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(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林業(yè)研究所，烏魯木齊 830000；2.滁州學(xué)院 計算機與信息工程學(xué)院，安徽 滁州 239000；3.滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000；4.新疆衛(wèi)星應(yīng)用中心，烏魯木齊 830000；5.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101；6.河南大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，河南 開封 475004)

0 引言

GIS已廣泛應(yīng)用在農(nóng)、林、水利、交通等各行各業(yè)，其基礎(chǔ)理論不斷被完善，GIS軟件的功能也從最初簡單的顯示、輸出，到具備高級的統(tǒng)計分析、空間分析等功能，再到與網(wǎng)絡(luò)、遙感、VR等各種新技術(shù)相結(jié)合，功能越來越強大。與此同時，遙感技術(shù)也取得了長足的進步，除了作為GIS應(yīng)用更新數(shù)據(jù)的重要來源之一，對于遙感數(shù)據(jù)自身處理分析算法的應(yīng)用研究也越來越多，能從影像中提取出了更多的信息，廣泛應(yīng)用于資源普查、環(huán)境監(jiān)測等方面。遙感與GIS各有優(yōu)勢且互補性強，兩者的結(jié)合是發(fā)展的必然趨勢[1-3]。

遙感與GIS的結(jié)合，多體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的使用層面。用遙感數(shù)據(jù)提取出來的信息，進行GIS分析和應(yīng)用，是最常見的結(jié)合方式。在系統(tǒng)軟件方面，遙感與GIS系統(tǒng)的集成方案還不夠完善，既有專門處理遙感數(shù)據(jù)的遙感軟件如：ENVI、ERDAS等，也有專業(yè)的GIS軟件如：ArcGIS、SuperMap等，各軟件之間單獨存在，且各成體系。即使ArcGIS與ENVI之間的集成，也只是體現(xiàn)在數(shù)據(jù)互操作、平臺之間以及系統(tǒng)一體化集成開發(fā)這三個方面。其集成開發(fā)的方式，也只是ENVI/IDL與ArcGIS桌面定制，或者是與ArcGIS Engine/ArcGIS Server進行集成。這種傳統(tǒng)GIS軟件的集成方式，多使用代碼將遙感算法固定在系統(tǒng)中。此類方案在后期的系統(tǒng)維護和功能擴展中的弊端便顯露出來，修改或增加一個功能算法，需要重新編碼，編譯生成新程序，出現(xiàn)“牽一發(fā)而動全身”的局面，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的可維護性不高。利用插件技術(shù)成為提高軟件的可擴展性和可重用性的重要技術(shù)手段之一[4-5]，然而插件仍需實現(xiàn)眾多接口，編寫大量代碼。

借鑒其他行業(yè)的經(jīng)驗，如朱穎芳，謝建全[6]采用XML來描述界面上組件的信息，通過解析XML來動態(tài)的生成界面，實現(xiàn)了界面的重用以及界面與系統(tǒng)的分離。胡貞[7]通過XML實現(xiàn)地理信息系統(tǒng)表示層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層之間的數(shù)據(jù)交換，并用 ArcGIS Engine 組件和 VB.NET 進行二次開發(fā)，完成了某市信息管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)建設(shè)。盧學(xué)鶴等[8]使用插件技術(shù)實現(xiàn)了森林資源地理信息系統(tǒng)的開發(fā)，降低了系統(tǒng)功能的耦合度。然而在GIS與遙感相結(jié)合方面，進行的應(yīng)用研究較少，如何將遙感算法快速靈活地與GIS系統(tǒng)集成，提高代碼重用率，降低維護難度，并將算法的實現(xiàn)代碼與系統(tǒng)平臺相分離[9]，成為了GIS與遙感結(jié)合急需解決的問題之一。

結(jié)合插件動態(tài)加載程序模塊的思想與XML技術(shù)，本文提出一種面向遙感的GIS專題應(yīng)用算法模塊動態(tài)集成框架，在分析遙感算法運行特點和需求的基礎(chǔ)上，搭建GIS算法集成框架，將算法界面、算法的實現(xiàn)代碼與系統(tǒng)平臺分離出來，使用XML描述文件作為遙感算法與系統(tǒng)平臺溝通的橋梁，構(gòu)建GIS專題應(yīng)用系統(tǒng)，為GIS系統(tǒng)和遙感算法結(jié)合提供新的思路與方法。

1 框架設(shè)計

1.1 遙感算法特點分析

遙感數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣、獲取速度快的特點使之成為了眾多行業(yè)重要的數(shù)據(jù)來源，對遙感數(shù)據(jù)處理和分析研究的算法也不斷涌現(xiàn)出來，如各種分類算法、分割算法、反演算法、融合算法等。應(yīng)用在不同領(lǐng)域，產(chǎn)生了更多更具有針對性的算法，如林業(yè)應(yīng)用中的森林生物量估算算法、森林結(jié)構(gòu)信息提取算法；農(nóng)業(yè)中地表溫度反演算法、作物估產(chǎn)模型等。

無論何種算法模型，其基本模式可抽象成：參數(shù)→模型→執(zhí)行(見圖1)，參數(shù)按其類型，可分為值類型與文件類型，值類型一般是模型中對應(yīng)各種參數(shù)因子的值，而文件類型一般是指需要傳入模型的文件的物理路徑，或輸出文件的物理路徑等。模型算法既可以通過代碼的形式，內(nèi)置在需要集成的軟件中，也可以封裝成單獨的文件，如可執(zhí)行文件(EXE)、動態(tài)鏈接庫文件(DLL)、IDL編寫的PRO或SAV文件等，這類單獨的文件，在進行系統(tǒng)建設(shè)時可單獨調(diào)用，降低了系統(tǒng)與具體算法之間的耦合度。故可將算法所需參數(shù)，通過XML文件進行描述，在系統(tǒng)調(diào)用某一算法時，可將XML文件作為參數(shù)傳入，由算法內(nèi)部解析，參與運算。

圖1 運行模式圖

1.2 系統(tǒng)框架

常用的商業(yè)軟件，如ArcGIS、MapGIS、SuperMap等，功能強大、內(nèi)容豐富，但在行業(yè)或?qū)I(yè)領(lǐng)域應(yīng)用時，系統(tǒng)不具有針對性，絕大多數(shù)功能會被閑置，造成系統(tǒng)資源浪費。在實際應(yīng)用中，常利用一些GIS軟件提供的資源包，進行二次開發(fā)、或利用開源GIS軟件，將常用功能提取出來，構(gòu)建具有基本功能、可定制的專題GIS系統(tǒng)平臺，然而很多功能會在開發(fā)時固定在程序中，后期修改、維護困難。因此，可采用一種新的方式來解決功能添加刪除的問題，除常用功能外，其他功能通過配置文件的形式，動態(tài)地添加進系統(tǒng)中。減少資源浪費，使系統(tǒng)更具有針對性和可擴展性。系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)平臺框架

框架總體上可分為兩部分，一部分為GIS基本功能，包括數(shù)據(jù)的加載顯示、地圖圖層的管理、基本的空間分析和整飾輸出等功能。另一部分是專題應(yīng)用算法模塊，包括模型配置文件、界面控件庫、參數(shù)交換文件。為實現(xiàn)系統(tǒng)具有動態(tài)加載算法的功能，和更具有可擴展性，降低系統(tǒng)維護難度，用戶只需要調(diào)整設(shè)計模型配置文件中的內(nèi)容即可。系統(tǒng)在初始化時讀取配置文件，根據(jù)配置文件中的內(nèi)容，實例化控件并添加至系統(tǒng)中。

1.3 模型配置文件結(jié)構(gòu)設(shè)計

模型配置文件是在本系統(tǒng)中，用于對算法等信息進行描述的文件。為使算法能與GIS系統(tǒng)靈活、方便地集成，將需要集成的算法進行結(jié)構(gòu)化的描述，分為四個層次：“系統(tǒng)”、“模型”、“算法”、“參數(shù)”。并使用XML對算法進行組織。編寫XML文件的過程，也就是為待集成的算法，搭建系統(tǒng)界面的過程[6]。下面對這四個層次進行詳細的描述。

1.3.1 系統(tǒng)(System)

System是對將要構(gòu)建系統(tǒng)總體的描述。有兩部分內(nèi)容，第一部分是系統(tǒng)名稱(SysName)，通過該節(jié)點，設(shè)置所構(gòu)建系統(tǒng)的名稱，根據(jù)該節(jié)點中的內(nèi)容，系統(tǒng)在啟動時，便能讀取該節(jié)點中的值，并將節(jié)點中的內(nèi)容，作為系統(tǒng)窗體的名稱進行顯示，實現(xiàn)了動態(tài)更改系統(tǒng)名稱的功能。第二部分是模型(Model)，是一系列算法的集合，所有屬于同一模型的算法，將被包含在同一個Model中。一個System節(jié)點下，可以放置多個Model平行節(jié)點，系統(tǒng)會根據(jù)Model節(jié)點的不同和數(shù)量，實例化多個不同數(shù)量的算法集合。

1.3.2 模型(Model)

Model是一系列算法的集合。一個完整系統(tǒng)需要集成的算法，在類型上可能不止一種，我們把相似或為實現(xiàn)同一目標的算法歸為一類，稱為一個模型(Model)。一個Model中又包含了兩部分，第一部分是名稱屬性(Name)，是對這類算法進行總體的描述。第二部分是算法(Algorithm)，該節(jié)點是對算法進行描述的模塊，一個模型中，也可以包含多個算法。

1.3.3 算法(Algorithm)

Algorithm是具體算法的描述模塊。該模塊包含了以下幾類屬性：算法名稱(Name)、簡稱(ShortName)、圖標(PicPath)、文件執(zhí)行路徑(Process)、描述信息(Description)、參數(shù)(Arg)，通過這些屬性，可將算法的主要信息進行詳細的描述。此時算法執(zhí)行文件，已經(jīng)被打包成DLL、exe、SAV等可供程序調(diào)用的文件形式，通過在算法節(jié)點中指定算法執(zhí)行文件的物理位置，在需要時，可更新位于該位置的算法文件，無需重新更改系統(tǒng)源代碼，實現(xiàn)了算法代碼與系統(tǒng)代碼分離，降低了與系統(tǒng)之間的耦合性。

1.3.4 參數(shù)(Arg)

Arg是算法所需參數(shù)的描述模塊。該模塊包括參數(shù)名稱(Name)、參數(shù)標題(Title)、參數(shù)描述(Description)、文件類型參數(shù)(Process)、值類型參數(shù)(Value)等信息。在編寫具體算法時，需預(yù)先約定好參數(shù)的個數(shù)、類型、以及順序等信息，當實例化完成各個參數(shù)后，可將這些參數(shù)，按照事先約定的參數(shù)個數(shù)、類型及順序，將參數(shù)傳入待執(zhí)行算法，參與算法運行。

在模型配置文件中存儲算法執(zhí)行文件的物理路徑，而算法執(zhí)行文件以exe、pro、sav、dll等形式獨立存在，減少了與GIS系統(tǒng)平臺之間的關(guān)聯(lián)性。XML格式的模型配置文件，能夠清晰地表達各個層次之間包含與被包含的關(guān)系，下面是一段模型配置文件的例子。

1.4 界面控件庫

傳統(tǒng)的開發(fā)方式會根據(jù)算法需要，為每一個算法功能添加不同的窗口和控件，并進行布局，以及設(shè)置各個控件的屬性，編程實現(xiàn)對應(yīng)的功能。然而這種方式，界面重用性差、界面與功能代碼耦合性高，后期維護困難[10]。為此可將一些共性的控件進行抽象，并實現(xiàn)相應(yīng)的代碼功能。根據(jù)模型配置文件的描述，動態(tài)實例化模型配置文件中要求的不同類型和數(shù)量的控件，同時根據(jù)描述文件中的內(nèi)容，設(shè)置與控件相關(guān)的其他屬性，以簡化工作，提高程序的可擴展性。

根據(jù)模型配置文件中定義的各個節(jié)點，本文設(shè)計了對應(yīng)的控件，這些控件有：參數(shù)控件，包括值類型和文件類型；值類型的參數(shù)控件，是針對值類型的參數(shù)而設(shè)計的控件，如可供運行的閾值、文本等信息；文件類型的參數(shù)控件，針對文件類型的參數(shù)設(shè)計的控件，可以用來選擇計算機中存儲的文件，或者系統(tǒng)中已經(jīng)加載的圖層等；同時還需要設(shè)計參數(shù)設(shè)置面板，用于放置參數(shù)控件的面板；模型運行面板，用于判斷參數(shù)是否合理，以及設(shè)置保存路徑；結(jié)果查看面板，是算法運行結(jié)果的查看面板(見圖3)。

圖3 參數(shù)準備界面

1.5 參數(shù)交換文件

參數(shù)交換文件是根據(jù)遙感算法的特點而設(shè)計的XML格式文件。當算法參數(shù)控件實例化完成后，用戶可以根據(jù)需要，在界面上填入各種所需參數(shù)信息，系統(tǒng)會將這些參數(shù)序列化為一個XML格式的參數(shù)交換文件。在運行算法時，系統(tǒng)會開啟新的線程，調(diào)用原先在模型配置文件中存儲的算法文件，并將XML格式的參數(shù)交換文件作為參數(shù)傳入算法，此時該算法需要在其內(nèi)部進行解析，獲得其運行所需參數(shù)，參與運算。由于篇幅關(guān)系，現(xiàn)只把主要節(jié)點進行描述，參數(shù)交換文件的主要描述如下。

結(jié)果名稱

進程文件

文件描述了算法運行中所需的各種參數(shù)，主要節(jié)點為InputParameters節(jié)點和Outputparameters節(jié)點。InputParameters中包含了用戶在界面中填寫輸入的各類參數(shù)的名稱以及值。參數(shù)節(jié)點的名稱及參數(shù)的個數(shù)，隨模型配置文件中名稱和個數(shù)的變化而變化。Outputparameters節(jié)點包含了文件輸出路徑(OutDir)以及用于判斷算法運行狀態(tài)的進度文件(ProgressFile)、異常文件信息(ExceptionFile)。進度文件和異常文件由具體算法內(nèi)部控制。算法在運行期間會不斷地向進度文件輸出進度信息，進度信息的數(shù)值為0至100，系統(tǒng)平臺會讀取其中的值，并進行顯示。異常文件則用來判斷當前算法的執(zhí)行進度和運行狀態(tài)，若算法運行異常，系統(tǒng)會將異常信息保存到該文件中，以便后期查看及維護。

2 應(yīng)用實例

為了驗證本文設(shè)計的集成框架的高效性和實用性，以新疆高分綜合應(yīng)用示范管理服務(wù)平臺系統(tǒng)為例進行說明。

系統(tǒng)目的是在具有基本GIS功能的條件下，將項目所需的各種遙感模型算法集成在同一個系統(tǒng)中。由于這些算法并不是同一個單位進行研發(fā)，故形式多樣。使用傳統(tǒng)開發(fā)方案，為每一個新算法增加新界面、集成新算法等操作都較為繁瑣，耗時耗力。且隨著項目進度不同，不能同時進行系統(tǒng)集成工作，為新增加算法而需不斷修改源代碼，以適應(yīng)新增內(nèi)容。按照本文提出的設(shè)計方式，搭建GIS系統(tǒng)平臺，構(gòu)建通用算法控件，將算法的各種描述信息寫進XML格式的模型配置文件，通過添加、修改XML文件中相應(yīng)的節(jié)點，更改界面顯示效果，增加新功能，并通過修改模型配置文件中，算法節(jié)點下的執(zhí)行文件路徑，實現(xiàn)對系統(tǒng)中算法的更新。由于篇幅關(guān)系，先以一種算法的添加為例進行說明。

2.1 模型配置文件

新疆高分綜合應(yīng)用示范管理服務(wù)平臺系統(tǒng)：

為把對高分影像數(shù)據(jù)進行監(jiān)督分類的算法進行集成，按照上述方式修改模型配置文件系統(tǒng)名稱為“新疆高分綜合應(yīng)用示范管理服務(wù)平臺”、模型名稱為“森林資源”、算法名稱為“林果分類模型”以及所需的參數(shù)，包括感興趣區(qū)域文件參數(shù)、待分類影像參數(shù)及其他屬性信息，文件內(nèi)容如下所示。

.林果.jpg

./Alg/classify.exe

NULL

NULL

需要注意的是，在文件中配置的執(zhí)行算法運行程序、算法圖標等信息，使用了相對位置，需要放置在系統(tǒng)啟動目錄中約定的文件夾下，程序會按照約定內(nèi)容，解析相對位置，找到文件存放的絕對位置。

2.2 運行效果展示

根據(jù)上節(jié)模型配置文件中的內(nèi)容，程序在啟動時，根據(jù)模型配置文件中包含的節(jié)點信息，實例化相應(yīng)數(shù)量和種類的控件，并添加至系統(tǒng)中，并根據(jù)節(jié)點中的屬性信息，設(shè)置控件的屬性。在系統(tǒng)中設(shè)置好各項參數(shù)以后，點擊程序中的運行按鈕，程序便會調(diào)用模型配置文件中，算法節(jié)點下所對應(yīng)的算法執(zhí)行文件，并將設(shè)置好的參數(shù)傳入，運行算法。效果顯示如圖4～5所示。

圖4 參數(shù)面板

2.3 系統(tǒng)分析

新疆高分綜合應(yīng)用示范管理服務(wù)平臺的主要功能如下圖6所示，包括任務(wù)設(shè)定、數(shù)據(jù)分析、專題信息提取、信息綜合表現(xiàn)與制圖、簡報成果發(fā)布、系統(tǒng)設(shè)置。

圖5 結(jié)果查看

圖6 系統(tǒng)主要功能

2.3.1 任務(wù)設(shè)定

主要是用來確定需要進行操作的數(shù)據(jù)空間范圍，和所需數(shù)據(jù)的時間范圍。

2.3.2 數(shù)據(jù)分析

集合了常用的空間分析功能，以及地圖操作工具，包括緩沖區(qū)分析、疊加分析；面積量算、距離量算、角度量算；平移、放大、縮小等操作。

2.3.3 專題信息提取

是程序用于集成各類算法的模塊，在本實例中，集成了森林資源分類算法，算法信息通過模型配置文件描述，程序經(jīng)過解析文件、實例化相應(yīng)的控件添加至程序中，該算法以影像數(shù)據(jù)和感興趣區(qū)域為參數(shù)，用于遙感影像的數(shù)據(jù)分類。

2.3.4 信息綜合表現(xiàn)與制圖

在數(shù)據(jù)處理完成之后，利用該模塊中的功能，可以實現(xiàn)地圖等數(shù)據(jù)的整飾輸出。包括添加比例尺、圖例、指北針、圖名、文本信息等地圖要素，以及設(shè)置輸出地圖的分辨率、尺寸大小等。

2.3.5 簡報成果發(fā)布

該模塊提供管理各種文檔資料的功能，包括文件的增刪改查，復(fù)制下載等操作。可為項目各種資料，提供簡單易用的管理功能。

3 結(jié)束語

為將遙感算法與GIS系統(tǒng)靈活動態(tài)集成，本文提出了一種面向遙感算法的GIS系統(tǒng)動態(tài)集成框架，為遙感算法與GIS系統(tǒng)的集成，提供新的思路，并在實際中應(yīng)用，取得了良好的效果，具有以下優(yōu)點：

1)將遙感算法的實現(xiàn)代碼與系統(tǒng)分離，系統(tǒng)只負責(zé)調(diào)用配置文件中指定位置的算法文件，降低了系統(tǒng)與算法之間的耦合度，提高了系統(tǒng)的可維護性。

2)通過修改模型配置文件中的節(jié)點，不需重新編碼和編譯，便能增加和修改算法，更新系統(tǒng)界面，使得界面設(shè)計與系統(tǒng)平臺分離，方便了后期功能的增刪等操作。