（地质工程专业论文）基于arcobjects的公路边坡稳定性评价系统研究.pdf

论文题目：基于a r c o b j e c t s 的公路边坡稳定性评价系统研究 专业：地质工程 硕士生：许冲( 签名) 适盈 指导教师：侯恩科( 签名) i 曼! 盐蛰 摘要 公路边坡稳定性评价是公路建设的一个重要方面，也是工程地质领域的一个重要研 究方向。公路边坡涉及的数据种类繁多，稳定性评价方法多样，因此将g i s 应用于公路 边坡稳定性评价，建立基于g i s 的公路边坡稳定性评价系统是很有必要的 针对西安科技大学地环系工程地质课题组研发的基于s u p e r m a p 平台的公路边坡稳 定性评价系统存在的不足，在总结公路边坡稳定性评价原理、方法和步骤的基础上，基 于a r c o b j e c t s 平台重新开发和完善了公路边坡稳定性评价系统。该系统采用o r a c l e 数据 库管理数据，包括边坡稳定性计算、三维分析和加固3 个子系统：边坡稳定性计算子系 统采用基于v b a 环境和使用动态链接库相结合的方法开发；边坡三维分析子系统以 v c + + 为开发工具，开发方式为嵌入a r c o b j e c t s 组件所提供的m a p c o n t r o l 和s c , e n e v i e w e r 等控件构建独立程序；边坡加固子系统以v b 为开发语言，调用a u t o c a d 接口开发。 系统实现了公路边坡的海量数据存储、图形数据显示、属性查询、岩体质量评价、稳定 性计算、三维模型建立和分析、加固等功能。系统具有良好的通用性、可移植性、安全 性、可扩充性，用户界面友好，操作简单方便。 最后，以勉宁公路为例，对系统进行了测试，验证了系统的可行性和可靠性。该系 统和原系统相比，有3 个显著的优点：读取不同格式的数据方便；数据存储采用o r a c l e 数据库，可以存储海量二维和三维地形图；三维模块显示清晰流畅，而且有一定的三维 查询和分析功能。本系统的开发促进了a r c o b j e c t s 在公路边坡稳定性评价方面的研究与 应用，对原系统也是一个完善，使其更加易于推广应用。 关键词：a r c o b j e a s ；二次开发；边坡稳定性计算；边坡三维分析；边坡加固 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nh i g h w a ys l o p es t a b i l i t ye v a l u a t i o ns y s t e mb a s e o na r c o b j e c t sp l a t f o r m s p e e m l t y ：g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：x u c h o n g i n s t r u c t o r ：h o ue n k e a b s t r a c t ( s i g n a t u 哦丝乒 ( s 追n a t u r e ) 丑丝i 丝 h i g h w a ys l o p es t a b i l i t ye v a l u a t i o ni sn o to n l ya ni m p o r t a n tp a r to f h i g h w a yc o n s t r u c t i o n , b u ta l s oa ni m p o r t a n tr e s e a r c ha s p e c to fg e o l o g i c a le n g i n e e r i n g t h e r ea r em a n yt y p e so f h i g h w a ys l o p ed a t aa n ds t a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d s , s oa p p l y i n gg i st os l o p es t a b i l i t y e v a l u a t i o na n d d e v e l o p i n gah i g h w a ys l o p es t a b i l i t ye v a l u a t i o ns y s t e mb a s e0 1 3g i sp l a t f o r m i sv e r ye s s e n t i a l i nv i e wo f t h es h o r t a g eo f h i g h w a y s l o p es t a b i l i t ye v a l u a t i o ns y s t e mb a s eo ns u p e r m a p p l a t f o r m , w h i c hd e v e l o p e db yg e o l o g i c a lf l g i n e e r i n gc o m m i t t e e , d e p t o fo e o l o g i c a la n d e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g , x i a l lu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , i nf o u n d a t i o no f s u m m a r 魄t h ep r i n c i p l a s , t h em e t h o d sa n dt h es t e p so fh i g h w a ys l o p es t a b i l i t ye v a l u a t i o n , t h ea u t h o rr e d e v e l o p e da n dc o n s u m m a t e dh i g h w a ys l o p es t a b i l i t ye v a l u a t i o ns y s t e mb a s eo n a r c o b j e c t ss y s t e m t h en e ws y s t e mu s eo r a c l ed m a b a s et om a n a g ed a 衄i tc o m p o s e so f t h r e e m b s y s t e m s , s l o p es t a b i l i t ye v a l u a t i o nc a l c u l a t es u b s y s t e m , 3 d - s l o p ea n a l y s i ss u b s y s t e m a n ds l o p er e io r c e m e n ts u b s y s t e m ：s l o p es t a b i l i t ye v a l u a t i o nc a l c u l a t es u b s y s t e mw a s d e v e l o p e db yu s i n gt h em e t h o dw h i c hb a s e d0 1 1v b ad e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dd y n a m i c l i n kl i b r a r y ；3 d - s l o p ea n a l y s i ss u b s y s t e m , v c + + i su s e d 够d e v e l o p m e n tt o o l , c o n t r o l s p r o v i d e db ya r c o b j e c t sc o m p o n e n ts u c ha sm a p c o n t r o la n ds c e n e v i e w e ra r ee m b e a d e d ； s l o p er e i n f o r c e m e n ts y s t e mw a sd e v e l o p e db yu s i n gv bd e v e l o p m e n tl a n g u a g ea n d t r a n s f e r r i n ga u t o c a di n t e r f a c e s m a n yf u n 嘶o n ss u c ha sm a s sd a t as t o r a g e , d i s p l a yo fd a t a , a t h i b u t eq u e r y , r o c km a s sq u a l i t ye v a l u a t i o n , s t a b i l i t yc a l c u l a t i o n , 3 d - s l o p em o d e lb u i l da n d a n a l y s i s , r e i n f o r c e m e n t , e t c t h es y s t e mi su n i v e r s a l ，w a n s p l a n t a b l e ，s e c u r ea n de x t e n s i b l e ， a n di th a san i c ei n t e r f a c e u s e r sc a l lu s et h i ss y s t e me a s i l ya n dc o n v e n i e n t l y f i n a l l y , t h i sp a p e rc , o n 6 _ r l n sf e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yb yt a k i n gm i a a - n i n gh i g h w a ya s e x a p m p et ot e s tt h i ss y s t e m , k m 弘i r i n gt h i ss y s t e mw i t ht h eo r i g i n a ls y s t e m , t h e r ea 北t h r e e v e m a r k a b l em e r i t s ：t ob e g i nw i t h , d i f f e r e n tf o r m a td a t ai si n p u t t e dc o n v e n i e n t l y ；t h e n , u s e o r a c l ed a t a b a s ew h i c hc a ns t o r em a s 83 da n d2 dt o p o g r a p h i e st os t o v ed a t a ；f u r t h e x m o v e , 3 d m o d u l ed e m o n s l r a t ec l e a r l ya n ds m o o t h l y , a n di th a s3 dq u e r ya n da n a l y s i sf u n c t i o n s t h e d e v e l o p m e n to ft h i ss y s t e mh a sp o s i t i v ee f f e c t so np r o m o t i n gt h es t u d ya n da p p l i c a t i o no f a r c o b j e c t si nt h ef i e l do fh i g h w a ys l o p es t a b i l i t ye v a l u a t i o n , i sac o n s u m m a t i o nt ot h e o r i g h - 1 a ls y s t e m , a n dc o n v e n i e n tf o ri t sa p p l i c a t i o n k e y w o r d ：a r c o b j e c t ss e c o n d a r yd e v e l o ps l o p es t a b i l i t yc a l c u l a t i o n 3 d - s l o p e a n a l y s i ss l o p er e i n f o r c e m e n t 西姿斜技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：讶竹日期：跏d 、侈1 弓 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：动笄油 i f 指导教师签名：f 豸】垦i 牛 洲年多月旷日 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景与研究意义 随着我国国民经济的大力发展，以高速公路为代表的高等级公路建设迅猛发展，很 多省区的高速公路已由平原进入山区。特别是西部大开发战略的实施，山区高等级公路 建设越来越多。由于工程的需要，往往在一定程度上破坏或扰动了原来较为稳定的斜坡 而形成了新的人工边坡，因而存在着理论安全边坡坡角与实际边坡坡角之间的问题需要 解决。显然，从安全观点出发，边坡坡角越小，边坡越安全：但从经济方面考虑，却要 求边坡具有较大的坡度。西部地区多为山岭丘陵区，由于地质、地形和水文条件复杂， 公路修建不可避免出现高填深挖，自然山体的平衡遭到破坏，边坡失稳现象时有发生， 这类边坡稳定与否和公路能否安全使用有着很大的关系【i 司。因此，需要对公路边坡稳定 性评价方法进行研究、归纳和建立数学模型，进而开发一种公路边坡稳定性评价软件， 以提高公路边坡稳定性评价的科学性和效率。在此背景下，西安科技大学地环系工程地 质课题组研发了基于s u p e r m a p 的公路边坡稳定性评价系统网，该系统具有边坡稳定性 定性评价、稳定性定量评价和加固设计的功能。经实际应用，该系统基本满足工程的需 要。但由于开发平台s u p e r m a p 的原因，系统还存在着导入数据操作复杂、数据库不通 用和三维功能弱等不足。作者尝试以国际领军的g i s 二次开发平台a m o b j e e t s 为平台， 对系统进行再次的设计开发，以对原系统进行完善，使其更加易于推广应用，也促进了 a r e o b j e c t s 在公路边坡稳定性评价方面的研究与应用。 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 边坡稳定性评价方法研究现状 目前，边坡稳定性评价方法主要包括定性分析法、定量分析法和非确定分析方法三 种： ( 1 ) 定性分析法。主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可 能变形破坏方式及失稳力学机制等的分析，对已变形地质体的成因及演化史进行分析， 从而给出被评价边坡稳定性状况及可能发展趋势的定性解释，其优点是能综合考虑影响 边坡稳定性的多种因素，对边坡稳定状况及发展趋势快速作出评价。常用的方法主要有： 历史成因分析法、工程地质类比法、边坡稳定性分析数据库和专家系统等。 ( 2 ) 定量分析法。主要达到两个目的；一是计算已知滑动面上的稳定系数；二是 搜索对应最小稳定系数的临界滑动面。定量分析方法主要有极限平衡分析法( l e m ) 和 西安科技大学硕士学位论文 数值分析法。 f e l l e n i u s 提出边坡稳定分析的圆弧滑动分析方法，即瑞典圆弧法，该法假定土条的 法向应力可以简单地看作土条重量在法线方向的投影。b i s h o p 【4 】对传统的瑞典圆弧法法 作了重要的改进，建立了b i s h o p 法；j a n b u 5 】提出了。普遍条分法”的概念，并建立了 j a n b u 法：m o r g c n s t e m 和p r i c e 州提出了m o r g e n s t e r n - p r i e e 法；s a r m a 提出了s a r m a 法。 6 0 年代以后，我国在土坡稳定分析方法改进方面发展较快，如7 0 年代潘家铮提出 了滑坡极限分析的两条基本原理，即极大值原理和极小值原理；1 9 8 7 年张天宝1 7 1 通过按 瑞典圆弧法建立的简单土坡稳定系数函数的数值分析，全面归纳了最危险滑面的变化规 律。1 9 9 4 年张雄嗍基于极限分析和刚体有限元分析，提出了边坡稳定性分析的改进条分 法；1 9 9 7 年朱大勇网以极限平衡条件为基础，根据最优控制原理，建立了通过计算边坡 剩余推力极值曲线场，来求最小稳定系数并确定最危险滑动面的方法；2 0 0 1 年陈祖煜等 i i o l 在二维s p e n c e r 分析方法基础上，对其进行了三维扩展，建立了一个边坡稳定分析三 维极限平衡方法的新解法。国内外对定量分析法的研究成果较多，定量分析法是一种应 用普遍的边坡稳定性分析方法。 ( 3 ) 不确定性分析方法。该方法在边坡稳定分析中的应用最早出现在2 0 世纪7 0 年代。一方面是由于一些新的理论和方法如可靠度、人工智能等的出现；另一方面是由 于在边坡工程设计和分析中涉及有大量不确定因素越来越被人们认识到，如岩体性质、 荷载等物理方面的不确定性等，这些不确定性造成的影响尽管通过提高岩石测试和计算 技术的精度能在一定程度上减少，但局部试验的精确性、确定性并不能消除岩石形状宏 观判断上的随意性和模糊性，而且不可能无限度提高单项试验的精度、规模和完善确定 性计算方法，因此用较简单的测试手段来提高对岩石工程质量状态判断的精度，就显得 十分重要。 边坡稳定性的各种评价方法中，极限平衡法是一种比较成熟的边坡稳定性定量分析 方法，易于计算机编程实现，在实际中应用比较广泛。 1 2 2g i s 在公路工程和边坡工程领域的应用现状 在国外，公路g i s 系统的开发已经达到了较高的水平，并得到了较好的应用。如加 拿大利用g i s 进行公路的选线、规划和维护。建立和完善公路g i s 系统是国际公路发展 的趋势，对提高公路管理现代化、信息化和科学化水平具有重要意义。我国i b i s 公路应 用经过几年的学习，探索，实践，研究与开发，已经取得了一定的成就。目前很多省市 都已经建立了公路g 塔系统。对公路路况、交通量、营运、附属设施等进行有效的管理 和规划。在公路路线设计【1 1 1 、公路环境保护【l2 】和公路枢纽决策呷1 等方面也有应用。 国内有较多的科研机构进行g i s 应用于边坡稳定性分析的研究。中南大学测绘与国 土信息工程研究所的戴吾蛟等【1 4 1 将3 d - g i s 应用于边坡监测，他进行了一些有益的探讨 2 l 绪论 并提出了一些相应的方法和技术，借助可视化的技术，从视觉思维的角度出发来探索被 监测对象的变形。以及实时的改变影响边坡变形因素的值，利用专家知识库，对边坡的 稳定性进行快速和全面的分析。从而可采取有效而经济的边坡加固措施。辽宁省水利水 电科学研究院的王振颖等1 1 5 l 将g i s 边坡稳定性模型应用于滑坡地区，提供了滑坡管理新 的和更有用的数据，在没有条件使用模型预测的地区，可根据土地调查得到的坡度和湿 度结合边坡分类，针对不同地区采取相应的保护措施，减少边坡发生滑动的危险性。南 京大学地球科学系的王宝军掣1 6 1 利用g i s 软件实现了从计算剖面确定、计算剖面自动绘 制到网络自动剖分的全部前处理过程。有效提高了边坡有限元计算的前处理工作，同时 也提高了生成计算剖面图和边坡评价的科学性，将g i s 软件和有限元分析软件相耦合来 进行边坡稳定性分析。 g i s 在公路边坡的应用研究方面已经形成了一定的规模，国外在这方面的研究比国 内要早，这是因为国内计算机技术和g i s 技术落后于发达国家的原因。总的来说这方面 的应用在国内外均有良好的发展趋势。应用模式由简单的信息查询、公路选址正在逐渐 转变为有效的利用g i s 强大的分析功能进行公路边坡的稳定性评价和加固。 1 2 3 边坡稳定性评价系统开发现状 计算机编程技术已经应用到边坡稳定性评价系统的开发，国内外相关研究人员开发 出了多个应用系统并取德了较好的效益。 美国a n s y s 公司研制的大型通用有限元分析程序a n s y s 和美国i t a s c ac o n s u l t i n g g r o u pi n c 开发的基于拉格朗日法的显式有限差分法程序f l a c 都可以模拟复杂的岩土 力学问题。在施工过程动态模拟、土体与结构相互作用等研究方面有很大优势，适合于 边坡、隧道、地下采场、基坑、地基等岩土工程问题分析i l ”。加拿大a l b e r t a 大学的 g e o s l o p e 国际有限公司研究开发的一套专门用于处理岩土与岩土环境工程问题的大 型计算分析程序g e o - s l o p e ，采用独特的有限元方法结合极限平衡理论对边坡稳定性 问题进行有效计算和分析，它应用的土体强度模型包括莫尔一库仑准则、双线性准则等， 也可用参数法进行随机稳定性分析。其可以对几乎所有的稳定性问题进行建模分析，主 要包括：天然岩土边坡、边坡开挖、岩土路基、开挖基坑挡墙、锚固支撑结构、边脚护 堤、边坡顶部的附加载荷、土钉和土工布增强地基等。该程序在北美应用几十年，在中 国已经应用十几年，积累了大量的经验。该软件在地质灾害行业处于领先水平，可推广 用于岩土、土木和采矿工程【1 8 1 。在三维极限平衡方法研究的同时，一些商用的程序也随 之出现：c l a r a 能进行二维和三维极限平衡计算【1 9 1 ，t s l o p e 3 采用l a c o u n t y 方法分 析边坡三维稳定f t t 2 0 i ，3 d p c s t a b l 能用于对称滑面的计算1 2 l j 。 我国也有较多的科研单位和个人对此进行了大量的研究开发，有的已经成功商业 化。中国水利水电科学研究院的陈祖煜教授通过在岩质边坡分类、滑坡机理、抗剪强度 3 西安科技大学项士学位论文 参数和稳定分析及软件系统等方面开展的全面分析研究，并结合具体的已建工程地质稳 定分析，初步建立了水利水电边坡工程的分类体系，建成我国水电系统的滑坡和边坡数 据库，建成水电工程岩体抗剪强度参数数据库，初步形成了适用于我国水利水电边坡稳定 分析和优化设计的理论系统和软件工程，并取得了一系列的科研成果。在此基础上，他 研制开发了e m u 程序，该程序的核心计算模块是改进后的s a r m a 法，非常适合双滑 面滑坡稳定性分析计算四，2 j l 。 北京理正软件研究设计院研开了边坡稳定分析系统和岩质边坡稳定分析系统刚。边 坡稳定分析系统最初是针对铁路、公路路基设计而开发的专业设计软件，经半年多的推 广应用已经得到行业内的认可，并于1 9 9 9 年1 2 月通过了铁道部的鉴定，证明是高效的 计算机辅助设计软件。在此基础上开发的岩质边坡稳定分析系统在内容和功能上都作了 较大的调整和改进，发展成为面向各个行业，能够处理各种复杂情况的通用边坡稳定分 析系统，并且于2 0 0 2 年通过水利部水规总院的鉴定。岩质边坡稳定分析系统不但能分 析简单的岩质边坡问题，而且能处理各种复杂的岩质边坡稳定性问题，适合于水利、公 路、铁路、城建、地矿等行业。 上海同岩土木工程科技有限公司的同济曙光系列产品中的边坡稳定性分析软件嘲 是一个利用极限平衡理论对二维土质边坡稳定安全系数进行计算的w i n d o w s 版软件。 可计算处理各种形状的自然边坡、人工边坡和各种类型的加筋结构等。软件中的计算方 法包括：瑞典圆弧法、简化b i s h o p 法和j a n b u 法。滑动面形式包括：圆弧滑动面和折线 滑动面。可自己指定这两种滑动面位置，后计算安全系数，或者自动搜索最危险滑动面。 利用有限元分析软件进行公路边坡稳定性评价的研究较早，发展比较成熟。基于极 限平衡法开发的公路边坡稳定性评价软件也有比较成功的应用。 1 2 4 基于g i s 平台的边坡稳定性评价系统开发现状 目前已经有一些科研人员对基于g i s 平台的边坡稳定性评价系统进行了研究，并开 发了相应的评价系统。 张永兴等例采用计算智能理论及其耦合方法，结合( s i s 技术，研究建立了基于g i s 的滑坡灾害预测智能集成系统，从理论到实践应用两方面对滑坡灾交的计算智能预测方 法进行了较为系统的论述。胡新丽等 2 7 1 较系统地总结了斜坡工程的工作特点和研究思 路，指出了斜坡工程研究中的关键问题，在此基础上，依据g i s 的特点，提出了斜坡工 程g i s 系统的构建框架，针对斜坡工程的空间预测和斜坡治理两大主要内容，在进行信 息分类、指标体系分析、模型分析、优化设计理论方法分析的基础上，分别进行了空间 预测g i s 系统和斜坡治理工程系统设计，以m a p g i s 和a u t o c a d 为平台，开发了具有 专业性和实用性的斜坡工程g i s 系统。由重庆交通科研设计院研制开发的公路边坡支护 设计系统田】是基于组件式开发平台s u p 盯m a p 进行设计和开发的，该系统具有对整个公 4 1 绪论 路边坡信息进行管理、边坡宏观稳定性评价、边坡稳定性分级、工点边坡稳定性计算和 边坡加固治理等功能。北京科技大学的谢谟文等例采用4 个基于g i s 栅格数据的边坡稳 定三维极限平衡分析模型开发了一个用于边坡稳定性评价的g i s 扩展模块，该模块可用 于复杂边坡的辅助设计及稳定性验算，其所需的数据直接来源于g i s 数据集，因此其数 据准备极为方便。由西安科技大学地环系工程地质课题组研发的公路边坡稳定性评价系 统是基于s u p e r m a p 平台设计开发的，该系统使用v b 语言，采用图属一体化设计思想， 实现图形数据和属性数据的统一管理，使用户可任意加载和查看图形和属性信息；通过 自动和人工两种方式实现边坡稳定性评价剖面的绘制；通过输入边坡岩体质量参数，自 动评价边坡岩体的岩体质量。并给出边坡稳定性评价的推荐方法；通过输入边坡稳定性 计算参数，自动计算和显示边坡稳定性评价结果；通过地理信息系统的数字高程模型构 建三维模型，显示三维地形起伏变化，以利于公路沿线地形分析和选线1 3 j 。 g i s 在公路边坡稳定性评价及支护方面的研究正处于发展阶段陬3 ，还存在着一系 列的问题，如数据格式不统一、操作复杂和三维分析功能普遍较弱等，这些不足导致所 研发的系统不能推广应用。 1 3 研究内容和研究方法 1 3 1 研究内容 本文主要探讨基于a r c o b j e c t s 的公路边坡稳定性评价系统的开发，研究内容如下： ( 1 ) 总结分析边坡稳定性评价方法现状、g i s 在公路工程和边坡工程领域的应用 现状、边坡稳定性评价系统和基于g i s 平台的边坡稳定性评价系统的研开现状，指出存 在的不足。 ( 2 ) 介绍组件式开发技术和a r c o b j e e t s 的结构体系，分析总结a r e o b j e c t s 的二次 方法，从中选择最佳的开发方式开发公路边坡稳定性评价系统。 ( 3 ) 分析边坡稳定性评价的极限平衡法的计算模型，进行程序的计算模块设计。 ( 4 ) 通过系统的功能分析，进行系统的设计和开发实现基于a r c o b j e c t s 的边坡 稳定性评价系统的友好用户界面，并完成海量数据存储、图形数据显示、属性查询、岩 体质量评价、稳定性计算、三维模型建立和分析等功能。 ( 5 ) 介绍基于a r c o b j e c t s 的公路边坡稳定性评价系统的体系结构、功能和使用方 法。 ( 6 ) 将系统应用于勉宁公路沿线边坡的稳定性评价，并建立三维模型。比较基于 a r c o b j e c l s 开发的系统和原系统的优劣。 5 西安科技大学硕士学位论文 1 3 2 研究方法 本文通过对国内外公路边坡稳定性评价系统的应用开发及所取得的成果进行总结， 对存在的不足进行分析，以确定研究的重点和研究的方法。然后对组件式开发技术和 a r c o b j e c t s 平台的特点进行分析，以明确本项目开发所采用的开发平台和开发方式。在 此基础上按照软件工程的思想和开发步骤，完成系统的需求分析、系统设计和系统开发 等工作。最后结合勉宁公路实际边坡，对系统进行测试，比较基于a t e o b j c c t s 开发的系 统和基于s u p e r m a p 开发的系统的优劣。 6 2 组件式开发技术与a r c o b j e e t s 2 组件式开发技术与a r c o b j e c t s 随着g i s 应用领域的扩展，g i s 开发显得日益重要。如何针对不同的应用目标高效 地开发出既满足需要，又具有方便、美观、丰富界面形式的g i s 应用程序是开发者和用 户都非常关心的问题。扩展g i s 应用领域的一个艰巨的任务就是如何对g i s 软件进行二 次开发。e s r i 公司最新推出的基于c o m 技术的对象库a r e o b j e e t s 为g i s 开发商提供 了前所未有的灵活性。 a r c g i s 软件本身就是使用a r c o b j e c t s 的组件开发出来的，由于e s r i 开放了这个组 件库的a p i s ( 应用程序接口) ，因此，普通的程序员也可以使用a r e o b j e e t s 开发自己的 g i s 应用程序，这个过程和e s r i 的程序员的工作是一样的。使用a r c o b j e e t s 进行二次 开发，就是在一定的开发语言平台上，如v b a 、v b 、v c + + 、j a v a 或者n e t 平台等， 按照项目的需求将这些底层功能的组件重新进行组装，以集成一个更强大、更复杂的 c o m 对象的过程。使用a r e o b j e e t s 进行组件式o i s 的二次开发，是目前最流行、最灵 活和最稳定的g i s 开发方式 3 2 ，3 3 j 2 1 组件式开发技术 2 1 1 组件和面向对象的组件模型一一c o m 当微软公司首先使用o l e ( 对象链接与嵌入技术) 的时候，其初衷是为了增强软件 的互操作性。在使用过程中，人们逐渐认识到这一技术背后的实质性内容在软件开发中 扮演的重要角色。组件技术以前所未有的方式提高了软件产业的生产效率。这一点已逐 步成为软件开发人员的共识。传统的c s 结构、中间件等大型软件系统的构成形式，都 将在组件的基础上重新构造。组件技术使近2 0 年来兴起的面向对象技术进入到成熟的 实用化阶段。组件间的接1 3 通过一种与平台无关的语言i d l ( i n t e r f a c ed e f i n el a n g u a g e ) 来定义，它是二迸制兼容的，使用者可以在各种开发语言和开发环境中直接调用执行模 块来获得对象提供的服务洲。 组件是具有以下特点的程序块：具有一定的结构和功能；遵循一定的接口标准； 单独或与其他组件一起完成特定的功能；内部实现完全封装。 基于组件的开发方法中，应用由若干个重要的组件组合而成，与结构化方法中的模 块和面向对象方法中的对象不同，一个组件是一个大粒度、自包容和基于标准的软件部 件，每个部件提供一个或多个接口，接口是组件与客户和其它组件之间通信的唯一途径。 一个组件同一个微型应用程序类似，都是已编译、链接好的二进制代码，应用程序由许 多这样的组件打包而成，各个定制的组件可以在运行时同其它组件连接而构成某个应用 7 西安科技大学硕士擘住论文 程序，在需要对应用程序进行修改时，只需将构成此应用程序的某个组件用新版本替换 掉，可见，组件在应用程序中完全是动态篚a t 3 n 。 组件软件开发可以分成两个层次，即标准组件的开发和利用标准组件进行系统组件 开发。组件接口标准是组件协同工作的基础，也是组件软件开发的基础。目前有两个公 认的工业标准：微软的c o m 和o m g 对象管理组织的c o r b a 。c o r b a 模型主要应用 于u n i x 操作系统平台上，而c o m 则主要应用于w i n d o w s 操作系统平台上，因而有更 广泛的应用。 c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件对象模型) 是微软提出的一种网络标准，可 用于软件组件间的跨越多个进程、机器、硬件和操作系统进行互操作( 3 6 1 。c o m 接口有 两个含义：它是一组可以调用的函数；接口是组件及其客户程序之间的协议。当使 用c o m 对象开发时，开发人员不能直接使用c o m 对象，而是通过接口访问对象获得。 一个组件程序可以包含多个c o m 对象，并且每个c o m 对象可以实现多个接口。 它不仅定义了组件程序之间进行交互的标准，而且也提供了组件程序运行所需要的 环境( c o m 本身要实现一个称为c o m 库的a p i ，它由一些对象和对象的接口组成i ”j 。) ， c o m 通常的发布形式是：以w i n 3 2 动态链接库( d l l ) 或可执行文件( e x e ) 的形式发布。 c o m 组件、c o m 对象和c o m 接口的关系如图2 1 p 珂。 接口1接口2 接口3 图2 1 c o m 组件、c o m 对象和c o m 接口关系图 2 1 2 组件技术与g i s 组件式g i s 是软件组件技术在g i s 软件开发中的应用，是指基于标准的组件对象平 台，以一组具有某种标准通信接口的，允许跨语言应用的组件提供的g i s 。各个组件之 间不仅可以进行自由、灵活的重组，而且具有可视化的界面和使用方便的标准接口。 组件式g i s 的基本思想是把g i s 的各大功能模块划分为几个控件，每个控件完成不 同的功能。各个g i s 控件之间，以及g i s 控件与其它非g i s 控件之间，可以方便的通 过可视化软件开发工具集成起来，形成最终的g i s 基础平台以及应用系统。控件如同一 堆各式各样的积木，根据需要把实现各种功能的“积木搭建起来，构建成应用系统。一 些g i s 软件公司纷纷推出来基于c o m 技术、由一系列a e i t v e x 控件组成的g i s 二次开 发平台。 3 2 组件式开发技术与a r c o b j e c t s 目前国内外著名的g i s 厂商都相继推出了他们的g i s 组件，如i n t e r g r a p h 公司的 g e o m e d i a ，m a p i n f o 公司的m a p x ，e s r i 公司的m a p o b j e c t s 和a r c o b j e c t s 等。这为基 于g i s 软件的系统开发带来了根本性的变革，由过去的在g i s 平台提供的二次开发环境 下进行开发转变为在通用的软件开发环境下进行开发，这些组件式g i s 具有g i s 软件的 基本功能，如多种格式数据的读取、分层显示、编辑、图形的缩放、漫游、多种方式的 查询和制图等。它们遵循了c o m 标准，可以与可视化编程环境中的非g i s 组件一起协 调工作，共同完成g i s 的功能。 传统g i s 开发模式存在着开发负担重、集成困难以及二次开发语言复杂、难以普及 等缺陷：传统g i s 开发平台均采用专门设计的开发语言；传统g i s 系统中的空间数 据管理和数据库管理系统通常直接由g i s 厂商提供，这也是传统g i s 软件价格昂贵的一 个重要原因；传统g i s 系统与m i s 系统和多媒体开发工具的衔接都不甚方便，其数 据交换通过d d e 等间接方式实现，影响了m i s 系统对空间地理信息的利用。 同传统的g i s 比较，组件式g i s 把g i s 的功能适当抽象，以组件形式提供给开发 者使用，具有以下优点：小巧灵活、价格便宜。组件化的g i s 平台提供灵活的方式与 空间数据管理系统连接，小巧灵活，用户可以根据实际需要选择所需控件，最大限度的 降低经济负担；无缝集成。通过组件之间的消息传递，组件问互相调用，协同工作， 实现了系统组件之间的消息传递，组件间互相调用、协同工作，从而实现了系统组件之 间的高效、无缝集成；跨语言使用。组件式g i s 不需专门的二次开发语言，只需实现 g i s 的基本功能函数，按照c o m 标准开发就能被通用语言使用。这与传统g i s 专门性 开发环境相比，是一种质的飞跃；强大的g i s 功能。利用g i s 系统软件组件提供的拼 接、裁剪、叠加、缓冲等完备的空间数据处理功能和查询分析功能：易于推广。组件 式技术已成为工业标准，用户可以像其他a c t i v e x 控件一样使用g i s 组件，使非专业用 户也能够开发和集成g i s 应用系统；无限扩展性。在组件式软件技术背后，有一个十 分庞大的组件资源库，用户可以从不计其数的组件中挑选需要的组件与组件g i s 一起集 成应用系统，这种方式极大地扩展了g i s 的功能；i n t e r n e t 应用。组件g i s 是实现 w 音b g i s 的重要途径之一 虽然对g i s 采用组件式二次开发有许多优势，但是不可避免的也存在一些功能上的 欠缺和技术上的不成熟：二次开发的结果与经典的g i s 软件相比不可避免地带来效率 上的相对低下，这在访问大型空间数据时尤为明显；支持的空间数据量和数据类型有 限；支持的功能有限，由于是组件，只覆盖了g i s 系统的部分功能，对于一些特殊领 域、特殊问题就显得无能为力；系统的可靠性、容错性有待提高。 组件式技术的这些特点使得组件式g i s 成为当今g i s 软件技术发展的主流。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 1 3 组件式g i s 开发平台的结构 组件式g i s 开发平台通常设计为三级结构： ( 1 ) 基础组件。基础组件处于平台最低层，是整个系统的基础，主要面向空间数 据管理，提供基本的交互过程，并能以灵活的方式与数据库系统连接。 ( 2 ) 通用组件。通用组件由基础组件构造而成，它们面向通用功能，简化用户开 发过程，如显示工具组件，选择工具组件、编辑工具组件、属性浏览器组件等。它们之 间的协同控制消息都被封装起来。这级组件经过封装后，使二次开发更为简单。如一个 编辑查询系统，若用基础平台开发，需要编写大量的代码，而利用高级通用组件，只需 几行代码就够了。对于某一行业的特殊应用，除了需要一些最基本的地图显示、信息查 询等一般的g i s 功能外，还需要特定的应用功能。 ( 3 ) 行业组件。行业组件把行业性应用功能组件封装起来，开发者的工作是直接 调用这些事件和方法，实现某一行业的需求。 2 1 4c o m 的组成 c o m 是一种系统构架模型而不是特定语言。在操作系统中，c o m 表现为一种自我 描述，自我生存的软件模块，它由操作系统的c o m 管理部分来注册反注册和管理，并 向所有应用开放。下面是c o m 的基本组成： ( 1 ) 接口( i n t e r f a c e ) 。接口是组件对象之间进行通讯的基础。它包含了一组函数 的数据结构，通过这组数据结构，客户代码可以调用组件对象的功能。组件对象间的访 问都是通过接口来进行的。在接口的使用中应注意以下四点：接口不是一个类，接口 不能被实例化由于它不能执行；接口不是一个对象，接口是一组相关联的功能，它使 用通过客户、对象交流的二进制标准；接口是强类型的，每个接口都有自己的接口m ， 因此消除了同名接口之间的冲突的可能；接口是不变的，接口没有版本。一旦被定义 和公布，接口不能被改变。 ( 2 ) 类( c l a s s ) 。类提供一个或多个接口相关代码，功能实体封装在类中。几个类 可以有同样的接口，但是它们的实现可能是极不相同的。通过实现这些接口，c o m 实 现了面向对象的多态性，c o m 不支持多重继承的概念。然而，这不是一个缺点，因为 一个类可以实现多个接口 ( 3 ) 对象( o b j e c t ) 。对象是类的实例，它是c o m 的基本要素之一c o m 接1 2 1 是 抽象的，意味着相关的接口没有实现，和接口有关的代码来自于一个类实现。因此，对 象只是用于继承接口类型，它是接口调用的唯一途径。 ( 4 ) 类型库( t y p e l i b r a r y ) 。一个类型库被作为一个接口定义语言( i d l ) 文件的 二进制版本，是一系列c o m 对象和接口的集合，并被编译进一个形如o l b 、d l l 或 1 0 2 组件式开发技术与a r c o b j e c t s _ i | i i i _ o c x 这样的二进制文件中。 ( 5 ) 进程、本地和远程c o m 。c o m 的本质是客户服务器体系，服务器( 或对象) 提供功能，并且客户程序使用这些功能。如果c o m 程序和客户程序在同一进程地址空 间内，则称之为进程内c o m ，这通常是以d l l 形式实现，而本地c o m 是指同一计算 机上不同进程中的e r e ，远程c o m 则是指不同计算机中的d l l 或e x e 。 2 2a r c o b j e c t s 介绍 2 2 1a r c g i s 与a r c o b j e c t s a m g i s 是开放的地理信息处理平台，具有强大的地理数据管理、编辑、显示和分 析等功能。它主要有a r c m a p 、a r c