構件化GIS的可擴展性研究

摘要：為了解決目前構件化GIS的可擴展性無法滿足實際需求的問題，本文在介紹了傳統GIS與構件化GIS之間的本質差異的基礎上，分析了系統在數據層次、系統結構層次、系統功能層次這三個層次上的可擴展性需求，給出相應的解決方案，并應用于實踐，從而達到使構件化在它的整個生命周期內，能夠應對外部環境的變化，最大程度地保護投資者的利益的目的。
 關鍵詞：構件化GIS   GIS   可擴展性

Abstracts: The extensibility of current component-based GIS is not meet the needs of the actual variations. To solve this problem,this paper first introduces the key differences of conventional GIS and component-based GIS.Then it points out there are three tiers of extensibility of component-based GIS:the data tier, the system architecture tier and the system function tier,and also analyses the needs in the three tiers as well as the solution. Finally,this paper gives us a example.
Key words: component-based GIS;GIS;extensibility
About the first author:Li Fang,Ph.D candidate,majors in GIS.

 由于在GIS系統開發過程中，從編碼到文檔存在著大量的重復勞動，為了更好的提高生產效率，減少重復勞動1，業內已經開始關注GIS軟件復用，將GIS功能模塊以構件的形式組織起來，在構件的基礎上構建GIS系統。由于構件的即插即用特性，使構件化GIS與傳統的GIS系統相比，天然的具有更好的可擴展性，但是，如果僅僅通過單個構件的即插即用特性，則構件化GIS的可擴展性并沒有得到最大限度的開發利用。本文在介紹了傳統GIS與構件化GIS之間的本質差異的基礎上，分析了系統在三個層次上的可擴展性需求并給出相應的解決方案。
1. 傳統的GIS與構件化GIS之間的本質差異
 構件并不是一個新型對象，在傳統的GIS中，可復用的功能模塊、類、組件均可看作是構件。但是，傳統GIS中的構件與構件化GIS中的構件所滿足的規則不同。構件化GIS中的構件以接口的形式與“外部”交互，構件內部的實現不能暴露給第三方用戶，構件之間是松散耦合的關系，它們的交互方式遵從一定的約定；組成系統的構件在系統中扮演的角色不同，為系統提供各類不同功能，同時，角色限定了構件之間的依賴關系：提供專有GIS功能的構件可以依賴基礎GIS構件，但是基礎GIS構件不能依賴提供專有功能的構件；構件提供的功能應具有可確認性，只有這樣才能提供給第三方使用，組成一個具有可預計行為的GIS系統。
 傳統GIS與構件化GIS之間系統構建模式不同也是它們的本質差異。基于構件的系統構建模式是從已有的構件庫中選擇最能滿足需要的構件，然后將選擇的構件在一個合適的體系架構中組裝起來。因此，一個構件化GIS的構建模式可以分為3部分：1、生產構件或選擇構件，2、設計一個合適的體系結構，3、將所選擇的構件組裝起來。選擇GIS構件時，應將構件的質量屬性作為選擇構件的依據；設計系統體系結構時，應分析該體系結構是否能夠讓構件以最優的方式組合。
2. 構件化GIS的可擴展性
 構件化GIS的可擴展性可以分為三個層次：數據層次的可擴展性、系統結構層次的可擴展性、功能層次的可擴展性。
 2.1. 數據層次的可擴展性
 隨著GIS的發展，GIS技術早已超越了地學領域的范疇，從GIS工程向數字工程發展。在這一發展過程中，將會出現服務于不同領域的各種構件化GIS系統，如國土GIS、農業GIS。這些構件化GIS系統會在不同的軟件架構下專注于不同領域的不同專有業務，為了提高構件化GIS系統的可復用性，讓所有這些構件化GIS系統都采用同樣的空間數據庫模式、存儲的空間數據擁有相同的屬性（數學基礎、比例尺、用途、時間、精度等）來消除數據差異顯然是不可能的，因此出現了數據層次的可擴展性需求。數據層次的可擴展性需求是指：當構件化GIS的應用環境發生變化，系統能夠兼容異構空間數據，能夠處理新增加的數據。具體來說就是當構件化GIS所依賴的空間數據庫中的空間數據屬性發生變化時或新添加了其他的空間數據時，系統依舊能夠正常運行，不影響系統中那些基礎GIS功能的使用。
 為了提高構件化GIS數據層次的可擴展性，
 應將系統的數據層與應用邏輯層嚴格分開，應用邏輯層通過滿足一定標準的開放式接口從數據層獲得數據，該接口與空間數據的具體格式無關，與數據存儲的物理地址無關，可以是對空間數據實體進行封裝后的抽象類型；應將空間數據源連接池與得到的空間數據實體分離開，使邏輯應用層中操作的空間數據實體與打開或關閉的空間數據源無關，可使系統不受數據源連接影響而具有更好的擴展性；應為系統的數據庫及數據庫中存放的數據提供元數據描述信息，該元數據描述信息的內容應對數據源、空間圖層（或屬性數據表）、屬性字段逐級分別詳細描述,能夠幫助數據的使用者及系統的開發人員清楚了解數據的精確語義信息2，使系統不受數據源數量變化及數據的添加、刪除影響。
 2.2. 系統結構層次的可擴展性
 構件化GIS的結構層次上的可擴展性表現為：構件級別可擴展性、接口級別可擴展性、類級可擴展性。其中接口級別可擴展性會改變構件與外部的交互方式，改變一個構件與其他構件的關系，這樣就使該構件不容于系統。因此，在構件化GIS系統中，不推薦接口級別擴展，而應充分提高構件級可擴展性及類級可擴展性，為GIS構件預留接口，避免日后對構件接口的修改。
 為了提高構件級別的可擴展性，使添加、刪除系統中的構件不會影響系統正常運行。首先要對構件化GIS中構件的組合方式有深刻的認識。構件化GIS中構件的組合方式總的來說有三種：構件以并聯方式組合；構件以串聯方式組合；構件以混聯方式組合。當構件以并聯方式組合時，任一個構件的輸入輸出都不會影響其他構件，這時，系統的可擴展性很好，添加、刪除一個構件都不會對系統、對其他構件產生影響，可是，在構件化GIS中，必然有一個構件需要從其他構件中獲得空間數據，因此，用并聯式組合構件不適用于構件化GIS系統。當構件以串聯方式組合時，構件首尾呈相連狀組合，一個構件的輸出是另一個構件的輸入，這時，構件之間具有很強的依賴性，系統的可擴展性比較差。最適用于構件化GIS系統，同時又具有較好可擴展性的是將構件在系統中以混聯方式組合，混聯方式是指，在構件化GIS系統中構件的組合關系同時具有串聯關系與并聯關系，筆者認為，如果兩個構件提供不同類型的GIS功能，且它們的功能具有依賴性，則這兩個構件在系統中的組合方式應該是串聯。構件之間的串聯關系應根據構件功能的專有性及構件之間的依賴性排列3。如果兩個構件提供同類的GIS功能，它們的功能不具有依賴性，則這兩個構件在系統中應該并聯。
  為了提高類級的可擴展性，在設計的時候，設計者應參考面向對象的原理和設計模式。 提高類級的可擴展性有兩種基本方法，一種是設計抽象類，一種是工廠類4。抽象類可以被繼承為多個不同的可實例化類，利用面向對象原理中的多態性原理，聲明一個抽象類，可以被實例化為多個不同的類。當用戶需要添加新類時，只需繼承相應抽象類即可，對其他類、對構件及系統都不會產生負面影響。而設計工廠類是設計模式的一種運用，工廠類可以產生不同的類對象，并將不同的類對象以接口的形式返回，用戶得到的是接口的實例，這實際上也是多態性的一種體現。添加新的類，返回的接口不會改變，則不會影響外部的其他類、構件及系統。
 2.3. 功能層次的可擴展性
  功能上具有可擴展性是構件化GIS的基本要求，但是由于結構功能相關性原則，功能不能脫離結構而存在，功能的擴展與結構的擴展是緊密地聯系在一起的，要想獲得功能上的可擴展性，必須保證結構上有相應的可擴展性。
  為了提高構件化GIS功能層次的可擴展性，將GIS構件按照功能特征分為數據相關構件、基礎GIS對象構件、GIS功能構件。這三類構件合作于整個系統的分層體系結構中，系統的層次結構模型如圖1所示。
 因為空間數據是GIS的基礎，因此 GIS數據相關構件是系統的基礎，為基礎GIS對象構件提供數據并提供對數據的操作，如添加、刪除圖層等。GIS數據相關構件可以擁有一個數據連接池和一個空間數據集合的實體對象，其中數據連接池可以提供對多數據源的連接，可以生產或打開與空間數據庫的連接，而空間數據集合的實體對象即是該類構件從數據連接池中的一個或多個數據源中取出的數據實體集，以供其他構件使用。為系統的可擴展性考慮，系統應允許數據庫中添加新的數據類型或增加新的數據，該類構件應能通過接口讀取某數據源內所有數據的元數據信息，然后往自身所持有的數據中添加輔助的附加信息，該類構件還可通過接口獲得外部傳入的對內部持有數據集的修改操作命令，然后觸發構件內部的數據修改操作，如添加數據、刪除數據等，對數據的改變會反映到構件內部數據集實體上；最后該類構件通過接口將構件內持有的數據實體返回給基礎GIS對象構件，以供其他構件使用。
  基礎GIS對象構件的設計目標是對原始的空間數據利用面向對象的建模方式建立形式化地理概念使人們思維中的地理世界與計算機中的地理世界聯系起來5。形式化地理概念可以讓原本模糊的地理概念變得清晰，有助于人們的交流以及減少地理概念被誤用的幾率。空間數據的多維特性、范圍特性、動態性、在物理空間中的位置特性及空間數據的結構復雜性使空間數據比普通的屬性數據更加復雜，無法簡單的用二元表格完成空間數據的形式化工作，而面向對象的建模方式則能很好的在人們思維中的地理空間和計算機中的虛擬地理空間之間建立橋梁。基礎GIS對象構件利用面向對象的思想，對從GIS數據相關構件中獲得的空間數據重新封裝建模，通過接口，該類構件可從GIS數據總線構件中獲得未被封裝及形式化的空間數據。同時也可將被封裝后的數據返回給其他構件。
  一個系統中可以有多個GIS功能構件，包括基礎功能和專有業務功能，每一個GIS功能構件負責提供不同的GIS功能。構件提供的功能是構件之間互相區分及構件粒度確定的標準。GIS功能構件應能夠即插即用，能夠根據用戶的需求安裝、拆卸，因此，所有GIS功能構件應具有統一的接口。構件可獲得外部傳入的經過形式化封裝的空間數據，當外部根據用戶的需求激發構件的功能執行事件時，構件調用對空間數據的分析、查詢、處理等GIS功能算子，但是這些GIS功能算子的內部實現對外部來說都是隱藏的。
3. 實例
  基于上述理論，開發了構件化國土管理GIS系統。該國土管理GIS系統由四個子系統組成，包括基礎GIS系統、規劃管理GIS系統、地籍管理GIS系統及土地詳查GIS系統，其中基礎GIS系統是核心。系統結構可分為7層，如圖2所示。
 數據層是分布在各地的子數據庫和一個基礎數據庫，這些子數據庫在邏輯上是平等的關系，而基礎數據庫為整個系統提供支撐，在其中存放了一個XML文件記錄其他分布式子庫的元數據信息。子數據庫的增加、減少不會影響系統的運行。
  數據管理層由數據管理構件及數據總線構件組成。數據管理構件主要提供數據導入導出、數據的坐標系轉換及投影變換、元數據管理等功能。其中的元數據管理構件幫助系統維護存放在基礎數據庫中的描述所有數據的那個XML文件。而數據總線構件則是幫助用戶從某個或某幾個數據庫中取出所需要的數據，取出的數據存放在數據總線構件的實例中。
  核心對象層對從數據管理層取出的異構數據進行概念上的分解，維護SitMap，SitLayer，SitFeature，SitPoint，SitLine，SitParcel這幾個對象，在這幾個對象中分別維護Map級、Layer級、Feature級的數據實體，可以在這幾個對象內部對它們自己進行操作，并在其中加入其它系統所需的維護信息。
  基礎GIS Server層基于核心對象，針對GIS中需要的功能模塊，制作的各種功能不同的GIS構件，提供給用戶基礎的空間數據管理和空間分析等功能。
  專有業務GIS構件層由具有專有業務的GIS構件組成，這些專有GIS構件是為了針對各系統的專有業務而設計的。
  各個子系統處于應用層，各子系統均可以由專有業務GIS構件層中的構件及基礎GIS Server層中的構件組裝而成，并可以根據用戶需要選擇、安裝、拆卸組成系統的構件。
  最頂層的是界面層。雖然構件化國土管理GIS是由幾個子系統組成，但是，這些子系統在邏輯上是一個整體，應有統一的界面風格，而界面層就提供了對界面進行管理的構件，修改界面管理構件，各子系統的界面相應的都會被統一美化。
4. 結論
  隨著信息化技術的發展，GIS相關應用領域的需求在不斷的擴展和深化，同時，構件化GIS技術也得到了發展。在這一過程中，發現已有系統的可擴展性無法滿足實際需求，使系統的生命周期變短、浪費了人力、物力、財力。為了解決這個問題，本文研究了構件化GIS的可擴展性需求的三個層次，針對這三個層次的可擴展性需求給出相應的解決方案，并應用于實踐，從而達到使系統在它的整個生命周期內，能夠應對外部環境的變化，最大程度地保護投資者的利益的目的。
 
參考文獻
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