基于开源GIS的可视分析系统研究

穆欣波

摘要：该文阐述了可视化和可视化分析的含义，介绍了地理信系统的概况和应用领域，结合地理信息系统和可视分析两者的特点提出了基于开源GIS的可视分析系统，用来帮助企业分析人员进行基于地理信息的业务分析。开源GIS采用的是百度地图提供的API，可视化分析组件采用基于JavaScript的Ext JS框架。百度地图API提供了丰富的地图上的操作和地理数据处理能力；在Ext JS框架中提供的丰富界面设计元素中包含了形态各异的仪表盘，并支持基本的用户和仪表盘之间的交互，系统在提供了以仪表盘形式显示数据的同时，并支持用户和仪表盘之间的基本交互行为。

关键词：地理信息系统；可视分析；仪表盘；交互

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）36-8768-02

1 简介

1.1 GIS

GIS，即地理信息系统，是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。简单的说，地理信息系统就是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统。经过了几十年的发展，到今天已经逐渐成为一门相当成熟的技术，并且得到了极广泛的应用。尤其是近些年，GIS更以其强大的地理信息空间分析功能，在GPS及路径优化中发挥着越来越重要的作用。GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。

1.2 信息可视化

信息可视化（Information Visualization）的内涵是将数据通过图形化、地理化形象真实地表现出来，并且找出数据背后蕴含的信息。涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域。信息可视化相关技术能够实现对信息数据的分析和提取，然后以图形、图像、虚拟现实等易为人们所辨识的方式展现原始数据间的复杂关系、潜在信息以及发展趋势，以便我们能够更好地利用所掌握的信息资源。

1.3 可视分析

可视分析最早在2005年美国安全局建立的国家可视化及分析中心组织的研讨会上首次提出，它重点研究如何通过交互式可视化界面辅助用户进行分析推理，提供辅助用户分析决策的工具和技术，使用户能够从海量、动态、模糊并且可能存在冲突的数据中综合信息并洞察隐藏的规律和模式、检测预期事件、发现意外事件，或为指导行动进行有效的评估和交流。可视分析是将可视化、人的因素和数据分析进行组合用于决策的整合方法，它在分析推理过程研究中更加强调用户行为及对可视化的有效使用方式等方面，旨在提供更多的智能化数据分析支持。由于可视分析更符合应用实践，近几年得到了较快的发展。

1.4 基于GIS的可视分析

基于GIS的可视化分析的研究方向和当前的GIS的主要应用领域是分不开的。

陈生等人提出了基于GIS的统计数据可视化体系和可视化功能流程模式，在该研究中指出在我国，国家统计数据是以行政区位为基本单元来收集的统计型数据集，统计数据的每个指标都有一个地理统计单元与之对应，不同的年份统计指标有所变化而且统计指标的值也会发生变化，即统计数据有统计指标（体系）、时间、空间等属性，可以概括为统计数据的指标维、时间维、空间维3个维度，在传统的统计数据分析中统计指标属性和时间属性这两个属性基础上，增加了空间属性，使统计数据具有时空性。在传统的可视化表现方式基础上结合GIS 的可视化技术，建立基于GIS的统计数据可视化体系.

徐波等将GIS在空间分析管理上具备的强大的功能以及GIS对数据的管理思想和技术方法引入到了海洋数据管理上来，有效地达到了对海洋资源环境的综台管理。该系统的建立目标是海洋环境信息的综合分析管理，除了传统的数据库管理功能外，结合了遥感和GIS技术，加强了数据的时空分析功能，将GIS的强大功能结合到海洋环境综合分析管理系统中，可以方便地实现数据的空间查询、空间分析和空间可视化；用户通过友好的人机界面，对系统发出各种指令，系统的主框架程序对这些命令进行解释，凋用相应的处理模块来完成制定的查询、分析操作。

2 总体需求分析

近些年来，很多企事业单位都会在全国各地甚至是全球各处设立很多办事机构或者是分部门，如各个厂商的维修站、移动公司的客户服务等。这些分布在全国各地的分部门由于地理位置相异会影响很多业务数据指标，企事业的相关分析决策人员需要基于各个分部门的地理位置进行相应统计数据的查询、比较、分析、决策。将传统的以报表形式（二维表）展现的业务数据通过更加形象清晰的可视分析组件包中的各类仪表盘以不同的形态，根据用户选择的类型来呈现分析人员关心的业务数据；数据呈现出来以后，要能支持一定的基于已有形态的交互操作。

根绝总体需求分析分析，按照相关性可以划分为三个子系统：地图显示子系统，仪表盘子系统，分析指标选择面板子系统。地图显示子系统处于基础和平台的地位，很多用例是基础的用户和系统的交互，用户和地图之间的交互主要包括3类：平移，缩放，选择区域。其中选择区域包括矩形选择、圆形选择、折线选择。仪表盘子系统中的用例主要是用户和仪表盘之间的交互，排序和拖动数据是相对比较复杂的交互；分析指标选择子系统内的用例是用户在地图上选择区域之前进行的交互操作，选择数据的分析属指标，如人口、利润，选择地理类别，如学校、银行、等。

2.1 功能性需求

1） 根据需求选择地理位置类型，如维修点，服务中心等。

2） 支持单选，多选，框选目标分析区域。

3） 用户分析视野范围的放大，缩小，平移，添加标注。

4） 用户分析数据属性的选择，如员工数量，月销售量等。

5） 用户可选择可视分析组件包中的仪表盘类型。endprint

6） 用户可以对显示在仪表盘中的数据进行基本的交互操作，包括排序、求平均值、方差等；仪表盘间的数据可以进行拖动交换。

7） 对于分析显示结果可以保存到EXCEL文件中，或存入数据库中。

8） 数据库管理人员可以对业务数据库进行数据的添加，查询，修改，删除，备份恢复，导入导出。

2.2 非功能性需求

系统在满足上述的功能性的基础之上，还应满足下列的非功能性需求：

1） 用户界面元素布局合理，颜色演示搭配符合界面设计的基本原则。

2） 遵照人机交互基本原则，操作流程符合人类认识基本模式，减轻用户认识负担。

3） 系统加载时间在用户可接受范围内，平稳安全运行，并发性请求支持良好。

4） 系统开发技术成熟，架构先进，易维护，可扩展。

5） 节约系统开发成本。

3 系统设计

3.1 系统实施方案

针对前面所述的需求分析说明，考虑功能性的需求和非功能性的需求，结合当前成熟稳定的系统开发技术，采用B/S架构，即浏览器和服务器模式。浏览器发送请求，服务器接受请求并处理请求，把处理结果返回给浏览器，浏览器把结果呈现给用户。设计模式采用成熟的MVC模式。开源GIS采用百度地图的JavaScript版本，可视分析组件包中的仪表盘用Ext JS框架实现，服务器端采用Servlet接收请求和处理请求，JavaBean作为数据模型的实现。系统总体上可以分为3个子系统：地图显示子系统，仪表盘子系统，分析指标选择子系统。

3.2 系统总体架构

本系统总体架构采用基于Web的MVC分层模式，按照职责分为3层，即视图层-控制器-模型层，视图层主要负责系统和用户的交互，响应用户的操作，并根据控制器的要求更新相应的显示页面；控制层处于中心位置，连接了视图层和模型层，响应视图层的请求，调用相应模块处理请求，并把请求结果返还给视图层；模型层是和业务结合最紧密的一层，这一层主要负责业务逻辑的处理，如查询逻辑数据库，并将结果交给控制层。

将可视分析组件（即仪表盘）的数据模型、可视属性与交互属性分开，以便于可视组件的灵活配置和扩展；其中，模型层定义了交互式可视组件的数据模型以及与后台业务数据库的数据访问接口；视图层提供了用户与系统进行交互的界面和交互式可视分析组件可视输出形态；控制层接收显示层传递的交互请求，根据交互意图执行交互任务，完成对数据模型的修改，并进一步触发视图层更新内容。

3.3 系统功能模块设计

遵循软件设计基本原则，模块间松耦合，模块内高内聚，各模块在完成模块内的功能基础之上，通过模块间接口与其他模块进行协同合作，从而构成整个系统的全部功能。系统模块及其关系如图4-4所示。其中地图显示模块是平台，B-S数据交换模块是客户端和服务器端进行数据传输的枢纽。

4 总结与展望

本文开始先介绍了信息可视化和可视分析的概念，叙述了信息可视化的内涵是将数据通过图形化、地理化形象真实地表现出来，并且找出数据背后蕴含的信息。可视分析在可视化的基础上挖掘出隐藏在数据背后的信息。GIS即地理信息系统，对地理空间数据的强大处理分析能力使它近几年在各个领域都得到了很大的发展和广泛的应用。在介绍了相关技术内容和特点后，分析系统的特点和需求，并结合功能和非功能的需求提出了解决方案。

在编码结束之后，软件测试是检验软件产品是否满足软件需求和确保软件质量的必要工作，通过设计合理的测试用例，采用合适的测试方法和手段，对系统的各个模块进行了功能上的黑盒测试和白盒测试。

在完成系统基本功能的同时，也还有很多可以提高和改进的地方。在地图交互上，可以运用更多当前成熟的可视化技术，如鱼眼效果和focus+context的方法；在可视分析组件的交互上，可以设计更加丰富和细致的交互过程。

参考文献：

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[4] 滕东兴，王子璐，杨海燕，等.基于交互式可视组件的分析决策环境研究[J].计算机学报， 2011，34（3）： 555-565.endprint