摘   要： 根據(jù)國家和地方人防法規(guī)的要求，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了人防電子地圖系統(tǒng)。MapXtreme是MapInfo公司開發(fā)的基于Internet/ Intranet的應(yīng)用服務(wù)器，它具有強(qiáng)大的地圖化功能，包括繪制專題地圖、緩沖區(qū)分析、地圖編輯、地圖目標(biāo)查找、地圖顯示、圖層控制、空間選擇、地理編碼、擴(kuò)展地圖庫和示例數(shù)據(jù)等。管理員只要在Web服務(wù)器上對MapXtreme進(jìn)行編程和管理，用戶就能夠通過Web瀏覽器訪問到地圖信息。

　　隨著人類社會向信息化迅速發(fā)展，人防系統(tǒng)已成為現(xiàn)代化國防建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。人防工程是一種有防護(hù)要求的特殊地下建筑，其常用的分類方式有以下幾種：按抗力等級劃分，工程可直接稱為某級人防工程；按戰(zhàn)時用途劃分，可分為指揮通訊、人員掩蔽、醫(yī)院、救護(hù)站、倉庫、車庫等等；按平時用途可分為商場、游樂場、旅館、影劇院（會堂）等等；從工程構(gòu)筑方式劃分，又分為掘開式工程和坑地道工程兩大類。為了合理反映工程造價，預(yù)算定額和工程預(yù)算通常以工程構(gòu)筑方式進(jìn)行分類。

　　1 基于MapXtreme的人防電子地圖系統(tǒng)設(shè)計

　　MapXtreme的工作方式總體來說是瘦客戶端的工作方式，客戶端看到的地圖是服務(wù)端根據(jù)用戶請求動態(tài)生成的某種格式的圖片。MapXtreme采用的是B/S模式三層架構(gòu)客戶端首先向Web服務(wù)器提交HTTP請求，遞交Form表單，Web服務(wù)器收到該請求后，把地圖操作請求提交給地圖應(yīng)用服務(wù)，地圖應(yīng)用服務(wù)在內(nèi)部調(diào)用MapXServer響應(yīng)用戶的操作請求，進(jìn)行相應(yīng)的空間分析和處理后，產(chǎn)生新的地圖圖片，返回給Web服務(wù)器，Web服務(wù)器再把該圖片嵌入到HTML頁面中并返回到客戶端的瀏覽器上

　　1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

　　通過對系統(tǒng)的背景和設(shè)計原則的分析，考慮到要充分利用客戶現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，達(dá)到支持網(wǎng)絡(luò)共享和并發(fā)控制，允許多個用戶同時進(jìn)行相關(guān)操作的需求，系統(tǒng)采用基于C/S與B/S混合的總體架構(gòu)方案。

　　系統(tǒng)由表示層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層組成。針對地理空間數(shù)據(jù)量大、種類多，且用戶并發(fā)請求多，網(wǎng)絡(luò)傳輸量大的特點(diǎn)[3],將系統(tǒng)組網(wǎng)方式分為內(nèi)部的局域網(wǎng)和連接外部用戶的外網(wǎng)。業(yè)務(wù)層采用MapXtreme2004.NET作為應(yīng)用服務(wù)器，專門負(fù)責(zé)生成和打包在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)牡貓D信息。當(dāng)MapXtreme應(yīng)用服務(wù)器運(yùn)行后，若接收到客戶端的請求，由MapXtreme應(yīng)用服務(wù)器將矢量地圖通過MapX引擎轉(zhuǎn)換成GIF或JPG格式的柵格圖像，并生成包含圖像數(shù)據(jù)的HTML代碼，使用戶可以通過WWW瀏覽器訪問地圖數(shù)據(jù)。由于傳遞到瀏覽器端的是一幅經(jīng)過壓縮的柵格地圖，而真正的矢量地圖和屬性數(shù)據(jù)仍保留在服務(wù)器端，因此減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)，同時降低了原始數(shù)據(jù)被盜用的可能。

　　1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

　　resource 數(shù)據(jù)庫是一個只讀數(shù)據(jù)庫，包含所有SQL Server 2008的系統(tǒng)對象。SQL Server 2008的系統(tǒng)對象比如sys.object,被持久化到該數(shù)據(jù)庫。master 數(shù)據(jù)庫存儲所有的實(shí)例級別元數(shù)據(jù)，并記錄所有其它數(shù)據(jù)庫的位置。tempdb 數(shù)據(jù)庫存儲暫時對象，這些對象只在單個語句或連接期間存在，如工作表和臨時的表或存儲過程。

　　系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，它們通過的ID號關(guān)聯(lián)。本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的管理采用文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的混合管理方式，其中地圖數(shù)據(jù)采用文件管理策略，即每一類型的地圖數(shù)據(jù)都存放在一個圖層文件中，對應(yīng)地圖對象的屬性數(shù)據(jù)和人防工程數(shù)據(jù)則由關(guān)系數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理。

　　1.2.1 空間數(shù)據(jù)庫

　　系統(tǒng)選擇MapInfo格式的矢量圖作為地圖數(shù)據(jù)，其中屬性數(shù)據(jù)存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫的若干屬性表中，而空間數(shù)據(jù)則以MapInfo自定義模式保存于若干文件中。

　　本設(shè)計將人防業(yè)務(wù)相關(guān)的空間數(shù)據(jù)分為圖層類和專題圖類：

　?。?） 圖層類。本系統(tǒng)將具有相同空間幾何特征和屬性特征的空間對象的集合，如河流、公路、行政區(qū)域、居民地等分別存儲在不同的圖層中。

　?。?） 專題圖類。某市人防電子地圖系統(tǒng)涉及到"來襲敵情判斷圖"、"預(yù)防空襲部署圖"、"離城人口疏散圖"、"留城人員隱蔽圖"、"通信警報保障圖"、"物資保障計劃圖"和"人防工程保障圖"7個預(yù)案專題圖。每個專題圖由多個圖層構(gòu)建而成。系統(tǒng)共有56個自定義圖層數(shù)據(jù)，其中某市的地圖是這7個預(yù)案專題圖共享的，其余的人防業(yè)務(wù)相關(guān)圖層按照其所包含的地物類別來分層組織。

　　1.2.2 屬性數(shù)據(jù)庫

　　屬性數(shù)據(jù)庫主要包括兩類屬性表，一類是對應(yīng)于地圖實(shí)體的可地圖化的屬性表，用于存儲地圖實(shí)體的屬性。本系主要設(shè)計了路段屬性表、連接點(diǎn)屬性表、行政區(qū)劃屬性表、土地利用屬性表、鐵路屬性表等。另一類是非地圖化的常規(guī)的屬性表，本系統(tǒng)主要有用戶表、人防設(shè)施類型表、人防工程類型表、人防工程表、人防工程維修表、人防設(shè)備類型表、人防設(shè)備表、人防設(shè)備維修表、保護(hù)對象類型表、保護(hù)對象表和預(yù)案數(shù)據(jù)表等，由Oracle 9i進(jìn)行管理和維護(hù)。

　　1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

　　根據(jù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)要求和設(shè)計原則，某市人防電子地圖系統(tǒng)由人防遠(yuǎn)程子系統(tǒng)和人防本地子系統(tǒng)組成，遠(yuǎn)程子系統(tǒng)用B/S模式實(shí)現(xiàn)，本地子系統(tǒng)用C/S模式實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)功能模塊設(shè)計如圖1所示。

　　主要功能模塊如下：

　?。?） 圖形變換與圖層管理：包括專題地圖切換、地圖縮放、鷹眼圖例管理和圖層添加刪除等。此模塊提供①縮放、平移等幾何變換功能，電子地圖可以按照任意比例進(jìn)行放大、縮小、漫游，使用戶能夠詳細(xì)地查看空間目標(biāo)及目標(biāo)的周圍情況；②鷹眼功能，使用戶能夠把握全局；③圖層、標(biāo)注和圖例的顯示控制功能，使得用戶能夠?qū)Ｗ⒂诋?dāng)前關(guān)心的目標(biāo)，并且可以讓顯示的圖形更加簡潔清晰。

　?。?） 空間信息查詢：包括空間量算、坐標(biāo)查詢和地物查詢功能?？臻g量算包含距離查詢和面積查詢功能，其中距離查詢能夠得到當(dāng)前地圖任意連續(xù)點(diǎn)構(gòu)成的折線的總長度，面積查詢則能夠得到當(dāng)前地圖任意多邊形的面積?？臻g量算功能使用戶能夠快捷準(zhǔn)確地得到空襲后受災(zāi)面積的大小以及救助人員及設(shè)施離受災(zāi)地區(qū)的距離。地物查詢根據(jù)用戶鼠標(biāo)在地圖上選中的實(shí)體，將與該實(shí)體相關(guān)的屬性信息及多媒體信息展現(xiàn)給用戶，能清楚查詢顯示任何一處人防要素及其周邊環(huán)境的狀況。

　　（3） 空間分析模塊：此模塊包括短路徑規(guī)劃和緩沖區(qū)分析功能。短路徑分析功能根據(jù)用戶輸入的起點(diǎn)及終點(diǎn)位置的名稱，規(guī)劃出了兩者之間連通的1條短路徑，系統(tǒng)將在地圖上予以展現(xiàn)，還可以根據(jù)道路狀況等約束條件優(yōu)化其路徑，從而達(dá)到戰(zhàn)時快速疏散、救護(hù)、維修、消防和集結(jié)等目的。緩沖區(qū)分析功能則根據(jù)用戶輸入的點(diǎn)狀或線狀地物名稱查詢其周圍指定半徑范圍內(nèi)的地物，并將符合條件的地物在地圖上突出顯示。

　?。?） 地圖編輯模塊：包括點(diǎn)狀、線狀和面狀地物的添加、刪除功能。利用GIS數(shù)據(jù)編輯技術(shù)，對人防工程、重點(diǎn)保護(hù)目標(biāo)、人防指揮所等人防要素進(jìn)行增加、刪除、修改，該模塊相當(dāng)于一個GIS數(shù)據(jù)維護(hù)平臺。

　?。?） 人防預(yù)案模塊：包括預(yù)案查詢、預(yù)案管理和預(yù)案評估。將所有人防預(yù)案集成到一個統(tǒng)一的平臺，方便戰(zhàn)時或演習(xí)時調(diào)用。

　?。?） 專題制圖：用于制作專題地圖和電子沙盤，包括二維數(shù)據(jù)網(wǎng)格化、三角網(wǎng)等值線嵌入、地形圖三維顯示、地形圖柵格圖像生成、預(yù)案套圖制作與查詢。

　　2 人防系統(tǒng)的關(guān)鍵問題及實(shí)現(xiàn)

　　2.1 短路徑查詢及其優(yōu)化

　　根據(jù)某市人防電子地圖系統(tǒng)的實(shí)際需求，短路徑查詢有時要求距離短、有時要求時間短，且道路或橋梁有可能被炸毀而不能通行，這使得道路的正向、反向權(quán)值不是固定值，需隨著應(yīng)用背景的變化而更新。因此，進(jìn)行短路徑分析時，若要求距離短，則可以直接利用路段的正向、反向權(quán)值進(jìn)行計算；若要求時間短。然而，無論按時間還是距離查詢短路徑，其實(shí)還是一個單源單目問題，可以使用經(jīng)典的Dijkstra算法[4]并加以優(yōu)化。

　　在本系統(tǒng)中，首先將現(xiàn)實(shí)中的道路網(wǎng)絡(luò)實(shí)體抽象化為網(wǎng)絡(luò)圖論理論中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，交叉路口為結(jié)點(diǎn)，道路為邊，道路長度為權(quán)值；其次，獲取起始點(diǎn)名與終止點(diǎn)名，并對輸入的始末點(diǎn)名，通過在道路結(jié)點(diǎn)表中查詢的點(diǎn)的名稱，得到始末點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)NODE_ID;再次，將道路結(jié)點(diǎn)集與道路弧段集作為Dijkstra算法中的參數(shù)，計算從出發(fā)點(diǎn)到目的點(diǎn)的短路徑的結(jié)點(diǎn)序列；，將返回結(jié)點(diǎn)序列即路徑在電子地圖上高亮顯示。

　　在短路徑查詢的實(shí)際應(yīng)用中，本系統(tǒng)從以下兩方面進(jìn)行了優(yōu)化：

　?。?） 初始化始末點(diǎn)時，若該點(diǎn)不是道路結(jié)點(diǎn)，則一般的處理是遍歷道路結(jié)點(diǎn)表，查詢離該地物點(diǎn)近的道路結(jié)點(diǎn)作為起始點(diǎn)。由于道路結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量太大，這種方法不僅效率低，且對于某些特殊的地物點(diǎn)會出錯。比如某點(diǎn)A,若離它近的道路較長，則該道路的端點(diǎn)離A就比較遠(yuǎn)，繼而選擇的是另一條端點(diǎn)離A近的道路，而實(shí)際上該選擇結(jié)果并不是離A近的道路。為了解決這兩個問題，系統(tǒng)在初始化始末點(diǎn)時，不是以道路結(jié)點(diǎn)為參照，而是將道路層單獨(dú)提練出來。設(shè)定某個距離值為半徑畫圓，若該圓與某條道路有交點(diǎn)，則說明此道路為離該點(diǎn)近的道路，從該點(diǎn)向道路作垂線，即為該點(diǎn)的第1條路線；若沒有交點(diǎn)，則按某個設(shè)定值繼續(xù)擴(kuò)大半徑搜索，直至查詢到近道路為止。這種優(yōu)化方法，一方面解決了某些對特殊地物點(diǎn)進(jìn)行短路徑查詢時可能出現(xiàn)的錯誤；另一方面也提高了查詢的效率。在實(shí)際情況中，道路結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量大，而采用優(yōu)化方法后只需進(jìn)行幾次循環(huán)查找即可。

　?。?） 由于每次做路徑查詢時都需要將所有道路結(jié)點(diǎn)和道路弧段的集合構(gòu)建道路拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，但道路網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量非常大，而且該拓?fù)潢P(guān)系是不會改變的，所以原有的短路徑查詢功能在構(gòu)建路網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系時做了大量重復(fù)的工作。為提高短路徑查詢過程的效率，在系統(tǒng)初始化過程中，避免了道路拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的重復(fù)生成。優(yōu)化后的短路徑查詢的工作流程如圖2所示。

　　本文將系統(tǒng)重構(gòu)為基于上述優(yōu)化方法的電子地圖系統(tǒng)，并選擇8對相同的始末結(jié)點(diǎn)進(jìn)行短路徑查詢，并與使用傳統(tǒng)方法的系統(tǒng)進(jìn)行比較測試，終得到如圖3所示的性能測試對比圖。

　　從圖中可以看出，未經(jīng)優(yōu)化的電子地圖系統(tǒng)響應(yīng)時間比優(yōu)化后的系統(tǒng)響應(yīng)時間長，可見該優(yōu)化在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對系統(tǒng)性能的提升有較大的幫助。

　　2.2 基于MapXtreme的鷹眼技術(shù)

　　鷹眼是除了主視圖外的一個小視圖窗口，用來顯示全圖，并用1個矩形表示大圖的地圖邊界。點(diǎn)擊鷹眼窗口時，地圖自動定位到相應(yīng)位置，當(dāng)?shù)貓D視圖發(fā)生變化時，鷹眼上的導(dǎo)航矩形框相應(yīng)變化，以指示用戶當(dāng)前所處的位置。

　　鷹眼的實(shí)現(xiàn)思路：在同一頁面表單上放置2個MapControl控件，分別為地圖主窗口和鷹眼窗口，地圖主窗口用于顯示實(shí)際的地圖，鷹眼窗口則需要將地圖按合適的比例尺顯示，然后在鷹眼窗口上創(chuàng)建1個圖層，在該圖層上添加1個矩形對象FeatureGeometry,該矩形的大小隨著主圖邊界而變化。當(dāng)?shù)貓D主窗口中的圖形被縮放或者平移之后，在鷹眼窗口已有圖層中加入1個臨時層，在臨時層上動態(tài)生成1個紅色矩形，顯示地圖主窗口中顯示的圖形在整體地圖中所處的位置。

　　系統(tǒng)中鷹眼功能的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：（1）判斷用戶是否對主地圖窗口進(jìn)行了縮放或平移操作，若沒有變換則鷹眼窗口內(nèi)容不變，若有變換則獲取主地圖窗口顯示的地圖范圍。然后創(chuàng)建1個矩形對象并設(shè)置其顏色和寬度屬性，創(chuàng)建窗口樣式并設(shè)置樣式屬性；（2）再判斷鷹眼窗口的圖層中是否已經(jīng)存在臨時圖層，若存在則先清空臨時圖層中的所有對象；若不存在則創(chuàng)建1個臨時圖層并將臨時圖層加入到鷹眼窗口圖層中；（3）將矩形對象插入臨時圖層。到此系統(tǒng)即完成了鷹眼窗口的地圖視圖變換。

　　2.3 人防系統(tǒng)的安全保證

　　由于本系統(tǒng)應(yīng)用于市人防辦，涉及國家安全信息，對數(shù)據(jù)安全性非常敏感，因此使用了多種安全機(jī)制保障系統(tǒng)的安全。

　　（1） 表單驗(yàn)證和Session機(jī)制相結(jié)合

　　本系統(tǒng)采用表單驗(yàn)證和Session機(jī)制相結(jié)合的方式加強(qiáng)登錄過程的身份，即由用戶以表單形式向服務(wù)器發(fā)送登錄憑證，如果用戶通過了服務(wù)器端的身份驗(yàn)證，系統(tǒng)的權(quán)限管理將會給用戶授予一定的權(quán)限標(biāo)志信息，通過Session對象跟蹤本次登錄的整個會話生存周期；如果用戶沒有通過身份驗(yàn)證，客戶端將重定向到指定的頁面。服務(wù)器可以分配給每個用戶1個Session,以存儲特定的用戶信息，包括用戶名、用戶ID等。如果用戶沒有經(jīng)過登錄而直接進(jìn)入頁面，則Session中存放的用戶信息無效，程序?qū)⒅囟ㄎ坏接脩舻卿浗缑妫苑乐雇ㄟ^網(wǎng)頁地址而繞過登錄控制的企圖。

　?。?） 基于角色的訪問控制

　　為了保證系統(tǒng)的訪問安全，防止非法用戶進(jìn)入系統(tǒng)及合法用戶對系統(tǒng)資源的非法使用，本系統(tǒng)采用基于角色的訪問控制模型RBAC來實(shí)現(xiàn)。RBAC的基本思想[6]是：基于角色的訪問控制作為傳統(tǒng)訪問控制（自主訪問，強(qiáng)制訪問）的有前景的代替受到廣泛的關(guān)注。在RBAC中，權(quán)限與角色相關(guān)聯(lián)，用戶通過成為適當(dāng)角色的成員而得到這些角色的權(quán)限。這就極大地簡化了權(quán)限的管理。在一個組織中，角色是為了完成各種工作而創(chuàng)造，用戶則依據(jù)它的責(zé)任和資格來被指派相應(yīng)的角色，用戶可以很容易地從一個角色被指派到另一個角色。角色可依新的需求和系統(tǒng)的合并而賦予新的權(quán)限，而權(quán)限也可根據(jù)需要而從某角色中回收。角色與角色的關(guān)系可以建立起來以囊括更廣泛的客觀情況。

　　此外，本系統(tǒng)還通過數(shù)據(jù)庫身份驗(yàn)證模式和防SQL注入攻擊保證了數(shù)據(jù)庫的安全；使用SSL機(jī)制對客戶端和服務(wù)器之間發(fā)送的消息進(jìn)行加密和解密，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的安全；通過采用完全備份、增量備份、系統(tǒng)備份3種備份方式，定期對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，保證數(shù)據(jù)和使用對象都不崩潰。

　　3 系統(tǒng)實(shí)例及運(yùn)行效果

　　人防電子地圖系統(tǒng)采用MapInfo公司推出的MapXtreme2004組件式GIS平臺作為實(shí)現(xiàn)地理信息存儲、顯示、操作等功能的二次開發(fā)平臺， 以Visual Studio 2003

　　.net為開發(fā)工具，采用Oracle 9i作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了具有GIS特點(diǎn)和功能的某市人防電子地圖系統(tǒng)。圖4是該系統(tǒng)應(yīng)用于某市時系統(tǒng)短路徑查詢的功能界面。

　　人防電子地圖系統(tǒng)是現(xiàn)代化國防建設(shè)的應(yīng)用系統(tǒng)之一，其研發(fā)涉及地理信息系統(tǒng)和計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的眾多應(yīng)用技術(shù)，是一項(xiàng)較大規(guī)模的軟件開發(fā)工程。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了電子地圖操作的基本功能以及多種方式的信息查詢，而且專門針對某市"防空襲預(yù)案"中對人口疏散、空襲后果消除等方面的要求，設(shè)計了空間量算、短路徑規(guī)劃和緩沖區(qū)分析等實(shí)用功能，另外還集成了人防工程信息管理系統(tǒng)。

　　目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在某市人防辦得到了實(shí)際應(yīng)用。通過用戶反饋表明，該系統(tǒng)具有功能強(qiáng)大、實(shí)時性強(qiáng)、安全可靠、易于使用等優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)行人防工程信息管理、應(yīng)急指揮調(diào)度、預(yù)案管理和組織演練等，不但能夠滿足該市在戰(zhàn)時組織防空襲指揮的需求，也能為平時防災(zāi)、救災(zāi)等城市應(yīng)急管理工作提供技術(shù)平臺和決策支持。