（道路与铁道工程专业论文）基于OpenGIS的铁路构筑物三维可视化组件的研究与应用.pdf

摘要 摘要 “数字铁路”是铁路部门提高信息化水平的重要手段，铁路的“数字化” 离不开勘测设计的“数字化”，而勘测设计的“数字化”需要对铁路线路及其构 筑物进行三维可视化的输出和展示。因此，三维可视化是铁路“数字化”、信 息化、形象化的必备功能。 通过对g i s 软件技术的发展历程进行分析，针对非组件g i s 的不足和组件 式g i s 的优点，结合铁路线路的特点和对三维可视化的要求，设计出铁路线路 三维可视化c o m g i s 系统框架；在详细分析和研究目前各种三维建模技术的情况 下，根据铁路线路及其构筑物的特点，提出了基于面向对象的c o s 三维建模方 案：结合目前流行的计算机技术、g i s 技术、计算机图形学、组件技术等前沿 技术，提出了开发基于o p e n o i s 的铁路线路构筑物的三维可视化的组件的方案； 并在v i s u mc 十十6 0 环境中开发出铁路桥梁的三维可视化a c t i v e x 组件一 g l g i s c t r l ，该组件可以通过屙陛、方法实现对图形的控制，如放大、缩小、旋 转等。最后，在已有铁路线路横、纵断面数据的基础上，利用m a p x 的相关组件， 在v i s u a lb a s i c 中开发了一个三维可视化6 i s 系统，在这个系统中交互地展示 了自主开发的三维可视化组件。 由于该组件是按照o p e n g l s 的规范和标准设计的，彻底摆脱语言和平台的 束缚，完全符合信息共享的发展趋势，因此不仅可以有效实现铁路构筑物的三 维可视化，而且在城市规划和建设、城市构筑物的三维可视化、以及其他相关 领域中也有很大的实用价值。 关键词：o p e n g i s ，c o m ，构筑物。三维模型，可视化 a b s t r a c t a b s t r a c t d i g i t a lr a i l w a y i st h e i m p o r t a n tm e a s u r et h a tr a i l w a yd e p a r t m e n ti m p r o v e i n f o m a a t i o n a ll e v e l ，t h er a i l w a y si n f o r m a t i o nd e p e n do nt h ed i g i t a lr e c o n n a i s s a n c e a n dd e s i g n ，b u tt h ed i g i t a lo fr e c o n n a i s s a n c ea n dd e s i g nm u s td e p e n do nt h eo u t p u t a n dd i s p l a yo f3 dv i s u a l i z a t i o n ，t h e r e f o r e3 dv i s u a l i z a t i o ni st h e i n d i s p e n s a b l e f u n c t i o no f d i g i t a la n di n f o r m a t i o n a lr a i l w a y f i r s t l y ，t h ed i s s e r t a t i o nd e s i g nt h er a i l w a y3 dv i s u a l i z a t i o nc o m g i ss o f t w a r e f l a m eb ya n a l y z i n gt h et r e n d so fg i ss o f t w a r et e c h n o l o g ys y s t e mi m p r o v e m e n t ， a r m i n ga tt h ed i s a d v a n t a g e so f c o n v e n t i o ng i sa n dt h ea d v a n t a g e so fc o m g i sa n d c o m b i n i n gt h ed e m a n do f3 d v i s u a l i z a t i o na n dt h ec h a r a c t e ro f r a i l w a yl i n e t h a n w i t h a n a l y z i n g a n d r e s e a r c h i n g a l lk i n d so f3 dm o d e la n d a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r r a i l w a y l i n ea n da l lk i n d so fc o n s t r u c t i o n ，t h e p a p e rp u tf o r w a r dt h em o d e lo f o b j e c t - o r i e n t 3 dc g s ；d e p e n d i n go nt h e p o p u l a rc o m p u t e rt e c h n o l o g y 、g i s t e c h n o l o g y 、g r a p h i c sa n dc o m p o n e n tt e c h n o l o g ya n d s oo n ；p u tf o r w a r dt h ep r o j e c t o fr a i l w a yc o n s t r u c t i o n3 dv i s u a lc o m p o n e n tb a s i n go no p e n g i sa n dr e a l i z et h e c o m p o n e n t - - - g l g i s c t r l i nv i s u a lc + + 6 0 t h ec o m p o n e n tc a nc o n t r o lt h e3 d g r a p hb yp r o p e r t i e so rm e t h o d s ，s u c h a sl a r g e r 、s m a l l e r 、r o t a t ea n ds oo n l a s t l y , b y t h ed a t ao f r a i l w a y t r a n s e c ts e c t i o na n dv e r t i c a ls e c t i o n ，t h ea u t h o rd e v e l o p m e n ta3 d v i s u a lg i ss y s t e mi nv i s u a lb a s i cb yc o m p o n e n t so fm a p x t h ec o m p o n e n ti s d i s p l a y e di nt h i ss y s t e m t h e c o m p o n e n t i s d e v e l o p e d b a s e do n o p e n g i s a n dc o n f o r m st ot h e s p e c i f i c a t i o nr e l e a s e db yo g c i tt a k e so f f t h eb o n d a g eo f p r o g r a ml a n g u a g ea n d d e v e l o p m e n tc o n d i t i o na n dc o m p l e t e sm e e t t h et r e n do fd a t as h a r i n g ，t h e r e f o r et h e c o m p o n e n t i sv e r yu s e f u lt or e a l i z et h er a i l w a yc o n s t r u c t i o n3 dv i s u a l i z a t i o n ，a n di t h a st h eg r e a t l yv i r t u eo fa p p l i c a t i o ni no t h e rd o m a i n sa l s o ，s u c ha sc i t yp l a y i n ga n d b u i l d i n g 、3 d v i s u a l i z a t i o no f c i t yc o n s t r u c t i o n sa n ds oo i l k e yw o r d s ：o p e ng e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ，c o m ，c o n s t r u c t i o n ， 3 dm o d e l ，v i s u a l i z a t i o n 独创性声明 v 7 2 0 6 16 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 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作了明 确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：磋迭丛导师签名：显姻鲨日期：三。主 第章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 9 9 8 年1 月当时的美国副总统戈尔提出了“数字地球”，即一种可以嵌入海 量地理数据的多分辨率的三维地球表示，随后人们提出了“数字国家”，“数字 城市”一时间“数字化”的浪潮席卷全球，“数字化”强大魔力也引起了各 国政府部门和科学界的极大关注。我国领导层和学术界也及时提出了“数字中 国”的战略目标。为了实现“数字中国”的战略目标，各级政府部门纷纷制定 了“数字城市”、“数字交通”等目标。铁道部为了迎接信息时代的挑战，也提 出了“数字铁路”的目标，“数字铁路”是对铁路进行三维可视化多分辨率的描 绘，它以线路位置为中心线构造我国铁路的信息模型，建立可视化的铁路基础 空间信息数据集；“数字铁路”将实现铁路资源形象化、数字化、以及通过网络 对铁路信息资源进行处理和共掣”。 1 2 国内外研究的现状 1 2 1 铁路线路勘测设计数字化需要gj s 、需要可视化 “数字铁路”离不开勘测设计的“数字化”，目前，铁路线路的勘测设计软 件基本上还是沿袭着传统的设计方法，以面向二维的思路来开发的。从设计角 度看，这些软件仅模仿了现有的人工设计方法，未能充分发挥计算机的功能。 由干铁路线路的平、纵、横分开设计，一些约束关系不能一目了然，要在几张 图纸上对照检查，这对于设计工作来说，存在着下列不便：不能生成三维图， 单单有纵断面图、平面图和一些高程信息使用户难于对线路有直观的认识和全 面的感受，一些复杂和特殊的关系难干识别等1 2 j 。 基于上述原因，作为二维设计的补充，一方面，有必要对铁路线路进行三 维可视化表达，进一步研究三维问题是必须的，也就是说，铁路线路勘测设计 一1 一 第一章绪论 的“数字化”离不开三维可视化的强大支持。另一方面，铁路线路勘测设计中 大量空间数据的管理是摆在设计人员面前的又一大难题，采用传统的设计理念 和设计手段显然难以有效的处理这一问题，而g i s 由于其具有强大的空间数据 管理能力和强大的“数字化”功能，因此采用g i s 的设计理念和设计手段是解 决铁路线路勘测设计一体化中难题的有效手段。总之，铁路线路勘测设计“数 字化”需要依靠g i s 来实现。 1 2 2 铁路勘测设计中三维可视化的实现方法 通过前面的分析我们知道，“数字化”是铁路进行设计、施工、管理发展的 趋势，而“数字铁路”离不开铁路勘测设计中三维可视化技术，目前铁路勘测 设计中三维可视化的实现方法主要有如下两类： ( 1 ) 基于c a d 的三维可视化技术 由于长期以来c a d 在铁路勘测设计中一直占据主流地位，目前勘测设计一 体化软件中的三维可视化功能大多是基于c a d 来实现的，比如通过c a d 的三 维造型功能实现或通过c a d 进行二次开发来实现。其中具有代表性的是以长沙 铁道学院的詹振炎教授为首开发的“铁路线路三维可视化设计系统”，另外一些 系统也实现了三维可视化的部分功能。在铁路选线设计的现代理论和方法 中，詹振炎教授对铁路线路的三维可视化设计进行了研究，提出了铁路三维可 视化的一般的方法，主要是基于d e m 构建的三维模型，并在其基础上进行处理， 将所要处理的模型在选定的图形环境中绘出( 如a u t o c a d ) ，用户可以选出不同 的视点来观察三维图像，也可模拟照相机的功能来得到透视图从而实现三维景 观透视。此外，用户也可以将图形输出在专业软件( 如3 d m a x ) 中选择灯光材 料摄像机路径及视角然后逐帧进行渲染，渲染后的图像按一定的幅数进行播放 实现动画漫游口j 。 ( 2 ) 基于g i s 的三维可视化技术 地理信息系统( g i s ) 起源于2 0 世纪6 0 年代，经过近三十年的发展已取得 了相当大的成就。近年来，随着i t ( i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ) 的迅猛发展，g i s 已经进入产业化阶段，g i s 以其特有的对空间数据进行管理、决策、分析和查询 的能力为“数字化”的发展注入新的活力，特别是以g i s 为主的3 s 技术( g i s 、 一2 一 第一章绪论 g p s 、r s ) 已经为各行各业的迅速发展提供了强大的信息支持。目前g i s 已广 泛应用于铁路线路的勘测、设计、运营、管理等各种不同的领域，发挥了巨大 的作用。 目前基于g i s 的三维可视化发展迅速，一些具有三维可视化输出功能的软 件相继推出，人们希望g i s 可以对一些具有三维形态的实体以三维的形态进行 展示，即能在三维空间数据的支持下，按照三维世界来进行处理地理空间数据， 即3 d g i s 。但在铁路线路勘测设计体化中运用g i s 和相关计算机图形学技术 进行三维可视化研究还处于起步阶段。 1 2 3 可视化的分类 可视化理论和技术应用于g i s 开始于2 0 世纪9 0 年代初。当前的可视化技 术已经远远超出了传统的符号化及视觉变量表示法，进入了动态、时空变化、 多维可交互条件下探索视觉效果和提高视觉功能的阶段。其重点是将需要进行 三维表示的的环境与事物，以动态直观的方式表示出来。 近年来，由于在计算机辅助设计、工程设计、施工、建设中对三维可视化 的需求越来越多，三维构筑物立体建模，透视显示等功能成为三维g i s 的基本 功能。目前的可视化技术分为如下几类： ( 1 ) 图像覆盖技术 图像覆盖技术是一种g i s 的图像处理技术，例如把一幅数字正摄像或卫星 影像覆盖到3 d 透视图上，但缺点是不易实现构筑物的动态观测和构筑物局部容 易出现失真。 ( 2 ) 二维视频影像制作 二维视频影像制作是借助数字影像的剪贴来表示景观变化，通常要利用各 种图形软件来实现。 ( 3 ) 二维、三维混合可视化 二维、三维混合可视化是以上两种技术的综合，其难点在于如何精确建立 影视图像与g i s 生成的3 d 透视框架之间的地理基准关系。 ( 4 ) 三维几何造型 三维几何造型是对城市构筑物、工程设计中道路、桥梁、隧道、车站、涵 1 一 第一章绪论 洞等构筑物进行三维几何模型化技术，将各种构筑物组合起来则可产生不同视 角景观图。 1 2 4 铁路线路三维可视化中存在的问题 近年来，铁路勘测设计中三维可视化以及其他行业中的三维可视化直是 大家关注的焦点，但由于“真三维”技术在数据采集、数据建模、数据存储、 拓扑关系等相关领域相对复杂，因此，目前还没有形成共识，三维可视化技术 仍是业界研究的热点问题。长期以来，铁路线路的勘测设计中平、纵、横的设 计大多是在c a d 平台上完成的，因此铁路线路三维可视化中许多专家也纷纷选 用a u t o c a d 作为三维可视化的开发平台，虽然这些软件实现了三维可视化的部 分功能，但主要存在如下问题： ( 1 ) 软件的通用性上受到限制 由于这些软件的三维可视化功能是在c a d 的环境下通过二次开发实现的， 这些软件不仅在与其他g i s 平台软件进行信息共享时存在困难，而且这些软件 在运行却不能离开c a d 的开发环境，要想实现数据的分析、查询功能就必须把 这些数据导入其他g i s 系统，因此它们的跨平台实现功能受到很大限制。 ( 2 ) 三维造型功能相对较弱 这些基于c a d 平台开发的三维可视化的软件的三维造型功能相对较弱，虽 然a u t o c a d 在二维图形领域具有很大的市场且功能强大，但其三维造型功能却 相对较弱。 ( 3 ) 难于交互 这些在c a d 和3 d m a x 中生成的三维动画只能为人们被动播放，而不能进 行交互、不能为人们所控制，而勘测设计的“数字化”需要的是可交互的“三 维可视化”不是简单的图形图像的浏览。因此这些通过三维动画来表现三维对 象的“三维可视化”并不能满足铁路线路勘测设计一体化的要求。 总之，由于采用c a d 平台在实现铁路线路构筑物三维可视化中存在如上问 题，因此我们必须选择更好的开发方法和技术来实现铁路线路构筑物的三维可 视化功能。 4 第一章绪论 1 3 三维可视化的发展趋势 自2 0 世纪6 0 年代世界上第一个地理信息系统加拿大地理信息系统( c g i s ) 问世以来，经过四十年的发展，g i s 系统软件日趋成熟和完善。地理信息系统逐 渐从门技术发展成为一门独立的新型学科，其产品已服务于各行各业，进入 千家万户。由于三维可视化在信息输出方面具有巨大优势，因此成为未来g i s 必备功能。随着计算机技术以及其他相关技术的飞速发展，三维可视化只有在 与其他先进技术充分结合的情况下才能更好的发挥其优势，更好的为铁路事业 以及整个国家经济和建设服务。 ( 1 ) 三维可视化与面向对象技术的结合 由于地理信息系统的软件采用图形和属性分开管理的数据模型，即实体的 图形数据用拓扑文件存储和管理，属性数据用关系型数据库管理，两者通过唯 一的标识符进行连接，这种数据模型不利于空间数据的整体管理，使g i s 的开 放性和互操作性受到限制，数据共享和并行处理无保证。 因此，人们开始寻求一种能统一管理图形数据和属性数据的数据模型来表 达三维空间的物体和现象，面向对象的技术将现实世界的实体抽象为对象，利 用空间数据抽象技术可以构建复杂的三维地理实体。并且，面向对象的技术构 建的三维实体更符合人们的思维和习惯，也更易于管理。 ( 2 ) 三维可视化与3 d g i s 的结合 3 d g i s 是随着计算机可视化技术和2 d g i s 的成熟而逐渐发展起来的，并在 2 0 世纪9 0 年代初开始为人们所关注【4 】。虽然目前二维g i s 已经相对成熟，但由 于三维g i s 在数据的采集、管理、分析、表示和系统设计等方面要比二维g i s 复杂得多，因此目前还没有真正意义上的3 d g i s 。人们在研究如何设计、实现 三维空间数据结构的同时，也把如何对实体进行三维可视化实体展示作为一个 重要的方向进行研究，即如何利用现在计算机技术特别是计算机图像学的知识 来实现实体的三维可视化展示。 ( 3 ) 三维可视化与i n t e m e t 及w e b g i s 的结合 近年来，i n t e m e t 的迅速发展为g i s 的发展和普及提供了新的机遇，i n t e m e t 第一章绪论 已成为g i s 新的操作平台。i n t e r n e t 与g i s 的结合即w e b g i s 为用户提供了数据 浏览、查询、图形制作、可视化和分析的功能。他改变了地理数据的获取、传 输、发布、共享、应用和可视化的过程和方式，同时也对g i s 提出了新的要求， 比如：目前用户已不满足于传统的二维g i s 的地图输出功能，而希望在网上浏 览到真实的三维实体。因此三维可视化技术与w e b g i s 的结合将使g i s 的更方 便、更普及。 ( 4 ) 三维可视化与虚拟现实技术的结合 虚拟现实( v i r t u a l r e a l i t y ) 是一种最有效的模拟人们在自然界环境中视、听、 动等行动的人机交互技术，是当代信息技术高速发展的产物。从本质上来说， 虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，通过计算机建立一种仿真数字环境， 即将数据转换成图像、声音和触觉等感受，利用多种传感设备使用户投入到“真 实”的环境中去。用户可以如同在真实的环境中那样处理计算机所产生的三维 虚拟物体。将虚拟现实技术引入g i s 将使g i s 更将具有吸引力，采用虚拟现实 的三维可视化技术可以在三维空间中模拟和重建逼真的、可操作的地理三维实 体。g i s 用户在客观世界的虚拟环境中将能更有效的管理和分析空间数据。总之， 虚拟g i s 系统是g i s 又一发展方向，而虚拟g i s 系统是建立在三维可视化技术 强大支持的基础上的。 总之，三维可视化技术将会大大加速g i s 的发展进程。未来的发展中，用 户不仅希望能对构筑物、城市建筑、三维物品造型等进行多角度、多方位的观 察，更希望这些三维可视化系统能够具有查询功能、分析功能、甚至可以对图 像及其属性进行直接操作。用户同样希望可以通过设置相关的参数来与计算机 进行交互。三维可视化技术的强大功能已经对传统的二维g i s 造成威胁，三维 可视化技术的强大魔力将使未来的g i s 功能更强大，更实用。另外，把基于g i s 的三维可视化技术应用于铁路线路的勘测设计之中，将大大提高铁路线路的勘 测设计水平，是“数字铁路”的发展方向【5 q o 】。 1 4 论文研究背景及主要内容 通过查阅国内外大量文献资料，结合当前流行的g i s 技术，计算机技术、 一6 一 第一章绪论 计算机图形学技术，本论文( 自选) 针对三维可视化在铁路线路勘测设计领域 中存在的问题，提出了相应的解决方案。 1 4 1 研究的目标 ( 】) 根据铁路线路勘测设计一体化的特点，结合目前流行的计算机技术，g i s 开发技术、计算机图形学、组件技术等前沿技术，充分分析各种开发方式、开 发语言、三维造型语言、组件平台的基础上提出了开发基于o p e n g i s 的铁路构 筑物的三维可视化的组件的方案。 ( 2 ) 在详细分析和研究目前各种三维建模技术的情况下，提出了基于面向对 象的c g s 三维建模方案。 ( 3 ) 在回顾g i s 软件开发历程的基础上，结合组件式g i s 的开发优势，提出 了铁路线路的三维可视化组件式g i s 的开发框架。 ( 4 ) 在已有铁路线路横纵断面数据的基础上，利用m a p x 的相关组件，在 v i s u a lb a s i c 中开发了一个简单的三维可视化g i s 系统，在这个系统中交互的展 现了自主开发的桥梁三维可视化组件g l g i s c n l 。 1 ，4 2 研究的技术路线与方法 在查阅大量的国内外文献的基础上，认为“数字化”是i t 发展的必然趋势， “数字铁路”是铁路部门提高信息化水平的重要手段，铁路的“数字化”离不 开勘测设计的“数字化”，而勘测设计的“数字化”需要对铁路线路及其构筑物 进行三维可视化的输出和展示，因此，三维可视化是铁路线路“数字化”、信息 化、形象化的必备功能。 既然三维可视化在铁路线路的数字化中如此重要，因此如何实现铁路线路 的三维可视化是我们必须解决的问题。 通过对g i s 的软件技术的发展历程进行分析，针对非组件g i s 的不足和组 件式g i s 的优点，针对铁路线路的特点和对三维可视化的要求，设计出铁路线 路三维可视化设计框架；作者详细分析了各种三维建模方法，根据铁路线路及 其构筑物的特点，提出了基于面向对象的c g s 三维建模方案；结合目前流行的 计算机技术，g i s 开发技术、计算机图形学、组件技术等前沿技术，充分分析各 1 一 第一章绪论 种开发方式、开发语言、三维造型语言、组件平台的基础上，提出了开发基于 o p e n g i s 的铁路线路构筑物的三维可视化组件的方案，并在v i s u a lc + + 6 0 环境 中开发出铁路桥梁的三维可视化a c t i v e x 组件- - g l g i s c t r l 。最后，在已有铁路 线路横、纵断面数据的基础上，利用m a p x 的相关组件，在v i s u a lb a s i c 中开发 了一个简单的三维可视化g i s 系统，在这个系统中交互的展示了自主开发的三 维可视化组件。 由于该组件是按照o p e n g i s 的规范和标准设计的，摆脱语言和平台的束缚， 完全符合g i s 的发展趋势，因此不仅可以实现铁路构筑物的三维可视化，而且 该组件在城市规划和建设、城市构筑物的三维可视化、以及其他相关领域中也 有一定的实用价值。 一8 一 第二章铁路线路三维可视化设计框架 第二章铁路线路三维可视化设计框架 为了更好的开发满足铁路线路勘测设计“数字化”需要的三维可视化g i s 系统软件，我们必须选择合适的g i s 开发方案，在选择之前我们有必要回顾一 下g i s 软件开发历程。从发展历程看，g i s 软件技术体系可以划分为两个阶段， 即非组件式g i s 阶段和组件式g i s 阶段。 2 1 g i s 软件开发的历程 2 1 1 非组件式g i s 阶段 非组件式g i s 阶段是指在组件式g i s 出现之前的阶段，包括如下四个阶段： ( i ) 模块式g i s 在g i s 发展的早期阶段，由于受到技术的限制，g i s 软件只是满足于某些功 能要求的一些模块，没有形成完整的系统，各个模块之间不具备协同工作的能 力。这一阶段可以称为模块式g i s ( g i sm o d u l e s ) 阶段。 ( 2 ) 集成式g i s 随着理论和技术的发展，各种g i s 模块走向集成，逐步形成大型的g i s 软 件包( g i sp a c k a g e ) ，我们暂称之为集成式g i s ( i n t e g r a t e dg i s ) ，如e s r i 的 a r c i n f o 、g e n a s y s 的g e n a m a p 等均为集成式g i s 的典型代表。集成式g i s 是 g i s 发展的一个重要里程碑，其优点在于其集成了g i s 的各项功能，形成独立完 整的系统：而其缺点在于系统过于复杂、庞大，从而导致成本高，也难于与其 它应用系统集成。 ( 3 ) 模块化g i s 另一类为模块化g i s ( m o d u l a rg i s ) ，代表软件为i n t e r g r a p h 的m g e 。模块 化g i s 的基本思想是把g i s 按照功能划分为一系列模块，运行于统一的基础环 境之上( 如m i c r o s t a t i o n ) 。尽管许多集成式g i s 软件也可以划分为几个模块，但 模块化g i s 软件的模块被有目的地划分得更细。模块化g i s 具有较大的工程针 一。一 第二章铁路线路三维可视化设计框架 对性，便于开发和应用，用户可以根据需求选择所需模块。但无论是集成式g i s 或是模块化g i s ，都很难与管理信息系统( m i s ) 以及专业应用模型一起集成高 效、无缝的g i s 应用软件。 ( 4 ) 核心式g i s 为解决集成式g i s 与模块化g i s 的缺点，提出了核心式g i s 的概念。核心 式g i s 被设计为操作系统的基本扩展。w i n d o w s 系列操作系统上的核心式g i s 提供了一系列动态链接库( d l l ) ，开发g i s 应用系统时可以采用现有的高级编程 语言，通过应用程序接口( a p i ) 访问内核所提供的g i s 功能。除了一些基本的动 态链按库以外，实现各种功能的动态链接库可以被拆卸和重组，它提供了动态 链接库一级的更底层的组件化方式，给用户提供较大的灵活性。对数据库管理 要求较高的用户甚至可以选择m i s 开发工具来构造g i s 应用软件，为g i s 与 m i s 的无缝集成提供了全新的解决思路。 2 1 2 组件式g i s 阶段 随着计算机软件技术的发展，g i s 组件化发展到了一个全新的阶段，出现了 组件式g i s ( c o m p o n e n t s g i s ， 以下简称c o m g i s ) 。所谓c o m g i s ，是指基于组 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来“集 成”具有相关功能的g i s 系统。这些组件称为g i s 组件，g i s 功能组件之间以 及g i s 功能组件与其他非g i s 功能组件之间可以通过标准的通信接口实现交互， 这种交互甚至可以跨计算机实现。组件式g i s 不是一种小技术在g i s 软件开发 中的应用，而是一种全新的g i s 软件技术体系。组件式软件技术不仅仅是在g i s 领域，而且给整个软件产业带来了一场技术革命。 组件式g i s 基于组件对象平台，具有标准的接口，允许跨语言应用，因而 使g i s 软件的可配置性、可扩展性和开放性更强，使用更灵活，二次开发更方 便。组件式g i s 不仅可以成功地解决非组件式g i s 在软件开发、应用系统集成 和用户学习使用等方面面临的匿难，而且有利于降低成本，具有无限扩展性等 特点。因此，国际上大多数g i s 软件公司开始把开发组件式g i s 软件作为重要 的发展战略，组件式g i s 是当今g i s 发展的重要趋势。 1 0 一 第二章铁路线路三维可视化设计框架 2 2 非组件式g i s 与组件式g l s 的比较 2 。2 1 非组件式g i s 开发方案面临挑战 近年来，随着计算机技术、i n t e r n e t 技术、计算机图形学等相关学科的飞速 发展以及用户对g i s 软件也提出越来越高的要求，这样非组件式g i s 软件逐渐 暴露出一些不足和缺陷，在一定程度上限制了其进一步发展和应用。特别是全 球信息技术的飞速发展、面向对象技术、可视化程序设计、组件技术、分布式 计算技术、多媒体技术和i n t e m e t 技术等不断出现和广泛应用，对g i s 提出了新 的技术要求，这些非组件式g i s 技术体系面临着严峻的挑战。 ( 1 ) 开发负担重 基础软件开发负担过重是非组件式g i s 所面临的重要问题之一。g i s 为各个 应用领域提供了强大的开发工具，同时，这些领域也对g i s 在性能和功能方面 不断地提出更高的要求。为此，g i s 基础软件开发者不得不在g i s 软件中实现各 种各样的功能，使得g i s 软件变得日益庞大和臃肿，g i s 基础软件开发者的负担 也同益加重。 为了使g i s 软件成为一个完整的系统，开发者除了在软件中实现g i s 的各 种功能与算法外，还不得不做许多与g i s 底层技术本身无关的工作。另外，专 业软件中已经很成熟的功能，比如各种数据库开发商多推出了功能完备的数据 库管理软件，但目前的绝大部分商业g i s 软件中还是不得不“自成体系地”提供 这些功能，导致了g i s 软件与其他软件之间的大量重复劳动，不仅给使用者增 加了学习和掌握g i s 软件的负担，而且实现效果也不一定好。 ( 2 ) 集成困难 非组件式g i s 的另一个缺陷是集成困难。建设一个g i s 应用系统，实际上 是对空间数据、g i s 软件和各种应用模型进行集成。资源和设施管理的g i s 应用 软件更是要求g i s 和管理信息系统( m i s ) 乃至办公自动化( o a ) 之问的有机结合， 对g i s 系统集成方案提出了很高的要求。但是非组件式g i s 软件封闭的、独成 体系的结构使得g i s 很难与应用模型、m i s 或o a 实现高效的、有机的集成。 ( 3 ) 开发语言之间存在壁垒 一1 1 第二章铁路线路三维可视化设计框架 开发语言也是非组件式g i s 一直存在的问题之一。绝大多数g i s 软件都提 供了至少一套自成体系的二次开发语言，以便用户设计符合自己需要的g i s 应 用系统。在众多的g i s 开发语言中，有些采用新的语法结构编制了自己的宏语 言，比如a r c i n f o 的a m l s m l 等；另外一些刚采用了某种传统的程序设计语 言的语法结构，比如m i c r o s t a t i o n 的m d l 和a t l a s 的s c r i p tc 提供了是基于c 语言的二次开发语言，m a p l n f o 提供了m a p b a s i c 语言作为程序二次开发语言。 每种形式的开发语言都定义一套自己的语法结构，不管该语言有多简单， 用户和应用开发者都需要花一定的时间和精力去熟悉其语法结构、流程控制以 及大量的功能函数，才能进行g i s 应用系统的编码实现。这种在业界中没有规 范的开发语言让用户难以适应，功能越强的g i s 开发语言，用户需要越多的时 间才能掌握。 ( 4 ) 普及困难 难于普及是阻碍g i s 应用推广和进一步发展的绊脚石。g i s 发展至今，尽管 已经有不少比较成熟的软件系统，但这些软件大都功能繁多且系统庞大，熟悉 和掌握这些软件不是一般的非专业技术人员容易做到的。另外，对大多数用户 而言，往往只需要g i s 中的一部分功能，仍然不得不为那些弗不需要的功能花 费额外的资金和精力。这两个方面的问题都给g i s 技术的普及和大众化带来困 难，然而，在日常生活和工作中要处理许多与地理空间有关的事务，g i s 应当作 为一个为大众服务的工具，而不是一个令人望而却步的专家工具。因此，普及 g i s 技术、使g i s 软件大众化，应是g i s 软件开发者的基本开发目标之一。 综上所述，由于非组件式g i s 软件存在上述缺陷，在软件开发、系统集成 加大了系统开发的难度，在i t 技术迅猛发展的今天，模块式g i s 目前已基本淘 汰，昔日辉煌的核心式g i s ，如目前g i s 界广泛使用的是以a r c i n f o 、m a p l n f o 、 a r c v i e w 等为代表的集成式g i s 软件和以m g e 为代表的模块化g i s 软件，已经 逐渐不适应时代的发展，迫切需要一种新型的g i s 软件技术体系，以满足目益 增长的g i s 应用需求，并跟上软件技术发展的潮流。组件式g i s 正是这样一种 全新的g i s 软件技术体系。 2 2 2 组件式g l s 开发优势 一1 2 第二章铁路线路三维可视化设计框架 随着计算机软件技术的发展，g i s 组件化发展到了一个全新的阶段，出现了 组件式g i s ( c o m p o n e n t s g i s ，缩写为c o m g i s ) 。组件式g i s 基于标准的组件式 平台，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。一般说来，组件式g i s 具有如下优点： ( 1 ) 小巧灵活、开发简单、功能强大 在组件模型下，各组件都集中地实现与自己最紧密相关的系统功能。组件 化的g i s 平台集中提供空间数据管理能力，并且能以灵活的方式与数据库系统 连接。在保证功能的前提下，系统表现得小巧灵活，而其价格仅是非组件式g i s 开发工具的十分之，甚至更少。这样，用户便能以较好的性能价格比获得或 开发g i s 应用系统。另一方面，新的g i s 组件都是基于3 2 位系统平台的，可以 直接调用，所以无论是管理大数据的能力还是处理速度方面均不比非组件式g i s 软件逊色。小小的g i s 组件完全能提供拼接、裁剪、叠合、缓冲区等空间处理 能力和丰富的空间查询与分析能力。因此，组件式g i s 具有小巧灵活、开发简 单功能强大的优点，非常适合于单位和个人进行专业系统的设计。 ( 2 ) 支持直接嵌入和无缝集成 由于非组件式g i s 软件存在先天的不足，因此无论如何都不能实现系统无 缝的系统集成。组件的生产建立在严格的标准之上，因此，凡符合标准的组件 都可在目前流行的各种开发工具上使用。组件式g i s 由于采用了全新的设计方 案，因此成功的解决了这一问题。组件式( 3 i s 是解决非组件式g i s 弊端的理想 方案。 使用组件式g i s 构造应用系统的基本恩路是；让g i s 组件做g i s 的工作， 其他功能让其他的组件去完成，g i s 组件与其他组件之间的联系由可视化的通用 开发语言来建立( 如：v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、d e l p h i 、p o w e r b u i l d e r 、n o t e s 、 f o x p r o 、a c t e s s 等都可直接成为g i s 或g m i s 的优秀开发工具，它们各自的优 点都能够得到充分发挥。这与非组件式g i s 专门性开发环境相比，是一种质的 飞跃1 。由这些开发语言建立了应用系统的框架，g i s 功能组件和其他组件提供 了实现具体功能的“积木”，这些“积木在框架的组织下构成运行的应用系统。各 种g i s 组件负责提供了实现g i s 各项功能的组件，专业模型则可以使用这些通 用开发环境来实现，也可以插入其它的专业性模型分析控件或自己编写自主知 一13 第二章铁路线路三维可视化设计框架 识产权的功能组件。组件式g i s 可以实现高效、无缝的系统集成，如g i s 与办 公自动化的集成、g t s 与g p s 数据远程网络传输和g i s 与各种三维可视化组件 的集成以实现对城市景观各种工程构筑物的可视、漫游、或虚拟现实的功能。 ( 3 ) 跨语言使用 非组件式g i s 一般都提供一套独立的二次开发语言，如a r c i n f o 的a m l 、 m g e 的m d l 、m a p i n f o 的m a p b a s i c 等。这既是g i s 基础软件开发者的负担， 也给用户带来学习上的负担；而且使用系统所提供的二次开发语言，开发能力 受到限制，难以处理复杂问题。组件式g i s 不需要专门的g i s 二次开发语言， 只需实现g i s 的基本功能函数，按照m i c r o s o f t 的a c t i v e x 控件标准开发接口。 有利于减轻g i s 软件开发者的负担，而且增强了g i s 软件的可扩展性。组件式 g i s 的用户则不必掌握专门的g i s 开发语言，只需熟悉基于w i n d o w s 平台的通 用集成开发环境，以及组件式g i s 各个控件的属性、方法和事件，就可以完成 应用系统的开发和集成。组件式g i s 控件可以跨语言使用，目前，可供选择的 开发环境很多，如v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、v i s u a lf o x p r o 、b o r l a n dc + + 、d e l p h i 、 c 十+ b u i l d e r 以及p o w e rb u i l d e r 等。 ( 4 ) 推动大众化进程 随着地理信息系统的迅速发展和普及，当今g i s 系统朝着两个方向发展： 一方面，g i s 的应用正在从数据库建立转向数据使用，目前由于o p e n g i s 的迅 速发展，g i s 的信息共享和互操作称为g i s 的发展趋势：另一方面，g i s 将从专 家型系统向大众化方向发展，新型g i s 系统将更加易于使用、更加个性化和更 加小巧和功能强大。组件式g i s 的出现不仅推动了g i s 的发展，而且是实现这 一转变的唯一手段，组件技术将推动g i s 大众化的进程。 ( 5 ) 成本低且扩展性好 由于非组件式g i s 结构的封闭性，系统为了实现一个功能，就必须在原系 统中进行修改、重新编译、使得软件变得越来越庞大，也越来越难以维护，而 且不同系统之间交互性差，系统的开发难度大。组件式g i s 以控件的形式提供 空间数据的采集、存储、管理、分析和模拟等功能，至于其他非g i s 功能( 如关 系数据库管理、统计图表制作等) 则可以使用专业厂商提供的专门组件。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 一1 4 第二章铁路线路三维可视化设计框架 中挑选需要的组件与组件式g i s 一起集成应用系统，极大地扩展了g i s 的功能。 总之，基于a c t i v e x 技术的组件式g i s 控件可以容易地与其他a c t i v e x 控件 进行集成，而且c o m g i s 本身也是组件大家族中的一员，这些地理信息系统的 组件也在为其他各行各业提供服务，即按照组件思想设计的g i s 系统具有开发 成本低廉和无限的扩展性。 ( 6 ) 支持可视化界面设计 支持组件技术的开发语言几乎多支持可视化的程设计，如v i s u a lb a s i c 、 v i s u a lc + + 、d e l p h i 、p o w e r b u i l d e r 、n o t e s 等都可作为g i s 的优秀开发工具，实 现所见即所得的效果。可以使用a c t i v e x 控件的开发语言几乎都支持可视化程序 设计，因此，使用组件式g i s 控件集成应用系统，能可视化地设计系统界面， 实现所见即所得的界面设计。相反，使用非组件式g i s 软件进行二次开发则需 要反复的猜测和实验。 随着开放式地理信息系统( o p e n g i s ) 的发展，信息共享和互操作的呼声越 来越高，数据共享和互操作已成为o p e n g i s 的基本要求和必备条件。因此，