基于Google Earth和ArcGIS的地理信息系统的设计与实现.docx
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基于GoogleEarth和ArcGIS的地理信息系统的设计与实现
基于GoogleEarth和ArcGIS的地理信息系统的设计与实现
作者姓名：
高斌专业班级：
信息与计算科学2007070203指导教师：
徐松浦
摘要
本论文详细研究了基于地学浏览器的地理信息系统的理论及技术应用。
分析了基于GoogleEarth和ArcGIS组件的地理信息系统的结构，并在此基础上按照需求进行详细设计。
采用Google公司提供的公用接口GoogleEarthAPI，结合ArcGISEngine插件，以VisualStudio2008为开发环境，利用C#编写程序，开发出一款综合了GoogleEarth“数字地球”展示功能和ArcGIS空间分析功能的地理信息系统。
该系统首先调入GoogleEarth，可实时定点查询地理位置，然后读取KML文件，对KML文件进行如缓冲区分析，路径查询等空间分析功能，最后将分析结果展示在GoogleEarth界面上。
系统的应用极大地增强了地理信息系统的数字地图展示与空间分析功能的结合，为相关部门的决策提供详实而准确的信息。
关键词：
GoogleEarthAPI；ArcGISEngine；空间分析；地理信息系统
DesignandRealizationofGeographicInformationSystemonGoogleEarthandArcGIS
AbstratDetailedstudyofthispapertolearnbrowser-basedgeographicinformationsystemstheoryandtechnology.AnalysisbasedonGoogleEarthandArcGISgeographicinformationsystemcomponentstructure,andonthisbasisinaccordancewiththedetaileddesignrequirements.ProvidedbyGoogle'spublicinterfacetoGoogleEarthAPI,combinedwithArcGISEngineplug-intoVisualStudio2008developmentenvironment,usingC#programming,developedacombinationofGoogleEarth"DigitalEarth"displayfunction,andArcGISspatialanalysisfunctionofthegeographicinformationsystems.ThesystemfirsttransferredtoGoogleEarth,real-timefixed-pointquerieslocation,andthenreadtheKMLfiles,KMLfiles,suchasbufferanalysis,spatialanalysisfunctionssuchaspathquery,thefinalresultswillbedisplayedontheGoogleEarthinterface.SystemgreatlyenhancedGISdigitalmapdisplayandthecombinationofspatialanalysis,decision-makingfortherelevantdepartmentstoprovidedetailedandaccurateinformation.
Keywords:
GoogleEarthAPI;ArcGISEngine;SpatialAnalysis;GeographicInformationSystem
第1章前言
1.1选题目的与意义
随着我国信息化建设步伐的迈进，科技文化事业正在突飞猛进的发展。
地学浏览器不断更新与完善，数字地球已经逐步走向更广泛应用，地理信息系统的大众化、普及化极大的方便了公众生活。
地理信息系统是管理和分析空间数据的科学技术，它及时而准确地向地学工作者、各级管理和生产部门提供有关区域综合、方案优选、战略决策等方面可靠的地理或空间信息[1]。
一方面，面向大众化的空间分析信息需求增大，信息格式越来越丰富，各行各业都需要利用空间信息的直观形象来描述展示问题，我们需要一种客观真实、直观立体的信息表现手段来描述各种事件。
人们不断地努力，计算机技术的发展，应对这一问题提出来数字地球这一概念。
数字地球是美国副总统戈尔于1998年1月在加利福尼亚科学中心开幕典礼上发表的题为“数字地球—新世纪人类星球之认识”演说时，提出的一个与GIS、网络、虚拟现实等高新技术密切相关的概念。
他将数字地球看成是“对地球的三维多分辨率表示、它能够放入大量的地理数据”。
在接下来对数字地球的直观实例解释中可以发现，戈尔的数字地球学是关于整个地球、全方位的GIS与虚拟现实技术、网络技术相结合的产物。
数字地球要解决的技术问题，包括计算机科学、海量数据存贮、卫星遥感技术、宽带网络、互操作性、元数据等。
数字地球的核心是地球空间信息科学，地球空间信息科学的技术体系中最基础和基本的技术核心是"3S"技术及其集成。
所谓"3S"是全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）和遥感（RS）的统称。
没有"3S"技术的发展，现实变化中的地球是不可能以数字的方式进入计算机网络系统的。
另一方面，空间分析功能需求的增大，不仅要求快捷、直观的浏览地学空间信息，还要求得到一些需要或感兴趣的综合信息或分析结果，以帮助人们有效合理的做出一些判断与决策。
空间分析是GIS的核心和灵魂[4]，是GIS区别于一般的信息系统的主要标志之一，主要是应用定量（主要是统计）分析手段用于分析点、线、面的空间分布模式。
人们就始终在自觉或不自觉地进行着各种类型的空间分析，在地图上量测地理要素之间的距离、方位、面积，乃至利用地图进行战术研究和战略决策等[2]。
缓冲区分析是空间分析的一种，广泛用于国土资源，农业，土地规划等，以判定某种影响情况分析。
而路径查询则根据赋予路段权重，按照最优化方法，选择最佳路径，在在线地图应用领域广泛使用。
集成三维地图直观展示功能，有具有特定分析功能，将具有重要意义。
首先，平台方面，.NET通用平台提供更好的兼容性，独立于硬件体系，可移植，在任何计算机上均可运行。
其次，将两种地理信息系统软件集成在一起，取长补短，综合特点，开发出一款实用性强，直观简洁的地理信息系统软件，使之能够更好地满足人们需求。
总之，结合了GoogleEarth的特点和ArcGISEngine的特定空间分析功能，新系统开启了地理信息系统集成开发的典型案例。
1.2国内外现状调查
1.2.1GIS的网络三维可视化
信息技术经过三次浪潮的发展，对GIS而言，也经历了单片机环境的应用于基于网络环境的应用发展过程，分别以主机为中心的GIS系统、以桌面PC机/工作站为核心的GIS系统、网络化GIS系统。
在以主机为中心的阶段，数据集中管理，所有运算、存储、管理、展示等都由主机承担，数据的共享和安全管理方便，但是主机任务非常繁重，所以要求主机有很高的性能要求。
以桌面PC机/工作站为核心的阶段，数据运算、展示、交互提前到用户的本机上进行，减少了对主机的依赖，但是增加了共享、管理的难度，而且用户的本地机的存储空间对海量数据的运算处理难以胜任。
网络化GIS系统技术应用体系以网络浏览器为应用平台，客户机和服务器之间的进程分布式处理，能最大效率地利用现有计算机硬件资源，但动态访问空间数据信息对网络的传输速率要求很高。
Internet技术不断推陈出新，人们对GIS的需求日益增大，GIS逐步向网络化发展，在网路上发布空间信息，用户可以通过网路对空间信息进行浏览、查询、分析等操作。
Internet和Web技术的兴起使得程序开发者将GIS功能集成进Web程序而不需要构建本地的功能，于是出现了基于网路Internet技术的GIS系统，即万维网地理信息系统（WebGIS）。
用户的需求推动者GIS的应用变化，GIS用户需要数据的操作，所以WebGIS和普通的Web应用不同，它有一定的交互性，WebGIS采用一些技术实现了地图的显示、漫游等操作。
这种基于浏览器/服务器模式的空间信息网络访问模式发展非常迅速。
它在一定程度上解决了网络环境下空间信息的多维显示的需求，这些系统的数据提交一般以页面为单位，需要辅以插件技术（Plug-in）、ActiveX控件/Applet以及矢量可标记语言（VectorMarkupLanguage,VML[3]）等技术加以支持，才能实现客户端对矢量图形的多维显示和操作，而且数据的动态交互性不强，服务器和网络带宽的负荷较大，对空间数据的分析和处理效率较低。
目前WebGIS技术中服务器一般采用中间件技术构建，由于服务器受到的地理位置分散、网络传输速度较低、服务器处理能力较低等影响，WebGIS不可能承受海量数据的推广应用。
所以WebGIS一般应用较多的是电子地图发布、浏览、基础数据查询等一些比较基础的GIS功能。
WebGIS对于容量不大的数据甚至可以提供简单的空间分析[22]功能，如：
最短距离分析、最近邻分析、叠加分析、空间查询等。
对于多源异构的、海量的空间数据的操作、查询、集成，WebGIS还是不够理想。
但是WebGIS操作简单、网络带宽要求低，易于为公众接受，所以为地理信息服务的大众化发展奠定了良好的基础。
当Internet技术发展日趋成熟，电子商务、电子政务等新兴产业开始迅猛发展，越来越多的地理信息系统构成了大的信息系统体系，但地理信息系统之间边界显著，资源无法共享，互操作和协同计算度极低，网格GIS成为GIS应用新的发展方向。
网格GIS是网格计算技术与GIS技术相结合的产物，它汇集、共享空间信息资源，将地理分散、系统异构的各种空间数据服务器、GIS系统、计算机等连接集成，并对这些资源进行统一的组织与管理，形成一个大型的处理环境，这个处理环境中所有的数据运算、处理等操作对用户都是透明的，也就是用户不需要知道数据在哪里处理，如何处理，它就是在一个很宽泛的范围内，对空间信息进行无缝集成和协同处理的系统。
网格GIS实际上就是网络技术在GIS领域的一个新的应用方向，网格将所有空间信息资源进行共享，使其在地理位置分散、系统异构的条件下达到最高的共享性。
网格GIS是空间信息获取、处理、共享的基本技术框架。
建立异构分布式、智能化的空间信息网格计算环境，就是实现异构网格环境的跨平台计算，支持分布式用户的并发请求并实现最优资源调度，实现网络环境下的多级分布式协同工作机制。
GIS系统就是地理数据的收集、存储管理、运算分析、结果展示，通过分析处理地理空间数据来辅助决策规划管理的问题。
这些操作都是基于二维平面的。
随着虚拟现实技术的发展，GIS应用的普及，第三维的信息不论从数据处理还是结果展示中，都越来越重要，但二维GIS的概念模型就是将三维的现实世界简化为平面的二维投影，所以它在描述三维空间现象时就显得捉襟见肘。
随之三维GIS出现并发展起来，与二维GIS相比，三维GIS特有的对现实世界立体化的描述与展示，可以给用户一个更加形象与真实的感受，而对于三维空间信息进行三维空间分析和处理，是三维GIS特有的功能。
目前，虚拟现实技术发展迅速，在市政规划、地质勘查、城市应急、灾害防治等领域已经有较多成功的应用，这些应用提供了空间信息的三维浏览功能，形象直观展示空间三维数据，在一定程度上有效地满足了人们对空间数据多维显示和互操作的需求，这些系统只过于注重浏览效果的优化，并没有GIS系统特有的分析功能，缺乏针对行业应用的空间信息的空间分析处理，无法满足实际行业应用需求[6]。
大多数的GIS系统都还做不到辅助决策这个层次的功能，只能作为一个比较庞大的空间信息数据库，而在三维GIS中，空间分析功能更是非常薄弱，目前基于三维GIS的研究主要集中在基本三维空间数据的属性分析和拓扑分析，大概有以下几个方面：
三维空间信息获取、三维空间数据模型构建、三维空间数据管理与分析、空间数据三维显示和可视化表达。
目前行业性商业三维GIS系统一般都是根据行业中实际需要实现的某些三维空间分析功能。
很多地理信息系统公司各自推出了3DGIS产品，目前已开发出多种比较成熟的三维3DGIS软件，例如ArcInfo公司的3DX,Bently公司的MacroStationMasterPiece,Erdars公司的ImageVirtualGIS,Multigen公司的MultigenCreator，适普公司的IMAGIS，吉奥公司的CCGIS等。
上帝之眼GoogleEarthGIS管理系统企业版是一套基于GoogleEarth的GIS管理平台，通过它可以规范、高效地对企业数据进行网络级别的加载、可视化、定位、归类、查询、范围筛选、格式转换、导入导出管理等操作，并支持立体图形、三维模型、及时制图、图形打印、卫星图像叠加等功能。
1.2.2空间缓冲区分析
缓冲区分析[用来解决邻近度问题，是空间信息系统中使用很频繁的空间分析之一，在GIS的空间数据处理中缓冲区得确定是一个重要手段[12],[13]。
目前，对缓冲区分析的应用主要集中在以下几个方面：
在交通管理领域。
海洋中，电子地图使用空间分析方法自动判断航线的偏航极限范围内是否存在危险点、线、面，为航线设计提供决策支持；陆地上，交通网的主要空间特征分析具有及时、高效、准确等优越性；在铁路工程勘测设计中可以量化影响铁路选线设计的各种因素。
在城市规划领域，可以通过缓冲区分析量化某个需要规划或者拆除的公共设施对周围居民区的影响范围，以使得在建筑物、公共设施选址或拆除规划中，合理安排位置，最大限度的利用已有资源，并更好的服务大众。
在商业应用领域，如超市、酒店的选址；市民的出行时间分析等。
在生态环境保护领域，如工厂的污染范围、城市水体的污染趋势分析。
在缓冲区分析方法理论中，对缓冲区建立问题的研究，主要是三个方面：
利用数学运算法去除相交的缓冲区边界；矢量数据转换为栅格数据进行缓冲区分析；矢量数据与栅格数据结合运算。
目前，缓冲区分析的现状为：
1、空间分析[21]涉及面较广、但技术起步较晚，空间分析体系下的缓冲区分析理论也在研究探索中。
2、各领域进行缓冲区分析的研究通常分为两个方面，缓冲区的建立方法和利用缓冲区的性质进行区域分析。
3、专业的GIS平台能提供较为完善的缓冲区分析功能，但是操作过于专业，对于普通非专业的用户，难度很大，几乎不可能在大众用户中普及。
1.2.3路径分析
现实生活中的许多问题都可归结于图论中的最短路径[7]问题，如电子导航、交通旅游、公交出行等。
Dijkstra算法[11]是目前效率较高的最短路径算法。
Dijkstra算法可用来求解图上从任一个节点到其余各节点的最短路径。
算法基本思想是采用标号的方法，从起点开始逐步向外搜索起点到其他各点的最短路径。
算法基本步骤如下：
1、首先给起始节点标上永久性标号0，然后给每个与起始节点直接相连的节点标上一个临时标号，标号值为连接起始节点和该节点线路的长度值。
给其他未与起始节点相连的节点的临时标号为∞。
2、选择具有最小临时标号的节点，将该节点的临时标号改为永久性标号。
3、假设节点i是刚获得永久性标号的节点，搜索每个与节点i直接相连且具有临时标号的节点j用min{节点j目前的临时标号，节点i的永久性标号+线路（i,j）的长度值}对节点j的临时标号进行更新。
4、重复步骤2～3，直到所有节点都具有永久性标号。
此时的每个永久性标号值，代表起始节点到该节点的最短距离。
如果只要求起点到指定终点的最短距离，则在指定终点获得永久性标号时即可停止标号过程。
图1-1网络示意图
要求出起点到终点的最短路径，需要从终点逆推，求出永久标号差值正好等于线路长度的节点，以下为算法示例。
图1-1中，查询从节点
到节点
的最短路径的标号过程如下。
表1:
Dijkstra算法求解最短路径的过程
所以
节点到节点
的最短距离为8，进行逆推求最短路径。
节点
和节点
之间的永久标号之差是8-6=线路（5，6）的长度，所以可以回到节点
。
节点
和节点
之间的永久标号之差是6-4=线路（2，5）的长度，回到节点
。
节点
和节点
的永久标号之差4=线路（1，2）的长度，回到起点
，得到最短路径
-
-
-
。
在节点
时，还可以回到节点
得到最短路
-
-
-
。
1.2.4地学浏览器空间分析
数字地球高度综合了地球科学、空间科学、信息科学，尤其是它面向全球大众，致力于为全球大众提供高品质的地理空间信息服务的理念，成为“u-战略”普及、面向用户、独特性理念的一种现实性体现。
目前流行的一些公众可以方便地浏览的地学浏览器平台，如Google公司提供的GoogleEarth,NASA提供的WorldWind、Microsoft公司提供的VirtualEarth等，都把全球信息高度共享，为全球广大用户无偿提供不同位置、不同精度的三维立体影像，为实现数字地球战略目标创造了必要的条件。
正如ESRI公司的创始人JackDangermond先生2008年所说：
“Microsoft、Google以及Yahoo很大程度上都以消费者为中心。
他们将地图制图与地理空间可视化功能看作搜索技术的一个方面。
这个空间搜索概念是对传统网络搜索的扩充。
这是一个很令人激动的领域，它致力于在全球性基础地图上进行可视化与相互关联。
”
我国也对“数字地球”概念的应用有了很深入的进展，具有自主知识产权的“数字地球[10]”系统平台也不断涌现，如中科院遥感所DEPSCAS1.0、北大/北航的China-Star、武汉大学的GeoGlobe、图灵公司的LTEarth、北京国遥新天地信息技术有限公司的EV-Globe等。
除了上述“数字地球”原型系统平台，与“数字地球”密切相关的对地观测技术也在全球范围内受到重视。
全球综合地球观测系统（GEOSS）、国际卫星对地观测委员会（CEOS）、地球系统观测政府间工作组（GEO）、一体化全球观测战略（IGOS）的逐步建立充分体现了这一点。
与此同时，全球陆地观测系统（GTOS）、全球海洋观测系统（GOOS）、全球气候观测系统（GCOS）也将会使得人类对地球进行更完全、更综合的观察和了解。
同时，各国也在积极的实施地球观测系统计划，如：
美国NASA的行星地球观测计划（ESE）、欧盟的“欧洲全球环境和安全监测”计划（GMES）、日本宇宙航空研究所开发机构（JAXA）的民用航天规划（JAXA-2025）、俄罗斯与ESA合作开展的地球观测、印度民用空间技术各种研究计划、中国的综合地球观测系统（GIEOS）。
Google公司的GoogleEarth技术让非专业的用户更容易的和大量的卫星影像和GIS数据交互，但主要侧重于把图像、高程数据、GIS数据和用户自己的点和注记集成，然后提供一个用户感兴趣区域的完整三维图像。
它的分析功能主要表现在三维地图搜索：
1.提供目标地点附近商业设施情况；2.搜寻行车路线。
Microsoft提供的VirtualEarth服务与GoogleEarth基本相似，同样无偿提供全球遥感影像数据。
区别是Google提供自己的浏览器客户端,而Microsoft则将VirtualEarth嵌入到他的IE浏览器中。
MSNVirtualEarth提供的地理信息分析服务也是查询地图和地理信息，但时效性较GoogleEarth差。
2006年微软发布的VirtuanlEarth3D提供线路查询、交通状况查询、用户所在区域导航等查询分析功能。
ESRI的ArcGISExplorer也是无偿的虚拟地球浏览器，提供多分辨率的二维、三维的影像，它的特点是可以完成GIS一般分析任务和一定的分析功能。
在虚拟地球（VirtualEarth）领域，ESRI公司的ArcGISExplorer产品因为集成了ArcGIS强大的GIS功能占有独特的地位，使得非GIS分析人员的普通用户都能应用GIS的力量来解决问题。
Skyline公司的SkylineGlobe虚拟软件，功能与GoogleEarth相似，SkylineGlobeAPI是无偿提供的，但SkylineGlobe商业包是有偿服务的。
SkylineTerraSuite提供基本地图的查询、分析功能。
Leica公司2006年推出的LeicaVirtualExplorerV3.1创造3D可视化的标准，提供的是一系列的整合集成服务，它将遥感影像DEM和GIS无缝整合，快速整合为三维景观。
LeciaVirtualExplorer平台提供的分析功能为：
1.提供最优化的驾驶方向2.邻近度查询：
根据距离选择位置的邻近度返回邻近区域列表。
综上所述，目前流行的“数字地球”平台的分析功能主要集中在基本的地理位置查询、线路查询、目标点附近地物查询，而缺少空间分析功能。
1.3研究内容及技术
针对数字地球平台在分析功能方面存在的问题，围绕目前优秀的数字地球平台软件，研究“数字地球”概念，缓冲区分析的理论和技术体系，对数字地球平台的分析功能进行深入研究以数据整合、数据格式转换、数据缓冲区分析，路径查询等技术为研究对象，以如何建立G/S模式下缓冲区分析、路径查询功能为目标开展研究。
1、地学浏览器[5]的设计与实现。
需要设计一种G/S模式下的地学浏览器，提供G端地学浏览器的基础功能。
2、空间分析框架的搭建。
吸取GoogleEarth展示浏览和ArcGIS空间分析的优势，避免以前三维浏览平台空间分析功能弱，空间分析软件三维浏览差的缺陷，搭建了一种新的框架。
3、相关技术研究。
讨论数字地球平台、G/S模式等相关技术，对目前国内外数字地球平台的应用和地理信息系统空间分析的技术方案和架构进行总结，找出并解决的关键技术问题。
4、空间数据缓冲区分析。
通过对三维数据缓存区分析的深入研究，针对当前流行的具有缓冲区分析功能的平台进行分析探讨，对其进行深入研究，分析G/S模式下地学浏览器浏览、传输、处理数据的特点和方式，通过对三维数据空间分析的深入研究，提出一种比较可行的基于G/S模式的缓冲区分析的解决方案。
5、路径查询分析。
最优路径查询，如距离最短或时间最短或费用最低的路径查询是车载导航系统中常见的一种查询方式，一般是通过输入目的地而得到想要的最优路线，车辆在导航系统的辅助下，能够尽快到达目的地。
该查询最终落实到对地图数据库的检索,即根据给定条件确定相应地物集合的数据库逻辑地址。
6、原型系统设计实现。
根据提出的解决方案，设计以G/S模式为理论指导，利用VisualStudio.NET2008作为开发环境，以GoogleEarth作为数字地球基础模型，以ArcGIS空间分析库函数为支持的应用实例，并对设计方案进行实践应用测试。
1.4组织结构
第1章作为前言部分，对选题背景、国内外研究现状等进行了描述、课题来源。
并对G/S模式下空间数据空间分析功能的研究目的和意义进行了分析和说明。
第2章开发工具简要介绍。
第3章主要介绍了系统设计方面。
包括概要设计和详细设计。
第4章主要介绍了系统开发与实现。
包括平台部署、窗体实现、功能实现。
第5章简要介绍论文取得成果。
第2章开发工具简要介绍
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