（系统分析与集成专业论文）分布式城市空间信息系统的关键技术研究与实现.pdf

摘要 数字城市是当今城市信息化建设的发展趋势。在信息科学支撑下， 城市g i s 系统得到了迅速发展，已经在城市的各个管理部门中获得了 一定程度的应用。如何利用已建立的应用服务系统，建立整个城市范 围的可扩展的分布式的协作服务体系，为用户提供致的、透明的、 综合服务，是目前重要的研究课题。 由于各种g i s 软件采用的信息模型与处理技术不同，基于这些技 术实现的应用服务系统存在很大差异，因此实现这个研究课题，主要 解决信息互操作和系统集成两方面的问题。 本文在分析了国内外流行的g i s 系统的地理信息类型和数据格式 的基础上，提出基于本体论的，面向用户应用、面向多源异构信息系 统的城市空间语义信息实体的描述方法，提出基于本体的城市空间实 体拓扑关系及语义关系，确立了本体驱动的空间信息的综合查询模 型，以及语义信息集成方法。 同时，为解决整个分布式信息协作系统的信息共享与服务共享， 实现分布式系统集成，论文研究了a g e n t 、p 2 p 、w e bs e r v i c e s 、网 格计算等多种分布式系统的前沿技术，分别提出了不同分布式技术下 的城市空间信息服务系统的体系框架，以及综合信息服务的实现途 径。 结合城市空间信息系统的特点，论文将c s 的多层结构与p 2 p 对 等模式相结合，综合运用w e bs e r v i c e s 技术和a g e n t 技术，构造出 了协作与协同相呼应的纵横相交的网状信息服务体系。 在此基础上，为了验证系统体系框架的可实现性，论文基于上述 内容及相关技术，实现了本体驱动的城市空间信息服务的原型系统。 原型系统由用户端应用程序、综合信息服务平台框架软件以及面向不 同空间信息服务系统的接口程序和空间数据库系统多层结构组成。采 用w e bs e r v i c e s 及a g e n t 接口技术，系统实现了基于广域网通信的， 多源信息与服务集成的，面向多用户的分布式应用服务功能。 关键字： 数字城市，g i s ，分布式系统，元数据，本体论，面向对象，互操作 a g e n t ，m a s ，w e bs e r v i c e s 技术，x m l ，网格计算，对等计算。 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o n0 nt h ek e y t e c h n o l o g i e s o ft h ed i s t r i b u t e du g i s a b s t r a c t d i g i t a l c i t y i st h e p r o s p e c t i n g t r e n do ft h e c i t y i n f o r m a t i o n c o n s t r u c t i o n s t r o n g l ys u p p o r t e db y i n f o r m a t i o n s c i e n c e ，u g i s h a s d e v e l o p e dr a p i d l y a n db e e n b r o a d l ya p p l i e d i n m a n yg o v e r n m e n t a d m i n i s t r a t i o n s n o w a d a y s ，o n eo f t h em o s ts i g n i f i c a n tr e s e a r c hs u b j e c t s r e l a t e dt ou g i si sh o wt ob u i l das e a l a b l e ，d i s t r i b u t e da n dc o i l a b o r a t e d c i t ys e r v i c es y s t e mt h a to f f e r st r a n s p a r e n tu n a n i m o u ss y n t h e t i cs e r v i c eb y m a k i n g u s eo ft h ee s t a b l i s h e da p p l i c a t i o ni ns e r v i c es y s t e m s i ti sc o m m o nt h a tm a n ys e r v i c ea p p l i c a t i o ns y s t e m sa d o p td i v e r s e g i ss o f t w a r e s i n c em o s tg i ss o f t w a r ec o r p o r a t i o n sa d o p tt h e i ro w n i n f o r m a t i o nm o d e l sa n dp r o c e s s i n gt e c h n i q u e st od e v e l o pt h e i rp r o d u c t s ， t h e r ea r e g r e a td i f f e r e n c e sb e t w e e n s e r v i c e a p p l i c a t i o ns y s t e m s t h e r e f o r e ： i n f o r m a t i o ni n t e r o p e r a t i o na n ds y s t e mi n t e g r a t i o na r et h et w ok e yi s s u e s o f t h i ss u b j e c t t h r o u g ha n a l y z i n gs e v e r a lc u r r e n t - p r e v a i l i n gg e o g r a p h yi n f o r m a t i o n t y p e sa n dg i s d a t af o r m a t s ，t h i sp a p e r p r o p o s e sa b o t hu s e r - o r i e n t e da n d m u l t i r e s o u r c e - h e t e r o g e n e o u s i n f o r m a t i o n - s y s t e m - o r i e n t e d s c h e m et h a t d e s c r i b e st h eu r b a ns p a c es e m a n t i ci n f o r m a t i o ne n t i t yb a s e do no n t o l o g y m o r e o v e r , o n t o l o g y b a s e dt o p o l o g y a n ds e m a n t i c r e l a t i o n s h i p o ft h e u r b a ns p a c ee n t i t ya r ep r o v i d e d t h i sp a p e ra l s op r e s e n t sas y n t h e t i c q u e r ym o d e lo fo n t o l o g y - d r i v e ns p a c ei n f o r m a t i o na n d am e t h o d o l o g y o fs e m a n t i ci n t e g r a t i o n f u r t h e r m o r e ，i no r d e rt or e s o l v ei n f o r m a t i o na n ds e r v i c es h a r m g ，t h e r e a l i z a t i o no fd i s t r i b u t e ds y a e mi n t e g r a t i o n ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e ss e v e r a l a d v a n c e dd i s t r i b u t e d s y s t e mt e c h n i q u e si n c l u d i n ga g e n t ，p 2 p , w e b s e r v i c e sa n dg r i dc o m p u t i n g ，r e s p e c t i v e l yp r e s e n t i n gs y s t e mf r a m e w o r k o fu r b a ns p a c ei n f o r m a t i o ns e r v i c es y s t e mb a s e do ne a c hd i s t r i b u t e d t e c h n i q u e sa n d t h e p r a c t i c a lw a y o f s y n t h e t i ci n f o r m a t i o ns e r v i c e a c c o r d i n gt o t h ef e a t u r e so fu r b a n s p a c e i n f o r m a t i o ns y s t e m ，t h i s p a p e re s t a b l i s h e s ac o l l a b o r a t e da n d c o o p e r a t e d n e t w o r ki n f o r m a t i o n s e r v i c es y s t e mb yc o m b i n i n gt h ec sm u l t i - l e v e lc o n s t r u c t i o nw i t hp 2 p a n d b yu s i n gw e b s e r v i c e sa n dt h e a g e n tt e c h n i q u e o nt h eb a s i so ft h ec o n t e n t sa n dt e c h n i q u e sd i s c u s s e da b o v e ，t h i s p a p e rs h o w s a nu r b a ns p a c ei n f o r m a t i o ns e r v i c e p r o t o t y p ed r i v e nb y o n t o l o g y , w h i c hp r o v e s t h e f e a s i b i l i t y o f s y s t e m f r a m e w o r k t h e p r o t o t y p es y s t e m c o n s i s t so fc l i e n t a p p l i c a t i o n s ，s y n t h e t i ci n f o r m a t i o n s e r v i c ep l a t f o r ma p p l i c a t i o n s ，i n t e r f a c e so fd i f f e r e n ti n f o r m a t i o ns e r v i c e s y s t e ma n dm u l t i l e v e ls p a c ed a t a b a s es y s t e m b yu s i n gw e bs e r v i c e s a n da g e n ti n t e r f a c e s ，t h es y s t e mp r o v i d e sm u l t i u s e r - o r i e n t e dd i s t r i b u t e d s e r v i c e sb a s e do nw a nc o m m u n i c a t i o na n di n t e g r a t i o no fm u l t i - r e s o u r c e i n f b t t n a t i o na n ds e r v i c e s k e y w o r d s ： d i g i t a lc i t y ，g i s ，d i s t r i b u t e ds y s t e m ，m e t a - d a t a ，o n t o l o g y , o b j e c t - o r i e n t e d ，i n t e r - o p e r a t i o n ，a g e n t ，m a s ，w e bs e r v i c e s ，x m l ， g r i d c o m p u t i n g ，p e e r - t o - p e e r 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 作了明确说明并表示谢意。 作者签名：j 壶! 目日期：迎i 主! 兰星弘曰 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版。保密的学位论文在解密后适用本规定 学位论文作者签名：f 妒谓导师签名：正做迫 1 e j 期： 泖年j o 垮毕珏 日期：矗o - o ；j 2 。俨 牛东师范土学博士论文 1 1论文研究领域及背景 第一章绪论 地理信息系统 8 0 1 ( g e o g r 印h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是一种为了获取、存储、检索、 分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。地理信息系统的处理对象足 空间实体，其处理过程足依据空间实体的空问位置与空间关系进行的。地理信息系统具有很 高的融合能力，它与其它信息技术融台，拓展了整体信息技术的应用。_ 十一世纪足信息化、 网络化、数字化、智能化蓬勃发展的新世纪，数字城市正足这股浪潮的潮头。 1 1 1 数字城市 数字城市即综合运用g i s ( 地理信息系统) 、r s ( 遥感) 、g p s ( 全球定位系统) 、多媒体 网络及虚拟仿真技术，对城市基础设施、功能机制进行自动采集、动态监测管理和辅助决策 服务的技术系统。具体而言，就是在城市规划建设与运营管理以及生产生活巾，充分利用了 数字化信息处理技术和网络通信技术，将城市各种信息资源加以蹩合并充分利用。数字城市 由w e b g i s 、c o m g i s 、v r g i s 等技术发展而来，将数字空间技术渗透到城市建设管理的方方面 面其功能强大、信息丰富、直接为社会公众提供空间及相关服务。 纵观世界先进国家的发展进程，城市规划、建设与管理的先进与否直接关系到城市的经 济与社会发展的大局。我国要不断的加快建设步伐，也必须不断加强这些方面的建设。基于 这种认识，当前国内很多有一定规模的城市都在投巨资进行城市信息化建设，但均存在各自 为战，重复开发的问题。信息共享、数据更新机制和互操作技术尚待进一步解决。为此，迫 切需要进一步的研究来解决这些问题。 1 1 2 开放式地理信息系统( o p e ng i s ) 地理信息系统( c l s ) 是一项以计算机为基础的新兴技术，围绕着这项技术的研究、开发 和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科是管理和研究空间数据的技术系统，在计算机软 硬件支持下，它可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理、对数据的有效管理、 研究各种空问实体及相互关系。通过对多因素的综合分析。它可以迅速地获取满足应用需要 的信息t 并能以地圈、图形或数据的形式表示处理的结果。 开放式地理信息系统是指在计算机和通信环境下，根据行业标准和接口建立起来的地理 信息系统。目的是为了实现不同的地理信息系统软件之间良好的互操作性以及在异构分布 数据库中实现信息共享。 一般说来，开放式地理信息系统中的接1 3 是一组语义相关的成员函数，井且同函数的实 体相分离在这个系统中，不同厂商的地理信息系统软件以及异构分布数据库能相互通过接 口交换数据t 并能将它们结合在一个集成的操作环境下。因此，建立开放式地理信息系统环 华东师范土学博士论文 境需要实现不同地理空削数据之间、数据处理功能之间的柏互操作以及吖i 同系统或不同部 门之问资源的共享。真正的开放式地理信息系统耍能在不同软件商之问以及异构分布数据库 之间，通过丈态机制，实现数据存储结构不同的地理信息系统之间的连接。开放式地理信息 系统的核心是标准这个标准必须与其它备类标准相兼容，但又必须独立丁这些标准。只有 在共同的标准和接【= _ | 下才能实现信息共享以及相互操作。 开放式地理信息系统具祷以下特点： 互操作性：不同地理信息系统软件之问连接方便，信息交换没有障碍。 可扩展性：系统可依据需要，提供能够增加数据以及信息处理功能的能力。 兼容性：通过无缝集成技术保护用户在原有数据和软件上的投资，将现有的信息技 术和已有的地学处理软件融为一体：同时，对用户足透明的。应用程序稍加改动就能 在i ；同的平台上运行。 可实现性：随着操作系统、通讯技术以及面向对象方法在分布式处理系统中的应用， 开放式地理信息系统的开发将变得易于实现。 协同性：能够尽可能地兼容其它的信息处理技术以及共享信息的标准。 1 1 3 分布式城市空间信息系统o ” 城市信息系统是一个多成分、多层次、多功能的复杂系统。系统的顺利运行依赖于其内 部各层次子系统间的信息交换，如市政管理系统中，任何一项典型的市政行为都会牵涉到多 层次、多部门的信息交换。值得注意的是，在这个多层次的复杂系统中，对于同一时间或行 为，不同层次上的子系统对信息的内容和详细程度有不同的要求。在正常情况下来自基层 的信息往往需要经过过滤、总结和归纳后才提供给中上层系统而发自上级部门的指令和政 策，则需要通过制定具体措施由基层部门执行，这是所谓的城市信息金字塔。 城市信息系统多层次的结构特征决定了系统问各部分连结性的重要性，其信息内容的金 字塔结构及其专业性和动态性决定了城市空间信息系统在组织形态上的分布性，即信息的有 效管理和处理不是集中在某个中心，而是分布到各个具体的部门。随着社会经济的迅速发展 城市信息系统中的信息量猛增，传统的操作运行方式方法已不能适应发展的需要，计算机化 的城市信息系统应运而生。 地理信息系统中子系统问的关系实质上是信息和系统功能的提供者与接收者的关系这 种关系自然地体现在客户一服务器模式中，提供信息或系统服务的是服务器，获得信息和应 用功能服务的是客户。在分布式地理信息系统中，客户和服务器分别由相应的硬件、软件及 数据库组成，其组合方式大致可按数据和应用功能的分布形式分为四种： 1 、全集中式 全集中式地理信息系统把g i s 软件、d b m s 、及数据库全部集中在中央服务器，客户系统 只负责执行用户界面功能，即获取用户指令并传达给服务器，显示查询结果，及提供系统辅 助功能。 2 、数据集中式 数据集中式的组合系统专设服务器集中提供数据存储和管理服务，故又称数据服务器系 统。网络系统中其它部分自然就成为数据客户，它们一般都白带一定功能的g i s 软件，简译 平囊师范太学博士论文 的数据服务器可由网络软件如n f s 提供，大型的管理系统则需要功能完箭和高性能的数据服 务器。 3 、功能集中式 与数据集中式相反，功能集中式的网络信息系统把绝大部分的功能函数集中在一个或几 个容量大，性能高的服务器上由它们负责所有的分析和处理，数据则分散在锌个客户端存 储和管理。 4 、全分布式 在全分布式系统中各子系统显然具有完备的数据库、g i s 软件和其它应用软件，在网络 系统中同时扮演客户和服务器的角色。各子系统的软硬件环境和特性及拥有的数据都很可能 不一样。 综上所述，面向数字城市服务体系，论文下面就面向应用开放晌分布式城市空间信息系 统中的一些关键技术与实现方法展开研究。 1 2国内外g i s 领域的研究现状 g i s 是2 0 世纪6 0 年代开始迅速发展起来的地理学研究技术足多种学科交叉的产物。 g i s 软件技术广泛用于资源、环境、电力、交通、通信、测绘、农业、建设、航空航天干u 军 事等各行各业对国民经济发展和国防现代化有着十分重要的作用。 作为- - i 综合性技术，g i s 的应用需要利用和集成其他技术，它已经与其他技术相互融 合，和数据库、信息处理、通信等技术一样，成为信息技术( i t ) 的重要组成部分。 1 2 1g i s 软件发展历程及国内外现状 经过几十年的发展，g i s 系统已由地学领域的应用演变为以服务地学领域应用为主要目 的的“基础型”平台软件，以服务商用办公领域为主要目的的“桌面型”平台软件和以服务 于城市公共设施管理为主要目的的a m p m g i s ( a u t o m a t e dm a p p i n g f a c i l i t i e s m a r i a g e m e n t g e o g r 印h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 系统等多个分支。 自从1 9 6 0 年加拿大测量学家r o g e rft o m l i n s o n 提出“要把地图变成数字形式的地图， 便于计算机处理与分析”的观点以来，g i s 技术通过近4 0 年的发展已经实现了三次跳跃。 表i - ig i s 的三次跳跃 前三代g i s 技术对比 第一代第二代第三代 时间2 0 世纪6 0 年代中期到8 0 2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年2 0 世纪9 0 年代中期开 年代的中后期代中期始至今 主要是g i s 软件从无到有、从由于网络技术已经成熟并g i s 应用已逐渐渗透到 特征原型到产品的阶段。由于广泛应用。g i s 软件成熟和人类生活的各个方面， 条件的限制，这一阶段的应用快速发展的时期但仍开始具备作为应用集成 斗东师荒太学博士论文 6 i s 软件存在许多不足。然没有发生根本的变化。平台的能力。 处理以图层作为处理的基础，以图层作为处理基础，可进阻图层为处理的基础， 方式各类查询与计算只能在同 行数据查询，但仍限制在同商用d b m s 相继实现了对 一图层中进行。一图层之内。空间数据的管理，但仍 不够完善。 系统以系统为中心，不同的g i s以系统为中心，属性数据利以系统为中心，属性数 集成系统基本上没有联系。与用商用d b m s 来管理，与其据利用商用d b m s 来管 其它的软件工具4 i 存在集它系统的集成能力略有增理，与其它系统的集成 成关系。强，但仍然比较弱。能力略有增强，但仍然 比较弱， 操作啦机、啦用户，无法实现多机、多用户，g i s 软件电多机、多用户。 模式分时操作模式。转向c s 结构，但仍是“胖 c l i e n t ”类型。 二次全封闭结构，支持二次开支持二次开发的能力有所支持二次开发的能力较 开发发能力非常弱。增强，但灵活性仍受限。胖强。 e l i e n t ”类型。 实现在主要实现技术上，以文以商用d b m s 管理属性数开始向以数据为中心的 技术件系统来管理空间数据与据，但空间数据仍用文件系方向过渡，实现一体化 属性数据。统管理。 存储和初步的一体化查 询。 应用 基本上集中在资源与环境开始有较大范围的扩展，但应用领域迅速扩大，应 领域领域的管理类应用。基本上是管理类应用。 用深度不断提高，开始 具有初步的分析决策能 力。 目前世界上常用的g i s 软件已达4 0 0 多种。它们大小不一风格各异。国外较著名的有 a r c i n f o ，g e n a m a p m g e 等：我国g i s 研究工作开始于2 0 世纪8 0 年代初。从9 0 年代开始， g i s 在我国进入快速发展阶段。从技术角度对比来看，我国g i s 技术的研究与国际水平相当， 基本处于第三代水平，国内较著名的有m a p g i s 、g e o s t a r 、s u p e r m a p 和m a p e n g i n e 等，目 前正在朝着第四代g i s 方向发展。 目前代表g i s 发展新方向的i n t e r n e tg i s 国产软件己经逐步成熟；越来越多的软件 产品采用组件化g i s 、空间和属性数据一体化存储、多用户协同工作等前沿技术，技术创新 和市场开拓实现了良好的互动。据有关统计，g t s 产品在国内市场的普及率以平均每年8 0 的速度向前发展。 1 2 2 g l s 的技术走向 近年来计算机技术飞速发展，特别是软件技术的发展促使g i s 技术发生了很大的变 化。国际g i s 技术的发展趋势，主要体现在两个方面，一是技术的综合( i n t e g r a t i o n ) ，一 4 平霉师范土学博士静宣 足软件技术的分化( f r a c t i o n a t i o n ) 。 ( 1 ) 综合( i n t e g r a t i o n ) ：g i s 技术的综合，主要体现在g i s 与其他信息技术的结合之 上我们常常所说的“3 s ”，或g i s 、遥感和g p s 的体化，就足技术综台的体现。然而， 现在的g i s 已经远远超出了这些，它已经与c a d 、多媒体、通信、i n t e r n e t 、办公自动化、 虚拟现实等多种技术结合，形成了综合的信息技术。这一点。已经被许多从事不同业务的公 司所重视。综合是g i s 技术开发和应用值得注意的重要方向。g i s 与有关信息技术结合见表 1 2 。 表卜2g i s 与几种信息技术结合简要 g i s c a dc a d 为汁算机辅助制豳和设汁，是一门卒问设计技术，用以瞪计地球：g i s 足 一门空间管理技术用以管理地球。二者结台将为我们提供个设汁和管理地 球的1 i 具。 g i s - 遥感早期的g i s 往往与遥感是联系在一起的。广义地讲，遥感是g i s 的重要组成部 分，作为g i s 的一种重要信息源。同时，g i s 的应用也提高了遥感的数据提取 和分析能力。随着高精度遥感的发展和遥感动态网络的出现，g i s 与遥感的结 台会更加密切。 g i s g p s g p s 被认为是2 1 世纪影响人类社会1 2 大技术之一然而，g p s 离不开g i s 必须与g i s 结合。特别是智能化汽车和道路系统( 1 v h s ) 的建设，将为g i s 和 g p s 应用开辟新的途径。 g i s - i n t e r n e t 技术 基于i n t e m e t 技术的g i s ，即w e b g i s 已经成为g i s 技术发展的重要动向，利 用w w w 发布空间信息和提供各种应用是g i s 进入千家万户的重要途径。 g i s - 多媒体技术 g i s 也是一种重要的媒体。g i s 与多媒体结台已经成为现实，在多媒体系统中 嵌入g i s 功能，或在g i s 系统增加多媒体功能，极大地增强了二者的功能。 g i s 虚拟现实技术g i s 与虚拟现实技术结合，提高了g t $ 图形显示的真实感和对图形的操作性。 ( 2 ) 分化( f r a e t i o n a t i o n ) ；g i s 软件的发展经历了从早期的功能处理模块，发展到 组件式g i s 和w e bg i s 的过程( 见表卜3 ) 。目前组件式g i s 和w e bg i s 已经成为许多大 型g i s 公司产品的开发方向。组件式g i s 的最大好处是能够使g i s 功能嵌入其它软件，或将 其它软件功能引入到g i s 中来。i n t e r g r a p h 称该公司已经进入组件式g i s 的时代，其j u p i t e r 计划正在移植和开发多种组件式g i s 。e s r i 在组件式g i s 方面也作了新的探索，推出了以 m a p o b j e c t s 为代表的新一代g i s 。m a p l n f o 公司也不示弱，投入巨资开发m a p x ，具有很好的 发展前景。 我国也有类似软件推出如m a p e n g i n e 和我们开发的a c t i v e m a p 等都是很好的 例子。 华毒竹范土学博士舱又 表卜3g i s 软件发腱模式 ( 1 )模块式g i sm o d u l e ( 2 ) 乜式g l sp a c k a g eg i s ( 3 )核心g i sc o r e g i s ( 4 )组件式g i s c o m p o n e n t sg i $ ( 5 )阿络式g i sw e b g l s ( 6 )g l s 语言gj m l 另一方面，w e bg i s 也是当今g i s 技术发腱的重要方向。世界备大g i s 专业公司相继 推出了各自的产品，如a u t o d e s k 公司的m a p g u i d e ，e s r 公司的i n t e r n e tm a ps e r v e r ， i n t e r g r a p h 公司的g e o m e d i a w e bm a p ，m a p l n f o 公司的p r o s e r v e r 以及b e n t l e y 公司的m o d e l s e r v e r d i s c o v e r y 等，都希望抢占市场。我国许多g i s 专家和单位都注意到这一新的发展， 也在致力于发展自己的w e b g i s 。 1 2 3 第四代g i s 发展趋势 由丁g i s 软件技术的不断成熟g i s 越来越多地应用在城市信息系统当中。随着它与 其他技术更多地融合，该领域研究逐步进入了第四代g i s 。第四代g i s 软件应该具备支持数 字地球( 区域、城市) 的能力，成为o s 、d b s 之上的主要应用集成平台。它要实现四种转 变： i 由二维处理向多维处理的转变； 2 由面向地图处理向面向客观空间实体及其时空关系处理的转变； 3 由阻系统为中心向以数据为中心，实现空间数据共享与服务的转变 4 由管理型向分析决策型的转变。 四个转变的实现都涉及到信息科学。目前信息科学领域出现许多新方法，将这些新方法 应用到g i s 领域中，实现第四代g i s 的相关功能，是一件非常有意义的研究工作。 在面向空间实体的数据组织与融合方面：第四代g i s 改变以圈层为基础的组织方式，实 现直接面向空间实体的数据组织 实现不同尺度空间数据的互动和矢量、影像数据的互动； 实现多维属性与嵌套表组织：实现多源空间数据的装载与融合，支持数据仓库机制；强大的 索引机制。 在统一的海量存储、奁询和分析处理方面：第四代g i s 支持t b 级以上的空间数据存储； 有效的空问、属性一体化管理、查询机制：面向问题的分析、处理手段和工具：以空间数据 牛互师范土学博士论文 为基础的数据挖掘；联机事务处理( o l t p ) 与联机分析处理( o l a p ) ：扩充的、支持空间的“关 系”概念与“关系运算”。 在有效的分布式空间数据管理和计算方面：第四代g i s 具有多用户同步空问数据操作与 处理机制：数据、服务代理和多级b s 体系结构；异种g i s 系统互连与互操作：空间数据分 布式存储与数据安全：空扣l 数据高效压缩与解压缩。 在一定的三维和时序处理能力方面：第四代g i s 具有空间数据的增量存储与快速还原能 力：时空数据处理与分析机制；混合式三维空间数据模型；快速广域二维计算和显示以及数 据空问化。 第四代g i s 更加强调系统，包括：1 ) 强大的应用集成能力有效的遥感、地理信息系统、 全球定位系统集成；2 ) 强大的应用模型支持能力：3 ) g i s 与m i s 、特别是e r p 的有机集成： 4 ) g i s 与0 a 的育机集成：5 ) g i s 与c a d 的有机集成：6 ) g i s 与d c s 的有机集成：7 ) 有一定 实时能力、微型化、嵌入式g i s 与各类设备的集成。 在灵活的操纵和虚拟现实能力方面：第四代g i s 具有多通道用户界面：数据空间化与可 视化支持：一定的虚拟现实表达；模型定义语言及其支持机制。 第四代g i s 软件的核心部分是空间、属性数据的组织、管理、操纵、分析、表达以及与 其它席用软件的集成接口( 包括应用模型定义接口) 。为了适应分布式处理和互操作的要求， j 丕需要有大量的空间数据处理中问件，制定一系列的数据、服务传输协议。而空间数据的采 集、加工与分析结果的制图输出等功能可以作为外围部件，与核心部分配套。 其中，空间数据模型与组织是第四代g i s 软件的关键，体现了新一代g i s 的设计策略和 实现方法学：空间数据元数据与服务规范、空间数据计算与传输中间件是系统的两大支柱， 保证了6 i s 软件的开放性和标准化。它们集中体现了第四代g i s 技术上的创新与跨越。 1 2 4 地理信息技术的应用与推广 国际上g i s 应用得到了非常高的重视应用面不断扩大。国际上g i s 应用有两个值得注 意的方面，一是面向大型项目。二是面向公众。 在大项目方面，如美国内务部土地管理局的自动土地与矿产资源系统( a l m r s ) 和森林 局6 1 5 项目。仅软件和硬件的耗资就高达1 2 亿美元。美国海军的海图计划，建库的费用也 在数亿美元以上。 另一方面，g i s 的应用已经走向公众，通过网络将空间信息传至千家万户，如美国已有 城市试验通过电视有线网向公众发布城市等空间信息。香港地政署与旅游协会( t a ) 也正在着 手建立香港旅游信息系统，该系统的基础数据直接来源于地政处的大型数据库，旅游信息则 由旅游协会( t a ) 所提供，计划首先在尖沙嘴等旅游热点安装触摸屏，游客可以通过它真接了 解香港地理和旅游信息。 g i s 应用最为值得注意的动向是g i s 功能的变化。g i $ 的应用过去只是限于管理方面， 随着信息技术的发展g i s 已经逐步进入集采集、管理、信息服务、决策控制与一体的综合 应用阶段。 7 毕东师麓土学博士论文 1 3分布式计算的发展历程及其计算模式 分布式计算环境是近2 0 年米影响计算技术发腱的最活跃因素之一它的发展经力了两 种1 i 同的技术路线。” 第一种足理想的技术路线，试图在互连的计算机硬件上部髫全新的分布式操作系统，全 面管理系统中各自独立的计算机，呈现给用户单一的系统试图。在8 0 年代，学术界普遍追 求这目标，尽管产生了许多技术成果和实验系统，但划没宵被用户和市场接受。 第一种足现实的技术路线，即在网络计算、f 台上部署分布计算环境( 也称为中间件) 提供开发 _ = 具和公共服务，支持分布式应用实现资源共亭和济同工作。9 0 年代，工业界 普遍遵循这一技术路线，产生了一系列 亍之有效的技术和厂。为用户接受的产品。 当前人们所说的分布式计算技术是指在列络计算、l i 台上开发、部署、管理干u 维护以资源 共亨和协同 u = 作为主要应用目标的分布式应用系统。从8 0 年代至今，分布式计算技术已经 走过了第一代，目前正处于第二代的成熟期并且开始孕育第三代。见下表列山了分布计 算技术发展的三个重要阶段。 表l 一4 分布式计算技术发展的三个重要阶段 第一代( 8 0 年代中朗9 0 年代初)第二代( 9 0 年代)第三代( 2 1 雌 l 柳) 面向生要州题信息托阜异构环境下的应崩互操作智能化的协i 瑚【作 体系结构经典的客户机服务器模式面向对象的多层次客户机服自主的多a g e n t 辅助f 的新型计算 务器计算模式模式 关邂技术的特点传统的计算模式和设施( 蛔过程调将面向对象技术应用与分布构建面向a g e n t 的拟人化变互环境 用概念和文忭系统)式计算结合 成粜能够提供丰富的分布式系统服务、已经成为建立集成构架和软正处于实验阶段尚未达到广泛应 矗好的分布系统管理和典型的分布构件标准的榜心技术用于排同工作的成熟程度 系统应用 8 0 年代中后期。以支持信息共享的应用需求为核心，形成了面向过程的第一代分布计算 技术，这一时期主要采用集中应用服务的分布式计算模式。在第一代分布计算技术的推动下 9 0 年代初出现了从集中计算模式向分布式客户服务器计算机系统的建立及其应用系统的 开发过程中人们逐渐体会到分布式系统比想象的要复杂得多例如异构环境下的应用互操 作问题、系统管理问题、系统安全问题等等，这些问题在集中计算模式下是不曾出现或不突 出的。 传统的面向过程的技术在开发大型软件系统时已经暴露出很大的局限性，在应付复杂的 分布式应用系统时更加力不从心。人们自然想到了在8 0 年代软件领域大放异彩的面向对象 技术。9 0 年代初，以面向对象技术为主要特征的第二代分布计算技术开始孕育，经过5 年 多的蓬勃发展进入成熟期。人们也将这一代技术称为分布对象技术。虽然面向对象技术的 应用解决了面向过程设计分布程序的部分应用问题，但仍存在c s 模式固有的设计问题。因 此，一方面结合a g e n t 技术，改变传统分布式计算模式，实现一种智能a g e n t 辅助下全新分 毕毒师范上学博士论文 布办作模式足分布式计算研究的一个重要问题。 另一方面，从计算模式的角度出发，设计网络应用软件一般采用两种不同计算模式，对 等体到对等体计算模式( p e e r t o p e e r ) 和客户机、服务器计算模式( c s ) 。这两种模式都 可以基于网络编写分布式协作应用软件。 客户n 务器计算模式的特点是： 服务器功能要求强大，客户机功能简单专一。 信息集中存储，安全性好。 客户机完全依赖于服务器，一旦服务器崩溃整个系统就将瘫痪。 网络通讯交互操作较为简嗨主要足申请和服务的关系。 对等体到对等体计算模式的特点是： 参与网络的主机地位平等彼此之问无依赖关系。 网络信息分布在多台主机之上，通过平等的相互协同实现资源共亨。 m 络中任意两台主机之间可以直接通讯， 主机可变换位置，随意移动j i 会影响主机的身份。 网络通讯的交互协作比较复杂，特别是在一个覆盖全球的网络环境中，需要通过智 能软件体的设计实现自主协同。 与a g e n t 技术的结合更加完满。 结合两种计算模式的特点依据应用需求，选择适当的模式构造分布式系统也是一个重 要问题。 1 4 论文研究目的与研究内容 1 4 1 研究目的 基于国内外g i s 领域发展现状与趋势，将g i s 与网络通信技术相结合，搭建集基础信息 平台与应用平台于一体，跨平台、跨领域的综合服务体系。这是信息技术发展的趋势，更是 城市信息化发展的必然。但目前，在数字化城市的进程中，城市中各行业、各部门各自开发、 建设的独立系统，出现了在系统间信息难以融合与服务难以协调的瓶颈。也就是说如何在分 布式异构系统环境下实现用户对各类系统的统一访问模式，提供用户透明服务成为一个 重要研究课题。目前在城市空间信息服务领域，众多系统无论在信息表示还是提供服务上均 存在差异。如何解决在平台、编程语言、信息描述方式等各方面的异构问题，是目前建立综 合信息服务的关键问题。为此，本论文围绕以上问题对分布式空间信息系统下综合信息服务 的一些关键技术与实现进行研究。 1 4 2 研究内容 构建开放的分布的综合服务体系涉及到综合学科领域需要将地理信息、网络通信、分 布计算、人工智能等多学科的技术融合在一起才能很好地完成。本论文正是基于这样一些学 科领域的技术，来完成分布式城市空间信息系统的构造与平台的开发。 以国家8 6 3 项目为平台，论文结合项目需求对有关领域及前沿技术进行了研究。主要 9 牛东师苞土学博士语文 包括以下几个方面： 1 、地理信息作为数据源是整个系统的基础。论文在对目前流行的g i s 软件中的地理 信息组织结构、表示形式进行研究的基础上对它在数字城市巾的分类以及它的表达方式作 了分析，根据城市信息分类特点，结合用户习惯提出了面向用户的城市空州信息分类方式。 2 、在分布式环境下，人、组织、信息系统之问都要进行通信。但由于不同的背景上下 文和需求，对于同样的主题，存在很不相同的观点和设想；概念、结构和方法失配，但又有 许多部分重叠。缺乏共享的理解导致人、组织、信息系统间沟通的困难。因此，实现在分布 式异构环境下的信息共享，要解决地理信息表达形式与表达含义的一致性问题。为此论文 提出了基于本体沦的城市空间信息描述方法。 3 、城市空间信息足遥感图象和欠量地图以及对应信息的数据库各类信息的综合，在现 有应用系统之上建立分布式服务体系需要根据城市空问信息的特点，论文提出了信息分类与 服务分类相结合的元数据描述方式建立与信息导航与服务导航相结合的系统模式。 4 、不同的建模方法、风范，语言和软件工具不仅严重阻碍了软件系统间的互操作，也 导致了软件设计中的许多重复工作。清晰地表述软件系统的本体沧，可以促进理解的沟通， 进i i i 促进软件的重用和共享，互操作和可靠性。因此。为了实现在分布式异构环境下的服务 共事，解决异构系统之间互操作问题，论文研究了如何在分布式空间信息系统中，运用各种 前沿技术，实现协同与协作服务的分布式计算模式。 5 、根据城市空间信息服务体系的特点采用c i s 模式与对等模式结台、纵横柑交的网 格状布局设计完整的体系模型。 6 、要使g i s 应用开发始终处于领域前沿，必须要对目前相关的前沿技术有比较全商的 理解和应用。因此，沦文最后对分布式系统下的多项前沿技术进行了研究，并在此基础上依 据国家8 6 3 项目的任务目标，完成了原型系统