（计算机软件与理论专业论文）地理信息系统的信息数据结构设计.pdf

摘要 地理信息系统g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是现在十分热门的研究 课题，它一方面要通过虚拟现实技术呈现地理信息，另一方面又要有能还表示地 理信息的数据来显示正确的地理信息。 g i s 是一项关系到国家发展和国民生产生活的关键技术，在全球变化的动态 监测、国家基础产业、城市建设、企业、商业、军事和工程施工等各方面都有重 要的作用。 本论文的研究对象是g i s 的第二方面，即如何构建表示地理信息的数据，通 过提出一种新的模式，通过在客户端和信息服务器之间、信息服务器与数据库之 间各加一层x m l ，统一访问格式，使得客户端和信息服务器之间相互独立、信息 服务器与数据库之间相互独立，从而提高系统的扩展性，使得整合其它信息比较 容易。 关键词：g i sx 眦信息数据结构 a b s t r a c t2 a b s t r a c t g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) i st h ee x t r e m e l yp o p u l a rr e s e a r c ht o p i c r e c e n t l y o nt h eo n eh a n d ，i tm u s tp r e s e n tt h eg e o g r a p h yi n f o r m a t i o nt h r o u i g ht h e v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y ；o nt h eo t h e rh a n d ，i tm u s th a v et h eg e o g r a p h yi n f o r m a t i o n d a t aw h i c he x p r e s s e st h ec o r r e c tg e o g r a p h yi n f o r m a t i o n g i si sa l lk e yt e c h n o l o g yr e l a t e dt ot h en a t i o n a ld e v e l o p m e n ta n dt h en a t i o n a l p r o d u c t i o na n dl i f e ，w h i c hh a st h ev i t a lr o l ei nt h eg l o b a lc h a n g ed y n a m i cm o n i t o r ，t h e n a t i o n a lf o u n d a t i o ni n d u s t r y ，t h eu r b a nc o n s t r u c t i o n ，t h ee n t e r p r i s e ，t h et r a d e ，t h e m i l i t a r ya n d t h ep r o j e c tc o n s t r u c t i o na n ds oo n t h et o p i co ft h i sp a p e ri st h eg i ss e c o n da s p e c t h o wt h ed a t ai sc o n s t r u c t e dt o e x p r e s sg e o g r a p h yi n f o r m a t i o n b yo n ek i n do fn e wp a t t e r np r o p o s e di nt h i sp a p e r , a d d i n gx m l b e t w e e nt h ec u s t o m e re n da n dt h ei n f o r m a t i o ns e r v e r , t h ei n f o r m a t i o n s e r v e ra n dt h ed a t a b a s er e s p e c t i v e l y , u n i f y i n gv i s i tf o r m ，c a u s e st h em u t u a l i n d e p e n d e n c eb e t w e e nt h ec u s t o m e re n da n dt h ei n f o r m a t i o ns e r v e r , t h ei n f o r m a t i o n s e r v e ra n dt h ed a t a b a s er e s p e c t i v e l y , t h u se n h a n c i n gt h ee x t e n s i o no ft h es y s t e ma n d m a k i n gi te a s yt oa d da d d i t i o n a li n f o r m a t i o n k e y w o r d ：g isx m l i n f o r m a t i o nd a t as t r u c t u r e 创新性声明 本入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中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 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傲了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：2 州日期：硼元矿 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学的有关保留和使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全都 或部分内容，可以允许采用影印、缩印和其他复制手段保存论文。( 保密论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 兰型： 碰 日期：z - c 趸 日期圣狸：丕：i 一 绪论 第一章绪论 1 1 研究内容 g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是现在十分热门的研究课题，它一方面 要通过虚拟现实技术呈现地理信息，另一方面又要有能还表示地理信息的数据来 显示正确的地理信息。 g i s 是一项关系到国家发展和国民生产生活的关键技术，主要应用于： 1 全球变化的动态监测 如联合国粮农组织( f a o ) 在意大利建立的遥感与g i s 中心，对欧洲和非洲的 农作物生长、病虫害防治进行监测。 2 国家基础产业 g l s 可用于大范围的自然资源调查、环境研究、土地详查与利用、森林经营 管理、农作物估产、各种灾害预测与防治、国民经济调查和宏观决策分析等。 3 城市建设 g i s 可用于土地管理、房地产经营、污染治理、环境保护、交通规划、市政 工程和城市规划等。 4 企业 g 1 s 可用于企业生产和管理。 5 商业 g i s 可用于为商业和企业创造空间竞争优势。 6 军事和工程施工 1 2 论文的研究对象 本论文的研究对象是如何构建表示地理信息的数据。地理数据主要有两类性 质的数据。一类是图形数据( 空间数据) ，以空间三维坐标( x 、y 、z ) 或地理坐 标( 经纬度和海拔高程) 来表示，还包括数据问的拓扑关系。如果加上时间坐标 数据，则为四维动态g i s 。另类是属性数据( 非空问数据) ，是实体的描述数据， 如名称、面积、位置等。 地理信息数据收集主要是通过测绘局来得到，但如何把成千上万个数据整合 在一起就是一个问题，而且还有其它不是测绘所得来的数据，即非地理信息( 如 2 地理信息系统的信息数据结构设计 物流管理中的货物信息等) 的整合。为了能随时整合其它的信息，为了有很强的 扩展性，需要对g i s 的数据信息有一个统一的格式和访问形式。 x m l 技术提供了这种功能。x m l 的跨平台性和根据实际需要定义自己的新 的置标语言，并为你的这个置标语言，规定它特有的一套标签的特性为这种实现 提供了条件。 目前的地理信息数据的收集和制作是个集中化的过程，即专门从事地图测 绘的部门来进行地理信息数据的收集和制作，这是一个既费钱、费时又费力的工 作。如果把这种集中化的工作分开来做，将会对地理信息数据的收集和制作这种 复杂性工作有所改观。 通过把虚拟地球按空问三维坐标或地理坐标分割成若干区域，然后每一个区 域各自负责收集本区域的信息，由于用x m l 定义了格式和访问形式，所以各个区 域信息有相同的描述形式，很容易整合在一起，形成一个完整的描述地坏佰恩的 数据库系统。 这种新的工作方式可能在花费上和前者工作方式差不多，也会带来新的问题， 但是在时间、入力的消耗上会比前者要少得多，在效率上要高得多。这是一个把 大工作量的工作分成若干小工作量的工作，把一个大问题分成若干小问题的手法， 因此，可以把复杂问题简单化，从而收集地理信息数据的速度得到提高。 本论文所研究的地理信息数据收集和制作的过程模式如下：每一个区域的各 相关单位测绘本区域的相关信息，然后通过由x m l 描述的统一的格式就可以让别 的区域的人来共享和访问本区域的信息。 本系统采用的是分级结构，上层的服务器描述是下层几个服务器所描述的地 理区域的总和。具体说来，它不是下层几个服务器数据信息的拷贝，而是下层几 个服务器所描述的地理区域形成的大区域所拥有的信息，是一种更宏观的信息， 是下层几个服务器所没有的信息，但是有可能是下层几个服务器信息结合形成的。 比如，下层几个服务器都有其本区域的道路的信息。假如这几条道路是某条大路 的几个路段，由于服务器都记录本区域的信息，当然包括道路信息，比如道路长 度，所以，上层服务器可以通过计算而得到总长度，而不用再进行测绘。这样， 通过分层服务器结构，进而描绘出整个地球的所有信息，形成地理信息系统的数 据信息。 概述3 第二章概述 2 1 目前g i s 的主要研究领域与发展趋势 2 1 1 组件( c o m p o n e n t s ) g i s c o m p o n e n t sg i s 是一种新的g i s 开发思想，它是将g i s 功能分散制作成 a c t i v exc o n t r o l 和a u t o m a t i o n ，这些标准的a c t i v exc o n t r o l 和a u t o m a t i o n 可以被任何支持它们的开发环境调用。以便在原有的或新开发的信息系统中加入 g i s 功能。目前国际上比较流行的c o m p o n e n t sg i s 软件有e s r i 的m a po b j e c t s ， m a pi n f o 公司的m a px 等。 现在市场上流行的g i s 软件有很多，工作站版的有a r c i n f o ，i n t e r g r a p h ， m i c r os t a t i o n 等；桌面g i s 系统有m a p l n f o ，a r c v i e w ，a u t od e s k 及国内的m a p g i s ，g e os t a r 等。这些系统的共同特点是它们将图形处理，空间查询与分析， 属性管理及其它g i s 功能都包含在一个比较庞大的系统中。对于一些用户来讲这 可能是比较适宜的，但对许多用户来讲可能会存在如下问题： 1 对于大多数用户来说，他们可能只需要部分而不是全部g i s 功能，用户必 须为购买整个g i s 软件系统而支付较高的费用。如基于g p s 和g i s 的城市交通管 理系统或者用于环境分析的g i s 系统，可能就不需要很强的图形处理功能。而用 于城市规划的g i s 系统或基于宗地的地籍管理系统则要求较强的图形处理功能。 如果使用c o m p o n e n t sg i s 进行系统开发用户就不需要购买整个g i s 软件系统， 而只要在g i sc o m p o n e n t s 的基础上进行开发组装即可。 2 由于大部分g i s 软件都需要进行二次开发后才能满足用户的特殊需要，而 目i j i 的g i s 软件所用的开发工具有许多并非标准语言。这对用户提出了较高的要 求，也对原有系统的改造带来许多不便。而c o m p o n e n t sg i s 一般都支持标准的 开发语言，如v i s u a lb a s i c ，v i s u a lc ，j a v a 等，这对于专用系统的开发比较快 捷和便利。 3 利用c o m p o n e n t s 技术更容易建立i n t e r n e tg i s 或i n t r a n e tg i s 信息系 统。 地理信息系统的信息数据结构设计 2 1 2i n t e r n e tg i s i n t e r n e t 技术的迅速崛起和在全球范围内的飞速发展，使万维网( w o r l dw i d e w e b 简称w w w 或w e b ) 成为高效的全球性信息发布渠道。这一技术正在以很快的速 度进入每家每户。 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 ，则在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 tj 下在以惊人的 速度迅速膨胀发展，今天，w w w 所具备的图形用户环境、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 s 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。 2 1 3d a t aw a r e h o u s i n g d a t aw a r e h o u s i n g 的字面意思是建立数据仓库。由于空间数据量非常大，这 些数据大都分散在政府和私人机构及公司的各个部门，数据的管理与使用变得非 常的复杂。但同时由于这些空间数据具有极大的科学和经济价值，因此大多数发 达国家都比较重视空间数据库的建库工作，在这些国家一般都有许多研究机构和 政府部门参与到空间数据库建立的研究工作中。目前在北美、欧洲、澳大利亚等 国提出了s d i 或n s d i 的概念。s d i 的全称是s p a t i a ld a t ai n f r a s t r u c t u r e ， n s d i 的含义是n a t i o n a ls p a t i a ld a t ai n f r a s t r u c t u r e ，其字面意思是( 国家) 空间数据基础设施。9 8 年6 月份在加拿大首都渥太华召开的第十届国际地理信息 工程学术会议更把s d i 作为本次会议的主题，可见国际上对地理空间数据基础 设施建设的重视。国家测绘局也积极地推进我国s d i 的建设工作，并提出规划模 式，部分内容已经在实施当中。 2 1 43 dg i s t s l 地球以及各种物体都是以三维空间的形式存在的，因此目前二维g i s 技术或 概述5 二维半( q z 面x ，y 坐标加高程) g i s 对于完整的描述地球上的对象是有一定限制 的。需要用三维空间来描述的应用领域有如下几个方面：气象学、地质学、采矿 学、石油勘探与开发、计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 、医学影像和机器人学等。 一个三维g i s 空间信息系统应该能够模拟、表示、管理、分析与三维实体相关的 信息，并提供决策支持。 2 1 5g i s 与多媒体数据及g p s 和r s 的集成【5 】 g i s 与多媒体数据及g p s 和r s 的集成使得基于空间数据的信息管理系统变 得更加灵活多样，极大地拓宽了信息来源渠道，方便用户对各种信息的存储与管 理，同时能够建立起更加科学的决策系统。 目前在g i s 中可以使用多种形式的多媒体数据。比如在a r cv i e w 中通过使 用h o tl i n k 或其它工具，可以把w o r d 文件、e x c e l 电子报表、v c d 声像资料、 摄影像片、卫星影像等纳入到g i s 系统中，用户可以根据需要对这些信息进行查 询和管理。g i s 与g p s 和r s 的集成问题已被研究了多年目前己进入实用开发阶 段。笔者在加拿大学习访问期间曾参与了一个g i s 应用系统的开发研究工作，其 中用a r cv i e w 作为系统平台，用面向对象的程序语言( o b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ) a v e n u e 作为开发工具开发出了一个用于特种工业管理的 基于g i s 的信息管理系统。整个系统的管理包括原材料产地、加工厂、运输过程、 产品更新换代储存地、产品销售地等环节。在此系统中就使用了e x c e l 电子报表、 w o r d 文档资料、像片( p h o t o s ) 、影像( i m a g e s ) 、影视片( v i d e o ) 及g p s 动态数 据。 2 1 7 o p e ng i s 9 l g i s 技术发展的总趋势是从系统为中心向以数据为中心的方向发展。未来的 g i s ，系统的概念将越来越模糊。系统之问将不仅可以实现数据共享，而且可以实 现互操作。积极推动这一进程的是o p e n g i s 。o p e n g i s 是丌放地理数据互操作的简 称，由开放地理信息系统协会( o g c ) 提出。它规定了应用程序之间需要互操作的地 理数据应包含的各种标准数据类型和在其上所实施的基本操作，它规定了互操作 的规范和对数据语意的共同理解，从而为软件开发人员提供一个接口框架。遵循 这个框架开发的软件可以允许用户在一个丌放的信息技术环境中访问和处理不同 来源的地理数据。o p e n g i s 的软件框架主要由三部分组成：统一的开放式地理数 据模型o g m ；统一的地理操作模型；实现团体间的地理数据与操作资源共享的信 息团体模型。 6 地理信息系统的信息数据结构设计 一个完整的o p e n g i s 软件平台应该有符合o g c 规范的基础协议、基础应用组 件与工具、应用开发组件与根据及外部开发根据。它是“数字地球”的关键技术 之一。 2 1 8 虚拟现实技术问 虚拟现实是目前g i s 研究领域的另一重要方向。虚拟现实是对人类真实世界 某一部分或某一过程的逼真模拟，给人提供视觉、听觉、触觉、力觉、嗅觉等信 息，令人完全置身于虚拟世界中，感受与现实系统一致或接近，从而让人产生一 种虽幻犹真的沉浸感。美国m u l t ig e n 公司生产的m u l t ig e n 软件已可以利用地 理信息中心的数字地形海拔数据( o t e d ) 、数字文化特征数据( d f a d ) 和与之配套的 航空或卫星照片，快速高效地构造任何地区的地形地貌和文化特征。 2 2 g i s 应用的前景与存在的问题 2 2 1g i s 趋势 从以上可以看出，g 1 s 的发展有以下几个特点： 模块化，组件化：模块化设计的思想早已有之，g i s 的设计自然也要用到，根 据功能的组件化开发，可以使开发更迅速，开发时间更短，软件的重用度更高。 而且，正如组件g i s 介绍中所提到的，对于大多数用户来说，他们可能只需要部 分而不是全部g i s 功能，所以，必须通过组件化灵活地装配软件功能模块，形成 合适的版本以适应用户的需求。这就要求软件有很好的扩展性。 共享化和标准化：以前，g i s 的设计各自为政，各个g i s 软件设计的系统不能 互访问和数据共享，这造成了开发的重复和成本的提高，当需要新的数据，但别 的系统有时，由于系统的不同，而不得不再次开发，所以，就必须标准化，包括 数据格式的标准化和数据高访问的标准化。i n t e r n e t 技术的迅速崛起和在全球范 围内的飞速发展，使万维网( w o r l dw i d ew e b 简称w w w 或w e b ) 成为高效的全球性 信息发布渠道。i n t e r n e t 推动了g i s 的发展，而且6 t s 服务也应是一种平民化服 务，所以，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。 因此，它要求g i s 信息的共享扩大化和系统互访问程度的提高，也促进了g i s 标 准化的进程。 g i s 信息呈现的形象化：g i s 信息的显示从平面到3 d 形式的显示，以后可能 还会有越来越逼真的显示。这是一种趋势。这就促使虚拟现实的发展，使虚拟现 概述7 实成为目前g i s 研究领域的另一重要方向。虚拟现实是对人类真实世界某一部分 或某一过程的逼真模拟，给入提供视觉、听觉、触觉、力觉、嗅觉等信息，令人 完全置身予虚拟世界中，感受与现实系统一致或接近，从而让人产生一种虽幻犹 真的沉浸感。 2 2 2 新问题的出现 将g i s 系统i n t e r n e ! 化也会带来新的问题，如下： 1 i n t e r n e t 带来的网络速率的限制及相应的安全性问题。 通过i n t e r n e t 实现空间信息的共享，必须首先保证数据库的安全。由于数据 的生产部门在数据的生产和更新上花费了巨大的人力、物力、财力，从经济利益 考虑，要求在数据的生产部门建立专门的数据服务器，保证用户只能每次登录对 最新数据浏览、查询、分析，而不能下载或保存数据到本地硬盘。同时，在网络 环境下，随着用户的不断增多，应针对不同用户的需求作不同的权限设置。比如， 对于系统管理员级别的用户就可以使用系统的培植与编辑部件对服务器端的系统 参数与数据更新、修改；而一般用户可能只具备浏览、查询、统计制图功能。 2 多源数据的获取和管理。 i n t e r n e tg 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i n t e r n e tg i s 应具备的重要特征。 单一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。 但是，g i s 系统i n t e r n e t 化会带来不可比拟的好处： 1 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，甚至还可以进行全球范围内的g i s 数据更新。客户可以同时 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。 2 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w e b 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。 3 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6 i s 软件，而用户使用的经常只 8 地理信息系统的信息数据结构设计 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) ，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。 4 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 浏览器无疑 是降低操作复杂度的最好选择。 5 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i n t e r n e tg i s 的进一步扩展提供了极大的发挥 空间，使得i n t e r n e tg 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。 2 2 3 前景展望 i n t e r n e t 以其开放性和友好界面迅速成为网络信息处理和分布的载体。有效 地与i n t e r n e t 集成将是目前和未来一段时期g i s 的发展目标，g i s 技术的迅猛发 展不仅使其应用领域更宽，而且也对其本身提出了更高的要求。若使g i s 的处理 功能更强、效率更高，必须利用最新技术以充实和发展自己，其中很重要的方面 就是充分利用计算机网络技术。i n t e r n e t 能使g i s 实现分布式存储与管理，共享 分布在不同地点的各种软硬件资源及数据库，能够极大地提高系统资源利用率， 扩大信息使用范围，既能快速高效地完成所需的功能，又节约了投资。 i n t e r n e t 使g i s 应用走向公众，i n t e r n e tg i s 提供了一种易于维护的分布式 g i s 解决方案。尽管目前的w e b g i s 软件提供的空间分析功能很难满足专业应用的 需要，但是随着技术的发展，它终将取代传统的g i s ，i n t e r n e tg i s 应用终将走 上普通人的办工桌、走进千家万户的家用电脑，与i n t e r n e t 本身一样成为人们日 常生活必不可少的实用工具。 针对g i s 的趋势和g i s 系统i n t e r a c t 化可能出现的问题，本论文提出了一个模 型来适应g i s 的发展趋势和解决可能出现的新的问题 g i s 数据信息结构设计的体系结构 9 第三章g i s 数据信息结构设计的体系结构 3 1g i s 信息数据结构设计的概要模型 当前，g i s 软件有很多，它们促进了g i s 系统的发展。但是，这也造成了不同 g i s 软件设计的g i s 的数据不能有效共享，各个g i s 之间不能互操作。i n t e r n e t 的飞速发展推动了g i s 的发展，使得g i s 服务逐渐成为一种平民化服务，所以， i n t e r n e t 与6 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。因此，它要 求g i s 信息的共享扩大化和系统互访问程度的提高，这就要求地理信息描述的标 准化和数据访问过程的标准化。本文提出的g i s 信息数据结构设计的体系结构图， 如下： 图3 1g i s 数据信息结构设计的体系结构 导航服务器：提供通过区域位置信息找到相应提供区域地理信息的服务器的位置 ( 如i p 地址) ，并将服务器的位置提供给客户应用程序，以后就可以让客户应用 程序直接与此服务器联系。 区域位置信息：用来指示区域位置的空间三维坐标( x 、y 、z ) 或地理坐标( 经 纬度和海拔高程) ，也可以其它的表示方法。 地理信息系统的信息数据结构设计 区域地理信息：提供区域地理信息区( 如有什么路，有什么旅店及其位置等等) 。 信息服务器：提供区域地理信息区( 如有什么路，有什么旅店及其位置等等) 。每 一区域都有一信息服务器。 导航和信息服务器：兼具导航和信息服务的服务器。上层的导航和信息服务器是 代表下层几个服务器所代表区域之和，是一个更大的区域，存储着下层几个服务 器所没有的信息。如一条大路，它可能跨好几个区域，而每个区域的服务器只记 录的此路在本区域的路段信息，比如路况。而下层服务器则没有记录此路的整体 情况。因为本论文所研究的地理信息系统的数据信息结构设计规定本区域服务器 只存储本区域的信息，而上层服务器则记录着此路的丌始地点和结束地点等一些 整体宏观的信息。上层服务器所存储的信息一般不会与下层服务器所存储的信息 重复。 3 2 模型结构分析 本文将地球假设成有若干个大小相同的区域组成，如图3 2 ， 图3 2 地球区域组成不意图 然后每一区域都有一服务器，里面记录着本区域的地理信息，本文称之为地理信 息服务器。本模型采甩的是分级结构，不同级别上的地理信息服务器存储着不同 的地理信息。虽然大区域是由小区域组成，但是，小区域组成大区域时，大区域 会有一些新的特征。所以，采用分级结构，来存储一些更大区域的宏观信息。地 理信息的存储是为了使用，为了找到这些服务器，该模型必须支持导航功能。这 就是本论文导航服务器的作用。大区域导航服务器包含着本区域低层服务器的位 置信息。同时，本区域低层服务器也包含着大区域导航服务器的位置信息。这样 的双向联系可以使用户查到任何区域的信息。 本文通过提供一种描述地理信息的文件来实现地理信息存储和地理信息访问 的相互独立。这种文件用x m l 实现，具有一种强制性，相当于一种标准。当一 客户应用程序要访问地理信息时，必须将程序中存储地理信息的数据名与这种文 件中对应的名称映射后才能与服务器交互。同样，服务器与地理信息数据源之问 g i s 数据信息结构设计的体系结构 也有这样的映射。当地理信息数据源的改变就不会影响到客户应用程序。 采用本模型，也就必须实现一些新的过程，包括将客户应用程序中存储地理 信息的数据名和x m l 文件中对应的名称的相互转换，地理信息数据源和x m l 文 件中对应的名称的相互转换等。 3 3 核心思想和流程 为了使客户应用程序与提供信息的信息服务器不相互依赖，用x m l 技术加了 一层分离层，即当客户应用程序向信息服务器请求信息时，通过本地的x m l 文件， 里面记录着客户应用程序所用的数据与信息服务器所提供的数据名的对应绑定， 将客户应用程序所用的数据转换成信息服务器所提供的数据名，以x m l 文件的形 式传给导航和信息服务器，导航和信息服务器将接收到x m l 文件中的数据名转换 成信息服务器中的数据库中数据项，这是通过导航和信息服务器中x m l 文件来实 现的，和客户应用程序一样，导航和信息服务器中也有x m l 文件，它记录着信息 服务器所提供的数据名与信息服务器中的数据库中数据项的对应绑定。导航和信 息服务器根据转换成的数据项查到所需要的数据，然后再通过相同的方法将信息 传到客户应用程序，让客户应用程序使用。 型 转换程序i 二二 结果集数据文件 ( x m l 格式) 请求数据文件 ( x m l 格式) 逆转换样序 导般币i 信息服务器 数 据 服务器方的 转换程序 图3 3 核心流程 说明： 转换程序和逆转换程序：它们不是一个自运行的程序，即不完整的程序，可能是 个类或功能模块。 客户方的转换程序：根据客户机本地的x m l 文件( 里面记录着客户应用程序所用 的数据与信息服务器所提供的数据名的对应绑定) ，将客户应用程序所用的数据转 陌 爵 1 2 地理信息系统的信息数据结构设计 换成信息服务器所提供的数据名，以x m l 文件的形式传给导航和信息服务器。 服务器方的转换程序：根据服务器上的x m l 文件( 里面记录着信息服务器所提供 的数据名与信息服务器中的数据库中数据项的对应绑定) ，将信息服务器所提供的 数据名转换成信息服务器中的数据库中数据项，从而让信息服务器进行查询，得 到结果集。 逆转换程序：形成结果集数据文件，让客户应用程序使用。 请求数据文件：是x m l 文件，包括两部分，请求数据所在的地理位置( 用区域位 置信息来表示，本论文不做规定，但要求系统只用一种表示方式) ，请求数据的名 称( 请求数据的名称是服务商制定的) 和请求条件等，本x m l 文件可以根据实际 的条件具有表示条件查询的能力。 结果集数据文件：是x m l 文件，包括请求数据的名称和相应的结果。本x m l 文件 有效性的定义也是由服务商制定的。主要是请求数据的名称的命名和文件的具体 结构。 本系统主要有三种x m l 文件：请求数据文件，结果集数据文件。它们的有效 性定义由服务商制定，可以采用x s d 或d t d ，考虑到x s d 是取代d t d 的技术， 是与x m l 配套的技术，为了以后系统的修改和扩展，推荐使用x s d 。由于客户 方的转换程序与客户应用程序关联性小，所以可以由服务商的系统设计者提供， 且可以把记录着客户应用程序所用的数据与信息服务器所提供的数据名的对应绑 定客户机本地的x m l 文件的有效性定义也由服务商的系统设计者制定，以降低客 户应用程序设计者在设计与本论文设计的地理信息系统交互时复杂性。 3 4 流程的具体描述 、客户应用程序与导航和信息服务器交互过程 当客户应用程序需要地理信息数据时，它首先形成自己格式的请求文件，然 后 通过客户机上的转换程序转换成标准的x m l 格式的请求文件。服务器只能识别 这样的文件。 客户机上的转换程序机制是这样实现的：输入是客户应用程序首先形成的自 己格式的请求文件。在转换程序进行转换时，转换程序根据客户机上的转换对应 表把输入文件转换成标准的x m l 格式的请求文件。转换对应表是由客户应用程 g i s 数据信息结构设计的体系结构 序自己配制的。 当服务器将结果集传给客户应用程序时，它要把标准的结果集文件转换成自 己的文件格式。它是通过逆转换程序实现的。 客户机上的逆转换程序机制是这样实现的：输入是服务器传过来的标准的结 果集文件。在逆转换程序进行逆转换时，逆转换程序根据客户机上的转换对应表 把输入文件转换成自己格式的结果集文件，然后，让客户应用程序来使用。 二、 导航和信息服务器内数据转换过程 当请求文件到达服务器时，服务器要将请求文件中的数据名转换成信息服务 器中的数据库中数据项。这个任务由服务器上转换程序来完成。 服务器的转换程序机制是这样实现的：输入是客户应用程序传过来的标准的 请求文件。在转换程序进行转换时，转换程序根据服务器上的转换对应表把输入 文件转换成自己格式的查询文件，然后，进行查询。转换对应表是由服务方自己 配制的。 当服务器查询完毕时，将结果集传给客户应用程序时，它要把自己的文件格 式转换成标准的结果集文件。它是通过逆转换程序实现的。 服务器的逆转换程序机制是这样实现的：输入是服务器的自己格式的结果集文 件。在逆转换程序进行逆转换时，逆转换程序根据服务器上的转换对应表把输入 文件转换成标准的x m l 格式的结果集文件，然后，传给客户应用程序。 g i s 数据信息结构设计的体系结构 第四章架构实现的相关问题 本章通过一个示例程序来说明本论文提出的架构如何实现及遇到的问题，即 结合示例程序把设计中遇到的具体问题进行阐述。问题主要包括：标准的开放式 地理数据结构的设计；标准的地理信息操作和访问流程和函数；以及团体问的地 理数据与操作资源共享的模式。 4 1 坐标系的选取 本程序采用区域位置信息是以经纬度和海拔高度来表示，采用此种表示方法， 是为了以后系统的扩展性，将来可以使本系统比较容易地表示地质信息。当表示 地质信息时，海拔高度就为负。当然，也可以设计成其它形式的坐标系，但需支 持三维图形，即能表示空间信息。同时，最好支持时间这一维度。 图4 1 坐标系 区域单元：由上述表示法形成的表示区域地理信息的一个单元，近似一个长方体， 其中，( x 0 ，y o ，z o 中的x 0 表示经度，y o 表示纬度，z o 表示海拔高度，在海平 面以上，z 0 为正，在海平面以下，z 0 为负。长度x 表示跨经度的数量，宽度y 表 示跨纬度的数量，长度z 表示高度差，三者合起来说明区域单元的大小。 4 2g i s 信息数据结构及访问的详细设计 本节阐述实现本论文提出的架构的细节问题，包括所需x m l 文件的设计和在 1 6 地理信息系统的信息数据结构设计 交互过程中程序结构的设计。 客户方的转换程序所需的本地x m l 文件的示例 文件名：u s r e l a t i o n x m l 主要代码： p ：r o a d p ：r o a d p ：r o a d r o a d _ n a m e p ：r o a & 7 r o a d _ n a m e p ：r o a d l e n g ! ：h p ：r o a d l e n g t h p ：r o a d m a t e r i a l p ：r o a d m a t e r i a l 代码解释： 客户应用程序所用的数据名称写在 标记中，而与客户应用程序所用的数据 相对应的服务器提供的数据名称写在 标记中，由此让客户应用程序所用的 数据与信息服务器所提供的数据名的对应绑定，当客户应用程序向信息服务器请 求信息时，通过客户方的转换程序，读取本x m l 文件，将客户应用程序所请求 的数据转换成信息服务器所提供的数据名，以x m l 文件的形式传给导航和信息 服务器。 说明： 1 本示例程序是一个模拟程序，只是模仿客户端与服务器的数据交互过程，并 没有做成b s 结构。本示例程序的客户应用程序所用的数据用x m l 来存储在 本地。 2 标记中可以直接是客户应用程序所用的变量名，而不用是x m l 的标记。 因为本示例程序的客户应用程序所用的数据是用x m l 来存储在本地，所以 标记中才是x m l 的标记。 3 虽然 标记中的内容与 标记中的内容一样，但含义不一样， 标记中的内容是客户应用程序所用的数据名，而 标记中的内容是信息 服务器所提供的数据名，只是本示例程序的客户应用程序所用的变量名恰好 与信息服务器所提供的数据名相同而己。 4 标记和 标记代表着客户应用程序所用的数据与信息服务器所提 供的数据名的对应关系，所以需成对出现。 当服务器信息服务器所提供的数据名发生变化时，服务器向客户机发送一个 g i s 数据信息结构设计的体系结构 1 7 变更通知文件( 为x m l 文件，里面记录着变更前信息服务器所提供的数据名和 变更后的信息服务器所提供的数据名及其对应关系，文件结构与客户方的转换程 序所需的本地x m l 文件相似) ，然后，客户机根据变更通知文件，完成对客户方 的转换程序所需的本地x m l 文件的修改，使客户应用程序所用的数据与变更后 的信息服务器所提供的数据名对应，完成更新。这样，在对客户应用程序透明的 情况下，完成了客户应用程序所用的数据与信息服务器所提供的数据名的对应关 系的信息同步，而不会影响到客户应用程序的修改。 说明：客户方的转换程序所需的本地x m l 文件和变更通知文件的有效性定义， 即x s d 文件由服务方定义提供。还有，客户方的更新程序，即根据变更通知文件， 完成对客户方的转换程序所需的本地x m l 文件的修改的程序，可以由服务方提 供模块。 请求数据文件的示例 文件名：f o o x m l 主要代码： p ：r o a d r o a d _ n a m e p ：r o a d l e n g t h p ：r o a d m a t e r i a l 说明： 标记中的内容为信息服务器所提供的数据名，是客户应用程序所用 的数据经过客户方的转换程序转换后所所对应的信息服务器所提供的数据名。在 实际系统中它将在网络中传给导航和信息服务器。 请求数据文件的有效性由服务方定义。 不足之处： 请求数据文件即查询数据，它应当像s q l 一样具有条件查询的能力，在实际 系统中，请求数据文件应该设计能像s o l 一样，具有很强的查询数据的能力，至 少完全具有，也应该有比较简单的且条件查询和范围查询等一些数据查询表述能 力。本示例文件由于时间和个人能力关系，没能实现，这是本论文不足之处，有 机会一定加以改进，实现条件查询。 一、客户应用程序与导航和信息服务器交互过程的示例 首先，在说客户应用程序与导航和信息服务器交互过程之前，先说明一下本 示例程序的所包含的类。 示例程序的类图： 1 8 地理信息系统的信息数据结构设计 图2 2 客户应用程序与导航和信息服务器交互过程的示例的类图 兑明： 类a l ：模拟的是客户应用程序，它的模拟过程就是调用客户方的转换程序，将客 户应用程序所用的数据转换成服务器成信息服务器所提供的数据名，再得到服务 器发送的数据后，将结果集数据文件转换成客户应用程序所用的数据。 模拟类a 1 的功能： 1 调用客户方的转换程序，m a i n o 中调用。 2 将结果集数据文件转换成客户应用程序所用的数据，类中方法w r i t e 拟实现此功能。 类d a t a a c c e s s ：模拟客户方的转换程序，发送数据到服务器，逆转换程序等。本 类把比较固定的过程都放在了一起，适宜客户应用程序使用。 模拟类d a t a a c c e s s 类中方法的说明； g e t d a t a 0 ：获得数据，它的功能是调用客户方的转换程序，将客户应用程序所用 的数据转换成服务器成信息服务器所提供的数据名，形成请求数据文件，然后发 送给服务器，得到服务器发送的数据后，通过逆转换程序，得到结果集数据文件， 返回给客户应用程序。 t r a n s l a t e 0 ：模拟客户方的转换程序的功能。 r e v e r s e 0 ：模拟逆转换程序的功能。 s e t