（信息与通信工程专业论文）面向地理数据服务的集成空间查询处理技术.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 地理数据服务是指能够提供对地理空间数据访问的w e b 服务，是w e b 服务技术 在空间信息领域的应用。随着地理数据服务技术的不断完善与发展，以服务的方式实 现对地理空间数据的发布、访问和操作成为技术的主流。目前，w e b 上分布着极其丰 富的在线地理数据服务资源；而单个的地理数据服务所能提供的数据有限，无法满足 实际的应用需求。面对急速增长的地理数据服务资源，出现了“数据丰富，集成使用 困难 的局面。因此，人们迫切地需要一个面向w e b 的空间数据集成系统，来帮助人 们获取w e b 上的空间数据资源并加以集成应用。面向地理数据服务的空间数据集成技 术已经成为g i s 领域和空间数据库领域研究的热点。 目前，面向地理数据服务的空间数据集成技术的研究主要集中在集成系统的体系 结构、集成机制和原型系统实现等方面，而对于集成空间查询处理技术的研究还不多 见。论文借鉴了通用信息领域在集成查询处理方面的研究成果，以符合o g c 标准的 地理数据服务为研究对象，以城市空间信息服务应用系统的需求为牵引，对集成空间 查询处理中的若干关键技术进行了研究，具体包括：面向g m l 的渐进式空间连接查 询处理、集成多元空间连接查询处理以及集成七邻近查询处理等技术。并将研究成果 应用于实际的系统中。本文的主要工作和创新点包括以下几个方面： ( 1 ) 研究了面向g m l 的集成查询处理问题，提出了渐进式空间连接俾s j ) 查询处 理算法，针对传统渐进式查询处理框架应用于空间连接查询时所出现的数据滞留和频 繁调度问题，提出了适应性过滤一提炼两步骤的空间查询处理策略，保证了p s j 算法 在内存连接阶段的处理效率。 ( 2 ) 研究了p s j 算法的内存溢出问题，提出了一种基于驻留度的动态同步替换策 略，该策略充分考虑了输入数据集的相对传输速度、空间对象的相对分布等因素，尽 可能将未来利用率较低的数据调度到磁盘上，提高了驻留内存数据的利用率；研究了 p s j 算法磁盘连接的优化问题，提出了一种基于b e a ( b o n de n e r g y 舢g o r i t h m ) 的不完全 连接算法，其核心思想是通过有效数据调度尽可能减少磁盘连接阶段冗余的i o 代价， 提高了p s j 算法的性能。 ( 3 ) 深入分析了集成多元空间连接查询自身的特性，提出了一种通用空间连接图 ( g s j g ) 模型来表达任意的空间连接查询，并将集成多元空间连接查询的查询优化问题 转化为g s j g 的最优二元生成树搜索问题。在g s j g 中，总能找到具有全局最优的查 询执行计划，特别是针对包含环的复杂多元空间连接查询，该模型更加有效。 ( 4 ) 针对集成多元空间连接查询在内存阶段和磁盘连接阶段各自的查询处理特 性，定义了相应的有效生成树，并研究了其代价模型。基于g s j g 模型，提出了内存 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 连接阶段优化的连接操作调度( o j p ) 算法和磁盘连接阶段最优查询计划生成( b u o s t ) 算法，其基本思想都是枚举相应的有效生成树以获得最优操作调度顺序和查询执行计 划。实际的应用验证了这种处理方法的实用性和可操作性。 ( 5 ) 针对集成七邻近查询，提出了一种数据源r 树( g d s r 树) 索引结构和数据源 过滤( g d s f i l t e r ) 算法，g d s f i l t e r 算法在深度优先搜索g d s r 树的过程中，依据查询点 到地理要素集的最近距离和最大距离作为度量准则进行剪枝，有效过滤了与查询无关 的地理数据服务；综合考虑了多种查询窗口与数据源数据空间的位置关系，改进了现 有的候选地理数据服务七邻近查询实现算法，进一步减少了集成七邻近查询的数据传 输量，提高了集成系统的查询效率。 基于上述研究成果，论文最后构建了集成空间查询处理原型系统，并对原型系统 进行改造，应用于上海城市空间信息服务应用系统，验证了所提出技术和方法的有效 性和实用性。 主题词：地理数据服务，空间数据集成，集成空间查询处理，渐进式空间连接查 询，适应性多元空间连接查询，集成k 邻近查询 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t g e o s p a t i 2 l ld a ：t as e r v i c ei sak i n do f 、v e bs e r v i c e 讹c hs u p p o r t sa c c e s st 0s t o r e d g e o s p a t i a ld a t a p u b l i s k n g ，a c c e s s i n ga i l dp r o c e s s i n gg e o s p a t i a ld a t am r o u 曲g e o s p 撕a l d a t as e r v i c e sa r eb e c o m i n gm o r e 觚dm o r ep o p u l a r 谢t t lt 1 1 ed e v e l o p m e mo f 、v e bs e r y i c e t e c 小l e s c u r r e n t l y ，t 1 1 e r ea r em u n e r o u sg e o s p a t i a l 批s e r v i c e so n l i i l e o i l es i n g l e g e o s p a t i a l d a ：t as e r v i c eh a sl i m i t e d 讹w m c hc a n ta l w a y ss a t i s 母v 撕o u s 印p l i c a t i o n r e q u n m e m s u s e r sl a c ke m c i e n tm e m o d st of l u l l yu t i l i z eo i l l i n eg e o s p a t i a ls e r v i c e s 锄d q u e 叮锄o n gd i f j f e r e mg e o s p a t i a jd a t as e r v i c e si na i li i l t e 伊a t e dw a y r e c e m l y ，g e o s p a t i a l 纰s e r v i c e si n t e g r a i t i o nh a sb e e ng o t t e ne x t e r 峪i v ea l t e n t i o r l sa n db e c o r n eah o ti s 吼l ef o r b o t hg i s 锄ds p a t i a l 出【t a b 嬲er e a h n s m a n yc u r r e n tr e s e a r c hf o rs p a t i 酊纰缸e g r a t i o no v e rg e o s p a t i a l 纰s e r v i c e sf o c u s e s o nt h es y s t e ma r c l l i t e c 眦，硫e 鲥t i o nr n e c l l a l l i s ma n dp r o t o t y l ) ci i l l p l e m e n t a t i o n w l l i l e f e wo fi n t e 黜ds p a t i a l 小i e 】了h a sb e e nr e p o r t e d t os n j d yt l l ei s s u e so fi 1 1 t e 伊a t i 甜s p a t i a l q u e 巧o v e rg e o s p a t i a ld a t as e r v i c e s ，衄sp 印e rg i v e sac o m p r e h e n s i v ed i s c u s s i o na n d 趾l a l y s i so nf 0 珊e r 、v o r ki i lr e l a t e da r e 硒t o 删st ：h e 印p l i c a t i o nn e e d so fu r b a i ls p a t i a l i i l f o n n a t i o n r v i c e s ，、eg t u d ym t e 伊a t e ds p a t i a lq u e r yp r o c e s s i n gi i l c l u d 证gp r o g r e s s i v e s p a t i a lj o i l lq u e 巧o v e rg m l ，a d a p t i v em u l t i - 、a ys p a t i a lj o i i lq u e d ra n di i l t e 鲈a t e d 尼m a r e s t n e i 曲b o r sq u e 巧w ed s oa p p l yo u ra c l l i e v e m e n t st 0p r a c t i c a l 印p l i c a t i o n s t h em a i l l 、0 r k a n di m l o v a t i o n sa r ed e t a i l e da sf o l l o 、v s ： ( 1 ) t op r o c e s si m e g r a t e dj o mq u e 巧o v e rg m l ，w ep r o p o s e 觚e 伍c i e n tp r o g r e s s i v e s p a t i a lj o i nq u e d ，a l g o r i n l i i l ( p s j ) t oa v o i d 1 eb u 艉rf o ru n p r o c e s s e dd a _ t ao v e m o wa n d 船q u e n t l yn u s m n g d a t af r o mm e n l o d rt 0d i s ki 1 1m e m o 巧j o ms k 唱e ，w ep r o p o s ea i la d 印t i v e f i l t e r - r e f i i l e m e n tp o l i c yt 0p r o c e s ss p a t i a lj o i r l w h i c hc a ne r 帅r et h ep e r f o m a n c eo fm e m e m o 巧- j o i n s 诅g ef o rp s j ( 2 ) t bd e a l 谢t 1 1m e m o 巧o v e r f l o wf o rp s j ，w ep r o p o s ead ) r n 锄i cc o n c l 盯e n tf l u s m n g p o l i c y ( d c f p ) b 嬲e do nr e s i d e n td e g r e e ，d l i c ht a k e sm oa c c o 眦1 tt h er e l a t i v ed i s t r i b u t i o n a n dt r a i l s m i s s i o nv e l o c i t ) ，o ft l l ei i l p u td a t a s e t s nr r 汹( e sj o i nq u e 巧p r o c e s s 证i n e m o 巧- j o i i l s t a g em o r ee m c i e n t w ea l s od e v e l o p 锄o p t i m a ld a 船a c c e s ss c h e d u l ea l g o r i 廿l i i lb 嬲e d0 n b e a ( b o n de n e r g ya l g o r i t h m ) t or e d u c er e d u n d a n ti oc o s ti i ld i s k _ j o i ns t a g e ( 3 ) b a s e do n 眦a l y s i so ft l l ec h a r a c t c r i s t i c so fm u l t i w a ys p a t i 2 l lj o i nq u e r y ，、ep r e s e n t ag e n e r a ls p a t i mj o i i l 孕a p h ( g s j g ) m o d e lw 1 1 i c hc a ne x p r e s sa n yt y p eo fm u l t i w a ys p a t i a l j o 洫q u e 巧a i l d 仃缸塔f o 咖t 1 1 ep r o b l e mo fi t sq u e 巧o p t i m i z a t i o ni r i t o l ep r o b l e mo fb i n 御y s p a u l l l i n g 句r e es e a r c hf o rg s j g b a s e do ng s j g ，i ti se a l s i e rt 0f i n dag l o b a lo p t i m a lq u e r ) r e x e c u t i o np l a nf o rm u l t i 、v a 【ys p a t i 甜j o i i l ，e s p e c i a l l yf o rc o m p l e xm u l t i w a ys p a t i a lj o 洫 q u e r ) r 、析t l lr i n gj o i n ( 4 ) a c c o r d i n gt o l ec h a f a c t e r i s t i c so ft l l em e m o 巧一j o i i ls t a g e 觚dd i s k - j o i l ls t a g ef o r 证t e 笋a t e dm u l t i - w a ys p a t i a lj o i nq u e 巧，w ed e f | i 坨l ec o n c e p to fe m c i e n tb i i l a r ys p 锄血n g 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 t r e e ( e b s t ) ，a n ds t u d y l ec o s te s t i m a t i o nm o d e lf o rc o r r e s p o n d i n ge b s t b a s e do ng s j g 锄dt h ec o s tm o d e l ，w ep r o p o s e 觚o p t i m a lo p e r a t o rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m ( o j p ) f o r m e m o r y - j o i ns t a g ea n daq u e r yo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ( b u o s t ) f o rd i s k - j o i ns t a g e b o t l l o j pa 1 1 db u o s ta l g o r i t l 蚰u s ee x l l a u s t i v es e a r c hm e t h o dt os e l e c tm ee m c i e n ts p a n n j n g 骶e 谢t l lt h em i m m u mc o s t ，w m c hh 2 l sb e e np r o v e de 仃e c t i v ea i l de m c i e mi l lp r a c t i c a l s p a t i a li i l f o r n l a t i o na p p i i c a t i o n ( 5 ) i no r d e rt op r o c e s si 1 1 t e 黟a t e d 七n e a r e s tn e i 曲b o r s ( 缸n n ) q p e 巧，w ep r e s e ma g e o s p a t i a ld a t as o u 】陀er 仃e ei n d e x ( g d s r 仃e e ) a i l dad a ：t as o u _ r c ef i l t e ra l g o r i 岫 ( g d s f i l t e r ) b yu s i n gt l l em i n i m a la 1 1 dm a x i m a ld i s t a n c e 五mt 1 1 eq u e 叫p o i n tt ot h ef e a ：t u r e c o l l e c t i o n 舔p r u n i n gl o 、v e rb o u r l da 1 1 du p p e rb o u l l dt or e t r i e v eg d s rt r e e ，g d s f i l t e rc a n e f i c i e n t l yf i l t e rt l l o s eg e o s p a t i a ld a t as e r v i c e sw h j c hd o n tc o m r i b u t et 0t l l eq u e d rr e s u l t w ee i l l l a l l c et i l ea d 印t a b i l i 够o fe x i s t i n g 肛n nq u e 巧a l g o r i t l u l lf o rc a n d i d a t eg e o s p a t i a ld a t a s o u r c e ，w h i c ht a k e si n t oa c c o 眦ta l lb n do fr e l a t i o n sb e t w e e nq u e 巧w m d o wa r l dd a t as p a c e o fg e o s p a t i a ld a t as e r v i c e s t h ep r e s e n t e da l g o r i t se m c i e n t l yr e d u c et t l e 仃a n s m i s s i o n d a _ t av o l 啪ea 1 1 dt l l er e s p o n s et i m eo fi n t e g r a t e d 肛n nq u e r y e i a s e do nt l l ea b o v ea c h i e v e m e n t s ，、ed e s i g na ni i i t e g r a t e ds p a t i a lq u e 巧p r o c e s s i n g p r o t o t y p e i no r d e rt op u to u ra c h i e v e m e n t si n t op r a c t i c e ，、v em 出汜s o m em o d i f i c a t i o n sf o r m ep r o t o t y p ea 1 1 da p p l yi ti n t ot h eu r b a l ls p a t i a li n f o r m a t i o ns e i c e ss y s t e m ，w m c hh a d v a l i i l a t e dt h ee f n c i e i l c ya i l dp r a c t i c a b i l i t yo fo u _ rp r e s e n t e dt e c h n i q u e s k e y w o r d s ： g e o s p a t i a i d a 切 s e n ，i c e s ，s p a t i a i d a 协 i n t e g r a t i o n ， p r o g r e s s i v es p a 稍a ij o i nq u e r y ， a d a p t i v em u l t i - 、a ys p a t j a i j o i n q u e 吖， i n t e g 陀t e dkn e a 陀s tn e i g h b o 鸭q u e r y 第i v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表3 1p s j 常用符号列表4 3 表3 2p s j 测试数据特性5 4 表4 1a m s j 测试数据特性。7 6 表4 2 查询谓词参数表7 7 表4 3 几种不同类型的多元空间连接查询7 8 表4 4q 1 的实际操作数7 9 表5 1 测试g d s 特性9 3 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1s i g 的组成6 图1 2s i g 框架体系7 图1 3 空间数据集成的研究层次9 图1 4 空间数据仓库模型1 0 图1 5 中介模型1l 图2 1 服务、接口和操作之间的关系图2 1 图2 2o w s 服务体系2 1 图2 3w f s 体系结构图。2 4 图2 4 标准w f s 的服务请求处理时序图2 4 图2 5 通用要素模型2 6 图2 6 简单地理要素几何模型2 7 图2 7g m l 的组成及其之间的关系2 9 图2 。8g m l 三个核心模式之间的关系图3 0 图2 9 自定义应用模式实例31 图2 1 0 与2 9 中应用模式相一致的g m l 实例文档片断3 1 图2 1 1f i l t e r 编码模式片断3 2 图2 1 2f i l t e r 编码示例3 3 图2 1 3 空间数据集成的模式结构。3 3 图2 1 4 面向g d s 的空间数据集成系统体系结构3 4 图2 1 5 集成空间查询处理流程3 6 图3 1p s j 的查询处理框架4 2 图3 2 连接图及其分解示例4 6 图3 3 连接矩阵与关联度矩阵示例4 7 图3 4 连接矩阵分解过程示例4 8 图3 5 完备参考点示例5 3 图3 6 第一组测试数据在可靠的网络环境下的实验结果5 5 图3 7 第一组测试数据在不可靠的网络环境下的实验结果5 5 图3 8u c s j 和t h m j 的性能比较图5 6 图3 9 第二组测试数据在相同传输速率条件下的实验结果5 6 图4 1 通过空间连接图示例“ 图4 2 图4 1 ( b ) 对应的两种不同的查询计划6 4 第v 页 国防科学技术大学研究生院学f ) = 论文 图4 3a m s j 内存连接框架6 6 图4 4 对应的查询计划及相应的左深树和实现伪码6 8 图4 5 含一条实边和一条虚边的节点生成子树图示7 2 图4 6 真实测试数据示例7 6 图4 7 查询q l 的3 种不同实现方法7 7 图4 8q 1 与q 2 的查询结果图7 9 图4 9 磁盘连接查询处理性能7 9 图5 1 i l c 心n 查询处理框架8 3 图5 2w f s 能力文档片断示例8 5 图5 3g d s r 树索引结构示例。8 6 图5 4 二维空间剪枝策略示例8 8 图5 5 查询窗口与g d s 数据空间的位置关系。9 0 图5 6 各评价指标性能图9 4 图5 7s s d 测试三种处理方法的查询性能9 5 图5 8r s d 测试三种处理方法的查询性能9 5 图6 1 原型系统总体结构9 8 图6 2 原型系统总体界面9 9 图6 3 集成空间连接查询处理器的结构。1 0 0 图6 4 集成空间连接查询处理的设置与结果显示界面。1 0 1 图6 5 集成k 邻近查询的设置与结果显示界面1 0 2 图6 6 资源信息服务体系结构1 0 3 图6 7 资源信息服务运行界面。1 0 4 图6 8 城市空间信息服务应用系统查询界面1 0 5 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术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谢意。 学位论文题目：亘自地堡数量腿盘鲍篡盛空阊查询处理盐苤 学位论文作者签名：盔j 臣豇一 日期： 纱1 年5 月多。日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：亟盛盎日期：伊1 年s 月3 o 日 作者指导教师签名：二量l 日期：。叼年6 月严日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 空间数据是人们认识和改造自然的重要数据。在人类采集和存储的数据当中，8 0 的数据和空间相关i lj 。近年来，随着空间信息获取新技术的应用和发展，人类采集和 存储的空间数据量呈爆炸式增长，空间数据膨胀速度远远超过了常规事务型数据，另 一方面，地理信息系统( g e o 伊a p l l i ci i 响m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 在很长一段时间内都处于 以具体项目为中心的孤立发展状态，再加上空间数据具有很强的时空特性、获取数据 手段复杂多样，绝大多数g i s 软件都定义自己专有的空间数据格式，从而形成了今天 多种格式原始数据并存的格局。这使得空间数据互操作与集成应用成为一个突出的问 题。一直以来，空间信息集成都是地球空间信息科学一个重要的研究与应用领域。 随着w e b 应用模式的迅速发展，越来越多的空间信息系统采用了基于w e b 构建 的模式和体系结构上，从而极大地丰富了w e b 上的空间数据资源。然而，仅靠单个空 间数据源往往不能完全满足实际的应用需求，因此，虽然在线空间数据资源急速增加， 却出现了“数据丰富，集成使用困难 的应用局面。人们迫切地需要一个面向w e b 的 空间数据集成系统，帮助人们获取w e b 上的空间信息资源并加以集成应用。当前，面 向w e b 的空间数据集成技术已经成为g i s 领域和空间数据库领域的研究热点。 本章作为全文的导论，首先介绍论文课题的应用和技术背景以及研究意义，然后 介绍论文的主要研究工作。同时，作为以下各章节的基础，本章还将介绍相关领域的 国内外发展现状。 1 1 课题背景与研究意义 概括地说，g i s 的网络化发展与空间数据集成的客观需求、地理信息服务技术的 产生与应用以及伴随主流分布式计算技术演变而诞生的新一代空间信息基础设施 空间信息网格( s p a t i a li i l f o n i l a t i o n 嘶d ，简称s i g ) 的研究与建设是推动本论文研究的应 用与技术背景。 1 1 1g i s 的网络化发展与空间数据集成的客观需求 i l l t e m e t 的出现与蓬勃发展使其成为g i s 新的运行平台，w e b g i s 系统也应运而生。 概括地说，w e b g i s 系统是能够在w e b 环境下获取、存储、传输、分析和显示地理信 息的计算机系统【l j 。其基本功能是能够在、b 上提供地理信息服务，使得广大i n t e m e t 用户能够通过浏览器就能浏览和获取g i s 系统的空间数据及其相关的地学处理服务 。与传统的g i s 系统相比，w e b g i s 有其自身的特性： ( 1 ) w e b g i s 是一个基于i m e m e t 的客户服务系统，客户机和服务器可以运行在 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 不同的计算平台之上，用户通过i n t e m e t i n t m e t 与g i s 服务器进行交互，而传统g i s 系统中信息交换往往限于单机或局域网之内； ( 2 ) w e b g i s 为共享和互操作分布在不同领域、不同部门的空间数据和处理功能 提供了一定的支持，使g i s 系统的发展由传统集中的( c e m m l ) 、封闭的( c l o s i n g ) 、数据 紧耦合的( t i g h t c o u p l i n g ) 系统向分布式的( d i s t r i b u t e d ) 、开放的( o p e n ) 、数据松耦合 ( l o o s e c o u p l i n g ) 的系统方向发展； ( 3 ) w e b g i s 是面向大众用户的g i s 系统，并且已经成为涉及日常生活、政府管 理、商业娱乐等众多方面的大众型应用，突破了传统g i s 仅仅面向少数专业人士的局 限。 随着网络技术的不断发展与普及，各种g i s 系统都在设法将其应用转移到w e b 上【3 8 】。各地方、各部门不断地建立与维护自己的w e b g i s 系统。w e b g i s 对地理信息 的发布、检索和浏览无论在形式上还是在手段上都引发了革命性的变化。一般认为 w e b g i s 将g i s 系统由传统的技术驱动转向应用驱动的发展阶段。目前，w e b g i s 在 项目级、部门级应用中已取得巨大效益，但在继续深入到企业化、社会化的过程中， 空间信息的分布式组织处理与集成应用的矛盾逐渐突出【2 4 ，9 】，造成该矛盾的根本原因 在于w e b 上空间数据的异构性。与常规数据相比，空间数据的异构性更加复杂，主要 表现为以下几个方面【1 0 - 1 2 ，1 5 】： ( 1 ) 多来源，获取地理空间数据的方法有多种多样，包括航空航天遥感、地图数 字化、实地勘测、推测与估算、统计普查等等。这些不同手段获得数据的存储格式及 处理手段都各不相同； ( 2 ) 多模式，主要表现为空间数据源的存储模式和处理平台的差异，现有的空间 数据存储模式包括关系模式、对象模式、对象关系模式和文档嵌套模式等几种，而平 台的差异则主要表现在空间数据源所依赖的操作系统和数据库系统之间的差异； ( 3 ) 多时空，由于g i s 数据具有很强的时空特性，包括同一时间不同区域的空 间数据以及同一地理区域不同时序的空间数据； ( 4 ) 多比例尺，由于显示、表达和精度的需要，g i s 中一般会根据应用的需要而 采用不同的尺度对地理空间进行表达，不同的观察尺度具有不同的比例尺和不同的精 度； ( 5 ) 多语义性，g i s 系统的研究对象是与具体的应用相关的，不同的应用关注地 理现象的不同侧面，从而导致现实世界中同一地理信息单元，在不同的g i s 系统中可 能对应着不同的语义，例如空间属性相同的两个空间对象可以对应一块绿地，也可以 对应某种植被的区域分布。 在g i s 领域中，这种异构数据源随处可见，集成多个w e b 上的空间数据源，不仅 能够充分利用已有的空间数据资源、降低g i s 系统的构成成本、满足g i s 对空问数据 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的时效性需求，同时还能实现某些应用的跨行业协同工作。因此，无论是从社会需求 的角度，还是从g i s 的发展来看，面向w e b 的空间数据集成与共享都是一种客观的必 然【1 5 ，1 6 ，1 7 1 。 空间数据的异构特性为空间数据集成应用造成了巨大困难，同时空间数据自身的 复杂性也使得空间数据集成应用较其它行业数据集成应用更加复杂。这种复杂性首先 表现在不同层次和不同来源的空间数据需要在相同的地理框架下进行表达；其次，面 向分布式空间数据源的空间查询处理较通用数据集成查询要困难得多；第三，由于不 同站点对空间查询处理的性能存在较大差异，因此要在w e b 环境下部署节点间的协同 化空间信息应用也相当难l z 】。 上述问题给空间数据集成的进一步研究和技术开发带来了挑战，很多研究机构开 展了对上述问题的研究。n s f 将分布式空间数据集成列为1 0 大研究热点之一；著名 研究机构u c g i s ( u i l i v e r s 时c o l l s o r t i 啪f o rg e o g r a p l l i ci n f o n n a t i o ns c i e n c e ) 、 n c g 从( n a t i o n “c e 蛐融f o rg e o 擎a p h i ci r 曲帆a t i o na n d 加试y s i s ) 等也已将空间数据集 成列为其研究重点和长期规划，v l d b 2 0 0 6 会议也指出面向w e b 的数据集成将是未来 数据库领域一个重要的研究方向。从上述研究机构的不同研究计划和近期国际学术会 议录用的文章可以看出，在空间信息领域，对面向w e b 的空间数据集成的研究无论是 当前还是可以预见的未来都是一项重要的研究内容【1 3 ，川。 1 1 2 地理信息服务的产生与发展 i t 技术的发展不断推动g i s 的发展，软件技术由集中式模块化对象化一 一组件化的发展方向带动了g i s 由集中式单机系统向模块g i s 、对象g i s 、组件g i s 的发展。目前的g i s 软件大多采用组件技术构建，将g i s 的各大功能分解为若干组件 或控件，g i s 用户不再需要购买整套g i s 软件和硬件平台，而是根据实际的需要购买 相应的组件。这使得开发人员在通用的开发环境中就能很容易地开发出具有高效性和 灵活性的g i s 应用系统【1 8 1 9 1 。由于传统的分布式组件技术，如c o r b a 、d c o m 、r m i 等，采用了不同组件模型和传输协议，这使得不同组件之间很难集成，难以满足分布 式异构网络环境下集成不同g i s 厂商提供的g i s 组件的应用需求。分布式g i s 集成需 要一种新的空间信息集成和互操作技术平台，地理信息服务技术正是在这种背景下应 运而生的。 地理信息服务技术是、b 服务技术在地理信息领域的应用。按照i b m 对w e b 服 务的定义：w e b 服务是一种部署在w e b 上的自包含、自描述的模块化对象组件或程 序，可以实现基于w e b 的发布、发现和调用【1 0 5 j 。因此，w e b 服务具有很多优良的特 质，如完好的封装性、松散耦合、较好的互操作性、使用标准的协议规范、高度集成 能力等。w e b 服务是w e b 上“面向服务体系结构( s e r v i c eo r i e n t e da r c l l i t e c t u r e ，s o a ) 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的一种实现方式，它以三种基本角色( 服务提供者、服务请求使用者和服务注册) 和三 种基本操作( 发布、查找与绑定) 实现松耦合的、与平台无关的、位置透明的服务机制， 并支持实现服务的复用与服务动态组合【2 0 】。w e b 服务伴随着业界的不断标准化而产 生，并随着相关研究工作的不断深入，w e b 服务技术已经成为i n t e m e t 环境下一种新 的中间件形式，得到国内外学术界和产业界的广泛认可和应用1 2 ，并已经成为m t e m e t 上提供远程功能调用的事实标准。 从w e b 服务的角度来看，地理信息服务是指利用相关的空间数据和处理功能完成 基本地学处理任务的可调用w e b 应用程序【2 】。这些任务包括：提供数据、制图、地址 匹配，邻近搜索，路由选择等。由于地理信息服务主要面向w e b 提供应用，同时它与 新兴的w e b 服务技术有着紧密的联系，因此它也被称为“地理信息w e b 服务 ( g e o s p a t i a lw e bs e i c e ，以下简称g w s ) 。g w s 使得w e b 成为传输空间数据和地学 处理功能的平台，也使得应用程序开发者能够将w e b 上丰富的g i s 功能集成为他们的 w e b 应用程序而不需要在本地具体实现这些功能。 为了更好地将地理信息服务的概念扩展到网络上来，以w e b 服务的方式构建空间 信息应用，国际标准化组织地理信息技术委员会( i s ot e c l 面c a lc o m m i t t e eo f g e o 盯a p h j ci n f o 咖a t i o g e o m a t i c s ，代号为i s o t c 2 1 1 ) 和开放地理信息联盟( o p e n g e o s p a t i a lc o n s o r t i 啪，o g c ) 发起了一系列大规模的研究计划，致力于研究基于服务 体系架构的在线地理信息服务技术与标准规范。在这方面，o g c 和i s o 的研究趋于一 致，其中比较重要的研究计划包括：w m t ( w e bm 印p i n gt e s t b e d ) 、o w s ( o g cw e b s e r v i c e si l l i t i a t i v e ) 、g s wi e ( g e o s p a t i a ls e m a n t i cw e b i n t e r o p e r a b i l i t ye x p e r i m e n t ) 等。目 前，o w s 研究计划的研究成果o g cw e b 服务体系( 简称o w s ) ，已经成为该领域 事实上的标准，有效地指导了不同层次地理信息服务的开发和实现。 w e b 服务技术的出现为实现分布异构环境下空间信息的集成和协同应用提供了新 的解决方案。通过w e b 服务技术将空间数据和功能模块以地理信息w e b 服务的形式 进行封装，普通用户可以通过标准的w e b 服务访问接口对g w s 进行调用以满足其地 理信息应用需求，从而最大程度地实现了分布异构环境下空间信息共享和互操作，同 时，地理信息服务技术也将空间信息集成的研究引入了一个新的时期。 广泛使用的地理信息服务有两种：地理数据服务和地理信息处理服务。地理数据 服务提供外界对空间数据的访问，地理信息处理服务提供对空间数据的处理功能。目 前o g c 服务框架中对地理信息处理服务的分类和接口定义还比较薄弱，没有形成成 熟的标准，相关的研究工作正在进行中；而对于地理数据服务经过多年的实践和改进， 已经形成了成熟的实现规范，如地理要素服务实现规范【2 2 j 和地理覆盖服务实现规范l z 3 j 等。这些标准得到了g i s 领域软件和服务提供商的广泛支持，并成为事实上的空间数