地理信息系统建设方案.docx
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地理信息系统建设方案
地理信息系统建设方案
1.1地理信息系统概述
信息系统是具有采集、管理、分析和表达数据能力的系统。
在计算机时代，信息系统部分或全部由计算机系统支持，并由硬件、软件、数据和用户四大要素组成。
智能化的系统还应包括知识。
其系统的概念模型可由下图描述。
根据工作侧重点的不同，信息系统分为事务处理系统和决策支持系统两大类。
图1.1信息系统概述模型
目前，我国许多城市智慧城市建设中已采用了地理信息系统，虽然在一定程度上发挥着重要作用，但由于没有全面考虑，无法形成各系统得联动，致使系统无法发挥其应有的巨大潜力和威力，而且数据重复建设，造成人力和财力的浪费。
因此建设二三维相结合智慧城市地理信息系统，以充分发挥地理信息系统的作用，必然会政府机构、各行各业和市民提供更加准确基于位置的信息服务。
1.2地理信息系统设计思想
地理信息系统依托系统特点，紧紧围绕智慧城市的业务流程，建立一个基于计算机网络、语音系统平台、通信网络以及图象处理接口的综合信息系统，并综合GPS/GIS/GPRS应用、三维仿真技术、数据库管理等高新技术，采用集中管理、分散控制的体系结构，建立一个准确、高效、全面、规范的地理信息系统，使数据管理与空间信息管理融为一体，多层次、多方位直观地显示相关数据、图形等信息，提供各种警务工作元素在空间的分布状况和实时运行状况，分析其内在联系，做到资源的合理配置和调度，提高各业务部门的快速响应能力和协同处理能力，并利用辅助分析和决策功能，从宏观上提高警务工作的科学化、规范化、合理化。
第一章关键技术
2.1GIS技术
2.1.1基本概念
地理信息系统，英语名GeographicInformationSystem，缩写为GIS，它是一种能把图形管理系统和数据管理系统有机地结合起来，对各种空间信息进行收集、存储、分析和可视化表达的信息处理与管理系统。
GIS提供的信息产品不仅仅是简单的文字和数据，而且还有一幅幅空间图形或图象。
大到地球、国家、省市，小到村镇、街道乃至地面上的一个点位，GIS都能以直观、方便、互动的可视化方式，实现数据信息的快速查询、计算、分析和辅助决策。
GIS技术是构建数字地球、数字中国、数字城市的核心技术。
2.1.2软件构成
主要由系统软件（操作系统、网络软件等）、数据库软件（如Oracal、Sybase、SQLServer等）、GIS软件平台（如Arc/Info、MapInfo等）、应用软件（GIS二次开发软件、GIS组件库等）组成。
层次结构如图3.1所示：
图3.1GIS层次结构图
2.1.3主要功能
地理信息系统是典型的GIS应用软件，它对GIS功能的要求是：
1.地图显示
·图形放大、缩小与快速拖拽漫游。
·制图概括功能，图形放大与缩小时，随着图形缩放比例的不同，显示不同详细程度的地图内容，避免屏幕显示过密不利观察，使屏幕承载度趋于合理。
·动态漫游功能，当指定被跟踪目标时，无论被跟踪目标如何移动，均应保持被跟踪目标处于跟踪窗口的中央。
·索引图功能，当主窗口显示放大的局部图形时，可另开一个小窗口显示全境，并可通过该窗口控制主窗口的显示内容。
·根据当前窗口地图的放缩情况动态显示比例尺大小。
·图层可见性控制与图层显示优先性控制功能。
·智能化动态注记功能，其中包括：
流动注记功能（街道、河流等线形地物注记，随线形地物当前显示部分流动，始终完整的显示在当前窗口内）；长注记名自动换行显示（对单字节与双字节均可）。
·车辆定位显示功能，能将接收的GPS信号处理，并在地图上显示车辆及其轨迹。
·图素位置显示功能，当输入（或从菜单中点取）图素（如街道和门牌号码、目标名称和唯一标志等）后，可将指定图素的位置在当前地图显示窗口的中央标志出来。
2.属性管理
在数据库中存储跟电子地图上各种图素关联的文字、图片以及录音、录像等多媒体信息，可以进行由图形到属性和由属性到图形的互查，也可以直接对属性表进行各种查询和检索。
3.空间分析
·距离测量功能，能测量地图上两点间距离，测量道路长度，测量路线长度等。
·缓冲区分析，能确定某一事件的影响范围。
·最佳路径分析，根据道路网的拓扑关系，按照距离最短、时间最短等准则确定最佳路径。
·到达分析，根据道路网的拓扑关系确定在某一时间范围内能够到达的区域。
4.地图编辑
5.制图输出
2.2三维虚拟现实技术
上世纪末以来，信息技术在国内各行各业得到广泛应用，特别从国家建设部主持的“城市规划、建设、管理与服务的数字化工程”出台后，更是呈现如火如荼的发展局面。
虚拟现实（VirtualReality－VR），也称为灵境，是一种可以创建和体验虚拟世界（VirtualWorld）的计算机系统。
虚拟世界是全体虚拟环境（VirtualEnvironment）的全体，虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真（InteractiveVisionSimulation），因而一个身临其境的虚拟环境系统是由包括计算机图形学、图象处理与模式识别、智能接口技术、多传感器技术、网络技术和高性能计算机系统等不同功能、不同层次的具有相当规模的子系统所构成的大型综合集成环境。
所以，虚拟现实技术是综合性极强的高新信息技术，在军事、医学、设计、艺术、娱乐等很多领域都得到了广泛的应用。
正是由于对身临其境的真实感和对超越现实的虚拟性的追求，以及建立个人能够沉浸其中、超越其上、进出自如、交互作用的多维信息系统推动了虚拟现实技术在警用指挥的发展与应用。
虚拟现实技术已显示出一定的实用性，而且技术潜力巨大，应用前景十分广阔，就目前来说，在城市规划领域应用虚拟现实技术具有以下优势：
（1）沉浸、交互式的虚拟环境带给人们更加真实的空间感知
虚拟现实与目前普及的CAD、GIS、三维动画等技术不同，使用者与计算机通过自然的交互方式，完全沉浸在计算机所营造的三维虚拟环境中，人们戴上特殊的人机接口设备（如头盔式显示器）后将感觉自己真的置身于虚拟的城市环境中并可以按照自己的意愿漫游到任意地点。
这种真实的空间感知是任何一种传统技术手段无法达到的，也正是这种真实的空间感知，使得虚拟现实技术在改善设计、评审设计方案及展示设计方案中具有巨大的应用潜力。
（2）即再现现实城市又超越其上
虚拟现实创造出的虚拟城市，是物质城市在数字化空间的再现和反映。
现实城市，是物质城市在现阶段的表现形式，虚拟城市再现了现实城市，具有全面模拟和仿真现实城市的特征，同时又超越现实城市，具有智能化和虚拟化的特征。
在一个虚拟城市中，我们不仅可以看到城市的现状，还可以看到城市的过去与未来甚至城市发展过程的全貌。
通过数据库技术我们可以统一管理空间信息与属性信息，实现一定程度的智能化。
2.3定位及监控导航技术
2.3.1定位技术的发展
全球定位系统（GPS）
GPS是一个全球无线电定位导航系统，它由围绕地球的24颗卫星和地面基站构成，利用这些卫星作为参考点，GPS可以在几十米到几厘米的精度上，满足地球上任意点的定位要求。
可以集成到各种智能终端中的定位功能模块有自主式GPS芯片、无线网络辅助GPS定位芯片、里程表和电子罗盘模块、导航模块类型。
自主式GPS芯片能够独立完成定位解算，近几年来GPS产品的应用市场迅速扩展，传统的GPS产品供应商相继推出体积小、功耗低的GPS芯片外，如Surf和Trimble，一些IT大公司也利用其在相关技术领域的技术优势推出了在灵敏度方面有很大技术改进的GPS芯片，如日本的Sony和Epson，美国的IBM和瑞士Leica合作开发的产品。
无线网络辅助GPS定位（A-GPS）
无线网络辅助GPS定位技术通过将GPS定位终端的射频和数字信号处理（DSP）部分分开，利用无线网络基站上的定位服务器和专用的差分站辅助来进行信号解调和定位运算，这项技术的采用使定位芯片仅仅实现射频功能，从而使成本降低到10美元以下，同时芯片功耗很低，最重要的是可以使灵敏度大大提高，可基本实现在室内的定位。
美国QUALCOMMIncorporated（NASDAQ:
QCOM）的下属公司SnapTrack开发了这项专利技术，QUALCOMM推出了嵌有这种定位芯片的GPSOne手机。
目前中国联通的CDMA网络已经可以支持GPSOne手机。
图3.2无线网辅助GPS定位原理结构图
Fig.3.2PrinciplestructureofwirelessnetworkassistingGPSlocation
无线网络定位技术
无线网络定位服务是在无线状态下基于通信位置的定位服务。
开通这项服务，手机用户可以方便地获知自己目前所处的准确位置，并用手机查询或收取他附近各种场所的资讯；手机定位服务的巨大魅力正是在于能在正确的时间，正确的地点把正确的信息发送给正确的人。
同时它还可以对手机用户进行定位，并对手机用户的位置进行实时监测和跟踪，使所有被控对象都显示在监控中心的电子地图上，一目了然。
因此手机定位服务在无线移动的领域内具有广泛的应用前景。
无线网络定位技术包括起始蜂窝（COO），到达角度（AOA）、到达时间（TOA）、达到时间差（TDOA）和增强的观测时间差（E-OTD）方法，也包括这些方法的组合运用，如TDOA/AOA，还包括蜂窝广播技术，即将信息或服务以广播方式传达到处于同一地理区域的用户的方法。
celloforigin（COO）
AngleofArrival（AOA）
TimeOfArrival（TOA）
TimeDifferenceofArrival（TDOA）
EnhancedObservedTimeDifferential（E-OTD）
图3.3几种常用的无线通信网络定位方式原理示意图
Fig.3.3Severalkindsofwaycommonlyusedforlocationwithwirelesscommunicationnetworks
COO技术
COO是最简单的一种定位方法，通过识别出手持终端信号是在无线通信网络的哪一个蜂窝中发出的，从而定出手持终端所在区域。
AOA技术
计算信号从手持终端到达两个以上蜂窝基站的角度，通过方向线交会的办法就可以定出手持终端的位置。
通过信号在蜂窝基站的定标的天线阵列的各单元上的相位差就可以计算出信号到达的角度。
TOA技术
计算信号从手持终端到达三个以上蜂窝终端的传输时间，以蜂窝基站为圆心、以通过传输时间乘以光速计算出来的终端到终端的距离为半径画圆，三个圆弧的交叉部分就是手持终端所在位置。
TDOA技术
计算信号从手持终端到达三个以上蜂窝基站的时间。
计算出到达任意两个基站的时间差，就可以画出一天抛物线，这条抛物线上的点都满足能以这个时间差到达这两个蜂窝基站。
如果有两条以上这样的抛物线，那么它们的交叉部分就是手持终端所在位置。
E-OTD技术
E-OTD定位技术是由美国Cursor公司开发的，是通过比较由无线通信网络基站发出的信号到手持终端和附近的一个固定接受站的相对时间来定位。
这种定位方式要布设固定接受站（Cursor位置测量单元，简写是LMU）和建立一个移动定位中心（MLC），手持终端上也要加载相应的软件模块（Cursor-enabled）。
对于GSM网络定位精度可达到50米，对于3G网络定位精度可望达到更高水平。
图3.5E-OTD技术示意图
Fig3.5E-OTDtechnologicalsketchmap
其它定位技术
里程表加电子罗盘和惯导定位是在卫星定位技术出现以前就有的技术，基本原理是在起点已知的情况下，通过对速度、行进方位和姿态等的感知来定位，现在往往作为在GPS定位无效时的一种备用技术手段。
卫星定位系统除了GPS外，还有前苏联的GLONASS，一些特种应用使用双频接收机，即可同时接收处理GPS和GLONASS信号，具有双保险的功能。
我国自主开发的“北斗”一带定位系统是个双星定位体系，因为终端需要向卫星发射信号，所以端机的体积和功耗都较大。
2.3.2定位跟踪监控系统
根据采用的定位技术、通信方式和应用方向的不同，可以构建各种面队车辆、船只、人员和物品的监控系统。
第二章系统总体设计
3.1系统建设目标
系统建设的目标，是围绕监狱管理指挥工作流程，建立一个集中、统一、高效的指挥系统，实现统一指挥、信息共享、分类处置、快速反应的工作机制。
为达到这一目标，就要从高起点来要求。
通过建立一个基于计算机网络、语音系统平台、通信网络以及图像处理接口的综合受理系统，并综合GPS/GIS应用、数据库管理等高新技术，采用集中管理、分散控制的体系结构，建立一个实用、安全、可靠、综合、高效的应急指挥调度系统。
3.2系统建设原则
先进性：
系统充分利用现今国内外各种成熟的先进技术和设备，使系统站在一个较高的起点，具有较长的生命期。
实用性：
系统具有良好的实用性是，确实能为调度指挥提供有效手段，亦能提供丰富的信息资源，辅助出警方案和决策。
协作性：
以支持各组成单元（如员工、工作小组、部门、分发支机构等）的交流（Communication）、协调（Coordination）、合作（Collaboration）和信息共享（InformationSharing）为网络信息系统建设的根本目标，在提高员工个人的工作效率的同时，提高整体的工作效率和管理水平。
开放性：
系统是开放的，支持多种工业标准、容纳多厂商软硬件平台，拥有广泛的选择范围，才能选择到性价比高的产品，来自不同厂家的不同型号或版本的计算机设备、系统软件、应用软件等，应能够协调一致地有效地运行。
产品遵循公共的、行业的、流行的标准，以保证今后添加的设备和软件能够很好地融合成一体，保护前期投资。
同时，从计算机技术和网络技术的发展来看，标准化无疑是技术突飞猛进的重要因素，只有采用标准化的技术与协议，才能为以后更多的网络做好。
可靠性：
系统的可靠性悠关人们的生命和财产安全，因此有时宁愿舍弃一些不成熟或不实用的“先进”技术、设备，也必须保证系统的稳定性与可靠性。
主要的通讯线路、网络设备、数据等都有备份冗余措施，并且系统具有应急恢复手段，保证系统可以24小时不停机稳定运行。
资源共享性：
网络上的所有资源，可以一体化管理，可以被各组成单元共享。
中心调度指挥系统与分中心调度指挥系统的地理信息数据（背景电子地图）共用一套数据，警用车辆自导航系统的地理信息数据也是从上述地理信息数据提取、转换形成。
除地理数据外，其他业务数据，包括出警档案的管理信息，出警信息，出警反馈信息等，也通过有线和无线网络实现共享，保证数据在各组成系统的一致性。
分布性：
整个网络信息系统不仅在体系结构上，而且在软件结构技术分布计算机的特性，从而提高整个网络系统的运行效率。
易用性：
友好的人机交互界面，输入查询等操作直观方便，全面支持鼠标操作，尽量减少人工数据录入；提示信息简单明确，引导用户完成系统的各项功能。
联机帮助功能完整齐全，方便非计算机专业人员的学习和使用。
易维护性：
网络信息系统越来越庞大，涉及众多的部门，管理困难，因此对整个系统进行协调、高效的管理，显得格外重要。
扩充性：
系统应是可成长的，应能适应业务的增长和扩充。
同时，将按一定的比例预留冗余节点，以保证系统的扩充及容错，冗余和容错也是保证系统稳定性与可靠性的重要措施。
3.3系统设计方法
目前，最为常用的系统设计方法主要有结构化系统分析方法、原型法和面向对象的分析与设计。
系统的设计方法采用面向对象的技术。
面向对象分析与设计技术在二十世纪七十年代就已出现，经历了三十年的发展，已成为一种十分成熟的技术。
它强调直接以现实世界中的事物为中心来思考问题、认识问题，并根据这些事物的本质特征，把它们抽象地表示为系统中的对象，作为系统的基本构成组件，可以使系统直接地映射问题域，保持问题域中事物及其相互关系的本来面貌。
它既继承了结构化开发中的合理部分，又克服了其在软件开发中造成的弊病。
实践已充分证明面向对象技术是当今开发大规模软件应用系统最先进的技术，采用面向对象分析与设计技术，能够带来很多的好处：
●贯穿软件生命周期全过程的一致性；
●加强了对问题域和系统责任的理解；
●改进最终用户与分析等有关各类人员之间的交互；
●有利于用户参与；
●实用性；
●对需求的变化具有较强的适应性；
●支持软件复用。
与结构化分析设计技术比较，面向对象技术则更加强调运用人类在日常的逻辑思维中经常采用的思想方法与原则，例如抽象、分类、继承、聚合、封装等等。
这使得软件开发者能更有效地思考问题，并以其他人也能看得懂的方式把自己的认识表达出来。
3.4系统设计要求
1、系统输入输出要求
◆输入操作简单，功能灵活。
◆对输入数据要有校验功能。
◆对特殊的输入，具有启发式、交互式操作过程。
◆软件表格或图形输出既要满足当前工作需要，又要满足系统的发展需要。
◆可利用音响和闪烁或特殊颜色表示报警信息，提醒用户注意。
◆传输或交换数据的双方应遵守共同制定的数据和文件格式定义。
◆上报的报表，必须按规定的标准数据格式传输。
2、程序设计要求
◆根据数据处理流程图及输入、输出等资料设计出程序流程图及程序框图。
◆程序结构要合理、精练、逻辑性强，每一程序都应该建立一套检查控制方法，特别是在每个输入点上必须设置严格的控制环节。
◆程序输入格式要准确、简便、清楚，堵塞一切可能造成误解的漏洞，输入格式要确保向信息系统提供正确的信息，并具有检测手段，对所有录入数据进行校验。
◆程序输出的格式应能够按一定的标准格式提供给用户。
◆按规定需进行保密的程序应有安全保密措施，如设置身份鉴别、操作权限、口令变更等控制环节。
◆应用软件应有在线帮助。
◆程序易于维护。
3、系统界面设计要求
◆人、机界面友好，采用Web窗口的对话方式，入口、出口要简单、清楚、准确。
◆屏幕显示画面要清晰、数据编排要合理。
◆屏幕颜色不要刺眼，不要滥用颜色或过多使用鲜艳颜色。
◆充分利用屏幕空间，重点突出图形区域；文本区域尽量缩小至一个合理的尺寸大小；
◆相同功能的模块在不同子系统中以同一菜单出现；
◆界面风格统一，计有以下几种形式，取其中一种作为子系统的界面设计基础：
4、系统出错处理设计要求
◆当前运行状态出现错误或误操作出错时，屏幕应出现提示信息及处理方法。
◆系统应具有自动检测运行状态的功能。
◆对于任何操作都不应引起全系统崩溃。
第三章系统建设主要内容与功能设计
4.1总体结构
根据《地理信息系统》的建立原则，系统采用二三维相结合开发模式。
系统的建设规模和功能要求与系统开发目标紧密相关，系统的具体目标应是在科学合理的用户需求分析基础上确定的，因此，不同城市和不同部门在系统的建设规模和功能上具有一定的差别，一般而言，司法警用地理信息系统应具备如下基本功能：
1）数据存储管理功能
2）地形、地貌展示功能
3）数据查询统计功能
4）信息输出功能
5）影像数据处理和矢量叠加功能
6）视频监控功能
7）报警连动触发功能
8）监狱三维场景展示功能
9）建筑物通透结构展示功能
10）规划设计方案对比功能
4.2数据结构
1.数据库模式
《地理信息系统》的应用目标为：
①基本地形图数据管理要求；②为其它GIS应用系统提供基本数据，满足空间分析要求。
基本地形图数据以图形管理为主，而GIS应用系统所需要的地形图要素除图形信息外还带有相关的属性信息，基于这样一个应用要求，“地理信息系统”的建立具有两个层次：
一个是面向图形的基础信息管理；另一个是面向目标的基础信息管理。
2.数据库内容
地理信息系统的信息内容主要是指描述客观实体的基本地形图要素数据以及部分专题现状信息。
地理信息系统主要包括矢量数据、影像数据和三维建模数据三种。
3.矢量数据
各种比例尺基本地形图数据。
包括：
测量控制点、居民地、工矿建筑物、交通附属设施、管线及附属设施、水系及附属设施、境界、地貌和土质、植被，共九大类要素；
可由基本地形图信息提取的部分专题现状信息。
包括：
现状建筑信息、现状道路信息、现状用地信息等。
专题现状信息应根据应用系统要求确定；
4.影像数据
数字正射影像图是数字化测绘生产中的重要产品，具有直观、信息量丰富、可读性强和可判释性强等许多优点。
随着数字摄影测量技术的发展，数字正射影像图的制作变得更加简单容易，数字正射影像图也愈加为城市许多部门所青睐。
由于GIS技术的应用，数字正射影像图作为重要的基础信息，已在城市各个部门得到应用，并产生了良好的应用效果。
基础信息内容丰富、繁多、使用面广，如何将它们有机地进行组织，有效地进行存储、管理和检索应用，是一件十分重要的工作，它直接影响数据库及GIS系统应用效率。
只有将它们按一定规律进行分类和编码，有序地入库，才能对它们分类存储、检索，以满足各种应用分析要求。
针对基础信息采集、处理的不同阶段和目的，分类编码方法将有一定区别，甚至不同，但是紧密相关。
5.三维建模数据
三维建模数据是以数字地球模型、数字正射三维影像、数字地面模型、数字高程模型和矢量数据为基本对象并对其做综合处理，以地理信息系统的分层管理理念来建立三维信息系统。
它将先进的三维可视现实和三维虚拟现实进行集成，真正做到了所见即所得。
通过地表图层可以提取屋顶和各个建筑物模型的纹理，也可以任意加载和更换建筑物纹理。
可以通过建筑物属性信息，如外观、位置、高程模式、几何要素、纹理、一般属性，以及对象的平移、拉伸、锁定等进行设置。
4.3地形地貌展示系统功能
41.3.1GIS基本功能
基本GIS功能主要包括地图浏览与基本操作包括地图的缩放、漫游、图层管理、地图量算、对象选择、显示比例控制、鹰眼导航、输出打印等功能。
41.3.2警务指挥调度
警务指挥调度以流程化的形式为监狱防控支持全程提供信息化支持，该应用模块以信息查询为中心，按照事件事前、事中和事后的线索依次提供预案制作、智能接警、预案启动、实时监控、指挥调度和事件管理功能。
41.3.3信息查询检索功能
●指定专题进行简单查询；
●指定属性的逻辑条件查询空间元素；
●指定任意空间范围查询地图属性；
●属性和空间条件复合查询。
41.3.4警务资源管理
系统可以对监狱、警力资源、警务设施、案事件以及巡逻路线等数据进行管理，提供数据录入、编辑、查询、统计和快速定位、关联相应的多媒体信息等功能。
41.3.5统计分析功能
●指定空间范围统计专题属性；
●指定属性条件进行统计；
●指定属性和空间范围的复合条件进行统计；
●DEM（GRID，TIN）的建模与三维显示和分析；
●遥感影像分析；
●矢量数据与栅格数据的复合分析。
4.3.3通信监控功能
监控通信主要包括GPS车辆跟踪诱导系统、交通路况视频监控系统、高空了望视频监控系统等。
1）GPS车辆跟踪诱导系统
该系统具有的功能有：
●警用车辆跟踪功能，可随时查询警用车辆的位置，并在电子地图背景下跟踪其行驶轨迹
●最佳路线选择功能，系统能根据所指定的最佳线路选择条件（如可允许绕路距离、禁行线路等）提供最佳路线方案。
路线指目标间的联接线路，系统能自动产生到事发地或指定地点的最佳路线，并计算出实际距离。
●被跟踪目标与指定路线锁定功能，当被跟踪目标偏离指定路线时，系统可提供报警。
●诱导行使功能，根据交通状况，指挥警用车辆避开拥堵路段。
2）交通路况视频监控系统
多路视频可切换，实时掌握主要路口、路段的交通信息，依靠对交通信息的掌握，制定警用车辆的出动路线和根据交通状况诱导警用车辆选择最优行车路线。
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