一步一步手写GIS开源项目-（1）500行代码实现基础GIS展示功能

悠悠 2021-12-21 23:15 214阅读 0赞

## 1.开篇 ##

大学毕业工作已经两年了，上学那会就很想研读一份开源GIS的源码，苦于自己知识和理解有限，而市面上也没有什么由浅入深讲解开源gis原理的书籍，大多都是开源项目简介以及项目的简单应用。对于初级程序员想读懂一个成熟的GIS开源项目的困难点主要有三点，1.开发经验和gis原理理解不足。2.一个开源项目是一个循序渐进的过程，如果不是从项目很小的时候跟进，等项目持续更新几年后逻辑就会变得很复杂，小白很难通过Dbug调试来理清楚整个项目的原理。3.GIS属于小行业，国内基本没有国人主导的开源GIS项目，这方面的文章书籍比较欠缺。所以我的想法是通过重写一个GIS项目，还原到项目的初始状态，由浅入深人讲解GIS原理，对于GIS开发从业者不仅要知其然，更要知其所以然。了解GIS底层的开发技术提升自己的竞争力。

我的文章思路，代码上传到我的github上面，github地址：[https://github.com/HuHongYong/ATtuingMap][https_github.com_HuHongYong_ATtuingMap]，欢迎大家star ![Image 1][] 一下，每一篇文章对应的代码生成released版本，方便后期找到文章对应的版本版本代码，如下：

[![image][]][image 1]

## 2.开源gis项目的选择 ##

本次开源项目的选择是[SharpMap][]，选择这个项目的原因主要有两点，1.SharpMap是一套简单易用的小型GIS平台，核心代码1万多行，可以用于开发桌面GIS应用和简单的BS程序。支持多种GIS数据格式，支持空间查询，可输出精美的地图。可了解GIS核心原理。2.开发语言.net，本人工作中使用的核心开发语言，而且现在.net core 3.0开始支持winform、wpf等windows桌面开发技术的跨平台应用的开发，当然这个讲原理就不使用.net core 了，等.net core桌面开发稳定以后可以做一下跨平台。

## 3.开源GIS最简单实现 ##

本节500行编写了GIS基本框架，开发环境是vs2017，使用.net framework4.5 ，实现了读取shp点数据，并实现点数据的渲染，以及屏幕坐标向空间坐标转换的基础GIS功能。项目的核心结构如下：

[![微信截图\_20190502095532][20190502095532]][20190502095532_20190502095532]

1.Map  只包含一个Map类，是该GIS项目的核心类。

2.Geometries 所有点、线、面等几何类的定义和几何类的方法，这些类都继承了抽象类Geometry，有利于与几何类的扩展，移植，复用。

3.Layers 地图的图层类，该类的核心成员就是下面的4、5、6，构成了一个图层对象的整体。

4.Rendering 提供了用于绘制空间数据的功能，使用c\#System.Drawing.Graphics进行渲染绘制。

5.Styles  提供图层的样式，例如点的大小、颜色等。

6.Data 数据的读取接口。例如shapefile文件的读取。

7.Utilities 工具类，一些公用的方法。

## 4.shp点文件的解析与读取  ##

[shape][]文件由ESRI开发，一个ESRI（Environmental Systems Research Institute)的shape文件包括一个主文件，一个索引文件，和一个[dBASE][]表。其中主文件的后缀就是.shp。

.shp文件包含文件头，数据记录两部分。文件头是固定的100个字节组成，结构如下，数据记录包含着坐标记录信息是文件的数据核心。

[![未命名文件][821154-20190504081807695-1725413524.jpg]][821154-20190504081807695-1725413524.jpg 1]

.shp文件头解析，使用的是c\# BinaryReader读取字节流，brShapeFile.BaseStream.Seek(36, 0)这个方法是指定位到第36个字节，接着brShapeFile.ReadInt32()是指从第37个字节开始读4个字节。

/// <summary>
    /// 读取和解析.shp文件的文件头
    /// </summary>
    private void ParseHeader (){
         fsShapeFile = new FileStream(_Filename, FileMode.Open, FileAccess.Read);
         brShapeFile = new BinaryReader(fsShapeFile, Encoding.Unicode);
         brShapeFile.BaseStream.Seek(0, 0);
         //读取四个字节，检查文件头
         if (brShapeFile.ReadInt32() != 170328064)
         {
             //文件真实的编码是9994，
             //170328064的16进制为0x0a27，交换字节顺序后就是0x270a，十进制就是9994了
             throw (new ApplicationException("无效的Shapefile文件 (.shp)"));
         }
         //五个没有被使用的int32整数
         brShapeFile.BaseStream.Seek(24, 0);
         //获取文件长度，包括文件头
         _FileSize = 2 * SwapByteOrder(brShapeFile.ReadInt32());
         //读取几何类型
         _ShapeType = (ShapeTypeEnum)brShapeFile.ReadInt32();
         //读取数据的外包矩形
         brShapeFile.BaseStream.Seek(36, 0);
         _Envelope = new BoundingBox(brShapeFile.ReadDouble(), brShapeFile.ReadDouble(), brShapeFile.ReadDouble(),
                         brShapeFile.ReadDouble());
    
        //通过.shp文件获取数据条数
         // 跳过文件头读取
         brShapeFile.BaseStream.Seek(100, 0);
         // 几何数据记录开始位置
         long offset = 100;
    
        //遍历数据建立功能包含在数据文件的数量
         while (offset < _FileSize)
         {
             ++_FeatureCount;
    
            brShapeFile.BaseStream.Seek(offset + 4, 0); //跳过长度
             int data_length = 2 * SwapByteOrder(brShapeFile.ReadInt32());
    
            if ((offset + data_length) > _FileSize)
             {
                 --_FeatureCount;
             }
    
            offset += data_length; // 添加记录数据长度
             offset += 8; //  +添加每条数据记录头的大小
         }
         _OffsetOfRecord = new int[_FeatureCount];
         //brShapeFile.Close();
         //fsShapeFile.Close();
    }

读取数据记录，由于本次不读取.shx索引文件，我们读取数据生成一个索引数组，方便我们读取数据，通过索引值来读取对应得点数据，代码如下：

/// <summary>
    /// 生成矢量文件索引
    /// </summary>
    private void PopulateIndexes() {
         //记录当前位置的指针
         long old_position = brShapeFile.BaseStream.Position;
         //跳过文件头
         brShapeFile.BaseStream.Seek(100, 0);
         //矢量文件记录开始位置
         long offset = 100;
         for (int x = 0; x < _FeatureCount; ++x)
         {
             _OffsetOfRecord[x] = (int)offset;
    
            brShapeFile.BaseStream.Seek(offset + 4, 0); //跳过的长度
             int data_length = 2 * SwapByteOrder(brShapeFile.ReadInt32());
             offset += data_length; // 添加记录数据长度
             offset += 8; //   +添加每条数据记录头的大小
         }
    
        // 返回指针的原始位置
         brShapeFile.BaseStream.Seek(old_position, 0);
    
    }

/// <summary>
    /// 从.shp文件中读取并解析几何对象
    /// </summary>
    /// <param name="oid"></param>
    /// <returns></returns>
    private Geometry ReadGeometry(int oid) {
         brShapeFile.BaseStream.Seek(_OffsetOfRecord[oid] + 8, 0);
         ShapeTypeEnum type = (ShapeTypeEnum)brShapeFile.ReadInt32(); //Shape type
         if (type== ShapeTypeEnum.Null)
         {
             return null;
         }
         if (type==ShapeTypeEnum.Point)
         {
             return new Point(brShapeFile.ReadDouble(), brShapeFile.ReadDouble());
         }
         else
         {
             throw (new ApplicationException("Shapefile 文件类型 " + _ShapeType.ToString() + " 不支持"));
         }
    
    }

## 5.屏幕坐标与空间坐标转换 ##

这一节主要讲一下如何全图展现所有数据。全图显示存在两种状态

**1.空间坐标外包矩形宽高比(宽/高)>画布屏幕坐标宽高比(宽/高) 如下图**

[![test][]][test 1]

该状态下展示就以坐标点左右方向占满整个宽度，真实坐标点转为屏幕坐标点的函数。

/// <summary>
    /// 空间坐标转屏幕坐标
    /// </summary>
    /// <param name="p"></param>
    /// <param name="map"></param>
    /// <returns></returns>
    public static PointF WorldtoMap(Point p, Map map)
    {
         PointF result = new System.Drawing.Point();
    
        //在该种情况下，求出的height值为，除去上下空白坐标的高度，如上图所示
         double height = (map.Zoom * map.Size.Height) / map.Size.Width;
         double left = map.Center.X - map.Zoom * 0.5;
         double top = map.Center.Y + height * 0.5 * map.PixelAspectRatio;
         result.X = (float)((p.X - left) / map.PixelWidth);
         result.Y = (float)((top - p.Y) / map.PixelHeight);
         return result;
    }

**2.空间坐标外包矩形宽高比(宽/高)<画布屏幕坐标宽高比(宽/高) 如下图**

**[![test1][]][test1 1]**

该状态下展示就以坐标点左右方向占满整个宽度，真实坐标点转为屏幕坐标点的函数。

/// <summary>
    /// 空间坐标转屏幕坐标
    /// </summary>
    /// <param name="p"></param>
    /// <param name="map"></param>
    /// <returns></returns>
    public static PointF WorldtoMap(Point p, Map map)
    {
        PointF result = new System.Drawing.Point();
    
        //在该种情况下，求出的height值为，整个屏幕高度，如上图所示
         double height = (map.Zoom * map.Size.Height) / map.Size.Width;
         double left = map.Center.X - map.Zoom * 0.5;
         double top = map.Center.Y + height * 0.5 * map.PixelAspectRatio;
         result.X = (float)((p.X - left) / map.PixelWidth);
         result.Y = (float)((top - p.Y) / map.PixelHeight);
         return result;
    }

## 6.绘制点坐标 ##

使用c\#System.Drawing.Graphics进行渲染绘制点。

/// <summary>
           /// 在地图上绘制点
           /// </summary>
           public static void DrawPoint(Graphics g, Point point, Brush b, float size,  Map map) {
               if (point == null)
                   return;
               PointF pp = Transform.WorldtoMap(point, map);
               Matrix startingTransform = g.Transform;
               float width = size;
               float height = size;
               g.FillEllipse(b, (int)pp.X - width / 2,
                           (int)pp.Y - height / 2 , width, height);
           }

## 7总结 ##

第一节简单的讲了一下.shp数据的读取，以及全图情况下空间坐标与屏幕坐标相互转换。当然只讲了核心功能，具体不明白的可以调试代码进行自己探索。下一节主要讲一下GIS平移缩放问题核心功能。

github项目地址：[https://github.com/HuHongYong/ATtuingMap][https_github.com_HuHongYong_ATtuingMap]

作者：ATtuing

出处：[http://www.cnblogs.com/ATtuing][http_www.cnblogs.com_ATtuing]

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[https_github.com_HuHongYong_ATtuingMap]: https://github.com/HuHongYong/ATtuingMap
[Image 1]: 
[image]: /images/20211220/98abd27263304ac181181ac99a6330ef.png
[image 1]: https://img2018.cnblogs.com/blog/821154/201905/821154-20190504081804907-335123301.png
[SharpMap]: https://github.com/SharpMap/SharpMap
[20190502095532]: https://img2018.cnblogs.com/blog/821154/201905/821154-20190504081806633-19783187.png
[20190502095532_20190502095532]: /images/20211220/62b8ed07d80c433d9d47b29b1fd9fe31.png
[shape]: http://baike.baidu.com/link?url=Gy1FDhZrVwR2_mC9RAkXOUvQ3EbmmDeDKqetmIN-or3s4hnKIt3z-aAOycQZCCSF-eIijCL1urFdO1QeYFqjOa
[dBASE]: http://baike.baidu.com/view/684011.htm
[821154-20190504081807695-1725413524.jpg]: https://img2018.cnblogs.com/blog/821154/201905/821154-20190504081807695-1725413524.jpg
[821154-20190504081807695-1725413524.jpg 1]: /images/20211220/31a56f59772042fabcd486fee416935d.png
[test]: /images/20211220/98e5c9a277f943c2b6ec3563ee5f478e.png
[test 1]: https://img2018.cnblogs.com/blog/821154/201905/821154-20190504081808208-47091991.jpg
[test1]: /images/20211220/56072abae23547469e34038db44e672c.png
[test1 1]: https://img2018.cnblogs.com/blog/821154/201905/821154-20190504081809397-734626840.jpg
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