ＩＤＬ在分布式ＧＩＳ系統中的應用研究

摘要：以新型的面向圖形對象、基于矩陣的交互式數據處理語言(IDL)，與空間數據引擎(SDE)結合來構建分布式GIS應用，既發揮了IDL在空間數據處理、三維顯示方面的長處，又利用了SDE在空間數據管理方面良好的性能及安全性，同時避免了在購買專業GIS開發組件許可證上的巨額投入，在性能和開發成本之間做到了合適的平衡，是一種經濟可行的應用方案。

關鍵詞：地理信息系統；交互式數據處理語言；空間數據引擎；C#；分布式應用

中圖分類號：TP311文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)05－0220－03

0引言

進行GIS應用開發，若直接從底層做起則開發周期長、成本高。目前應用最為廣泛的模式是集成二次開發[1]，就是以當前成熟的商業GIS平臺為基礎，以高級開發語言為支持來進行應用開發。然而目前的商業GIS平臺價格昂貴，并且由于提供廠商在知識產權保護方面的考慮和限制，有些還不能用來開發完全獨立（Standalone）的應用系統。

業界應用最廣的ESRI[2]公司產品系列中提供了功能強大的基于COM技術的ArcObjects組件作為GIS二次開發工具，開發者可以借助其成熟的空間分析技術以及其與ArcSDE空間數據庫之間良好的協作特性，快速地實現GIS應用系統的開發。然而在ArcGIS 9.0之前的版本中，ArcObjects不是獨立的軟件開發工具包（Software Development Kit，SDK），無法脫離ArcGIS環境開發獨立的應用系統[2]；即便在新發布的ArcGIS 9.0開始支持獨立開發的情形下，昂貴的發布許可費用仍然使得目標系統的應用成本非常高。這對科研應用目的而言，不但開發成本太高，而且靈活性很差。因而嘗試在系統的設計開發中，選擇基于矩陣運算的交互式數據處理語言（Interactive Data Language，IDL），以及商業化的空間數據管理引擎ArcSDE的集成開發模式，以期在性能和開發成本之間達成一個合理的平衡。

1開發環境

IDL是一種新型的面向圖形對象、基于矩陣的數據處理語言，自帶強大的數學庫支持，在數據運算、分析和空間表現方面有出色的性能[3]。ArcSDE是非常成熟的空間數據庫引擎。通過結合MS SQL Server或Oracle大型關系數據庫系統，可以建立具有良好性能的空間數據庫[2]；并且通過利用ArcSDE提供的Client APIs（Application Programming Interfaces，應用編程接口）接口進行開發，系統的自主性較強。

經過對多種開發環境和編程語言的比較，系統決定采用.NET作為實現平臺。C#是一種新的編程語言，它是專為生成運行在.NET框架上的企業級應用程序而設計的，同時具備C/C++的強大功能及Visual Basic的快速開發能力，是面向下一代操作系統的開發語言[4]。

2系統開發方案

2．1系統體系結構

系統采用多層邏輯結構的胖客戶端/瘦服務器端模式（圖1）。服務器端由ArcSDE來實現空間數據的管理，結合服務器上的SQL Server構成空間數據庫。客戶端由C#構建，利用其在應用程序開發方面的性能、快捷性及交互界面開發方面的出色能力，以彌補IDL在此方面的不足。IDL在系統中主要負責實現空間數據(含二維和三維)的本地訪問管理和表現，如空間數據的加載、本地管理、地圖渲染、三維顯示等；系統還可借助IDL強大的數據處理能力實現基于矩陣運算的各種分析功能。IDL部分經過良好的封裝被嵌入在客戶端的C# Shell中。

2．2客戶端程序框架

客戶端交互界面由C#和經過.NET封裝的IDL DrawWidget開發控件構建（圖2）。由于IDL并沒有像其他專業GIS開發組件（如ESRI的MapObjects或ArcObjects）一樣直接提供對GIS應用開發的支持，因而基本的GIS功能需要利用IDL自行實現。圖層控件用標準的Windows基本控件組合開發；鷹眼控件和地圖控件由經過.NET封裝的IDL DrawWidget開發控件來實現；比例尺控件由Windows繪圖函數與IDL函數共同實現。

2．3空間數據管理

系統中所有的空間數據由ArcSDE空間數據庫統一管理，系統與ArcSDE的交互由C# Shell負責管理，具體的交互功能在體系結構圖的Data Acess組件中實現。其中主要使用了經過 .NET封裝的ArcSDE C APIs空間數據庫訪問函數庫。

2．4空間數據處理與顯示

系統中使用IDL語言來進行對空間數據的處理與運算。IDL是目前對科學計算可視化支持較好的語言之一，是一種集成了所有科學計算環境中所需函數的面向矩陣運算、用于數據可視化研究與應用開發的第四代計算機語言，也是易于使用、面向矩陣的語言。它具有高級圖像處理能力、交互式二維和三維圖形技術、面向對象的編程方式、OpenGL 圖形加速、量化可視化表現、集成的數學與統計學算法、靈活的數據輸入/輸出方式、跨平臺圖形用戶界面工具包、連接ODBC 兼容數據庫存取及多種程序連接工具等功能，并且能夠運行于多種操作系統和硬件平臺之上。本質上，IDL是一個巨大的C程序庫，包括了編譯器、解釋器、圖像、算術處理器、用戶界面和大量依賴操作系統的代碼[5]。利用C＃和IDL語言混合開發的系統，既包含了IDL語言強大的科學計算能力，又具備了C＃語言對系統開發的靈活性以及系統運行的穩定性，使得兩種語言在系統中達到優勢互補，是實現科學計算及可視化的一種有效途徑。

3SDE訪問接口

系統采用了目前較為成熟的空間數據庫引擎ArcSDE與大型關系數據庫管理系統SQL Server來實現對空間數據的分布式存儲和管理。需要解決的首要問題是如何建立與ArcSDE的遠程連接，并與之實現交互操作。

ArcSDE提供的訪問通道有三條[6，7] (圖3)。三條通道中：使用ArcObjects成本太高；而直接數據庫連接通過SQL語言直接從關系型數據庫中獲取以表、行、列為基礎的數據，這種方法繞過了ArcSDE，適合于對非空間信息的訪問，但處理空間信息的難度很大；ArcSDE的Client APIs是較為基礎的一種功能發布形式，具有較長的歷史和非常廣泛的應用，它面向開放式系統開發，可以用于客戶端與ArcSDE的交互過程。系統中最終采用ArcSDE提供的C語言客戶端API方式，以便在保證系統性能的前提下，降低系統的開發和運行成本。

ArcSDE的C APIs具有較高的數據訪問性能、較完整的矢量和柵格數據訪問和管理能力。但是它是一個復雜的體系，包括30個結構、21個枚舉以及757個函數，并且不支持面向對象，也沒有提供對.NET環境的支持（只提供了C和Java兩個版本），因而難以直接在.NET環境中以不安全代碼（Unsafe）的方式訪問。

為解決這一問題，系統開發中利用托管（Managed）C++語言，將ArcSDE 的C APIs封裝為.NET環境支持的模塊，然后在.NET環境中使用（圖4）。

4IDL與C#通信機制

4．1IDL對混合編程的支持

IDL為了更好地實現軟件開發的靈活性和面向對象的功能，不斷地對功能進行擴充，并且增加了許多與其他語言之間的通信接口，并提供了許多與其他語言進行混合編程的內部API函數。IDL 6.0可以與標準C、UNIX C、Visual C++、Java、Delphi等高級語言進行混合編程。

IDL提供了以下幾種混合編程方法[8]：

（1）管道；

（2）在IDL中調用COM對象或ActiveX控件；

（3）IDL DrawWidget ActiveX控件；

（4）在IDL中使用Java對象；

（5）通過RPC調用IDL（UNIX）；

（6）通過CALL_EXTERNAL函數調用外部函數。

4．2目標系統適用的方式

由于目標系統是在C#編程環境中使用IDL，IDL的Microsoft Windows版本的ActiveX控件，即IDL DrawWidget最適合本文目標系統開發的要求。IDL DrawWidget控件提供了在Windows程序中以ActiveX組件形式集成IDL功能的機制，為這些程序提供數據的分析和可視化能力。

IDL提供的IDL DrawWidget控件的主要特征如下[8]：

(1)IDL ActiveX控件能顯示IDL直接圖形和對象圖形，通過設置“圖形顯示方式”屬性，控制圖形的顯示類型。

(2)IDL ActiveX控件能夠響應鼠標事件。這些事件可以由外部程序觸發，也可以由IDL自己產生。

(3)IDL ActiveX控件提供了IDL與外部應用環境之間的數據傳輸機制，使得IDL與外部程序之間的數據傳輸變得十分簡單。

(4) IDL ActiveX控件可以應用于任何支持ActiveX控件的開發環境中。因此，可以將IDL強大的圖形顯示功能集成到外部應用程序中，脫離IDL環境，具有很強的可塑性。

4．3通信及數據支持

IDL提供了以下Method用于傳遞數據和命令[8]：

（1）SetNamedData——向IDL傳遞數據，支持所有的Variant數據格式；

（2）GetNamedData——支持VT_UI1、VT_I2、VT_I4、VT_R4、VT_R8和VT_BSTR；

（3）CopyNamedArray——返回IDL數組的復本；

（4）SetNamedArray——在.NET、Delphi等環境下不能實現數據共享，只能傳入數據；

（5）ExecuteStr——執行標準IDL語句，也可以作為一種數據的傳遞方式；

（6）VariableExists——用于判斷IDL環境中是否已經存在給定變量名稱的變量；

事件傳遞：

（1）鼠標事件由.NET環境處理；

（2）保留通過文本結果輸出來實現由IDL到.NET環境的主動事件激發的方式。

IDL對空間數據存儲格式的支持:

（1）矢量——支持直接讀寫Shapefile（通過IDLffShape類 ）、DXF（IDLffDXF）；

（2）柵格——不支持GRID空間數據，只支持讀寫圖像格式數據。

4．4C# 與IDL間的數據傳遞機制

由于IDL支持的空間數據格式有限，并且不支持ArcSDE，系統中不直接使用IDL讀取空間數據，而是由.NET主環境中的C# Shell負責從空間數據庫讀取數據，然后再傳入IDL環境。

IDL與主環境之間的數據傳遞只處理單值或者數組數據；而點、線、多邊形等較為復雜的矢量結構數據，需要首先分解為單值或數組后傳遞給IDL，再由IDL根據所給數據生成合適的對象圖形，實現空間數據的表現和管理（圖5）。

圖5空間數據的分解、傳遞、重構與再現

5IDL對象與GIS對象

IDL不直接支持GIS中空間數據的管理和表現，需要自己定義和實現該部分功能。系統實現中采用從IDL對象圖形類繼承的方式，擴展已有的IDL圖形功能，定義新的空間數據類。空間數據類完成從.NET環境接收單值和表格數據，并進行管理和渲染表現等任務。系統中IDL對象與GIS對象的封裝映射關系如圖6所示。

6結束語

利用IDL、ArcSDE和C# 來集成開發分布式GIS應用系統，三者相輔相成，優勢互補。其不但在很短的開發周期內以極低的開發成本建立非常專業的GIS應用系統，而且系統在保證數據安全性及性能的前提下，運行成本也很低廉，為GIS的應用提供了一種新的途徑。

參考文獻：

［1］劉光. 地理信息系統二次開發教程——組件篇[M]. 北京：清華大學出版社，2003： 1－2.

[2]ESRI Inc. ESRI：the GIS software leader[EB/OL].[2005].http://www.esri.com.

[3]RSI Inc. RSI:data analysis and visualization software[EB/OL].[2005].http://www.rsinc.com/pr/detail.asp?PRID=46.

[4]Microsoft Inc. MSDN home page[EB/OL].[2005].http://www.microsoft.com.

[5]閆殿武. IDL可視化工具入門與提高[M]. 北京：機械工業出版社，2003:1－360.

[6]ESRI Inc. Understanding ArcSDE[M/CD].[S.l.]:[s.n.]，2002.

[7]ESRI Inc. ArcSDE 8.3 developer help guide[M/CD].[S.l.]:[s.n.]，2003.

[8]RSI Inc. External development guide[M/CD].[S.l.]:[s.n.]，2003.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”