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

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；交互式數(shù)據(jù)處理語言；空間數(shù)據(jù)引擎；C#；分布式應用

0引言

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

業(yè)界應用最廣的ESRI[2]公司產(chǎn)品系列中提供了功能強大的基于COM技術(shù)的ArcObjects組件作為GIS二次開發(fā)工具，開發(fā)者可以借助其成熟的空間分析技術(shù)以及其與ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫之間良好的協(xié)作特性，快速地實現(xiàn)GIS應用系統(tǒng)的開發(fā)。然而在ArcGIS9.0之前的版本中，ArcObjects不是獨立的軟件開發(fā)工具包（SoftwareDevelopmentKit,SDK），無法脫離ArcGIS環(huán)境開發(fā)獨立的應用系統(tǒng)[2]；即便在新的ArcGIS9.0開始支持獨立開發(fā)的情形下，昂貴的許可費用仍然使得目標系統(tǒng)的應用成本非常高。這對科研應用目的而言，不但開發(fā)成本太高，而且靈活性很差。因而嘗試在系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)中，選擇基于矩陣運算的交互式數(shù)據(jù)處理語言（InteractiveDataLanguage，IDL），以及商業(yè)化的空間數(shù)據(jù)管理引擎ArcSDE的集成開發(fā)模式，以期在性能和開發(fā)成本之間達成一個合理的平衡。

1開發(fā)環(huán)境

IDL是一種新型的面向圖形對象、基于矩陣的數(shù)據(jù)處理語言，自帶強大的數(shù)學庫支持，在數(shù)據(jù)運算、分析和空間表現(xiàn)方面有出色的性能[3]。ArcSDE是非常成熟的空間數(shù)據(jù)庫引擎。通過結(jié)合MSSQLServer或Oracle大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可以建立具有良好性能的空間數(shù)據(jù)庫[2]；并且通過利用ArcSDE提供的ClientAPIs（ApplicationProgrammingInterfaces，應用編程接口）接口進行開發(fā)，系統(tǒng)的自主性較強。

經(jīng)過對多種開發(fā)環(huán)境和編程語言的比較，系統(tǒng)決定采用.NET作為實現(xiàn)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(yè)級應用程序而設(shè)計的，同時具備C/C++的強大功能及VisualBasic的快速開發(fā)能力，是面向下一代操作系統(tǒng)的開發(fā)語言[4]。

2系統(tǒng)開發(fā)方案

2．1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用多層邏輯結(jié)構(gòu)的胖客戶端/瘦服務(wù)器端模式。服務(wù)器端由ArcSDE來實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的管理，結(jié)合服務(wù)器上的SQLServer構(gòu)成空間數(shù)據(jù)庫?？蛻舳擞蒀#構(gòu)建，利用其在應用程序開發(fā)方面的性能、快捷性及交互界面開發(fā)方面的出色能力，以彌補IDL在此方面的不足。IDL在系統(tǒng)中主要負責實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)(含二維和三維)的本地訪問管理和表現(xiàn)，如空間數(shù)據(jù)的加載、本地管理、地圖渲染、三維顯示等；系統(tǒng)還可借助IDL強大的數(shù)據(jù)處理能力實現(xiàn)基于矩陣運算的各種分析功能。IDL部分經(jīng)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(jīng)過.NET封裝的IDLDrawWidget開發(fā)控件構(gòu)建。由于IDL并沒有像其他專業(yè)GIS開發(fā)組件（如ESRI的MapObjects或ArcObjects）一樣直接提供對GIS應用開發(fā)的支持，因而基本的GIS功能需要利用IDL自行實現(xiàn)。圖層控件用標準的Windows基本控件組合開發(fā)；鷹眼控件和地圖控件由經(jīng)過.NET封裝的IDLDrawWidget開發(fā)控件來實現(xiàn)；比例尺控件由Windows繪圖函數(shù)與IDL函數(shù)共同實現(xiàn)。

2．3空間數(shù)據(jù)管理

系統(tǒng)中所有的空間數(shù)據(jù)由ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理，系統(tǒng)與ArcSDE的交互由C#Shell負責管理，具體的交互功能在體系結(jié)構(gòu)圖的DataAcess組件中實現(xiàn)。其中主要使用了經(jīng)過.NET封裝的ArcSDECAPIs空間數(shù)據(jù)庫訪問函數(shù)庫。

2．4空間數(shù)據(jù)處理與顯示

系統(tǒng)中使用IDL語言來進行對空間數(shù)據(jù)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(huán)境中所需函數(shù)的面向矩陣運算、用于數(shù)據(jù)可視化研究與應用開發(fā)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(shù)、面向?qū)ο蟮木幊谭绞?、OpenGL圖形加速、量化可視化表現(xiàn)、集成的數(shù)學與統(tǒng)計學算法、靈活的數(shù)據(jù)輸入/輸出方式、跨平臺圖形用戶界面工具包、連接ODBC兼容數(shù)據(jù)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(tǒng)和硬件平臺之上。本質(zhì)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(shù)處理器、用戶界面和大量依賴操作系統(tǒng)的代碼[5]。利用C＃和IDL語言混合開發(fā)的系統(tǒng)，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(tǒng)開發(fā)的靈活性以及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，使得兩種語言在系統(tǒng)中達到優(yōu)勢互補，是實現(xiàn)科學計算及可視化的一種有效途徑。

3SDE訪問接口

系統(tǒng)采用了目前較為成熟的空間數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE與大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQLServer來實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)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(xiàn)交互操作。

ArcSDE提供的訪問通道有三條[6,7]。三條通道中：使用ArcObjects成本太高；而直接數(shù)據(jù)庫連接通過SQL語言直接從關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中獲取以表、行、列為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，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ClientAPIs是較為基礎(chǔ)的一種功能形式，具有較長的歷史和非常廣泛的應用，它面向開放式系統(tǒng)開發(fā)，可以用于客戶端與ArcSDE的交互過程。系統(tǒng)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(tǒng)性能的前提下，降低系統(tǒng)的開發(fā)和運行成本。

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

為解決這一問題，系統(tǒng)開發(fā)中利用托管（Managed）C++語言，將ArcSDE的CAPIs封裝為.NET環(huán)境支持的模塊，然后在.NET環(huán)境中使用。

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(xiàn)軟件開發(fā)的靈活性和面向?qū)ο蟮墓δ?，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(nèi)部API函數(shù)。IDL6.0可以與標準C、UNIXC、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(diào)用COM對象或ActiveX控件；

（3）IDLDrawWidgetActiveX控件；

（4）在IDL中使用Java對象；

（5）通過RPC調(diào)用IDL（UNIX）；

（6）通過CALL_EXTERNAL函數(shù)調(diào)用外部函數(shù)。

4．2目標系統(tǒng)適用的方式

由于目標系統(tǒng)是在C#編程環(huán)境中使用IDL，IDL的MicrosoftWindows版本的ActiveX控件，即IDLDrawWidget最適合本文目標系統(tǒng)開發(fā)的要求。IDLDrawWidget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(shù)據(jù)的分析和可視化能力。

IDL提供的IDLDrawWidget控件的主要特征如下[8]：

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

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

(3)IDLActiveX控件提供了IDL與外部應用環(huán)境之間的數(shù)據(jù)傳輸機制，使得IDL與外部程序之間的數(shù)據(jù)傳輸變得十分簡單。

(4)IDLActiveX控件可以應用于任何支持ActiveX控件的開發(fā)環(huán)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(huán)境，具有很強的可塑性。

4．3通信及數(shù)據(jù)支持

IDL提供了以下Method用于傳遞數(shù)據(jù)和命令[8]：

（1）SetNamedData——向IDL傳遞數(shù)據(jù)，支持所有的Variant數(shù)據(jù)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(shù)組的復本；

（4）SetNamedArray——在.NET、Delphi等環(huán)境下不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，只能傳入數(shù)據(jù)；

（5）ExecuteStr——執(zhí)行標準IDL語句，也可以作為一種數(shù)據(jù)的傳遞方式；

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

事件傳遞：

（1）鼠標事件由.NET環(huán)境處理；

（2）保留通過文本結(jié)果輸出來實現(xiàn)由IDL到.NET環(huán)境的主動事件激發(fā)的方式。

IDL對空間數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，只支持讀寫圖像格式數(shù)據(jù)。

4．4C#與IDL間的數(shù)據(jù)傳遞機制

由于IDL支持的空間數(shù)據(jù)格式有限，并且不支持ArcSDE，系統(tǒng)中不直接使用IDL讀取空間數(shù)據(jù)，而是由.NET主環(huán)境中的C#Shell負責從空間數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，然后再傳入IDL環(huán)境。

IDL與主環(huán)境之間的數(shù)據(jù)傳遞只處理單值或者數(shù)組數(shù)據(jù)；而點、線、多邊形等較為復雜的矢量結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，需要首先分解為單值或數(shù)組后傳遞給IDL，再由IDL根據(jù)所給數(shù)據(jù)生成合適的對象圖形，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的表現(xiàn)和管理。

5IDL對象與GIS對象

IDL不直接支持GIS中空間數(shù)據(jù)的管理和表現(xiàn)，需要自己定義和實現(xiàn)該部分功能。系統(tǒng)實現(xiàn)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(shù)據(jù)類?？臻g數(shù)據(jù)類完成從.NET環(huán)境接收單值和表格數(shù)據(jù)，并進行管理和渲染表現(xiàn)等任務(wù)。

6結(jié)束語

利用IDL、ArcSDE和C#來集成開發(fā)分布式GIS應用系統(tǒng)，三者相輔相成，優(yōu)勢互補。其不但在很短的開發(fā)周期內(nèi)以極低的開發(fā)成本建立非常專業(yè)的GIS應用系統(tǒng)，而且系統(tǒng)在保證數(shù)據(jù)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：

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[2]ESRIInc.ESRI：theGISsoftwareleader[EB/OL].[2005]..

[3]RSIInc.RSI:dataanalysisandvisualizationsoftware[EB/OL].[2005]./pr/detail.asp?PRID=46.

[4]MicrosoftInc.MSDNhomepage[EB/OL].[2005]..

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

[6]ESRIInc.UnderstandingArcSDE[M/CD].[S.l.]:[s.n.],2002.

[7]ESRIInc.ArcSDE8.3developerhelpguide[M/CD].[S.l.]:[s.n.],2003.

[8]RSIInc.Externaldevelopmentguide[M/CD].[S.l.]:[s.n.],2003.