廣州中海達衛(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GIS是以移動互聯(lián)網(wǎng)為支撐，以智能手機或平板電腦為終端，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，引起越來越多的研究者和GIS廠商的關(guān)注。其作為移動空間信息服務(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GIS還面臨一些技術(shù)難題，包括空間數(shù)據(jù)量大、計算能力不足、網(wǎng)絡(luò)帶寬窄、可靠性差、軟硬件兼容性差等，導(dǎo)致移動GIS項目實施面臨技術(shù)門檻高、開發(fā)周期長、實施成本高、項目風(fēng)險大等問題。本文以移動GIS項目共性需求為導(dǎo)向，采用面向服務(wù)思想設(shè)計并實現(xiàn)了基于“云+端”模式的移動GIS快速開發(fā)平臺。平臺具有跨平臺、高性能、可配置、易擴展、支持多語言開次開發(fā)等特點，能幫助開發(fā)者快速構(gòu)建業(yè)務(wù)敏捷的移動GIS應(yīng)用系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實意義。

二、平臺總體架構(gòu)

經(jīng)過多年的發(fā)展，GIS己從單機工具型軟件系統(tǒng)逐步走向了分布式、網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用軟件平臺，從獨立GIS系統(tǒng)逐步過渡到具有高度資源整合能力和對外服務(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、跨網(wǎng)絡(luò)、跨語言地被多種客戶端調(diào)用，同時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，通過對多種SOA實踐標(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)計了基于SOA架構(gòu)的移動GIS開發(fā)平臺，提出“云+端”的移動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GIS為工具的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備巡檢、移動執(zhí)法等各類應(yīng)用系統(tǒng)，包括移動作業(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、聚合平臺發(fā)布的服務(wù)，實現(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，是平臺暴露給應(yīng)用層進行集成、擴展的應(yīng)用程序接口;支撐層是平臺的核心，采用B/S和C/S相結(jié)合的混合架構(gòu)，對應(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 平臺總體架構(gòu)

三、平臺主要功能模塊

1.GIS核心庫

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)建實現(xiàn)，支持跨平臺(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)一實現(xiàn)，而對一些與操作系統(tǒng)有關(guān)的底層接口(如 Cache內(nèi)存、文件、Debug、FrameBuffer、Thread、Timer等)、人機界面、圖形繪制等功能，在內(nèi)核中進行統(tǒng)一定義與封裝，在具體的語言開發(fā)包中實現(xiàn)。這種分層設(shè)計既能充分發(fā)揮C++計算性能的優(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)致的平臺移植性問題。

HiWebGIS引擎內(nèi)核采用Flex技術(shù)實現(xiàn)，在Flex IDE中采用MXML語言設(shè)計組件、元素界面和布局，ActionScript語言負(fù)責(zé)引擎內(nèi)部業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)。HiWebGIS實現(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對內(nèi)核進行封裝，這樣在頁面中應(yīng)用簡單的Java-Script代碼便可獲取內(nèi)核對象并調(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)對象數(shù)據(jù)的預(yù)處理是移動GIS應(yīng)用項目中至關(guān)重要的一環(huán)，由于這些數(shù)據(jù)通常是多源異構(gòu)的，在存儲方式、數(shù)據(jù)格式、空間參考等方面存在差異，需要對這些數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)變換、拓?fù)錂z查、符號設(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、尋址計算等方面的差異，進行全局的優(yōu)化設(shè)計，提供了豐富實用的功能插件。如地圖緩存制作插件可同時制作多種分辨率的地圖瓦片，并提供松散、緊湊兩種存儲格式，確保數(shù)據(jù)能在桌面端、Web端和移動端逼真、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移動GIS項目能否成功實施。用戶在戶外開始作業(yè)前，移動GIS通過套接字(Socket)連接到通信服務(wù)系統(tǒng)進行合法性驗證，作業(yè)完成后，現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)和軌跡數(shù)據(jù)通過通信服務(wù)系統(tǒng)實時地保存到服務(wù)器。當(dāng)監(jiān)控中心需要對戶外用戶進行指揮調(diào)度、多方協(xié)助時，可通過通信服務(wù)系統(tǒng)將指令推送給現(xiàn)場終端用戶。為了達到最佳系統(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.運行維護系統(tǒng)

運行維護系統(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)配置實現(xiàn)對GIS數(shù)據(jù)的組織、顯示、查詢、事件、字段等信息的設(shè)置，這些配置項在WebGIS服務(wù)契約一一對應(yīng)，前端對服務(wù)調(diào)用結(jié)果依次按契約進行取值，并在前端UI組件中展示。如可配置當(dāng)用戶在WebGIS上點擊某個要素時，是否彈出一個對話框，以及配置如何在對話框展示要素信息;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，從而可輕松地實現(xiàn)各種擴展應(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多、多對多的關(guān)系來實現(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，對數(shù)據(jù)權(quán)限(CRUD、統(tǒng)計、導(dǎo)出等)實現(xiàn)了精細化控制，包括對字段、記錄的過濾控制等，能滿足實際項目中的絕大多數(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)是平臺各種服務(wù)運行的宿主環(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，能方便地啟動、停止、重啟服務(wù)，可有效地對服務(wù)消費者進行過濾、監(jiān)控、報警等，同時能有效聚合外部服務(wù)，更適合于平臺級的應(yīng)用項目。

6.WebGIS展示組件

WebGIS是各類業(yè)務(wù)對象時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)，均源自運行維護系統(tǒng)對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，程序員只需在頁面中通過為地圖對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

為進一步提升移動GIS項目的開發(fā)效率，降低本平臺框架使用的復(fù)雜度，設(shè)計并實現(xiàn)了基于微軟T4模版引擎的代碼自動生成工具。程序員通過簡單向?qū)В隳茏詣由蓪毂頂?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GIS項目實施中所面臨問題為出發(fā)點，根據(jù)移動GIS類型項目的共性需求，設(shè)計并實現(xiàn)了基于“云+端”模式的敏捷開發(fā)平臺。目前其已成功應(yīng)用到國土違法用地巡查執(zhí)法、安監(jiān)執(zhí)法、道路養(yǎng)護與路政稽查、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)域的多個項目中。實踐證明，該平臺具有多語言、跨平臺、可配置、易擴展等特點，能有效提高開發(fā)效率，縮減軟件開發(fā)周期，降低項目實施風(fēng)險，受到開發(fā)商和最終用戶的一致好評。

(本專欄由中海達和本刊編輯部共同主辦)