基于MapXtreme2004组件式地理信息系统平台的人防电子地图

随着人类社会向信息化的快速发展，人防系统已经成为现代国防建设的重要组成部分。人民防空是指动员和组织人民防范敌人空袭和消除空袭后果的行动，简称人民防空。人民防空工程是指为保障战时人员和物资的掩蔽、人民防空指挥和医疗救护而单独修建的地下防护建筑，以及与地面建筑相结合的战时可用于防空的地下室。应急指挥是指人民防空机构在预防、应对、处置和管理突发事件过程中采取的一系列指挥和协调措施。人民防空工程的规划、建设和管理需要科学化、规范化。人防职能管理部门必须依托人防工程和资源的相应信息，随时掌握市区人防工程情况，并根据情况及时进行应急指挥和处理。这就需要一个能够满足人防工程管理、应急预案、协同办公和应急指挥要求的综合系统。根据《中华人民共和国人民防空法》和人民防空法律法规的具体要求，成功开发了城市人民防空电子地图系统，为国防现代化建设提供了有力的技术保障。

1.基于MapXtreme的人防电子地图系统设计

1.1整体系统架构

通过分析系统的背景和设计原则，考虑到需要充分利用客户现有的网络环境来支持网络共享和并发控制，并允许多个用户同时执行相关操作，系统采用了基于C/S和B/S混合的整体架构方案。

系统由表示层、业务层和数据层组成。根据地理空间数据量大、种类多、用户并发请求多、网络传输量大的特点，系统组网方式分为内部局域网和连接外部用户的外部网络。内部网负责处理业务逻辑和生成包含地图数据的HTML代码。外部网络负责向外部世界发布地理信息服务，从而将内部网络与外部网络物理隔离。其中，地图数据和应用程序位于服务器端。客户端不需要安装地理信息系统软件，可以通过浏览器获得地理信息系统应用功能，使地理信息系统应用不受地域和终端类型的限制。服务层使用MapXtreme2004.NET作为应用服务器，专门负责生成和打包网络上传输的地图信息。当地图应用服务器运行时，如果它接收到来自客户端的请求，则地图应用服务器通过MapX引擎将矢量地图转换成GIF或JPG格式的网格图像，并生成包含图像数据的HTML代码，以便用户可以通过WWW浏览器访问地图数据。由于压缩的栅格地图被传输到浏览器，而真实的矢量地图和属性数据仍然保留在服务器上，因此减少了网络传输负担，并且减少了盗用原始数据的可能性。

1.2系统数据库设计

系统数据包括空间数据和属性数据，它们由唯一的标识号关联。该系统的数据管理采用文件系统和数据库相结合的混合管理模式，其中地图数据采用文件管理策略，即每种类型的地图数据存储在一个图层文件中，而与地图对象和人防工程数据相对应的属性数据由一个关系数据库统一管理。

1.2.1空间数据库

系统选择MapInfo格式的矢量地图作为地图数据，其中属性数据存储在关系数据库的多个属性表中，空间数据以MapInfo自定义模式存储在多个文件中。

本设计将人防业务相关的空间数据分为图层和专题地图：

(1)图层类。该系统存储具有相同空间几何特征和属性特征的空间对象的集合，例如河流、高速公路、行政区、住宅区等。在不同的层面。上的多个空间要素

(2)专题地图。一个城市的人民防空电子地图系统涉及七个专题图，即“来袭敌情判断图”、“防空袭部署图”、“城市人口疏散图”、“城市居民隐蔽图”、“通信报警安全图”、“物质安全计划图”和“人民防空工程安全图”。每个专题地图都是由多层构成的。该系统有56个用户自定义图层数据，其中城市地图(包括道路和湖泊等基本信息)由规划的7个专题地图共享，其余人防业务相关图层根据其包含的地物类型进行分层组织。

1.2.2属性数据库

属性数据库主要包括两种类型的属性表，一种是对应于地图实体的可映射属性表，用于存储地图实体的属性。该部门主要设计路段属性表、连接点属性表、行政区划属性表、土地利用属性表、铁路属性表等。另一个是非映射的常规属性表。系统主要包括用户表、人防设施类型表、人防工程类型表、人防工程表、人防工程维护表、人防设备类型表、人防设备维护表、防护对象类型表、防护对象表和计划数据表，由甲骨文9i管理和维护。

1.3系统功能设计

根据系统的业务需求和设计原则，城市人防电子地图系统由人防远程子系统和人防本地子系统组成。远程子系统以B/S模式实现，本地子系统以C/S模式实现。系统功能模块设计如图1所示。

主要功能模块如下：

(1)图形转换和图层管理：包括专题地图切换、地图缩放、鹰眼图例管理、图层添加和删除等。该模块提供(1)几何变换功能，如缩放、平移等。电子地图可以根据任何比例放大、缩小和漫游，使用户能够详细查看空间目标及其周围环境；(2)鹰眼功能：根据电子地图的缩放比例，在鹰眼窗口中显示当前区域在整个地图中的位置，以便用户掌握全局；(3)图层、标签和图例的显示控制功能，使用户能够关注当前关注的目标，使显示的图形更加简洁清晰。

(2)空间信息查询：包括空间测量、坐标查询和特征查询功能。空间度量计算包括距离查询和面积查询功能，其中距离查询可以获得当前地图上任意连续点形成的折线总长度，面积查询可以获得当前地图上任意多边形的面积。空间测量功能使用户能够快速准确地获得灾区的大小以及救援人员和设施离灾区的距离。坐标查询功能使用户能够查询空间地理坐标的位置。根据用户鼠标在地图上选择的实体，地物查询显示属性信息(如名称、位置等)。)和多媒体信息(如图片、音频和视频等。)关联到实体给用户，可以清楚地查询和显示任何防空要素及其周围环境的状态。

(3)空间分析模块：该模块包括最短路径规划和缓冲区分析功能。最短路径分析功能根据用户输入的名称规划连接起点和终点的最短路径，系统将在地图上显示最短路径。它还可以根据道路条件等约束条件优化路径，从而达到战时快速疏散、救援、维护、灭火和集结的目的。缓冲区分析功能根据用户输入的点状或线状地物名称查询其周围指定半径内的地物，并高亮显示符合地图上条件的地物。

(4)地图编辑模块：包括点、线、面要素的添加和删除功能。该模块相当于一个地理信息系统数据维护平台，利用地理信息系统数据编辑技术对人防进行添加、删除和修改

(6)专题制图：用于制作专题地图和电子沙盘，包括2D数据网格化、三角测量等值线嵌入、地形图三维显示、地形图栅格图像生成、预规划嵌套图的编制和查询。

2.人防系统的关键问题及实施

2.1最短路径查询和优化

根据城市人防电子地图系统的实际需要，最短路径查询有时需要最短的距离，有时需要最短的时间，道路或桥梁可能会被炸毁而无法通行，这使得道路的正反向权重不是固定值，需要随着应用背景的变化而更新。因此，在分析最短路径时，如果需要最短距离，可以直接使用路段的正向和反向权重进行计算。如果所需时间最短，可以使用路段的前进和后退重量，并结合道路的平均速度进行计算。然而，通过时间或距离搜索最短路径实际上是一个单源单目问题，可以通过使用最经典的Dijkstra算法[4]进行优化。

在该系统中，真实的道路网络实体首先被抽象成网络图论中的网络拓扑图，其中交叉点作为节点，道路作为边，道路长度作为权值。其次，获取起点名称和终点点名，以及节点标识；通过输入的起点和终点点名在道路节点表中查询的点的名称得到起点和终点的名称；第三，在Dijkstra算法中，以道路节点集和道路弧集作为参数，计算从起点到终点的最短路径的节点序列。最后，返回的节点序列(最佳路径)会在电子地图上突出显示。

在最短路径查询的实际应用中，系统从以下两个方面进行了优化：

(1)初始化起点和终点时，如果该点不是道路节点，一般处理是遍历道路节点表，查询最接近特征点的道路节点作为起点。由于道路节点数据量大，这种方法不仅效率低，而且会对一些特殊的特征点产生错误。例如，如果距离某一点a最近的道路较长，则该道路的终点距离a较远，然后选择另一条终点距离a较近的道路，但实际上选择结果不是距离a最近的道路。为了解决这两个问题，系统在初始化的开始和结束时不参考道路节点，而是分别提取道路图层。设定一定的距离值作为画圆的半径，如果圆与某条道路相交，则该道路是离该点最近的道路，并且从该点垂直于该道路是该点的第一条路线；如果没有交点，继续根据某个设定值扩展半径搜索，直到找到最近的道路。这种优化方法一方面解决了特殊特征点最短路径查询中可能出现的错误；另一方面，它也提高了查询效率。在实际情况下，道路节点数据量大，采用优化方法后只需要几轮搜索。

(2)原有的最短路径查询功能在构建路网拓扑关系时做了大量的重复工作，因为每次进行路径查询时都需要从所有的道路节点和道路弧集合中构建路网拓扑关系，但是路网中的数据量非常大，拓扑关系不会改变。为了提高最短路径查询过程的效率，在系统初始化过程中，将所有道路节点的拓扑关系缓存到服务器端的内存中，并在每次路径查询之前检查缓存中是否已经存在生成的道路网络拓扑信息，从而避免道路拓扑网络的重复生成。优化最短路径查询的工作流程如图2所示。

本文基于上述优化方法将系统重构为电子地图系统，选择8对相同的起始和结束节点进行最短路径查询，并利用传统方法与系统进行对比测试，最终得到如图3所示的性能测试对比图。

从图中可以看出，没有优化的电子地图系统的响应时间比优化后的系统的响应时间要长，这是因为优化后的电子地图系统的响应时间比优化前的系统长

鹰眼是除主视图之外的一个小视图窗口，用于显示整个图片，并使用一个矩形来表示大图片的地图边界。当点击鹰眼窗口时，地图会自动定位到相应的位置。当地图视图(包括缩放比例和中心)改变时，鹰眼上的导航矩形相应地改变，以指示用户的当前位置。

鹰眼的实现思想是：两个地图控件放在同一个页面表单上，即主地图窗口(mainMapControl)和概览地图控件。主地图窗口用于显示实际地图，而鹰眼窗口需要以适当的比例显示地图，然后在鹰眼窗口上创建一个图层，并在图层上添加一个矩形对象要素几何体。矩形的大小随着主地图的边界而变化。由于两个窗口的大小不同，需要进行一次比例转换，因此首先定义了一个setView()方法，用于实现地图数据适应任何大小的地图窗口。在地图主窗口中的图形被缩放或平移之后，临时图层被添加到鹰眼窗口中的现有图层，并且在临时图层上动态生成红色矩形，以显示在地图主窗口中显示的图形在整个地图中的位置。

鹰眼功能在系统中的具体实现步骤如下：(1)判断用户是否缩放或平移了主地图窗口。如果没有变换，鹰眼窗口内容不会改变，如果有变换，将获得主地图窗口中显示的地图范围。然后创建一个矩形对象并设置其颜色和宽度属性，创建一个窗口样式并设置样式属性；(2)判断鹰眼窗口层中是否已经存在临时层，如果存在，则首先清空临时层中的所有对象；如果不存在，创建一个临时层，并将该临时层添加到鹰眼窗口层；(3)将矩形对象插入临时层。该系统完成了鹰眼窗口的地图视图转换。

2.3人防系统的安全保证

由于该系统应用于市民防办，涉及国家安全信息，对数据安全非常敏感，所以采用各种安全机制来保证系统的安全。

(1)表单验证和会话认证机制相结合

系统采用表单认证和会话认证机制相结合的方式来加强登录过程中的身份认证，即用户以表单的形式向服务器发送登录凭证。如果用户在服务器上通过身份验证，系统的权限管理将授予用户某些权限标志信息，并通过会话对象跟踪登录的整个会话生命周期。如果用户身份验证失败，客户端将被重定向到指定页面。会话对象用于存储特定用户会话所需的信息，从用户访问特定主页开始，直到用户离开。服务器可以为每个用户分配1个会话来存储特定的用户信息，包括用户名、用户标识等。如果用户在未登录的情况下直接进入页面，则存储在会话中的用户信息无效，程序将重新定位到用户登录界面，以防止试图通过网页地址绕过登录控制。

(2)基于角色的访问控制

为了保证系统的访问安全，防止非法用户进入系统和合法用户非法使用系统资源，系统采用基于角色的访问控制模型RBAC(Role-Based Access Control)实现。RBAC[6]的基本思想是在用户和访问权限之间引入角色的概念，将用户和角色联系起来，并通过角色授权来控制用户对系统资源的访问。根据人防电子地图系统的具体应用需求，系统定义了三个角色：系统管理员、通信指挥用户和普通用户。系统管理员负责系统的管理和维护，没有任何业务权限。他的主要权限包括添加、删除、修改用户信息、授予用户权限和管理日志等。除了地图数据的操作权限，包括地图查询和浏览，通信命令用户还有一个专门的权限——来编辑地图，与人防业务相关的信息要移交给这些角色的用户。普通用户只能浏览和查询一些特定的专题地图。系统将根据登录用户的角色加载不同的功能模块。

此外，系统还通过数据库认证模式和防止SQL注入攻击来保证数据库的安全性。SSL机制用于对客户端和服务器之间发送的消息进行加密和解密，以确保系统中数据通信的安全性。通过采用完全备份、增量备份和系统备份三种备份方法，定期备份空间数据，以确保数据和使用的对象不会崩溃。

3.系统实例和运行效果

人防电子地图系统采用MapInfo公司推出的MapXtreme2004组件式地理信息系统平台作为二次开发平台，实现地理信息的存储、显示、操作等功能。Visual Studio 2003

Net作为开发工具，Oracle 9i作为数据库管理系统，在此基础上，实现了一个具有GIS功能的城市防空电子地图系统。图4是当系统应用于城市时最短路径查询系统的功能界面。

人防电子地图系统是现代国防建设的核心应用系统之一。其研发涉及地理信息系统和计算机科学领域的多种应用技术，是一个大型软件开发项目。该系统不仅以多种方式实现了电子地图操作和信息查询的基本功能，还根据某城市“防空袭计划”中人口疏散和消除空袭后果的要求，专门设计了空间计算、最短路径规划、缓冲区分析等实用功能。此外，它还集成了人防工程信息管理系统。

目前，该系统已在某市民防办公室得到应用。用户反馈表明，该系统功能强大，实时性强，安全可靠，使用方便。可用于人防工程信息管理、应急指挥调度、计划管理和组织演练等。它不仅能满足城市战时组织防空指挥的需要，还能为平时防灾、救灾等城市应急管理提供技术平台和决策支持。