河北省地質(zhì)調(diào)查院 夏 夢(mèng)

地理信息系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究

河北省地質(zhì)調(diào)查院 夏 夢(mèng)

為了提高地理信息系統(tǒng)的開放性、可重用性及其分布式的特點(diǎn)，本文指出了現(xiàn)階段地理信息系統(tǒng)的缺陷，提出了利用面向?qū)ο蟮慕M件技術(shù)、基于Agent思想的分布式策略以及知識(shí)管理相關(guān)模式來促進(jìn)地理信息系統(tǒng)的高效開發(fā)和簡便應(yīng)用，最后，在上述技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了高效的地理信息系統(tǒng)。

GIS；COM；軟件工程；ATL

1.引言

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡稱GIS)[1]是一種采集、輸入、存儲(chǔ)、管理、檢索、分析、描述和顯示空間信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是分析和處理地理空間數(shù)據(jù)的通用技術(shù)，是信息技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，它也是一門集計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)科學(xué)、現(xiàn)代地理學(xué)、測(cè)繪遙感學(xué)、環(huán)境科學(xué)、城市科學(xué)、空間科學(xué)和管理科學(xué)為一體的新興邊緣學(xué)科[1-3]。

GIS開發(fā)屬于軟件工程開發(fā)范疇，由于GIS的空間信息管理屬性及其應(yīng)用模式，增加了GIS開發(fā)的難度和復(fù)雜度，現(xiàn)階段GIS的缺陷主要表現(xiàn)在：

1）采用效率不高的開發(fā)語言。例如MFC并不全面支持GIS的COM組件開發(fā)，且加上龐大的命令、函數(shù)庫，使得開發(fā)難度增加，產(chǎn)品開發(fā)周期增長。

2）空間數(shù)據(jù)庫及其知識(shí)管理系統(tǒng)通常由GIS廠商提供，這導(dǎo)致了GIS系統(tǒng)價(jià)格的昂貴。

3）傳統(tǒng)GIS與多媒體開發(fā)工具及多地域協(xié)作的鏈接均不甚方便，數(shù)據(jù)交換不直接，直接影響通訊效率。

本文針對(duì)以上GIS的缺陷，提出了面向?qū)ο笏枷氲慕M件技術(shù)、基于Agent思想的GIS技術(shù)及知識(shí)管理技術(shù)來開發(fā)簡便、有效的GIS系統(tǒng)。

2.基于面向?qū)ο笏枷氲慕M件技術(shù)

GIS設(shè)計(jì)需考慮問題較多，涉及面較廣，系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，大多采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。其中模塊化的程序設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)GIS。此時(shí)，整個(gè)GIS通過若干個(gè)互相關(guān)聯(lián)的過程調(diào)用不同的模塊構(gòu)成。每一模塊擁有自己的數(shù)據(jù)及實(shí)現(xiàn)方法，有利于系統(tǒng)維護(hù)和后續(xù)開發(fā)，同時(shí)，各模塊可以通過調(diào)用當(dāng)前模塊或相關(guān)聯(lián)模塊來達(dá)到改變系統(tǒng)狀態(tài)的目的。

然而上述模塊化的設(shè)計(jì)思想也存在一定的問題：在開發(fā)過程中，模塊內(nèi)方法可任意修改；被操作數(shù)據(jù)以及對(duì)它們的松耦合管理方式使得程序結(jié)構(gòu)是基于實(shí)現(xiàn)方法而不是數(shù)據(jù)本事；無法實(shí)現(xiàn)安全、保密的數(shù)據(jù)訪問等。面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計(jì)很好地解決了以上難題。面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)中，進(jìn)行相關(guān)交互的是對(duì)象而不是模塊，網(wǎng)絡(luò)中的對(duì)象擁有自己的狀態(tài)，且每個(gè)對(duì)象對(duì)自己的數(shù)據(jù)、構(gòu)造、方法等。同時(shí)，面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法還有如下的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)和相關(guān)代碼可以重用，開發(fā)速度大幅度增加，代碼質(zhì)量得以提高，系統(tǒng)維護(hù)及其可修改性也得到了較客觀的改善。綜上，利用面向?qū)ο蟮乃枷耄闪四K化思想的優(yōu)點(diǎn)，且彌補(bǔ)了模塊化的缺陷，其更突出的優(yōu)秀特性在于其可封裝性、可繼承性及其多態(tài)性，這些優(yōu)點(diǎn)促進(jìn)了面向?qū)ο笏枷氲耐茝V，使其得以在GIS設(shè)計(jì)過程中被廣泛應(yīng)用。

當(dāng)GIS較為復(fù)雜、預(yù)處理命令較多或區(qū)域較分散時(shí)，單純利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)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(shù)及基于Agent的分布式GIS技術(shù)，前者將和面向?qū)ο蠹夹g(shù)聯(lián)合應(yīng)用，并在本章后續(xù)內(nèi)容中繼續(xù)介紹，后者指的是利用Agent技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分布式GIS的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)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(jìn)步，組件技術(shù)也得到了長遠(yuǎn)的發(fā)展，并深刻影響了軟件工程的開發(fā)模式。與面向?qū)ο笏枷虢Y(jié)合后，軟件工程系統(tǒng)可以被視為若干協(xié)同工作的對(duì)象的組合，其中每個(gè)對(duì)象都提供特定的數(shù)據(jù)以及服務(wù)，接收和發(fā)送特定的消息，且以國際標(biāo)準(zhǔn)形式進(jìn)行輸送和公布，以供其他對(duì)象的調(diào)用。

組件間通過與平臺(tái)無關(guān)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(fā)人員可通過直接調(diào)用相關(guān)模塊來獲取對(duì)象服務(wù)，換句話說，應(yīng)用面向?qū)ο蟮慕M件思想，在組件對(duì)象中添加了新功能、新數(shù)據(jù)或新方法時(shí)，組件對(duì)象仍可以支持舊接口，增加了程序的可適應(yīng)性、可修改性和可擴(kuò)充性。

由于面向?qū)ο笏枷虢M件技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用到GIS開發(fā)將帶來全新的開發(fā)模式，為現(xiàn)今GIS開發(fā)所面臨的問題提供靈活的解決思路。這種基于面向?qū)ο蠼M件形式的GIS，基于標(biāo)準(zhǔn)的組件平臺(tái)，各組件對(duì)象間不僅可以進(jìn)行靈活重組、調(diào)用，還可開發(fā)全新的可視化界面和標(biāo)準(zhǔn)接口?，F(xiàn)今流行的組件式平臺(tái)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(duì)象模型)[5]，它們占據(jù)了市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)地位。基于COM組件技術(shù)，Microsoft又大力推出ActiveX控件技術(shù)[5]。ActiveX控件技術(shù)是現(xiàn)今可視化的程序設(shè)計(jì)中，應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)組件技術(shù)。

目前，Microsoft推出了三種不同的開發(fā)COM組件的方式，分別是采用COMSDK、MFC和ATL，其中基于COMSDK開發(fā)工作量較大，MFC無法完全兼容COM組件，ATL（Active Template Library，活動(dòng)模板庫）[5]，以其簡潔、有效的優(yōu)點(diǎn)全面地支持了COM組件的開發(fā)。ATL的這種特性促使其在COM組件開發(fā)中獲得了長足的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)者可以把注意力集中于相關(guān)的邏輯上，另外，它擺脫了大量的冗余代碼，使系統(tǒng)開發(fā)更簡練。綜上，ATL在面向?qū)ο蟮慕M件開發(fā)技術(shù)中占有較大優(yōu)勢(shì)，本文GIS開發(fā)將利用ATL、分布式角色Agent等技術(shù)，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(shè)計(jì)過程中，采用基于角色Agent模型來對(duì)不同區(qū)域、不同目的的面向?qū)ο竽K進(jìn)行控制與管理，該模型分為GIS Agent模版和GIS Agent實(shí)例兩部分[6]。前者針對(duì)GIS實(shí)施人員建立，定義每個(gè)Agent的行為及其特征參數(shù)、檢索規(guī)則等，并定義各個(gè)Agent間邏輯關(guān)系；后者詳細(xì)定義各參數(shù)、實(shí)施人員、文檔節(jié)點(diǎn)等的ID標(biāo)識(shí)，以及各Agent間關(guān)聯(lián)關(guān)系、觸發(fā)關(guān)系等。當(dāng)觸發(fā)條件滿足時(shí)，Agent啟動(dòng)相應(yīng)GIS信息收集、處理和可視化程序，引導(dǎo)各Agent完成GIS的相關(guān)任務(wù)。當(dāng)任務(wù)完成時(shí)，Agent實(shí)例將返回服務(wù)器，并帶回命令執(zhí)行中的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括可視化效果、操作人員、輸入輸出值等。

為了實(shí)現(xiàn)以上所述的功能，Agent實(shí)例需對(duì)數(shù)據(jù)庫中大量數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhí)行角色Agent根據(jù)需要組織和封裝數(shù)據(jù)，并接受上級(jí)Agent調(diào)度和管理。其中，Agent數(shù)據(jù)分為自定義的數(shù)據(jù)和用戶的數(shù)據(jù)，前者與具體應(yīng)用場(chǎng)景相關(guān)，后者描述該Agent的基本屬性和與其他Agent相關(guān)聯(lián)的參數(shù)和流程等。

基于Agent的GIS設(shè)計(jì)執(zhí)行過程主要分為服務(wù)器派遣、維護(hù)以及GIS輸入輸出實(shí)施層的管理。前者指服務(wù)器及內(nèi)嵌于該服務(wù)器的Agent對(duì)相關(guān)信息提供、任務(wù)派遣和數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)；后者指移動(dòng)服務(wù)器為Agent實(shí)例提供運(yùn)行環(huán)境。

為實(shí)現(xiàn)以上功能，本文提出了基于分布式Agent的GIS開發(fā)功能模型。該模型分為服務(wù)器層和GIS信息層，兩者通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)，它包含：（1）服務(wù)器層 主要功能是實(shí)現(xiàn)GIS服務(wù)器端的業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系，接收和存儲(chǔ)來自實(shí)例Agent的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并提供了運(yùn)行環(huán)境和維護(hù)Agent實(shí)例間的邏輯關(guān)系，負(fù)責(zé)Agent實(shí)例觸發(fā)、管理和銷毀。（2）實(shí)現(xiàn)層 其主要功能是為Agent實(shí)例提供了運(yùn)行環(huán)境，并提供了相關(guān)讀寫設(shè)備。在GIS Agent實(shí)例化時(shí)，服務(wù)器向Agent實(shí)例傳遞了信息規(guī)則、操作人員、命令符、技術(shù)文件、檢索規(guī)則、可視化原則等相關(guān)信息，并設(shè)置了各GIS Agent實(shí)例的觸發(fā)和回收條件，向Agent實(shí)例傳輸了信息標(biāo)識(shí)。當(dāng)命令執(zhí)行完成時(shí)，從Agent實(shí)例把信息標(biāo)識(shí)和查詢結(jié)果傳遞給服務(wù)器，由服務(wù)器完成數(shù)據(jù)更新和存儲(chǔ)，并向其他的Agent實(shí)例相關(guān)信息，并在客戶需求服務(wù)器進(jìn)行查詢結(jié)果的可視化顯示。

表1 GIS知識(shí)分類

圖1 知識(shí)管理四部模型框架

圖2 知識(shí)管理的內(nèi)容

圖3 登陸界面

4.知識(shí)管理技術(shù)

4.1 知識(shí)管理概念及框架

GIS設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和核心在于對(duì)相關(guān)知識(shí)信息的存儲(chǔ)、查詢以及可視化輸出，本文將以上內(nèi)容統(tǒng)稱為知識(shí)管理，概括地說，知識(shí)管理（Knowledge Management，KM）是一種保證知識(shí)的沉淀、共享、發(fā)布和挖掘的過程和方法，它以提高企業(yè)業(yè)績?yōu)槟康?，大大促進(jìn)了知識(shí)、管理和技術(shù)的組合。

知識(shí)管理的基礎(chǔ)在于對(duì)GIS所處理知識(shí)的分類與整合。從知識(shí)層次說，GIS知識(shí)可分為個(gè)人、團(tuán)隊(duì)、企業(yè)和外部環(huán)境層次；根據(jù)知識(shí)識(shí)別特征，可分為顯性和隱形知識(shí)；根據(jù)行業(yè)分類，可以分為公安、社區(qū)、應(yīng)用、城市綜合、商業(yè)分析等GIS知識(shí)等。這些分類各有特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體要求具體分析。在本文中，GIS的知識(shí)管理分類如表1所示。

為了更清晰地說明知識(shí)管理的體系機(jī)構(gòu)，本文將對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)建模。該模型主要包括描述、過程和功能模型，為了描述知識(shí)管理體系結(jié)構(gòu)，需要對(duì)知識(shí)管理進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)建模。描述模型主要表現(xiàn)了GIS知識(shí)管理的層次性，表達(dá)了知識(shí)的靜態(tài)邏輯性，反應(yīng)了知識(shí)的結(jié)構(gòu)。過程模型表示GIS知識(shí)管理體系為響應(yīng)外部命令請(qǐng)求，進(jìn)行的一系列內(nèi)部活動(dòng)，是動(dòng)態(tài)的狀態(tài)調(diào)整或信息查詢。功能模型指的是在相應(yīng)過程執(zhí)行完成后，知識(shí)管理體系所能達(dá)到的目標(biāo)，是知識(shí)管理的需求的響應(yīng)。

圖4 知識(shí)管理

圖5 GIS系統(tǒng)虛擬社區(qū)展示

知識(shí)管理四部模型框架如圖1所示。

4.2 GIS開發(fā)中知識(shí)管理技術(shù)

GIS開發(fā)中的知識(shí)管理可以描述為一個(gè)面向?qū)ο蟮闹R(shí)模塊對(duì)外部命令的響應(yīng)，它的被操作及被輸出對(duì)象是知識(shí)，其目的是以最優(yōu)的形式完成對(duì)知識(shí)的輸入輸出、查詢及更新。

GIS知識(shí)管理包括對(duì)知識(shí)基礎(chǔ)、技術(shù)、過程、戰(zhàn)略及客戶等的管理，而上文知識(shí)管理體系結(jié)構(gòu)則充分概括了GIS知識(shí)管理開發(fā)所需要的技術(shù)，詳細(xì)的說，包括了GIS領(lǐng)域軟件工程、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、文檔技術(shù)、復(fù)用驅(qū)動(dòng)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)工程技術(shù)等方法，也只有充分利用了上述技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的專家系統(tǒng)，才能進(jìn)行正確有效的知識(shí)管理，更好地進(jìn)行GIS的知識(shí)開發(fā)。

除此之外，GIS知識(shí)管理對(duì)象還寶礦力顯性的軟件工程知識(shí)和專家系統(tǒng)知識(shí)、相關(guān)實(shí)踐知識(shí)等隱形知識(shí)。對(duì)于這些知識(shí)，應(yīng)進(jìn)行需求分析、知識(shí)查詢獲取、組織共享、應(yīng)用創(chuàng)新和可視化輸出等，在這個(gè)過程中，需要對(duì)GIS開發(fā)的過程和效果進(jìn)行評(píng)估，如發(fā)現(xiàn)問題，則進(jìn)行改善，從而不斷完善企業(yè)流程，不斷提高服務(wù)質(zhì)量，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，更好地滿足客戶需求。圖2顯示了知識(shí)管理技術(shù)的內(nèi)容。

5.平臺(tái)展示

本文利用以上技術(shù)開發(fā)了新型GIS系統(tǒng)，登陸界面如圖3所示，知識(shí)管理界面如圖4所示，最終可視化顯示北京某區(qū)虛擬社區(qū)地理情況如圖5所示。其中，GIS知識(shí)包括了經(jīng)驗(yàn)庫、模板庫、專家?guī)臁⒁?guī)則庫和與案例庫，其主要包括GIS分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、管理和維護(hù)等。

GIS平臺(tái)主要功能包括系統(tǒng)登錄、知識(shí)查詢、知識(shí)管理和虛擬社區(qū)等。

6.結(jié)束語

本文為解決傳統(tǒng)GIS的代碼冗余、效率不高、知識(shí)管理混亂、無法很好地完成分布式協(xié)作等問題，提出了面向?qū)ο蟮慕M件技術(shù)、基于Agent思想的分布式協(xié)作技術(shù)以及相關(guān)的知識(shí)管理技術(shù)，創(chuàng)建了高效、全新、有效的GIS系統(tǒng)。

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