GIS 二次开发概述 - 全文

GIS 二次开发概述

地理信息系统根据其内容可分为两大基本类型：一是应用型地理信息系统，以某一专业、领 域或工作为主要内容，包括专题地理信息系统和区域综合地理信息系统；二是工具型地理信息系统，也就是GIS工具软件包，如ARC/INFO等，具有空间数据输入、存储、处理、分析和输出等GIS基本功能。随着地理信息系统应用领域的扩展，应用型GIS的开发工作日显重要。如何针对不同的应用目标，高效地开发出既合乎需要又具有方便美观丰富的界面形式的地理信息系统，是GIS开发者非常关心的问题。

      1.1 GIS开发模式

独立开发

指不依赖于任何GIS工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言，如Visual C++、Delphi等，在一定的操作系统平台上编程实现。这种方式的好处在于无须依赖任何商业GIS工具软件，减少了开发成本，但一方面对于大多数开发者来说，能力、时间、财力方面的限制使其开发出来的产品很难在功能上与商业化GIS工具软件相比，而且在购买GIS工具软件上省下的钱可能还抵不上开发者在开发过程中绞尽脑汁所花的代价。

宿主型二次开发

指基于GIS平台软件上进行应用系统开发。大多数GIS平台软件都提供了可供用户进行二次开发的脚本语言，如ESRI的ArcView提供了Avenue语言，MapInfo公司的MapInfo Professional提供了MapBasic语言等等。用户可以利用这些脚本语言，以原GIS软件为开发平台，开发出自己的针对不同应用对象的应用程序。这种方式省时省心，但进行二次开发的脚本语言，作为编程语言，功能极弱，用它们来开发应用程序仍然不尽如人意，并且所开发的系统不能脱离GIS平台软件，是解释执行的，效率不高。

基于GIS组件的二次开发

大多数GIS软件产商都提供商业化的GIS组件，如ESRI 公司的MapObjects、MapInfo公司的MapX等，这些组件都具备GIS的基本功能，开发人员可以基于通用软件开发工具尤其是可视化开发工具，如Delphi、Visual C++、Visual Basic、Power Builder等为开发平台，进行二次开发。 利用GIS工具软件生产厂家提供的建立在OCX技术基础上的GIS功能控件，如ESRI的MapObjects、MapInfo公司的MapX等，在Delphi等编程工具编制的应用程序中，直接将GIS功能嵌入其中，实现地理信息系统的各种功能

三种实现方式的分析与比较

由于独立开发难度太大，单纯二次开发受GIS工具提供的编程语言的限制差强人意，因此结合GIS工具软件与当今可视化开发语言的集成二次开发方式就成为GIS应用开发的主流。它的优点是既可以充分利用GIS工具软件对空间数据库的管理、分析功能，又可以利用其它可视化开发语言具有的高效、方便等编程优点，集二者之所长，不仅能大大提高应用系统的开发效率，而且使用可视化软件开发工具开发出来的应用程序具有更好的外观效果，更强大的数据库功能，而且

可靠性好、易于移植、便于维护。尤其是使用OCX技术利用GIS功能组件进行集成开发，更能表现出这些优势。 由于上述优点，集成二次开发正成为应用GIS开发的主流方向。这种方法唯一的缺点是前期投入比较大，需要同时购买GIS工具软件和可视化编程软件，但“工欲善其事，必先利其器”，这种投资值得。 目前许多软件公司都开发了很多ActiveX控件，合理选择和运用现成的控件，减少了开发者的编程工作量，使开发者避开某些应用的具体编程，直接调用控件，实现这些具体应用，不仅可以缩短程序开发周期，使编程过程更简洁，用户界面更友好，可以使程序更加灵活、简便。

1.2 面向对象的开发 （OOP： Object Oriented Programming）

1.2.1 面向对象程序设计模式

发明面向对象程序设计方法的主要出发点是弥补面向过程程序设计方法中的一些缺点。OOP把数据看作程序开发中的基本元素，并且不允许它们在系统中自由流动。它将数据和操作这些数据的函数紧密的连结在一起，并保护数据不会被外界的函数意外的改变。OOP允许我们将问题分解为一系列实体——这些实体被称为对象（object），然后围绕这些实体建立数据和函数。面向对象程序设计中的数据和函数的组织结构如图所示。

 

1.2.2 什么是面向对象程序设计？

       面向对象程序设计（OOP）技术汲取了结构化程序设计中好的思想，并将这些思想与一些新的、强大的理念相结合，从而给你的程序设计工作提供了一种全新的方法。通常，在面向对象的程序设计风格中，你会将一个问题分解为一些相互关联的子集，每个子集内部都包含了相关的数据和函数。同时，你会以某种方式将这些子集分为不同等级，而一个对象就是已定义的某个类型的变量。当你定义了一个对象，你就隐含的创建了一个新的数据类型。 1.2.3 面向对象程序设计中的基本概念 “面向对象”作为一个术语，在不同的人群中有着不同的解释。因此，了解一些在面向对象程序设计中广泛应用的概念是必须的。本节我们讨论以下这些内容：

1、对象（Object）

2、类（Class）

 3、数据抽象（Data abstraction）

4、继承（Inheritance）

5、动态绑定（Dynamic binding）

6、数据封装（Data encapsulation）

7、多态性（Polymorphism）

8、消息传递（Message passing）

对象

在一个面向对象的系统中，对象是运行期的基本实体。它可以用来表示一个人或者说一个银行帐户，一张数据表格，或者其它什么需要被程序处理的东西。它也可以用来表示用户定义的数据，例如一个向量，时间或者列表。在面向对象程序设计中，问题的分析一般以对象及对象间的自然联系为依据。如前所述，对象在内存中占有一定空间，并且具有一个与之关联的地址，就像Pascal中的record和C中的结构一样。 当一个程序运行时，对象之间通过互发消息来相互作用。例如，程序中包含一个“customer”对象和一个“account”对象，而customer对象可能会向account对象发送一个消息，查询其银行帐目。每个对象都包含数据以及操作这些数据的代码。即使不了解彼此的数据和代码的细节，对象之间依然可以相互作用，所要了解的只是对象能够接受的消息的类型，以及对象返回的响应的类型，虽然不同的人会以不同的方法实现它们。

类

我们刚才提到，对象包含数据以及操作这些数据的代码。一个对象所包含的所有数据和代码可以通过类来构成一个用户定义的数据类型。事实上，对象就是类类型（class type）的变量。一旦定义了一个类，我们就可以创建这个类的多个对象，每个对象与一组数据相关，而这组数据的类型在类中定义。因此，一个类就是具有相同类型的对象的抽象。例如，芒果、苹果和桔子都是fruit类的对象。类是用户定义的数据类型，但在一个程序设计语言中，它和内建的数据类型行为相同。比如创建一个类对象的语法和创建一个整数对象的语法一模一样。如果fruit被定义为一个

类，那么语句 fruit mango; 就创建了一个fruit类的对象mango。 数据抽象和封装

把数据和函数包装在一个单独的单元（称为类）的行为称为封装。数据封装是类的最典型特点。数据不能被外界访问，只能被封装在同一个类中的函数访问。这些函数提供了对象数据和程序之间的接口。避免数据被程序直接访问的概念被称为“数据隐藏”。 抽象指仅表现核心的特性而不描述背景细节的行为。类使用了抽象的概念，并且被定义为一系列抽象的属性如尺寸、重量和价格，以及操作这些属性的函数。类封装了将要被创建的对象的所有核心属性。因为类使用了数据抽象的概念，所以它们被称为抽象数据类型（ADT）。

封装

封装机制将数据和代码捆绑到一起，避免了外界的干扰和不确定性。它同样允许创建对象。简单的说，一个对象就是一个封装了数据和操作这些数据的代码的逻辑实体。 在一个对象内部，某些代码和（或）某些数据可以是私有的，不能被外界访问。通过这种方式，对象对内部数据提供了不同级别的保护，以防止程序中无关的部分意外的改变或错误的使用了对象的私有部分。

继承

继承是可以让某个类型的对象获得另一个类型的对象的属性的方法。它支持按级分类的概念。例如，知更鸟属于飞鸟类，也属于鸟类。就像图5中描绘的那样，这种分类的原则是，每一个子类都具有父类的公共特性。

 

在OOP中，继承的概念很好的支持了代码的重用性（reusability），也就是说，我们可以向一个已经存在的类中添加新的特性，而不必改变这个类。这可以通过从这个已存在的类派生一个新类来实现。这个新的类将具有原来那个类的特性，以及新的特性。而继承机制的魅力和强大就在于它允许程序员利用已经存在的类（接近需要，而不是完全符合需要的类），并且可以以某种方式修改这个类，而不会影响其它的东西。 注意，每个子类只定义那些这个类所特有的特性。而如果没有按级分类，每类都必须显式的定义它所有的特性。

多态

多态是OOP的另一个重要概念。多态的意思是事物具有不同形式的能力。举个例子，对于不同的实例，某个操作可能会有不同的行为。这个行为依赖于所要操作数据的类型。比如说加法操作，如果操作的数据是数，它对两个数求和。如果操作的数据是字符串，则它将连接两个字符串。 图6演示了一个函数处理不同数量、不同类型的参数。就像某个单词在不同的上下文中具有不同的含义

 

多态机制使具有不同内部结构的对象可以共享相同的外部接口。这意味着，虽然针对不同对象的具体操作不同，但通过一个公共的类，它们（那些操作）可以通过相同的方式予以调用。多态在实现继承的过程中被广泛应用。 面向对象程序设计语言支持多态，术语称之为“one interface multiple method（一个接口，多个实现）”。简单来说，多态机制允许通过相同的接口引发一组相关但不相同的动作，通过这种方式，可以减少代码的复杂度。在某个特定的情况下应该作出怎样的动作，这由编译器决定，而不需要程序员手工干预。 在多函数程序中，许多重要的数据被声明为全局变量，这样它们才可以被所有的函数访问。每个函数又可以具有它自己的局部变量。全局变量很容易被某个函数不经意之间改变。而在一个大程序中，很难分辨每个函数都使用了哪些变量。如果我们需要修改某个外部数据的结构，我们就要修改所有访问这个数据的函数。这很容易导致bug的产生

在结构化程序设计中，另一个严重的缺陷是不能很好的模拟真实世界的问题。这是因为函数都是面向过程的，而不是真正的对应于问题中的各个元素。 面向过程的程序设计的一些特点如下：

・强调做（算法）；

・大程序被分隔为许多小程序，这些小程序称为函数； ・大多数函数共享全局数据；

・数据开放的由一个函数流向另一个函数。函数把数据从一种形式转换为另一种形式。 采用由上至下的程序设计方法。

动态绑定

绑定指的是将一个过程调用与相应代码链接起来的行为。动态绑定的意思是，与给定的过程调用相关联的代码只有在运行期才可知。它与多态和继承的联系极为紧密。一个多态引用的函数调用决定于这个引用的动态类型。 考虑图6中的“draw”方法。通过继承，每个对象都具备了这个过程。但是，对于不同的对象它的算法是不同的，因此，draw过程必须在每一个类中重新定义。在运行期，当前引用对象所对应的代码将被调用。

消息传递

一个面向对象的程序由许多对象组成，这些对象之间需要相互沟通。因此，在面向对象程序设计语言中，程序设计的主要步骤如下： 1、创建类，这些类定义了对象及其行为； 2、由类定义创建对象； 3、建立对象之间的通讯。 对象之间通过收发信息相互沟通，这一点类似于人与人之间的信息传递。信息传递的概念使得真实世界的直接模拟更易于和建立系统交流。 对于某个特定对象来说，消息就是请求执行某个过程，因此，消息的接收对象会调用一个函数（过程），以产生预期的结果。传递的消息的内容包括接收消息的对象的名字，需要调用的函数的名字，以及必要的信息。 对象就有一个生命周期。它们可以被创建和销毁。只要对象正处于其生存期，就可以与其进行通讯。
#e#

1.2.4 OOP的优点

OOP具有许多优点，无论是对于程序设计者或者用户来说都是如此。面向对象为软件产品扩展和质量保证中的许多问题提供了解决办法。这项技术能够大大提高程序员的生产力，并可提高软件的质量以及降低其维护费用。其主要的优点陈列于下：

1、 通过继承，我们可以大幅减少多余的代码，并扩展现有代码的用途； 2、 我们可以在标准的模块上（这里所谓的“标准”指程序员之间彼此达成的协议）构建 我们的程序，而不必一切从头开始。这可以减少软件开发时间并提高生产效率；

3、 数据隐藏的概念帮助程序员们保护程序免受外部代码的侵袭；

4、 允许一个对象的多个实例同时存在，而且彼此之间不会相互干扰； 5、 允许将问题空间中的对象直接映射到程序中；

6、 基于对象的工程可以很容易的分割为独立的部分；

7、 以数据为中心的设计方法允许我们抓住可实现模型的更多细节；

8、 面向对象的系统很容易从小到大逐步升级；

9、 对象间通讯所使用的消息传递技术与外部系统接口部分的描述更简单；

10、 更便于控制软件复杂度。

当需要将以上所说的所有特性有机的结合于一个面向对象系统中，它们之间的相对重要性就取决于工程的类型和程序员的喜好。为了获得上述的某些优势，必须考虑很多事情。例如，对象库必须可以被重用。技术还在不停的发展，现有的产品也会很快的更新换代。如果重用没有能够实现，那么就需要进行严格的控制和管理。 易于使用的开发软件往往难以编写。面向对象程序设计工具有望解决这个问题。

1.3 组件式GIS（ComGIS）

1.3.1 组件技术

组件技术的兴起

目前，在软件开发领域，一场新的革命正在悄悄兴起，这是由日趋成熟的组件技术引发的。几年以前，当微软公司首先使用OLE的时候，其初衷是为了增强软件的互操作性。然而在使用过程中，人们逐渐认识到这一技术背后的实质性内容和它在软件开发中所扮演的重要角色。组件技术以前所未有的方式提高了软件产业的生产效率，这一点已逐步成为软件开发人员的共识。传统的C/S结构、群件、中间件等大型软件系统的构成形式，都将在组件的基础上重新构造。 组件技术使近二十年来兴起的面向对象技术进入到成熟的实用化阶段。在组件技术的概念模式下，软件系统可以被视为相互协同工作的对象集合，其中每个对象都会提供特定的服务，发出特定的消息，并且以标准形式公布出来，以便其他对象了解和调用。组件间的接口通过一种与平台无关的语言IDL（InterfaceDefineLanguage）来定义，而且是二进制兼容的，使用者可以直接调用执行模块来获得对象提供的服务。早期的类库，提供的是原代码级的重用，只适用于比较小规模的开发形式；而组件则封装得更加彻底，更易于使用，并且不限于C＋＋之类的语言，可以在各种开发语言和开发环境中使用。 由于组件技术的出现，软件产业的形式也随之发生了很大的变化。大量组件生产商涌现出来，并推出各具特色的组件产品；软件集成商则利用适当的组件快速生产出用户需要的某些应用系统；大而全的通用产品逐步减少；很多相对较为专业，但用途广泛的软件，如GIS、语音识别系统等，都以组件的形式组装和扩散到一般的软件产品中。

0.1.1.1 COM与DCOM

 

COM是组件式对象模型（Component Object Model）的英文缩写，是组件之间相互接口的规范，是OLE（Object Linking & Embedding）和ActiveX共同的基础，其作用是使各种软件构件和应用软件能够用一种统一的标准方式进行交互。COM不是一种面向对象的语言，而是一种与源代码无关的二进制标准。COM所建立的是一个软件模块与另一个软件模块之间的链接，当这种链接建立之后，模块之间就可以通过称之为“接口”的机制来进行通信。COM标准增加了保障系统和组件完整的安全机制，并扩展到分布式环境。它定义了软件组件的接口

COM本质上仍然是客户/服务器模式。客户（通常是应用程序）请求创建COM对象并通过COM对象的接口操纵COM对象。服务器根据客户的请求创建并管理COM对象。客户和服务器这两种角色并不是绝对的。

基于分布式环境下的COM被称作DCOM（Distribute COM，分布式构件对象模型）。 DCOM是ActiveX的基础，它实现了COM对象与远程计算机上的另一个对象之间直接进行交互。DCOM规范定义了分散对象创建和对象间通信的机制，规范本身并不依赖于任何特定的编程语言和操作系统，但目前该标准只在Microsoft Windows平台实现，这就意味着其它的操作系统平台（如UNIX）目前还不支持ActiveX。 DCOM的实现采用了DCOM库的形式，当DCOM客户对象需要DCOM服务器对象的服务时，DCOM库负责生成DCOM服务器对象并在客户对象和服务器对象之间建立初始连接，一旦返回服务器对象指针，DCOM库就不再参与客户对象与服务器对象之间的工作，两个对象之间可以自由地进行通信。

DCOM接口实际上时逻辑上和语义上相关联的函数集。服务器对象通过DCOM接口为客户对象提供服务，客户对象不需了解服务器对象的内部数据表示。接口可以看成两个软件构件之间的一种协议，协议表明服务器对象为客户对象提供一种且仅此一种服务。接口采用全局唯一标识符（GUID）来保证服务的唯一性。通常的DCOM构件提供多种服务，那么服务器对象为每一种服务实现一个接口。当客户对象指针指向相应的服务器对象时，它就激活服务器对象接口的相应函数。具体过程是：客户对象通过DCOM对象必须支持的IunKnown接口获得其它接口的指针。客户对象也许并不知道服务器对象的每个接口，但这并不妨碍客户对象对服务器对象的使用，它只

用它知道的接口。当客户对象用完服务器对象的服务时，它会通知服务器对象，服务器对象就释放它所占有的内存。

DCOM的好处是显而易见的。由于接口的定义和功能保持不变，DCOM构件开发者可以改变接口功能、为对象增加新功能、用更好的对象来代替原有对象，而建立在构件基础上的应用程序几乎不用修改，大大提高了代码的重用性
#e#

1.3.2 组件式GIS

组件式软件技术已经成为当今软件技术的潮流之一，为了适应这种技术潮流，GIS软件象其他软件一样，已经或正在发生着革命性的变化，即由过去厂家提供了全部系统或者具有二次开发功能的软件，过渡到提供组件由用户自己再开发的方向上来。无疑，组件式GIS技术将给整个GIS技术体系和应用模式带来巨大影响。

组件式GIS

基本思想是把GIS的各大功能模块划分为几个控件，每个控件完成不同的功能。各个GIS控件之间，以及GIS控件与其它非GIS控件之间，可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的GIS应用。控件如同一堆各式各样的积木，他们分别实现不同的功能（包括GIS和非GIS功能），根据需要把实现各种功能的 “积木”搭建起来，就构成应用系统。

组件式GIS系统的特点

（1） 小巧灵活、价格便宜

（2）无须专门GIS开发语言，直接嵌入MIS开发工具

（3） 开发简捷

把GIS的功能适当抽象，以组件形式供开发者使用，将会带来许多传统GIS工具无法比拟的优点。

（1） 小巧灵活、价格便宜 由于传统GIS结构的封闭性，往往使得软件本身变得越来越庞大，不同系统的交互性差，系统的开发难度大。在组件模型下，各组件都集中地实现与自己最紧密相关的系统功能，用户可以根据实际需要选择所需控件，最大限度地降低了用户的经济负担。。组件化的GIS平台

集中提供空间数据管理能力，并且能以灵活的方式与数据库系统连接。在保证功能的前提下，系统表现得小巧灵活，而其价格仅是传统GIS开发工具的十分之一，甚至更少。这样，用户便能以较好的性能价格比获得或开发GIS应用系统。

（2） 无须专门GIS开发语言，直接嵌入MIS开发工具 传统GIS往往具有独立的二次开发语言，对用户和应用开发者而言存在学习上的负担。而且使用系统所提供的二次开发语言，开发往往受到限制，难以处理复杂问题。而组件式GIS建立在严格的标准之上，不需要额外的GIS二次开发语言，只需实现GIS的基本功能函数，按照Microsoft的ActiveX控件标准开发接口。这有利于减轻GIS软件开发者的负担，而且增强了GIS软件的可扩展性。GIS应用开发者，不必掌握额外的GIS开发语言，只需熟悉基于Windows平台的通用集成开发环境，以及GIS各个控件的属性、方法和事件，就可以完成应用系统的开发和集成。目前，可供选择的开发环境很多，如Visual C++、Visual Basic、Visual FoxPro、Borland C++、Delphi、C++ Builder以及Power Builder等都可直接成为GIS或GMIS的优秀开发工具，它们各自的优点都能够得到充分发挥。这与传统GIS专门性开发环境相比，是一种质的飞跃。 （3）、 强大的GIS功能

新的GIS组件都是基于32位系统平台的，采用InProc直接调用形式，所以无论是管理大数据的能力还是处理速度方面均不比传统GIS软件逊色。小小的GIS组件完全能提供拼接、裁剪、叠合、缓冲区等空间处理能力和丰富的空间查询与分析能力。 （4）、 开发简捷 由于GIS组件可以直接嵌入MIS开发工具中，对于广大开发人员来讲，就可以自由选用他们熟悉的开发工具。而且，GIS组件提供的API形式非常接近MIS工具的模式，开发人员可以像管理数据库表一样熟练地管理地图等空间数据，无须对开发人员进行特殊的培训。在GIS或GMIS的开发过程中，开发人员的素质与熟练程度是十分重要的因素。这将使大量的MIS开发人员能够较快地过渡到GIS或GMIS的开发工作中，从而大大加速GIS的发展。

（5） 更加大众化 组件式技术已经成为业界标准，用户可以象使用其他ActiveX控件一样使用GIS控件，使非专业的普通用户也能够开发和集成GIS应用系统，推动了GIS大众化进程。组件式GIS 的出现使GIS不仅是专家们的专业分析工具，同时也成为普通用户对地理相关数据进行管理的的可视化工具。

（6）组件式GIS开发平台的结构 组件式GIS开发平台通常可设计为三级结构：

基础组件

面向空间数据管理，提供基本的交互过程，并能以灵活的方式与数据库系统连接；

高级通用组件

由基础组件构造而成，面向通用功能，简化用户开发过程，如显示工具组件、选择工具组件、编辑工具组件、属性浏览器组件等等。它们之间的协同控制消息都被封装起来。这级组件经过封装后，使二次开发更为简单。如一个编辑查询系统，若用基础平台开发，需要编写大量的代码，而利用高级通用组件，只需几句程序就够了。面向通用功能；

行业性组件

抽象出行业应用的特定算法，固化到组件中，进一步加速开发过程。以GPS监控为例。对于GPS应用，除了需要地图显示、信息查询等一般的GIS功能外，还需要特定的应用功能，如动态目标显示、目标锁定、轨迹显示等。这些GPS行业性应用功能组件被封装起来后，开发者的工作就可简化为设置显示目标的图例、轨迹显示的颜色、锁定的目标，以及调用、接受数据的方法等。

GIS组件的构成

GIS软件的模型包含若干功能单元：

空间数据获取

坐标转换

图形编辑

数据存储

数据查询

数据分析

制图表示 ……

可以想象要把这些所有的功能放在一个控件中几乎是不可能的，即使实现也会带来系统效率上的低下。一般可以认为GIS构件的设计主要遵循应用领域地需求。例如ESRI地MapObjects就是以空间数据访问、查询、制图为主要目标的GIS构件。