（计算机软件与理论专业论文）空间要素服务器（wfs）关键技术研究.pdf

摘要 地理信息系统( g i s ) 发展的4 0 多年来，得到了越来越广泛的应用，可以说 当今的地理信息系统规模很大，能够综合各种系统，能满足更多用户的需要。地 理信息系统的广泛应用，使地理信息的共享和交换成为新的趋势。一个开放的、 易于访问的地理信息系统将有利于地理信息在不同用户、不同系统之间交流，实 现数据和服务的广泛共享。 本文主要对跨部门、跨平台地理信息资源应用平台中空间数据引擎a r c s d e 、 空间数据模式、交换标准、访问格式及信息共享的开放方式空间数据服务模型的 进行研究。并以a r c s d e 为基础，构建空间要素服务器( w e bf e a t u r es e r v i c e ， w f s ) 原型。 w f s r 务器主要通过w e b f l 匣务的方式对客户端的功能查询请求及数据查询请 求进行响应，在处理数据查询请求时，要根据客户端的请求通过空间数据库引擎 对数据库进行查询，并将查询结果按照o p e n g i s 规范中规定的形式返回给客户端。 关键词：地理信息系统；开放式；空间数据模型：a r c s d e ：w f s a b s t r a c t t h e g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) h a sb e e nd e v e l o p i n gf o ro v e r4 0 y e a r s ，a n di ti sw i d e l yu s e d t o d a y , t h e g i sb e c o m e sm o r el a r g ea n di tc a r li n t e r o p e r a t e w i t ho t h e rs y s t e m ss ot h a tt op r o c e s sc o m p l i c a t e dt a s k t h ee x p a n s i o no fg i se n a b l e s t h es h a r ea n d e x c h a n g e o f s p a t i a ld a t a ag e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m w i t h o p e n i n t e f a c ew i l lp r o m o t et h ee x c h a n g es p a t i a ld a t ab e t w e e nu s e ra n ds y s t e m ， i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em a j o r p u r p o s e i sr e s e a r c ho f s p a t i a ld a t a e n g i n e a r c s d e ，s p a t i a ld a t ap a t t e r n s ，e x c h a n g eo f d a t a ，i n t e r c h a n g eo f d a t aa n ds h a r e d i n f o r m a t i o ni no p e n s p a t i a ls e r v i c em o d e l b a s e do na r c s d e ，w e w i l lc o n s t r u c t p r o t o t y p eo f w e b f e a t u r es e r v i c e w e bf e a t u r es e r v i c em a i n l yr e s p o n d st ot h er e q u e s to ff u n c t i o nq u e r ya n dd a t a q u e r y f r o mt h ec l i e n tt h r o u g hw e bs e r v i c e i nt h e p r o c e s s i n go f t h ed a t a - q u e r y r e q u e s t ，t h es e r v e rw i l li n q u i r et h ed a t a b a s et h r o u g ht h es p a t i a ld a t a b a s ee n g i n e ，a n d r e t u r nt h er e s u l ts e tt ot h ec l i e n ta c c o r d i n gt ot h er e l e v a n ts p e c i f i c a t i o n so f o p e n g i s k e y w o r d ：t h e g e o g r a p h i c a l i n f o r m a i i o ns y s t e m ；o p e n ；p a t t e r no f s p a t i a ld a t a ； a r c s d e ：w f s i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名c 翅始日期坦! 缢翻心d 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题介绍 本课题属于北京市电子政务试点示范工程g i s 支撑平台研究工作中的 一部分，主要对跨部门、跨平台地理信息资源应用平台中空间数据引擎a r e s d e 、 空间数据模式、交换标准、访问格式及信息共享的开放方式空间数据服务模型进 行研究。 1 2 研究背景 1 2 1 地理信息系统应用发展 i n t e r n e t 为g i s 的发展提供了新的机遇，i n t e r n e t 出现不久，g i s 界已经 开始着手进行以i n t e r n e t 为手段发布和展示地理数据。很快，i n t e r n e t 已成为 g i s 新的操作平台。它改变地理信息数据的获取、传输、发布、共享、应用和可 视化等过程和方式。i n t e r n e t 与g i s 结合成i n t e r n e tg i s 是g i s 软件发展的必 然趋势。 i n t e r n e tg i s 可以简单定义为在w e b 上的g i s ，即在i n t e r n e t 上能够让全 球用户使用全球范围内地理信息数据的地理信息系统。当前i n t e r n e t 正在以惊 人的速度迅速膨胀发展，今天，万维网w w w 所具备的用户环境、用户查询和实时 数据库获取和数据展示功能，为实现通过万维网w w w 根据用户请求交互式制作和 展示地图数据提供了可能。在这样的形势下，如何将g i $ 引入i n t e r n e t 世界， 使g i s 充分利用和发挥互联网的优势，就成为g i s 发展研究的一个重要课题。g i s 技术和i n t e r n e t 技术的融合，正逐渐形成一种新的技术，我们称之为w e b g i s 。 与传统的基于桌面或局域网的g i s 相比，w e b g i s 具有以下的特点： 全球化的应用范围，真正的信息共享。 全球范围内任意一个w w w 节点的i n t e r n e t 用户都可以访问 w e b g i s 服务器提供的各种g i s 服务，而且用户可以同时访问多个 位于不同地方的服务器上的最新数据，而这一特有的优势大大方便 3 北京工业大学工学硕士学位论文 了g i s 的数据管理，使分布式的多数据源的数据管理和合成更易于 实现。 跨平台特性。 在i n t e r n e tg i s 以前，尽管一些厂商为不同的操作系统( 如： w i n d o w s 、u n i x 、m a c i n t o s h ) 分别提供了相应的g i s 软件版本，但 是没有一个g i s 软件真正具有跨平台的特性。而基于i n t e r n e t 的 g i s 可以做到“一次编成，到处运行”，把跨平台的特点发挥得 淋漓尽致。 可以大规模降低系统成本。 普通g i s 在每个客户端都要配备昂贵的专业g i s 软件，而用户 使用的经常只是一些最基本的功能，这实际上造成了极大的浪费。 i n t e r n e tg i s 在客户端通常只需使用w e b 浏览器( 有时还要加一 些插件) 或简易应用程序，其软件成本与全套专业g i s 相比明显要 节省得多。另外，由于客户端的简单性而节省的维护费用也不容忽 视。 更简单的操作。 要广泛推广g i s ，使g i s 系统为广大的普通用户所接受，而不 仅仅局限于少数受过专业培训的专业用户，就要降低对系统操作的 要求。通用的w e b 浏览器和简易应用程序无疑是降低操作复杂度的 最好选择。 巨大的扩展空间。 i n t e r n e t 技术基于的标准是开放的、非专用的，是经过标准化 组织i e t f 和w 3 c 为i n t e r n e t 制定的，这就为w e b g i s 的进一步扩 展提供了极大的发挥空间，使得w e b g i s 很容易与w e b 中的其他信 息服务进行无缝集成，建立功能丰富的具体g i s 应用。 1 2 2 需求的产生 根据北京市“十五”时期首都信息化发展规划，北京市政府已经批准建设北 京市电子政务平台，将全市各种信息进行网上调度和综合利用，为各级领导决策 4 第1 章绪论 提供全面、有力的信息支持。 目前，北京市政府公安、规划、市政、建设、交管等各个部门广泛开展了信 息化建设，程度不同地采用地理信息系统技术，建立各种数据资源，在各个领域 研制了计算机应用系统。作为一种综合决策支持系统，电子政务平台需要利用政 府各部门的最新数据资源，为政府各级领导提供可靠的科学决策支持。在电子政 务平台中，特别需要使用地理信息相关的各种数据资源。因此，有必要建立一个 跨部门的地理信息资源应用平台，以支持地理信息相关数据资源的跨部门共享。 这种基于公用计算的应用平台为北京市各种分布式软件应用系统提供数据资源 和应用资源，也进一步提高了各部门信息资源的应用价值。 北京市大部分部门的地理信息系统的后台空间数据引擎都使用了a r c s d e ， 所以研究和分析a r c s d e 是后续工作的基础，只有清楚了解空间数据引擎 a r c s d e 的系统结构和工作方式，才能构建基于a r c s d e 的开放式w e bf e a t u r e s e r v i c e 。 1 3 国内、外现状 1 3 1 国外现状 w e b g i s 是当今g i s 的热点，已成为各大厂商激烈竞争的焦点。几个重要的 国外g i s 厂商争相发布各自的w e b g i s 产品，如m a p l n f o 公司的m a p l n f o p r o s 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 aw e bm a p 、e s r i 的i n t e r n e tm a p s e r v e r ( i m s ) ，著名的c a d 厂商a u t o d e s k 公司也推出了m a p g u i d e 。最近b e n t v 公司和m a p l n f o 公司又相继推出了m o d e l s e r v e r d i s c o v e r y 和m a p x t r e m e 。现就 几个主要w e b g i s 产品的技术特征进行比较，如表卜1 所示： 北京工业大学工学硕士学位论文 表卜1w e b g i s 产品 t a b l e l 一1w e b g i sp r o d u c t i o n s m a p x t r e m e g e o m e d i ai n t e r n e tm a p w e b g i s 产品 m a p i g u i d e g e o b e a n s j a v ae d i t i o n w e b m a ps e r v e r ( i m s ) 服务器端操w i n d o w sn tw i n d o w sw i n d o w s w i n d o w s w i n d o w sn t 作系统 u n i xn tn tn t 九r n i x n e t s c a p e ， m i c r o s o f t m i c r o s o f ti i s 支持c g i 的 w e b 服务器 a p a c h e ， m i c r o s o f ii i s i i s n e t s c a p e w b bs e r v e r m i c r o s o f ti i s a r c v i e w 或者 o d b c j d b c 应用服务 m a p j 、j d b c o d b c m a p o b j e c t s 应 o d b c m a p s e r v e r 用、o d b c 需要安装 j a v a a p p l e t 客户端运行可下载j a v a 小a c t i v e c g mj a v a a p p l e t m a p g u i d e或者a c t i v e x 模式程序插件a c t i v e x 控件 v i e w e r 插件控件 客户端地理 栅格栅格矢量栅格 矢量栅格矢量 信息格式 从与数据库的动态连接性能看，g e o m e d i aw e bm a p 和m a p g u i d e 比较突出。 在服务器端方面，i m s 、m a p i n f op r e s e r v e r 和m o d e l s e r v e r d i s c o v e r y 有较强 的空间查询功能，因为这几个软件在服务器端都运行着相应的桌面g i s 软件，客 户端可以通过i n t e r n e t 直接向服务器端发送其桌面软件支持的空间查询命令。 在客户端方面，m a p i n f op r e s e r v e r 和i m s 在客户端支持多种平台，而g e o m e d i a w e b m a p 和m a p g u i d e 仅仅支持使用w i n d o w s 系列操作系统的浏览者。如果用于 建立i n t r a n e t 应用，选择传递矢量图形的g e o m e d i aw e bm a 口、 m o d e l s e r v e r d i s c o v e r y 和m a p g u i d e 较好，因为它们所需要的插件和a c t i v e x 控件可以统一分发，预先安装，客户端具有较强的交互性和较快的响应速度。 第1 章绪论 1 3 2 国内现状 国内万维网地理信息系统软件技术及产品也取得了长足的进步。在前：v a n 产g i s 软件测评中，受到表彰的w e b g i s 产品主要有以下几个：武汉奥发科技工 程有限公司开发的a f i n t e r n e tg i s 、国家遥感应用工程技术研究中心网络与运 行工程部独立开发的地网g e o b e a n s 、武汉吉奥信息工程技术有限公司的 g e o s u r f 。其中g e o b e a n s 以其使用简单、维护方便、支持二次开发、丰富的客户 端功能、跨平台、矢栅合成、兼容多种矢量格式数据、完善的空间分析功能、并 发多用户访问、可移植性等良好特性而得到用户的认可。g e o s u r f 由j a v a 开发， 基于矢量格式，具有严格的平台无关性，支持多数据源及分布式数据管理，矢量 数据格式精确、精细，也可进行二次开发，用途广泛，具有较好的应用前景。 1 3 3 存在的问题 现在的w e b g i s 产品虽然利用了万维网w w w 扩展了多种功能，但对于未 来g i s 的发展趋势，还存在很多不足： 客户端： 缺乏丰富的空间信息表现手法以及更加强大的空间分析功能 浏览器作为静态网页的浏览工具难以用来进行表达丰富的空间信息。h t m l 能将文本和静止的图片组织在起，通过j a v a 编写的a p p l e t 小程序可实现文本 和图片的动态和特技效果，但就整体而言，仍限于静态的范围内。因此，w e b g i s 还难以进行一些复杂的空间操作( 如：平滑放大) 。另外，目前大多数w e b o l s 系统只能提供简单的空间信息发布和查询功能而缺少像缓冲区分析、叠置分析、 资源分配空间分析功能。 服务器端： 多源数据的获取和管理 w e b g i s 的主要用途是为地理信息生产部门和i n t e r n e t 用户之间提供纽带 和桥梁。获取和管理多种地理信息数据源是w e b g i s 应具备的重要特征。单数 据源已经不能满足日益增长的信息交互与o p e ng i s 规范的需求，数据集中而非 分布式存放与管理不利于信息的共享与更新。 北京工业大学工学硕士学位论文 统一模型的建立 为了实现社会化地理信息系统的目标，不少g i s 厂家都试图为自己的产品提 供互操作接口，采用的主要方法是为应用软件开发者提供a c t i v e x 、j a v a a p p l e t 等其它组件，并将该组件集成到应用系统中，通过该组件获取地理信息服务和地 理信息数据资源。然而，这些互操作接口仅实现了软件互操作，没有实现统一的 数据模型或统一的通信模型，以及统一的服务模型。为了连接不同平台下的g i s 数据资源，开发者仍然必须学习各自g i s 软件和平台的数据模型和使用方法等。 1 4 主要研究内容 对空间数据引擎a r c s d e 进行系统研究，依照开放式地理信息系统相关规范 建立统一的数据模式、数据交换标准和数据访问接口，统一空间数据以及属性数 据的数据格式与传输方式。同时，构建以a r c s d e 为后台数据源的开放式空间数 据服务模型，并实现上述模型和建立空间要素服务器的原型。 1 5 研究意义 本课题主要是以北京市各部门地理信息系统为基础，建立地理信息数据共享 平台。经过调研统计，北京市大部分地理信息系统均采用空间数据引擎a r c s d e 为后台数据源，所以对a r c s d e 进行全面分析是后续工作的基础。以o p e n g i s 系列规范为准则，建立统一的数据模型、通信模型、服务模型，a r c s d e 为后台 数据源，构建空间要素服务器，实现以a r c s d e 为空间数据引擎的多源数据共享 原型。 本章小结 本章主要介绍了课题产生的背景和需求，同时阐述了当前国内、外与课题相 关技术的研究状况，在此基础上提出了本课题的主要研究内容及其意义。 8 第2 章地理信息系统概述 第2 章地理信息系统概述 2 1 地理信息 地理信息是有关地理实体的性质、特征和运行状态的表征和一切有用的知 识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。地理信息是空 间特征、时间特征和属性特征三者的统一： ( 1 ) 空间特征是指地理实体所具有的几何位置和空间关系两方面的特征。 几何位置特征描述了地理实体所处的位置( 如经纬度、高度或深度) 、形状( 如 点状、线装或面状) 等特征。几何位置特征反映的是地理实体自身的几何特性， 而空间关系特征则反映了若干地理实体之间的特征，通常包括拓扑关系、顺序关 系、度量关系等。最常见的是拓扑关系，它是指地理实体之间邻接、关联、包含 等相互位置关系，在进行空间分析时，拓扑关系具有重要的作用。空间特征是地 理实体最基本的属性，地理信息系统中很多分析过程都是对空间特征的操作。 ( 2 ) 属性特征是指与地理空间实体相联系的、具有地理意义的数据或变量， 用于表达实体本质特征和对实体的语义定义。它的涉及范围很广，如地理实体在 物理、化学、生物、水文、气象方面的特性；在经济、政治、社会等方面的数据 等。通过属性之间的相关关系又反映出地理实体之间一定的分级、分类、关联、 从属等特点，例如植被的分布与山地的分布关系等。属性特征赋予了地理实体更 丰富的语义定义，可以建立更符合实际情况的空间分析模型。 ( 3 ) 时间特征是指地理实体随时间而变化的特性。随时间的推移，地理实 体的空间特征与属性特征都会变化，包括地理实体的产生和消亡。地理实体的种 类非常丰富，有些地理实体如山地、森林等，其空间特征的变化是很缓慢的，几 十年甚至几百年才会有一定的变化，而另一些地理实体如动物、飞行器的空间特 征的变化却是非常快的；即使是空间位置变化缓慢的地理实体，其属性特征却可 能变化得非常快，例如河流，其流经的路线可能变化得极其缓慢，但其流速、水 位却是时刻在变化着的。综合时间与空间的分析处理是非常复杂的，随着空间数 据的积累和数据采集手段的进步，时空分析成为越来越广泛的需求。 j j 耋苫兰銮兰：；兰登圭兰竺兰吝 2 2 地理信息系统的简介 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是以采集、贮存、 管理、分析和描述整个或部分地球表面( 包括大气层在内) 与空间和地理分布有 关的数据的空间信息系统。从范围上讲，地理信息系统可以有涉及全球空间信息， 也可以是仅限于一个城市或地区的，通常的地理信息系统以研究地球表面上的各 种空间实体为主，随着技术的发展，也逐渐出现了专门研究海洋、大气、岩石等 方面的地理信息系统。 地理信息系统最重要的两类功能是空间数据管理与分析。空间数据管理包括 数据采集、检验、编辑、转换、组织、存储、显示、输出等功能：空间数据分析 包括查询与统计、空间几何计算、网络分析、地形地貌分析、数据综合的功能。 数据采集、编辑与检验是将地理信息引入地理信息系统的基本方法。现在数 据采集的手段越来越丰富，包括扫描数字化、全站仪和电子平板、g p s 、遥感等。 对采集的数据要进行编辑和检验，消除其中的错误并调整到合适的精度，从而保 证数据的正确性和一致性。数据编辑包括对空间几何、拓扑关系和属性数据的处 理，除了上述的修正输入数据的错误外，还要修饰图形，如线型、颜色、填充、 注记、符号等，并根据需要进行图幅接边等处理。 空间数据的转换是地理信息系统应具备的重要功能，它能使空间数据转换到 不同的数据结构，在转换过程中，还会涉及到缩放、平移、旋转等处理，通常数 据转换的计算量都很大，并且可能会引起一定的误差，在转换之后还需要进行编 辑工作以纠正可能的错误。最常见的数据转换操作是投影变换，常见的有几十种 的投影方式和上百个投影参数，必须先将不同的空间数据集转换到统一的投影系 之后，才能将不同的地图正确的拼合起来。数据概化则是另一种数据转换功能， 它是在保留地理实体自身特征的前提下，将空间数据进行简化，从而减少数据量 实现地图综合的目的。 空间数据的组织和存储是地理信息系统的核心功能。地理实体的数量一般都 很大，必须根据一定的空间逻辑关系将这些地理实体组织起来，形成图层、专题、 地图和图集，以便于进行浏览和分析。空间数据模型在很大程度上决定了空间数 据的存储方式，目前有基于文件系统、数据库和混合型等几十种形式。作为地理 信息系统的核心模块，空间数据引擎所要解决的就是如何在海量数据的环境下提 第2 章地理信息系统概述 供高效的存取和检索。 显示和打印是地理信息最常见的输出方式，但不同于普通制图系统的是，地 图制印有严格的要求，如图幅、版式、颜色、说明、图例等，还可能配以表格、 影像、文字等构成更复杂的地图。 空间分析是地理信息系统所独具的功能，最简单的空间分析形式包括查询、 统计、位置和方位角计算、长度和面积计算；专题分析是指对空间实体的属性数 据进行分级分类，并与空间位置数据结合进行分析与显示；更复杂的分析功能有 网络分析、数字高程、地形地貌分析等。是否具有很强的空间分析能力是衡量一 个地理信息系统性能的标准之一。 地理信息系统是地理学、地图学、测量学、遥感技术、计算机图形图像技术、 数据库技术等多领域多层次的技术的综合与集成，而在这些技术的基础上，又进 一步形成了地理信息系统独有的特点： ( 1 ) 与电子地图相比较，地理信息系统强调空间数据与属性数据的综合。 它不仅可以直观地表现出空间数据的几何特征，而且能采用文本、图像、音像、 表格等多媒体形式进一步表现地理实体的属性特点；并通过属性与空间数据的结 合创建各种专题；具备空间数据与属性数据之间的双向查询过程。所以，相对电 子地图而言，地理信息系统的表达能力更强，并有更灵活的查询分析能力。 ( 2 ) 与计算机辅助制图系统( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 和地理信息 系统都能够图形元素的构造与空间关系的变换，但c a d 系统更着重于图形元素的 编辑功能，另外，由于地理实体的多样性，地理信息系统通常都是同时操作多个 图层和地图，而c a d 系统一般仅操作单幅图。 ( 3 ) 地理信息系统也是信息系统的一种，但与一般的信息系统最大的不同 之处在于：地理信息系统具备一定的空间数据管理与分析能力，地理信息系统要 管理海量的、非结构化的空间数据，同时还要把空间数据与属性数据关联起来； 而空间分析功能，可以将各种属性数据在空间上的分布特征与变化趋势表达出 来，所以地理信息系统所提供的空间分析功能也是一般信息系统所不具备的。 2 3 地理信息系统发展 世界上第一个地理信息系统加拿大地理信息系统( c g i s ) 出现以来 北京工业大学工学硕士学位论义 地理信息系统已经发展了四十多年。早期的地理信息系统功能和使用都比较简 单，随着计算机图形学和存储技术的发展，g i s 在数据存储、检索和显示方面有 了很大的进步，出现了以a r c 1 n f 0 为代表的g i s 软件，可运行于工作站上， 解决地区性或全球性的空间分析。现在，地理信息系统在军事、交通、气象、环 保、矿业、能源等行业获得了广泛的应用。而互联网络和组件技术的出现，进一 步加快了地理信息系统的发展，w e b g i s 使空间数据可以通过网络跨越不同的平 台实现共享与交换。而组件技术可以实现分布式的空间计算与分析，从而有助于 地理信息系统与其它系统的互操作。 g i s 技术的发展带来了3 s 集成技术的成熟。3 s 是指全球定位系统( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 、遥感( r e m o t es e n s e ，r s ) 和地理信息系统。g p s 是美国第二代卫星导航定位系统，它是以卫星为基础的无线电测试定位导航系 统，可为用户提供不同精度的在线或离线的空间定位数据。与传统的大地测量手 段不同，g p s 测量具有全天候、速度快、精度高、成本低、参考系统稳定等优点， 所以得到了越来越广泛的应用。g p s 可以用于精密的测定控制点的坐标，从而建 立高精度的测量控制网；由于g p s 接收仪可以手持或车载的方式应用，因此能 很方便的对线路进行测量，相比之下，全站仪的测量方式效率就低得多。遥感技 术的特点是能够实时或准实时的提供目标及其环境的语义或非语义的信息。例如 当前普遍应用的卫星对地观测，它的覆盖广泛的区域，而同一个地区每天至少被 覆盖一次，图像分辨率可高大1 米，因此可以实时的获取环境、资源、交通、海 洋等地物地貌分布和地表覆盖变化。在3 s 集成的环境下，g p s 和r s 提供了自 动采集和更新空间数据，而作为核心系统的g i s 则应能够高速的进行时空数据综 合分析与采集，揭示数据的变化特征并发现相关的知识，从而起到辅助决策的作 用。目前，3 s 集成技术已广泛应用于环境保护、资源规划、交通管理等多种领 域。 3 s 集成使用户可以方便的采集、处理和分析空间数据，而互联网络的发展， 则使空间数据可以在更广泛的范围内实现共享与交换。i n t e m e t 是国际性的计算 机广域网，由许多不同的网络通过统一的t c p i p 协议进行通讯，这是一个完全 自由的、开放的网络通讯环境，能够连接不同平台的各种系统，实现数据的共享。 基于互联网络的国家空间数据基础设施能进一步把不同的地理信息系统连接起 第2 章地理信息系统概述 来，在更大范围内实现分布式的数据采集、存储、分析和交换。 2 4 地理信息系统的标准化 随着网络技术的发展和地理信息系统日益广泛的应用，地理信息系统的标准 化也越来越得到世界的重视。地理信息系统的标准化，带来的是地理信息和数据 服务的规范化和公开化，不仅使地理信息能在更广阔的范围内得到应用，而且能 使之与其它信息处理结合起来，拓展地理信息系统的应用领域和应用方式，从而 更好的体现地理信息系统的经济价值和社会效益。 地理信息标准化对地理信息系统的设计、实现、应用有着重大的意义，目前 各种地理信息系统标准，如i s o t c 2 1 1 、o g c 等，都对g i s 体系结构、数据模 型、数据交换、信息编码、元数据、空间参考系、空间对象等各方面做出了详细 的规定，这将有助于地理信息系统的标准化实现。 在国际上，美国联邦地理数据委员会( f e d e r a lg e o g r a p h i cd a t ac o m m i t t e e ， f g d c ) 是比较早开展地理信息标准化工作的，它已经在地理信息基础地图、数 据交换、元数据、测量、地质、生物、设施等诸多方面制定了相应的标准。开放 地理信息系统协会( o p e n g i sc o n s o r t i u m ，o g c ) 则是致力于地理信息互操作性 标准和规范的标准化组织。我国在地理信息系统标准化的起步比较晚，1 9 8 3 年， 我国制定了第一部地理信息系统的标准化文件资源与环境信息系统国家规范研 究报告。制定我国地理信息系统的国家标准已成为“十五”期间地理信息行业 一项重要的工作。 地理信息系统的标准化的直接作用是保障地理信息系统技术及其应用的规 范化发展，指导地理信息系统相关的实践活动，拓展地理信息系统的应用领域， 从而实现地理信息系统的社会与经济价值。地理信息系统的标准化体系是地理信 息系统技术走向实用化和社会化的保证，对于促进地理信息共享、实现社会信息 化具有巨大的推动作用。 2 5w e b g is 互联网络( i n t e m e t ) 是基于t c p i p 协议的，连接全球无数计算机节点的广 域网络，t c p i p 协议实现了计算机之间的信息交换，实现了跨越操作系统平台 北京工业大学工学硕士学位论文 的应用。互联网络为数字地球技术系统提供了高速、可靠、跨平台的数据传输环 境，通过遥感遥测系统获取的空间信息数据可以通过互联网络传送到分布在不同 地域的数据处理和存储系统。而在世界各地的用户则可以通过万维网w w w 直 接在浏览器里查询各种地理信息。随着数字地球技术的发展，互联网络对地理信 息系统的重要性也越来越大。w e b g i s 就是互联网络与地理信息系统的结合的新 型技术，同时也是数字地球的重要应用技术。基于互联网络的地理信息系统的特 点是： ( 1 ) 它是采用网络技术，基于客户端朋务器构架的软件，客户端不需要特 殊的地理信息系统软件，只需要通用的w e b 浏览器即可，这大大减轻了客户的 维护工作，降低了软件分发和升级的成本。 ( 2 ) 实现了分布式的数据存储和数据服务，每个节点只需要提供特定的地 理信息服务即可，用户通过网络就可以访问到所有的节点，从而等到完整的地理 信息和服务。 ( 3 ) 基于t c p i p 协议，是地理信息服务具有很大的跨平台性，客户端无论 是w i n d o w s 、u n i x 还是m a c 系统，都可以使用符合t c p i p 标准的应用软件访 问地理信息系统。 基于互联网的地理信息系统( w 曲g i s ) 将地理信息数据以w e b 形式发布到 网络上，用户使用普通的浏览器就可以直接查看地图、查询数据、而不必使用任 何定制的g i s 软件。早期的w e b g i s 采用的是静态超链接模式，利用h t m l 的 图像链接功能，将地图的区块指向图片、文字、表格等数据，这种模式非常简单， 但无法提供复杂的查询分析等功能。较复杂的w e b g i s 系统都采用基于多层结构 的动态w e b g i s 模式。 在空间数据引擎的支持下，可以建立大型的w e b g i s 的应用。空间数据引擎 具有高效的空间数据处理能力和跨平台的数据存储能力，可以将海量的空间数据 组织起来，成为统一的空间数据库；而w e b g i s 就可直接调用空间数据引擎的数 据处理功能，添加地图显示和用户交互功能，就实现了在网络上发布空间数据的 目标。空间数据引擎提取了各种地理信息应用系统的核心处理功能，不仅使建立 应用系统的代价大大降低，而且为应用系统提供了强有力的数据处理功能。 14 第2 章地理信息系统概述 本章小结 本章主要介绍了地理信息系统的基本概念，阐述了地理信息系统的发展趋 势，同时说明地理信息系统今后发展所需的必要条件：标准化。 j j 耋苫兰銮兰：；兰登圭兰竺兰吝 第3 章开放式地理信息系统的研究 3 1 地理信息的互操作 地理信息系统技术和应用的发展普及，使地理信息有可能在全球的范围内实 现共享。地理信息共享包括很多的方面，如数据交换、查询服务等；地理信息互 操作就是实现地理信息共享的技术性和社会性手段。 很多专家都提出了地理信息互操作的层次结构，如将地理信息系统互操作分 为八层次：网络、分布计算环境、数据存储、中间件、工具、应用、企业和信息 群( b u e t h l e r , 1 9 9 6 ) ：也有将地理信息系统互操作分为六了层次的；网络协议、 文件系统、远程过程调用、查询和获取数据、地理信息系统以及信息群( y a b i s h r ， 1 9 9 7 ) 。归纳起来，地理信息系统的互操作性包含三个层次的内容： ( 1 ) 实现数据集之间相互透明的访问，使系统能彼此方便的交换数据，这 个层次是数据的互操作性； ( 2 ) 实现软件之间的数据处理功能的相互调用，能够使不同的系统方便的 处理对方的数据，这个层次是软件的互操作性； ( 3 ) 实现信息共享，使用户能够方便的查到他们所需要的信息，这个层次 是语义的互操作性。 第1 层和第2 层在技术实现上已经有大量的标准、协议、规程可以利用；第 3 层强调的是语义共享，属于应用层的信息共享，涉及到用户和用户间的互操作， 所以在这个层次的信息共享常常还涉及到法律、政策、经济、规范和标准等因素。 概括的说，地理信息系统互操作是指不同的应用之间能动态的相互利用，并且不 同数据集之间有一个稳定的接口。 在o p e n g i s 规范中，将互操作性定义成：系统或系统的组件的可扩展性， 以及互相应用和协作处理的能力。 3 20 p o n g i s 根据o p e ng i sc o n s o r t i u m ( o g c ) 定义，o p e n g i s 是指“开放的地理数据 互操作规范的最高层规范”。o p e n g i s 就是使不同的空间数据处理系统实现数据 第3 苹开放式地理信息系统的研究 互操作、在异构分布数据库中实现信息共享的途径。技术的发展使空间数据的采 集、处理与存储技术的日益全面化和系统化，以往是地理信息系统的一个模块承 担的功能，现在可以成为一个高度集成的软件系统。网络化环境和分布式计算与 对象服务实现了各种系统之间的数据与操作的交换。多种系统的协同工作，促进 了地理信息的分布式处理。地理信息标准与接口规范可以降低数据交换与操作的 代价，推动地理信息的共享。利用开放接口的各种专业空间信息处理系统构成地 理信息应用平台，不仅能充分发挥各种系统的功能和性能优势，而且能降低整个 系统的建设成本。 o o c 是由美国多个企业、大学、政府部门组成的，致力互操作的、商业化 的地理信息系统的非盈利组织。o p e n g i s 的特点是： ( 1 ) 互操作性：不同的信息系统之间连接和交换没有障碍； ( 2 ) 开放性：接口规范公开，其它系统可方便的进行调用： ( 3 ) 可移植性：平台无关性，跨越多种硬件、操作系统、软件环境； ( 4 ) 兼容性：兼容其它广泛应用的工业标准。 o p e n g i s 框架包括三部分：开放的地理数据模型、开放服务模型和信息群模 型。开放的地理数据模型( o p e ng e o d a t a m o d e l ) 包括对空间实体、图层、空间 参考系统和元数据的定义：开放服务模型( o p e n s e r v i c e sm o d e l ) 定义了地理数 据服务的对象模型，由一组相互可操作的软件组件集构成，提供了空间对象的管 理、获取、操作、交换等服务；信息群模型( i n f o r m a t i o nc o m m u n i t i e sm o d e l ) 是为了实现信息共享，实现数据转换和语义转换的机制。 o p e n g i s 将现实世界中所有地理元素抽象为实体和现象，其中实体是指可识 别的、离散的对象，并且具有已确定的边界和空间范围；现象是指连续的空间， 它没有明确的范围和边界，如温度、日照等。o p e n g i s 中基本对象被命名为要素 ( f e a t u r e ) ，具有空间、时间和属性特征，多个特征可复合构成集合( f e a t u r e c o l l e c t i o n ) 。所有的要素都配置在一定的时空参考系统中，o p e n g i s 提供了时空 参考系统的定义、属性、精度控制等方法。 o p e n g i s s e r v i c e sm o d e l 中主要包括：实体( f e a t u r e ) 的建立过程、获取地 理数据的方法、时空参考系统获取和转换、语义转换。 信息群模型主要任务是解决具有统一的o g m 及语义描述的一个信息部门内 l7 北京l i e 业大学工学硕士学位论文 部以及具有不同o g m 及语义描述的信息部门间的数据共享问题。可以利用多种 技术手段来实现语义转换，从而实现不同用户之间语义的互操作性。t r a d e r 是一 种提供语义转换的公共服务系统，例如w 、w 站点或邱站点，通过它们把部门 的信息向外界公布。目录和索引也是一种语义转换的服务，通过目录可以查找到 实体所存放的位置，从而获取实体的数据、内容、描述等信息。 为了解决w e b g i s 之间的互操作问题，o g c 于1 9 9 8 年倡导了“网络地图试 验环境”( w e bm a p p i n gt e s t b e d ，简称w m t ) 来推动具有互操作性和可移植 性的万维网制图技术的发展。“在网络这样一个单一的运作环境和单一的工作流 程下，o p e n g i s 的目标是实现这样的一种技术，它使得一个应用系统开发者能够 从网上透明地获取任何地理数据和任何地理数据处理功能或方法，而不管它的数 据格式和数据模型。应用于g i s 领域，侧重于改变当前g i s 模型中特定的应用 系统及其功能与它内部数据模型及数据格式紧密捆绑的现状。”o p e n g i s 不仅有 助于g i s 系统个体间的信息交换，而且能够与其他系统如统计分析、影像处理、 文档管理交换信息。它得到了众多g i s 和w e b g i s 研究、开发机构以及厂商的支 持。 o p e n g i s 体系允许开发商和用户去区分、评估、利用地理资源，这些地理资 源包括空间数据集、地理数据处理工具、不受不同数据组织和异构环境限制的模 型和操作。这将使传统g i s 不包含的领域( 如环境和处理模型) 能与地理数据及地 理数据处理服务互操作，并将有助于g i s 用户获取更广泛的模型功能。 o p e ng i s 是通过o g c 制定的一系列开放式地理空间数据互操作规范来实现 的。它提供了地理数据和地理操作的交互性和开放性的软件开发规范。为软件开 发者提供了一个框架，使他们能够开发一些让他们的用户方便地访问和处理各种 来源的地理数据的软件。与传统的g i s 相比，o p e n g i s 建立起通用的技术基础 以进行开放式的地理信息处理。w 曲g i s 遵循o g c 的规范，是w e b g i s 发展的 一个趋势。 3 3 元数据 在地理信息互操作的范畴里，语义交换是最高层次的共享形式，同样的空间 数据，在不同的用户会被理解成不同的含义。如一段道路，交通部门关心其走向、 第3 章开放式地理信息系统的研究 坡度、等级、流量等信息，而建设部门关心其路基、路面、护栏等信息。因而， 地理信息在不同的用户之间转换，应当根据一定的规则、标准、法律或政策进行 语义交换。在技术层次上，地理信息系统通常都配置元数据( m e t a d a t a ) ，作为 语义转换和数据交换的辅助。 元数据是说明地理信息的数据内容、质量、状况和其它有关特征的背景信息。 它类似于图书馆卡、出版图书的版权说明，便于数据制作者与用户之间的交流， 用户通过查阅元数据就可以知道该数据集是否满足他的需求。元数据具有以下几 个特点：用于描述信息资源的高度结构化数据；可以管理和组织信息；可以挖掘 信息资源；可以帮助人们准确的查询所需要的信息，并在从不同的资料或组织获 取数据时；可以通过对相同的元数据元素进行比较和对比，获取自己所需要的信 息内容。 在许多元数据标准中，都队员数据进行了分级，一级元数据包括一些重要的、 关键性的数据；而二级元数据则加入了很多补充性的内容，以提高元数据的完整 性。这样级元数据的数量少，可以通过网络分发到其它站点，以供用