（计算机应用技术专业论文）基于gml的空间数据共享与服务平台的初步研究与实现.pdf

摘要 为满足以高密度、高安全性为特征的铁路运输业务日益增长的需 要，铁路地理信息系统的应用也由过去按部门纵向发展朝着横向整合 及一体化方向发展。在此过程中，由于各个子系统分别由不同的部门 建设实施和运作管理，它们之间相对孤立，不便于信息的共享与综合 利用，因此迫切需要一种能够对各子系统进行整合与集成的平台。本 文采用基于x m l g m l 的数据共享模型与面向服务的体系结构，提出了 空间数据共享与服务平台，为解决这些问题做出了新的尝试。 数据共享模型是数据服务的基础，它用来屏蔽各种异构数据的差 异，以一种统一的方式表达地理数据，实现数据融合。本文采用x m l 技术，并且遵循o p e n g i s 提出的g m l 规范，从中派生出适合铁路专业 应用的特殊元素，同时摈弃了对于本系统来说相对冗余的内容，提出 了一种新的描述数据的开放格式r g 儿，作为数据融合的标准，在 此基础之上，各种地理数据异构的子系统之间就可以方便地进行信息 交换。 为了实现共享数据，除了需要解决数据的融合问题，还需要解决 异构数据同步问题，以及各种数据到标准数据的转换问题，本文采用 元数据理论来解决数据同步问题，采用面向服务的方法解决数据转换 问题。这得益于面向服务体系结构( s o a ) ，本文在设计过程中，将 s o a 思想贯彻到每一个角落中去，从而为数据共享模型的建立铺平了 道路。 关键宇：r g i s 空间数据共享与服务平台( r s d s s p ) ；铁路地理信 息系统( r g i s ) ；面向服务架构( s o a ) ；r g m l ；) ( m l ；s v g ：x m ls c h e m a ； 元数据； a b s t r a c t t om e e tt h en e e d so ft h ei n c r e a s e i nt h erall w a y t r a n s p o r t a t i o no p e r a t i o nc h a r a c t e r i z e dw i t hh i g hs e c u r i t ya n d i n t e n s i t y ，t h ea p p l i c a t i o n ss y s t e mo fr g i sd e v e l o p e df r o m s i n g l e t oi n t e g r a t i o n d u r i n gt h i s p r o c e s s ， b e c a u s eo f s u b s y s t e m sm a n a g e m e n t a n dc o n s t r u c t i o ni m d l e m e n t e db y d i f f e r e n td e p a r t m e n t ，t h ei n f o r m a t i o nc a nn o tb ec o m m u n i c a t e d w i t h e a c ho t h e rc o n v e n i e n t l y t h et h e s i sp u t sf o r w a r dak i n d o fd a t as h a r i n gm o d e lb a s e do nx m l g m l a n du s e st h es e r v ic e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e w h i c hh e l p st oe s t a b l i s ht h es p a c ed a t a s h a r i n ga n ds e r v i c ep l a t f o r m ，t ot r yt os o l v et h ed i f f i c u t p r o b l e m s t h ed a t as h a r i n gm o d e lp r o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o r t h e p l a t f o r ma n ds h i e l d st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ei n c o n s i s t e n t d a t as o u r c e st op r e s e n tt h eg i sd a t ai nu n i f o r mm e t h o d ，u s i n g t h e 瑚lt e c h n o l o g yt h es y s t e mi sa l s oc o m p l i e dw i t ht h eg m l s p e c i f i c a t i o nd r e wb yo p e n g i sa n db r i n gf o r w a r dt h en ewo p e n d a t ad e s c r i p t i o nf o r m a t r g m lw h i c hd e r i v e df r o mg m la n dh a d m u c hm o r ed r i v a t ec o n t e n tt oa d a p tt ot h er a i l w a yp r o f e s s i o n a a p p l i c a t io n s b a s e do nt h er g m l ，t h eo t h e rs y s t e m sc ans h a r e a n de x c h a n g et h ei n f o r m a t i o nc o n v e n i e n t l yb e t w e e ne a c ho t h e r t oe s t a b l i s ht h ed a t as h a r i n gm o d e l ，a n o t h e rt w op r o b l e m s h a v et ob es o l v e d ：t h ed a t as y n c h r o n i z a t i o na n d t h ed a t a t r a n s f o r m a t i o nw h i c ha r es e t t l e db yt h et e c h n o o g yo ft h em e t a d a t at h e o r ya n dt h es e r v i c eo r i e n t e da r c h i t e c t u r e ( s o a ) t h es o a w a sb r o u g h tf o r w a r da sah o tp o i n ti nr e c e n ty e a r s i tisak in d o fa r c h i t e c t u r e w h i c hi s a c c o m p l i s h e d i n t h es y s t e m a m a l g a m a t i o n d u r i n gt h ed e s i g n ，t h es o ai d e ai sp u ti n t o p r a c t i c ee v e r y w h e r ea n dt h e nt h ed a t as h a r i n gc a nb er e a l i z e d n a t u r a l l y k e yw o r d s ：r g i ss p a t i a ld a t as h a r i n ga n ds e r v i c ep l a t f o r m ( r s d s s p ) ：r a i lg e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ( r g i s ) ；s e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e ( s o a ) ：r g m l ：x m l ；s v g ：) ( m ls c h e m a ；m e t a d a t a 独戗性声明 本人声明，所呈交的学位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。尽本人所知，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 京交通大学或其他教学机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：盈 日期：丝年三月旦日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京交通大学有关保留、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。论 文中所有创新和成果归北京交通大学计算机与信息技 术学院所有。未经许可，任何单位和个人不得拷贝。版 权所有，违者必究。 本人签名：j 丑墅坠 日期：上堑年三月旦日 1 综述 1 1 铁路地理信息系统的现状【1 2 - 4 0 】 铁路地理信息系统r g i s ( r a i l w a yg e o g r a p h yi n f o r m a t i o n s y s t e m ) 是信息化技术应用于铁路运输生产活动的重要成果之一，它 既是铁路运输生产的迫切需求，又是实现铁路现代化、提升铁路信息 化和提高与其他运输方式的竞争能力的必要条件。经过几年的发展， 铁路地理信息系统成为一个包含各种功能的应用系统所组成的复杂 系统。 随着近年来我国铁路信息化建设的开展及深入，在铁路列车管理 系统、货运站管理系统、集装箱管理信息系统、货运营销计划管理系 统、铁路运输统计信息系统、列车跟踪等方面取得了成就，尤其是 d m i s 、t m i s 等大型管理信息系统地开发建设大大提高了铁路运输管 理的现代化程度。这些管理信息系统都在不同程度上引入了g i s 的概 念，用直观的地理图形方式来管理、显示和分析与地理空间相关的各 种数据，并建立了各自的g i s 子系统。比较成功的如工务部门p w m i s 在工务线路综合图的自动生成和工务大桥略图的自动生成，目前已在 乌鲁木齐、北京、济南和南昌铁路局得到推广应用。 r g i s 以先进的计算机和网络通信技术为基础，目标是建设成为高 质量、高效率、可视化、全路统一的综合软件平台。将各业务信息系 统集成在统一平台上互通互连，通过地图与铁路信息相结合，最大限 度地实现信息资源共享，为指挥运输生产提供大量直观的参考依据和 辅助决策支持，为铁路企业生产经营及广大用户提供信息支持，提高 北京交通大学硕士学位论文 铁路信息化水平，推进铁路的改革与发展。近年来，铁路行业的部分 路局与部门也已着手建立一些专项g i s 应用系统并初见成效。我国铁 路部门已经积累了大量基础的数据，通信网络的发展也已经具备了相 当的规模，遥感与g i s 技术已经在各级职能部门得到深入认识并开展 应用，建设铁路地理信息系统的时机已趋成熟。 1 2 问题的提出 经过数年来的发展，铁路地理信息系统建设取得了一定的成绩， 在不同程度上提高了工作效率和劳动生产力。但在信息化过程中，各 个子系统分别由不同的部门建设实施和运作管理，缺乏全路范围内的 统一规划，这就决定了它们之间相对孤立，不便于信息的共享、直观 表达与综合利用，给全路范围的信息共享造成了障碍，目前看来，这 种弊端也越来越明显【2 1 。 宏观上，虽然国内各铁路局已经建成多个局部铁路地理信息系 统，基本取得了预期的效果，但目前应用的一些g i s 系统多局限于某 一专业领域，如设备管理、工务管理等，这些部门领域在实现本身需 求时，没有过多的考虑与其它部门的数据和信息的协调交流，各部门 独自开发一套系统，一个部门的信息系统难以访问另一个部门的信息 系统，不能实现信息共享。 微观上，各部门的系统采用不同的平台和设计方案，各个信息系 统的数据存放在异构、异域的数据库当中，这给以后统一、高效的管 理造成了严重的障碍。 为解决上述问题，本文提出了r g i s 空间数据共享与服务平台 ( r g i ss p a t i a ld a t as h a r i n ga n ds e r v i c ep l a t f o r m 以下统称为 综述 r s d s s p ) 。在铁路地理信息应用系统中，它介于分布式异构数据与应 用软件之间，为各种g i s 应用软件搭建起标准的数据服务平台。事实 上，g i s 本身就是一种以地理空间信息为核心的数据融合平台，它以 空间坐标定位目标对象，与目标对象相关的信息以属性数据的形式存 在，这使得各种不同类型的数据能够以空间数据为纽带相结合。所以 r s d s s p 不仅可以用来实现各个g i s 系统之间无缝的数据交换，还能够 实现g i s 系统与其他应用系统之间的数据交换，从而灵活定制和扩展 铁路信息系统的各种服务，提高整个铁路的运行效率。 1 3 论文的主要研究工作 为了解决铁路地理信息系统数据共享不畅的问题，本文对现存系 统的特点进行仔细研究分析，同时借鉴历史上解决此类问题的方法， 把握g i s 技术发展的最新方向，为解决此问题做出了新的尝试。这主 要集中在如下几个方面： 1 ) 采用x m l 技术，提出一种开放的g i s 数据融合框架。该框架 具有强大的数据描述能力，并且在g i s 数据编码上具有很大的灵活性。 在此基础之上，可以透明的访问其他异构的空间数据源，合并或者协 同处理数据。 2 ) 在数据融合框架之上，进一步提供数据分析、服务的功能。 r s d s s p 采用面向服务的体系结构，这种体系结构渗透到系统设计的每 一个层面当中。 3 ) 开发出原型系统，该原型系统采用了上述设计思想，在基本 功能上予以实现。 北京交通大学硕士学位论文 1 4 论文的组织 本文由如下几章组成： 第一章“综述”，这一章总结铁路地理信息系统的发展现状，分 析了当前迫切需要解决的问题，最后简要介绍了为解决这些问题所采 用的方法。 第二章“空间数据共享与服务平台的框架概述”，这一章介绍了 r s d s s p 的设计原则与体系结构，从宏观上指出系统设计需要遵循的方 方面面。 第三章“基于g m l 技术的数据共享模型”，这一章为r s d s s p 系 统奠定了基础，所有的功能都是建立在该数据共享模型之上。该章回 顾了地理信息数据共享技术的发展历史，借鉴了相关的国际标准与规 范，提出适合铁路应用的开放g i s 数据共享模型。它的核心采用了x m l ， g m l ，x m ls c h e m a 及面向对象开发语言等技术，定义并实现了一种r g i s 数据中间格式r g m l ，并且对此数据进行有效的组织、分析、操作。 第四章“基于s o a 架构的空间数据服务模型”，这一章采用面向 服务的体系结构建立r s d s s p 。面向服务不仅应用在整个系统的架构 上，而且在数据共享层也体现了这种设计思想。 第五章“空间数据共享与服务平台原型系统实现”，这一章实现 了一个简单的原型系统，以验证在第三、第四章提出的理论。 第六章“总结与迸一步的研究工作”，总结了全文，并且说明了 进一步工作的方向。 4 空间数据共享与服务平台框架概述 2 空间数据共享与服务平台框架概述 2 1 系统设计原则 2 1 1 开放性 开放性包括两个方面。第一，开放的空间信息，r s d s s p 要让信息 提供者能够有效地在铁路地理信息应用子系统上发布新的空间信息。 只要满足一定的规范与规则，这新的信息就可以被共享。第二，r s d s s p 必须考虑未来功能的扩充，以便满足发展的需要。功能以服务的形式 提供，所以还需要一种机制，使得服务提供者能够方便快捷地在 r s d s s p 上发布新的服务。 2 1 2 实用性 实用性是构建r s d s s p 的基本原则，使得r s d s s p 作为铁路地理信 息系统的基础，实现各个子系统之间的互连互通、协调运行。目前不 去考虑太多不必要的功能，而将注意力集中在最需要解决的问题上。 除去基本的目标之外( 共享、服务) ，主要对安全性、可靠性问题给 予充分的考虑，避免数据丢失和超范围使用。同时技术手段应选用目 前国内外比较成熟技术，以降低开发的风险，避免系统过早被淘汰。 北京交通大学硕士学位论文 2 1 3 规范性 为了保证系统的开放性与扩展性，必然要采用规范性的技术。规 范性是构建r s d s s p 的基础，在r s d s s p 设计的不同层面上，都有相应 的国际、国内规范可供参考，要尽量遵守这些规范。比如为了保证空 间信息互操作，空间实体之间可以采用相应的标准协议和一定的交换 格式传递信息并理解信息。比如o g c 提出的o p e n g i s 规范【3 l ，微软 提出的n e t 框架1 4 l ，或j 2 e e 5 1 等。 2 1 4 独立性 r s d s s p 的设计不依赖于目前存在的应用系统。这表现在不需要改 动，或者说不过多的改动已有的系统，而是采用某种方法将它们集成 在一起，这得益于基于面向服务的体系结构以及x m l 技术的全面应 用。论文的后面将会论述这一思想是怎样应用到r s d s s p 的开发设计 中去的。 2 1 5 灵活性 r s d s s p 的各个功能模块的接口的实现应该灵活，通过抽象接口与 实现之间的关系，把具体实现隐蔽起来。只要说明各个服务模块的接 口，而不管他们具体采用什么方法实现。各个服务模块相对独立，通 过服务之间的协作获取并处理信息，最终解决应用问题。这样，不但 可以提高系统的整体稳定性，还有利于系统的扩展与升级。只要满足 服务的接口规范，用户和软件开发者都可以为空间信息共享贡献力 量。 空间数据共享与服务平台框架概述 2 2 数据共享与服务平台的体系结构 在系统的构建过程中，共享与服务是两个不可分割的方面。共享 是服务的基础，服务是实现共享的手段。在数据共享的实现过程中， 面向服务的方法也无处不在。而在共享的基础之上，又构建了功能更 为强大的服务提供给用户使用。 2 2 1 体系结构图 系统的体系结构如图2 - 1 所示 图2 - 1 系统整体结构图 从图可以看出，r s d s s p 由不同层次的资源组成：数据是基础，而 北京交通大学硕士学位论文 服务作为粘合剂存在于每个层次中问，这充分体现了各个数据应用之 间的分离，它们之间并没有直接的互操作，数据业务的应用程序是通 过“服务”来协作完成，这有利于增加新的信息和服务，有利于增加 信息获取途径等。同时在系统地实现过程中，还需要符合应用技术与 数据的标准。 2 2 2 应用层 应用层并不是r s d s s p 的重要组成部分，更确切地说，它应该位于 r s d s s p 的上部。这里将r s d s s p 应用层分为综合业务应用与基础应用 层，是因为在r s d s s p 中也提供一些基本的g i s 功能，比如地图展示、 缩放、平移等。而综合业务应用层实现面向铁路特定应用，在此基础 上可快速、灵活开发出铁路g i s 综合应用系统。该层次不是目前r s d s s p 实施的重点。 2 2 3 技术与数据标准层 技术与数据标准是在整个开发过程中都必须要考虑的问题。标准 是r g i s 建设的基础，它提供了一个可以进行精确、始终如一的获取、 配准和集成铁路空间数据、各类属性数据的基础。因此首先需要研究 和定义铁路空间数据的标准。其次在软件工程，服务实现等方面都要 采用标准。 2 2 4 数据共享层 数据共享解决如何融合原始异构空间数据，并且在数据融合的基 空间数据共享与服务平台框架概述 础之上提供共享服务。共享需要解决数据的可达性、互操作性等问题。 为此本文提出了一种r g i s 数据中间格式r g m l ，它具有描述地 _ o 、- _ _ 。一 理空间数据的能力，如地图( m a p ) 、图层( 1 a y e r ) 和空间特征( f e a t u r e ) 等信息。 当信息提供者把自己的信息共享出来时，不但要提供信息还要提 供信息的元数据。空间信息的元数据简称为“空间元数据”，用户可 以在它的帮助下了解并使用被它描述的空间信息。空间元数据用于帮 助用户理解并使用空间信息，它可以涉及空间信息的各个方面。 2 2 5 服务层 前边提到过，服务存在于不同的层次上与粒度中，它分为四个层 次，分别是专业层服务，分布式异构数据共享层服务，组件对象层。 还有一类特殊的服务导航服务，它负责访问元数据库，利用元数 据帮助用户查找所需的资源，或者从元数据库中提取信息帮助用户使 用资源。由于资源分为服务和信息两类，也可以将导航服务分成两类： 信息导航服务与服务导航服务，前者查找并获取空间信息产品的元数 据；后者查找并获取本领域原予服务的元数据。另外，需要定义服务 的接口，服务描述语言以及服务之间的通信。 北京交通大学硕士学位论文 3 基于g m l 的空间数据共享技术 在不同的历史阶段，由于受计算机软硬技术发展水平所限，实现 数据共享的方法也各不相同。空间数据共享的方法、手段是随着软硬 件技术的发展而发展的。不同的历史时期，软件系统有不同的集成方 式和计算模式，这自然会直接影响到数据共享的实现方式。本章总结 了历史上各个发展阶段所采用的技术，分析它们的优点与不足之处， 同时结合当前最新技术的发展趋势，提出新的数据共享解决方案来满 足铁路地理信息系统的需要。 3 1 地理信息数据共享要解决的问题 地理信息数据共享主要解决以下两个问题 3 1 1 数据可达性 数据可达性指的是用户能够方便的访问到所需要的数据。由于空 间信息通常具有比较复杂的结构，不同g i s 产品采用不同的数据模型 来描述空间信息，因此用户只能用特定的g i s 产品访问特定的空间信 息资源。另一方面，以往大量( 3 i s 应用都是针对单机或局域网开发的， 而目前不少g i s 应用也会出于安全考虑而只建设在局域网或企业网 中，这样就出现了大量不可在i n t e m e t 上被直接访问的的空间信息孤 岛。 为了解决这些问题，系统首先要让用户发现这些数据，然后才谈 得上去访问它们。因此，要求系统能够提供描述系统资源的“目录” 基于g m l 的空间数据共享技术 给用户，通过这个“目录”，用户就能找到他们需要的数据。 找到数据源之后，很自然地，要对数据进行访问，因此，需要解 决的第二问题就是用户通过怎样的中介软件访问这些数据，因为这数 据只能用特定的g i s 产品来访问。 最后一个问题，用户又以怎样的形式得到数据。因为用户也具有 多样性，那么如何使数据满足多个用户的需求呢? 目前，有很多组织机构都在致力于这方面的工作。主要有两种策 略，标准化组织侧重于设计w e b 上空间信息服务的统一接口规范，如 0 g o “，而专业6 i s 厂商侧重于提供w e b 服务的实现w e b g i s ，如 e s r i 的i n t e r n e tm a ds e r v e r ( i m s ) f ”，m a p l n f o 公司的m a p x t r e m e i8 1 ， 国内s u p e r m a p 超图公司的i s 【9 】等。 3 1 2 互操作性 由于历史的原因，g i s 产品经常具有空间信息提供者与空间信息 处理者体化的现象，而不同的g i s 产品的边界导致了用户难以理解 和使用不同空间信息资源的局面。随着空间信息在分布式应用系统 ( 尤其是i n t e r n e t 应用) 中的广泛使用，用户不愿意受到过多的局 限，这就需要打破这种割据局面，实现空间信息互操作。 空间信息异构问题可以从语法和语义两个不同的层次研究： 语法上的差异：不同的空间信息资源可以采用不同存储格式，而 同一类存储格式也可能有版本的差异。 语义上的差异：不同的空间信息资源可以采用不同的概念体系表 示，而同一个概念体系中的概念也可能有同型异义或同义异型的现 象。 北京交通大学硕士学位论文 解决语法异构问题主流的方法是语法翻译，即编制一个转换程序， 把采用某种存储格式的空间信息转存为另一种存储格式，再交给可以 理解该格式的g i s 产品使用。x m l 的出现，一方面可以缩小语法的差 异，另一方面也在信息中增加了语义内容，使得消除语义差异成为可 能。 空间信息服务软件互操作的问题则可以参考网络分层模型中服务 定义【1 刚来考虑： 一软件提供怎样的服务能力 软件提供怎样的服务接口 软件之间采用怎样的协议通信并协作。 空间信息处理软件的互操作需要使用机器可理解信息，本文提出 的利用x m l 和s c h e m a 在信息中增加语义部分是解决这个问题的一个 很好尝试。 3 2g i s 数据共享的方式 在地理信息系统数据共享技术的发展过程中，主要有两大类共享 方式，分别是数据格式转换与互操作方式，其中数据格式转换方式出 现的比较早，本身又可以分为中间数据格式转换方法、标准空间数据 交换格式转换方法与数据直接访问方法三类，而数据互操作方式则是 一种全新的解决方案。 基于g m l 的空间数据共享技术 3 2 1 数据格式转换方式 a 中间数据格式转换 在g i s 发展的初期，2 0 世纪7 0 年代和8 0 年代，主要的地理信息 系统主要运行在单机环境下。最初想到的方法是在不同g i s 系统之间 采用明码格式来实现共享空间数据。如a r c i n f o 的e 0 0 格式1 7j ，m a p i n f o 的m i f 格式【8 】。明码格式实质上起到了一个数据桥梁的作用，通过这 个桥梁可以实现软件之间的数据转换。可以看到，在单机环境下用数 据转换的方法实现数据共享有着明显的优势，转换速度很快，能够准 确地实现用户的需要，从而达到数据共享的目的，如图3 一l 所示。 图3 - 1 中间格式转换示意图 在预先定义好接口的基础上，用户甚至可以在系统内设置有关的 转换参数，从而对大批量的g i s 数据进行转换，用户只需要做一些有 限的参数设置就可以达到自己的目的，具体的转换过程不需要用户干 北京交通大学硕士学位论文 预。但是另一方面，由于不同的g i s 系统采用不同的抽象概念和形式 化方法表达地理世界中的不同实体，因而数据转换方法不可避免地存 在着一些显著的弊病。如由于数据模型不同，转换后的数据不能准确 地表达原数据的信息，空间数据转换容易造成数据信息丢失等。有时 还会造成空间数据精度损失等，甚至有时需要进行多次明码交换才能 实现用户的目的。 b 标准空间数据交换格式转换 1 2 1 明码格式的转换只能在两种特定的空间数据格式之间进行转换， 这给系统的可扩展性造成了障碍，当要在两种未建立明码转换的数据 格式间进行共享时，这种方法就无能为力了。为此，人们提出了一种 新的基于数据结构标准化思想的空间数据格式共享方法，并制定了相 应的标准，如图3 - 2 所示。基于这种标准的空间数据在多个g i s 系统 间具有较好的共享性。近年来不同国家和组织出于自己的需要，陆续 制定了各自的内部标准。如我国制定了国家空间基础数据标准n s d s ， 美国国家空间数据协会( n s d i ) 制定了空间数据格式规范 s d t s ( s p a t i a l d a t a t r a n s f o r m a t i o n s t a n d a r d ) 等。空间数据标准化的 举措在很大程度上推动了空间数据的共享和互操作。它的缺点在于各 g i s 厂商对推行标准化的方式与态度不同，所以对g i s 标准格式数据 的接口和转换的实现无法达到同步，而且随着各种各样的标准的出 现，数据标准化已失去了原来的意义。不同国家和地区制定的标准之 间互不兼容的情况普遍存在，标准间仍然存在地理模型和数据结构性 差异的问题。现在的空间数据标准化只能做到在某个特定的行业或国 家中实现空间数据共享，而无法实现基于地理空间概念上的数据共享 基于g m l 的空间数据共享技术 与互操作。 c 数据直接访问 图3 - 2 标准空间格式转换图 前边提出的两种方法都是利用数据格式转换方法解决数据共享问 题，这通常会给用户带来资源的浪费。对于海量数据的情况，用户将 不得不付出双倍甚至多倍的存储空间和费用。为了解决这个问题，不 同的g i s 厂商间出于利益考虑，经过协商，决定向对方部分或全部开 放自己的空间数据格式。基于这些开放的空间数据格式，不同的g i s 软件可以实现双向存取，从而实现共享，如i n t e r g r a p h 的g e o m e d i a l l 3 1 可以同时读取多种格式的空间数据，包括a r c i n f o 、f r a m e 、 o r a c l e s p a t i a l 等。直接存取方法在本质上其实还是属于数据转换的 方法，如图3 - 3 所示。g i s 系统对不属于本系统格式的地理数据进行 直接读取时，事实上也存在一个数据转换的过程。因此，用这种方式 实现数据共享也包含数据转换的一些弊病。直接存取的方式在实现时 北京交通大学硕士学位论文 会有空间数据丢失、精度损失和数据表达歧义性的情况。由于对数据 的存取依赖对方提供的接口，因此，当接口发生变化时，应用系统将 面临巨大的改变，系统必须重写已经实现的数据存取模块。 图3 - 3 数据直接访问图 3 2 2 数据互操作方式 进入2 0 世纪9 0 年代之后，计算机网络化技术极大地影响和促进 了g i s 系统的发展，基于分布式计算技术的数据共享方式逐步得到重 视和发展 j4 】。数据共享的实现从单一的结构性共享向更抽象的地理模 型共享发展。数据转换方法在实现数据共享时，主要关注的是对于空 间数据结构的转换。对于建立在不同空间模型基础上的g i s 空间数据， 转换过程无法解决空间模型的矛盾。转换过程中对地理信息的理解不 能一致的情况比较突出，因此不可避免地会出现信息丢失、精度损失 等情形。语义不能共享的问题也非常突出。之后提出的数据互操作模 式强调从语义共享层面解决数据共享，着重对地理空间抽象模型进行 1 6 基于g m l 的空间数据共享技术 研究，并提出共享规范来解决了这一问题。从功能上出发，6 1 s 互操 作的定义是f “i ：将具有不同数据结构和数据格式的软件系统集成在一 起共同工作。从实现目标出发，g i s 互操作对于广域网环境下的各类 g i s 系统和各种地理空间数据，能够同时解决数据共享和应用共享的 问题。互操作模型从概念上全方位处理地理信息共享问题，它对地理 信息的共享服务有一套完整的策略，分别对地理空间模型、地理服务 模型和信息群模型制定了相关的标准，提出了地理模型共享的思路。 互操作制定的实现规范统一了传统数据转换模式并且吸收了多种分 布式计算模型，可以适应异构网络环境下的地理信息共享。实现规范 中的标准s q l 方法吸收了o d b c 、c o r b a 以及c o m 的思想，从而使地理 信息共享框架跨越操作系统平台得到实现。 3 2 3 铁路地理信息系统数据共享方案综述 总结以上几种数据共享的方式，可以看出遵守并执行互操作规范 是一个把自己和地理世界紧密结合起来的关键。地理信息共享的目标 将和互操作的实施紧密相连。虽然目前的互操作规范还没有完全定 型，但它是目前地理信息系统数据共享技术发展的趋势所在，因此需 要充分吸收互操作的理念，提出符合实际需要的数据共享架构，既满 足铁路运输生产的需要，又能和国际标准进行接轨， 数据共享又可以分为数据融合，数据交换两个子问题。数据的融 合通过统的数据格式消除异构属性，融合各种异质数据，通过定义 标准的描述字段，将各个相关系统的空间数据和属性数据融合。这种 中间格式能够满足空间信息多样化的需求，提供公共的地理建模对 北京交通大学硕士学位论文 象，它具有强大数据描述能力，能对地理数据进行高效率的编码，从 而整合空间信息和非空间信息。通过驱动程序进行数据的提取，通过 导入接口将融合数据放入综合数据库，或者进行展示或其它操作，如 图3 4 所示。 图3 4 数据共享图 数据交换又可分为上下两个层次，上层是平台数据访问体系，是 一种紧凑三层结构，包括：数据消费、数据代理和数据提供，如图3 5 。 每一层有明确分工：数据提供者直接访问数据文件或者数据库，并通 过数据代理提供给其他模块使用；数据消费者和使用数据的模块，通 常负责对数据的各种分析、处理和表现；数据代理是维系数据消费者 和数据提供者之间的纽带，来自提供者的数据通过代理这个中介传递 给消费者，完成一次数据访问( 或者数据消费) ，一次数据消费行为 基于g m l 的空间数据共享技术 可能产生新的数据( 如：迭加分析产生的新图层、缓冲区分析产生的 缓冲区多边形等) ，这些新的数据也是通过代理传递给提供者的。 图3 - 5 数据消费图 在底层，采用直接数据访问的模式，将异构的数据格式转化为统 一的中间格式，实际上，这里借鉴o d b c 的实现思想5 | ，其核心是在 一系列的驱动程序支持下的服务集合。驱动程序分布于网络中，通过 服务协议调用不同的驱动器程序，向分布在网络环境下的数据源发送 请求。用户感觉不到存取网络数据和本地数据的差别。对于不同的g i s 系统，建立相应的驱动程序及其服务，它是由数据提供者提供的，只 要满足定义的服务规范，就可以通过相应的驱动器向系统提供数据。 面向服务的方法将在下一章中详细论述。 3 3 解决r g l s 数据共享的关键技术 根据3 2 3 小节的分析，可以看到，为了实现数据的融合，实现 具有特定格式的地理信息共享模型是非常关键的一步，本文采用 x m l g m l 技术【1 6 ：】作为数据编码的核心规范，从中派生出符合铁路运输 生产特殊要求的r g m l 规范，作为地理信息数据中间格式。 北京交通大学硕士学位论文 3 3 1x m l 及相关技术简介 x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，可扩展置标语言) i ”蚓是 由w 3 c 2 0 1 于1 9 9 8 年2 月发布的一种标准。它以一种开放的自我描述 方式定义了数据结构，在描述数据内容的同时能突出对结构的描述， 从而体现出数据之间的关系。这样所组织的数据对于应用程序和用户 都是友好的、可操作的。 x m l 技术不是孤立的，在x m l 发挥强大功能的背后，还有一系列 相关的技术规范相支撑。这些技术与规范为r g m l 的定义、操作起到 极大的作用，因此在这里对它们做一个简要的介绍。 d o m ( d o c u m e n to b j e c tm o d e l ) ，文档对象模型，它是独立于平 台与语言的接口，允许应用程序动态的存取、更新文档的内容、结构 及样式。d o m 将整个x m l 文档视为具有层次关系的节点“树”，并存 放在内存中，所有的非根节点都是以一个根节点为祖先遗传下来，这 样程序员就能够定位和操作这些节点。本文实现了r g m l 数据格式的 d o m ，也就是将r g m l 文档转换成对象集合，为每个对象实现相应的接 口功能。 bx m ls c h e m a 2 2 3 8 1 x m ls c h e m a 指的是描述x m l 文档的文档，它定义了特定文档类型 可用的组件集合以及为了生成有效的实例而组织这些组件的方式，可 以精确的描述x m l 文档的结构。由于x m ls c h e m a 本身就采用了x m l 基于g m l 的空间数据共享技术 语法，因此具有强大描述能力，可扩展定义用户自己的类型，声明、 重用并继承数据类型和结构。近年来，x m ls c h e m a 已发展得非常成熟 它同时支持名字空间【1 7 】，分布式s c h e m a 的综合，类型继承等特性， 并已出现大量支持x m ls c h e m a 的工具和解释器阻2 “。 在本文中，利用x m ls c h e m a 来描述r g m l 的结构。 c x p a t h ，x p o i n t e r ，x l i n k 1 7 】 x p a t h 的目标是定义一种定位x m l 文档各个部分的语言，它包含 两个部分：表达式语法与x p a t h 核心库。 x p o i n t e r 以x p a t h 为基础，它是一种用于访问x m l 文档内部结构 的语言，允许应用程序直接操作x m l 文档内部特定的节点和范围。 x l i n k 能够将任意元素标记为链接元素，从而将任意数量的本地 资源和远程资源绑定在一起。x l i n k 链接元素定义了资源之间的关系， 这种资源可以是网络上可寻址的任何对象。 d x s l t m “ x s l t ( e x t e n s i b l es t y l e s h e e tl a n g u a g et r a n s f o r m a t i o n s ) ，可 扩展样式表语言转换。它是一种用来转换x m l 文档的语言，x s l t 提供 了强有力的语法对模式匹配和替换进行表达。是一种将x m l 转换成其 他格式文档的编程语言。很重要的一点是，x s l 也是基于x m l 的。 x s l t 定义一系列单个或多个模板，通过相应的定位指令，指明 x s l t 的处理程序如何将模板与x m l 输入文档中的节点相匹配，对于每 个模板，处理程序都在输入文档中查找，直到找到一个节点与模板定 义的样式匹配，然后将输入文档的节点按照指定的样式转换。通过这 北京交通大学硕士学位论文 种方法，就可以把输入文档转换成为新的x m l 目的文件。 本文采用x s l t 对r g m l 进行转换。 e s v g l 4 2 4 3 】 s v g ( s c a l a b l ev e c t o rg r a p h i c s ，可升级矢量图像) 是一种开放标 准的文本式矢量图形描述语言。使用s v g 可以在网页上显示出各种各 样的高质量的矢量图形。最关键的是s v g 基于x m l ，完全用普通文本 来描述，所以可扩展性很强，能够描述任意复杂的图像。正是由于s v g 基于x m l ，因此与g m l 具有天然的亲和力，可以轻易的将g m l 数据格 式转化为s v g 格式，然后在w e b 页面上显示出来。 图片和交互在以前是两个分开的概念，s v g 的出现突破了这个限 制，使得在图片内进行交互成为可能，这是以往的图像所不能做到的。 对于g i s 应用程序来说，交互性是一个很重要的功能。有了内嵌式的 脚本语言，就可以把一些交互动作的处理放在客户端。常用的一些功 能，比如地图的缩放，平移等操作，就可以放在客户端进行处理，这 样可以有效的提高程序的响应速度与灵活性。 s v g 可以作为地理信息数据表现的载体，在本文中也会有详细的 论述。 3 3 2g m l 简介 目前，已经有了很多的地理信息编码标准包括c o g i f ，m d i f f ， s a i f ，d l g ，s d t s 等，g m l 与它们有什么不同呢? g m l 是基于o g c 创 建的公共地理模型( o g c 抽象规范) j 9 l 基础上的，是一个简单的基于 文本的地理特征编码标准。已经被大多数的g i s 开发商所接受并得到 基于g m l 的空间数据共享技术 进步的开发，更重要的是，g m l 是基于x m l 的。它的特点可以从以 下几个方面来体现。 a g m l 的特点【2 0 】 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 允许对地理空间数据进行高效率编码，提供了一种容易理解 的空间信息和空间关联的编码方式，实现空间和非空间数据的内容和 表现形式的分离，并且易于将空间信息和非空间信息进行整合，能够 将空间几何元素与其它空间或非空间元素连结起来。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) g m l 是严格按照被广泛采用的x m l 标准制定的，这就确保了 g m l 数据可以被广泛的商业或者免费工具所浏览、编辑、转换。能以 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。并提 供适用于i n t e r n e t 环境的空间信息编码方式，用于数据传输和存储。 从以上分析可以看出，g m l 为网络时代的g i s 领域提供了一种开 放式的标准，其出发点是空间数据编码。这充分说明了以x m l 技术为 基础的g m l 是实现异构g i s 系统互操作的合理解决方案，在g m l 的基 础之上，才可以真正的讨论开放的地理信息。 b g m l 的组成 在介绍g m l 组成之前，首先需要说明一下什么是地理空间特征 ( g e o g r a p h i cf e a t u r e ) f 2 ”。地理空间特征是对真实世界现象的一种抽 北京交通大学硕士学位论文 象，当这种抽象与某一地理位置相关时，就表现为地理空间特征。现 实世界的数字化表示构成了一个特征集，特征由其属性说明，属性由 一个三元组( 属性名、属性类型、属性值) 表示，特征的定义给出了属 性的个数和每个属性的名字和类型。概括地讲，地理空间特征就是拥 有地理空间位曼属性的特征。多种特征合并在一起形成一个“特征集” ( f e a t u r ec o l l e c t i o n ) ，特征集也可以当作单个特征使用，并且也有 自己的属性。 g m l 发展至今已经历了三个版本，这里着重介绍g m l 2 0 。g m l2 0 版本完全基于x m ls c h e m a 。因此，g m l2 0 版能够继承s c h e m a 带来 的好处，使g m l 技术更加灵活好用。 g m l2 0 提供了以下三个基本x m ls 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。 g e o m