DotSpatial開源GIS軟件擴(kuò)展研究

華東師范大學(xué)地理信息系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 張 弟 吳健平

1.引言

近年來GIS開源軟件發(fā)展很快，DotSpatial是眾多GIS開源軟件中功能比較全面、擴(kuò)展性比較好的一款，它提供空間數(shù)據(jù)的處理、分析、投影等功能。目前已有很多其他開源GIS軟件使用DotSpatial提供的功能，但是DotSpatial存在著與其它開源軟件相同的不足之處，比如官方開發(fā)文檔及幫助資料少，對GIS數(shù)據(jù)格式的支持不夠全面等。而傳統(tǒng)的GIS商業(yè)軟件雖然開發(fā)文檔齊全，支持多種GIS數(shù)據(jù)格式，但是授權(quán)昂貴，并且安裝占用大量的磁盤空間。由于商業(yè)因素，商業(yè)GIS軟件源代碼和關(guān)鍵算法受到嚴(yán)格保護(hù)，不利于學(xué)術(shù)研究。因此研究和完善開源GIS軟件在學(xué)術(shù)和商業(yè)方面都有著重要意義，而DotSpatial是一個(gè)比較新的開源類庫，目前對其研究的文章還很少。綜合上述因素，本文介紹了DotSpatial的架構(gòu)，深入研究了其提供的擴(kuò)展機(jī)制，最后利用官方提供的模版擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)了DotSpatial對NetCDF數(shù)據(jù)的讀取與渲染。這種擴(kuò)展方法具有一定的通用性，可以用來實(shí)現(xiàn)讓DotSpatial支持更多種類的GIS數(shù)據(jù)。

2.DotSpatial軟件介紹

2.1 DotSpatial構(gòu)成

DotSpatial是一套基于.Net Framework 4.0平臺開發(fā)的開源GIS類庫，整套類庫是使用C#語言編寫完成，以GNU LGPL授權(quán)（GNU Library General Public License）形式開放源代碼，目前整個(gè)項(xiàng)目由幾十個(gè)開發(fā)者共同維護(hù)，并且不斷地有新的開發(fā)人員參其中。DotSpatial官方網(wǎng)址為http://dotspatial.codeplex.com，網(wǎng)站主要包括源代碼、類庫、說明文檔、討論區(qū)、主要開發(fā)者、授權(quán)文檔等幾個(gè)部分。

DotSpatial的類庫可供其他程序直接調(diào)用，Mapwindow 6、Hydrodesktop、Mad、Area of Review、Marine Life等開源GIS軟件使用了DotSpatial的類庫提供的功能。為了讓開發(fā)者迅速熟悉這套類庫，官網(wǎng)提供了一個(gè)已經(jīng)編譯好的簡易示例程序。該程序支持Shapefile文件，實(shí)現(xiàn)了縮放、平移等常見GIS操作，并且支持?jǐn)U展。

2.2 DotSpatial整個(gè)類庫實(shí)現(xiàn)的功能

目前DotSpatial整個(gè)類庫實(shí)現(xiàn)的功能包括：

①顯示地圖；②支持Shapefile，Bgd，以及其它常用的柵格數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)；③渲染符號和標(biāo)簽；④支持動(dòng)態(tài)投影和投影變換，WGS84為默認(rèn)投影方式；⑤支持屬性數(shù)據(jù)的編輯和顯示；⑥支持空間分析，包括疊加分析、緩沖區(qū)分析、差值分析、空間統(tǒng)計(jì)等。⑦支持GPS格式數(shù)據(jù)。

DotSpatial很好的實(shí)現(xiàn)了功能模塊化設(shè)計(jì)思想，方便開發(fā)者靈活定制程序。Dot-Spatial架構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮了兩個(gè)要素。首先是將用戶界面部分與業(yè)務(wù)邏輯部分分離，其次是將各個(gè)模塊編譯到不同的DLL中，提高代碼的利用率，并且做到無需加載整個(gè)類庫就可使用部分功能。

3.DotSpatial擴(kuò)展機(jī)制

DotSpatial提供了完善的擴(kuò)展機(jī)制，允許開發(fā)者對其功能進(jìn)行擴(kuò)展。DotSpatial啟動(dòng)時(shí)會(huì)對根目錄下的Application Extensions子目錄進(jìn)行掃描，該目錄下任何實(shí)現(xiàn)IExtension接口的DLL都會(huì)被加載到主程序中，加載完成后就可以使用DLL中的擴(kuò)展功能。IExtension主要包含Activate和Deactivate和方法。DotSpatial啟動(dòng)時(shí)調(diào)用Activate方法，完成模版的初始化任務(wù)。方法Decative在卸載模版時(shí)被調(diào)用，實(shí)現(xiàn)卸載模版及資源清理功能。

為了方便開發(fā)人員進(jìn)行擴(kuò)展，DotSpatial提供了一個(gè)可以安裝的插件模版（template），下載地址為：http://visualstudiogallery.msdn.microsoft.com/92919cee-a2b0-43c6-8993-aeac965bc4b5，安裝模版后，用Visual Studio新建項(xiàng)目時(shí)可以選擇該模版，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展開發(fā)。

模版提供了實(shí)現(xiàn)IExtension所需的基礎(chǔ)代碼，其中包含一個(gè)Extension基類和一個(gè)MyPlugin子類。Extension類實(shí)現(xiàn)了IExtension接口中的Activate和Deactivate方法，Plugin子類繼承Extension父類，并且還有一個(gè)ButtonClick方法，可以。模版加載后會(huì)在DotSpatial的Extensions菜單中生成對應(yīng)的菜單項(xiàng)，點(diǎn)擊菜單會(huì)執(zhí)行ButtonClick方法，主要的擴(kuò)展功能可以在該方法中實(shí)現(xiàn)或由該方法調(diào)用其它方法實(shí)現(xiàn)。

4.DotSpatial擴(kuò)展實(shí)例

4.1 NetCDF簡介

NetCDF（Network Common Data Form）網(wǎng)絡(luò)通用數(shù)據(jù)格式是由UCAR（University Corporation for Atmospheric Research）針對于科學(xué)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)專門進(jìn)行開發(fā)的一種開放的編碼標(biāo)準(zhǔn)。由于其開放性、自描述性、平臺獨(dú)立性、高可用性等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于氣象學(xué)、水文學(xué)、海洋學(xué)以及地理信息系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。已經(jīng)有很多文章在NetCDF的實(shí)際應(yīng)用方面做了深入研究，但是在擴(kuò)展GIS軟件實(shí)現(xiàn)支持NetCDF數(shù)據(jù)渲染方面的研究還不是很多。DotSpatial本身不支持NetCDF數(shù)據(jù)，我們通過前面介紹的模版編程實(shí)現(xiàn)DotSpatial渲染NetCDF數(shù)據(jù)。DotSpatial原生支持ESRI的Bgd柵格數(shù)據(jù)，因此可以通過在內(nèi)存中將NetCDF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Bgd的方式實(shí)現(xiàn)NetCDF數(shù)據(jù)的渲染。

NetCDF文件包含維（dimensions）、變量（variables）和屬性（attributes）三種描述類型，每種類型都會(huì)被分配一個(gè)名字和一個(gè)ID，這些類型共同描述了一個(gè)數(shù)據(jù)集。NetCDF庫可以同時(shí)訪問多個(gè)數(shù)據(jù)集，用ID來識別不同數(shù)據(jù)集。維表示變量維度信息，變量存儲(chǔ)實(shí)際數(shù)據(jù)，屬性表示變量或數(shù)據(jù)集本身的輔助信息，根據(jù)作用域可分為適用于整個(gè)文件的全局屬性和適用于特定變量的局部屬性，全局屬性則描述了數(shù)據(jù)集的基本屬性以及數(shù)據(jù)集的來源。NetCDF可在某一維進(jìn)行追加，無需重新定義數(shù)據(jù)格式并復(fù)制原有數(shù)據(jù)，圖1是一個(gè)NetCDF在Time維的增長示例，圖2所示為轉(zhuǎn)換NetCDF格式。

圖1 NetCDF維增長比例

圖2 轉(zhuǎn)換NetCDF格式

4.2 NetCDF庫

UCAR提供了一系列操作NetCDF文件的庫，通過這些庫可以讀寫NetCDF文件數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù)信息。核心庫由C語言編寫，在此基礎(chǔ)上提供了C、C++、Java、Python、Perl等多種主流編程語言的API，但是還不支持C#，可以通過C#封裝NetCDF核心C庫函數(shù)的方式間接讀取NetCDF數(shù)據(jù)。

4.3 實(shí)現(xiàn)DotSpatial對NetCDF數(shù)據(jù)的讀取與渲染

DotSpatial本身支持ESRI的Bgd柵格數(shù)據(jù)，通過實(shí)現(xiàn)IExtension接口，在內(nèi)存中將NetCDF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Bgd格式，DotSpatial可以顯示轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換過程如圖2所示，最終的渲染效果和其它支持NetCDF數(shù)據(jù)的軟件是一致的，這說明前面的擴(kuò)展方式是可行的。

5.總結(jié)

本文介紹了開源GIS軟件DotSpatial及其擴(kuò)展機(jī)制，利用其官方提供的模版實(shí)現(xiàn)了DotSpatial對NetCDF數(shù)據(jù)的讀取與渲染，可以充分的利用DotSpatial已有的平移、縮放等功能對NetCDF數(shù)據(jù)進(jìn)行常見GIS操作。這種擴(kuò)展方法具有一定的通用性，可以很好的擴(kuò)展DotSpatial原有功能，用來實(shí)現(xiàn)支持多種GIS數(shù)據(jù)格式。

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