（系统分析与集成专业论文）普适计算环境中的复合空间模型及相关安全技术研究.pdf

华东师范大学硕士毕业论文 普适计算环境中的复合空间模型及相关安全技术研究 摘要 新型计算模式普适计算的出现，在带来第三次计算浪潮的同时，也为计算 科学领域带来新的挑战。论文对于普适计算环境中的空间模型以及相关安全问 题进行了初步探索。首先，论文针对普适计算环境中的空间建模问题进行了分 析，在较为系统地调研了国内外的相关研究成果的基础上，结合普适计算的新 特性，提出了适用于普适计算环境的复合空间模型。复合空间模型由几何层、 几何拓扑层、语义层、语义拓扑层以及表现层构成，各个层次分别对应于待建 模环境中实体的不同层次抽象。复合空间模型使用x m ls c h e m a 定义，保持了 模型的开放性与可扩展性。其次，论文分析了普适计算对于安全与隐私问题带 来的挑战，并对普适计算环境中的访问控制模型及其发展趋势进行了相关调研， 在此基础上结合复合空间模型，以形式化的方法定义了基于位置的访问控制模 型，并结合具体的普适计算应用场景给出了模型的实现实例。其后，论文简要 介绍了在m - s h o w 系统，及在其基础上实现的模型原型。原型系统的成功构建 证明了模型在普适计算环境中的可行性。最后，论文提出了对后续研究工作以 及相关学科发展的一些设想。 关键词：普适计算，复合空间模型，访问控制，上下文感知，g m l i 华东师范大学硕士毕业论文 普适计算环境中的复合空间模型及相关安全技术研究 a b s t r a c t t h ed e v e l o p i n go fp e r v a s i v ec o m p m i u gl e a d st h et h i r dw a v eo fc o m p u t i n g t e c h n o l o g y , 嬲w e l l 鹊n o v e lc h a l l e n g e so fc o m p u t e ra p p l i c a t i o n t h et h e s i s c o n c e n t r a t e so nt h er e s e a r c ho fs p a t i a lm o d e lo fp e r v a s i v ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ( p c e ) a n dr e l a t e ds e c u r i t yt o p i c s f i r s to fa l l ，t h et h e s i sp r e s e n t san o v e lh y b r i ds p a t i a l m o d e lb y a n a l y z i n g t h e s p a t i a lm o d e l i n gp r o c e s s w i t h i n p c e ，a l o n gw i t h s y s t e m a t i c a l l ys u r v e y i n go fr e l a t e di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hl i t e r a t u r e s t h eh y b r i d m o d e lc o n s i s t so fd i f f e r e n ta b s t r a c tl a y e r so fm o d e l i n gs p a c e ，i n c l u d i n gg e o m e t r i c l a y e r , g e o m e t r i ct o p o l o g yl a y e r , s e m a n t i cl a y e r , s e m a n t i ct o p o l o g yl a y e ra n d p r e s e n t a t i o nl a y e r t h em o d e li sd e f i n e db yx m ls c h e m aw h i c hb r i n 笋h i 曲 o p e n n e s sa n de x t e n s i b i l i t y s e c o n d , t h et h e s i sa n a l y s i st h es e c u r i t ya n dp r i v a c yi s s u e s o fp c e ，a n dt h e np r e s e n t saf o r m a ld e f i n i t i o no fl o c a t i o n - e n h a n c e da c c e s sc o n t r o l l i n g m o d e lb a s e do nt h eh y b r i ds p a t i a lm o d e l t h em o d e lo fa na p p l i c a t i o ns c e n a r i oi s g i v e na r e rt h a t f i n a l l y ，t h et h e s i sb r i e f l yi n t r o d u c e sap r o t o t y p es y s t e mb a s e du p o n m - s h o ws y s t e m t h es u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t a t i o no f p r o t o t y p es y s t e ms u p p o r t st h e f e a s i b i l i t yo f t w op r o p o s e dm o d e l si np c e k e y w o r d s ：p e r v a s i v ec o m p u t i n g ；h y b r i ds p a t i a lm o d e l ；a c c e s sc o n t r o l ； c o n t e x t - w a r e ；g m l 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： 授权使用声明 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 日期 3 导师 日期 o r i g i n a l i t yn o t i c e i np r e s e n t i n gt h i st h e s i si np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft 1 1 er e q u i r e m e n t sf o rt h em a s t e r s d o g r o oa te a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y ，1w a r r a n tt h a tt h i st h e s i si so r i g i n a la n da n y o ft h et e c h n i q u e sp r e s e n t e di nt h et h e s i sh a v eb e e nf i g u r e do u tb ym e a n yo ft h e r e f e r e n c e st ot h ec o p y r i g h t , t r a d e r a a r lp a t e n t , s t a t u t o r yr i g h t , o rp r o p r i e t yr i g h to f o t h e r sh a v eb e e ne x p l i c i t l ya c k n o w l e d g e da n di n c l u d e di nt h er e f e r e n c e ss e c t i o na t t h ee n do f t h i st h e s i s s t g n a t u r e 销。a t e ：j ! ：! ：；趔 c o p y r i g h tn o t i c e ih e r e i na g r e et h a tt h el i b r a r yo fe c n us h a l lm a k ei t sc o p i e sf r e e l ya v a i l a b l ef o r i n s p e c t i o n if - r r t h e ra g r e et h a te x t e n s i v ec o p y i n go ft h et h e s i si sa l l o w a b l eo n l yf o r s c h o l a r l yp u r p o s e s ，i np a r t i c u l a r , s t o r i n gt h ec o n t e n to ft h i st h e s i s i n t or e l e v a n t d a t a b a s e s ，舔w e l l 嬲c o m p i l i n ga n dp u b l i s h i n gt h et i t l ea n da b s t r a c to ft h i st h e s i s ， c o n s i s t e n tw i t h ”f a i ru s e ”雒p r e s c r i b e di nt h ec o p y r i g h tl a wo ft h ep e o p l e s r e p u b l i co fc h i n a 跳嘣叭：兰辱童孙咖：出铲妒 4 华东师范大学硕士毕业论文普适计算环境中的复合空间模型及相关安全技术 第1 章绪论 1 1 研究背景 第二次世界大战后，计算机的出现不仅代表了第三次技术革命的开始，也 标志着计算机科学的诞生。计算机科学以及相关工程技术领域自诞生以来一直 保持着蓬勃的活力，在吸引了众多研究者注意的同时，也被工业界所广泛关注 与接受。尤其在近二十年中，高新技术研究成果不断转化为新产品与新技术， 在很大程度上影响与改变了人们的生活模式。上世纪九十年代初，个人电脑的 普及与推广，使得计算机从昂贵的殿堂式计算设备转型为低成本低功耗的家用 级电器，进入了普通百姓的日常生活。而近十年来互联网及相关领域的蓬勃发 展，使得远距离的信息交流更加经济快捷方便，更在一定程度上带动并影响了 全球范围内的产业分布与经济态势，掀起了第三次技术革命的高潮。 在计算机科学领域中，对于未来的计算模式的探索，一直为具有超前眼光 的研究者们所关注。虽然上世纪九十年代是传统计算模式得到高速发展的时期， 事实上在这个时期对于新型计算模式的探讨从未停止，不断有新的声音在学术 界与工业界出现。其中最具有代表性的是两个看似背道而驰，实则对立统一的 方向，即：网格计算( c , r i dc o m p u t i n g ) 1 】与普适计算( p e r v a s i v ec o m p u t i n g u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ) 2 ，3 】。 欧洲核子研究组织c e r n 对网格计算的定义为“网格计算是通过互联网来 共享强大的计算能力和数据储存能力”【4 】。网格计算的意义在于通过互联网整 合空闲的计算与存储资源，可以称之为“化零为整”。而普适计算则强调计算 与周围环境的融合，提倡的是“消失的计算模式”，即计算技术融入到日常生 活的方方面面而不为人们所感知，可以称之为。化整为零”。 在普适计算的一大特点是上下文信息参与计算过程。空间位置信息属于上 下文信息范畴，对于普适计算环境中的空间模型的研究，在近十年来一直是相 关领域的一个研究热点。另外，由于上下文信息中往往含有敏感度较高的私密 信息，同时普适计算环境的开放性、复杂性等多种特性使得其中的安全问题相 1 华东师范大学硕士毕业论文普适计算环境中的复合空间模型及相关安全技术研究 较传统的计算环境更为复杂，使得安全问题成为普适计算中的另外一个研究的 热点。 1 2 研究动机与思路 普适计算研究在近十年时间中得到了很大的发展，研究工作从初期的理论 设想，逐步发展到基于现实系统上的实践经验的总结。在对相关文献进行了广 泛调研后，我们发现虽然安全与空间模型都是普适计算领域的研究热点，但现 有的相关研究工作多是集中于其中一个领域，很少有文献同时涉及到这两个方 面。而事实上，空间位置信息作为物体的基本属性之一是上下文信息的一种， 将其纳入安全机制中可以增强系统的安全性能，而安全性能的增强又可以保护 作为隐私信息的空间位置信息。如何实现并保持这种有效的正向循环，是一个 值得研究的课题。解决在普适计算环境中利用空间位置信息增强安全性能的问 题，成为论文的主要研究动机。 以此为出发点，在具体的研究过程中，我们发现虽然现有研究百花齐放， 但仍然存在一些有待完善的地方，主要体现在以下几个方面： 首先，对于普适计算环境中的空间信息模型，虽然近年来的相关研究已开 始呈现复合化与语义化的趋势，但尚缺少对语义元素与几何元素之间明晰的层 次划分；同时我们认为对于这种融入了语义元素与几何元素的模型，一个应当 引起注意并妥善解决的问题是：语义元素的层次结构与几何元素的层次结构之 间的一致性问题。 另外，现有对空间模型的研究工作多集中于对内容与结构的探讨，很少有 文献涉及空间模型的具体编码与实现。而事实上，空间模型的编码方式对于空 间模型的实施是十分重要的。空间模型的编码虽然已经有较为完善的工业标准， 但如g m l 这种大而全的体系并不完全适用于普适计算环境。 此外，对于普适计算环境中安全技术的研究主要集中于访问控制与认证两 个方面。综合考虑空间位置信息与两者的结合方式以及实现的复杂程度后，决 定使用访问控制作为安全技术方面的结合点。 1 - 3 研究目标及主要研究内容 结合以上研究背景及动机，论文的主要研究目标为： 2 兰奎堕蔓奎堂堡圭! 些堡苎童重盐苎堑堡主堕墨盒窒坚堡型墨塑差塞全茎查至壅 研究适用于普适计算环境的空间位置信息模型，并在其基础上研究结合空 间位置信息的访问控制模型。 具体而言，论文主要研究内容有： 1 - 提出了普适计算环境中的复合空间模型 2 基于g m l 技术，采用a p p l i c a t i o ns c h e m a 的形式定义了复合空间模型 3 提出了结合空间位置信息的访问控制模型 4 尝试使用形式化的方法定义访问控制模型 5 在m - s h o w 系统的基础上实现上述模型的原型系统 1 4 论文组织结构 论文的组织结构如下所示： 第一章为绪论。其中首先概要介绍了相关学科背景，明确提出了主要的研 究动机，研究目标以及研究内容，并对论文的整体组织结构进行了说明。 第二章为相关背景介绍。其中介绍了普适计算及其发展，以及本文相关的 背景领域，如上下文计算、位置敏感计算以及定位技术等，并对相关的空间模 型及隐私与安全技术做了简要说明。 第三章为空间模型。其中首先对通用空间模型进行了介绍，其后分析了普 适计算给传统的空间模型所带来的新的挑战，并对国内外相关研究进行了较为 系统的调研与总结。参考工业界已有的编码规范g m l 及其模型，提出了一个 适用于普适计算环境的复合空间位置模型。 第四章为访问控制。其中首先是对于现有访问控制策略与模型进行了介绍， 之后结合普适计算的特点，在广泛调研了现有研究成果的基础上，尝试形式化 地定义了一个位置敏感的访问控制策略模型，达到了利用上下文信息增强普适 计算安全性的目的。最后以学校为具体应用场景，给出了模型的实现。 第五章为模型实现与m - s h o w 系统。其中介绍了m - s h o w 系统，以及前两 章中所述模型在m - s h o w 系统上的实现。 第六章为结语部分。论文在总结了论文研究工作之后，给出了在相关研究 领域进行进一步研究的可能方向。 3 华东师范大学硕士毕业论文普适计算环境中的复合空间模型及相关安全技术研究 第2 章相关技术背景 2 1 普适计算的兴起 普适计算( 又称为普及计算，p e r v a s i v ec o m p u t i n g ，u b i q u i t o u s c o m p u t i n g ) ，是发源自上世纪八十年代末九十年代的一种新型计算模式，又被 称为第三次计算浪潮。普适计算之父，m a r kw e i s e r ，在1 9 8 8 年其任职於著名 的施乐p a l oa l t o 研究中一c , , ( p a l oa l t or e s e a r c hc e n t e r , p a r c 5 ) 时首次明确提出 了普适计算的概念，并在1 9 8 8 年至1 9 9 4 年的六年时间里领导他的研究小组进 行了一系列的相关研究工作。1 9 9 1 年，m a r kw e i s e r 在其发表于科学美国人 的文章“t h ec o m p u t e rf o rt w e n t y - f i r s tc e n t u r y ”中提出：“最伟大的技术是那 些业已消失在人们的日常生活中而不为人们所察觉的技术” 6 】。这篇文章的发 表标志着普适计算领域的诞生。 普适计算是一个具有前瞻性的理念，在其问世后的相当一段时间内，由于 当时的计算能力、制造水平以及人们认知能力的限制，并未引起人们足够的重 视。近十年来，电子工程与材料科学以及制造技术的高速发展使得实现普适计 算的理念成为可能。普适计算也逐渐引起了学术界与工业界的广泛关注，相关 技术成果陆续走出实验室，如r f i d 等产品已相对成熟并在相关领域中大规模 使用。学术界与工业界的著名研究计划包括：强调人本普适计算的麻省理工 ( m i t ) 的氧气计划( o x y g e np r o j e c t ) 7 ，提倡非干扰性环境的卡内基梅陇大学 ( c m u ) 的气域计划( a mp r o j e c t ) 8 】以及欧盟所支持的“消失的计算” ( d i s a p p e a r i n gc o m p u t i n g ) 9 ，1 0 等 普适计算的理念在这近二十年的时间中也随着理论与实践的相互作用而不 断发展，从最初m a r kw e i s e r 提出的“安静”与“不可见”，到强调“随时随 地以任何方式处理信息”。 普适计算的领域范围涵盖了计算机科学中多个不同的专业领域，包括：分 布式计算、移动计算、嵌入式系统、传感器网络、人机交互以及人工智能。除 4 华东师范大学硕士毕业论文普适计算环境中的复合空间模型及相关安全技术研究 此之外，广义上的普适计算的研究范围还涉及到部分认知科学与社会科学的内 容。可以看出，普适计算是一个新兴的交叉学科。 2 2 上下文计算、位置敏感计算及定位技术 2 2 1 上下文计算 普适计算所区别与之前的计算模式，特征之一在于强调计算与环境的融合。 计算与环境的融合，在具体表现形式上体现为：环境信息参与计算的过程。这 里所指的环境是广义的，不仅仅包括时间、地点、温度等通常意义的环境信息， 还可能包括其他与具体计算相关的计算环境信息，比如：在商场的计算环境中， 环境信息可能包括用户的消费习惯数据，而这些数据又有可能不只是单单针对 具体顾客的，出此之外还可能包括某些群体的数据，或是在现阶段，或者是某 个历史阶段的消费数据等等。再如在混合燃料汽车中使用的智能系统，为了提 高燃料的利用率，参与计算的上下文数据可能包括：汽车型号，当前的行驶路 面情况( 有无坡度，是否有积水，雪) ，环境情况( 高速公路，郊区公路或是 市区道路) ，以及司机的驾驶习惯等等。而这些数据统称为上- v 文( c o n t e x t ) ， 使用到上下文信息的计算模式，或者说以上下文信息为核心的计算模式，称为 上下文敏感计算( c o n t e x t - a w a r ec o m p m m g ) 。 2 2 2 位置敏感计算 位置信息是上下文信息的重要组成部分。在传统的计算模式中，位置信息 的参与程度，并不象时间信息那样普遍，通常只出现在特定的应用环境，比如 在军事上利用g p s 进行定位导航等。在最近的十余年，位置信息的参与计算开 始有普及化的趋势，位置敏感计算( l o c a t i o n - a w a r ec o m p u t i n g ) 领域开始引起学 术界的关注，越来越多的研究者开始从事相关的研究工作并且取得了丰硕的成 果。可以看到的是，工业界也开始关注与位置相关的计算，推动工业界标准的 制定，相关的产品不断更新换代，使得位置敏感计算逐渐深入人们的日常生活。 2 2 3 定位技术 位置敏感计算的核心技术之一是定位技术，即通过计算确定标的物所处的 物理位置。定位技术在过去的近二十年中得到了突飞猛进的发展。m i k eh a z a s ， 5 华东师范大学硕士毕业论文普适计算环境中的复合空间模型及相关安全技术研究 j a m e ss c o t t 与j o h nk r u m m 在 1 l l q b 指出，现有的位置感知系统( l o c a t i o n - s e n s i n g s y s t e m ) 多种多样，不论是所采用的定位技术，或者是定位精度，定位区域的覆 盖程度，适用场合，位置信息更新频率，系统实施的成本与难易度都各不相同。 定位系统根据适用场合的不同可以分为室内定位系统与室外定位系统。室 外定位系统通常覆盖范围较广，定位精度与定位速度要求都相对较弱，使用的 定位技术如代表性的g p s ( g p s 早期多用于军事与科研用途) 技术。室内定位 系统与室外比较而言出现较晚，早期系统如始于1 9 8 9 年的a c t i v eb a d g e 1 2 。 室内定位系统所使用的定位技术相对较新，是近期研究相对集中的领域。常见 的室内定位技术包括：a c t i v eb a d g e 所使用的基于红外信号的定位技术 1 2 1 ， m i t 的c d c k e t 系统【1 3 - 1 5 】所使用的基于超声信号的定位技术，以及使用射频 ( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 信号的定位技术。射频定位技术中又可细分为w i f i 定位 技术( 微软研究院的r a d a r 系统 1 6 】与马里兰大学的h o r u s 系统 1 7 】) ，蓝牙 信号定位技术，r d i d 定位技术以及通过计算手机与基站通信包传输的耗时进 行定位的技术。除此之外还有若干其他非基于信号处理的定位技术出现，比如 通过分析视频图像进行定位。 在所能达到的定位精度上，超声定位与基于视频的定位均可打到厘米级的 定位精度，但这两项技术的目前还只局限在实验室范围使用。基于r f i d 的定 位可以达到分米级。而基于红外、w i f i 、蓝牙信号的定位都只能达到米级。但 值得一提的是，基于后几项技术的系统实施成本相对较低，比较适合室内中大 规模的定位。 2 - 3 空间模型 人们对于其所生活环境的了解，最基本也是最直接的信息来自与时间与三 维物理空间。而目前对于信息系统而言，由于计算机构成与发展的历史原因， 时间信息参与计算的程度远高于空间位置信息。如何将复杂的空间位置信息采 用数字化的形式存储与标识，以便为信息系统所使用，或是在多个不同信息系 统之间交流与传输，这就需要有通用的空间位置信息模型。研究者们对于空间 位置信息模型的研究已有很长时间，在信息科学与环境与地理学科的交叉研究 中尤为多见。 6 华东师范大学硕士毕业论文 普适计算环境中的复合空间模型及相关安全技术研究 对于三维物理空间的建模及其编码虽然在工业界已经有多种成熟标准，但 相关研究仍然是地理信息系统( g i s ) 领域非常活跃的一块区域。对于空间模型的 研究是也普适计算中的基本问题之一。在普适计算环境中，空间位置信息属于 上下文信息范畴，而对于个人而言又属于相对敏感的个人隐私，如何在利用位 置信息的同时合理地保护敏感信息，成为在普适计算中空间位置模型研究的一 个切入点。目前学术界对于普适计算环境中的空间模型的研究呈现复合、安全、 实用及与语义相结合等趋势。 2 4 安全与隐私问题 隐私与安全，二者相对独立又相互制衡。以基于服务的架构为例：一方面 出于安全的考虑，服务提供方需要确认服务消费方的合法身份以确保他们使用 授权范围内的服务：而另一方面，服务消费方又希望尽可能保护自己的隐私信 息，不希望将自己的私密信息公之于众。如何在两者之间达到平衡是一个需要 研究者们解决的问题。 隐私与安全问题是普适计算中的研究热点之一。普适计算作为一种新型计 算模式，其应用架构的开放性、设备的多样性以及通信协议的海量性与高异构 性都突破了传统的计算模式，这就使得传统的安全技术需要做出相应的调整与 发展以适用于新的计算环境。 另外，普适计算环境中的上下文信息参与到计算过程中。上下文信息参与 计算，一方面可以使得计算很好地融入到环境中，但另一方面上下文信息常常 包含相对私密的信息，因此也带来对安全与隐私保护技术新的挑战。以位置信 息为例，有时位置信息的泄漏不单单只是泄漏了简单的个人所处的地理位置， 也会间接地导致其他更为敏感的隐私的泄漏。比如如果得知个人常去的银行以 及相关金融投资场所，可以推断出部分个人财务或是债务情况；而从访问的医 院、诊所信息可以推断出个人的健康情况等等。这些信息通常都是十分私密的。 因此，上下文信息参与计算，使得普适计算环境对于系统的安全性能有更高的 要求。 访问控制技术，作为国际标准组织定义的五项标准安全服务之一，是计算 机安全领域的一个重要组成部分。现有的信息系统，根据应用场景的不同，采 7 华东师范大学硕士毕业论文普适计算环境中的复合空间模型及相关安全技术研究 用多种不同的访问控制策略以控制用户对于资源的访问与操作。常见的访问控 制策略可以分为自主访问控制与强制访问控制两种。目前在普适计算环境中的 访问控制研究偏向于结合具体应用系统提出相应的模型，比如：基于证书 ( c e r t i f i c a t e ) 的访问控制模型、融合上下文信息的访问控制模型等。 2 _ 5 本章小结 在本章中，论文首先概要介绍了普适计算的发展历程，随后对与本论文相 关的一些基本概念进行了简单介绍，包括：上下文计算，位置敏感计算即定位 技术等。其后，从空间信息模型与安全与隐私问题两个方面概要介绍了相关的 研究背景。 普适计算是发源自上世纪八十年代末九十年代的一种新型计算模式，又 被称为第三次计算浪潮。 m a r kw e i s e r “最伟大的技术是那些业已消失在人们的日常生活中而不 为人们所察觉的技术”。 普适计算所区别与之前的计算模式，特征之一在于强调计算与环境的融 合，即环境信息参与计算的过程。 定位系统根据适用场合的不同可以分为室内定位系统与室外定位系统。 前者如g p s 系统，后者使用红外、超声以及射频信号进行室内定位。 目前学术界对于普适计算环境中的空间模型的研究呈现复合、安全、实 用及与语义相结合等趋势。 隐私与安全问题是普适计算中的研究热点之一。上下文信息参与计算， 使得普适计算环境对于系统的安全性能有更高的要求。 8 华东师范大学硕士毕业论文 普适计算环境中的复合空间模型及相关安全技术研究 第3 章复合空间位置模型 3 1 通用空间模型与编码标准 学术界对于空间模型的研究由来已久，相关文献尤其在( 3 i s 相关领域中尤 为多见，相关研究较为成熟，在业界已有若干得到广泛认可的标准( 如 i s 0 1 9 1 0 0 系列) 。 3 1 。1 多层结构模型与坐标模型 如同d o n m i t c h e v a 在【1 8 】所指出的，常见的空间模型可以分为两类：多层结 构模型与坐标模型。多层结构模型包括空间拓扑结构模型，描述性模型与符号 模型等等，共同的特点是将建模空间分割为多层次的子空间，尽管分割的依据 可能各有不同：比如包含关系，或是其他语意上的关系。坐标模型，包括几何 模型与地理模型。坐标模型都依赖于特定的坐标系，比如，在平面笛卡尔坐标 系中，使用标的物相对于参照点坐标原点的水平与垂直距离来确定其 空间位置，表现为由横坐标x 与纵坐标y 所组成的二元组( 墨y ) ；而在g p s 所使用的坐标系统中，位置则由经度、纬度及海拔高度所确定，表现形式为 ( 1 0 n g i t u d e ，l a t i t u d e ，a l t i t u d e ) 。 3 1 2g m l 通用空间模型编码标准 g m l ( o e o g r a p h ym a r k u pl a n g u a g e ) 1 9 ，即地理标注语言，是由开放式地 理空间协会( o p e ng e o s p a t i a lc o n s o r t i u m ，o g c ) 制定的用于地理空间信息的x m l 编码规范【2 0 】。g m l 基于o g c 的抽象地理模型【2 1 】，即空间实体特征及属性封 装。g m l 中包含了各种与地理信息相关实体及属性的标准定义，旨在提供一个 开放的，独立于供应商( v e n d o r - n e u t r a l ) 的框架用于地理信息的传输与存储。 g m l 的前身是x g m l ，由r o nl a k e 在1 9 9 8 年开始相关研究工作。x g m l 在1 9 9 9 年更名为g m l 。2 0 0 1 年初，g m l 与当时另一个标准，由n i t 所发起 并推动的g x m l 合并。o g c 于2 0 0 3 年五月发布g m l 3 0 ，其后又先后经过两 次小规模修订，目前的最新版本为g m l 3 2 1 。 9 华东师范大学硕士毕业论文普适计算环境中的复合空间模型及相关安全技术研究 g m l 最初使用互联网标准委员会的r d f 进行描述，而后改为使用x m l s c h e m a s 。使用x m ls c h e m a 进行描述，使得g m l 具有很大的灵活性与开放性。 使用g m l 的系统可以方便地连接到现有的地理信息数据库。对g m l 本身来说， 基于x l v i ls c h e m a 的结构也使得其可以被十分方便地定制与扩展。 相对于其他类似的规范相比，g m l 具有高度开放、简单、直观、容易理解 与编辑等特点。g m l 不仅可以用于地理信息系统的建模，同时也是用于互联网 上的地理信息的开放互换格式。g m l 独立于地理信息系统供应商，是一个开放 标准。g m l 包含各种与地理位置相关的定义，值得注意的是，其中所定义的数 据元素不仅囊括常见的矢量信息与离散对象，还包括一些与特定应用相关的数 据，比如传感器数据等。 由于g m l 使用x m ls c h e m a 进行定义，因此也同x m l 一样，在开放性 与可扩展性上具有得天独厚的优势，可根据具体应用的不同而被灵活的定制。 g m l 的这些特质使其成为适合于几乎所有地理空间位置信息的通用标准。 g m l 也是i s o r r c2 11 的工作项目，同时也是i s 0 1 9 1 3 6 的地理信息标准。g m l 3 2 1 已被i s o t c2 11 采纳为i s o1 9 1 3 6 1 2 2 。 3 1 。2 。l 原始类型 g m l 中原始类型包括有： f e a t u r e g e o m e t r y c o o r d i n a t er e f e r e n c es y s t e m t i m e d y n a m i c f e a t u r e c o v e r a g e ( i n c l u d i n gg e o g r a p h i ci m a g e s ) u n i to fm e a s u r e m 印p r e s e n t a t i o n 晦l i i l gr u l e s 丰富的原始类型可用于构建不同的s c h e m a ，或在不同的应用中使用。 3 1 。2 2f e a t u r e f e a t u r e 定义为现实世界中的物体在g m l 中的抽象，即建模对象。f e a t u r e 是g m l 中的基本单位。f e a t u r e 语义定义通过f e a m r et y p e 进行封装，典型的 1 0 华东师范大学硕士毕业论文普适计算环境中的复合空间模型及相关安全技术研究 f e a t u r et y p e 例如：道路，河流，行人，车辆，有效区域或者事件等。f e a t u r e 由一系列的属性和相应的几何信息组成，一般来说属性由名字、类型和值组成， 几何信息由基本元素如点、线、面、曲线、多边形等组成。 b a l m o r a lm i d d l es c h o o l p r o p e r t yn a m e 2 ”n u m f l o o r s ”t y p e = ”i n t e g e r v a l u e = ”3 ”今 4 9 18 8 8 9 ，5 4 5 8 0 4 5 9 9 9 6 3 3 5 84 9 19 0 4 9 9 9 9 9 9 4 5 8 ，5 4 5 8 0 4 4 9 9 9 6 3 3 5 8 4 9 1 9 0 8 9 ，5 4 5 8 0 6 4 9 9 9 6 3 3 5 84 9 1 9 2 4 9 9 9 9 9 9 4 6 1 ，5 4 5 8 0 6 4 9 9 9 6 3 3 5 8 4 9 1 9 2 5 9 ，5 4 5 8 0 7 9 9 9 9 6 3 3 5 94 9 1 9 7 7 9 9 9 9 9 9 4 6 6 ，5 4 5 8 1 2 0 9 9 9 6 3 3 6 4 9 1 9 5 3 9 9 9 9 9 9 4 6 6 ，5 4 5 8 0 1 7 9 9 9 6 3 3 5 7 以上代码描述了一栋类型为“学校”的建筑物的几何特性。上例中的 f e a t u r e 具有两个基本属性：一是i d ，用于标识该对象，以区别与其他对象；另 一个是类型，表明该对象属于学校类别。除去基本属性之外，还包括了一系列 的几何特性，如多边形与直线。 3 1 。2 。3 凡伺元素 g m l 文档中所定义对象( f e a t u r e ) 的几何特性通过g m l 几何元素描述。 g m l 的几何元素分为三类，一类为基本几何元素( g e o m e t r i cp r i m i t i v e s ) ，可以 按照维度分为： 0 维元素：如点( p o i n t ) 1 维元素：如曲线( c u r v e ) ，直线( l i n e s t r m g ) ，弧线( a r c ) 。 2 维元素：如面( s u r f a c o ，多边形( p o | y g o n ) 3 维元素：如实体( s o l i d ) ，壳( s h e n ) 华东师范大学硕士毕业论文 普适计算环境中的复合空间模型及相关安全技术研究 第二类是由基本几何元素组成的复合几何元素( c o m p o s i t eg e o m e t r i c s ) ，第 三类是多重基本元素( m u l t i _ p r i n u t i v 0 。 g m l 中几何元素的u b i l 定义如下图所示： f i g u n e1g m l 基本几何元素 3 1 2 l 乓坐标参考系 坐标参考g 统( c o o r d i n a t er e f e r e n c es y s t e m , c r s ) 是空间信息处理的基础。 g m l 中不仅封装了多种坐标参考系统，还包括有系统之间的主要操作，如坐标 转换与投影关系等。 3 1 2 sp r o 摊e 与a p p l i c a t i o ns c h e m a 对g m l 的定制可以分为两种，p r o f i l e 与a p p l i c a t i o ns c h e m a 。两者的区别 在于p r o f i l e 只是对g m l 进行逻辑上的限制，可以看作g m l 命名空间 ( n a m e s p a c e ) 的子集。p r o f i l e 通常根据不同领域的应用定制，比如在j p e g 2 0 0 0 中使用的g m j p 2 ，以及专用于r s s 的p r o f f i e 。而a p p l i c a t i o ns c h e m a 则更为灵 活，它使用g m l 定义，多是作为与特定应用相关的命名空间的一部分。 a p p l i c a t i o ns c h e m a 的定义可以基于特定的p r o f i l e ，或者是g m l 全集。而除去 1 2 华东师范大学硕士毕业论文 普适计算环境中的复合空间模型及相关安全技术研究 在g m l 中定义的部分，a p p l i c a t i o ns c h e m a 中通常也包括与具体应用相关的类 型与元素，比如用在针对旅游的应用申，在s c h e m a 中定义的数据类型可能包 括：博物馆，景点，机场，高速公路出口等等。目前已有的a p p l i c a t i o ns c h e m a 包括用于城市对象三维建模的c i t y g m l ，以及用于交换航空信息的a i x m 等。 臣王卜茹限制 里脱d 三 f i g u r e2g m l ，g m lp r o f i l e 与a p p l i c a t i o ns c h e m a g l 儿，g m lp r o f i l e 与a p p l i c a t i o ns c h e m a = 者的关系如上图所示，通过对 g m l 中定义元素与类型的选择与限制得到g m lp r o f i l e ，然后扩展g m lp r o f n e 得到用于具体应用的a p p l i c a t i o ns c h e m a 。举例来说，以基于位置的服务 ( l o c a t i o n - b a s e ds e r v i c e ，l b s ) 为应用背景。l b s 系统可能并不需要使用到g m l 所提供的所有几何元素，那么可以通过l b sp r o f i l e 限制在其中使用的几何元素 的种类。除此之外，l b s 系统有超出g m l 所定义范畴的其他需要，比如将 g m l 中的圆环( c i r c l e ) 、椭圆( e l l i p s e ) 以及弧( a r e ) 扩展为p o i n t c i r c l e 、 p o i n t e l l i p s e 以及p o i n t a r c 用于对定位误差范围进行描述。 王i 2 6s i m p l ef e a t u r e sp r o f i l e s i m p l ef e a t u r e s ( g m l s f ) p r o 丘l e 是g m l 的一个子集。首先s f 对其中的 f e a t u r e 进行了限制，定义为具有几何及其他属性的物体。此外，s f 中只使用部 分g m l 中定位的几何元素，包括：点，线与多边形( 以及这些基本元素的集 合) ，在线定点之间的线性插值，以及多边形中包含的平面。g m l s f 支持三 维坐标系。 3 1 2 7c i t y g m l c i t y g m l 2 3 ：是g m l 的一个应用模型( a p p l i c a t i o ns c h e m a ) ，主要用于城市 区域地理实体的三维模型的存储与传输 2 4 】。c i t y g m l 定义了与城市区域相关 的物体及其物体之间的相互关系，以及物体所具有的各种属性，包括：几何属 性，拓扑属性，语义属性以及外观属性等等。值得注意的是，c i t y g m l 在表现 城市模型的图形特征的同时，还兼顾到语意( s m a n t i c ) 、主调( t h e m a t i c ) 、分类 ( t a x o n o m y ) 与聚合( a g g r e g a t i o n ) 层次。c 时g m l 中城市的定义宽泛，不仅包括 建筑物、道路与桥梁，还包括植被、水面与一些道路上的基础设置。c i t y g m l 】3 4 i 日￥n * if 镕* # 4 * 十月曩g a 目* 女女目r 根据模型的细节分为五个不同的粒度层扶( l e v e lo f d c u d , l o d ) ，可以包含对同 意物件不同粒度层次的描述。下图显示了三个利用c i t y g m l 建模的效果图，可 以看出从左至右从城市到街道到建筑物细节粒度依欢增加。 禹面嵩_ 誓匾帚 f k u n3 d q g m l ；十q t # 月& 3 13k m l k m l ( k e y h o l em a r k u pl a n g u a g e ) 是另一种空间建模使用的语言。与g m l 非常类似的是，k m l 也使用x m ls c h e m a 作为模型的描述语言。k m l 的命名 来自于其起源最初这种语言被应用在一个叫做k e y h o l e 的系统中。在k e y h o l e 被g o