（地图制图学与地理信息工程专业论文）基于约束的高级特征模型设计、应用与其gml+schema表达.pdf

山东科技大学碗j 学位论文摘笠 摘要 地理信息要实现真正的共享，必须解决地理信息数据多格式集成这一瓶颈，同时地理 数据的质量问题也是影响空间数据共享能否真正实现的一个关键因素，空间数据共享问 题的研究直接地和空间数据的质量有关。所以在地理数据集成之前应该首先控制地理数 据的质量。 论文围绕着现代的、开放的、智能的数据库结构，设计带有各种约束条件的高级特 征模型来对多源异构的原始数据进行质量检查和质量加强。这个面向对象的高级特征模 型，可以通过支持要素关系、行为和有效规则来更好的表达现实世界系统，即：这种基 于约束的高级特征模型必须提供数据内部特征连接的内嵌智能，包括任何两个特征之间 的联系、每个特征所允许的联系的个数、任何所需属性或者几何约束和特征操作，以及 各种有效法则，比如属性域、应用语义关系和拓扑几何关系规则等。然后通过选用已经 存在的一种能够支持特征关系、行为和规则的高级特征模型g e o d a t a b a s e 来演示这种 基于面向对象思想的高级特征模型是如何对多源异构原始地理数据质量进行检查和约束 加强。 为了解决基于约束的高级特征模型的表达以及那些有了应用质量保证的历史地理数 据的集成、共享问题。论文把基于约束的高级特征模型内部的基本几何特征、属性域、 关系类和拓扑关系类进行了g m l 应用模式编码。为r 一步把海量原始地理空间数据( 文 档或数据库数据) 用编程语言( 如：j a v a ) 转换成g m l 文件提供了检验标准。而一旦 转换至i j g m l 这种能表达各种数据，并且可以在数据库间非常容易进行交换的格式后，才 能说是从根本上实现了地理数据真正的集成和共享。 关键词：基于约束的高级特征模型质量检查集成共享g m l 模式 东科技大学硕上学位论立 摘要 a b s t r a c t a sw ea l lk n o w , i fw ew a n tt or e a l i z et h er e a ls h a r i n go fs p a t i a ld a t a , w em u s ts o l v et h e b o t t l e n e c kp r o b l e mo fm u l t i s o u r c ea n dh e t e r o g e n e o u ss p a t i a ld a t ai n t e g r a t i o n ，i na d d i t i o n ， t h e r ei sa n o t h e rk e yf a c t o rs u c ha sg e o d a t aq u a l i t yw h i c hc a ni n f l u e n c et h er e a l i z a t i o no f g e o d a t as h a r i n g a sar e s u l t ，t h er e s e a r c ho fg e o d a t as h a r i n gh a ss o m e t h i n gt od ow i t ht h e q u a l i t yo fs p a t i a ld a t a s ow em u s te n s u r et h eq u a l i t yo fg e o d a t ab e f o r ew ei n t e g r a t et h e m t h i sp a p e rd e s i g n sc o n s t r a i n t b a s e da d v a n c e df e a t u r em o d e lw h i c hh a sb e e nd e s i g n e d a r o u n dam o d e m ，o p e nd a t a b a s ea r c h i t e c t u r et h a tm a i n t a i n sf e a t u r er e l a t i o n s h i p s ，b e h a v i o r s ， a n dv a l i d a t i o nr o l e si no r d e rt ob e t t e rr e p r e s e n tr e a lw o r l d s y s t e m s t h a ti st os a y , t h e c o n s t r a i n t - b a s e da d v a n c e df e a t u r em o d e ls h o u l dp r o v i d eb u i l t i ni n t e l l i g e n c ea b o u tt h e c o n n e c t i v i t yi nt h en e t w o r k ，i n c l u d i n ga s s o c i a t i o n sb e t w e e na n yt w of e a t u r e s ，t h en u m b e ro f a s s o c i a t i o n sa l l o w e dp e rf e a t u r e ，a n yr e q u i r e da t t r i b u t eo r g e o m e t r i cc o n s t r a i n t s ，a n df e a t u r e o p e r a t i o n s s ow ec a nc h e c ka n dc o n t r o lt h eq u a l i t yo fg e o d a t ab ya d d i n gc o n s t r a i n t so nr e a l a p p l i c a t i o nr e l a t i o n s h i pa n dt o p o l o g y t h e n , s e l e c tg e o d a t a b a s et h a tc a ns u p p o r tr e l a t i o n s h i p s ， b e h a v i o r sa n dv a l i d a t i o nr o l e st od e m o n s t r a t eh o wt h ec o n s t r a i n t b a s e da f mc h e c ka n d c o n t r o lt h eg e o d a t a q u a l i t y i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m so f t h ee x p r e s s i o no f a f ma n dt h ei n t e g r a t i o na n ds h a r i n g o f t h eq u a l i t y - p e r f e c tg e o d a t a ，t h i sp a p e r g i v e st h ea p p l i c a t i o ns c h e m a so f t h eb a s i cg e o m e t r y ， a t t r i b u t ed o m a i n ，r e l a t i o n s h i pa n d t o p o l o g ya tf i r s t o n c ew eg i v et h eg m la p p l i c a t i o ns c h e m a o f c o n s t r a i n t - b a s e da f m ，c a nw et r a n s l a t eo r i g i n a lh i s t o r i c a lg e o d a t ai n t og m lf i l eb y p r o g r a m m i n g l a n g u a g ea s l 哦氏b e c a u s e o f t h ee x t e n s i b i l i t y a n da b i l i t y o f i n t e g r a t i o n o f g m l ，w er e a l i z et h ei n t e g r a t i o na n ds h a r i n go fg e o d a t aa f t e rw eg e tt h eg m lf i l eo f h e t e r o g e n e o u sh i s t o r i c a lg e o d a t a k e y w o r d s ：c o n s t r a i n t b a s e da d v a n c e df e a t u r em o d e lq u a l i t yc h e c ki n t e g r a t i o ns h a r i n g g e o g r a p h ym a r k u pl a n g u a g e s c h e m a 明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认 的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有旱交于其它 任何学术机关作鉴定。 硕士生签名： 日期： a f f i r m a t i o n 祆袭韶 弘哼z 6 id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ea w a r do fm a s t e ro fp h i l o s o p h yi ns h a n d o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d f e c h n o l o g y ，i sw h o l l ym yo w h w o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e 。t h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e s i g n a t u r c 期 d a t e ： 阳疗、彳6 ) i h w e ； 士尸 山东科技大学顽十学位论文绪论 1 绪论 1 1 问题的提出 随着现代信息社会的发展，g i s 及其相关学科得到迅猛发展，尤其是当遥感技术成为 g i s 数据来源和更新的手段后，每时每刻都有大量来源不同、格式不同的地理数据产生， 所以社会各部门积累了海量g i s 数据。如何充分有效的共享这些地理数据是现在g i s 面临 的主要问题，地理信息要实现真正的共享，必须解决地理信息数据多格式集成这一瓶颈 ( 钟耳顺，1 9 9 9 ) ，而地理数据的质量问题是影响地理数据集成与共享能否真正实现的一 个关键因素。 1 1 1 地理数据在g 1 8 中的地位 在当今社会，不论是个人还是组织，每天的活动涉及的信息有7 0 9 0 是属于地理 信息的内容，而地理信息系统是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的 计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术( 陈述彭，1 9 9 9 ) 。g i s 中的数据通 常描述三方面的信息：空间信息( 位置、空间关系等等) 、非空间的属性信息、时间信 息。对空间数据的处理是g i s 的核心功能，只有对这些海量地理数据进行正确的操作、管 理和分析才能得到科学的决策和科学的管理所需要的地理信息，从而实现对现实世界的 决策支持，所以地理数据是g i s 的血液，是g i g 的灵魂。 1 1 2 不断积累的海量地理数据 随着计算机技术、通讯技术、地理学、遥感等相关学科的发展，6 i s 的应用范围也迅 速扩展，各行业各部门生产了多格式、多尺度的地理数据，并且随着时间的推移，数据 的积累不断增加。如图1 1 所示，“中国地球系统科学数据共享服务网”中的数据来源于 不同的单位于不同的时间收集、积累的不同格式的数据。 “中国地球系统科学数据共享服务网”是国家科学数据共享工程的重要组成部分， 同时也是科技部推动“国家科学数据共享工程”2 0 0 2 年试点的三个数据网之一。该网针 对基于各圈层相互作用的地球系统科学的整体研究，利用互联网，整合、集成各科研院 坐查型堑查兰堡主兰垡堡兰 堕堡 所、高等院校和国际数据组织以及科学家个人手中的相关专业数据资源，瞄准地球系统 科学的前沿研究，开展数据组织、加工与服务，构建物理上分布、逻辑上统一的地球系 统科学数据管理与共享服务网。它是将科学数据分别存放在不同单位( 地域) 的服务器 和存储设备上，通过广域网或互联网链接起来的数据管理，时、空长系列数据集生产与 共享服务的联盟。 图i1 中国地球系统科学数据共享网结构总图( 内部交流) f i g u r ei 1a r c h i t e c t u r eo f t h ed a t a - s h a r i n gn e t w o r ko f c h i n ae a r t hs y s t e ms c i e n c e 从图中我们可以看到，不同的国家、不同的部门、大学以及个人都积累了自己大量 的数据，这正好满足了地理信息系统要求存储大量相关地理数据的要求。而且地理信息 系统需要这些数据能够不断积累和延伸，从而具备反映自然历史过程和人为影响的趋势 能力，揭示事物发展的内在规律。地理信息系统为了保持系统的动态性和现势性，还要 求及时更新系统中的数据，目前地理信息系统中存储的信息大部分只是现实世界的一个 静态模型，需要定时或及时的更新。遥感作为一种获取和更新空间数据的强有力手段， 能及时地提供准确、综合和大范围内进行动态检测的各种资源与环境数据，因此遥感信 2 山东科技大学硕士学位论文 绪论 息就成为地理信息系统十分重要的信息源。随着遥感的不断纵深发展，逐渐为地理信息 系统提供了越来越多的数据。 目前，海量历史地理数据和不断获取的数据还没有得到有效的综合处理和充分利用， 大量的地理数据长期处于一种低利用率或闲置状态。因为各种不同的g i s 系统问技术上 的相对封闭性、不同行业间对地理数据的_ ，_ f i 同要求以及缺乏一定的规范等原因，由相应 的专业部门用不同方法采集的空问数据，往往被随意地用不同方式存储于不同的介质中， 这些数据的生产过程和生产的质量，往往只对数据生产者来说是透明的，对数据的使用者 来说则是不透明的，必然意昧着大量重复的数据采集工作( 梅士员，2 0 0 ：3 ) 。为了避免造 成大量的人力、财力浪费，数据共享研究成为g i s 的热点问题，“中国地球系统科学数 据共享服务网”应运而生。然而地理信息要真正实现共享，必须解决地理信息数据多格式 集成这一瓶颈。同时地理数据的质量问题也是影响空间数据集成和共享能否真正实现的 一个关键因素，空间数据集成和共享问题的研究直接地和空间数据的质量有关。在地理数 据集成之前首先应该控制和加强地理数据的质量。 1 1 3 地理数据的质量检查和约束加强 目前海量历史地理数据没有得到有效地综合处理和充分利用的一个主要原因就是数 据质量对用户是不透明的，或者透明但不满足用户的应用需求。而现在数据对用户要求 的满意程度成为衡量数据质量的重要指标，地理数据质量内容非常丰富，所以地理数据 质量控制是个复杂的过程。要控制地理数据质量应从地理数据生产和扩散的所有过程和 环节入手，分别采用不同的方法减少误差。但是针对“中国地球系统科学数据共享服务 网”上的海量地理数据来说，数据生产过程中的质量控制已无法由用户来进行。用户最 多能了解数据生产过程中数据质量控制的措施和数据质量控制的精度评定。而且往往因 为传统g i s 数据模型的限制，历史地理数据的质量控制有时只局限于点、线、面空间位 置的精度。这是由于在传统的g i s 系统中，地理数据一般通过数字化地形图获得，而数 字化过程中，操作人员有时单纯追求独立地物的绝对空间精度，而不注意数据之间的各 种现实意义关系，或者通过一批经过专业i j i l 练、有目的性的工作人员，花费大量的时间 在数据的录入过程中实现和保证这些关系，而在这个过程中，工作往往是繁琐乏味而且 容易出错的。如果由于地理数据模型的原因，不同的专业部门采用不同的方法采集生成 的不同格式的数据存储时没有带有关系、规则和行为，那么当用户应用这些数据为科学 坐变型垫_ 人堂婴圭兰焦堡苎堡堡 管理和决策分析服务时，就需要在这些没有实际意义的点、线、面的基础上编写大量的 有关数据之蚓关系或逻辑的知识代码束表达数据之间的应用语义关系和数据之间的拓扑 儿何关系。这样就造成了客户端的臃肿，不利于普通用户进行操作，妨碍了g i s 的大众 化发展。 所以上面提到的两种方法都不适合“中国地球系统科学数据共享服务| ：i b 9 ”的质量检 查和加强，必须寻找一种新的方法来解决这个共享平台上多源异构地理数据的质量控制。 现在g i s 发展中的一个热点问题是面向对象的技术研究( 邬伦，2 0 0 2 ) 。同样，在数据模 型方面也运用了面向对象的方法，面向对象数据模型具有封装性、继承性、多态性等特 点，它能够自然且直接地模拟现实世界的实体关系，大大减轻程序实现应用的难度。基 于面向对象数据模型的g i s 数据质量控制是以面向对象数据模型为理论基础，以面向对 象数据库管理系统为核心，采用面向对象的方法对g i s 数据进行质量控制。面向对象数 据模型清晰的表达了地物的自然特征，接近人们对客观事物的理解，而且用层次方法清 晰完整地表达了各类地物之间的联系。因而基于面向对象数据模型的g i s 数据质量控制 能够更好的根据用户的要求合理控制数据质量，而不是盲目追求数据的精度( 仲淑恒， 2 0 0 2 ) 。所以选择一种基于面向对象数据模型的质量检查方法来检查和加强地理数据的应 用质量，是解决上面“中国地球系统科学数据共享服务网”集成和共享问题的有效措施。 1 1 4 海量地理数据的集成和共享 各种来源的异构原始地理数据如果能解决质量方面存在的问题，尤其是如果能保证 地理数据之间的各种关系满足用户需要后，接下来需要考虑的是不同的用户能否直接使 用共享网上的这些多来源、不同格式的地理数据。由于各种不同的g i s 系统问技术上的相 对封闭性，以及不同行业间对数据的要求不同，由相应的专业部门用不同方法采集的空间 数据，往往被随意地用不同方式存储于不同的介质中，形成以各种不同数据格式存在的数 据( 梅士员，2 0 0 3 ) 。造成现在地理信息数据多格式的因素是多方面的，其中地理信息系 统软件平台的多样性起着很大的作用。就国内外的地理信息系统平台来说已有不少，如国 外知名的g i s 平台有e s r i 的a r c g i s 和a r c v i e w ，m a p l n f o 公司的m a p i n f o ，i n t e r g r a p h 公司 的g e o m e d i a ，国内有超图的s u p e r m a p ，吉奥公司的g e o s t a r ，中地公司的g e o m a p 等( 艾海滨， 2 0 0 2 ) 。而且由于地理数据是反映复杂的地学现象和地学过程规律，所以其结构难免复杂 ( 张凯选，2 0 0 4 ) ，而且在g i s 发展初期没有一定的工业标准可循，因而这些g i s 平台所采 4 山东科技= 学碗上_ 学伸论文 绪论 用的数据结构、数据组织方法和数据在系统中的存储和表现形式都各不相同。这就使得 现在社会上广泛分布的和正在获取的各部门地珲信息数据具有了多源异构的特性。 目前地理信息系统及其应用系统的丌发都是基于具体、相互独立和封闭的平台，并 且数据语义表达之间存在不可调和的矛盾，从而无法直接进行系统之间的数据共享，使 得地理信息处理技术的发展潜力受到很大的限制。并且会造成各部门大量人力，财力的 浪费，因为收集和整理这些数据在整个g i s 中所占的比重是非常大的。据统计：获取数据、 保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间l 的完整性( 即所谓的无隙数据库， s e a m l e s sd a t a b a s e ) 、数据逻辑致性、无错件等任务占整个系统建殴投资的7 0 或更 多，并且这种比例在最近不会有明显的改变( 邬伦，2 0 0 2 ) 。 所以需要寻找一种与平台无关、可扩展的建模语言，使其不仅能表达上面提到的用 于地理数据质量检查和加强的基于约束的高级特征模型，而且能成为不同系统间交换数 据的良好格式。这是当前解决多源、多维、多层次地理空间对象燕享与且操作的简单而 有效的途径c 罗英伟，2 0 0 2 ) ，从而可以节约b i s 建设过稃中重复采集数据的费用，达到 “中国地球系统科学数据共享服务网”上地理信息的真正集成与共享。 1 2 1 研究的主要目的 1 2 研究的主要目的和内容 为了能够实现“中国地球系统科学数据共享躲务网”上多源异构地理数据的真正共 享，必须要在保证地理数据质量满足应用要求的前提下，将地理数据进行充分集成。 地理数据质量的检查和控制的某些方面不再作为数据录入过程中录入人员控制的一 部分，也不再被编码进客户端应用中。因为这两种方式中，前者劳动量大，任务繁琐。 而且容易出错：而后者就直接导致了客户端的臃肿和庞大复杂，不利于f i l s 的普及。 本论文设计一种可扩展的基于约束的高级特征模犁来实现在数据库层次上直接对数 据质量进行检查和加强，也就是- - i t 基于面向对象数据模型的数据质量控制方法。可扩 展的基于约束的高级特征模型需要符台下面要求： 此基丁约束的高级特征模型必须是可扩展的，而且遵守o g c 标准，这样有利十 标准化和规范化： 为继承和定义复杂特征提供全面支持，可以实现对具有层次结构的特征的表达； 为继承和定义复杂特征提供全面支持，可以实现对具有层次结构的特征的表达； 山东科技大学硕上学位论文 绪论 能够支持特征之间复杂的关系、规则和行为： 这个基于约束的高级特征模型的约束和有效规则应该专门针对历史地理数据的 质量检查和加强； 更适合在“中国地球系统科学数据共享服务网”的环境下使用，可以作为单独一 部分放到网络上，对历史地理数据进行检查和质量加强。 设计的基于约束的高级特征模型还处于“中国地球系统科学数据共享服务网”的前 期探讨设计阶段，目前先选用一种已经存在的支持特征关系、行为和规则的高级特征模 型来演示如何检查和加强历史地理数据的应用质量。在应用演示中，将一些关系和逻辑 知识放到数据模型层次上，使得地理数据的属性约束和拓扑几何关系等约束一次性建立 起来，而不需要在数据录入过程中专门照顾或者在实际应用中进行复杂编程。 为了突出和利用这样一种基于约束的高级特征模型在表达地理现象，检查和加强数 据质量方面的优势，同时也为了下一步多源异构地理数据的集成和共享，必须要选择一 种合适的建模语言。这种建模语言不仅应该能对基于约束的高级特征模型中的简单或复 杂地理特征以及地理特征之间的各种关系进行编码描述，而且也应该具有平台无关性、 可扩展性以及超链接等能够对地理数据进行集成和共享的能力。 1 2 2 论文的主要内容 针对上面提出的问题和论文研究的目的，本论文的主要内容包括： 地理信息系统的快速发展，海量地理数据的产生、存储和管理对地理数据的共 享提出要求，为了满足“中国地球系统科学数据共享服务网”对地理数据实现 真正的集成和共享，论文首先设计基于约束的高级特征模型来检查和加强原始 多源异构地理数据的应用质量，为地理数据集成做好准备。 应用a r c g l s 的g e o d a t a b a s e 来演示如何利用高级特征模型来实现检查和约束加 强地理数据应用质量的功能。 通过扩展g m l 的基础s c h e m a ，对上面设计的基于约束的高级特征模型进行编码表 达，把高级特征模型中的基础几何特征、应用语义关系和拓扑关系等的g m l 模式 表达出来，形成表达基于约束的高级特征模型的g m l 应用模式。为下一步生成g m l 这种能在不同系统间交换数据的良好格式做好准备，从而有利于实现“中国地 球系统科学数据共享服务网”上地理空间数据的真正集成和共享。 6 山东科技人学硕士学位论文 1 3 主要方法 1 3 1 o p e n g i s 中从现实世界到o g m 的抽象过程 本论文用来检查和加强地理空间数据质量的基于约束的高级特征模型首先是遵守 o g c 规范的，是o g c 的核心开放的地理数据模型o g m ( o p e ng e o d a t am o d e l ) 的扩展。 所以首先理解在真实世界现象和0 g m 的要素集合表达之间的九层抽象层次。这9 个层次之 间通过8 个接口连接，定义了从真实世界到地理要素集合世界的转换模型。通过整个抽象 过程，指出传统地理数据模型已经不能满足现实世界复杂关系、规则和行为的可扩展性 表达要求，从而指出利用基于约束的高级特征模型的必要性。 1 3 2 归纳总结高级特征模型的探索性研究，设计基于约束的高级特征模型 国际著名商业软件在数据建模方面做出了重要贡献，他们所设计的高级特征模型都 支持对复杂特征的表达，可以描述复杂的关系、规则和行为。根据国际著名商业软件在 高级特征模型方面进行的探索性研究，论文分别在属性域、关系以及拓扑几何位置方面 定义一系列的约束条件，达到利用高级特征模型的这些约束条件和有效规则对地理数据 的质量，尤其是应用质量进行检查和约束加强的目的。同时此基于约束的高级特征模型 可以作为“中国地球系统科学数据共享服务网”上的一个单独平台，对原始地理数据起 应用质量检查和加强的作用。 1 3 3 应用g e o d a t a b a s e 演示如何利用高级特征模型来检查和加强空间数据质量 利用a r c g i s 中的g e o d a t a b a s e 来完成一些传统g i s 系统中无法或者很难完成的一些 地理数据应用质量的检查和加强，操作的原始地理数据是“数字青海”中，图1 4 8 g 0 0 1 0 0 2 的数字化数据。通过在g e o d a t a b a s e 中定义属性域以及拓扑关系规则来检查这些原始数 据在数字化过程中存在的错误，并且通过添加实际数据中存在的一些关系有效规则，达 到数据质量加强的效果。 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 3 4 将基于约束的高级特征模型用g m ls c h e m a 表达 g m i ，是基于x m l 的地理信息编码标准，g m ls c h e m a 是x m ls c h e m a 的特例，用来对g m l 文档进行有效性、致性的校验。为了实现“中国地球系统科学数据共享服务网”上多 源异构地理数据的真正集成与其享，需要得到各种格式原始地理数据的g m l 文档，所以论 文根据基于约束的高级特征模型的内容，扩展g m i 的基础模式得到模型内部基本几何特 征、属性数据域、关系类和拓扑的g m l 应用模式编码。 1 4 论文的组织结构 本论文共分五章： 第一章绪论。本部分针对现在社会各部门积累的海量g i s 数据，指出充分有效的共 享这些地理数据是现在g i s 面临的主要问题。从而提出地理信息要实现真正的共享，必须 解决地理信息数据多格式集成这一瓶颈，同时地理数据的质量问题也是影响地理数据共 享能否真正实现的一个关键因素。简要介绍了论文研究的主要内容、目的和主要方法。 第二章基于约束的高级特征模型的研究背景和现状。介绍o g c 的建模，提出用高 级特征模型来代替传统的简单数据模型。总结了以前学者对基于约束的高级特征模型的 研究工作，重点介绍t i n t e r g r a p h 公司和e s r i 公司研究推出的高级特征数据模型。 第三章基于约束的高级特征模型在数据质量检查与加强中的应用。首先指出数据质 量检查与控制加强的重要性，然后设计基于约束的高级特征模型，使之对“中国地球系 统科学数据共享服务网”中的原始地理数据的应用质量检查和约束加强具有不可比拟的 优越性，最后在a r c g i s 中演示g e o d a t a b a s e 如何对数据的质量进行检查和加强。 第四章用g m ls c h e m a 定义基于约束的高级特征模型。前面保证了地理数据的质量， 下面为了对地理数据进行集成和共享，把设计的基于约束的高级特征模型的主要方面进 行g m l 应用模式表达，为下一步实现真正的地理数据集成、共享做准备。 第五章总结与展望。该章对本论文进行了总结，并对今后的工作指明了方向。 山东科技大学硕士学位论文基j 。约束的高级特征模型的研究背景和现状 2 基于约束的高级特征模型的研究背景和现状 2 1 1 数据模型的基本概念 2 1 数据模型概述 数据模型是随着数据库技术的发展提出来的，数据模型是现实世界的抽象( p e u q u e t 1 9 8 4 ) ，根据一定的方案建立的数据逻辑组织方式叫数据模型。数据建模是指把现实世界 的数据组织为有用且能反映真实信息的数据集的过程。数据模型由三个部分组成：一组 数据结构类、一组操作这些类的方法以及一组管理数据库状态的完整性规则。数据结构 是相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合完整性规则是在各种应用中控 制数据构成与操作的约束条件。 数据模型分为三个层次：概念模型、逻辑模型和物理模型( 陈军，1 9 9 5 ) 。概念模型 是现实世界在人们头脑中的反映，是对客观事物及其联系的抽象描述，它经过选择、命 名、分类等抽象过程，最后形成模型，概念模型不依赖于具体的计算机硬件和软件。按 照计算机的软硬件环境设计的数据模型称为逻辑数据模型。也就是说将概念模型转换成 适合于特定的计算机软硬件环境的模型，就是逻辑模型的构建过程。数据模型在计算机 中的表示称为物理模型，其具体形式为各种二进制的文件，如数据库文件、函数库文件、 可执行文件等。 2 1 2 空间数据模型及其研究意义 地理空间数据模型简称空间数据模型，是对地理现实世界进行的抽象。地理信息系 统的空间数据是一个类型繁多、相互关联和数量巨大的信息空间，数据的描述和管理一直 是g 1 s 研究的核心课题，对地理空间数据的描述和管理是通过对地理空间数据模型的研 究展开的。随着g i s 的发展，g i s 的应用范围和环境也变得非常复杂，这就要求针对不 同的应用建立不同的空间数据模型。 空间数据模型是关于g i s 地理空间数据组织的概念和方法，反映了现实世界中空间 实体( s p a t i a le n t i t y ) 及其相互之间的联系，是描述地理空间数据组织( d e s c r i p t i o no f s p a t i a ld a t ao r g a n i z a t i o n ) 和进行空间数据库模式设计( s p a t i a ld a t a b a s es c h e m a ) q 山东科技大学硕士学位论文基于约束的局级特征模型的研冤背景和现状 的基础。字间数据建模的基本任务就是：针对所研究的空间现象或问题，描述g i s 的空 间数据组织，设计g i s 空间数据库模式( 邬伦2 0 0 1 ) 。 在地理信息系统中，模型，尤其是数学模型起着十分重要的作用。由于模型是对客 观世界中解决各种实际问题所依据的规律或过程的抽象或模拟，因此能有效地帮助人们 从各种因素之间找出其因果关系或者联系，有利于问题的解决。模型的建立是数学或技 术性的问题，但它必须以广泛、深入的专业研究作为基础，专业研究的深入程度决定了 所建模型的质量与效果，而模型的质量和数量又决定了系统中数据使用的效率和深度。 大量模型的发展和应用，实际上集中和验证了该应用领域中许多专家的经验和知t ，这 无疑成为一般地理信息系统向专家系统发展的基础。 空间数据模型在空间语义和属性语义方面更加完整地模拟和抽象客观地理世界。从 理论角度来看，地理空间数据模型标志着g i s 的发展水平，对沟通信息科学和地球科学、 完善g i s 基础研究具有重要意义；从技术角度来看，它又是从根本上解决复杂空间问题， 使得g i s 能够真正支持综合决策的关键。所以从g i s 研究和发展的实践来看，对空间数 据模型的认识和研究直接影响到g i s 应用的成败( 罗英伟，2 0 0 0 ) 。所以针对g i s 的发展， 数据建模技术是当前g i s 的发展最新动态。 2 1 3 现代g i s 发展对数据模型提出的要求 传统的地理信息系统是封闭、孤立的系统，没有统一的标准，各自采用不同的数据 格式、数据存储和数据处理方法；地理信息系统及其应用系统的开发都是基于具体、相 互独立和封闭的平台，并且在数据语义表达上存在不可调和的矛盾，从而无法直接进行 系统之间的数据共享，就会使得地理信息处理技术的发展潜力受到很大的限制( 陈述彭， 1 9 9 9 ) 。随着现代信息社会的发展，g i s 迅速发生着变化，逐渐向网络化、标准化、数 据商业化、系统专门化、企业化、全球化和大众化方向发展( 邬伦，2 0 0 1 ) ，形成开放的、 智能的、可扩展的、大众化的地理信息系统。真正的开放式地理信息系统的核心是标准， 这个标准必须与其他各类标准相兼容，但又必须独立于这些标准。只有在共同的标准和 接口下才能实现地理信息的共享和互操作。 为了研究和开发开放式地理信息系统技术，1 9 9 6 年在美国成立了开放地理信息联合 会( o g c ，o p e ng i sc o n s o r t i u m ) 现有十几个国家的1 0 0 多个成员，包括软件技术公司、 硬件软件技术公司、政府机构、大学及重点实验室、企业集成系统、销售商、图像信息 0 山东科技大学颁七学位论文基于约束的高级特征模型的研究背景和现状 产品制造商等。开放地理信息联合会主要研究和建立了开放式地理数据互操作规程( o g i s o p e ng e o d a t ai n t e r o p e r a b i l i t ys p e c i f i c a t i o n ) ， 0 6 i s 类似于a p l ，但它又与a p i 有区别：a p i 通常需要在一个特定的操作系统和程 序语言环境下才能使用，而o g i s 中的规程是在更高一级上的抽象，它独立于具体的分布 平台、操作系统及程序设计语言，使软件开发者建立的地学应用软件能在当今任何分布 计算平台( d c p s ) 下相互可操作。0 6 i s 的核心是开放的地理数据模型o g m ( o p e ng e o d a t a m o d e l ) 。在真实世界现象和0 g m 的特征集合表达之州有九层抽象层次。这9 个层次之间 通过8 个接口相互连接，定义了从现实世界到地理特征集合世界的转换模型。这9 个层 次依次为现实世界( r e a lw o r l d ) 、概念世界( c o n c e p t u a lw o r l d ) 、地理空间世界 ( g e o s p a t i a lw o r l d ) 、尺度世界( d i m e n s i o n a lw o r l d ) 、项目世界( p r o j e c tw o r l d ) 、 点世界( p o i n t sw o r l d ) 、几何体世界( g e o m e t r yw o r l d ) 、地理特征世界( f e a t u r ew o r l d ) 、 以及特征集合世界( f e a t u r ec o l l e c t i o nw o r l d ) 。连接它们的8 个接口分别为认识 ( e p i s t e m i c ) 接口、6 i s 学科( g i sd i s c i p l i n e ) 接口、局部测度( l o c a lm e t r i c ) 接 口、信息团体( c o m m u n i t y ) 接口、空间参照系( s p a t i a lr e f e r e n c e ) 接口、几何体结 构接口、特征结构接口及项目结构接口。整个抽象过程参看图2 1 ： 信息团体接口空间参照系接口 几何体结构接口 。特征结构接口 值 项目结构接口 图21 带有附加接口的九层抽象( o g c ) f i g u r e21 n i n el a y e r so f a b s t r a c t i o nw i t ha d d i t i o n a li n t e r f a c e s ( o g c ) 图中项目世界中最基础的结构是特征，特征是地理空间信息的定量化，项目世界完 些奎型垫盔兰塑主兰焦丝兰苎主垫塞竺壹望堑堡堡型塑竺茎堕墨翌! 堡鉴 全是由特征实例定义的。在项目世界中，要求这里的模型必须能够明显的识别特征之间 的等级、网络、几何、拓扑或者其他的关系，并且把这些关系作为特征本身或者特征的 属性。o g c 鼓励其各成员都遵守这种对现实世界现象抽象的思路，但是传统的数据模型 并不能表达特征之间诸如等级、网络、几何、拓扑等复杂关系。所以传统数据库中的空 间数据是无意义的点、线、面，而不是面向实际应用领域的复杂的客观实体，空间特征 之间没有一种相互的关系可以符合人们的思维习惯。这就要求有一种新的具有内嵌智能 的符合人们思维习惯的数据模型来代替传统的数据模型。 2 2 基于约束的高级特征模型的探索性研究 约束数据模型( c o n s t r a i n td a t am o d e l ) 最早是由k a n e l l a k e se ta l 在 4 7 p k a n e l l a k i s ，g k u p e r ，p r e v e s z ，c o n s t r a i n tq u e r yl a n g u a g e s 中提出的，为地理几 何数据的表达和查询提供了一个很好的范例。 北京大学遥感与地理信息系统研究所的方裕将空问数据库中数据之间的约束归结为 三类：第一类是对象间的拓扑关系约束，即对象之间所必须满足的( 或者不得满足的) 拓扑关系；第二类是距离关系约束，即对象之间必须满足的距离要求；第三类是其他约 束。对于拓扑关系约束，两个空间实体必须满足或者必须不满足8 种拓扑关系的一个子 集，作者将这样一个拓扑关系约束表达为一个五元组 。 在文章c o n s t r a i n t b a s e dw r a p p e rs p e c i f i c a t j o na n d v e r i f i c a t i o nf o r c o o p e r a t i v ei n f o r m a t i o ns y s t e m s 中，作者t h o m a sy l e e 也提出了三种约束： 域约束：抽取的数值应该符合相应的属性域。域约束应用于单一的属性域，如果属 性是人的姓名，那么属性值就应该包括一组字符值，而不是数字。 语义约束：这种约束表明了数据域之间的关系。作者强调指出，约束是通过值和相 关结构定义的。 结构约束：这种约束不同于所有记录以表格形式显示的平面的关系世界。作者认为 至少有三种结构约束：第一、回到通常形式，指出能够描述简单的分级排列；第二、考 虑一种更加丰富的结构依赖；第三、是将语义约束和结构约束结合起来。 同时诸如e s r i ，i n t e r g r a p h 等知名g i s 软件开发商也早就开始对高级特征模型进行 了探索性研究，比如e s r l 的g e o d a t a b a s e ，i n t e r g r a p h 的a f m ，下面简要介绍一下这两 山东科技大学硕士学位论文基于约柬的高级特征模型的研究背景和现状 种高级特征模型 2 2 1e s r i 的g e o d a t a b a s e 1 9 9 9 年e s r i 在a r c g i s8 中将混合数据模型扩展到允许用户为它们的数据添加行为、 属性和关系的面向对象的空间数据模型g e o d a t a b a s e 。 g i s 成功的关键取决于人们对现实世界认识和模拟的正确程度。由于面向对象的方 法能够模拟和操纵复杂对象能够将人t f f x c 于地理空间的认识正确映射到计算机内，面 向对象的开发思想正逐步成为g i s 开发的基本方式。所谓面向对象的数据模型是指人们 可以按照对现实空间世界的认识来对地理空间进行任意层次的分解，呵以根据所描述的 不同空间实体选择最基本的操作单元，从而最大限度接近人们的思维习惯的对现实世界 进行结构和行为的模拟。 g e o d a t a b a s e 利用面向对象技术将现实世界抽象为若干对象类( 0 b j e c t c l a s s ) ，对象 类本身没有空间特征，但每个对象类都有其属性、行为和规则；相同属性集、行为和规 则的空间对象集合体现为特征类( ( f e a t u r e c l a s s ) ；而特征数据集( f e a t u r e d a t a s e t ) 反映 了具有相同空间参考特征的特征类集合；g e o d a t a b a s e 数据模型通过定义关系类 ( r e l a t i o n s h i p c l a s s ) 来描述特征类或对象类之间的关联关系：同时这种数据模型考虑到 特征类平面拓扑的一致性、属性有效范围的域( d o m a i n s ) 的定义及特征类行为取值的约束 规则( r u l e ) 等。 可见，g e o d a t a b a s e 数据模型中融入了面向对象核心技术。g e o d a t a b a s e 数据模型可 以将所有空间地物以对象的形式封装( e n c a p s u l a t i o n ) ，并将对象的外部行为语义和内部 执行之间显著分离，根据操作行为来定义封装：g e o d a t a b a s e 数据格式类型的体系结构 有很强的继承性( i