却有其独特之处。
大多数的GIS系统中采用了分层技术，即根据地图的某些特征，把它分成若干层，整张地图是所有层叠加的结果。
在与用户的交换过程中只处理涉及到的层，而不是整幅地图，因而能够对用户的要求做出快速反应。
地理数据存储是GIS中最低层和最基本的技术，它直接影响到其他高层功能的实现效率，从而影响整个GIS的性能。
基于微机平台的MAPGIS能够快速、高效地处理多达上万幅的海量地图库，这不仅在国产GIS软件中处于领先地位，即使与国外同类产品相比仍是其中佼佼者，这与MAPGIS较好地解决了地理数据的存储问题密切相关。
（3）地理数据的操作和分析。
GIS中对数据的操作提供了对地理数据有效管理的手段。
对图形数据（点、线、面）和属性数据的增加、删除、修改等基本操作大多可借鉴CAD和通用数据库中的成熟技术；有所不同的是GIS中图形数据与属性数据紧密结合在一起，形成对地物的描述，对其中一类数据的操作势必影响到与之相关的另一类数据，因而操作带来的数据一致性和操作效率问题是GIS数据操作的主要问题。
地理数据的分析功能，即空间分析，是GIS得以广泛应用的重要原因之一。
通过GIS提供的空间分析功能，用户可以从已知的地理数据中得出隐含的重要结论，这对于许多应用领域是至关重要的。
GIS的空间分析分为两大类：
矢量数据空间分析和栅格数据空间分析。
矢量数据空间分析通常包括：
空间数据查询和属性分析，多边形的重新分类、边界消除与合并，点线、点与多边形、线与多边形、多边形与多边形的叠加，缓冲区分析，网络分析，面运算，目标集统计分析。
栅格数据空间分析功能通常包括：
记录分析、叠加分析、滤波分析、扩展领域操作、区域操作、统计分析[4]。
（4）输出。
将用户查询的结果或是数据分析的结果以合适的形式输出是GIS问题求解过程的最后一道工序。
输出形式通常有两种：
在计算机屏幕上显示或通过绘图仪输出。
对于一些对输出精度要求较高的应用领域，高质量的输出功能对GIS是必不可少的。
这方面的技术主要包括：
数据校正、编辑、图形整理、误差消除、坐标变换、出版印刷等。
2.2地理信息系统的现状及发展动态
近年来地理信息系统技术发展迅速，其主要的原动力来自日益广泛的应用领域对地理信息系统不断提高的要求。
另一方面，计算机科学的飞速发展为地理信息系统提供了先进的工具和手段，许多计算机领域的新技术，如面向对象技术、三维技术、图象处理和人工智能技术都可直接应用到地理信息系统中［3］。
下面我们对当前地理信息系统研究中的几个热点研究领域作一介绍。
2.2.1地理信息系统在国内外研究应用
尽管现存的地理信息系统软件很多，但对于它的研究应用，归纳概括起来有二种情况。
一是利用GIS系统来处理用户的数据；二是在GIS的基础上，利用它的开发函数库二次开发出用户的专用的地理信息系统软件。
目前已成功地应用到了包括资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域的规划、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等九大类别的一百多个领域。
在美国及发达国家，地理信息系统的应用遍及环境保护、资源保护、灾害预测、投资评价、城市规划建设、政府管理等众多领域。
近年来，随我国经济建设的迅速发展，加速了地理信息系统应用的进程，在城市规划管理、交通运输、测绘、环保、农业、制图等领域发挥了重要的作用，取得了良好的经济效益和社会效益。
下面先从GIS理论上提炼和归纳，然后给出应用的例子[3]。
1.地理信息系统在地理空间数据管理中的应用，即以多种方式录入的地理数据，以有效的数据组织形式进行数据库管理、更新、维护、进行快速查询检索，以多种方式输出决策所需的地理空间信息。
目前流行的数据库管理系统，与GIS中数据库管理系统在对地理空间数据的管理上，存在两个明显的不足；一是缺乏空间实体定义能力；二是缺乏空间关系查寻能力，这使得GIS在对空间数据管理上的应用日趋活跃。
如ARC／INFO在公路管理中的应用；ARC／INFO在对市政设施管理中的应用。
后者如北京某测绘部门以北京市大比例尺地形图为基础图形数据，在此基础上综合叠加地下及地面的八大类管线（包括上水、污水、电力、通讯、燃气、工程管线）以及测量控制网，规划路等基础测绘信息，形成一个测绘数据的城市地下管线信息系统。
从而实现了对地下管线信息的全面的现代化管理。
为城市规划设计与管理部门、市政工程设计与管理部门、城市交通部门与道路建设部门等提供地下管线及其它测绘部门的查询服务[1]。
2.GIS在综合分析评价与模拟预测中的应用。
GIS不仅可以对地理空间数据进行编码、存储和提取，而且还是现实世界模型，可以将对现实世界各个侧面的思维评价结果作用其上，得到综合分析评价结果；也可以将自然过程、决策和倾向的发展结果以命令、函数和分析模拟程序作用上这些数据上，摸拟这些过程的发生发展，对未来的结果做出定量的和趋势预测，从而预知自然过程的结果，对比不同决策方案的效果以及特殊倾向可能产生的后果，以做出最优决策，避免和预防不良后果的发生。
如GIS在焦作东部矿区煤矿底板突水预报中的应用；GIS在土地信息和土壤保护中的应用。
后者如美国资源部和威斯康星州合作建立了以治理土壤侵蚀为主要目的，多用途专用的土地GIS。
该系统通过收集耕地面积、湿地分布面积、季节性洪水覆盖面积、土壤类型、专题图件信息、卫星遥感数据等信息，建立了潜在威斯康星地区的土壤侵蚀模型A=R*K*L*S*C*P，其中A为潜在的土壤侵蚀（面积/年），R为降雨量，K为侵蚀土壤参数，L为坡长，S为坡度参数，C为耕地面积，P为管理参数。
探讨了土壤恶化的机理，提出了合理的方案，达到土壤保护的目的，还可以利用它对土地进行长期的动态研究，避免土质的重心恶化。
这里把土壤侵蚀模型A=R*K*L*S*C*P作用到与之有关数据，达到综合分析评价及模拟预测结果。
3.GIS的空间查询和空间分析功能的应用。
为了便于管理和开发地理信息（空间信息和属性信息），在建库时是分层处理的。
也就是说，根据数据的性质分类，性质相同或相近的归并一起，形成一个数据层。
这样GIS对单副或多副图件及其属性数据进行分析和指标量算。
这种应用以原始图为输入，而查询和分析结果则是以原始图经过空间操作后生成的新图件来表示，在空间定位上仍与原始图一致。
因此，也可将其称为空间函数变换。
这种空间变换包括叠置分析、缓冲区分析、拓扑空间查询、空集合分析（逻辑交运算、逻辑并运算、逻辑差运算）。
这方面应用例子有很多，例如在城市规划过程中，对城市中救护车、救火车的分布位置以及行车路线和控制的规划；如何安排多路警车交通路线，以保证在紧急时刻，在任意地方应至少能有一辆警车在事发后最短时间内赶到出事地点；在环境保护方面，对水土流失导致土地资源的破坏进行评价；在区域环境质量现状评价过程中，对整个区域的环境质量进行客观地、全面地评价，以反映出区域中受污染的程度以及空间分布状态；在地学方面，MAPGIS在油气勘探中和在成矿预测中的应用，解决了肉眼所不能看见的深部构造问题和指明矿产的远景区。
在大都市防震减灾系统中的应用，1994年的美国洛杉机大地震，就是利用RAC／INFO进行灾后应急响应决策支持，成为大都市利用GIS技术建立防震减灾系统的成功范例。
日本横滨大地震后，日本政府决定利用GIS技术建立更好的能快速响应的防震减灾系统。
日本建筑署建设研究所、NASDA等政府机构在联合国区域发展支持下，建立了防震减灾应急系统，选用ARC／INFO对横滨大地震的震后影响做出评估，建立各类数字地图库，如地质、断层、倒塌建筑等图库。
把各类图层进行叠加分析得出对应急有价值的信息，该系统的建成使有关机构可以对象神户一样的大都市大地震做出快速响应，最大程度地减少伤亡和损失。
在野生动植物保护中的应用，世界野生动物基金会（WWF）采用GIS软件ARC/INFO作为“老虎与人类”保护项目的主要技术工具。
利用ARC/INFO空间分析功能，WWF已找到新的方法来帮助世界最大的猫科动物改变它目前濒于灭种的境地[3]。
4.GIS的输出功能在地图制图中的应用。
地理信息系统的发展是从地图制图开始的，因而GIS的主要功能之一用于地图制图，建立地图数据库。
与传统的、周期长、更新慢的手工制图方式相比，利用GIS建立起地图数据库，可以达到一次投入、多次产出的效果。
它不仅可以为用户输出全要素地形图，而且可以根据用户需要分层输出各种专题，如行政区划图、土地利用图、道路交通图等等。
更重要的是由于GIS是一种空间信息系统。
它所制作的图也能够反映一种空间关系，可以制作多种立体图形，而制作立体图形的数据基础就是数字高程模型。
在地图的输出中，MAPGIS达到世界先进水平。
5.运用GIS系统，建立起专题信息系统和区域信息系统。
专题信息系统如水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、草场资源信息系统、水土流失信息系统和目前上海正在建立长途电信局GIS系统等等。
这类信息系统具有有限目标和专业特点，系统数据项的选择和操作功能是为特定的专门目的服务。
区域信息系统如加拿大国家信息系统、美国Oakridge地区模式信息系统等等。
这类信息系统主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标，可以有不同的规模，其特点是数据项多，功能齐全，通常具有较强的开放性。
这两种信息系统与上述四种GIS应用或多或少有重叠处，但这里强调的是完整性、系统性、故与它们分开讨论。
6.地理信息系统与遥感图像处理系统的结合的应用。
遥感数据是地理信息系统重要信息源。
其实目前大多数GIS系统已揉进图像处理功能，并把它作为其一个子模块。
这种应用如海湾战争期间，美国国防制图局GIS实时服务，为战争需要在工作站上建立了GIS与遥感的集成系统，它能用自动影像匹配和自动目标识别技术处理，处理卫星和高低侦察机实时获得战场数字影像，及时地将反映战场现状的正射影影像叠加到数字地图上，数据直接传送到海湾前线指挥部和五角大楼，为军事决策提供24小时的实时服务[3]。
7.应用GIS一些二次开发函数库开发出具有特定功能软件系统。
如国家九五攻关项目“紧缺金属资源快速勘察评价系统”，这个系统中，分为地质变量信息提取模块、数据挖掘模块、物探数据处理模块、图像处理模块、综合预测模块等，其中地质变量信息提取模块使用了MAPGIS中基本输入函数、空间功能分析函数，目前这个系统已初具雏形[3]。
8.GIS中属性数据的综合及融合。
在现有的GIS中，属性数据只是用于检索和查询，或进行简单的统计，难以深入的分析，难以发掘隐含在其中的模式和规律。
在众多项的属性数据中，有时将几个属性项的属性数值加以综合，构成一个具有某领域特定意义的新属性项新属性值，这种综合不是综合前属性数据值的简单反映，也不是它们的孤立集合，而是经过某领域研究人员深思熟虑的综合分析，用数量表示某领域问题的综合概念和结果特征。
国家科委九五攻关项目“紧缺矿产资源开发评价系统”中，我们对研究区进行合理网格大小划分后，利用GIS空间分析功能，求得每个网格单元的各地层、岩体、脉体的面积及相应的面积百分数、各断裂的长度、方向等众多的属性数值，在此基础上，我们用具有特定意义数学模型计算出三个综合属性值，分别为相对熵、断裂的优益度和中心对称度。
用相对熵来考查围岩蚀变组合特征与矿化的关系；在以构造为主要控矿因素的内生矿产中，用断裂的优益度来评价每个网格单元是否有利储矿；用中心对称度来研究和圈定古火山机构、小型等轴状隐伏侵入体等具有放射状断裂体系的环形构造。
数据融合的概念始于70年代，但直接促其迅速发展的是进入90年代以后，最初以军事应用为目的的数据融合技术现今亦用于工业和农业。
我们在开发国家科委九五攻关项目“紧缺矿产资源开发评价系统”中，引进数据融合技术，融合GIS的属性数据，进行地质异常单元的圈定与评价。
利用GIS对空间数据强大的显示功能，显示其结果。
我们在开发国家科委九五攻关项目“紧缺矿产资源开发评价系统”中，如前面所述，求出各网格单元的各属性项的属性数据值（即各变量值），我们知道，地学数据是典型的多源空间数据，它们的量刚不一、形式多样；既有定量数据、又有定性文字描述数据，因此在数据融合前，必须统一量刚、把定性数据定量化，然后筛选出独立、有用的变量（包括综合变量），选择相应的数学模型（包括定量模型、定性模型和定量定性混合模型）和模型单元，确定地质异常临界值大小，根据它对未知单元进行异常圈定和异常评价，最后利用GIS其显示结果。
通过GIS空间叠加分析，对其属性数据值的预处理、筛选、数据融合，利用GIS管理、显示，使其结果的应用范围与利用价值大大提高[3]。
总之，GIS为人类由客观世界到信息世界的认识、抽象过程以及由信息世界返回客观世界的利用改造过程
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