基于開源GIS的可視分析系統(tǒng)研究

穆欣波

摘要：該文闡述了可視化和可視化分析的含義，介紹了地理信系統(tǒng)的概況和應(yīng)用領(lǐng)域，結(jié)合地理信息系統(tǒng)和可視分析兩者的特點(diǎn)提出了基于開源GIS的可視分析系統(tǒng)，用來幫助企業(yè)分析人員進(jìn)行基于地理信息的業(yè)務(wù)分析。開源GIS采用的是百度地圖提供的API，可視化分析組件采用基于JavaScript的Ext JS框架。百度地圖API提供了豐富的地圖上的操作和地理數(shù)據(jù)處理能力；在Ext JS框架中提供的豐富界面設(shè)計(jì)元素中包含了形態(tài)各異的儀表盤，并支持基本的用戶和儀表盤之間的交互，系統(tǒng)在提供了以儀表盤形式顯示數(shù)據(jù)的同時(shí)，并支持用戶和儀表盤之間的基本交互行為。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；可視分析；儀表盤；交互

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）36-8768-02

1 簡介

1.1 GIS

GIS，即地理信息系統(tǒng)，是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)軟硬件的支持下，運(yùn)用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論，科學(xué)管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供管理、決策等所需信息的技術(shù)系統(tǒng)。簡單的說，地理信息系統(tǒng)就是綜合處理和分析地理空間數(shù)據(jù)的一種技術(shù)系統(tǒng)。經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，到今天已經(jīng)逐漸成為一門相當(dāng)成熟的技術(shù)，并且得到了極廣泛的應(yīng)用。尤其是近些年，GIS更以其強(qiáng)大的地理信息空間分析功能，在GPS及路徑優(yōu)化中發(fā)揮著越來越重要的作用。GIS 技術(shù)把地圖這種獨(dú)特的視覺化效果和地理分析功能與一般的數(shù)據(jù)庫操作（例如查詢和統(tǒng)計(jì)分析等）集成在一起。

1.2 信息可視化

信息可視化（Information Visualization）的內(nèi)涵是將數(shù)據(jù)通過圖形化、地理化形象真實(shí)地表現(xiàn)出來，并且找出數(shù)據(jù)背后蘊(yùn)含的信息。涉及到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)視覺及人機(jī)交互技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。信息可視化相關(guān)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對信息數(shù)據(jù)的分析和提取，然后以圖形、圖像、虛擬現(xiàn)實(shí)等易為人們所辨識的方式展現(xiàn)原始數(shù)據(jù)間的復(fù)雜關(guān)系、潛在信息以及發(fā)展趨勢，以便我們能夠更好地利用所掌握的信息資源。

1.3 可視分析

可視分析最早在2005年美國安全局建立的國家可視化及分析中心組織的研討會上首次提出，它重點(diǎn)研究如何通過交互式可視化界面輔助用戶進(jìn)行分析推理，提供輔助用戶分析決策的工具和技術(shù)，使用戶能夠從海量、動態(tài)、模糊并且可能存在沖突的數(shù)據(jù)中綜合信息并洞察隱藏的規(guī)律和模式、檢測預(yù)期事件、發(fā)現(xiàn)意外事件，或?yàn)橹笇?dǎo)行動進(jìn)行有效的評估和交流?？梢暦治鍪菍⒖梢暬⑷说囊蛩睾蛿?shù)據(jù)分析進(jìn)行組合用于決策的整合方法，它在分析推理過程研究中更加強(qiáng)調(diào)用戶行為及對可視化的有效使用方式等方面，旨在提供更多的智能化數(shù)據(jù)分析支持。由于可視分析更符合應(yīng)用實(shí)踐，近幾年得到了較快的發(fā)展。

1.4 基于GIS的可視分析

基于GIS的可視化分析的研究方向和當(dāng)前的GIS的主要應(yīng)用領(lǐng)域是分不開的。

陳生等人提出了基于GIS的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可視化體系和可視化功能流程模式，在該研究中指出在我國，國家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是以行政區(qū)位為基本單元來收集的統(tǒng)計(jì)型數(shù)據(jù)集，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的每個(gè)指標(biāo)都有一個(gè)地理統(tǒng)計(jì)單元與之對應(yīng)，不同的年份統(tǒng)計(jì)指標(biāo)有所變化而且統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的值也會發(fā)生變化，即統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有統(tǒng)計(jì)指標(biāo)（體系）、時(shí)間、空間等屬性，可以概括為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的指標(biāo)維、時(shí)間維、空間維3個(gè)維度，在傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析中統(tǒng)計(jì)指標(biāo)屬性和時(shí)間屬性這兩個(gè)屬性基礎(chǔ)上，增加了空間屬性，使統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)具有時(shí)空性。在傳統(tǒng)的可視化表現(xiàn)方式基礎(chǔ)上結(jié)合GIS 的可視化技術(shù)，建立基于GIS的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可視化體系.

徐波等將GIS在空間分析管理上具備的強(qiáng)大的功能以及GIS對數(shù)據(jù)的管理思想和技術(shù)方法引入到了海洋數(shù)據(jù)管理上來，有效地達(dá)到了對海洋資源環(huán)境的綜臺管理。該系統(tǒng)的建立目標(biāo)是海洋環(huán)境信息的綜合分析管理，除了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理功能外，結(jié)合了遙感和GIS技術(shù)，加強(qiáng)了數(shù)據(jù)的時(shí)空分析功能，將GIS的強(qiáng)大功能結(jié)合到海洋環(huán)境綜合分析管理系統(tǒng)中，可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間查詢、空間分析和空間可視化；用戶通過友好的人機(jī)界面，對系統(tǒng)發(fā)出各種指令，系統(tǒng)的主框架程序?qū)@些命令進(jìn)行解釋，凋用相應(yīng)的處理模塊來完成制定的查詢、分析操作。

2 總體需求分析

近些年來，很多企事業(yè)單位都會在全國各地甚至是全球各處設(shè)立很多辦事機(jī)構(gòu)或者是分部門，如各個(gè)廠商的維修站、移動公司的客戶服務(wù)等。這些分布在全國各地的分部門由于地理位置相異會影響很多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)指標(biāo)，企事業(yè)的相關(guān)分析決策人員需要基于各個(gè)分部門的地理位置進(jìn)行相應(yīng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的查詢、比較、分析、決策。將傳統(tǒng)的以報(bào)表形式（二維表）展現(xiàn)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過更加形象清晰的可視分析組件包中的各類儀表盤以不同的形態(tài)，根據(jù)用戶選擇的類型來呈現(xiàn)分析人員關(guān)心的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來以后，要能支持一定的基于已有形態(tài)的交互操作。

根絕總體需求分析分析，按照相關(guān)性可以劃分為三個(gè)子系統(tǒng)：地圖顯示子系統(tǒng)，儀表盤子系統(tǒng)，分析指標(biāo)選擇面板子系統(tǒng)。地圖顯示子系統(tǒng)處于基礎(chǔ)和平臺的地位，很多用例是基礎(chǔ)的用戶和系統(tǒng)的交互，用戶和地圖之間的交互主要包括3類：平移，縮放，選擇區(qū)域。其中選擇區(qū)域包括矩形選擇、圓形選擇、折線選擇。儀表盤子系統(tǒng)中的用例主要是用戶和儀表盤之間的交互，排序和拖動數(shù)據(jù)是相對比較復(fù)雜的交互；分析指標(biāo)選擇子系統(tǒng)內(nèi)的用例是用戶在地圖上選擇區(qū)域之前進(jìn)行的交互操作，選擇數(shù)據(jù)的分析屬指標(biāo)，如人口、利潤，選擇地理類別，如學(xué)校、銀行、等。

2.1 功能性需求

1） 根據(jù)需求選擇地理位置類型，如維修點(diǎn)，服務(wù)中心等。

2） 支持單選，多選，框選目標(biāo)分析區(qū)域。

3） 用戶分析視野范圍的放大，縮小，平移，添加標(biāo)注。

4） 用戶分析數(shù)據(jù)屬性的選擇，如員工數(shù)量，月銷售量等。

5） 用戶可選擇可視分析組件包中的儀表盤類型。endprint

6） 用戶可以對顯示在儀表盤中的數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的交互操作，包括排序、求平均值、方差等；儀表盤間的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行拖動交換。

7） 對于分析顯示結(jié)果可以保存到EXCEL文件中，或存入數(shù)據(jù)庫中。

8） 數(shù)據(jù)庫管理人員可以對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的添加，查詢，修改，刪除，備份恢復(fù)，導(dǎo)入導(dǎo)出。

2.2 非功能性需求

系統(tǒng)在滿足上述的功能性的基礎(chǔ)之上，還應(yīng)滿足下列的非功能性需求：

1） 用戶界面元素布局合理，顏色演示搭配符合界面設(shè)計(jì)的基本原則。

2） 遵照人機(jī)交互基本原則，操作流程符合人類認(rèn)識基本模式，減輕用戶認(rèn)識負(fù)擔(dān)。

3） 系統(tǒng)加載時(shí)間在用戶可接受范圍內(nèi)，平穩(wěn)安全運(yùn)行，并發(fā)性請求支持良好。

4） 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)成熟，架構(gòu)先進(jìn)，易維護(hù)，可擴(kuò)展。

5） 節(jié)約系統(tǒng)開發(fā)成本。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)實(shí)施方案

針對前面所述的需求分析說明，考慮功能性的需求和非功能性的需求，結(jié)合當(dāng)前成熟穩(wěn)定的系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，采用B/S架構(gòu)，即瀏覽器和服務(wù)器模式。瀏覽器發(fā)送請求，服務(wù)器接受請求并處理請求，把處理結(jié)果返回給瀏覽器，瀏覽器把結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。設(shè)計(jì)模式采用成熟的MVC模式。開源GIS采用百度地圖的JavaScript版本，可視分析組件包中的儀表盤用Ext JS框架實(shí)現(xiàn)，服務(wù)器端采用Servlet接收請求和處理請求，JavaBean作為數(shù)據(jù)模型的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)總體上可以分為3個(gè)子系統(tǒng)：地圖顯示子系統(tǒng)，儀表盤子系統(tǒng)，分析指標(biāo)選擇子系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)總體架構(gòu)采用基于Web的MVC分層模式，按照職責(zé)分為3層，即視圖層-控制器-模型層，視圖層主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)和用戶的交互，響應(yīng)用戶的操作，并根據(jù)控制器的要求更新相應(yīng)的顯示頁面；控制層處于中心位置，連接了視圖層和模型層，響應(yīng)視圖層的請求，調(diào)用相應(yīng)模塊處理請求，并把請求結(jié)果返還給視圖層；模型層是和業(yè)務(wù)結(jié)合最緊密的一層，這一層主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯的處理，如查詢邏輯數(shù)據(jù)庫，并將結(jié)果交給控制層。

將可視分析組件（即儀表盤）的數(shù)據(jù)模型、可視屬性與交互屬性分開，以便于可視組件的靈活配置和擴(kuò)展；其中，模型層定義了交互式可視組件的數(shù)據(jù)模型以及與后臺業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)訪問接口；視圖層提供了用戶與系統(tǒng)進(jìn)行交互的界面和交互式可視分析組件可視輸出形態(tài)；控制層接收顯示層傳遞的交互請求，根據(jù)交互意圖執(zhí)行交互任務(wù)，完成對數(shù)據(jù)模型的修改，并進(jìn)一步觸發(fā)視圖層更新內(nèi)容。

3.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

遵循軟件設(shè)計(jì)基本原則，模塊間松耦合，模塊內(nèi)高內(nèi)聚，各模塊在完成模塊內(nèi)的功能基礎(chǔ)之上，通過模塊間接口與其他模塊進(jìn)行協(xié)同合作，從而構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的全部功能。系統(tǒng)模塊及其關(guān)系如圖4-4所示。其中地圖顯示模塊是平臺，B-S數(shù)據(jù)交換模塊是客戶端和服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉屑~。

4 總結(jié)與展望

本文開始先介紹了信息可視化和可視分析的概念，敘述了信息可視化的內(nèi)涵是將數(shù)據(jù)通過圖形化、地理化形象真實(shí)地表現(xiàn)出來，并且找出數(shù)據(jù)背后蘊(yùn)含的信息?？梢暦治鲈诳梢暬幕A(chǔ)上挖掘出隱藏在數(shù)據(jù)背后的信息。GIS即地理信息系統(tǒng)，對地理空間數(shù)據(jù)的強(qiáng)大處理分析能力使它近幾年在各個(gè)領(lǐng)域都得到了很大的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。在介紹了相關(guān)技術(shù)內(nèi)容和特點(diǎn)后，分析系統(tǒng)的特點(diǎn)和需求，并結(jié)合功能和非功能的需求提出了解決方案。

在編碼結(jié)束之后，軟件測試是檢驗(yàn)軟件產(chǎn)品是否滿足軟件需求和確保軟件質(zhì)量的必要工作，通過設(shè)計(jì)合理的測試用例，采用合適的測試方法和手段，對系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行了功能上的黑盒測試和白盒測試。

在完成系統(tǒng)基本功能的同時(shí)，也還有很多可以提高和改進(jìn)的地方。在地圖交互上，可以運(yùn)用更多當(dāng)前成熟的可視化技術(shù)，如魚眼效果和focus+context的方法；在可視分析組件的交互上，可以設(shè)計(jì)更加豐富和細(xì)致的交互過程。

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