基于.NET的插件式GIS应用系统框架设计

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1、引言

目前，在笔者所从事的国土行业的大部分GIS管理系统都具有功能类似，业务却不尽相同的特性，为了达到功能上的复用和快速灵活的修改现有程序，加快项目开发进度和效率，必须有稳定的系统框架供项目开发选择。从目前主流的GIS二次开发平台来看，在开发桌面端GIS系统的时候，系统的框架大部分是相同的，这就更需要我们在实际开发中，有一个于GIS开发平台之外的系统架构，来满足不同项目对GIS平台的选择。另外，对于不同的系统目标来讲，用户的操作模式可能也不尽相同。例如，对于侧重数据编辑的系统来讲，注重的是系统编辑方式的便捷性；对于注重数据处理业务的系统来讲，注重的是业务逻辑之间的衔接关系。本文结合作者的实际工作经验，对插件式GIS系统框架设计进行了探讨。

本文首先介绍了插件的原理和实现方法，接着讲述了框架设计的原则和系统架构设计，最后是总结。

2、插件原理及实现

任何一个程序都是由不同的功能模块所组成的，一般在GIS软件中，软件许可都是按照模块来进行定制和收费的。在一些GIS软件及类似软件中，都允许添加用户自定义功能到软件中。在实现的方式上，有些就应用了插件技术，例如ArcGIS软件允许加载自定义的功能动态库（dll文件），并拖放到ArcGIS软件的工具栏上，这就是一种插件技术的应用。插件，既可以是功能按钮，也可以是功能按钮组成的工具栏，甚至可以是自定义的控件。

2.1插件原理

插件是一种遵循统一预定义接口规范编写出来的程序，应用程序在运行时通过接口规范对插件进行调用，以扩展应用程序的功能。插件最典型的例子就是ActiveX控件和COM组件，对插件进行接口管理和调用的应用程序一般称之为宿主程序。不同的软件对自己的功能插件的定义都不尽相同，但原理都一样。正是基于这一点，我们可以在GIS应用程序的开发中定义自己插件。在.NET开发环境下，可以利用反射机制来读取封装在功能模块中的插件。

2.2插件实现

要想在应用程序中实现插件功能，必须解决以下三个问题。第一，插件接口规范的定义，即定义插件；第二，实现插件的加载/卸载，即管理插件；第三，实现插件功能的调用，即调用插件。

1、插件的定义

在实际编码时，可以将插件用接口（interface）来实现，并定义插件规范所必须的一些属性和方法。以下是定义代码：

public interface IPlugCommand

        {       

            //插件功能组名称，相当于工具栏标题

            string CatalogName { get; }

            //插件功能名称，相当于功能按钮名称

            string Name { get; }

            //功能唯一标识码

            string GUID { get; }

            //位图，用于按钮图标的显示

            Bitmap Bitmap { get; }

            //插件功能描述，相当于功能按钮提示符

            string Describe { get; }

            //执行插件功能

            void Excute();

            //插件功能是否满足执行的条件

            bool Enable();

            ///插件功能是否执行完毕

            bool Finish();

    }

2、插件管理

（1）插件功能组定义

public interface IPlugCommandGroup

        {

            //插件组名称，相当于工具栏名称

            string Name { get; }

            //插件功能个数

            int CommandCount { get; }

            //插件路径

            string PathName { get; }

            //按序号获取插件

            IPlugCommand GetCommandAt(int index);

            /// 根据插件唯一标识guid查找插件      

            IPlugCommand FindCommandByGUID(string guid);

            /// 根据插件名称查找插件        

            IPlugCommand FindCommandByCommandName(string commandName);

            /// 根据插件唯一标识guid值删除命令

            bool RemoveCommandByGUID(string guid);

            /// 卸载所有插件

            void RemoveAllCommand();

            // 添加插件

            bool AddCommand(IPlugCommand command);

            /// 装载插件

            bool LoadCommand(string strPath);

    }

（2）插件管理器定义

public interface IPlugCommandManager

{

///功能组个数

            int GroupCount { get; }

            ///添加功能组

            bool AddGroupCommand(IPlugCommandGroup commandGroup);

            ///卸载功能组

            bool RemoveGroupCommand(string groupName);

            ///根据功能组序号获取功能组

            IPlugCommandGroup GetCommandGroupAt(int index);

            /// 根据功能组名称查找功能组

            IPlugCommandGroup FindGroupCommand(string groupName);

            /// 根据插件唯一guid值查找插件

            IPlugCommand FindCommandByGUID(string guis);

            /// 从配置文件读取要加载的插件路径并加载插件

            bool LoadFromXMLFile(string strFileName);

            /// 将插件路径写入配置文件

            bool WriteToXMLFile(string strFileName);

    }

3、插件的实例化及调用

（1）插件的实例化

插件的实例化可以采用.NET的反射机制进行读取和实例化，实例化代码如下：

//根据插件实力化名称和插件名称创建插件

private  IPlugCommand LoadObject(string className, string interfaceName, object[] param)        

        {

            Type t = Type.GetType(className);

            if (t == null || !t.IsClass || !t.IsPublic || t.IsAbstract 

|| t.GetInterface(interfaceName) == null)

            {

                return null;

            }

            object obj = Activator.CreateInstance(t, param);

            return (IPlugCommand) obj;           

        }

        //加载给定路径的插件

        public bool LoadCommand(string strPath)

        {            

            // 获取插件接口名称

            string interfaceName = typeof(IPlugCommand).FullName;

            // 载入插件文件

            Assembly asm = Assembly.LoadFile(strPath);

            if (asm == null)

            {

                return false;

            }

            foreach (Type t in asm.GetExportedTypes())

            {               

                // 载入插件，如果插件不符合指定的接口，则返回null

                IPlugCommand plugin = LoadObject(t.AssemblyQualifiedName, interfaceName, null);

                if (plugin != null)

                {

                    //将插件加入插件组

                    AddCommand(plugin);

                }

            }

        }

（2）插件的调用

当应用程序加载了插件以后，会自动生成插件对应的工具条和工具按钮，并将插件的唯一标识guid存储到功能按钮的属性中，当用户在界面上点击功能按钮时，在从属性中读取功能按钮的唯一标识guid，并根据该guid在插件管理器中查询到该插件，并调用插件的执行函数即可。

3、插件式GIS应用系统框架的设计原则

为了增加插件式GIS系统框架的柔韧性和灵活性，笔者尽量按照一定的原则去设计系统，在实际工作中，主要遵从以下几个原则：

1、GIS平台无关性

在国土信息化建设的过程中，制定总体解决方案时往往包含一系列的系统，如数据管理系统，辅助决策支持系统、督查巡查系统、电子政务系统，在信息化逐步实施的过程中，往往就决定了系统所采用的GIS二次开发平台，这就决定了项目实施方必须具备多个GIS平台的应用系统开发的能力。为了达到程序资源的最大化利用，插件式GIS框架的定义和实现需要具备与平台无关的特性，具体到某个GIS平台的二次开发时，只需要实现插件式GIS框架所规定的接口即可。

2、业务模块的低耦合性

每一个业务系统，都有系统相关的特定资源，这样就要求GIS应用系统的框架需要与具体的业务剥离开来，我们在针对某一具体的应用领域开发应用系统时，都可以基于该框架延伸出新的应用系统框架。例如当侧重于数据的编辑时，可以加入编辑所需要的系统环境，生成数据编辑处理系统框架；当侧重于数据管理时，可加入数据管理所需要的系统登录信息、数据存储信息等系统资源的初始化功能，生成数据管理系统框架；当实时处理督查巡查相关业务数据的时候，也可以加入督查巡查业务所需要的资源环境，生成督查巡查业务系统框架。

3、用户操作模式的统一性

不同的GIS软件，对于用户操作的模式是不一样的，二次开发时改变当前操作的方式也不一样。所以框架需要封装不同GIS软件的操作模式，反映出统一的用户操作体验。同时为了封装用户和界面的交互，需要提供一系列的对象供开发插件时使用。这样使得功能开发时，开发人员只需要利用框架提供的对象实现功能要素（空间对象，用户输入值等）的获取，而不必关心系统表现的形式。

4、插件式GIS系统框架的架构设计

基于上述的设计原则，笔者所实现的插件式GIS应用系统架构如下图所示：

架构设计采用分层架构的模式，共分为5层。最底层是应用程序框架定义层，接着是操作定义层，然后是框架视图和用户操作的实现层，第二层是业务组件和功能插件层，最上层是系统应用层。

4.1框架定义层

框架定义层是与GIS平台无关的层，主要实现系统框架的定义，主要包含插件定义和实现模块、插件管理和实现模块、视图定义模块以及框架定义模块，各部分功能描述如下：

插件定义和实现模块：实现插件接口的方法和属性定义，以及公共实现接口和方法类。

插件管理和实现模块：实现插件管理器接口的方法和属性定义以及实现类。

视图定义模块：实现各种应用视图的定义，包括地图窗口、打印窗口、属性窗口、图层记录集窗口等等。

框架定义模块：实现和系统应用框架接口定义，主要包括管理用户界面资源的接口和管理应用相关环境变量的接口。

4.2操作定义层

操作定义层是与具体GIS平台无关的层，实现各种操作定义模块和核心函数，主要功能模块描述如下：

操作定义模块：实现操作接口的定义，如获取地图点坐标，获取用户选择要素等一系列的操作定义。

核心函数模块：实现一些和GIS操作无关的核心函数，如解析求点，求两点之间角度等函数。

核心命令模块：实现一些GIS扩充命令的接口，以便在实现gis操作时重载。

草图绘制定义模块：实现地图草图绘制接口的属性和方法定义，主要用于用户在地图窗口绘制和修改要素时的草图（橡皮线）绘制。

4.3框架视图和用户操作实现层

框架视图和用户操作实现层适合具体GIS相关的逻辑层，系统采用什么样的GIS平台，只需要用该平台的二次开发组件实现相应接口功能即可，主要功能模块描述如下：

地图窗口控件模块：实现框架定义层定义的地图窗口接口，用于GIS数据的显示。

图层管理控件模块：实现框架定义层定义的图层管理接口，主要用于管理地图窗口中显示的GIS数据，包括图层数据的调整，图层属性编辑等。

记录集窗口控件模块：实现框架定义层定义的记录集窗口接口，主要用于显示某个图层所有的记录或者地图窗口选择的记录信息。

属性窗口控件：实现框架定义层定义的属性窗口接口，主要用于显示和编辑图形对象的坐标信息和属性信息。

专题图窗口控件：实现框架定义层定义的专题图窗口接口，主要用于地图专题图目录的显示和专题图的加载等功能。

操作实现函数模块：实现操作定义层定义的各种操作。

草图绘制实现模块：利用GIS组件实现草图的绘制功能。

核心函数模块：实现GIS操作所需要的核心函数。

4.4业务组件和功能插件层

业务组件层和功能插件层是实现具体业务功能和插件功能的逻辑层，该层主要根据不同的业务特征来实现，GIS应用系统的类型的本质区别就体现在这一层。主要模块功能描述如下:

业务功能实现模块：实现业务功能对象，为功能插件所调用。

业务功能环境定义和实现模块：实现业务环境接口定义以及功能实现类。

插件功能模块：按照插件原理实现功能插件。

4.5系统应用层

系统应用层属于用户界面交互层，主要包括底层框架定义的实现和系统主界面，是各种GIS系统共用的逻辑层。

5、总结

本文详细的介绍了插件原理和插件式GIS应用系统架构的设计，但是对于具体的实现没有过多描述，关于如何运用不同的GIS平台开发组件进行应用系统的开发不是本文的重点，也非三言两语能够表述清楚。本文仅试图将插件原理如何应用到GIS应用系统的开发做具体描述，并基于笔者的实际经验，将基于笔者愿景的插件式GIS应用系统架构描述清楚。

对于不同的GIS开发平台，由于其开发方式和系统特性的不同，在系统框架的具体实现上会有不同，但是具体的思想和系统架构是相同的，这也是框架设计的初衷之一。同时，在实际开发过程中，也会用到其他的诸如多线程，线程异步调用，XML文件读写等技术，在此也没有一一描述。

如下图所示，上图为基于ArcGIS二次开发包ArcEngine开发出的土地调查数据更新工具软件，下图为基于SuperMap Objects开发的数据编辑系统原型。两者都是在基于文中提到的架构设计的基础上实现的GIS应用系统，只需要加载不同的业务组件和功能插件层，就能组成一个新的应用系统。

实例一  基于ESRI公司ArcEngine开发的土地调查数据更新工具软件

实例二 基于超图SuperMap Objects开发的编辑系统原型