軟件組件技術(shù)及其在GIS 中的應(yīng)用

軟件組件技術(shù)及其在GIS中的應(yīng)用
摘要:為了適應(yīng)軟件組件化潮流，新一代地理信息系統(tǒng)——組件式地理信息系統(tǒng)越來越成為今后GIS開展的趨勢(shì)。在闡述組件式地理信息系統(tǒng)的概念和開展的根底上,介紹了組件式地理信息系統(tǒng)所依賴的技術(shù)根底——組件技術(shù)，最后提出在實(shí)際開發(fā)組件式地理信息系統(tǒng)平臺(tái)時(shí)的設(shè)計(jì)思路。關(guān)鍵詞:地理信息系統(tǒng)COM/DCOMCOMGISTheApplicationOfComponentsTechnologyInGISAbstract:InordertobeseasonedwiththeCOMtideofsoftware,COMGISbecomesthedirectionofdevelopmentofGISmoreandmore.BasedonexpatiatingtheconceptionanddevelopmentofCOMGIS,IntroducethetechnicbasisofCOMGIS——COM/DCOM,finallyputforwardthedesignthoughtofempolderingCOMGISplatforminpractice.Keywords:GISCOM/DCOMCOMGIS1引言空間信息是十分重要的,地球上的萬物無不與空間位置發(fā)生關(guān)系,如何利用計(jì)算機(jī)處理空間相關(guān)信息是地理信息系統(tǒng)產(chǎn)生和開展的原動(dòng)力?，F(xiàn)在GIS技術(shù)在國防、城市規(guī)劃、國土資源管理、交通運(yùn)輸、環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)等與國民經(jīng)濟(jì)乃至國家命脈相關(guān)的重要領(lǐng)域的成功應(yīng)用,極大地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的開展,使之成為世界各國劇烈競(jìng)爭(zhēng)的高科技熱點(diǎn)之一。同時(shí),社會(huì)的開展,特別是信息全球化的今天,對(duì)空間地理信息管理提出了更高的要求。傳統(tǒng)的GIS技術(shù)正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。組件化技術(shù)是針對(duì)長期以來軟件開展落后于硬件開展的問題而提出的解決方案,它從根本上改變了傳統(tǒng)的軟件開發(fā)思想,，構(gòu)筑了一個(gè)由多方自主提供軟件組件、組件間相互協(xié)調(diào)工作的體系,實(shí)現(xiàn)了軟件的復(fù)用和健壯更新,是軟件業(yè)沿社會(huì)化方向開展的大趨勢(shì)。將軟件組件化開發(fā)思想應(yīng)用于GIS軟件開發(fā)中,是在技術(shù)上擺脫重復(fù)開發(fā)的有效途徑,因此能加快GIS技術(shù)的進(jìn)步,將為GIS的開展帶來巨大的生機(jī)。軟件組件對(duì)象模型是關(guān)于軟件組件之間如何連接的標(biāo)準(zhǔn)。目前占主導(dǎo)地位的主要有微軟的COM(即ComponentObjectModel)和對(duì)象管理集團(tuán)OGM的CORBA(即CommonObjectRequestBrokerArchitecture)。其中COM具有明確的組件開發(fā)和調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn),在PC平臺(tái)上已形成廣泛的應(yīng)用根底。2組件式GIS概述地理信息系統(tǒng)(GIS)經(jīng)過近40年的開展，在空間數(shù)據(jù)的獲取能力、儲(chǔ)存與管理能力、處理與分析能力以及顯示與輸出能力等方面都取得了長足的進(jìn)步。隨著GIS在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的深入開展，GIS的組件化趨勢(shì)日益明顯，已經(jīng)成為GIS的重要開展方向之一。從GIS軟件模塊開發(fā)和集成的技術(shù)開展歷程，GIS可以劃分為以下幾個(gè)開展階段。GISGIS模塊集成式GIS模塊化GIS核心式GIS組件式GISWebGIS互操作GIS圖1GIS軟件的開展歷程從GIS模塊發(fā)到集成式GIS是從分散到集中的過程，這是GIS開展歷程中的一個(gè)重大進(jìn)步。從集成式GIS開展到模塊化GIS，這是GIS組件化的開始，隨后開展到核心式GIS，GIS組件化趨勢(shì)越來越明顯，并形成組件化的標(biāo)準(zhǔn)形式——組件式GIS和WebGIS。從開展過程來看，GIS經(jīng)歷了如圖1所示的幾個(gè)開展階段，了解這一歷程可以更好地認(rèn)識(shí)到GIS組件化的趨勢(shì)。GIS應(yīng)用的廣度和深度主要依賴于GIS平臺(tái)技術(shù)，傳統(tǒng)的GIS平臺(tái)雖然在功能上較為成熟和完善，但是其平臺(tái)的開發(fā)技術(shù)已經(jīng)落臺(tái)，隨著GIS應(yīng)用的不斷擴(kuò)展和深入，用戶對(duì)GIS技術(shù)提出了更高、更新的要求，要求GIS從封閉走向開放，提供廣域空間信息共享和實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)、空間分析的無縫集成。于是,傳統(tǒng)GIS平臺(tái)的缺陷逐漸暴露了出來，具體表現(xiàn)在：=1\*GB3①系統(tǒng)復(fù)雜而龐大,使得普通的開發(fā)技術(shù)人員難以掌握,導(dǎo)致開發(fā)周期過長,阻礙著自身的推廣和開展。=2\*GB3②單純的二次開發(fā)語言限制了GIS與多媒體技術(shù)及其它專業(yè)模塊、專業(yè)系統(tǒng)的高效無縫集成,從而導(dǎo)致了應(yīng)用局限。=3\*GB3③難以應(yīng)付海量數(shù)據(jù)的管理和分析,受到操作系統(tǒng)平臺(tái)的限制,無法應(yīng)用分布式環(huán)境,無法跨平臺(tái)運(yùn)行,更無法基于WEB發(fā)布數(shù)據(jù)。這些缺陷僅靠其平臺(tái)自身難以得到妥善合理地解決,唯一的出路就是融合新的計(jì)算機(jī)技術(shù),通過新技術(shù)的應(yīng)用來推動(dòng)GIS理論體系和應(yīng)用體系的開展和完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的飛速開展,特別是Internet的出現(xiàn)和組件式軟件技術(shù)的應(yīng)用,GIS也自然而然迎合這些起著革命性的開展和變化的趨勢(shì),無論是GIS平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想,還是GIS應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)方式。近幾年來,組件式GIS開展為GIS的前沿技術(shù),并逐漸成為主流趨勢(shì)。目前,已經(jīng)商業(yè)化的COMGIS平臺(tái)有GeoMediaMapObjectsArcObjects等。組件式GIS(ComponentsGIS，縮寫為COMGIS)是指基于組件對(duì)象平臺(tái)，以一組具有某種標(biāo)準(zhǔn)通信接口的、允許跨語言應(yīng)用的組件提供的GIS。這種組件稱為GIS組件。GIS組件之間以及GIS組件與其他組件之間可以通過標(biāo)準(zhǔn)的通信接口實(shí)現(xiàn)交互，這種交互甚至可以跨計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。COMGIS是面向?qū)ο蠹夹g(shù)和組件式軟件在GIS軟件開發(fā)中的應(yīng)用。COMGIS為新一代GIS應(yīng)用提供了全新的開發(fā)工具。同傳統(tǒng)GIS比較，COMGIS具有多方面的特點(diǎn)，包括：無縫集成、跨語言使用、易于推廣、本錢低、無限擴(kuò)展性、可視化界面設(shè)計(jì)以及Internet應(yīng)用等。3COM/DCOM技術(shù)組件式對(duì)象模型(ComponentObjectModel簡(jiǎn)稱COM)是OLEObjectLinkingandEmbedding)和ActiveX共同的根底。是一種以組件為發(fā)布單元的對(duì)象模型,它不是編程語言,而是構(gòu)造二進(jìn)制兼容軟件組件的標(biāo)準(zhǔn)，COM定義的標(biāo)準(zhǔn)是建立在二進(jìn)制代碼級(jí)的根底之上,所以不依賴于任何特定的語言環(huán)境。COM所建立的是一個(gè)軟件模塊與另一個(gè)軟件模塊之間的鏈接,當(dāng)這種鏈接建立之后,模塊之間就可以通過被稱之為“接口〞的機(jī)制來進(jìn)行通信。組件間的接口通過一種與平臺(tái)無關(guān)的語言IDL來定義，而且是二進(jìn)制兼容的,使用者可以直接調(diào)用執(zhí)行模塊來獲得對(duì)象提供的效勞和功能。而DCOM〔DistributedCOM〕那么是COM在Internet/Intranet上的擴(kuò)展,用以支持不同計(jì)算機(jī)上的組件對(duì)象與客戶程序之間或組件對(duì)象之間的相互通信。DCOM通過RPC〔RemoteProcedureCall〕遠(yuǎn)程過程調(diào)用，提供分布功能,使組件可以在使用DCOM組件的計(jì)算機(jī)之外的機(jī)器上運(yùn)行,而無須將組件下載到本地計(jì)算機(jī),并可以將DCOM組件放置到多個(gè)效勞器上運(yùn)行,而客戶無須編制任何遠(yuǎn)程調(diào)用代碼,從而實(shí)現(xiàn)了協(xié)議無關(guān)性和平臺(tái)獨(dú)立性。以下依次闡述COM的相關(guān)概念：3.1接口COM組件中最重要的概念是接口，接口是借助C++純抽象基類實(shí)現(xiàn)的，而C++純抽象基類確保了COM必須符合的二進(jìn)制標(biāo)準(zhǔn)。組件之間的接口是組件軟件的關(guān)鍵,同一軟件中的組件必須使用同樣的接口標(biāo)準(zhǔn)才能保證組件之間可以進(jìn)行通信。COM不僅僅提供了組件之間的接口標(biāo)準(zhǔn),還引入了面向?qū)ο蟮乃枷?。組件模塊為COM對(duì)象提供了活動(dòng)的空間,COM對(duì)象以接口的方式提供效勞,這種接口被稱為COM接口〔如圖2所示〕圖2COM組件、COM對(duì)象和COM接口關(guān)系3.2COM組件實(shí)現(xiàn)對(duì)于客戶而言，一個(gè)組件就是一個(gè)接口集?？赏ㄟ^C++類繼承一個(gè)或多個(gè)純抽象基類〔接口〕而實(shí)現(xiàn)。3.3IUnKnown接口所有的COM接口都必須繼承一個(gè)名為IUnKnown的接口。因?yàn)镮UnKnown接口中包含有三個(gè)函數(shù)，因此，這意味著接口的虛擬函數(shù)表中前三個(gè)元素都相同，其中保存的是IunKnown中三個(gè)成員函數(shù)實(shí)現(xiàn)的地址〔如圖3所示〕。圖3接口IX的內(nèi)存結(jié)構(gòu)3.4組件發(fā)布COM要求對(duì)用戶和組件進(jìn)行嚴(yán)格劃分。部件以效勞器的形式存在，一般有三種形式：進(jìn)程中效勞器、本地效勞器、遠(yuǎn)程效勞器。當(dāng)客戶希望創(chuàng)立在同一進(jìn)程中運(yùn)行的組件時(shí)，那么采用進(jìn)程中效勞器形式，在DLL中實(shí)現(xiàn)。當(dāng)客戶希望創(chuàng)立在同一機(jī)器的另外一個(gè)進(jìn)程中運(yùn)行的組件時(shí)，那么采用本地效勞器，在EXE中實(shí)現(xiàn)。當(dāng)客戶希望創(chuàng)立一個(gè)在遠(yuǎn)程機(jī)器上運(yùn)行的組件時(shí)，那么采用遠(yuǎn)程效勞器，可在DLL或EXE中實(shí)現(xiàn)，但需要DCOM支持。3.5組件創(chuàng)立客戶在使用組件時(shí)，首先必須創(chuàng)立組件。創(chuàng)立組件的方法有兩種。第一種方法是通過位于COM函數(shù)庫OLE32.DLL中的庫函數(shù)CoCreateInstance使組件實(shí)例化：第二種方法是通過類廠ClassFactory生成組件。第二種方法比第一種方法復(fù)雜，但靈活性更強(qiáng)。4COMGIS開發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)4.1傳統(tǒng)GIS軟件的分析建設(shè)一個(gè)GIS應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)際上是對(duì)空間數(shù)據(jù)、GIS軟件和各種應(yīng)用模型進(jìn)行集成。資源和設(shè)施管理的GIS應(yīng)用更是要求GIS與管理信息系統(tǒng)〔ManagementInformationSystemsMIS〕乃至與辦公自動(dòng)化(OfficeAutomationOA)之間的有機(jī)結(jié)合，這對(duì)GIS系統(tǒng)集成方案提出了很高的要求。但是傳統(tǒng)GIS軟件封閉的、獨(dú)成體系的結(jié)構(gòu)使得GIS很難與應(yīng)用模型、MIS或OA實(shí)現(xiàn)高效的、有機(jī)的集成。歸納起來，傳統(tǒng)的GIS根底軟件的集成方案主要有以下四種模式：1)通過存取中間文件的方式建立GIS軟件與應(yīng)用分析模型之間的數(shù)據(jù)交換通道;2)直接使用GIS軟件提供的二次開發(fā)語言編制GIS應(yīng)用分析模型;3)利用專業(yè)程序設(shè)計(jì)語言開發(fā)GIS應(yīng)用模型，并直接訪問GIS軟件的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);4〕通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)建立GIS與應(yīng)用模型之間的快速通信。4.2組件設(shè)計(jì)的根本原那么設(shè)計(jì)COMGIS可根據(jù)功能和應(yīng)用劃分為多個(gè)組件和控件，劃分時(shí)需要根據(jù)不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)模型進(jìn)行具體分析，主要考慮以下幾個(gè)方面的問題：=1\*GB3①按照功能的相關(guān)性分類，相關(guān)性大、結(jié)合緊密的歸為同一組件。=2\*GB3②把各個(gè)數(shù)據(jù)管理模塊與系統(tǒng)分析、應(yīng)用模塊分開，各負(fù)其責(zé)，增強(qiáng)模塊之間的重用性。=3\*GB3③處理相同數(shù)據(jù)文件的模塊盡可能設(shè)計(jì)在同一組件里。=4\*GB3④對(duì)多個(gè)組件對(duì)象的整體操作盡量利用組件集合的概念進(jìn)行處理。=5\*GB3⑤注意可視化控件和組件的劃分，不同的功能和應(yīng)用應(yīng)該集成在不同的層面。=6\*GB3⑥采用高效的算法并精心優(yōu)化代碼使軟件整體效率比較高。=7\*GB3⑦在能夠充分表達(dá)地理信息并能有效地進(jìn)行各種處理分析的前提下，軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型要盡可能簡(jiǎn)明和緊湊。4.3COMGIS開發(fā)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組件式GIS開發(fā)平臺(tái)通?？稍O(shè)計(jì)為三級(jí)結(jié)構(gòu)：根底組件：處于平臺(tái)最底層，是整個(gè)系統(tǒng)的根底，主要面向空間數(shù)據(jù)管理，提供根本的交互過程，以靈活的方式與數(shù)據(jù)系統(tǒng)連接。高級(jí)通用組件：由根底組件構(gòu)造而成。它們面向通用功能，簡(jiǎn)化用戶開發(fā)過程，如顯示工具組件、選擇工具組件、編輯工具組件、屬性瀏覽器組件等等。它們之間的協(xié)同控制消息都被封裝起來。這些組件經(jīng)過封裝后，使二次開發(fā)更為簡(jiǎn)單。行業(yè)性組件：抽象出行業(yè)應(yīng)用的特定算法固化到組件中進(jìn)一步加速開發(fā)過程。4.4COMGIS開發(fā)的根本思路使用COM/DCOM技術(shù)開發(fā)COMGIS系統(tǒng)的根本思路是：多種組件的集成，讓GIS組件做GIS的工作，其他功能讓其他的組件去完成，GIS組件與其他組件之間的聯(lián)系由可視化的通用開發(fā)語言(如VisualC++或Delphi)來建立。這些開發(fā)語言建立了應(yīng)用系統(tǒng)的框架，COMGIS組件和其他組件提供了實(shí)現(xiàn)具體功能的“磚頭〞，這些“磚頭〞在框架的組織下構(gòu)成運(yùn)行的GIS系統(tǒng)。COMGIS提供了實(shí)現(xiàn)GIS功能的組件，專業(yè)模型那么可以使用這些通用開發(fā)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)，也可以插入其他的專業(yè)性模型分析控件。因此使用COMGIS可以實(shí)現(xiàn)高效無縫的系統(tǒng)集成。形象的說，COMGIS組件開發(fā)的根本思想就是“搭積木〞的方法，把GIS的各大功能模塊劃分為假設(shè)干個(gè)組件或控件，每個(gè)組件或控件完成不同的功能，它們之間通過接口的屬性、方法和事件等相互通信和作用。而通過可視化的軟件開發(fā)工具就可以把各個(gè)GIS控件及其他非GIS控件方便地集成起來，形成最終的GIS應(yīng)用。5
組件技術(shù)在GIS中的應(yīng)用5.1我國GIS軟件開展的制約因素低水平重復(fù)開發(fā)、版本升級(jí)困難長期制約了GIS的開展的。從狹義上說GIS是處理地理數(shù)據(jù)的輸入、輸出、管理、查詢、分析和輔助決策的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因此,系統(tǒng)的功能模塊組成相比照擬固定,GIS系統(tǒng)的根底軟件模塊一般為輸入、輸出、管理、查詢、分析等,如果能夠把它們做成組件,無疑將極大地提高開發(fā)的效率。但事實(shí)上由于缺乏復(fù)用代碼的有效手段,在開發(fā)新系統(tǒng)時(shí),開發(fā)者往往不得不重新編寫相應(yīng)的代碼。其次,使用傳統(tǒng)的開發(fā)技術(shù),GIS系統(tǒng)大多采用緊耦合的結(jié)構(gòu)體系。這種做法雖在一定程度上保證了應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行效率和其自身的健壯性,但給版本的更新帶來了極大的不利。最后,傳統(tǒng)GIS軟件在系統(tǒng)集成中,有的在GIS根底軟件與應(yīng)用分析模型之間,通過文件存取方式建立數(shù)據(jù)交換通道。但這不適合于大量而頻繁地交換數(shù)據(jù)的情況,且GIS根底軟件與應(yīng)用分析模型相互獨(dú)立,系統(tǒng)整合性差;有的直接使用GIS軟件提供的二次開發(fā)語言編制應(yīng)用分析模型,雖然解決了前一種模式的缺陷,但GIS所提供的二次開發(fā)語言往往不能與VC、VB等專業(yè)程序設(shè)計(jì)語言相比,難以開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用模型;有的利用VC、VB等語言開發(fā)應(yīng)用模型,并直接訪問GIS軟件的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),但是直接訪問GIS軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加了應(yīng)用開發(fā)的難度;有的通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)建立GIS與應(yīng)用模型之間的快速通信。這是在DDE技術(shù)開展起來以后,對(duì)第一種集成方式的改進(jìn),可以防止頻繁的文件數(shù)據(jù)交換所帶來的效率降低的缺陷,也防止了從GIS外部直接訪問GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的代價(jià)。但是,GIS與應(yīng)用模型是別離的,這種拼接仍然是“有縫〞的。不管采用以上何種系統(tǒng)集成模式,傳統(tǒng)的GIS軟件在系統(tǒng)集成上都存在缺陷。5.2GIS組件化的意義組件GIS是一個(gè)非常重要的趨勢(shì)。組件化GIS有許多優(yōu)點(diǎn),如高效無縫的系統(tǒng)集成、無須專門開發(fā)語言、群眾化等,且在與管理信息系統(tǒng)MIS耦合、Internet應(yīng)用、降低開發(fā)本錢和使用復(fù)雜性等方面,具有明顯優(yōu)勢(shì)。同時(shí)也打破了以往GIS根底軟件由少數(shù)廠商壟斷的局面,小型研究機(jī)構(gòu)和廠商有時(shí)機(jī)以提供專業(yè)組件的方式打入GIS根底軟件市場(chǎng)。我國GIS根底軟件起步較晚,目前仍未形成有規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。組件GIS技術(shù)為我國GIS根底軟件的開發(fā)提供了新的契機(jī)?，F(xiàn)在正是推動(dòng)我國GIS軟件產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要機(jī)遇,我們應(yīng)該迎頭趕上。5.3目前的開發(fā)工具對(duì)組件化技術(shù)的支持微軟在COM的根底上開展了假設(shè)干高層次的組件化技術(shù),