廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司 曾文華 鮑志雄 嚴(yán)太鐘 陸永明 羅 鯤

一、引 言

移動(dòng)GIS是以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為支撐，以智能手機(jī)或平板電腦為終端，結(jié)合北斗、GPS或基站為定位手段的GIS系統(tǒng)，被認(rèn)為是繼桌面GIS、WebGIS后又一新的技術(shù)熱點(diǎn)，引起越來越多的研究者和GIS廠商的關(guān)注。其作為移動(dòng)空間信息服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。然而，當(dāng)前移動(dòng)GIS還面臨一些技術(shù)難題，包括空間數(shù)據(jù)量大、計(jì)算能力不足、網(wǎng)絡(luò)帶寬窄、可靠性差、軟硬件兼容性差等，導(dǎo)致移動(dòng)GIS項(xiàng)目實(shí)施面臨技術(shù)門檻高、開發(fā)周期長(zhǎng)、實(shí)施成本高、項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)大等問題。本文以移動(dòng)GIS項(xiàng)目共性需求為導(dǎo)向，采用面向服務(wù)思想設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于“云+端”模式的移動(dòng)GIS快速開發(fā)平臺(tái)。平臺(tái)具有跨平臺(tái)、高性能、可配置、易擴(kuò)展、支持多語言開次開發(fā)等特點(diǎn)，能幫助開發(fā)者快速構(gòu)建業(yè)務(wù)敏捷的移動(dòng)GIS應(yīng)用系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、平臺(tái)總體架構(gòu)

經(jīng)過多年的發(fā)展，GIS己從單機(jī)工具型軟件系統(tǒng)逐步走向了分布式、網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用軟件平臺(tái)，從獨(dú)立GIS系統(tǒng)逐步過渡到具有高度資源整合能力和對(duì)外服務(wù)能力的服務(wù)式GIS。服務(wù)式GIS是一種面向服務(wù)軟件工程方法的GIS技術(shù)體系，它支持按照一定規(guī)范把GIS的全部功能以服務(wù)的方式發(fā)布出來，可以跨平臺(tái)、跨網(wǎng)絡(luò)、跨語言地被多種客戶端調(diào)用，同時(shí)能聚合來自其他服務(wù)器發(fā)布的GIS服務(wù)。服務(wù)式GIS可以更全面地支持SOA，通過對(duì)多種SOA實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)與空間信息服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的支持，可以使用于各種SOA架構(gòu)體系中，與其他IT業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行無縫的異構(gòu)集成，從而可以更容易地讓應(yīng)用開發(fā)者構(gòu)建業(yè)務(wù)敏捷應(yīng)用系統(tǒng)。本文基于面向服務(wù)的思想，分析設(shè)計(jì)了基于SOA架構(gòu)的移動(dòng)GIS開發(fā)平臺(tái)，提出“云+端”的移動(dòng)GIS開發(fā)模式，其應(yīng)用層、服務(wù)層、支撐層、核心層組成，其總體架構(gòu)如圖1所示。

其中，應(yīng)用層是以移動(dòng)GIS為工具的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備巡檢、移動(dòng)執(zhí)法等各類應(yīng)用系統(tǒng)，包括移動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)、在線監(jiān)控、基于WebGIS的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、指揮決策系統(tǒng)等，這些運(yùn)行環(huán)境不同、架構(gòu)各異的應(yīng)用系統(tǒng)，通過調(diào)用、聚合平臺(tái)發(fā)布的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和互操作;服務(wù)層由一系列遵循一定規(guī)范的應(yīng)用接口組成，是平臺(tái)暴露給應(yīng)用層進(jìn)行集成、擴(kuò)展的應(yīng)用程序接口;支撐層是平臺(tái)的核心，采用B/S和C/S相結(jié)合的混合架構(gòu)，對(duì)應(yīng)用層各類系統(tǒng)起著數(shù)據(jù)管理、配置等支撐作用。

圖1 平臺(tái)總體架構(gòu)

三、平臺(tái)主要功能模塊

1.GIS核心庫(kù)

核心層由HiMap SDK和HiWebGIS引擎組成，前者主要面向桌面端、服務(wù)器端和嵌入式設(shè)備的輕量級(jí)GIS應(yīng)用程序的開發(fā)與部署，而后者是面向WebGIS應(yīng)用系統(tǒng)的二次開發(fā)組件。HiMap SDK采用標(biāo)準(zhǔn)C++開發(fā)從底層構(gòu)建實(shí)現(xiàn)，支持跨平臺(tái)(Windows Mobile、Android、iOS、Win32 等)、多語言(C#、JAVA、Object C)、多并發(fā)、高性能的 GIS應(yīng)用程序二次開發(fā)。HiMap SDK引入了硬件抽象層的概念，提出分層開發(fā)模型OS-GAL-IAL，如圖2所示。

圖2 OS-GAL-IAL開發(fā)模型

在OS-GAL-IAL模型中，與圖形界面無關(guān)的算法、模型，采用標(biāo)準(zhǔn)C++在內(nèi)核中統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)，而對(duì)一些與操作系統(tǒng)有關(guān)的底層接口(如 Cache內(nèi)存、文件、Debug、FrameBuffer、Thread、Timer等)、人機(jī)界面、圖形繪制等功能，在內(nèi)核中進(jìn)行統(tǒng)一定義與封裝，在具體的語言開發(fā)包中實(shí)現(xiàn)。這種分層設(shè)計(jì)既能充分發(fā)揮C++計(jì)算性能的優(yōu)越，又能最大限度地利用操作系統(tǒng)提供的接口，保證了最佳計(jì)算性能和顯示效果，并有效地屏蔽了因嵌入式硬件環(huán)境和操作系統(tǒng)的改變而導(dǎo)致的平臺(tái)移植性問題。

HiWebGIS引擎內(nèi)核采用Flex技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在Flex IDE中采用MXML語言設(shè)計(jì)組件、元素界面和布局，ActionScript語言負(fù)責(zé)引擎內(nèi)部業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)。HiWebGIS實(shí)現(xiàn)了前端地圖顯示與控制、圖形繪制、消息廣播和事件交互處理等功能，支持主流的網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)(Google、百度、都市圈2.5D等)。為了讓普通程序員能便捷地調(diào)用HiWebGIS引擎，采用JavaScript對(duì)內(nèi)核進(jìn)行封裝，這樣在頁(yè)面中應(yīng)用簡(jiǎn)單的Java-Script代碼便可獲取內(nèi)核對(duì)象并調(diào)用各種接口。

2.數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)對(duì)象數(shù)據(jù)的預(yù)處理是移動(dòng)GIS應(yīng)用項(xiàng)目中至關(guān)重要的一環(huán)，由于這些數(shù)據(jù)通常是多源異構(gòu)的，在存儲(chǔ)方式、數(shù)據(jù)格式、空間參考等方面存在差異，需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)變換、拓?fù)錂z查、符號(hào)設(shè)置、緩存制作、壓縮轉(zhuǎn)存等數(shù)據(jù)預(yù)處理工作。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)綜合考慮桌面系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)在數(shù)據(jù)精度、顯示分辨率、尋址計(jì)算等方面的差異，進(jìn)行全局的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供了豐富實(shí)用的功能插件。如地圖緩存制作插件可同時(shí)制作多種分辨率的地圖瓦片，并提供松散、緊湊兩種存儲(chǔ)格式，確保數(shù)據(jù)能在桌面端、Web端和移動(dòng)端逼真、流暢地展示。

3.通信傳輸系統(tǒng)

通信傳輸系統(tǒng)是承接移動(dòng)GIS和服務(wù)器的關(guān)鍵部分，其傳輸效率和系統(tǒng)的安全性、健壯性通常決定著一個(gè)移動(dòng)GIS項(xiàng)目能否成功實(shí)施。用戶在戶外開始作業(yè)前，移動(dòng)GIS通過套接字(Socket)連接到通信服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行合法性驗(yàn)證，作業(yè)完成后，現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)和軌跡數(shù)據(jù)通過通信服務(wù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)地保存到服務(wù)器。當(dāng)監(jiān)控中心需要對(duì)戶外用戶進(jìn)行指揮調(diào)度、多方協(xié)助時(shí)，可通過通信服務(wù)系統(tǒng)將指令推送給現(xiàn)場(chǎng)終端用戶。為了達(dá)到最佳系統(tǒng)性能，本文采用完成端口(I/O completion ports，IOCP)管理套接字，最大限度地提高了網(wǎng)絡(luò)通信的性能。

4.運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)

運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)為應(yīng)用層各類應(yīng)用系統(tǒng)提供底層支撐，包括GIS數(shù)據(jù)配置、權(quán)限配置兩大部分。其中，WebGIS數(shù)據(jù)配置實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS數(shù)據(jù)的組織、顯示、查詢、事件、字段等信息的設(shè)置，這些配置項(xiàng)在WebGIS服務(wù)契約一一對(duì)應(yīng)，前端對(duì)服務(wù)調(diào)用結(jié)果依次按契約進(jìn)行取值，并在前端UI組件中展示。如可配置當(dāng)用戶在WebGIS上點(diǎn)擊某個(gè)要素時(shí)，是否彈出一個(gè)對(duì)話框，以及配置如何在對(duì)話框展示要素信息;配置前端參數(shù)取值字段，可在Web端方便地檢索出各要素的字段值，從而可輕松地實(shí)現(xiàn)各種擴(kuò)展應(yīng)用。

權(quán)限配置采用RABC模型，即通過用戶、角色、權(quán)限三者之間建立的一對(duì)多、多對(duì)多的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)權(quán)限控制，包括功能權(quán)限和數(shù)據(jù)權(quán)限的配置。其中，對(duì)數(shù)據(jù)權(quán)限(CRUD、統(tǒng)計(jì)、導(dǎo)出等)實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化控制，包括對(duì)字段、記錄的過濾控制等，能滿足實(shí)際項(xiàng)目中的絕大多數(shù)應(yīng)用需求，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)權(quán)限配置

5.服務(wù)管理系統(tǒng)

服務(wù)管理系統(tǒng)是平臺(tái)各種服務(wù)運(yùn)行的宿主環(huán)境，與IIS托管、Windows Services宿主不同，自托管宿主具有便于管控等優(yōu)勢(shì)，能方便地啟動(dòng)、停止、重啟服務(wù)，可有效地對(duì)服務(wù)消費(fèi)者進(jìn)行過濾、監(jiān)控、報(bào)警等，同時(shí)能有效聚合外部服務(wù)，更適合于平臺(tái)級(jí)的應(yīng)用項(xiàng)目。

6.WebGIS展示組件

WebGIS是各類業(yè)務(wù)對(duì)象時(shí)空信息的綜合展示窗口，是Web端業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的重要組件，是核心層HiWebGIS引擎二次開發(fā)的綜合示例。WebGIS組件中的所有展示方式、事件和行為(如圖層組織、符號(hào)樣式、查詢范圍、空間分析、搜索結(jié)果、消息處理、事件響應(yīng)等)，均源自運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)對(duì)WebGIS的配置結(jié)果，它們之間通過GIS服務(wù)契約和前端框架引擎實(shí)現(xiàn)“所配即所得”的快速定制效果。WebGIS展示組件內(nèi)置了豐富的功能模塊，包括圖層控制、鷹眼、圖文互查、空間查詢、圖形編輯、專題地圖、GPS軌跡、地圖打印等模塊，程序員只需在頁(yè)面中通過為地圖對(duì)象添加工具組件的方式完成這些配置即可。

7.代碼生成工具

為進(jìn)一步提升移動(dòng)GIS項(xiàng)目的開發(fā)效率，降低本平臺(tái)框架使用的復(fù)雜度，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于微軟T4模版引擎的代碼自動(dòng)生成工具。程序員通過簡(jiǎn)單向?qū)?，便能自?dòng)生成對(duì)庫(kù)表數(shù)據(jù)增、刪、改、查等功能多層結(jié)構(gòu)(UI、BLL、DAO、SqlMap)、標(biāo)準(zhǔn)化、高質(zhì)量的源代碼，并可有效地解決多表關(guān)聯(lián)等難題。

四、結(jié)束語

本文以解決移動(dòng)GIS項(xiàng)目實(shí)施中所面臨問題為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)移動(dòng)GIS類型項(xiàng)目的共性需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于“云+端”模式的敏捷開發(fā)平臺(tái)。目前其已成功應(yīng)用到國(guó)土違法用地巡查執(zhí)法、安監(jiān)執(zhí)法、道路養(yǎng)護(hù)與路政稽查、輸配電設(shè)備巡檢、市政管網(wǎng)巡查、土壤重金屬污染防治普查和農(nóng)村土地確權(quán)登記等領(lǐng)域的多個(gè)項(xiàng)目中。實(shí)踐證明，該平臺(tái)具有多語言、跨平臺(tái)、可配置、易擴(kuò)展等特點(diǎn)，能有效提高開發(fā)效率，縮減軟件開發(fā)周期，降低項(xiàng)目實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)，受到開發(fā)商和最終用戶的一致好評(píng)。

(本專欄由中海達(dá)和本刊編輯部共同主辦)