地理信息系統開發關鍵技術研究

河北省地質調查院 夏 夢

地理信息系統開發關鍵技術研究

河北省地質調查院 夏 夢

為了提高地理信息系統的開放性、可重用性及其分布式的特點，本文指出了現階段地理信息系統的缺陷，提出了利用面向對象的組件技術、基于Agent思想的分布式策略以及知識管理相關模式來促進地理信息系統的高效開發和簡便應用，最后，在上述技術的基礎上，開發了高效的地理信息系統。

GIS；COM；軟件工程；ATL

1.引言

地理信息系統(Geographic Information System，簡稱GIS)[1]是一種采集、輸入、存儲、管理、檢索、分析、描述和顯示空間信息的計算機系統，是分析和處理地理空間數據的通用技術，是信息技術的一個重要組成部分，它也是一門集計算機科學、信息科學、數學和統計科學、現代地理學、測繪遙感學、環境科學、城市科學、空間科學和管理科學為一體的新興邊緣學科[1-3]。

GIS開發屬于軟件工程開發范疇，由于GIS的空間信息管理屬性及其應用模式，增加了GIS開發的難度和復雜度，現階段GIS的缺陷主要表現在：

1）采用效率不高的開發語言。例如MFC并不全面支持GIS的COM組件開發，且加上龐大的命令、函數庫，使得開發難度增加，產品開發周期增長。

2）空間數據庫及其知識管理系統通常由GIS廠商提供，這導致了GIS系統價格的昂貴。

3）傳統GIS與多媒體開發工具及多地域協作的鏈接均不甚方便，數據交換不直接，直接影響通訊效率。

本文針對以上GIS的缺陷，提出了面向對象思想的組件技術、基于Agent思想的GIS技術及知識管理技術來開發簡便、有效的GIS系統。

2.基于面向對象思想的組件技術

GIS設計需考慮問題較多，涉及面較廣，系統開發時，大多采用模塊化的設計方法。其中模塊化的程序設計方法指的是把要共用的功能或相近的功能劃分模塊，以模塊化的思想設計GIS。此時，整個GIS通過若干個互相關聯的過程調用不同的模塊構成。每一模塊擁有自己的數據及實現方法，有利于系統維護和后續開發，同時，各模塊可以通過調用當前模塊或相關聯模塊來達到改變系統狀態的目的。

然而上述模塊化的設計思想也存在一定的問題：在開發過程中，模塊內方法可任意修改；被操作數據以及對它們的松耦合管理方式使得程序結構是基于實現方法而不是數據本事；無法實現安全、保密的數據訪問等。面向對象的系統設計很好地解決了以上難題。面向對象的程序設計中，進行相關交互的是對象而不是模塊，網絡中的對象擁有自己的狀態，且每個對象對自己的數據、構造、方法等。同時，面向對象的設計方法還有如下的優點：設計和相關代碼可以重用，開發速度大幅度增加，代碼質量得以提高，系統維護及其可修改性也得到了較客觀的改善。綜上，利用面向對象的思想，集成了模塊化思想的優點，且彌補了模塊化的缺陷，其更突出的優秀特性在于其可封裝性、可繼承性及其多態性，這些優點促進了面向對象思想的推廣，使其得以在GIS設計過程中被廣泛應用。

當GIS較為復雜、預處理命令較多或區域較分散時，單純利用面向對象技術已不能滿足其精確、多輸入多輸出和分批處理的要求，于是本文采取了組件技術及基于Agent的分布式GIS技術，前者將和面向對象技術聯合應用，并在本章后續內容中繼續介紹，后者指的是利用Agent技術，實現分布式GIS的設計，以實現其多地域和多命令輸入輸出的要求，并將在第二章詳述。

近年來，隨著科技的進步，組件技術也得到了長遠的發展，并深刻影響了軟件工程的開發模式。與面向對象思想結合后，軟件工程系統可以被視為若干協同工作的對象的組合，其中每個對象都提供特定的數據以及服務，接收和發送特定的消息，且以國際標準形式進行輸送和公布，以供其他對象的調用。

組件間通過與平臺無關的中間語言IDL（Interface Define Language）來定義，該接口固定不變，且與客戶程序兼容，開發人員可通過直接調用相關模塊來獲取對象服務，換句話說，應用面向對象的組件思想，在組件對象中添加了新功能、新數據或新方法時，組件對象仍可以支持舊接口，增加了程序的可適應性、可修改性和可擴充性。

由于面向對象思想組件技術的優點，將其應用到GIS開發將帶來全新的開發模式，為現今GIS開發所面臨的問題提供靈活的解決思路。這種基于面向對象組件形式的GIS，基于標準的組件平臺，各組件對象間不僅可以進行靈活重組、調用，還可開發全新的可視化界面和標準接口?，F今流行的組件式平臺主要是微軟公司推出的COM組件模型（Component Object Model）和DCOM組件模型（Distributed Component Object Model，分布式組件對象模型)[5]，它們占據了市場的領導地位?；贑OM組件技術，Microsoft又大力推出ActiveX控件技術[5]。ActiveX控件技術是現今可視化的程序設計中，應用最廣泛的標準組件技術。

目前，Microsoft推出了三種不同的開發COM組件的方式，分別是采用COMSDK、MFC和ATL，其中基于COMSDK開發工作量較大，MFC無法完全兼容COM組件，ATL（Active Template Library，活動模板庫）[5]，以其簡潔、有效的優點全面地支持了COM組件的開發。ATL的這種特性促使其在COM組件開發中獲得了長足的優勢，開發者可以把注意力集中于相關的邏輯上，另外，它擺脫了大量的冗余代碼，使系統開發更簡練。綜上，ATL在面向對象的組件開發技術中占有較大優勢，本文GIS開發將利用ATL、分布式角色Agent等技術，使其更有效，更易滿足客戶需求。

3.基于Agent思想的分布式GIS

在GIS設計過程中，采用基于角色Agent模型來對不同區域、不同目的的面向對象模塊進行控制與管理，該模型分為GIS Agent模版和GIS Agent實例兩部分[6]。前者針對GIS實施人員建立，定義每個Agent的行為及其特征參數、檢索規則等，并定義各個Agent間邏輯關系；后者詳細定義各參數、實施人員、文檔節點等的ID標識，以及各Agent間關聯關系、觸發關系等。當觸發條件滿足時，Agent啟動相應GIS信息收集、處理和可視化程序，引導各Agent完成GIS的相關任務。當任務完成時，Agent實例將返回服務器，并帶回命令執行中的相關數據，包括可視化效果、操作人員、輸入輸出值等。

為了實現以上所述的功能，Agent實例需對數據庫中大量數據進行分類和封裝，該過程遵循第一章所述的分層和模塊化思想，即各執行角色Agent根據需要組織和封裝數據，并接受上級Agent調度和管理。其中，Agent數據分為自定義的數據和用戶的數據，前者與具體應用場景相關，后者描述該Agent的基本屬性和與其他Agent相關聯的參數和流程等。

基于Agent的GIS設計執行過程主要分為服務器派遣、維護以及GIS輸入輸出實施層的管理。前者指服務器及內嵌于該服務器的Agent對相關信息提供、任務派遣和數據動態存儲；后者指移動服務器為Agent實例提供運行環境。

為實現以上功能，本文提出了基于分布式Agent的GIS開發功能模型。該模型分為服務器層和GIS信息層，兩者通過網絡實現了互聯，它包含：（1）服務器層 主要功能是實現GIS服務器端的業務邏輯關系，接收和存儲來自實例Agent的實時動態數據，并提供了運行環境和維護Agent實例間的邏輯關系，負責Agent實例觸發、管理和銷毀。（2）實現層 其主要功能是為Agent實例提供了運行環境，并提供了相關讀寫設備。在GIS Agent實例化時，服務器向Agent實例傳遞了信息規則、操作人員、命令符、技術文件、檢索規則、可視化原則等相關信息，并設置了各GIS Agent實例的觸發和回收條件，向Agent實例傳輸了信息標識。當命令執行完成時，從Agent實例把信息標識和查詢結果傳遞給服務器，由服務器完成數據更新和存儲，并向其他的Agent實例相關信息，并在客戶需求服務器進行查詢結果的可視化顯示。

表1 GIS知識分類

圖1 知識管理四部模型框架

圖2 知識管理的內容

圖3 登陸界面

4.知識管理技術

4.1 知識管理概念及框架

GIS設計的關鍵和核心在于對相關知識信息的存儲、查詢以及可視化輸出，本文將以上內容統稱為知識管理，概括地說，知識管理（Knowledge Management，KM）是一種保證知識的沉淀、共享、發布和挖掘的過程和方法，它以提高企業業績為目的，大大促進了知識、管理和技術的組合。

知識管理的基礎在于對GIS所處理知識的分類與整合。從知識層次說，GIS知識可分為個人、團隊、企業和外部環境層次；根據知識識別特征，可分為顯性和隱形知識；根據行業分類，可以分為公安、社區、應用、城市綜合、商業分析等GIS知識等。這些分類各有特點，在實際應用中，應根據具體要求具體分析。在本文中，GIS的知識管理分類如表1所示。

為了更清晰地說明知識管理的體系機構，本文將對其進行系統建模。該模型主要包括描述、過程和功能模型，為了描述知識管理體系結構，需要對知識管理進行體系結構建模。描述模型主要表現了GIS知識管理的層次性，表達了知識的靜態邏輯性，反應了知識的結構。過程模型表示GIS知識管理體系為響應外部命令請求，進行的一系列內部活動，是動態的狀態調整或信息查詢。功能模型指的是在相應過程執行完成后，知識管理體系所能達到的目標，是知識管理的需求的響應。

圖4 知識管理

圖5 GIS系統虛擬社區展示

知識管理四部模型框架如圖1所示。

4.2 GIS開發中知識管理技術

GIS開發中的知識管理可以描述為一個面向對象的知識模塊對外部命令的響應，它的被操作及被輸出對象是知識，其目的是以最優的形式完成對知識的輸入輸出、查詢及更新。

GIS知識管理包括對知識基礎、技術、過程、戰略及客戶等的管理，而上文知識管理體系結構則充分概括了GIS知識管理開發所需要的技術，詳細的說，包括了GIS領域軟件工程、數據庫技術、文檔技術、復用驅動技術和經驗工程技術等方法，也只有充分利用了上述技術，結合相應的專家系統，才能進行正確有效的知識管理，更好地進行GIS的知識開發。

除此之外，GIS知識管理對象還寶礦力顯性的軟件工程知識和專家系統知識、相關實踐知識等隱形知識。對于這些知識，應進行需求分析、知識查詢獲取、組織共享、應用創新和可視化輸出等，在這個過程中，需要對GIS開發的過程和效果進行評估，如發現問題，則進行改善，從而不斷完善企業流程，不斷提高服務質量，提升企業的競爭力，更好地滿足客戶需求。圖2顯示了知識管理技術的內容。

5.平臺展示

本文利用以上技術開發了新型GIS系統，登陸界面如圖3所示，知識管理界面如圖4所示，最終可視化顯示北京某區虛擬社區地理情況如圖5所示。其中，GIS知識包括了經驗庫、模板庫、專家庫、規則庫和與案例庫，其主要包括GIS分析、設計、實現、管理和維護等。

GIS平臺主要功能包括系統登錄、知識查詢、知識管理和虛擬社區等。

6.結束語

本文為解決傳統GIS的代碼冗余、效率不高、知識管理混亂、無法很好地完成分布式協作等問題，提出了面向對象的組件技術、基于Agent思想的分布式協作技術以及相關的知識管理技術，創建了高效、全新、有效的GIS系統。

[1]鞏慧,趙文吉.GIS的發展方向.WORLD GEOLOGY,1999,18(1):60-63

[2]Peng Z,Nerber D D.An Internet-Based GIS Data Access System.Journal of Urban and Regional System,1997(1):20-30.

[3]Buelher K,Mckee L.The Open GIS Guide:Introduction to Interoperability Geoprocessing,Massachusetts:The OGC Press,1996:96-100.

[4]龔健雅.地理信息系統基礎軟件吉奧之星NT版的總體設計思想和關鍵技術[J].武漢測繪科技大學學報,1997,22(3):18-190.

[5]Sara Ferris.Talking About GIS.CADalyst,2004,21(9):12-13.

[6]朱慶,李德仁,龔健雅等.數碼城市GIS的設計與實現[J].武漢大學學報(信息科學版),2001,26(1):8-11.