基于開源軟件GIS應(yīng)用平臺開發(fā)

1、開源GIS應(yīng)用軟件平臺開發(fā)簡介,報告人：季 民 山東科技大學(xué) 二一年九月,目 錄,1. 開 源 軟 件 簡 介,2. 開源GIS軟件分類,3. 開源GIS軟件應(yīng)用,4. 開源空間信息軟件框架實(shí)例,1.開源軟件簡介,所謂開源軟件指軟件的源代碼(軟件程序的原始文件)是對任何人都完全開放的，即任何人在有關(guān)許可協(xié)議方式的規(guī)范下，具有獲得、使用、復(fù)制、修改和分發(fā)源代碼的自由，但為了保護(hù)初始源代碼的完整性，有關(guān)許可協(xié)議規(guī)定:原創(chuàng)者對源代碼修改者的后續(xù)行為的自由有一定限制。自由軟件和開源的軟件具有廣泛的共同點(diǎn)，在一般情況下我們統(tǒng)稱為“自由開源軟件”;考慮到當(dāng)今它們愈來愈廣泛地參與務(wù)實(shí)的商業(yè)活動，我們也可將共

2、簡稱為“開源軟件”。,開源空間信息軟件的發(fā)展雖然時間不長，僅僅20年左右的時間，但造就了如GRASS、OSSIM這樣功能突出、性能異常優(yōu)越，不亞于任何一款商業(yè)軟件的標(biāo)志性項(xiàng)目，更有如WorldWind、MapGuide等用戶體驗(yàn)良好、方便用戶使用的前端平臺。 截止到2006年8月11日，通過互聯(lián)網(wǎng)可以尋找到的開源空間信息軟件項(xiàng)目已經(jīng)達(dá)到229個，在最新的freegis項(xiàng)目中已經(jīng)可以尋找到的空間信息軟件項(xiàng)目更是達(dá)到306個。,2. 開源GIS軟件分類,GIS開源桌面 GIS開源服務(wù)器端 GIS開源組件 GIS開源空間數(shù)據(jù)類庫,（1）GIS開源桌面,桌面版開源GIS軟件有GRASS，UDIG，OS

3、SIM，QGIS，MapWindows，gvSIG，Kosmo，JUMP/JCS，SAGA，ILWIS，SharpMap等，目前GRASS已經(jīng)覆蓋了大多數(shù)GIS功能，UDIG產(chǎn)品優(yōu)勢在于地圖編輯，QGIS用戶界面友好。,GRASS是最具有傳奇色彩的大型GIS系統(tǒng)，最早由美國軍方建筑工程研究實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建維護(hù)，后來貢獻(xiàn)給開源社區(qū)，目前GRASS已經(jīng)覆蓋了大多數(shù)GIS系統(tǒng)的操作函數(shù)，超過300個經(jīng)典算法，是開源版的ArcGIS。它是Uniux平臺的第一個GIS軟件，同其他Unix軟件一樣，吸引了多家聯(lián)邦機(jī)構(gòu)、大學(xué)和公司的參與研發(fā)。 1988年時，GRASS 3.0軟件包的發(fā)行達(dá)1000余個。GRASS

4、軟件曾經(jīng)三次獲得美國聯(lián)邦政府的有關(guān)獎項(xiàng)。目前廣泛的在全球的政府，科研以及大學(xué)部門使用。最新的6.3.1版本的GRASS增加Sqlit數(shù)據(jù)庫驅(qū)動，修改了包括r.flow等40個左右的算法包，修正了若干的Bug，對最新的OGC WMS規(guī)范也有了很良好的支持。,QGIS也是一個用戶界面友好的地理信息系統(tǒng)，它目前能夠很好得支持PostGIS空間數(shù)據(jù)庫，最新0.8版本的QGIS開始增加對WMS的支持，同時改進(jìn)了矢量數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的編輯，增加了屬性信息的搜索。 最為重要的是其重構(gòu)了QGIS的API庫，方便用戶可以進(jìn)行二次開發(fā)，修改了矢量圖層的透明和反鋸齒，增強(qiáng)了矢量數(shù)據(jù)編輯，這包括復(fù)制、剪切、黏貼和節(jié)點(diǎn)捕

5、捉等。在去年的版本中QGIS可以很好的支持GRASS的算法接口，成為了GRASS的一個重要的前端表現(xiàn)工具，為GRASS的發(fā)揚(yáng)起到了很好的推動作用。,（2）GIS開源組件,GIS開源組件有基于微軟COM技術(shù)倡導(dǎo)研發(fā)的GDAL/OGR庫，Proj4，OpenMap，GEOS，NTS，JTS等。 GDAL/OGR類庫目前是兩個不同的組成模塊，GDAL提供了一整套讀寫不同柵格數(shù)據(jù)格式功能的抽象類庫，而OGR則是一個讀寫諸多矢量數(shù)據(jù)格式功能的抽象類庫。目前GDAL支持達(dá)50多種柵格數(shù)據(jù)格式，幾乎覆蓋了所有的商業(yè)應(yīng)用軟件的格式，OGR已經(jīng)支持包括著名的ESRI Shapefiles、ArcSDE及MapI

6、nfo、Oracle Spatial在內(nèi)的諸多商業(yè)公司的矢量格式。數(shù)據(jù)是一切軟件的血液，空間信息產(chǎn)業(yè)更是如此，海量數(shù)據(jù)在空間信息軟件行業(yè)體現(xiàn)的最為明顯，沒有一套高效率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型和類庫很難完成異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成和融合，正是有了GDAL/OGR，構(gòu)建在其之上的各類空間信息軟件項(xiàng)目才有了生命力。,（3）GIS開源服務(wù)器端,GIS開源WebGIS產(chǎn)品有MapGuide，MapServer，GeoServer，Mapbender，Ka-map，Chameleon，quickWMS等。 MapGuide OpenSource(以下簡稱 MapGuide OS)是Autodesk在以MapGuide6.5為

7、藍(lán)本的基礎(chǔ)上，在參考最新IT技術(shù)的基礎(chǔ)上重新研發(fā)的大型網(wǎng)絡(luò)空間信息平臺，Autodesk目前已將包括FDO等技術(shù)的MapGuide源代碼都貢獻(xiàn)給了開源社區(qū)，在充分利用開源技術(shù)優(yōu)勢的同時，也促進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)在全球范圍內(nèi)的廣泛使用。 MapGuide OS采用了標(biāo)準(zhǔn)的C+撰寫內(nèi)核，在高效的內(nèi)核外，項(xiàng)目的開發(fā)人員又增加了對PHP、.NET、Java三種不同語言的開發(fā)包，以適應(yīng)不同類型程序員的需求。這非常符合當(dāng)前混元IT架構(gòu)的狀況，MapGuide OS可以在保證增加一個API的基礎(chǔ)上，對三套不同的開發(fā)類庫均適用。,（4）GIS開源空間數(shù)據(jù)類庫,開源空間數(shù)據(jù)庫有PostGIS/PostgreSQL，My

8、SQL Spatial，Autodesk公司推出了類似于ODBC技術(shù)的FDO（Feature Data Object）技術(shù)，PostGIS為開源數(shù)據(jù)庫PostgreSQL提供了空間支持，MySQL Spatial則在MySQL4.0上加入Spatial擴(kuò)展功能，F(xiàn)DO可以快捷地訪問大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫，還提供了更靈活的擴(kuò)展性、更高的安全性，并能創(chuàng)建更完善的數(shù)據(jù)模型 目前采納FDO技術(shù)的產(chǎn)品包括Autodesk Map 3D和MapGuide Open Source系列，最新的FDO 3.2版本支持包括ArcSDE、MySQL、ODBC、SDF、SHP、WFS、WMS、GDAL等在內(nèi)的多個數(shù)據(jù)源。這樣

9、，各類用戶就能充分利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所帶來的種種優(yōu)勢。毫無疑問“MapGuide+FDO+MySQL”是一個很好的開源空間信息解決方案。,（5）GIS開源程序派系分類,3、開源GIS軟件應(yīng)用,目前，開源GIS軟件的主要用戶是大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)和非政府組織支持的應(yīng)用。 Song基于MapServer開發(fā)了一個柬埔寨環(huán)境地圖系統(tǒng)，能夠管理各種比例尺矢量地圖，MSSTM/ETM影像以及土地利用圖層。 Jaroslav等采用GRASS實(shí)現(xiàn)了一種太陽輻射模型的集成應(yīng)用； Cloudio等使用開源GIS在巴西開展了電子政務(wù)應(yīng)用研究； C.George等用開源MapWindow開發(fā)了一個聯(lián)合國土壤和水資源

10、評價工具； Bas Van-meulebrouk等在南非Cell-Life非政府組織的支持下，利用開源GIS軟件開展了HIV/AIDS管理信息系統(tǒng)的研究，利用GIS輔助制訂信息分發(fā)計(jì)劃、管理HIV/AIDS相關(guān)分布控制信息； Alessandro Bezzi等采用開源GRASS在荷蘭ITC支持下開展考古方面的研究，實(shí)現(xiàn)了模型建模及管理； Lars Gunnar和Trond Andresen采用開源MapSe-rver軟件開展了地區(qū)健康管理GIS研究和開發(fā)實(shí)踐； AndrewJ利用出版的卡特里娜颶風(fēng)地圖結(jié)合開源GIS軟件研究死亡率與位置的關(guān)系； Autodesk公司支持很多研究機(jī)構(gòu)開展基于開源M

11、apGuide的網(wǎng)絡(luò)空間信息服務(wù)方面的研究; NASA也支持一些開源的影像發(fā)布技術(shù)研究，如NASA WorldWind。,國內(nèi)利用開源GIS軟件應(yīng)用集中在一些行業(yè)部門，主要是利用開源GIS的地圖制圖、Web發(fā)布等功能。 熊靜用MapServer開發(fā)了一個遙感影像發(fā)布系統(tǒng); 鄭斌等采用開源GeoTools平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一個城市基準(zhǔn)地價信息發(fā)布系統(tǒng); 圣榮等研究了基于MapServer的網(wǎng)絡(luò)空間信息共享系統(tǒng); 張大鵬等采用開源GeoServer開發(fā)了一個110指揮中心警情分析系統(tǒng); 楊朝暉等采用開源GeoServer和PostGIS實(shí)現(xiàn)了一個網(wǎng)絡(luò)房地產(chǎn)估價系統(tǒng)設(shè)計(jì); 朱俊峰開展了基于SharpM

12、ap和NTS構(gòu)建WebGIS的研究; 黃沖研究了開源WebGIS的最短路徑算法; 馮宇等則用開源WebGIS設(shè)計(jì)了一個干線公路網(wǎng)用地控制系統(tǒng); 宋現(xiàn)鋒進(jìn)一步利用開源MapServer開展Flash地圖的研究; 呂德奎等系統(tǒng)研究了開源版MapGuide的應(yīng)用模式; 許文星等研究了一種基于開源Nasa WorldWind的G-S空間信息服務(wù)模式，并應(yīng)用于九寨溝旅游信息發(fā)布系統(tǒng)。,同時，國內(nèi)的GIS公司也開始舉辦開源GIS研發(fā)大賽，圍繞著開源GIS軟件的應(yīng)用越來越多。綜合近年來國內(nèi)外開源GIS軟件的應(yīng)用，可見，當(dāng)前開源GIS的應(yīng)用仍集中在大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)，一些行業(yè)用戶也主要利用開源GIS進(jìn)行WebGI

13、S應(yīng)用，開源WebGIS平臺的應(yīng)用較多，占開源GIS應(yīng)用的80%以上。隨著更多的行業(yè)用戶對開源GIS的熟悉和認(rèn)知以及開源GIS軟件的進(jìn)一步穩(wěn)定可靠，開源GIS的應(yīng)用將會越來越多。,4、開源空間信息軟件框架實(shí)例,空間數(shù)據(jù)庫PostgreSQL+PostGIS,PostgreSQL是目前功能最強(qiáng)大、最先進(jìn)的開源數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（ORDBMS）； 支持Windows, Linux, MacOS等所有主流操作系統(tǒng)； 各種前端管理工具（pgadmin3/phppgadmin） 各種語言的編程接口,PostgreSQL特性,SQL支持SQL2003標(biāo)準(zhǔn)超集，支持過程化SQL(PL/p

14、gsql)，和各種語言作為存儲過程開發(fā)語言 多種索引 豐富的數(shù)據(jù)類型 用戶自定義的對象 大量擴(kuò)展模塊，和空間信息處理有關(guān)的有： PostGIS和pgRouting,PostgreSQL特性,編程和訪問接口 自有的服務(wù)器編程接口（SPI） ODBC JDBC Python的DB/API 管理工具 跨平臺的圖形化管理客戶端pgadmin3 基于Web的Apache/PHP環(huán)境的phppgadmin,PostGIS-空間數(shù)據(jù)類型擴(kuò)展,PostGIS是PostgreSQL的擴(kuò)展，遵循OpenGIS規(guī)范，支持空間對象、空間索引、空間操作函數(shù) 基于空間對象庫GEOS和空間投影庫PROJ.4開發(fā) 支持桌面G

15、IS軟件：GRASS, QGIS, uDig, JUMP 支持中間件服務(wù)器：MapServer, GeoServer等 支持開發(fā)庫：GeoTools, OGR ESRI ArcGIS 9.3支持PostGIS空間數(shù)據(jù)類型,PostGIS特性,支持OpenGIS中所有空間數(shù)據(jù)類型 POINT, LINESTRING, POLYGON, MULTI-POINT,MULTI-LINESTRING, MULTI-POLYGON,GEOMETRY COLLECTION 支持采用WKT, WKB和EWKT, EWKB（包含了SRID信息的WKT/WKB）表達(dá)幾何對象,Web Mapping:MapServ

16、er+OpenLayers,MapServer是采用C開發(fā)的CGI程序，用于空間信息的Web發(fā)布和交互，開源軟件 高級繪圖輸出 根據(jù)比例尺進(jìn)行幾何繪制，地圖標(biāo)注和標(biāo)注避讓； 高度定制化的模板輸出； TrueType字體支持； 圖面元素自動化生成（比例尺、參照圖、圖例） 邏輯或正則表達(dá)式生成的專題圖 支持眾多腳本和開發(fā)環(huán)境 PHP, Python, Perl, Ruby, Java, and .NET,MapServer特性,跨平臺支持 Linux, Windows, Mac OS X, Solaris等操作系統(tǒng)； 支持眾多OGC標(biāo)準(zhǔn) WMS, WFS, WCS, GML等； 支持眾多矢量和柵格

17、數(shù)據(jù) GDAL支持的所有柵格格式； OGR支持的所有矢量格式（ESRI Shapefile, PostGIS,ArcSDE, Oracle Spatial, MySQL等等） 地圖投影支持 PROJ.4支持的一千多種投影的實(shí)時轉(zhuǎn)換,OpenLayers,OpenLayers是一個用于Web Mapping客戶端開發(fā)的Javascript包 采用了Ajax技術(shù)實(shí)現(xiàn)無刷新動態(tài)頁面； 支持多種數(shù)據(jù)源的整合 圖像文件, WMS, WFS, GML, KML, Google Map, Yahoo Map, Microsoft Virtual Earth, WorldWind, aMap,GeoRSS,

18、MapServer, MapGuide 圖層控制和縮放控制 概覽圖、圖面標(biāo)記,開發(fā)庫：GDAL+OGR,GDAL是一個操作各種柵格地理數(shù)據(jù)格式的庫 包括讀取、寫入、轉(zhuǎn)換、處理各種柵格數(shù)據(jù)格式； 它使用單一的抽象數(shù)據(jù)模型支持大多數(shù)的柵格數(shù)據(jù)； OGR是操作矢量格式地理數(shù)據(jù)的庫 眾多的GIS軟件都使用GDAL/OGR庫，包括開源和商用軟件,GDAL數(shù)據(jù)模型,GDAL抽象數(shù)據(jù)模型包括 數(shù)據(jù)集(dataset)，坐標(biāo)系統(tǒng)，仿射地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(Affine Geo Transform)，大地控制點(diǎn)(GCPs)， 元數(shù)據(jù)(Metadata)，柵格波段(Raster Band)，顏色表(Color Table

19、)，子數(shù)據(jù)集域(Subdatasets Domain)，圖像結(jié)構(gòu)域(Image_Structure Domain)，XML域(XML:Domains)。,OGR體系結(jié)構(gòu),Geometry類 包括OGRGeometry等類封裝了OpenGIS的矢量數(shù)據(jù)模型，并提供了一些幾何操作，WKB和WKT格式之間的相互轉(zhuǎn)換，以及空間參考系統(tǒng)(投影)； Spatial Reference類 OGRSpatialReference封裝了投影和基準(zhǔn)面的定義。 Feature類 OGRFeature封裝了一個完整feature的定義，包括一個geometry和geometry的一系列屬性。,OGR體系結(jié)構(gòu),Feat

20、ure Definition類 OGRFeatureDefn里面封裝了feature的屬性，類型、名稱及其默認(rèn)的空間參考系統(tǒng)等。 Layer類 OGRLayer是一個抽象基類，表示數(shù)據(jù)源類OGRDataSource里面的一層要素(feature)。 Data Source類 OGRDataSource是一個抽象基類，表示含有OGRLayer對象的一個文件或一個數(shù)據(jù)庫。 Drivers類 OGRSFDriver對應(yīng)于每一個所支持的矢量文件格式。,OGR數(shù)據(jù)模型,開發(fā)庫：GEOS+PROJ.4,GEOS是一個幾何拓?fù)洳僮鲙?，是JTS(JTS Topology Suite)的C+移植 支持空間關(guān)系判

21、定：Equals, Disjoint, Intersects,Touches, Crosses, Within, Contains, Overlaps 和空間操作：Buffer, ConvexHull, Intersection, Union, Difference, SymDifference PROJ.4是地圖投影庫 功能主要有經(jīng)緯度坐標(biāo)與地理坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，包括基準(zhǔn)變換等 PostGIS采用GEOS+PROJ.4!,桌面客戶端QGIS,QGIS是一個用戶界面友好的桌面地理信息系統(tǒng) 可運(yùn)行在Linux、Unix、Mac OSX和Windows等平臺之上； 基于跨平臺的圖形工具Qt

22、軟件包，采用C+ 語言開發(fā)； 支持多種矢量、柵格和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)源 GDAL/OGR, PostGIS, SpatiaLite, WMS, WFS 豐富的顯示、管理、分析、查詢的功能； 投影轉(zhuǎn)換，圖層控制，專題圖，圖面整飾，統(tǒng)計(jì)查詢 地圖編輯，柵格數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，GPS工具 通過GRASS插件和fTools插件實(shí)現(xiàn)豐富的空間分析功能 除了核心功能以外，QGIS支持插件擴(kuò)展,QGIS插件,核心插件（Core Plugins） 由QGIS開發(fā)組維護(hù)，包含在所有的QGIS發(fā)行版中，開發(fā)語言為C+或Python,QGIS插件開發(fā),開發(fā)環(huán)境 QGIS, Python, QT, PyQT, PyQT開發(fā)工具 采用P

23、yQT開發(fā)圖形界面 與QGIS界面和功能組件交互 由插件管理器裝入 插件的圖形界面與用戶進(jìn)行交互,開源GIS套件：GRASS GIS,GRASS GIS(Geographic Resources Analysis SupportSystem地理資源分析支持系統(tǒng)) GRASS 最初被美軍建筑工程研究實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)為一個軍用的土地管理支持軟件。該系統(tǒng)于1999 年使用GNU GPL 發(fā)布，距今已有24年的歷史。 1985：v1.0，1990：v4.x版，現(xiàn)在是v6.5版本。 GRASS是在Linux系統(tǒng)開發(fā)的基于GPL協(xié)議的一個開源軟件，具備數(shù)據(jù)管理、圖像處理、數(shù)字制圖、空間建模和數(shù)據(jù)可視化等功能。它

24、是用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫的一套基于文件結(jié)構(gòu)的平臺。 GRASS 將地理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存儲在自身的數(shù)據(jù)庫中。也支持外部數(shù)據(jù)庫如Oracle 數(shù)據(jù)庫, PostgreSQL。,開源GIS套件：GRASS GIS,目前GRASS已經(jīng)覆蓋了大多數(shù)GIS操作函數(shù)，超過300個經(jīng)典的算法，是開源版的ArcGIS 是Unix平臺的第一個GIS軟件，支持平臺Linux, Windows（通過Cygwin）。 GRASS支持的功能： 數(shù)據(jù)導(dǎo)入/導(dǎo)出； 二維柵格數(shù)據(jù)；三維柵格數(shù)據(jù)(真三維)； 矢量數(shù)據(jù)，目前已擴(kuò)展到三維； 空間分析； 地圖成圖；數(shù)據(jù)可視化（二維、2.5維和三維） 地理空間分析是GRASS GIS 的主要

25、的強(qiáng)項(xiàng)之一。,GRASS GIS：主要模塊及功能,柵格分析模塊 具有柵格向矢量轉(zhuǎn)換、基于柵格單元與定制的數(shù)據(jù)查詢、顏色表修改、矢量與點(diǎn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、專家系統(tǒng)分析、點(diǎn)的插值、相鄰關(guān)系矩陣分析、柵格疊加、柵格單元的重新劃分、重采樣、單元值比例縮放、單元統(tǒng)計(jì)分析、基于矢量線的表面生成等功能。 矢量分析模塊 具有等高線生成、矢量向柵格或點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字化、矢量動態(tài)標(biāo)注、矢量層的疊加等功能。 點(diǎn)數(shù)據(jù)分析模塊 具有Delaunay三角剖分、高程點(diǎn)插值、泰森多邊形生成、地形圖分析(包括坡度、坡向等)等功能。 圖像處理模塊 具有色彩合成、邊緣檢測、頻率過濾、傅立葉變換和反變換、IHS到RGB 的轉(zhuǎn)換和反轉(zhuǎn)換、圖像校正、正射影像校正、輻射線改正、重采樣、分辨率增強(qiáng)、基于紋理的