基于SVG的自动站雨量分析系统论文

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基于SVG的自动站雨量分析系统的设计

摘  要

SVG是由W3C组织开发的基于可扩展标记语言的一种矢量图形描述语言,已经在互联网上得到了较广泛的应用。为了以图形方式直观地显示雨量数据变化,方便工作人员进行雨量数据的查询及分析,设计了本套基于SVG的雨量分析系统。

该自动站雨量分析系统是基于B/S架构,使用ASP.NET来开发的。主要使用了.NET三层架构、XML程序集、矢量图形的动态生成、Web服务等技术,并实现了系统模块管理、雨量数据管理、城市数据管理、雨量数据查询、生成矢量图形格式的图表等功能模块。在系统中主要对矢量图形文档的生成进行了分析和设计,采用DOM模型来操作该图形文档,并封装了基本的图形元素。

该自动站雨量分析系统作了新的尝试,采用基于可扩展标记语言的矢量图形作为图形格式,系统与Web服务技术相结合,使系统的可重用性和开放性得到了很大的提高。

 

关键词可伸缩矢量图形;可扩展标记语言;.NET三层架构;Web服务

 


Design of the Auto-Station Rainfall Data Analysis System Based on SVG

Abstract

SVG developed by the W3C, is a vector graphics language based on the XML. And it has been widely used on the Internet. This rainfall analysis system is designed to achieve the goal that the rainfall data's changes are displayed by graphic mode intuitively for assisting to analyze the rainfall data.

The auto-station rainfall analysis system, developed in ASP.NET, is based on Browser/Server framework. In this system, many technologies are used, such as .NET Trip-Layer Framework, the XML program assembly, automatic creation of SVG document, Web Service and etc. The system contained function management module, rainfall data management module, city data management module, rain data query module, automatic creation module of SVG document and etc. The Document Object Model is used for manipulating SVG documents, and the basic graphics element is encapsulated.

Some new attempts have been made into the auto-station rainfall analysis system. By using SVG as graphics format and the Web Service technology, reusability and openness of the system is improved greatly.

 

Key words: SVG; XML; .NET Trip-Layer Framework; Web Service

 


目  录

论文总页数:25页

 

1 引言 1

1.1 项目背景 1

1.2 本项目的应用价值 1

1.3 本项目的相关开发技术 1

2 SVG技术 1

2.1 XML介绍 1

2.2 SVG介绍 2

2.3 SVG的特点 2

2.4 SVG规范 2

3 雨量分析系统的需求分析 4

3.1 系统需求 4

3.2 功能分析 4

3.3 用例分析 5

4 雨量分析系统的设计 6

4.1 系统模块结构 6

4.2 数据库的设计 7

4.2.1 总体设计 7

4.2.2 数据库表字段说明 8

4.3 开发技术及过程 10

4.3.1 三层架构 10

4.3.2 SVG文档的表示 14

5 系统实现 15

5.1 雨量数据管理的实现 15

5.2 雨量数据分析与SVG图像的生成 16

5.3 使用Web Service方式提供开放的外部接口 20

5.3.1 Web Service介绍 20

5.3.2 使用Web Service的意义 20

5.3.3 Web Service接口的实现 21

6 系统测试 21

     22

参考文献 22

     24

     25

 

 

1 引言

1.1 项目背景

雨量监测对于工农业生产以及人民生活中的灾害预防、有效利用水资源具有重要意义,建立完整高效的雨量监测系统显得非常有必要。雨量分析系统是应用于防汛、水文等部门的,用于辅助分析自动气象站雨量监测的数据。雨量分析系统通常都会生成一些图表,但由于这些图表是二进制格式的,其可重用性不高,而且这些系统通常都缺乏开放性,大量的数据无法提供给外部研究人员使用,造成资源浪费。

该自动站雨量分析系统在雨量分析领域中作了新的尝试,它采用了基于XML(eXtensible Markup Language,可扩展标记语言)的开放的SVG(Scalable Vector Graphics,可伸缩矢量图形)作为图形格式,在引入先进技术的同时,提高了系统的可重用性,而且该系统与Web服务的结合也使系统的开放性大大地提高。作为示例,该系统要实现对四川省部分市县的城市及雨量数据进行管理与分析,能查询各市县的历史雨量数据并以SVG格式的曲线图显示出来,实现简单地统计分析功能。作为一个完整的系统,还要实现对系统内各个模块以及用户权限的管理。

1.2 本项目的应用价值

本套系统是基于SVG的雨量分析系统,实现的主要功能是对各地收集的雨量数据加以分析,并以SVG矢量图形方式进行显示,使用户能够更加直观地了解某一区域的历史雨量。雨量分析系统主要应用于防汛、水文等部门,通过对各地雨量数据的统计与分析,来预防可能会造成的洪水灾害并有效的调配和利用水资源。

1.3 本项目的相关开发技术

该项目采用.NET开发,开发环境采用Visual Studio 2003,数据库采用MSSQLServer,并使用.NET的三层架构技术,使业务逻辑与数据表示隔离开来,提高系统的模块化程序;在图像显示上使用了基于XML的矢量图形语言SVG,并使用.NET XML DOM(Document Object Model,文档对象模型)来生成和操作SVG图形;并使用Web服务来提供外部接口,以提高系统的开放性。

2 SVG技术

2.1 XML介绍

XML是可扩展标记语言的简称,它定义了结构化表示数据的标准格式。XML是W3C(World Wide Web Consortium,万维网联盟)为适应互联网的发展而推出的新型Web语言,是国际标准化组织所制订的SGML(Standard Generalized Markup Language,标准通用标记语言)的子集。它是用于定义其他标识语言的一种元语言。它具有可扩展性、平台独立性、数据与表现分离以及结构化数据等特点,非常适合网络环境下的数据传输和表达。XML通过其可扩展性提供了一种通用的数据格式,不同的软件系统之间可以通过这种新的数据描述方式进行通信,从而实现完全的交互操作,这源于XML将结构化的数据表示为一个纯文本的特性。可以通过XML对信息加以规范化定义和描述,并且在互联网上进行数据的传输。SVG就是XML在图形图像领域的一个应用。

2.2 SVG介绍

SVG是一种基于XML的开放的标准文本式矢量图形描述语言,即它是用XML元语言定义的语言。SVG图像是与XML1.0兼容的文档,SVG元素是指示如何绘制图像的一些指令,阅读器解释这些指令,把SVG图像在指定设备上显示出来。使用SVG可以在网页上显示出各种各样的高质量的矢量图形,包括许多图像处理中常见的功能,如图形、文字、动画、颜色、滤镜效果等。最关键的是SVG完全用普通文本来描述,也就是说,这是一种专门为网络而设计的基于文本的图像格式。由于SVG是基于XML的,所以可扩展性很强,能够描述任何复杂的图像,甚至动态交互式图像。

2.3 SVG的特点

虽然SVG的“矢量描述”并不是一个全新的概念,但它综合了矢量图形、点阵图像和纯文字的优点,以一种标准将其统一起来描述。它由计算机根据矢量数据计算后绘制而成,相较于位图图像矢量图像有以下特点:(1)文件的大小与图形的复杂程度有关,而与图形的具体尺寸无关;(2)图形的显示尺寸可以无限缩放,变化后不影响图形的质量。正是由于矢量图像的这些特征,使得它尤其适合于网上传播。图片和交互在以前是两个独立的概念,而在SVG中,文字与图形并非封装于SVG内,而是可以借助DOM和脚本语言等手段与外界交互,使得在图片内进行交互成为可能,这是以往的图像所不能做到的。统一的标准和开放性是SVG的强大生命力所在。标准统一可增强网络的交流,结束目前业界各种格式并存的混乱局面;开放性则有利于日后的各种新的元素加入其中扩充其功能。SVG使用时,客户端的软件负责解释SVG文本并将其转化成实际的矢量图像,文字仍是文字,线条仍是线条,可在客户端即时修改,这也是SVG的一大特色。

2.4 SVG规范

SVG规范定义了6种类型的对象,包括矢量图形、图像、渐变填充、滤镜、可重用单元和文本。图形对象可以进行组合、添加样式、几何变换等操作。根据功能不同,这些主要对象可归结为基本要素对象和页面描述功能对象两大类,具体请见图1和图2所示。

 

图1 SVG基本要素

 

图2 SVG页面描述功能

框架元素,就是组成一个完整SVG文档的基本元素,主要包括<svg>、<g>、<desc>元素和<title>元素等等。<svg>元素是文档元素,必不可少的,它相当于指定一块画布,内部的所有图形元素都将显示在这块画布指定的区域中。因此它有一些标记位置的属性像x,y,width,height。<desc>和<title>元素是用来描述图像的注释性元素。还有一些表示基本图形的标记,如rect,circle等等,SVG图形就是通过组合这些基本的元素和组件,来生成复杂的图形的。

3 雨量分析系统的需求分析

3.1 系统需求

需求分析是一种软件工程活动,它在系统需求工程和软件设计间起到桥梁的作用,主要任务是将用户的需求变为软件的功能和性能描述。基于SVG的自动站雨量分析系统要实现对四川省部分市县及其雨量数据进行管理与分析,能够以各种时间方式查询各市县的历史雨量数据并以SVG格式的曲线图显示出来,要求实现简单地统计分析功能,例如统计同一时间段内两个不同地区的雨量数据,对其进行分析,并生成SVG图形以辅助工作人员判断某一时间数据点过高的城市是否有发生灾害的可能性。作为一个完整的系统,还要能够管理系统内各个模块及设置不同用户的权限。由于会涉及到大量数据,因此要有对数据库的管理,实现数据备份功能,以保障数据的安全性。

系统功能模块主要包括以下几个方面:

1、系统管理;

2、雨量数据管理;

3、城市信息管理;

4、前台管理;

5、数据备份。

3.2 功能分析

以下按照不同的模块进行功能描述:

1、系统管理实现以下四个功能:

(1)模块管理:管理系统中所有模块,对模块进行添加、更新及删除;

(2)用户管理:添加系统用户,选择对应的角色,对系统中已有用户进行更新(包括登陆密码及角色)、删除;

(3)角色管理:新增、更新、删除系统角色,分配角色权限;

(4)日志管理:能根据选择条件对已有日志进行查询、删除和下载。

2、雨量数据管理页面管理后台的所有雨量数据,有如下功能:

(1)数据查看:可根据选择条件(包括日期和城市选择)显示雨量数据,也可根据选择的显示方式,以SVG图形方式查看雨量数据;

(2)数据录入:选择某一城市后,可以选择任意一天进行雨量数据输入;

(3)数据更新:在选定城市某一天的雨量数据后,点击更新可以修改雨量数据。

3、城市信息管理页面管理地图页面中出现的所有城市的雨量数据,通过输入城市名及选择上级城市新增城市数据,也可以对已有城市数据进行更新(修改名称或上级城市)、删除操作。

4、前台管理页面放置了将前台查询页面,这一模块是整个系统的重点部分,包括地图管理、选择显示方式、选择查询方式并生成图形显示页面。区别于其它系统,本套系统对于数据图形使用了SVG这种文本式矢量图形描述语言。

用户查询数据,并生成SVG曲线图的操作流程如图3所示。

 

图3 SVG页面描述功能

5、系统的数据备份操作能够实现将数据库文件备份到本机上的指定目录下,需要时再进行数据恢复,以保证数据的安全性。备份管理有如下功能:

(1)数据备份:利用SQLServer的备份操作backup database进行数据备份;

(2)数据恢复:利用SQLServer的恢复操作restore database进行数据恢复。

3.3 用例分析

系统全局管理员用例图如图4所示。

 

图4 系统全局管理员用例图

4 雨量分析系统的设计

4.1 系统模块结构

系统主要分为系统管理、雨量数据管理、城市信息管理、前台管理等几大模块,其结构关系如图5所示。

 

图5 系统模块结构

4.2 数据库的设计

4.2.1 总体设计

数据库的E-R模型图如图6所示。图6中,用户在具有某些角色之后,才有权限使用系统功能,而不能直接使用,因此设计中将角色与系统功能关联起来,并将用户与系统功能隔离开来;日志的生成是在用户使用系统功能的过程中自动生成的,其中需要保存当前用户的ID和对应的系统功能的ID。

 

 

图6 数据库E-R图

4.2.2 数据库表字段说明

1、城市数据表(City)存储的是地图上所有城市的相关信息,具体见表1所示。

表1 城市数据表

字段

字段名

数据类型

长度

允许为空

备注

1

CityId

char

10

城市号

2

CityName

varchar

100

城市名称

3

FatherCityId

char

10

上级城市号

4

OrderId

bigint

8

排序号

5

CityDes

varchar

500

城市描述

 

2、每小时降雨量表(RainPerHour)存储的是城市中具体一天24小时的雨量数据,Hour01表示0~1时的雨量数据,依此类推,中间省略部分行,具体见表2所示。

表2 雨量数据表

字段

字段名

数据类型

长度

允许为空

备注

1

RecordID

varchar

10

记录号

2

CityID

char

10

城市号

3

Year

varchar

10

4

Month

varchar

10

5

Day

varchar

10

6

Hour01

varchar

10

0~1小时

7

Hour12

varchar

10

1~2小时

8

Hour23

varchar

10

2~3小时

9

……

varchar

10

 

10

Hour2223

varchar

10

22~23小时

11

Hour2324

varchar

10

23~24小时

 

3、模块表(Func)存储的是系统中所有模块的信息,具体见表3所示。

表3 模块信息表

字段

字段名

数据类型

长度

允许为空

备注

1

FuncId

varchar

110

模块号

2

FuncName

varchar

50

模块名称

3

FatherFunc

varchar

10

上级模块号

4

PagePath

varchar

100

页面路径

5

OrderId

bigint

8

排序号

6

Des

varchar

200

描述

7

SystemId

varchar

10

 

 

4、日志表(Log)中存储管理员对某一模块进行添加、修改等操作的记录,无论成功与否,系统都会自动记录相应的信息,具体见表4所示。

表4 日志信息表

字段

字段名

数据类型

长度

允许为空

备注

1

LogId

varchar

10

日志号

2

OptTime

datetime

8

操作时间

3

OptDes

varchar

100

操作描述

4

OptResult

varchar

1

操作结构

5

OptType

varchar

1

操作类型

6

UserId

varchar

10

用户号

7

FuncId

varchar

110

模块号

8

OptIP

char

10

操作者IP

 

5、用户表(User)中存储用户登陆系统的ID号、名称和密码等信息,具体见表5所示。

表5 用户表

字段

字段名

数据类型

长度

允许为空

备注

1

UserId

varchar

10

用户号

2

UserName

datetime

50

用户名

3

UserPwd

varchar

50

密码

 

6、用户角色关系表(UserRoleRel)存储用户在系统中属于哪一角色的信息,具体见表6所示。

表6 用户角色关系表

字段

字段名

数据类型

长度

允许为空

备注

1

UserId

varchar

10

用户号

2

RoleId

varchar

10

角色号

 

7、角色表(Role)存储每一个角色的角色名及对它权限的描述,具体见表7所示。

表7 角色表

字段

字段名

数据类型

长度

允许为空

备注

1

RoleId

varchar

10

角色号

2

RoleName

varchar

50

角色名

3

Des

varchar

200

权限描述

 

8、角色权限关系表(RoleFuncRel)存储角色对于某一模块是否具有读取、增加、更新、删除等操作的权限,具体见表8所示。

表8 角色权限关系表

字段

字段名

数据类型

长度

允许为空

备注

1

FuncId

varchar

110

模块号

2

RoleId

varchar

10

角色号

3

PRead

char

1

读取

4

PAdd

char

1

增加

5

PUpdate

char

1

更新

6

PDelete

char

1

删除

 

4.3 开发技术及过程

4.3.1 三层架构

三层架构也称三层体系结构,即表现层、业务逻辑层和数据访问层。表现层主要指用户界面,它要求尽可能的简单,使最终用户不需要进行任何培训就能方便地访问信息;第二层就是业务逻辑层,也就是常说的中间件,所有的应用系统、应用逻辑、控制都在这一层,系统的复杂性也主要体现在业务逻辑层;最后的数据访问层存储大量的数据信息和数据逻辑,所有与数据有关的安全、完整性控制、数据的一致性、并发操作等都是在第三层完成。三层架构的层次关系见图7所示。

 

图7 三层架构示意图

这些层相互之间独立性好,可以单独开发,单独测试。三层架构另一个优点是它的安全性,客户端只能通过上一层来访问下一层的服务,减少了入口点,把很多危险的系统功能都屏蔽了。

表现层位于最上层,离用户最近,用于显示数据和接收用户输入的数据,为用户提供一种交互式操作的界面。通过表现层,用户输入数据、获取数据。表现层同时也提供一定的安全性,确保用户没有机会看到机密的信息。中间的业务逻辑层是表现层和数据访问层的桥梁,它响应表现层的用户请求,负责处理用户输入的信息,或者是将这些信息发送给数据访问层进行保存,或者是调用数据访问层中的函数再次读出这些数据。业务逻辑层也可以包括一些对“商业逻辑”描述的代码在里面。数据访问层定义和维护数据的完整性、安全性,它响应业务逻辑层的请求来访问数据,仅实现对数据的保存和读取操作。访问的数据可以是数据库系统、二进制文件、文本文档或是XML文档等等。

本项目中.NET三层架构中各个包之间的关系结构如图8所示。

 

图8 三层架构名称空间关系图

其中,Model命名空间中的类对应于数据库中的表,为整个架构提供方便的数据表示形式;IDAL和SQLServerDAL对应于数据访问层,IDAL命名空间中定义了一整套用于操作数据库的接口,具体的数据访问操作在SQLServerDAL命名空间中实现;DALFactory命名空间中定义了获取数据访问操作的方法,在BLL命名空间中,就使用这些方法来获取符合IDAL中定义的接口的对象,再用它来对数据库进行操作,显然它们属于业务逻辑层;而表现层对应于前台页面代码,包括获取用户响应和请求,再通过BLL来获取数据并返回给用户。

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