基于開源軟件的工程地質數(shù)字化開發(fā)方案研究

摘要：為提高工程地質數(shù)字化軟件開發(fā)效率，提出了基于開源軟件的工程地質數(shù)字化開發(fā)平臺解決方案，能夠在提高開發(fā)效率和標準化水平的同時，減輕勘測企業(yè)對商業(yè)軟件的依賴，快速形成獨立的、具有自主知識產權的軟件產品。測試結果表明：研究所用開源軟件和多層架構可以滿足工程地質數(shù)字化開發(fā)的要求，對于勘測企業(yè)工程地質數(shù)字化研發(fā)具有一定的參考價值。

關鍵詞：工程地質數(shù)字化; 開源軟件; .NET; 軟件開發(fā)

中圖法分類號：P642 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.019

文章編號：1006 - 0081（2022）02 - 0106 - 06

0 引 言

由于工程地質內、外業(yè)工作的復雜性，現(xiàn)有商業(yè)軟件并不能完全滿足企業(yè)數(shù)字化的需求，因此大多數(shù)勘測企業(yè)選擇自行開發(fā)工程地質數(shù)字化軟件[1-3]。不同企業(yè)對工程地質數(shù)字化的需求千差萬別，但對于數(shù)據庫管理、Excel數(shù)據處理、Word格式報告生成、CAD圖件生成等的基本需求是一致的。傳統(tǒng)的開發(fā)方式是通過COM技術實現(xiàn)軟件與應用程序的通訊，因此軟件運行依賴Office，AutoCAD等商業(yè)軟件的支持[4-6]。隨著計算機技術的發(fā)展，尤其是互聯(lián)網技術和相關企業(yè)的興起，開源軟件在操作系統(tǒng)、數(shù)據庫、Web服務器等多個方面的應用已經成為主流[7]，通過調用Office，CAD等有關開源組件庫，可以脫離Office，AutoCAD等商業(yè)軟件的支持，直接讀寫相應格式的文件。

因此，基于開源軟件設計了一款工程地質數(shù)字化開發(fā)平臺，對數(shù)據庫、CAD、Office文件讀寫等基礎功能進行了封裝，企業(yè)開發(fā)人員僅需通過簡單的調用，就可以實現(xiàn)較為復雜的功能，從而大幅簡化開發(fā)難度，讓開發(fā)人員把精力用在業(yè)務邏輯上，能夠在有限時間內實現(xiàn)更多的功能，最大程度滿足勘測企業(yè)的個性化需求。此外，該開發(fā)平臺的搭建基于開源軟件，有助于減輕勘測企業(yè)對商業(yè)軟件的依賴，形成獨立的、具有自主知識產權的軟件產品。

1 開發(fā)語言及相關開源軟件

1.1 開發(fā)語言選擇

開發(fā)語言的選擇是平臺方案技術路線的決定性因素之一。C#為微軟公司于2000年基于.NET框架推出的一種面向對象且類型安全的現(xiàn)代編程語言。開發(fā)人員利用C#語言能夠開發(fā)出多種在.NET中運行的安全可靠的應用程序[8]。C#綜合了VB （Visual Basic） 語言的簡單可視化操作和C++語言的高運行效率，兼具Java現(xiàn)代語言的特點，是Windows平臺下的首選編程語言。C#的缺點是在Windows以外的平臺上開發(fā)能力較弱，但是近年隨著.NET Core和.NET 5.0的相繼推出，這種情況正在逐步改善。

勘測企業(yè)開發(fā)人員通常并非專業(yè)的程序員，而C#具有的優(yōu)良性能和簡單易用的特點，使其特別適合作為工程地質數(shù)字化開發(fā)的首選開發(fā)語言。開發(fā)時可以選擇免費的Visual Studio 2019社區(qū)版作為開發(fā)環(huán)境，且其同為微軟公司出品，能夠良好地支持C#。

1.2 相關開源軟件選擇

開源軟件已經成為眾多企業(yè)和軟件項目的基礎配置，對于軟件領域具有重要意義，不僅有助于提升參與者的研發(fā)能力，而且能帶動國家經濟發(fā)展。中國已將軟件開源列入“十四五”規(guī)劃，并發(fā)布木蘭開源系列許可證，致力于構建開源生態(tài)[9]。

近年來出現(xiàn)了不少優(yōu)秀的開源軟件，其中不乏基于.NET框架和C#的軟件[10-13]。經研究，篩選了一批可用于工程地質數(shù)字化開發(fā)的開源軟件，其中與本文相關的軟件見表1。

2 開發(fā)平臺解決方案

2.1 開發(fā)架構

數(shù)據庫系統(tǒng)開發(fā)一般會根據“高內聚、低耦合”思想，把各個功能模塊劃分為表示層（UI）、業(yè)務邏輯層（BLL）和數(shù)據訪問層（DAL）3層架構，各層之間通過接口訪問[14-15]。雖然這種多層結構在性能上略有損失（因增加了調用處理），但它具有可復用、易維護的特點，比如程序開發(fā)完成后，需要將SQLServer數(shù)據庫更換為MySQL，僅需修改數(shù)據訪問層即可。

考慮到工程地質數(shù)字化需求的復雜性，本開發(fā)平臺在經典3層架構上進行了拓展，增加了支撐層和基礎服務層（如圖1所示），其中支撐層主要負責提供軟件開發(fā)的軟、硬件環(huán)境及數(shù)據庫支持等。

2.2 數(shù)據訪問層實現(xiàn)

數(shù)據訪問層基于中國開源軟件SqlSugar 開發(fā)，兼容SQLServer、MySQL、SQLite等所有SqlSugar支持的數(shù)據庫。根據工程地質數(shù)據庫的特點，數(shù)據訪問層一般采用DBFirst方式實現(xiàn)，即先建立數(shù)據庫，再根據數(shù)據庫生成實體模型，實現(xiàn)數(shù)據持久化。此外，還需要針對不同的數(shù)據庫進行功能封裝，實現(xiàn)通用的增、刪、改、查功能;對于有特殊需求的表，可先用代碼生成器生成增、刪、改、查的代碼，再在此基礎上進行修改生成。事務機制可以保證所有操作正確完成，在操作過程中，一旦出錯便立即回滾到初始狀態(tài)，從而保證數(shù)據的完整性。因此在對多個表進行刪除操作時，應使用事務機制進行控制，確保刪除操作正確執(zhí)行。

2.3 基礎服務層實現(xiàn)

雖然直接調用開源.NET組件庫可以實現(xiàn)相關功能，但代碼編寫量大，維護困難。針對工程地質數(shù)字化的具體需求，通過對開源.NET組件庫進行二次封裝、建立基礎服務層，既可以避免重復開發(fā)，大幅降低開發(fā)難度，同時也可以促進標準化進程，方便以后替換為更合適的開源組件。

（1） 平臺管理模塊。平臺管理模塊主要通過調用數(shù)據訪問層實現(xiàn)平臺通用管理，包括組織機構、人員、物資、資源的管理，字典管理，角色、權限管理及登錄、注銷等功能。

（2） CAD讀寫模塊。基于NetDXF開發(fā)，能夠實現(xiàn)新建、打開和保存dxf文件，新建和選擇圖層，設置字體、字高，繪制直線，繪制多義線，繪制文字，插入圖塊，填充花紋等功能。

（3） Excel讀寫模塊?；贜POI開發(fā)，能夠新建或打開xls，xlsx格式文件，并在該文件中指定單元格讀取或寫入內容，以及畫表格線、合并單元格等功能。

（4） Word讀寫模塊。基于NPOI開發(fā)，能夠新建或打開doc，docx格式文件，根據標簽定位并讀取或寫入內容，實現(xiàn)添加或修改表格、段落、頁眉頁腳等功能。

（5） 三維操作模塊?；贏ctiviz實現(xiàn)，能夠打開和顯示ts（受GOCAD，ItasCAD，CATIA支持）或其他格式三維地質模型，并進行分層顯示、瀏覽、縮放、視圖、面與面的求交運算等功能，其中面與面的求交運算關系到能否根據三維模型實現(xiàn)二維剖面出圖功能，Activiz 5.8版尚未提供此項功能，但在Activiz 9.0試用版中已經實現(xiàn)。

（6） 自定義控件庫。軟件開發(fā)過程中不可避免地需要自定義一些控件或對已有控件進行改造。該庫對自定義控件進行統(tǒng)一管理，便于重復使用。

（7） 其他開發(fā)模塊?；A服務層是可擴展的，根據需要還可以添加圖表模塊、地理模塊等。圖表模塊主要用于數(shù)據可視化，可將數(shù)據以柱狀圖、餅圖、折線圖等形式動態(tài)展現(xiàn);可基于MsChart（為Visual Studio自帶組件）或ZedGraph，ECharts.Net等進行具體開發(fā)。地理模塊主要用于地圖操作、坐標變換等;其中地圖操作選用GMap.Net開發(fā)，坐標變換可基于DotSpatial開發(fā)。

2.4 業(yè)務邏輯層實現(xiàn)

（1） 勘測數(shù)據管理。主要實現(xiàn)鉆孔、平硐、地質點等勘測數(shù)據的增、刪、改、查等，包括數(shù)據批量導入、數(shù)據檢查與清洗等。

（2） 地質圖自動生成。主要通過調用CAD和數(shù)據庫實現(xiàn)，包括鉆孔柱狀圖、地質剖面圖、平切圖等的自動生成功能。運用模板技術和通過定制模板，可以滿足不同工程的出圖需求。

（3） 報告自動生成。通過調用Word讀寫模塊實現(xiàn)，且通過報告模板定制，可以根據數(shù)據庫中的數(shù)據生成地質報告。

（4） 地質模型管理。通過調用3D操作模塊，可實現(xiàn)地質模型的導入、縮放、瀏覽等，以及通過三維地質模型生成剖面圖的功能。目前三維地質建模軟件價格較高，考慮到地質模型通常由少數(shù)人建立、供多數(shù)人應用的特點，通過開源軟件開發(fā)的切剖面功能可以大幅減少三維建模軟件的采購數(shù)量，節(jié)約企業(yè)資金。

2.5 表示層實現(xiàn)

（1） 桌面應用。基于WinForm開發(fā)。由于原生控件在功能性、美觀性上均不盡人意，因此商業(yè)軟件一般會采用DevExpress等價格昂貴的第三方商業(yè)控件;而開源控件Krypton Component Factory具有Office風格界面，在功能性和美觀性上達到了較好的平衡，開發(fā)時可以優(yōu)先選用。此外，也可選用國產的開源控件SunnyUI，該控件時尚美觀，但在功能性方面沒有增強。

（2） Web應用。采用微軟的MVC架構開發(fā)，界面可以選用國產的LayUI等開發(fā)。

（3） 移動應用。采用微軟的Xamarin實現(xiàn)，也可以用國產的Smobiler開發(fā)。二者都支持C#開發(fā)移動應用，前者的運用需要掌握一定的安卓開發(fā)知識，后者可以通過拖拽直接生成界面，但如果開發(fā)專業(yè)應用，需要支付一定費用。

3 測試與驗證

針對開發(fā)平臺進行了部分測試和驗證，主要包括數(shù)據庫、Excel、Word、3D、CAD等，均采用文中所述開源軟件實現(xiàn)。

（1） 數(shù)據庫、多層結構及文檔讀寫?；赟QLite數(shù)據庫、SqlSugar框架和多層結構開發(fā)了DB Builder，界面采用Krypton控件設計（圖2），實現(xiàn)了工程地質信息數(shù)據庫的表結構的管理、數(shù)據庫自動創(chuàng)建、文檔自動生成（圖3）等功能。

“工程地質信息系統(tǒng)”實現(xiàn)了Excel格式鉆孔數(shù)據的批量導入、數(shù)據清洗等功能，可以自動檢查并指出錯誤位置（精確到行和列）;同時可以導出符合標準的鉆孔Excel格式文件并用于CATIA三維鉆孔建立。

（2） CAD 自動成圖。開發(fā)了灌漿數(shù)據管理程序，其CAD自動成圖部分采用netDxf開發(fā)，可以根據灌漿數(shù)據自動繪制CAD灌漿鉆孔展示圖（圖4）。

（3） 3D操作。采用Activiz 9.0試用版進行試驗研究，實現(xiàn)了ts文件的解析，可以打開三維地質模型并進行分層顯示、縮放、旋轉、平移等操作（圖5）。

根據模型獲取三維剖面線是地質切剖面開發(fā)的關鍵技術（圖6），為后續(xù)開發(fā)掃平了障礙。

測試結果表明：基于開源軟件和多層結構的工程地質數(shù)字化開發(fā)平臺方案是可行且高效的，可以在不依賴商業(yè)軟件的情況下，較好地滿足工程地質數(shù)字化開發(fā)的需求。

4 結 語

隨著計算機技術特別是網絡技術的發(fā)展，開源軟件已經成為人類智慧的寶庫。在工程地質數(shù)字化研發(fā)中引入開源軟件，結合當前先進技術制定合理的開發(fā)方案，可以幫助勘測企業(yè)在投資較少的情況下，快速實現(xiàn)工程地質數(shù)字化，同時最大限度滿足企業(yè)的個性化需求，對于勘測企業(yè)數(shù)字化轉型具有重要意義。

值得注意的是，開源軟件并不等同于免費軟件，因此企業(yè)在引用開源軟件時需充分了解并嚴格遵守開源協(xié)議，以避免法律風險。

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（編輯：高小雲）