（地图学与地理信息系统专业论文）可扩展的多态空间数据管理框架研究.pdf

可扩展的多态空间数据管理框架研究 摘要 虚拟地理环境系统是用于可视化表达地理环境、研究地理问题、模拟自然现象、提炼 地理规律、设计和改造自然：l 二程、再现和模拟地理现象和过程的虚拟环境系统。 虚拟地理环境( v g e ，v i r t u a lg e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n t ) 作为地理信息科学发展 的一个方向，是种可视化的空间信息平台，为不同地区的人们进行地理信息资源交换、 信息共享提供了一个虚拟的网络地理空间。目前该统一平台的建设正在研究过程中，其所 具有的数据特点极大地影响了该系统的数据模型设计。地理信息系统经过三十多年的发展 积累了大量的空间数据，包括几何、属性、时间数据，v g e 数据更是体现了多样性、开放 性、层次性、内在关联性等特点，因此v g e 平台需要集成多种数据。如何在虚拟地理环境 平台建设中，把涉及的空间数据组织管理起来，是本文研究的重点。 可扩展的多态空间数据管理框架( v g e d a t a e x p l o r e r ) 在虚拟地理环境平台建设中处于 数据仓库对象模型的最底层数据层的应用，接个框架体系作者借鉴软件设计模式来设 计，考虑传统桌面g i s 系统的可扩展性差等不足，采用可扩展机制来完成数据以及框架的 构建；文章重点阐述了面向虚拟地理环境的主要数据模型，对v g e 多态空间数据进行了详 细研究，提出了虚拟地理环境中空间数据的组织方案与存储模式，借助c o m 等技术设计 接口并实现相应的数据类；针对v g e 数据模型中原子特征数据层( f e a t u r e ) 的存储策 略，完成主要数据t 烈、d e m 的存储，为框架构建所需数据作准备。数据管理部分本文参 考w i n d o w se x p l o r e r ，a r c c a t a l o g 等框架的设计模式，探讨了应用组件技术和活动模扳库 ( a c t i v et e m p l a t el i b r a r y ，a t l ) 进行从底层自主开发管理v g e 数据的控件；多态数 据的管理采用插件机制实现可扩展性：框架部分同样采用插件技术通过x m l 工具配制实 现动态加载菜单、工具条、控件等，真正实现可扩展的多态空间数据管理，最终采用t i n 和d e m 数据在v g e d a t a e x p l 。r e r 框架上进行原型验证，证明此可扩展的多态空间数据管 理框架在拟地理环境平台数据的组织和管理中是有效的。 关键词：虚拟地理环境：数据管理；框架；可扩展；t i n ；d e m t h ev i r t u a l t h a ti su s e dt o r o b l e m ，s i m u l a t e a n dr e c o n s t r u c t n aa n dp r o c e s s a sab r a n c h o n m e n t ( v g e ) i s g e o g r a p h ys p a c e s o u r c e sa n ds h a r 可扩展的多态空间数据管理框架研究 a b s t r a c t g e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n ts y s t e mi s e x p r e s st h eg e o g r a p h i c a le n v i r o n m e t h en a t u r a lp h e n o m e n a ，a b s t r a c tt h t h en a t u r a lp r o j e c t ，r e a p p e a ra n ds o fg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns c i e n c e av i s i b l es p a t i a li n f n r m a t i o np l a t f f o rp e o p l eo fd i f f e r e n ta r e a sc o m m u i n gi n f o r m a ti o n o r mi sd e v e l o p i n g t h e g n i n gv g ed a t am o d e l 3 0 1d a t a ，i n c l u d i n gg e o m e d a t at r a y e a r s t r y 、a t t e m b o d i e st r a i t ss u c ha sd i v e r s h e r e f o r ev g ep l a t f o r mm u s ti n t e j t h es p a t i a ld a r e s e a r c ho n t h e l a s tl a y e r u s e ss o f t w a r ed i no r d e rt os o l p a p e ra d o p t se x ta ls of r a m e i t ao fv g e i sj u e x t e n s i b l ef r a m o fd a t as t o r a g e e v t t 1 9 nm o d e t h eb a d n s i b l em e f o c u s e so gt os t u d y i n gp o l y m o r p h i c m ea n ds t o r a g em o d eo fs p e su s l n g a t e g yo f n e e d e d t ot h e lt od e v m a n a g e m e em o d u l e c o ma n di m p l e m e n t f e a t u r el a y e r ，i t i nf r a m er e s e a r c h e d e s i g nm o d eo fw i n av i r t u a le n v i r o n m e n ts y s t e m n t ，s t u d yt h eg e o g r a p h i c a lp eg e o g r a p h i c a lr u l e ，d e s i g n i m u l a t eg e o g r a p h i c a lp h e n o m e ，v i r t u a lg e o g r a p h i c a le n v i r o r m ，w h i c ho f f e r sav i r t u a l t i n gg e o g r a p h yi n f o r m a t i nr e a tp r e s e n t ，t h eb u i l d ir igo f t h i su n i f o r mp l a t f ito fv g es y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e d e v e l o p m e n to fg i s ，a c c u m u l a t e sam a s so f r i b u t ea n dt i m ed a t a v g es y s t e md a t ae s p i t y ，o p e n i n g ，a r r a n g e m e n t ，i n n e rr e l a t i o n g r a t em u l t i f o l d d a t a h o wt oo r g a n i z ea n d s tt h er e s e a r c hc o n t e n t so ft h isp a p e r eo fp o l y m o r p h i cs p a ti a ld a t am a n a g e m e n t o b j e c tm o d e li nb u i i d i n gv g ep l a t f o r m s o l n0 e s l s p a t l a e c i a l l y s h i p t m a n a g e i n c a t e s p a p e r f o rr e f e r e n c ef o r t h ew h o l ef r a m e a tt h es a m eti m e e x t e n d i n go f t h et r a d i t i o n a ld e s k t o pg i ss y s t e m ，t h is c h a n i s mt oc o m p l e t et h ed e s i g no fn o to n l yv g ed a t a b u nt h ed i s c u s s i o no fv g e - o r i a n t e dd a t am o d e l a c c o r d i n s p a t i a ld a t a ，p a p e rp u t sf o r w a r da no r g a n i z a t i o ns c h e t i a ld a t ai nv g e t h e nd e s i g n st h ed i f f e r e n ti n t e r f a c st h ea c c o r d i n gc l a s s e s a c c o r d l n gt ot h es t o r a g es t r c o m p l e t e st h es t o r a g eo ft i na n dd e md a t a ，w h i c ha r e dl a t e ri nd a t am a n a g e m e n tm o d u l e ，p a p e ra ls or e f e r s d o w se x p l o r e r ，a r c c a t a l o g ，d is c u s s e su s i n gc o ma n da t e l o pu s e r d e f i n e dc o n t r o l s ，w h i c h n to fp o l y m o r p h i cd a t au s e st e c h n o t h i sf r a m ec a nl o a d t h em e n u s 、t i i a r eu s e dt om a n a g et h ev g ed a t l o g yo fp l u g i nt oi m p l e m e n t o o l b a r s 、u s e r d e f i n e dc o n t r o l s a t h e i nf r a m a n ds o 可扩展的多态空间数据管理框架研究 o nd y n a m i c a l l yu s i n gx m lt oc o n f i g u r ea n dr e a l i z e st h ee x t e n s i b l ep o l y m o r p h i c s p a t i a ld a t am a n a g e m e n t i nt h e e n dav a l i d a t i o no ft h ism a n a g e m e n tf r a m ei sg i v e ni nt h isp a p e r ，u s i n gt h ed a t ao ft i na n dd i 盯 k e y w 0 l i d s ：v g e ：d a t am a n a g e m e n t ：f r a m e ；e x t e n s i b l e ：t i n ；d e m i u 可扩展的多态空问数据管理框架研究 图目录 图2 1 数据环境在v g e _ ；h 的地位 一9 图2 - 2 空间儿何对象模型( o g c 标准) 1 2 圈2 - 3 数据集类型 18 圈2 _ 4 虚拟地理环境数据组成 1 9 例2 - 5v g e 数据仓库对象模型 2 i 图2 - 6 基本特征接口继承图 2 1 图2 7 虚拟地理环境宁间数据与接口设计对应关系图2 2 幽2 - 8 基本组织模式 2 3 图2 - 9 f e a t u r e 存储策略 2 4 圈2 1 0f e a t u r e 2 d 存储结构_ 2 5 图2 1 1s u r f a c e 3 d 存储结构 2 5 图2 1 2 虚拟现实数据模型存储结构 2 6 幽2 1 3 三角网构成的球面2 6 图2 1 4 数据表存储结构 一 2 7 图3 1 可扩展的多态守间数据管理框架技术路线图2 9 图3 - 2 基于框架的应用程序分解 一 3 4 图3 - 3 w i n d o w se x p l o r e r 框架 3 6 图3 - 4a r c c a t a l o g 框架 3 6 图3 5 插件注册和实例化流程图 4 0 图3 - 6 插什响应事什流程图4 0 图3 7e c l i p s ew o r k b e n c h 和w o r k s p a c e 必备的插件支持4 1 圈3 - 8 插件基本模型 4 2 图3 - 9 v g e d a t a e x p l o r e r u i 接口设计继承关系图 4 6 图4 1 原始框架 5 2 图4 2 配置v g e d a t a e x p i o r c r 框架要素w 5 3 图4 3 显示视图菜单 5 3 图4 4f e a t a t r e s t o r e 一5 4 图4 5q - i n s t o r e 3 中的f e a t u r e 一5 4 幽4 6 t i n 点信息5 5 图4 7 t i n 拓扑信息 一 5 5 图4 8 t i n 的预览视图 5 6 幽4 - 9 t i n 元数据视图 5 6 圈4 1 0 详细资料列表一 5 6 圈4 1 1 大图标列表 5 6 幽4 1 2 树结点m a n a g e r 菜单一 5 6 闰4 1 3 树结点f e a t u r e 菜单一 5 6 圈4 1 4 树结点f e a t u r e s t o r e 菜单 5 6 图4 1 5 d e m 详细列表 一 5 7 圈4 1 6 d e m 大图标列表5 7 幽4 1 7 d e m 信息预览视图 5 7 图4 1 8 d e m 元数据视图 5 7 可扩展的多态空间数据管理框架研究 第一章绪论 1 1 论文选题背景与意义 1 1 1 可扩展多态空间数据管理框架的研究背景 虚拟地理环境( v g e ，v i r t u a lg e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n t s ) 是地理信息科学发展 的一个方向，它自1 9 9 8 年香港中文大学林珲( 2 0 0 1 ) 提出以来，得到了各方面的响应，虚 拟地理环境系统作为一种可视化的空间信息平台，为不同地区的人们进行地理信息资源交 换、信息共享提供了一个虚拟的网络地理空间，为不同地理位置的多用户进行协同工作和 群体决策提供了一个可彼此交互的系统平台。虚拟地理环境系统提供的信息资源的共享不 仅是数据共享，而且有技术、硬件、软件、智力资源的共享，真正为世界范围内的科学家 就某个地学问题展开共同研究而提供个“没有围墙的实验室”，对地学研究以及对各项 改造自然工程的规划、设计和实施具有重要的理论与实践意义。虚拟地理环境旨在实现对 地理环境的模拟分析与表达，改变了传统的空间知识表达和获取方式，实现人在此虚拟环 境中对地理目标和地理现象的交互和操作，形成地学研究新的技术方法和研究平台，构建 设计和实施改造自然： 程的新思路达到人类认识世界、设计世界和改造世界的更高境 界。 南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室将虚拟地理环境平台作为学科发展的重 要方向之一，并在江苏省教育厅重大基础研究项目“虚拟地理环境系统的理论和方法研究 “以及国家“8 6 3 ”项目“虚拟地理环境系统的研究与开发”支持下，提出了以虚拟地理环 境为核心整合实验室多年来在地学模型建模、模拟和可视化等方面的成果，形成自己的研 究特色。前面的研究成果为本文的研究提供了技术背景与支持。本文的研究在虚拟地理环 境系统开发中属于应用框架、数据服务部分的原型实现。虚拟地理环境系统的多源数据特 点，对虚拟地理环境系统的数据模型设计有很大影响，它体现了多样性、开放性、层次 性、内在关联性等特点，因此虚拟地理环境平台需要集成多种数据。虚拟地理环境对于数 据存储和访问有以下要求：( 1 ) 格式多样，模型统一：虚拟地理环境平台需要集成多种数 据，但是系统的各个层次需要统一的数据模型，所以最好在数据访问层能够把数据的模型 统一起来，或者实现统一的数据访问接口。( 2 ) 访问模式要统一：虚拟地理环境是一个分 布式的系统，每一种数据资源需要一个一致的访问模式，这是实现分布式多用户协同虚拟 环境的基础。如何在虚拟地理环境平台建设中，把涉及的空间数据组织管理起来，是本文 研究的目标与重点。 可扩展的多态空间数据管理框架研究 基于统一接口的空间数据组织管理正是虚拟地理环境实现地学模型和底层数据平台的 基本策略，本文提出可扩展的多态空间数据管理框架( v g e d a t a e x p l o r e r ) ，它是面向虚拟 地理环境，针对虚拟地理环境数据的特点，通过虚拟地理环境原子特征( f e a t u r e ) 的概 念，建立起的基于面向对象组件框架的设计模式，本文将重点对框架建立、如何实现扩展 以及虚拟地理环境数据如何在框架中组织管理进行详细论述。 1 1 2 可扩展多态空间数据管理框架建立的意义 虚拟地理环境的研究可以为三维g i s 的研究和开发提供一个比较高的应用需求和目 标，是在另一个方面进行地理信息系统的三维发展，研究与开发虚拟地理环境系统可以整 合实验室在地学模拟研究上的资源，形成统一的研究平台。 虚拟地理环境平台建设要有效地利用已有的数据源构建虚拟场景、支持模型计算，进 行地学分析。涉及到的相关数据包括：g i s 数据、v r 数据、可视化数据等多形态空间数 据：数据存储方式包括文件存储、数据库存储；存储的格式和数据模型也有很大的差异， 存储的语义也很不相同。如何有效地组织并管理虚拟地理环境空间数据，建立一个更有效 的空间数据模型，是目前v g e 的主要研究内容。虚拟地理环境是一个分布式的网络多用户 系统，要利用这些数据源就应该有统一的数据访问机制，因此有必要实现一个可扩展的多 态空间数据管理的框架，它是虚拟地理环境实现的基础架构，是虚拟地理环境平台建模的 基础，是科学计算可视化数据表达的前提。 本文所研究的可扩展框架在虚拟地理环境平台建设中属于应用框架、数据服务部分的 原型实现。框架通过实现统一的数据访问接口对虚拟地理环境中的空间数据进行组织管 理，并且该框架是采用可扩展的机制，对于数据模块以及功能模块都能动态扩展，最终实 现多形态空间数据管理与交互，为将来真正实现支持多种空间数据源、实现地理信息系 统、虚拟现实技术以及科学计算可视化的紧密集成作铺垫( 付哲、周云轩等，2 0 0 3 ) 。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 空间数据管理的研究现状 空间数据存储结构经历了一系列演变：e s r i 公司在1 9 8 5 年分别推出了不规则三角网 t i n 和面向多用户的基于c o v e r a g e 要素的格网级图库a r c l n f ol i b r a r i a n 。1 9 9 1 年， e s r i 又分别推出了基于图像和格网组织结构的i m a g ec a t a l o g 和基于地理关联的栅格数据 模型g r i d 。g r i d 数据模型的产生是空间数据的分析发展道路上的里程碑，它使复杂的空间 2 可扩展的多态空间数据管理框架研究 分析成为可能。1 9 9 4 年，e s r i 在空间数据存储结构的解决方案中出台了面向多用户、基 于c o v e r a g e 要素的要索级图库a r c s t o r m 和基于地理关联的矢量数据格式s h a p e f i l e ， “s h a p e f i l e 虽不能存储拓扑关系，但对于中小型数据集而言，s h a p e f i l e 是连续的。1 9 9 6 年，e s r i 提出了一种基于多用户的、以数据库中的二维表为基础的关系数据库管理系统一 一空间数据引擎( s p a t i a ld a t ae n g i n e ，简称s d e ) 。从空间数据管理的角度来看，s d e 是一个连续的空间数据模型，它依托关系数据库环境，扩展了几种符合工业标准的 r d b m s 的功能，并采用高效目标模型对空间实体进行完整化组织，将基于传统文件的矢 量、栅格、c a d 数据都移植到一个空间数据及属性数据集成的数据库中，实现了属性信息 与图形信息实际意义上的一体化，提高了地理数据的可共享性和地理信息的可交换性。针 对以往数据模型存在的问题1 9 9 9 年e s r i 在a r c g i s 8 中将混合数据模型扩展到允许用户 为他们的数据添加行为、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 。 随着对客观世界认识的深入，人类对现有空间数据的利用感到“数据量大却信息匮 乏”，因而需要对多源异质异构数据的集成进行研究以便实现多源数据的共享。目前多源 数据集成研究主要侧重于图文一体化管理、多尺度空间数据整合和多源数据的一体化存 储。为了研究和开发开放式g i s ，1 9 9 6 年在美国成立的开放地理信息联合会( 0 p e n g i s c o n s o r tj u m ，0 g c ) 建立了开放式地理数据交互操作规程( o p e ng e o d a t a i 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 ) ，旨在实现以一种方式实现通过网络实时获取不同系 统中的地理信息( 王海龙、郭清宇，2 0 0 5 ) 。综合环境数据表示与交换规范( s e d r i s ) 也 给出了一套模型，旨在提供一种强大的方法来捕获数据元素和数据之间的相互关系，完整 地表示环境数据：提供一种标准的交换机制，在异构应用当中实现环境数据的预先分布、 促进数据库的重用；支持跨越海洋、地形、大气和空间等环境领域的所有的应用，如 m & s 、c 4 i s r 等( 杨森等，2 0 0 2 ) 。 国内对于多形态空间数据也进行了很深入的研究：李琦( 2 0 0 4 ) 指出元数据是解决多 源异构信息资源集成、共享的有效手段，并为提供空间信息资源的f - p 设计了空间元数据 的存储和集成框架：蒋捷等( 2 0 0 4 ) 在分析电子政务、定位服务等地理信息服务应用领域 的特点和集成需求的基础上，提出了基于多尺度地理框架数据的空间数据整合方法。张新 氏等( 2 0 0 4 ) 针对图形数据和结构数据的一体化存储问题，提出了图文一体化存储解决方 案。盛业华等( 2 0 0 4 ) 分析了基础地理信息共享框架及共享与交互机制，探讨了基础地理 信息共享关键技术即空间信息符号的跨软件平台显示技术和多源数据自动转换与集成管理 技术。王晏民( 2 0 0 4 ) 指出传统的空间数据类型如数字矢量图( d l g ) 、数字栅格图 ( d r g ) 、数字高程模型( d e m ) 和正射影像图( d o m ) 等一般分别存储，存在不少缺 点，进而提出以d l g 多边形为面状对象单位、以面d r g 为索引来存储d e m 和d o m 的 4 d 数据体化存储方案。武汉大学国际软件学院的胡启平提出基于x m l 的空间数据集成 框架。骆剑承等( 2 0 0 4 ) 分析了高分辨率遥感影像处理的技术难点与不足，提出基于特征 可扩展的多态空间数据管理框架研究 基元进行高分辨率遥感影像多尺度信息提取技术，设计了提取技术系统框架。刘荣高等 ( 2 0 0 i ) 认为地理空间数据可归纳为4 种类型：( 1 ) 描述物体位置、范围的数据，即几何 地理空间数据； ( 2 ) 几何地理空间数据的属性数据，如区分数据间的i d 号或分类号，只 是区分地理空间对象的一种标识，本身没有意义； ( 3 ) 非几何地理空间数据，其与地理空 间位置相关，但可独立于几何地理空间对象而存在，如人口与经济数据： ( 4 ) 非空间数 据，它是对象的一种特性描述，与所处位置无关。 上述国内外对空问数据存储管理的研究为本文框架研究的数据部分构建虚拟地理 环境数据模型及组织提供了理论研究背景。 1 2 2f r a m e w o r k 框架技术研究现状 目前，可复用面向对象软件系统般分为应用程序、： 具箱和框架( f r a m e w o r k ) 3 大 类。平时开发的具体软件一般都是应用程序，j a v a 的a p i 则属于工具箱，而框架则是构成 一类特定软件可复用设计的一组相互协作的类。 框架早期应用于图形用户界面设计，微软公司用于设计图形用户界面的类构造器 ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s ，m f c ) 就是典型的代表。m f c 后来成为事实上的工业 标准。c o r b a 、j 2 e e 和微软的n e t 等框架的出现和成熟，它们封装了构架一个分布式应 用的基础服务和功能组件，使软件开发工程师把注意力集中在业务分析，不用考虑底层结 构的实现，能够更快地开发出离品质的系统以满足应用需求( 李秀芳等，2 0 0 6 ) 。e j b ( e n t e r p r i s e j a v a b e a n s ) 是j a v a 应用于企业计算的框架( 王宇，2 0 0 0 ) ，而成熟的框架 通常使用了多种设计模式。设计模式是近年来面向对象开发方法的主流原则。它可以使人 们简单方便地复用成功的设计和体系结构，既是非正式的成功设计经验，又是业界的经典 案例集合。 g o f ( g a n go ff o u r ) 第1 次将“设计模式”提升到理论高度，并将之规范化。人们 熟悉的设计模式主要有m v c ( 模型( m o d e l ) 视图( v i e w ) 控制器 ( c o n t r o i l e r ) ) ，a b s t r a c t f a c t o r y ，i t e r a t o r ，v i s i t o r ，p r o x y 等( 李英军，2 0 0 0 ) 。 其中，w c 模式已在软件设计中广为采用，a b s t r a c t f a c t o r y ，p r o x y 等模式在j 2 e e 体系 中已经体现得淋漓尽致。多源空间数据无缝集成( s i m s ) 模式，通用空间数据引擎 ( u s d e ) 模式和数据中问件o l i d d e w a r e ) 模式在多源空间数据集成中应用广泛( 陈 楠，2 0 0 5 ) 。在w e b 应j = ；| 程序开发中，尤其是在b s 系统中m v c 是很重要的架构模式。 s m a l l t a l k 一8 0 开发环境中的m v c 用户界面( u s e ri n t e r f a c e ，u i ) 框架( g o l d b e r ga 、 r o b s o nd ，1 9 8 9 ) ，被认为是第一个得到广泛应用的框架；在u i 框架中，还有a p p l e i n c 提供的支持开发m a c i n t o s h 应用的框架( s c h m u c k e rk ，1 9 8 6 ) ，以及w e i n a n da 等 ( 1 9 8 9 ) 描述的e t + + 框架等；此外，在其它领域中，如操作系统( a n d e r tg ，1 9 9 4 ) 、 4 可扩展的多态空间数据管理框架研究 火警系统( m o li np ，1 9 9 6 ) 、商业系统 ( h t t p ：w w wi b m c o m s o f t w a r e a d s a n f r a n c i s c o ，2 0 0 2 ) 等，也设计和实现了许多软件 框架。目前流行的m v c 框架有s t r u t s ( ! q ；j b ! l ：q e b ：q ! g i ! 女e i ! d ! ：b ! ! ，2 0 0 3 ) 、e c l i p s e 、s p r i n g 、 h i b e r n a t e 和j s f 等。 n e m i r o v s k ya m ( 2 0 0 0 ) 提出在实际运用框架时，就其用途可以将框架分成三类： ( 1 ) 应用程序框架。一个应用程序框架的例子就是前面讲述的c 抖类库m f c ；另一个应 用程序框架的例子就是j a v a 基础类j f c 。( 2 ) 领域框架。这类框架有助于实现某一特定 领域内的程序。( 3 ) 支持框架。支持框架通常定位于非常专业的计算机相关的领域，例如 存储管理或者文件系统。典型的支持框架被用在领域和应用程序框架之间的连接。 s z y p e r s k i c ( 1 9 9 7 ) 提出黑箱重用、白箱重用的定义并进一步指出框架按扩展方式划 分白盒框架与黑盒框架。基于继承的框架被称为白盒框架：基于对象构件组装的框架就是 黑盒框架。与白盒框架相比，黑盒框架更大的构件粒度及其基于组装的扩展机制，使得它 更易于被复用。但是，黑盒框架使得框架结构更难于理解，因此需要更加依赖于用户手 册：另外，黑盒框架要求框架开发者定义适用于广泛的潜在用户需求的框架界面和钩子方 法，因此，黑盒框架更难于开发。 国内学者对于框架设计模式也进行了深入研究，9 0 年代初开始对软件体系结构进行研 究，随后应用平台思想、软件复用技术、框架技术开始成为研究的热点，由代码复用到对 象复用( 帖军，2 0 0 2 ；郝振明，2 0 0 0 ) ，软件复用到模式复用( 李振华，2 0 0 1 ) ，面向对 象的框架技术的研究越来越成熟( 刘瑜等，2 0 0 4 ) ，王成耀、姚琳( 2 0 0 3 ) 提出基于多层 结构的可重用的交易服务器框架；包龙翔、曹抗震( 2 0 0 3 ) 设计面向对象的软件框架：王 丽荣等( 2 0 0 3 ) 提出一种基于组件和设计模式的仓库系统框架；刘奎等( 2 0 0 5 ) 提出基于 x m l 的设计模式描述及其存储；刚新( 2 0 0 5 ) 提出了一种可复用数据访问框架的实现：田 加谋( 2 0 0 5 ) 提出基于模块化和可复用技术的应用软件框架设计；陈澎( 2 0 0 5 ) 提出了一 种基于设计模式的g i sh c i 复用框架：刘风华( 2 0 0 5 ) 总结分析了面向对象框架复用技 术；李秀芳、张福增、贾世祥等( 2 0 0 6 ) 给出了基于面向对象框架的软件开发过程模型。 对于框架扩展性的研究，黄凯( 2 0 0 5 ) 、刘洪星( 2 0 0 5 ) 、郑天华( 2 0 0 5 ) 等人对e c l i p s e 平台有深入研究。 上述国内外专家学者对框架技术的相关研究为v g e d a t a e x p l o r e r 框架的建立提供了理 论来源与实践基础，因此作者借鉴其中的理论技术设计适合虚拟地理环境数据管理的框 架。 a r c g i s 、f m e ( f m es u i t e ，2 0 0 3 ) 等框架都是基于上述原理采用了多种设计模式来组 织的框架平台。 可扩展的多态空间数据管理框架研究 1 3 本文研究的内容与组织 1 3 1 论文的研究内容与研究方法 本文借鉴可复用面向对象软件的基础软件设计模式来设计适合虚拟地理环境平台 建设的数据管理框架；同时为了解决传统桌面g i s 系统的可扩展性差、难于与其它信息管 理系统无缝集成等不足，采用可扩展机制来完成数据和框架的构建；文章首先重点阐述了 面向虚拟地理环境的主要数据模型，对v g e 多态空间数据进行了详细研究，并参考o g c 标准规范( o p e ng i sc o n s o r t i u m ，1 9 9 7 ) 提出了虚拟地理环境中空间数据的组织方案与存 储模式，借助c o m 等技术设计接口并实现相应的数据类：针对v g e 数据模型中原子特征 数据层( f e a t u r e ) 的存储策略，完成主要数据t i n 、d e m 的存储，为后面框架构建所需数 据作准备。数据管理部分参考w i n d o w se x p l o r e r ，a r c c a t a l o g 等框架的设计模式，探讨了 应用组件技术( 潘爱民，1 9 9 9 ) 和活动模板库( a c t i v et e m p l a t el i b r a r y ，a t l ) ( 潘爱 民，2 0 0 1 ) 进行从底层自主开发管理v g e 数据的控件，多态数据的管理采用插件机制实现 可扩展性：框架部分同样采用插件技术通过x m l 工具配制实现动态加载菜单、工具条、 控件等，真正实现可扩展的多态空间数据管理，晟终采用t i n 和d e m 数据对 v g e d a t a e x d l o r e r 框架进行原型验证。 1 3 2 论文的组织结构 虚拟地理环境多态数据管理，正是采用面向对象技术根据目前大多数情况下可能出现 的多种数据模型的融合与多种应用领域的交叉，从数据模型的灵活性考虑，采用可扩展模 型，提出基于三个层次的环境数据组织模型。在此数据基础上，建立可扩展的虚拟地理环 境数据管理框架。鉴于以上内容，本文共分为5 章，其中： 第一章是论文的绪论部分，主要介绍了本论文的选题背景与意义以及国内外关于g i s 数据组织管理，框架技术的研究现状，同时介绍了论文的研究内容与组织方式。 第二章是论文框架建设的基础v g e 数据层建设，主要对虚拟地理环境数据模型进 行了详细分析，在此基础上提出了虚拟地理环境的数据组织方案，用面向对象的理论探讨 了虚拟地理环境数据仓库对象模型的建设，以及本文的关键虚拟地理环境数据层的组 织，并设计与虚拟地理环境数据类型相对应的数据接口，实现数据类完成对主要数据如 t i n 、d e m 的存储。 第三章是论文的核心部分，承接第二章，对于虚拟地理环境数据如何管理提出建立可 扩展的多态空间数据框架( v g e d a t a e x p l o r e r ) ，首先介绍了框架的总体设计路线以及框架 的三个组成部分：可扩展的框架控件，扩展插件和应用程序：其次阐述了框架实现的理论 6 可扩展的多态空间数据管理框架研究 与关键技术，着重研究框架的建立过程，利用面向对象的框架技术，在分析与思考了 w i n d o w se x p l o r e r 与a r c c a t o l o g 的框架模式后，最终设计了基于统一接口技术的组件式 v g e 数据管理框架，包括管理v g e 数据的控件开发以及体现扩展性的插件管理，最终将 控件与扩展集成并结合工程实际编程实现本框架的构建。 第四章是数据管理框架的具体实现与应用。包括环境准备与数据准备，数据根据 f e a t u r e 层存储策略将t i n ，d e m 两种基本数据存储完整作为框架的数据基础，然后详细阐 述t i n ，d e m 数据接口的实现以及它们在框架中的具体应用，最后总结了该框架在虚拟地 理环境系统共享平台中的重要作用。 第五章总结本论文所作的工作，指出框架中还未完成的工作及针对目前g i s 的发展和 v g e 的研究提出了进一步探讨和研究的问题。 7 可扩展的多态空间数据管理框架研究 第二章面向虚拟地理环境的数据模型分析 2 1 虚拟地理环境( v g e ) 概述 虚拟地理环境可以简单定义为在计算机中一种抽象数字化的逼真表示，使人们可以探 查、汇集有关真实地理环境的自然和人文信息，并与之互动。虚拟地理环境相对于以数据 为中心的g i s 而言，其显著特征是以用户为中心，模拟表达地理环境，提供最接近人类自 然的交流方式与表达形式使得分布式环境下的多用户能够在虚拟地理环境中共同进行地 理空间分析、地学计算、地学可视化、协同设计与决策，从而实现分布式多用户的协同工 作( l i nh 、g o n g5 h ，2 0 0 2 ：l i nh 、g o n gj h 、s h ij ，2 0 0 3 ：l u e b k ed ，2 0 0 3 ) 。对 于地理科学而言，晟初v g e 只是作为地理学研究成果的展示部分，随着v g e 研究的深 入，它己在很大程度上影响了地理学研究的方法、手段和思维方式，即v g e 多维和动态的 空间分析参与到地理过程研究中，v g e 己在一定程度上影响到地理学的研究范式。 虚拟地理环境包含三个重要方面：数据、地理模型和可视化。虚拟地理环境的数据和 数据模型制约着应用方向和应用目的，而虚拟地理环境的应用目标决定了数据模型的层次 性。虚拟地理环境的数据模型是一个多尺度、多层次、多领域的综合体，它是当前多种空 间数据表示方法融合和综合的体现。在这个数据模型中应该能融合已有的数据表示方法。 单纯的面向对象或者层次树建模都不能完全满足。所以，虚拟地理环境的数据模型应该是 一个框架性的、扩展性的数据模型。数据模型的框架性表现在概念层次上，也表现在空间 层次上。概念上的框架性是体现在能够为任何一种空间数据找到表示方法，能够与其他的 数据表示方法共存，同时在数据存储、传输、目录组织上实现协调的工作。另一方面，这 种框架性表现在对空间实体的表示上，可以实现地理过程的多尺度表达，而且这些表达是 互相参照的。 地理信息系统的操作对象是空间数据( s d ，s p a t i a ld a t a ) ，是一种用来表示空间实 体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的数据，它可以用来描述来自现实世界 的目标，它具有定位、语义、时间和空间关系等特性。定位是指在已知的坐标系里空间目 标都具有唯一的空间位置：语义是指有关空间目标的自然属性，它伴随着目标的地理位 置；时间是指空间目标是随时间的变化而变化；空间关系通常一般用拓扑关系表示。空间 数据是一种用点、线、面以及实体等基本空间数据结构米表示人们赖以生存的自然世界的 数据。数据环境在虚拟地理环境中的地位如图2 - 1 所示。 虚拟地理环境的另一个核心问题是地理模型，地理模型是对地理过程、地理规律的提 炼和总结，也是对地理知识的计算机化表达，代表了建模工作者对于地理世界的认识和问 可扩展的多态空间数据管理框架研究 题本身的某些必要特征。地理现象和地理过程的刻画与表达全部体现在地理模型中。当 前，地理模型可以分为以下若干类：基本点空间分析模型、机理过程模型，还有一些其它 的模型。 可视化指的是所有将数据和过程展现出来的方法，并不特指三维可视化。虚拟地理环 境对于地理实体多尺度、多态的定义与表达要求更新的表示方法；综合的数据要求综合的 数据展示方法；不同层次的对象，也需要不同的空间数据表示模型。三维可视化是其中的 一个重要方面。其实，本质上的三维可视化技术是建立在二维的图像表达方法基础之上 的。三维可视化在处理数据的概念上，大部分采取基于表面建模的方法进行。传统的基于 表面模型的虚拟现实工具基本上可以达到比较高的显示速度，在视觉观感上也可以接受， 但是虚拟现实不是虚拟地理环境可视化的全部，因此需要融合各种已有的显示方式和可视 化方法，尽可能多的在揭示地理现象、地理过程和地理事物的内在本质上做文章，实现比 较丰富的可视化方法。这些可视化方法在后台依赖的是一个统一的虚拟地理环境场景模 型，这个场景模型是工作的基础与重点。 2 2v g e 数据模型分析 图2 1 数据环境在v g e 中的地位 f i g2 - 1t h es t a t u so fd a t ai nv g e 在m & s ( m o d e l i n g s i m u l a t i o n ) 中，一个关键性的问题就是环境数据的表示与交 换问题。环境数据致、完整、无歧义的定义是异构仿真当中实现互操作的前提。伴随着 环境数据可用性的提高、数据访问量的增多、环境数据使用工具费用的降低、软件性能的 完善，这些都极大地促进了环境数据的广泛使用。这就不仅要求有一个复杂的软件应用程 序来分