（大地测量学与测量工程专业论文）基于citygml的空间数据存储研究.pdf

摘要 随着城市化进程的急剧加速，城市管理和建设的难题日益严峻起 来。目前空间地理信息以众多的格式存储，由不同的部门或单位维护， 导致了数据的重复开发。另外，已有的大部分空间数据忽略了语义和 拓扑关系的表现。c i t y g m l 是o g c 推出的城市地理标记语言，是一 种兼顾语义属性的表现城市三维对象的通用信息模型，有助于促进 3 d 城市g i s 的发展和应用。c i t y g m l 主要侧重于城市模型的存储、 管理与交换，目前国内外还没有一个完善的存储机制，因此对 c i t y g m l 存储相关技术的研究具有特别重要的意义。本文的主要研 究内容有以下几点： 1 ) 鉴于兼顾空间和语义结构的三维虚拟城市模型比较复杂， c i t y g m l 数据集非常庞大，高效地存储c i t y g m l 数据对于优化查询 是一个关键性的问题，本文对c i t y g m l 模型从递归的简化、几何类 的替代设计等六个方面提出了模型的简化方法，大大简化了数据的存 储并且方便查询实现。 2 ) 将c i t y g m l 简化模型映射到一个紧凑的关系数据库模式，初 步尝试了对主要的c i t y g m l 类、整个根类要素以及c l a s s i d 属性 的优化映射。避免了多表，减少了连接，提高了数据库的性能，方便 直接访问数据库，有利于一些典型的数据库查询。 3 ) 采用c i t y g m l 4 j 技术编程实现数据的输入输出以及对数据的操 作，开发人员不必关心c i t y g m l 数据，只需通过简单访问j a v a 对象 的内容，c i t y g m l 数据就能被访问和操作。 最后以两组数据成功实现了空间数据的存储以及对数据的操作， 实验结果表明本方案是现实可行的，为c i t y g m l 提供了一个完整的 数据存储方案。 关键词：g m l ，c i t y g m l ，3 d 地理数据库，c i t y g m - 1 4 j a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i o no fu r b a n i z a t i o n ，p r o b l e m so fu r b a nc o n s t r u c t i o n a n d m a n a g e m e n t b e c o m ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s a tp r e s e n t ，s p a t i a l i n f o r m a t i o ni ss t o r e dw i t hn u m e r o u sf o r m a t s ，a n dm a i n t a i n e db yd i f f e r e n t d e p a r t m e n t ，s oi tl e a d s t or e p e a td e v e l o p m e n ta n dw a s t e i na d d i t i o n ，m o s t o fe x i s t i n gs p a t i a li n f o r m a t i o ni g n o r e dt h ep e r f o r m a n c eo fs e m a n t e m e a n dt o p o l o g i c a lr e l a t i o n s h i p ，a n di td o e s n o tm e e tt h en e e d so fs u b j e c t i n q u i r e ，s p a t i a la n a l y s i sa n dt h es p a t i a ld a t am i n i n g c i t y g m l i sa i lu r b a n g e o g r a p h i c a lm a r k u pl a n g u a g ec r e a t e db yo g c ，i sac o m m o ni n f o r m a t i o n m o d e lo fu r b a n3 do b je c t sw h i c ht a k e sb o t ht h es e m a n t i ca t t r i b u t ei n t o c o n s i d e r c i t y g m lw i l lu n d o u b t e d l yp r o m o t et h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o n so f3 dc i t yg i s c i t y g m lm a i n l yf o c u s e do nt h es t o r a g e ， m a n a g e m e n ta n de x c h a n g eo fu r b a nm o d e l t h e r e f o r ei th a si m p o r t a n t s i g n i f i c a n c ef o ru st os t u d yt h er e l a t e ds t o r a g et e c h n o l o g yo fc i t y g m l t h ef o l l o w i n ga r et h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s ： 1 ) i nc o n s i d e r a t i o no ft h e3 dv i r t u a lc i t ym o d e lo ft h es p a c ea n d s e m a n t i cs t r u c t u r ei sm o r ec o m p l e x ，t h ed a t as e t so fc i t y g m li sv e r y l a r g e ，h o wt o s t o r ec i t y g m ld a t ae f f i c i e n t l yi sak e yp r o b l e mf o r o p t i m i z e dq u e r y b a s e do nt h ee x i s t i n gc i t y g m lm o d e l ，t h i sa r t i c l e p r o p o s e d a s i m p l i f i e d m e t h o df r o mr e c u r s i o n s i m p l i f i e d a n dt h e r e p l a c e m e n to fg e o m e t r i cd e s i g na n dt h eo t h e rf o u ra s p e c t s ，r e a l i z i n gt h e s i m p l i f i e d o fd a t as t o r a g ea n dc o n v e n i e n tt oi n q u i r y 2 ) m a p p e dc i t y g m ls i m p l i f i e dm o d e lt oac o m p a c tr e l a t i o n a l d a t a b a s em o d e l ，p r e l i m i n a r ya t t e m p tt oo p t i m i z em a p p i n go nt h em a i n c i t y g m lc l a s s e s ，t h ew h o l er o o te l e m e n t sa n da t t r i b u t e so ft h ec i a s s - i d a v o i d i n gm u l t i p l el i s t ，r e d u c i n gt h ec o n n e c t i o n ，a n di m p r o v i n gt h e p e r f o r m a n c eo ft h ed a t a b a s e ，c o n v e n i e n tt od i r e c t l ya c c e s sd a t a b a s e ，a n d h e l pf o rs o m et y p i c a ld a t a b a s eq u e r i e s 3 ) w br e a l i z e dt h ei n p u ta n do u t p u to fd a t aw i t hu s i n gc i t y g i i l l 4 j p r o g r a m m i n gm e t h o d s ，a l s ow ed i dr e l a t e dt e s t t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t s h o wt h a tt h i ss c h e m ei sp r a c t i c a la n df e a s i b l e f i n a l l y , w es u c c e s s f u lr e a l i z e dt h es t o r a g ea n do p e r a t i o n s o fs p a t i a l d a t aw i 血t w os e t so fd a t a e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss c h e m ei s p r a c t i c a la n df e a s i b l ea n di tp r o v i d e si n t e g r i t yo fd a t as t o r a g es o l u t i o n s f o rc i t y g m l k e y w o r d ：g m l ，c i t y g m l ，3 dg e od a t a b a s e ，c i t y g m l 4 j m 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 1 9 9 8 年1 月3 1 日，美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心发表了题为“数 字地球：认识2 l 世纪我们这颗星球 的演讲，率先提出了“数字地球 ( d i g i t a l e 枷1 ) 的概念【1 1 。戈尔的演讲引起了各国各界的积极反响，“数字地球 一词迅速 风靡全球。 数字城市是数字地球的一部分，是城市信息化发展的方向，在我国随着城市 化进程的急剧加速，城市管理和建设的难题日益严峻起来，城市建设的复杂性和 需要处理信息的广义性，对于城市的管理者和建设者来说，都是前所未有的【2 】。 而解决这一问题的关键，最主要的是城市的信息化，这已成为一种共识。城市信 息化的目的是实现城市信息资源的综合利用、普遍服务和广泛共享，促进政府工 作信息化、社会保障信息化和企业信息化等，最终使生产方式和人们的生活方式 都快速化。而3 d 城市的建立能够构建一个直观、真实的虚拟城市环境，直观地、 全方位地给人们提供有关城市的各种具有真实感的场景信息。为城市管理者面对 复杂的城市，实施科学的、人文的、生态的规划，提供有力的决策手段。目前， 在与城市建设相关的诸多领域中如城市规划、旅游、房地产、物业管理等部门都 迫切需要构建具有强大三维可视化和三维分析功能的3 d 地理信息系统来实现城 市信息的管理和应用。 由于地理信息数据结构复杂，在g i s 发展初期没有一定的工业标准，开发 者认识空间数据的复杂性不同等原因，各个g i s 平台采用独自的数据模型、数 据结构、数据组织方式、数据存储和表现方式，产生了g i s “信息孤岛”的局面 【3 1 ，并且在数据语义表达上往往存在不可调和的矛盾。其结果是许多已建g i s 系统之间没有统一的标准，数据格式不兼容，从而无法直接进行应用系统之间的 数据共享。这些日趋增多的g i s 软件平台、复杂的g i s 数据结构、不断发展的 数据模型，数据重复采集和开发，引起了数据建设中巨额的成本浪费。因此，建 立一个空间数据共享平台就显得非常重要。 另外，已有的大部分以纯图形或几何形式制作出来的虚拟3 d 城市模型，忽 略了语义和拓扑关系的表现。因此，这些模型基本上只能用于纯可视化方面的用 途，并不能满足主题查询、空间分析和空间数据挖掘等方面的需求。基于语义的 地理信息共享的研究目前还处于初步发展阶段，相关研究比较琐碎，不成体系， 而且其理论基础相对薄弱【4 】。在地理信息系统网络化和社会化日益增加的压力 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 下，研究人员做了大量工作，也取得了一些成就，但语义共享和互操作研究的难 度很大，要取得重大突破，还需要进一步的努力。因此，要解决上述问题，建立 一种能够满足各种不同应用所需信息的基于语义的通用建模方法已刻不容缓。 也正是因为这些原因，一种新的标记语言c i t y g m l ( c i t yg e o g r a p h ym a r k u p l a n g u a g e 城市地理标记语言) 诞生了：具有较强的表达、检索和共享3 d 地理信 息的能力，它的出现为3 d 地理信息的广泛应用和共享带来了契机。将有助于促 进3 d 城市g i s 的发展和应用，也为数字地球建设奠定了基础【5 】。 1 1 2 研究意义 开发c i t y g m l 的意义就是建立一个基于语义的通用城市模型，这种城市模 型能够实现在不同应用之间共享，为空间数据语义互操作提供一个标准。有助于 降低3 d 城市地理数据建设和维护成本，使得同一份数据应用于不同的领域成为 可能。c i t y g m l 是一个比较年轻的规范，c i t y g m l 的诞生就是为了解决三维城 市模型的问题。c i t y g m l 提供了一系列城市地理建模对象，从而使各自独立开 发的应用之间互操作成为可制2 1 。另外，c i t y g m l 模块能够扩展，用以支持对空 间信息的多样化需求，不管是用于对空间信息的单纯描述，还是进行更深层次的 分析使用都可实现，因为这些扩展的主题模块不仅仅是一种图形交换格式，而且 允许将虚拟3 d 城市模型部署到各种不同应用中的复杂分析任务，目前可以明确 的目标应用领域有：城市规划、训练模拟、观光旅游、电信、环境仿真、国家安 全、建筑设计、灾难管理、车辆及步行导航等。c i t y g m l 主要侧重于城市模型 的存储、管理与交换，主要是前期的数据管理。目前国内外还没有一个完善的存 储机制，因此对c i t y g m l 存储相关技术的研究具有特别重要的意义。 1 2 研究现状 1 2 1 c i t y g m l 国内外研究进展 c i t y g m l ( 城市地理标记语言) 是一种用来表现城市三维对象的通用信息模 型。它定义了城市中的大部分地理对象的分类及其之间的关系，而且充分考虑了 区域模型的几何、拓扑、语义、外观属性等。其中包括了主题分类之间的层次、 聚合、对象之间的关系、空间属性等。c i t y g m l 实现了基于x m l 格式的用于存 储及交换虚拟3 d 城市模型的开放数据模型。它在g e o g r a p h ym a r k u pl a n g u a g e 3 ( g m l 3 ) 的基础上实现，g m l 3 是开放地理信息系统联盟( o g c ) 和i s ot c 2 11 联合起草的可扩展的空间信息交换国际标准。为c i t y g m l 作出贡献最突出的个 人是柏林科技大学的k o l b e 教授，专门从事研究城市3 d 模型。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 近几年来，越来越多的系统在c i t y g m l 数据基础上进行开发。斯图加特、 波恩、多特蒙德、埃森、科隆和波鸿在c i t y g m l 基础上建立了自己的官方3 d 城市模型；2 0 0 8 年，柏林在c i t y g m l l 0 数据模型基础上建立了官方3 d 城市模 型，并将c i t y g m l 作为数据库、编辑器和显示系统的交换格式；欧盟也c i t y g m l 1 0 的基础上使用a d e 机制开发了城市噪音模拟系统【3 6 】。由于c i t y g m l l 0 独 有的a d e 机制，使得c i t y g m l l 0 数据模型可以很好的应用到其他领域当中，这 些系统中的虚拟3 d 城市模型不仅具有了可重用性，更主要的是能够满足主题查 询、分析和空间数据挖掘等方面的需求，有助于降低虚拟3 d 城市模型的开发成 本。c i t y g m l 是一个比较年轻的规范，其大规模的应用特别是我国的应用还属 于研究阶段。 1 2 2 空间数据存储国内外研究进展 由于c i t y g m l 是一个新兴的规范，目前还没有自己完善的存储机制， c i t y g m l 是g m l 的应用模式，现阶段c i t y g m l 的空间数据存储是基于g m l 的空间数据存储方法。g m l 是基于x m l 的地理数据编码，虽然在g m l 与x m l 。“ 之间仍存在根本差别，现有存储x m l 的技术方法不能直接用于g m l 文档的存 储。然而，在学术界，我们仍能从x m l 的数据库存储方法中得到启发，据此对 g m l 文档实现基于关系的或者面向对象的模型制定多种g m l 文档到数据库的 映射。国内外在这方面的主要研究成果有：l a k s h m i ns r i p a d a 等在文献【9 】中应用 空间数据库，根据特定的模式匹配规则，实现了从g m l 文档到空间数据库的存 储，并对存储和查询性能进行了分析，同时指出很多存储g m l 数据的方法都是 基于关系的或者面向对象的模型，基于关系模型进行存储包括两类：结构映射和 模型映射。b i k r a m ba h a d u r s hr e s t h a 在文献【2 2 】中对x m l 数据库技术进行了研究， 并尝试将g m l 文档数据存入x m l 数据库，但由于g m l 数据包含空间特性， 没有成功。r a n c o u r te t a l ( 2 0 0 1 ) 将g m l 与先前所定义的空间标准进行比较，得出 g m l 能有效的满足空间数据交换标准的要求的结论，并预测g m l 将在行业应 用中占据主导地位【2 3 1 。而在国内，谭玉敏等在文献【2 4 】中给出了基于n e t 平台在 s q ls e r v e r 2 0 0 0 数据库中对g m l 文档进行存储和解析的程序实例，但是没有给 出程序的接口等。崔希民等( 2 0 0 3 ) 提出了g i s 数据集成和互操作的系统架构，并 在该架构中采用g m l 作为多源异构g i s 数据的统一描述格式，在数据层次上实 现g i s 数据的集成和互操作瞄】。张书亮等基于国家自然基金项目“g m l 空间数 据存储索引机制研究 的研究基础，提出了g m l - g i s 的概念【2 6 1 ，构造了g m l g i s 的技术体系框架，并分别对涉及g m l - g i s 的包括g m l 存储在内的几个核心技 术提出了相应的研究思路和方法。李俊等在文献【2 6 】中提出一种将g m l 文档存储 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 到空间数据库中的存储映射模型g 2 s d b ，定义边表，保留了g m l 文档的部分 结构信息。这种存储方式有利于g m l 文档的重构，并有利于g m l 查询汇总的 路径表达式的处理，提高了查询操作的效率，但对g m l 文档的结构信息会有所 丢失。南京师范大学殷丽丽利用关系数据库的技术和面向对象的特性，根据g m l 应用模式的特点将关系映射中的对象一关系映射方法进行了改进，提出一种新的 机遇模式的映射机制。由该机制生成对应于g m l 应用模式和数据库模式之间的 映射规范文件。该机制下，存储g m l 数据的时候，首先根据该规范文件和g m l 应用模式文件生成中间的映射文件，然后根据映射文件生成对应的数据库关系模 式，最后通过该映射文件将g m l 文档中的属性数据和几何数据一体化存储到对 象关系数据库中【2 7 】。 纵观当前国内外在g m l 存储方面的研究，存在如下一些缺陷，对空间数据 的存储不够成功，数据模型相对复杂，简化过程中会有文档的丢失，还没有一种 比较权威的解决策略。基于g m l 基础上的c i t y g m l 主要用来表现三维城市模 型，数据结构更加复杂，数据量更加庞大，目前国内外还没有一个相对完善的存 储机制。本文以c i t y g m l 空间数据存储技术的探讨为主题，在g m l 存储方法、 策略的基础之上进行研究，探讨了模式简化的方法，利用关系数据库的技术和面 向对象的特性，优化了模型到关系数据库的映射，这种存储方式有利于c i t y g m l 文档的重构，并有利于直接访问数据库，避免了文档结构信息的丢失。采用 c i t y g m l 4 j 技术实现数据的输入输出以及数据的处理，实现了开发人员不必关心 c i t y g m l 数据，只需通过简单访问j a v a 对象的内容，c i t y g m l 数据就能被访问 和处理。 1 3 研究内容和论文结构 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 鉴于兼顾空间和语义结构的三维虚拟城市模型比较复杂，c i t y g m l 数据集非常庞大，高效地存储c i t y g m l 数据对于优化查询是一个关键性的问题， 本文对c i t y g m l 模型从递归的简化、几何类的替代设计等六个方面提出了模型 的简化方法，大大简化了数据的存储并且方便查询实现。 ( 2 ) 将c i t y g m l 简化模型映射到一个紧凑的关系数据库模式，初步尝试了 对主要的c i t y g m l 类、整个根类要素以及c l a s s i d 属性的优化映射。避免了 多表，减少了连接，提高了数据库的性能，方便直接访问数据库，有利于一些典 型的数据库查询。 ( 3 ) 采用c i t y g m l 4 j 技术编程实现数据的输入输出以及对数据的操作，实现 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 了开发人员不必关心c i t y g m l 数据，只需通过简单访问j a v a 对象的内容， c i t y g m l 数据就能被访问和处理。 ( 4 ) 最后以两组数据实现了空间数据的存储以及数据处理，实验结果表明 本方案是现实可行的，为c i t y g m l 提供了一个完整的数据存储方案。 1 3 2 论文结构 ( 1 ) 第一章首先介绍了研究的背景，构建c i t y g m l3 d 通用城市模型的意 义，分析了目前国内外的研究现状，然后，最后对论文的研究内容作了简单的介 绍。 ( 2 ) 这一章首先介绍了g m l 标准，它的特点、分析了g m l 的主要模式、 扩展机制以及相关技术，o g c 推出g m l 的目的是建立一个统一的空间数据描述 标准来解决空间数据共享的问题；深入分析了它的应用模式c i t y g m l 的发展历 程、主要的核心模块模块和扩展模块、c i t y g m l 的两个关键技术c i t y g m l 五层 l o d 模型和语义几何一体化模型、c i t y g m l 特有的优点，为后续的研究提供了 理论支持。 ( 3 ) 第三章对c i t y g m l 模型从递归的简化、几何类的替代设计等六个方面 提出了模型的简化方法，大大简化了数据的存储并且方便查询实现；初步尝试了 对主要的c i t y g m l 类、整个根类要素以及c l a s s i d 属性的优化映射，避免了 多表，减少了连接，提高了数据库的性能，方便直接访问数据库，有利于一些典 型的数据库查询；详细分析了c i t y g m l 空间数据的输入输出技术，促进c i t y g m l 和g m l 结构的高效处理。 ( 4 ) 第四章以长沙县国土局办公大楼l o d 3 模型为例，进行了c i t y g m l 模 型的简化，关系数据库模式的映射，采用c i t y g m l 4 j 技术编程实现数据的输入输 出以及数据的操作处理，成功实现了整个存储过程。开发人员对数据的操作不必 关心c i t y g m l 文件，只需通过简单访问j a v a 对象的内容，c i t y g m l 数据就能被 访问和处理。实验验结果表明本方案现实可行，为c i t y g m l 提供了一个完整的 数据存储方案。 ( 5 ) 第五章结论与展望，总结了本文所做的工作以及对该领域的未来进行 了展望 5 中南大学硕士学位论文 第二章c i t y g m l 及相关技术 2 16 m l 模式剖析 2 1 1g m l 概述 第二章c it y g m l 及相关技术 地理标记语言( g e o g r a p h ym a r k u pl a n g u a g e ，g m l ) 是由开放式地理信息系统 联盟( o g c ) 于1 9 9 9 年提出的基于x m l 的地理信息编码、传输和存储的x m l 语法【1 3 1 。g m l 以o g c 的简单特征模型( s i m p l ef e a t u r em o d e l ) 为基础，对地理实 体的普通属性和几何属性进行基于x m l 格式的编码。g m l 一诞生就得到了许 多公司的大力支持，如o r a c l e 、m a p l n f o 、g a l d o s 、c u b e w e r x 等。2 0 0 0 年5 月， o g c 推出了基于x m l 资源描述框架( r e s o u r c ed e s e r i p f i o nf r a m e w o r k s ，g d f ) 和 文档类型定义( d o c u m e n tt y p ed e f i n i t i o n s ，d t d ) 的g m l i 0 版本，并很快成为业 界普遍接受的空间信息格式。2 0 0 1 年2 月，o g c 又推出了完全基于x m ls c h e m a 的g m l 2 0 版本。2 0 0 3 年2 月，o g - c 又在g m l 2 0 版本的基础上扩展了许多新 功能，推出了g m l 3 0 规范【1 4 1 。新发布的g m l 3 0 具有摸块化特点，即用户只需 要选择必要的部分使用，减化和缩小了执行的尺寸。g m l 3 0 新增加的内容支持 复杂的几何体、空间参考系统、元数据、拓扑、栅格数据等多个方面。g m l 3 0 几乎完全兼容g m l 2 0 ，所以熟悉g m l 2 0 的开发商和用户可以立即使用 g m l 3 o 。 ( 1 ) o g c 推出g m l 的目的如下： 1 ) 适用于i n t e m e t 环境的空间信息编码，用于数据传输和存储； 2 ) 能够扩展，用以支持对空间信息的多样化需求，不管是用于对空间信 息的单纯描述，还是进行更深层次的分析使用； 3 ) 以一种可扩展和标准化的方式为基于w e b 的g i s 建立良好的基础； 4 ) 允许对地理空间数据进行高效率编码； 5 ) 提供了一种容易理解的空间信息和空间关联的编码方式； 6 ) 实现空间和非空间数据的内容和表现形式的分离； 7 ) 易于将空间信息和非空间信息进行整合； 8 ) 易于将空间几何元素与其它空间或非空间元素连结起来： 9 ) 提供一系列公共地理建模对象，从而使各自独立开发的应用之间互操 作成为可能【l 引。 ( 2 ) g m l 的特性 1 ) g m l 封装了地理信息及其属性 g m l 对空间实体要素的特征及其属性进行封装，是基于地理信息的抽象模 6 中南大学硕士学位论文第二章c i t y g m l 及相关技术 型。地理特征包括一系列的要素属性和相应的几何信息，一般属性由属性名、类 型和值组成；几何信息由点、线、面、曲线、多边形等基本元素组成。g m l 允 许复杂的特征，比如特征间的任意嵌套。g m l 已经可以对很复杂的地理实体进 行编码，例如：一个地理实体可由很多的几何实体所构成，而一个复杂的几何实 体又可由很多的点、线、面等几何类型所构成。 2 ) g m l 封装了空间地理参考系统 空间参考系统s r s ( s p a t i a lr e f e r o n c es y s t e m ) 是地理信息系统数据处理的基 础，地理空间系统通过空间参考系将地理特征与地球表面或者与地球表面相关的 结构联系在一起，g m l 封装了主要的投影关系和空间地理参考系统等，确保了 分布式处理的扩展性和灵活性，并允许用户定义自己的单位和参考系的系数。 3 ) g m l 可实现地理数据的分布式存储 g m l 主要运用工具x l i n k 和x p o i n t c r 对地理数据进行传输与分发，这是地 理数据分布式存储的重要技术手段。传统g i s 软件由于使用各自的数据格式， 不同的应用需求需要不同尺度的数据，不同的部门为了不同的目的而采集数据， 相互之间的转化非常麻烦，从而造成了数据的重复采集以及数据质量的参差不 齐。如果涉及到多个系统需要相互共享数据，其难度真是不言而喻。g m l 作为 一种良好的数据存储格式，与x l i n k 和x p o i n t e r 的结合将解决上述的问题。 4 ) g m l 可以用公共工具浏览和编辑 和x m l 编码一样，g m l 也是用文本的形式来表示地理信息，封装的地理 数据和地图表现分离，可以由文本编辑器打开和编辑等特性，也可以由许多x m l 解析器进行解析处理，比如微软的m s x m l 、s u n 公司的j a x p 等。 5 ) g m l 可以和非空间数据集成 传统的g i s 空间数据都是以二进制的形式存储的，二进制数据通常是很难 与其他数据集成的，对于二进制数据结构，必须了解其文件结构和数据库设计才 能对其进行修改。而g m l 借助于x l i n k 和x p o i n t e t 技术，通过表现良好的u r i 语法，可以很容易的与非空间数据元素链接起来。 6 ) g m l 将地理信息内容与其表现形式分离开来 g m l 所关注的是地理数据内容如何描述，不关心其封装的地理空间信息如 何显示或呈现。可以使用x s l t ( 可扩展样式表语言转换) 将g m l 文档进行转 换，把g m l 中的几何体转化为浏览器所能识别的基于x m l 的矢量图形( 如s v g 、 v m l 、x 3 d 等) 7 ) 数据的有效验证 x m l 的重要特性之一就是数据完整性的检验，在x m l i 0 规范中，文档类 型定义( d t d ) g - - i 以定义一个x m l 文档的结构，使得有效的解析器可以检验一个 7 中南大学硕士学位论文第二章c i t y g m l 及相关技术 x m l 文档是否与相应的d t d 匹配。g m l 2 0 以后版本的g m l 支持x m ls c h e m a ， 它具有比d t d 更灵活的完整性的机制【1 6 1 。 2 1 2g m l 3 0 主要模式 g m l 提供了一套核心模式( 和g m l 2 0 相比，g m l 3 0 版本新增加了2 5 种 核心模式，共2 8 种核心模式) ，还有一个基于要素属性( f e a t u r e s p r o p e r t i e s ) 或对 象属性( o b j e c t s 佃删e s ) 的简单语义模型1 ，。g m l 3 0 的基本模式g m l b a s e x s d 、 b a s i c t y p e s x s d 与x l i n k x s d 这三种基本模式为g m l 对象、属性、对象集、元数 据与数据字典条目定义了基本的类型与组件。g m l 3 0 的基本模式提供了书写应 用模式的模式组件，例如：要素( f e a t u r e s ) ，几何( g e o m e t r y ) ，拓扑( t o p o l o g y ) ，参 照系统( r e f e r e n c e ) ，层( c o v e r a g e ) ，时f a q ( t e m p o r a l ) 等。也提供了一种简单的语 义模型来描述对象和属性之间的关系。利用g m l 的语义模型和模式组件，就可 以定义符合o g c 标准的针对某个具体应用的地理信息应用模式了。g m l 3 0 的 基本模式可以简单分为不同对象类： ( 1 ) 基础模式( b a s i c t y p e s x s d ，g m l b a s e x s d ) ( 2 ) 要素模式( f e a t u r e x s d ) ( 3 ) 几何模式( g e o m e t r y b a s i c o d l d x s d ，g e o m e t r y b a s i c 2 d x s d ， g e o m e t r y p r i m i t i v e s x s d ，g e o m e t r y a g g r e g a t e s x s d ，g e o m e t r y c o m p l e x e s x s d ) ( 4 ) 拓扑模式( t o p o l o g y x s d ) ( 5 ) c o v e r a g e 模式( 鲥d s x s d ，c o v e r a g e x s d ) ( 6 ) 坐标参考系模式( d a t a q u a l i t y x s d ，d a t u m s x s d , r e f e r e n c e s y s t e m s x s d , c o o r d i n a t e s y s t e m s x s d ，e o o r d i n a t e o p e r a t i o n s x s d ，c o o r d i n a t e r e f e r e n c e s y s t e m s x s d ) ( 7 ) 时态、动态要素模式( t e m p o r a l x s d , t c m p o r a l c o m pl e x e s x s d , d y n a m i c f e a t u r e x s d ) ( 8 ) 定义、字典模式( d i c t i o n a r y x s d ) ( 9 ) 测量单位、值和观测模式( u n i t s x s d ，m e a s u r e s x s d ，v a l u e o b j e c t s x s d ) ( 1 0 ) 定向模式( d i r e c t i o n x s d ) ( 11 ) 观测模式( o b s e r v a t i o n x s d ) ( 1 2 ) 缺省样式模式( d e f a u l t s t y l e x s d ) 等【1 8 1 。 关于g m l 3 0 模式的更详细内容可以参见o g c 网站 ( h t t p ：w w w o p e n g e o s p a t i a l o r g ) 。 g m l 对象的层次结构如图2 1 ： 中南大学硕士学位论文第二章c i t y g m l 及相关技术 图2 - 1g m l 对象的层次结构 2 1 3g m l 组成及扩展机制 g m l 文件是由三个部分组成：g m ls c h e m a 、g m la p p l i c a t i o ns c h e m a 、g m l i n s t a n c ed a t a 19 1 。其中g m ls c h e m a 是o g c 定义的；g m l a p p l i c a t i o ns c h e m a 由 不同应用领域依照应用要求来定义，是由g m ls c h c r n a 来组成；g m li n s t a n c ed a t a 来自资料生产单位，提供给使用者。首先对于真实世界中的地理信息以广泛且明 确的方式来提取地理要素，其次利用o g c 的g m ls c h e m a 来定义g m l 9 中南大学硕士学位论文 第二章c i t y g m l 及相关技术 a p p l i c a t i o ns c h e m a ，最后生成具有a p p l i c a t i o ns c h e m a 逻辑结构的g m l 文件。 如图2 2 所示： 图2 - 2g m l 文件组成 g m l 是一个开放的标准，因为它并不强制g m l 用户使用确定的x m l 标识， 相反，它提供了一套基本的几何对象标记，公共的数据模型，及创建和共享应用 s c h e m a 的机制。所有兼容g m l 的系统虽然必须使用g m l 提供的几何地物标记， 来表示地物对象的几何属性，但可以通过限制、扩展等机制来创建自己的 a p p l i c a t i o ns c h e m a 。一般为了提供系统的互操作性，g m l 的用户都会公布自己 的a p p l i c a t i o ns c h e m a 。 ( 1 ) g m ls c h e m a g m l 2 0 提供了三个基础x m ls c h e m a ：f e a t u r es c h e m a 、g e o m e t r ys c h e m a 、 和x l i n k ss c h e m a ，任何基于g m l 的应用都在这三个s c h e m a 的基础上进行扩展， 其中： f e a t u r es c h e m a 在g m l 中，要素的概念是建立在要素模型之上的，要素 可以被具体化为一些实际地物对象，也可以是抽象对象。f e a t u r es c h e m a 是定义 了基本地物要素( f e a t u r e ) 属性的模型，f e a t u r es c h e m a 定义的空间属性元素都是 以g e o m e t r ys c h e m a 定义的空间地物类型要素为基础的，而g m l 是以地物要素 为描述空间地理数据的基本单位，而地物要素还包括非空间数据和空间属性组 成。非空间属性除了f e a t u r es c h e m a 中事先定义的以外，还可以是任何其他类型， 中南大学硕士学位论文 第二章c i t y g m l 及相关技术 但必须符合江l 语法。它只是为在g m l 应用模式中创建要素类型而提供基本 的数据类型和元素。 g e o m e t r ys c h e m a 用于描述要素几何类型，如一个点就是一个简单的几何类 型，该模式提供了详细的基本空间几何类型的定义。既包括了用于抽象几何元素 和具体( 多) 点、( 多) 线、( 多) 多边形空间几何元素的类型定义，还包括了用于基础 地物类型的复杂类型定义。 g m l 提供的常用的地理元素有： 1 ) c o o r d i n a t e s 元素：坐标系列元素，坐标序列是一对坐标的简单序列，用 来解析坐标系列的分隔符作为标记的属性编码。 2 ) p o i n t 元素：p o i n t 元素用来编码p o i n t 几何类的实例，每一个p o i n t 元素包 括一个坐标元素，或包括一个而且仅仅一个坐标对。 3 ) b o x 元素：b o x 元素用来确定编码范围，每一个b o x 元素包括两个坐标对。 4 ) l i n e s t r i n g 元素：折线元素，它的路径由一序列的坐标对所组成的直线段 连接起来的。 5 ) l i n e a r r i n g 元素：环元素，是一个简单的、闭合的环，它的路径是由一序 鲁 列的坐标对所组成的直线段连接起来的。 6 ) p o l y g o n 元素：多边形元素，是一个连接的平面，多边形中的任何两点都 可以通过一条路径相连。多边形的边界是一些l i n e a r r i n g 。 7 ) g c o m e t r y c o l l c c t i o n 元素：几何集元素，可以作为一个包含任意几何元素 的容器。一个g e o m e t r y c o l l e c t i o n 元素可以包含任意几何元素如：p o i n t s 、 l i n e s t r i n g , 、p o l y g o n s 、m u l t i l i n e s t r i n g s ，、m u l t i p o l y g o n s 等，甚至包括其它 拶 g e o m c t r y c o l l c c t i o n s 元素。 8 ) m u l t i p o i n t 元素：多点元素，是多个点的集合。 9 ) m u l t i l i n e s t r i n g 元素：m u l t i l i n e s t r i n g 是l i n e s t r i n g s 的集合。 1 0 ) m u l t i p o l y g o n ：m u l t i p o l y g o n 是o g c 定义的几何体【2 0 】。 x l i n l 璐s c h e m a 为引用外部数据提供属性实现链接功能。在x l i n k ss c h e m a 中定义了前两个基本s c h e m a 中要用到的链接属性。通过这些链接属性，g m l 可以将位于不同数据源的地物要素，通过链接的方式组织在个文件中，解决了 地理模型中拓扑关系的存储。 然而这三个s c h e m a 文档一般并不适合于单独使用，它们主要是为g m l 的 应用提供基本类型和结构，它们之间需要互相配合使用，其中g e o m