（计算机应用技术专业论文）基于xml的webgis信息发布系统研究.pdf

i 摘要 万维网地理信息系统(简称webgis)是internet技术与gis技术相结合的产物， 为公众获取 gis 数据和地理信息服务提供了一个有效的手段。但是从 webgis 的 应用现状可以看出，这项技术远未成熟，仍面临着一系列的技术瓶颈和挑战，如 地理空间信息的共享和互操作困难、传输速率瓶颈和客户端的交互性差等问题， 这些问题需要新技术的出现来推动其发展。 xml 技术的出现为互联网的发展带来 了新的机遇，它以结构化、可扩展性及灵活性的特点引起了业界的普遍关注。对 于 webgis 而言，ogc 制定的地理标记语言(简称 gml)是 xml 在地理领域上的 应用，它为地理信息的存储、传输、交换提供了标准的编码规范，将为 webgis 的发展带来新变化。另外，可伸缩矢量图形(简称 svg)为电子地图的显示提供了 极大的便利，是今后电子地图发展的方向。本文利用 java、xslt、gml 以及 svg 技术，试图解决目前 webgis 中存在的地理信息共享和互操作困难、客户端 的交互性差等问题， 研究的主要目标是基于 gml 空间数据转换以及 svg 的地图 显示。 本文首先在介绍传统数据转换的方法、gml 规范的基础上，采用 gml 规范 定义和描述 gis 空间要素，给出了原型系统 gml 文档的应用 schema，设计了空 间数据转换成 gml 的算法，分析了各种不同的矢量空间数据，并结合分析的结 果，实现了将多源的空间数据按照一定的映射关系转换为统一的 gml 文档。其 次，在论述 svg 技术的基础上，研究了基于 svg 的地理信息可视化方法，实现 了基于 svg 的地图数据组织、编码和地图符号化，设计了利用 xslt 技术实现 gml 向 svg 的转换，完成了客户端 svg 文档的生成。最后，在 webgis 体系结 构设计基础上， 开发出了一个 webgis 原型系统xmlwebgis。 该原型系统采用 gml 作为统一的地理信息描述语言，选择 svg 作为地图可视化工具，实现了地 图基本操作、地图查询和数据转换服务等功能。 研究证明： 本文提出的基于 gml 的多源空间数据转换以及基于 svg 的地图 数据可视化对地图网络发布技术的研究具有一定的意义。 xmlwebgis 原型系统， 用实例验证了利用 xml（gml/svg）技术解决地理空间数据共享与可视化的可 行性。 关键词：webgis、gml、svg、java、xslt ii abstract webgis is the product of the combination between internet and gis technology, webgis is a good tool to get gis data and geographic information service for us.but the present application of this technology shows that it is still immature, and is still facing a series of technical bottlenecks and challenges,such as the difficulties in geo-spatial information sharing and inter-operability,the transmission speed bottleneck, absence of interaction and so on.so webgis needs some new technologies to resolve these problems.xml technologies brings a new chance for the development of internet, which has been paid more attention to by it enterprises for its structural organization, extensibility and flexibility.as far as webgis is concerned, geography markup language (gml) specification is defined by ogc,this specification is intended to enable the transport and storage of geographic information in xml, which will make an important role in the development of webgis;while svg provides a great convenience to view the electronic map, and its also the orientation of electronic map development in the future.in the paper,the technologies such as java,xslt, gml and svg were used to solve some of the above problems in the webgis like the ones in the geospatial information sharing and inter-operation, the bad interaction in client and so on.the main target of the paper is to fuse spatial data transition based on gml and display maps in svg. in the paper, author first introduces the traditional data transition method and gml specification, and uses gml specification to define and describe spatial features,designs application schema of gml and algorithm of transferring different spatial data to the unified gml document,then analyses many of different vector spatial data,with above analysis,implements transition of different spatial data to the unified gml document.secondly,the author introduces svg specification, researchs display of geographical informations, realizes geographical spatial data organization,designment of code scheme and map symbols describing based on svg,designs transferring from gml to svg by xslt. finally,a prototype webgis system-xmlwebgis,based on the webgis system structure design,were developed.in this prototype system,gml will be used as the unified geographic information iii description language,svg will be used as a geography information visualization tool,map basic operation functions,map query function and data conversion function will be realized. the research proved that the transition of gml-based multi-source spatial data and the visualization of svg-based put forward in this paper have many significations to the map web publishing technology.the prototype webgis system-xmlwebgis tests and verifies feasibility of geographical spatial data sharing and visualization by xml (gml/svg) technology. key words: webgis, gml, svg, java, xslt 59 南昌航空大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是我个人在导师指导下， 在南昌航空大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。尽 我所知， 论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确地 说明并表示了谢意。本声明的法律结果将完全由本人承担。 签名： 日期： 南昌航空大学硕士学位论文使用授权书 本论文的研究成果归南昌航空大学所有，本论文的研究内容不得以 其它单位的名义发表。本人完全了解南昌航空大学关于保存、使用学位 论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本， 允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 签名： 导师签名： 日期： 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 选题背景 互联网的迅速崛起和在全球范围内的飞速发展，使万维网成为高效的全球性 信息发布渠道。webgis 是在 internet 或 intranet 网络环境下的一种兼容、存储、 处理、分析和显示与应用地理信息的计算机信息系统。它是 web 技术和传统的 gis 技术相结合的产物，其基本出发点就是利用互联网发布地理信息，为用户提 供空间数据浏览、查询和分析等功能 1。作为地理信息系统的一种新形式， webgis 无论是在理论研究，还是在应用方面都还处于发展阶段。 目前 webgis 系统地理空间数据的格式、表达和体系结构都存在着较大的差 异，数据处理、共享等完全封闭，形成了数据处理的“黑箱模型” 。这种封闭性的 空间数据模型带来的后果就是各个系统各自独立，形成了一个个的“空间信息孤 岛” ，以致无法实现地理空间数据的共享和互操作。原因有以下两个2： (1) 空间数据格式与 webgis 平台严格绑定 因为常用的 webgis 平台基本上都是从桌面平台扩展应用而来，因此，在空 间数据的发布上，通常都只支持本身桌面平台支持的数据格式或少量兼容格式， 功能处理模块严格与所支持的数据格式绑定，这样就直接造成了异构系统下的空 间数据难以共享。 (2) 空间数据自身的多源性造成的空间数据难以共享 这种空间数据的多源性主要表现在以下几个方面：不同系统的侧重点亦不同 而引发的语义分歧；多时空性和多尺度性；获取手段的多源性。 另外，近年来，随着网络技术的应用越来越广泛和深入，html 表现过于简 单、链路容易断、搜索不方便、可扩展性差、语义性差等缺点也越来越明显，特 别是其不利于表达以矢量数据为主的地理空间数据和描述复杂的地理空间对象， 这使得当前地理信息网络发布技术面临许多难以克服的技术难点。 为了更好地适应网络发展应用的需要，万维网联盟(w3c, wide world web consortium)专门设计了可扩展标记语言 xml(extensible markup language)。 xml 以其良好的数据存储格式、可扩展性、高度结构化、便于网络信息组织和网 络传输等优势，在许多领域得到了广泛的应用。在此基础上，ogc 提出了一个用 于统一 webgis 数据交换格式的地理标记语言(gml，geography markup 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 2 language)。gml 是专门用于 gis 数据描述的 xml 子集，它把主要精力集中于 地理信息数据的内容表达，可成为互联网上共享的表达地理信息的格式。但它并 不是为显示而设计的，无法以图像的形式显示给用户的。要能可视化编辑空间数 据， 就要将 gml 文档转换为合适的图像格式文件。 svg (scalable vector graphics) 是 w3c 组织推荐的，一个用于互联网上显示高质量的矢量图形的可升级矢量图 形规范， 是一种开放标准的文本式矢量图形描述语言。 使用 svg 可以在网页上显 示出各种各样的高质量矢量图形，包括图像处理中常见的许多功能，如图形、文 字、动画、色彩、滤镜效果等。gml 与 svg 虽然侧重点不同，但两者的结合为 webgis 提供了统一的地理信息存储、表达以及显示的基础。同时由于两者都是 xml 文档，所以可以用 xslt 进行方便的转换。 鉴于 webgis 信息发布面临的难点问题以及 xml 技术和基于 xml 标准的 gml 技术和 svg 技术的优势，作者提出了基于 xml 的 webgis 信息发布解决 方案。xml 技术在 webgis 信息发布中可以充分发挥其在数据表达、存储和交换 等方面的优势，解决目前 webgis 信息发布面临的上述问题。这是新的网络技术 在地理信息领域的探索与实践。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 (1) webgis 现状及发展趋势 目前，国内外构建 webgis 的主要技术包括基于服务器的技术、基于客户端 的技术和基于服务器/客户端的混和技术。 其中基于服务器的技术包括 cgi、 server api(包括 asp、jsp、servlet 等方式)等方式，基于客户端的技术包括 plug-in、 activex control、 java applet 等方式。 基于服务器/客户端的混合技术一般综合使 用基于服务器和客户端的技术，以发挥两者的长处，弥补两者的缺点。构建 webgis 的主要构造模型包括传统的 b/s 的三层体系结构和基于 com/dcom、 ejb 和 corba 等中间件的多层体系结构3。 国外的主流webgis软件有autodesk公司的mapguide、 esri公司的arcims、 autodesk 公司的 autodesk mapguide、intergraph 公司的 geomedia webmap、 mapinfo 公司的 mapxtreme。国内的主流 webgis 软件主要有北京超图公司的 supermap is、武汉吉奥公司的 geosurf、中科院遥感所地网信息技术有限公司的 geobeans。这些 webgis 系统多是为了某个特定的 gis 数据及其应用而设计，数 据各自独立、相互封闭，不利于信息的共享和互操作。opengis 是 ogc 制定的 关于地理数据互操作的规范，对 webgis 的发展及空间数据共享、互操作都有很 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 3 好的促进作用， 许多厂商已经开始推出支持 ogc 规范的 webgis 产品， 遵循 ogc 规范是 webgis 未来发展的一个趋势4。 (2) 基于 xml 的 webgis 研究现状 xml 现在已成为推进 webgis 技术发展的重要动力之一， 基于 xml 的 gml 和 svg 为 webgis 中地理信息的组织与可视化提供了很好的解决方案。 gml 已经被公认为 gis 数据共享和互操作的技术标准，它将地理数据与表 现完全分开，可实现业务逻辑服务链，而且支持复杂的数据分布关系，能够实现 复杂的链接关系，gml 的这些特点决定了其在 webgis 中的地位和作用。ogc 于 2000 年 4 月推出 gml1.0 版本的规范，以后版本不断升级，2004 年 2 月发布 了 gml3.1， 目前 gml 已经成为业界事实上的通用地理空间信息编码标准， 正受 到越来越多的关注，很多公司的 gis 产品已经支持 gml。同时，国内外学者也 展开对 gml 的研究。总的说来，对 gml 的研究主要涉及 gml 解析、gml 空 间数据可视化、基于 gml 的空间数据转换和 gml 空间数据建模等方面5。 svg 的出现为 gis 矢量数据的 web 应用提供了一种开放的解决方案。w3c 于 2001 年 9 月正式发布 svg1.0 规范，2003 年 1 月推出 svg1.1 规范。目前，不 是所有的浏览器都支持 svg，需要下载浏览器插件支持，当前流行的 svg 插件 是 adobe 公司的 svgviewer。目前国内外对 svg 在 webgis 中的应用研究正逐 步深入，尤其是 svg 应用于空间数据表现、坐标转换、地图符号化、统计数据表 达等方面。 总之， 为了基于 xml 建立符合 ogc 规范和 w3c 标准的 webgis， 基于 gml 的地理信息表达和基于 svg 的地理信息可视化需要更深入的研究。 1.3 研究的目的和意义 地理信息网络发布技术的研究在我国处在起步阶段， 还没有系统的产品推出， 目前还停留在数据模型的构建、数据的组织和表现等方面的研究上。本文研究的 主要目的是在gis技术的基础上结合xml技术构建基于xml的webgis的信息 发布系统，着重于新的网络技术 xml 在地理信息领域的应用研究，解决目前空 间地理信息网络发布技术面临的难点问题，这些难点问题包括矢量图形在网络浏 览器中的显示与交互操作、多源空间数据的转换以及系统平台的可移植性以及兼 容性等。为基于网络的空间地理信息发布提供一个可行的解决方案，使得网络空 间地理信息具有更加广泛的应用空间。 基于xml的地理信息组织和管理是gis发展的方向， 从ogc全力打造gml 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 4 以及对其维护和不断升级上我们就可以看出这一点，因此，基于 xml 的空间地 理信息网络发布系统是机遇也是挑战。本文正是在这种思想之下产生的，融合最 新的网络技术，顺应 gis 的发展趋势，遵循开放式地理信息系统的思想，适应中 国数字地球的国情，努力推进 gis 数据与 ogc 的标准化、规范化接轨，是本论 文的研究目的和意义。 1.4 研究的内容及创新点 本文着重于 xml 技术在地理信息领域的应用研究，主要对多源空间数据的 转换和空间数据的显示与交互操作两个方面进行了研究。采用 gml 作为统一的 地理信息描述语言，选择 svg 作为地理信息可视化工具，实现地图基本操作、地 图查询和数据转换服务等功能，尝试解决地理信息共享与互操作、客户端的交互 性差等问题。 在论文中，作者主要做了以下几方面的工作： (1) gml 规范， 基于 gml 的地理信息建模方法， 基于 gml 的空间数据转换； (2) svg 规范，基于 svg 的地理信息可视化，gml 向 svg 的转换； (3) 对基于 xml 的 webgis 信息发布系统的研究开发进行了探索与实践。 创新点： (1) xml 具有数据来源的多样性和多种应用的灵活性和适应性，有助于实现 地理空间数据的标准化、结构化。 (2) 利用 gml 技术， 将传统的单一的地理信息发布系统应用软件集成在一个 网络地理信息综合应用系统。 (3) 地理数据可被 gml 唯一地标识，便于网上查询和搜索，便于信息参与数 字地球的资源共享，提高 webgis 服务的互操作，使地理信息数据格式和国外主 流发展方向相一致，有利于国内地理信息系统的发展和交流。 (4) 用户操作完全是基于矢量的空间数据减少网络传输数据量。 (5) 采用 svg 技术解决网络浏览器中的显示与交互操作适应矢量图形标准化 的发展趋势。 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 基于 gml 的多源异构空间数据转换研究 5 第 2 章 基于 gml 的多源异构空间数据转换研究 由于不同的地理信息系统平台对空间数据的描述千差万别，使得空间数据在 组织、存储、表现形式等方面存在较大的差异，如何将这些多源异构的空间数据 源集成起来综合利用，这是地理信息领域迫切需要解决的问题。为异构的空间数 据提供某种统一的表示方法无疑是解决问题的关键， gml 的出现恰恰为多源空间 数据的转换带来了新的希望，因此，本章在比较传统的四种数据转换方案的优缺 点的基础上，结合 gml 对空间数据描述的统一性及其优势，提出了基于 gml 的矢量空间数据转换方法并对几种矢量空间数据转换进行实现。 2.1 数据转换方法分析 (1) 数据转换的内容 空间数据转换的内容主要包括三个方面的信息： 其一是空间定位信息(实体的 坐标)；其二是空间关系(如一条弧段的起始结点、终结点、左多边形、右多边形 等)；其三是属性数据。 (2) 数据转换方法分析 地理空间数据不同于一般事务管理的数据，一般的事务数据或者说属性数据 仅有几种固定的数据模型，且一般关系数据库管理系统直接提供读写数据函数， 数据的转换问题比较简单但是地理信息系统的空间数据与之不同，由于对空间现 象的理解不同，对空间对象的定义、表达、存储方式亦各不相同，给信息共享带 来了极大的不便，解决多格式数据转换一直是近年来 gis 应用系统开发中需要解 决的重要问题。目前国内外实现数据转换的方式大致有如下四种6： 1) 外部数据转换模式 外部数据转换是指读写其它软件的外部格式或由其转出的某种标准格式，它 是一种间接数据转换方式， 其他数据格式经专门的数据转换程序进行格式转换后， 复制到当前系统中的数据库或文件中。这是当前 gis 系统数据交换的主要方法， 现在国内基本上还是采用这种方法。 2) 直接数据访问模式 顾名思义，直接数据访问指一个 gis 软件中实现对其它软件数据格式的直接 访问，即把一个系统的内部数据文件直接转换成另一个系统的内部数据文件，用 户可以使用单个 gis 软件存取多种数据格式。 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 基于 gml 的多源异构空间数据转换研究 6 3) 空间数据互操作模式 数据互操作模式是 ogc 制定的规范。 gis 互操作是指在异构数据库和分布式 计算的情况下，gis 用户在相互理解的基础上，能透明的获取所需的信息。ogc 颁布的规范，把提供数据源的软件称为数据服务器，数据客户使用某种数据的过 程就是发出数据请求，由数据服务器提供服务的过程，其最终目的是使客户能读 取任意数据服务器提供的空间数据。ogc 规范基于 omg 的 corba， microsoft 的 ole/com 以及 sql 等， 为实现不同平台间服务器和客户端之间数据请求和服 务提供了统一的协议。ogc 规范得到 omg 和 iso 的承认，从而逐渐成为一种国 际标准，将被越来越多的 gis 软件以及研究者所接受和采纳。 4) 空间数据共享平台 一个部门所有空间数据及各个应用软件模块都共享一个平台。所有的数据都 存在 server 上，各个应用软件都有一个 client 端的程序，通过这一平台向 server 中存取数据。这种结构的优点是任何一个应用程序所作的数据更新都能及时地反 应在数据库中，避免了数据的不一致问题。 (3) 几种转换方法的比较 7 8 外部数据转换模式中，如果从一种软件到另一种软件的数据转换一般必须经 过从源数据到标准数据和从标准数据到目标数据的两次转换，可能产生大量的冗 余数据，增加磁盘荷载，从这一点来看它并不是最好的数据转换方法。 直接数据访问模式与外部数据转换模式相比有较小的冗余，面对纷繁多样的 数据格式，为每一种格式都提供直接数据访问在一定时期内是不可能的。此外还 必须知道每一个 gis 的内部数据结构，这对商用 gis 而言是困难的。 数据互操作模式为数据交换提供了崭新的思路和规范。它将 gis 带入了开发 的新时代，从而为空间数据集中式管理和分布存储与共享提供了操作的依据。但 目前，还没有商业化 gis 软件完全支持这一种规范。 空间数据共享平台从理论上说是最好的空间数据共享方式，但目前实现起来 比较困难。现在市场上有许多 gis 软件，谁也不愿意失去自己的底层，而采用一 个公共的平台，只有发展到某一个软件的底层 server 绝对优于其他系统，而这一 server 又管理着大量的基础地理数据时才有可能做到共享平台。空间数据共享平 台也可以考虑采用通用空间数据管理软件，如 oracle 的 sdo 等等。 由于空间数据共享和互操作还处于起步阶段，完全使用数据互操作模式和数 据共享平台是不现实的，而数据直接转换的模式或外部数据转换模式又不能改变 多源数据的现状。因此，本文利用结合外部数据转换模式和直接数据转换模式的 特点，不同的是将多源数据转换为统一的 gml 文档，用户直接应用标准的文档 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 基于 gml 的多源异构空间数据转换研究 7 为空间数据的资源。在没有完全统一使用标准的文档时，个别用户可以根据映射 关系从 gml 转换到需要的数据类型。通过这种方式可以解决现在这种过渡阶段 会发生的问题。 2.2 基于 gml 的空间数据建模 2.2.1 gml3.1 的模型与框架 2.2.1 gml3.1 的模型与框架 gml是以ogc的抽象规范为基础对现实世界进行建模的， 采用要素(feature) 来描述地理实体和地理现象，ogc 抽象规范定义一个地理要素为“从现实世界中 提取出来的，与地球上的某一位置相关的事物” 。因此，现实世界的数字表示可以 认为是一系列的地理要素的集合。gml 要素是通过其属性(property)来描述的， 这些属性包括空间属性几何信息、时态属性及其他非空间时态属性。一般来说， 属性由名字、类型和值组成，要素所具有属性的数目、名称和类型都是通过其类 型定义决定的。地理要素就是具有几何属性值的要素，要素集合是一系列本身可 以被视为要素的集合，因此，一个要素集合不仅具有要素类型，而且还有其自身 独特的属性及其包含的要素。gml 规范 3.1 版本对以前的版本作了很大的扩充， 地理要素的几何属性不再局限于“简单”几何体，而是扩展到可以支持复杂的几 何实体，坐标定义也扩展到了三维。gml 3.1 中的要素真正成为一个有实际意义 的地理对象的抽象，这样的要素既可以描述具体实在的对象，也可以表达抽象的 或是概念上的对象，还可以描述变化中的与空间位置相关联的现象。 (1) gml3.1 模型 在 gml3.1 中，提供了丰富的对象来描述地理空间信息，包括地理要素、坐 标参考系统、几何体、拓扑关系、时间、样式、测量单位和数值等910(如图 2.1 所示)。其中，前面带有下划线的元素为抽象元素，例如，_feature 表示的是“任 何 gml 要素” 。 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 基于 gml 的多源异构空间数据转换研究 8 图 2.1 gml 对象层次关系 (2) gml3.1 框架 gml 作为一个空间数据编码规范，它并没有强制采用它的用户使用规定的 xml 标识，而是提供了一套基本的标签、公共的数据模型，以及用户构建应用模 式(application schema)的机制。gml 是基于 xml 的语法集的，模式(schema)定 义了一类对象的特性， gml3.1 中的模式定义遵循了 xml 模式标准， 并且与 xml 的名称空间规范相一致。名称空间规范的作用是将不同具体应用中使用的特征和 属性区分开来， 地理要素类型可以认为与其相关的模式是分离的。 在 gml3.1 中， 每个要素和几何对象都对应一个相应的类型(type)，该类型等同于对象建模中的 类(class)，要素和几何的状态由类型以及类型中的属性决定。gml3.1 是用模式 对这些类型和属性等元素进行定义的，它提供了 33 个核心模式910，这些模式基 本上是围绕图 2.1 中的对象来组织的。它们之间的相互依赖关系如图 2-2 所示。 图中的虚线箭头表示箭头尾部的模式依赖于箭头头部的模式。如果在“gml”命 名空间中一个模式包含了另一个模式，则存在依赖关系，如 feature.xsd 包含 geometrybasic2d.xsd。对于不是“gml”的另一个名称空间，如果一个模式引入另 一个模式，则也存在依赖关系，如 gmlbase.xsd 引入了来自“xlink”名称空间的 xlinks.xsd。 在图 2.2 的上层有七个不被其它的 gml 模式所依赖的模式， 分别是： 观测模 式(observation.xsd)、 动态要素模式(dynamicfeature.xsd )、 覆盖模式(coverage.xsd )、 拓扑模式(topology.xsd )、缺省样式模式(defaultstyle.xsd )、坐标参考系模式 (coordinatereferencesystems.xsd)和时间参考系模式 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 基于 gml 的多源异构空间数据转换研究 9 (temporalreferencesystems.xsd ) 。 现在常用到的 gml3.1 模式有要素模式(feature schema)和几何模式 (geometry schema) 。feature schema(feature.xsd)为 gml 创建要素和要素集提供 了框架， 它定义了抽象和具体的要素元素及类型， 并通过 include 元素包含了几何 模式和时态模式中的定义和声明。一个 gml 数据集往往是一个 gml 要素集合。 所有 gml 要素都有可选的 gml:boundedby 和 gml:location 属性，同时还包括从 gml:abstractgmltype继承来的gml:metadataproperty、 gml:description和gml:name 属性。在 gml2.0 规范中提供的几何对象元素有 point、linestring、linearring、 polygon、multpoint、multlinestring、multpolygon、multigeometry。另外，还有 描述坐标的元素，定义范围的元素。gml 规范 3.1 版本对以前 的版本作了很大的扩充，地理要素的几何属性不再局限于“简单”几何体，而是 扩展到可以支持复杂的几何实体，坐标定义也扩展到了三维。支持包括 points 、 curves 、surfaces 及 solids 在内的三维几何模型，在其几何模式中增加许多新的 类型， 包括 arc 、 circle 、 cubicspline、 ring 、 orientablecurve 、 orientablesurface 及 solid，还有聚合类型如 multipoint 、multicurve 、multisurface、multisolid 和复合类型如 compositecurve、compositesurface、compositesolid 等。gml3.1 将其几何模式分为 5 个文件模块 geometrybasic0d1d.xsd 、geometrybasic2d.xsd 、 geometryaggregates.xsd 、geometryprimitives.xsd 、geometrycomplex.xsd，前个 3 模式中包含了最常用的、与 gml2.0 兼容的线性几何组件，后 2 个模式中包含了 最新的非线性几何组件。 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 基于 gml 的多源异构空间数据转换研究 10 图 2.2 gml3.1 中模式之间的依赖关系 2.2.2 基于 gml3.1 的应用模式设计 2.2.2 基于 gml3.1 的应用模式设计 gml 文档不是单一的，它由三个部分组成：gml schema, gmlapplication 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 基于 gml 的多源异构空间数据转换研究 11 schema,gml instance data。其中 gml schema 是 ogc 定义的；gmlapplication schema 由不同应用领域依照要求来定义，由 gml schema 来组成；gml instance data 来自数据生产单位， 提供给使用者11 (如图 2-3 所示)。 用 gml 来建立自己的 地理信息模型，本质上就是基于 gml 所提供的基本模式定义一个具体的应用模 式，用于表达地理信息系统所支持的地理模型中的相关几何和属性特征。 图 2-3 gml 文档结构 (1) 基于 gml3.1 的应用模式的建立 gml 核心模式定义了构建地理要素的基本组件，使用 gml 模型及其模式组 件可以定义其研究领域中的应用模式及具体的地理要素。首先根据实际需求，建 立适当的空间数据模型；然后选取 gml3.1 中相应的 schema，对于其中用抽象类 型(以下划线开头)定义给予实际的具体定义；最后依据 xml schema 语法规则， 将其组合生成 gml3.1 应用模式1213。具体步骤如下： 1) 定义新的要素或要素集类型 (feature 或 featurecollection) 应 用 模 式 设 计 者 以gml3.1提 供 的gml:abstractfeaturetype或 gml:abstractfeaturecollectiontype类 型 为 基 础 ， 建 立 自 己 的feature或 featurecollection 的类型。 2) 定义新的几何类型(geometry type)及几何属性(geometry property) 应用模式设计者可以根据需要创建自己的几何类型，但必须是 gml3.1 的类 gml:abstractgeometrytype 或 gml: geometrycollectiontype 的子类型；根据需要创 建自己的几何图形属性，但必须是 gml:geometrypropertytype 的子类型。任何自 定义的几何子类型应该无条件地从基本的 gml3.1 几何类型中继承元素和属性， 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 基于 gml 的多源异构空间数据转换研究 12 但可以扩展这些基本类型以满足应用需要，如用继承系统和数据集提供更好的互 操作性。 3) 声明目标名称空间(target namespace ) 在应用模式中一般要声明一个 targetnamespace， 模式中所声明的元素及类型 定义都位于这 namespace 中。namespace 用来避免元素名称的冲突，在网络环境 中，不同的 gml 文件中可能使用了相同名称的元素，声明适当的 namespace 可 以解决元素名称冲突的问题。xml 名称空间提供了创建 xml 文档中的各种名称 的方法，这些名称由统一资源标识符所标识。通过在 gml 文档中使用名称空间， 可以唯一确定文档中的元素或属性。 4) 导入不同名称空间的 gml3.1 模式 gml3.1 文件，可以引用多个属于不同的 namespace 来源的 schema。 5) 使用 substitution group 在全局元素(global element)中所定义的 substitutiongroup， 可以取代 gml3.1 元素，并为整个 gml3.1 应用模式所使用。 6) 声明额外的属性 gml3.1 提供了一些预先定义好的几何属性(geometricproperty )，包括 location、centerlineof、extentof 等等，应用模式的设计者可以使用 substitution group 来给它们命名。 7) 定义新的要素关联类型 设计者可以创建自己的要素关联类型(featureassociation type )，而自定义的 要素关联类型必须由 gml:featureassociationtype 扩展而来。 (2) 原型系统应用模式开发 xmlwebgis 原型系统以湖南与江西交界的部分地理空间数据作为示例，包 括省会级城市、地级市、县级市、地区界、县界、铁路、高速、国道、省道、湖 泊、双线河、省面等信息，这些地理空间地物可以抽象为点、线、面几何对象， 每个对象又有相应的属性，如省道的主要属性有省道名称。采用上述方法为地理 空间数据建立应用模式 hunan.xsd，此应用模式封装几何和属性特征，实现了地理 信息完整性的自动化校验。采用 xmlspy2005 设计的 hunan.xsd 应用模式片断见 附录。 2.3 基于 gml 空间数据转换研究 虽然一些公认的数据格式如 shapefile 和 mif 等文件格式基本上成为数据交 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 基于 gml 的多源异构空间数据转换研究 13 换的事实标准，但是不同系统间提供的数据转换接口是有限的，而且由于各自采 用的数据模型、存储方式和处理方式不同，以这些数据格式作为交换格式不仅会 造成过多的精度损失，而且也不能满足当前情况下对空间数据的开放性和可扩展 性的要求。随着 gml 的推出，国内外的主要 gis 软件公司在各自的平台中支持 gml 规范。同时，由于已存在大量的不同格式的空间数据，为了实现不同数据格 式的统一，需要在共同遵守地理信息共享原则的前提下，按照国际统一标准进行 数据共享，将地理空间数据统一到标准的应用环境中。因此，研究基于 gml 的 空间数据转换是有实际意义的。gml 实例文档的模型由 gml schema 来表达。 其中 gml 实例文档的组织模型14（图 2-4）为： 图 2-4 gml 文档的组织模型 2.3.1 基于 gml 的空间数据转换的设计 2.3.1 基于 gml 的空间数据转换的设计 把其他 gis 格式数据转换为 gml 格式的实质是解析出其他数据格式的地理 要素信息，根据其与 gml 几何图元之间的对应关系构建 gml 数据模型15。实 现主要过程是获取各个 gis 软件平台提供的数据， 然后按照 gml 文档的 schema 格式定义， 写成遵循 gml 规范统一格式的 gml 文档， 满足数据共享与互操作的 需求1617。gml 是用文件的形式来表示地理信息数据，通过类似于写文本文件 的形式直接对文件进行操作，以 java 中文件流的方式写入，保存成后缀名为.xml 的文件。图 2-5 是将空间数据转换为 gml 文档的流程图8。 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 基于 gml 的多源异构空间数据转换研究 14 图 2-5 空间数据转换为 gml 文档的流程图 2.3.2 基于 gml 的异构空间数据转换开发 2.3.2 基于 gml 的异构空间数据转换开发 实现基于 gml 的异构空间数据转换，多种不同格式矢量空间数据的分析是 空间数据转换的基础。因此，本节首先对 oracle 发布 oraclespatial、arcgis 发布 的 shapefile 数据进行分析，然后再通过建立其与 gml 几何图元之间的对应关系 来实现空间数据到 gml 的转换。 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 基于 gml 的多源异构空间数据转换研究 15 (1) oracle spatial 中的空间数据分析 oracle spatial 是 oracle 公司推出的空间数据库组件， 通过 oracle 数据库系统 存储和管理空间数据。oracle 从 9i 开始对空间数据提供了较为完备的支持，尤其 在 10g 又添加了很多功能。 oracle spatial 主要通过元数据表、空间数据字段(即 sdo_geometry 字段)和空 间索引来管理空间数据， 并在此基础上提供一系列空间查询和空间分析的程序包， 让用户进行更深层次的 gis 应用开发 1819。oracle spatial 使用空间字段 sdo_geometry 存储空间数据，用元数据表来管理具有 sdo_geometry 字段的空间 数据表，并采用 r 树索引和四叉树索引技术来提高空间查询和空间分析的速度。 1) 元数据表说明 oracle spatial 的元数据表存储了空间数据的数据表名称、空间字段名称、空 间数据的坐标范围、坐标系以及坐标维数说明等信息。用户必须通过元数据表才 能知道 oracle 数据库中是否有 oracle spatial 的空间数据信息。通过元数据视图 （user_sdo_geom_metadata） 访问元数据表20。 元数据视图的基本定义见 表 2-1： 表 2-1 元数据视图定义 2) 空间字段解析 oraclespatial 的空间数据都存储在空间字段 sdo_geometry 中，理解 sdo_geometry是编写oracle spatial程序的关键20。 sdo_geometry是按照open gis 规范定义的一个对象，其原始的创建方式如表 2-2 所示。 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 基于 gml 的多源异构空间数据转换研究 16 表 2-2 空