空間分析模型與GIS無縫集成研究

張曉楠，任志國，曹一冰

（1.信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州450052；2.中華測繪服務公司，北京 100088）

隨著GIS應用的不斷深入，除了要求GIS具有空間數據管理和圖形處理能力之外，還要求其能夠解決一些復雜的空間分析、空間模擬及空間決策分析等問題。這些復雜問題得以解決的最好辦法是依賴于空間分析模型的研究及其與GIS的集成[1,2]。目前，已存在很多空間分析模型和專業的空間分析軟件包，如地理學和地質學中具有代表性的Space Stat和GS+.Fischer.Trapletti and Wang的空間相互作用模型軟件包，Getis&Chen的空間點格局統計軟件包等[3,4]。這些模型及軟件包在與GIS的集成過程中，各有特點和適用性，導致模型的可復用性和可擴展性不強。因此，充分研究空間分析模型與GIS無縫集成從而有效發揮GIS的優勢就顯得尤為重要。

1 空間分析模型與GIS集成的方式

空間分析模型與GIS在功能上的互補是二者集成的驅動力，它們的有效集成可增強GIS的空間分析功能，進一步加深GIS應用的深度，同時拓寬其使用范圍。目前，空間分析模型與GIS的集成方式主要分為3種。

1）外掛式集成：空間分析模型與GIS之間不存在程序上的連通性，各自運行基本獨立，通過在二者之間增加共享數據文件來實現，如圖1所示。這種集成方式開發成本低、易操作，但執行效率不高，且非專業人員較難掌握，僅適用于開發周期較短的情況。

圖1 空間分析模型與GIS的外掛式集成方式示意圖

2）內嵌式集成：空間分析模型與GIS具有共同的操作界面，系統運行時以其中一個為主，通過共享數據文件和存儲空間來實現，如圖2所示。這種集成方式為用戶提供全面有效的應用功能，系統界面友好，運行高效且穩定，但是開發成本高，周期長。

圖2 空間分析模型與GIS的內嵌式集成方式示意圖

3）無縫式集成：以空間分析模型的理論研究及實踐應用均已相對成熟作為前提，在GIS不斷發展完善的基礎上，將空間分析模型作為專業的空間分析工具納入GIS環境，從應用上集成二者共同的優勢，是二者集成的最高層次。這種集成方式運行效率和集成性較高，但需要投入各方面的人力和物力，開發難度大。

可見，在空間分析模型與GIS的集成過程中，無論采用哪種方式都具有一定的局限性，因此找尋不需要頻繁使用共享數據文件、不需要宿主軟件同時運行且不需要大量重復性開發勞動的無縫集成方案是空間分析模型與GIS集成應用中亟待解決的問題。基于中間件技術的集成正是這樣一種方案。

2 基于中間件技術的集成方案

2.1 中間件技術

中間件是一種獨立的系統軟件或服務程序，分布式應用軟件借助這類軟件在不同的技術之間共享資源[5]。它是位于系統軟件與應用軟件之間的中間層，是網格計算的核心[6]。中間件通過封裝多源異構環境，抽象各種各樣的應用模型，屏蔽了信息訪問的底層細節，并向用戶提供公開的標準接口和協議，保持了用戶應用的相對獨立性。

可見，在空間分析模型和GIS的集成中融入中間件技術，能解決上述集成方式中存在的問題，提高模型的可復用性，同時也能解決分布式異構環境下的軟件開發問題，提高未來GIS系統的開發效率。

2.2 空間分析模型中間件的設計框架

2.2.1 設計原則

本文主要側重于將空間分析模型以中間件的方式集成到各類GIS平臺中，這里稱之為空間分析模型中間件。該中間件在設計上必須提供統一的異構數據讀取接口、數據信息輸出接口、空間分析接口以及分析結果輸出接口等。空間分析模型中間件的設計原則為：

1）符合需求。充分發揮中間件的技術優勢，將空間分析模型與GIS平臺分離開來，解決集成過程中的系統異構和數據源異構問題。

2）可移植性。在中間件實現的內部構架上，必須提供統一的編程接口，實現開發組件的可移植性。

3）可擴展性。在中間件的使用周期范圍內，應用系統的層次會不斷升級，必須充分考慮其升級的便捷性，便于進行維護和擴展。

2.2.2 框架設計

根據層次化設計思想，基于以上設計原則，空間分析模型中間件的框架設計如圖3所示。

圖3 空間分析模型中間件的框架設計圖

設計上采用3層架構體系，中間件層屏蔽了底層GIS平臺的異構。當用戶需要進行某項應用操作時，只需注冊中間件后通過接口代理向系統發出請求，中間件層根據請求訪問相應的數據并返回數據的拓撲信息，中間件管理引擎調用相應的空間分析模型進行分析，并將結果展示給用戶。這種設計模式使得空間分析模型與GIS軟件平臺的集成更加靈活，且不考慮平臺的異構性，可提高空間分析模型的復用率，降低開發成本。

2.2.3 功能設計

為了滿足應用需求，空間分析模型中間件應具備以下功能：

1）中間件注冊：負責完成中間件的管理，包括中間件的添加、注冊和卸載等；

2）數據讀取：負責實現應用程序與數據庫的連接，以黑箱的方式讀取不同格式的數據，返回空間分析需要的數據拓撲信息；

3）拓撲處理：部分格式的數據不能直接存儲拓撲信息，在進行空間分析之前負責對部分無拓撲信息的數據進行自動處理；

4）空間分析：中間件的核心部分，接收獲得的異構數據及其拓撲信息，執行需要的空間分析運算，返回分析結果。

2.3 空間分析模型中間件的實現思路

虛函數是VC中一種特殊的函數類型，如果將一個類的成員函數聲明為虛函數[7]，在其派生類中就會有許多不同的實現。利用虛函數的原理，程序員可在基類和派生類中利用相同的函數名和參數類型分別定義不同的操作，從而為同一個類繼承結構中所有類的同一種行為提供了一個統一的接口。多態體現了一個類繼承結構中不同類的對象對同一個消息作出不同響應的能力，當進行消息發送時，可將同一個消息發送至與消息有關的不同類的對象，同一個消息被不同類的對象接收以后，通過調用不同的成員函數（虛函數）進行不同的處理，作出不同的響應。因此，利用虛函數的思想來實現空間分析模型中間件非常合適，其類結構設計如圖4所示。

其中，CGeoFile類為基類，定義了數據的讀取接口，可獲得數據描述信息和數據類型：virtual std::vector GetData(CString strName) = 0;virtual CString GetType() = 0; 類 CShpFile、CMifFile、CVectorFile、CE00File、CDxfFile分別繼承CGeoFile，實現對多源數據的讀取。

具體實現過程中，定義中間件管理引擎類CGeoFile Engine，程序運行時將要讀取的文件指針放入一個CGeoFile的vector鏈表中，得到用戶請求后，循環此鏈表，用正在讀取的數據格式標識與鏈表中對象的GetType（）返回值比對，一旦遇到格式相同的對象，則使用該對象的GetData（）函數讀取數據，然后進行拓撲處理和相應的空間分析。

圖4 中間件實現類圖

3 典型空間分析模型的集成驗證

最短路徑分析是計算機科學、GIS和運籌學等學科研究的熱點問題，其根本目的是研究、籌劃一項網絡工程使其運行效果最好，如制定一個從A地到B地運行時間最短或運輸費用最低的運輸方案等[8]。作為GIS的基本功能，最短路徑分析發揮著極大的作用，如“智慧城市”中的“智慧交通”以及ITS中的路徑規劃模塊、調度系統中的路徑規劃、手機地圖中的公交線路查詢等。本文以最短路徑分析模型為例，基于中間件技術進行了與GIS的無縫集成，實驗結果如圖5所示。

圖5 中間件集成系統界面

其中，中間件注冊模塊（見圖6）負責中間件的添加和注冊，不需對原程序進行改動，直接將新增模塊以動態庫的形式添加到中間件鏈表末尾，以供用戶使用。中間件管理模塊（見圖7）實現對中間件基本信息的顯示和卸載，進而實現對中間件的更新操作。

圖6 中間件注冊模塊截圖

圖7 中間件管理模塊截圖

[1]Goodchild M F. Geographic Information Systems and Science:Today and Tomorrow[J]. Procedia Earth and Planetary Science，2009(1):1 037-1 043

[2]Goodchild M F. Geographical Information Science[J]. International Journal Geographical Information Systems, 1992(6):31-45

[3]王勁峰,李連發,葛詠，等. 地理信息空間分析的理論體系探討[J].地理學報,2000,55(1):92-103

[4]王勁峰,柏延臣,朱彩美，等. 地理信息系統空間分析能力探討[J].中國圖像圖形學報,2001,6(9):849-863

[5]奚麗倩,袁國良. 淺析中間件技術的研究現狀[J].電腦知識與技術,2009,5(4):978-979

[6]李永紅,鄧紅艷. 中間件技術在GIS中的應用[C]. GIS的設計開發與應用，北京，2004

[7]王育堅.Visual C++面向對象編程教程[M].北京:清華大學出版社,2003

[8]鄔倫,劉瑜,張晶，等. 地理信息系統——原理、方法和應用[M].北京:科學出版社,2001

[9]湯國安,趙牡丹. 地理信息系統[M].北京:科學出版社,2000

[10]華一新,吳升,趙軍喜. 地理信息系統原理與技術[M].北京:解放軍出版社,2001