（系统分析与集成专业论文）基于uml的组件式gis概念模型的研究.pdf

摘要 随着组件技术的发展，组件式g i s 在地理信息系统的二次开发中获得了广 泛的应用。但是组件式g i s 缺乏专有的概念建模方法，这对使用g i s 组件进行 二次开发带来了不便之处。首先，系统设计人员在建立g i s 概念模型过程中缺 乏特定的建模标准，使得他们所建立的模型不利于在不同人员之间进行交流。其 次，可视化建模工具，如r a t i o n a lr o s e ，不能够很好地表示组件式g i s 的空间特 性。 然而，我们也应该看到，随着g i s 各个研究领域的发展，已经有一定的技 术基础来解决组件式g i s 的概念建模问题。第一，各大g i s 厂商都必须遵守i s o 制定的g i s 国际标准，这意味着不同的g i s 组件尽管在实现细节上存在着差异， 但是它们在概念上和功能上有着大量的相似之处。第二，空间数据的概念建模的 研究已经取得了相当的成果，这些研究成果提出了一些很好的方法来规定空间数 据直观化的表示方法以及空间数据概念模型如何向空间数据逻辑模型进行转化。 第三，u m l 是当前使用最广泛的概念建模语言，它具有灵活的扩展机制，能够 为组件式g i s 的概念建模提供良好的建模语言。 基于上述原因，我们可以提出一种组件式g i s 的概念建模方法，以此来解 决组件式g i s 所面临的概念建模问题。 关键字：组件式g i s ，概念模型，u m l a b s t r a c t c o m p o n e n t sh a v e b e e nw i d e l yu s e di n t h es e c o n d a r yd e v e l o p i n g 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 ( o i s ) b u tc o m p o n e n t g i sl a c k ss p e c i f i cc o n c e p t u a lm o d e l i n g a p p r o a c h ，w h i c hc a u s e sal o to fi n c o n v e n i e n c ei nt h es e c o n d a r yd e v e l o p i n gg i s f i r s t o fa l l ，b e c a u s et h e r ea r en ou n i v e r s a lr u l e si nt h ep r o c e s so f m o d e l i n gg i s ，t h em o d e l s b u i l tb yt h es y s t e md e s i g n e r sc a r l tb ew e l lu n d e r s t o o db yo t h e rp r o g r a m m e r s i n a d d i t i o n ，t h es p a t i a lf e a t u r e so fc o m p o n e n t g i sc a n tb ew e l ls h o w ni nt h ev i s u a l m o d e l i n gt o o l s s u c ha sr a t i o n a lr o s e h o w e v e r , i ts h o u l db en o t i c e dt h a tal o to fp r e r e q u i s i t er e s e a r c h e sw h i c hc a ns o l v e t h ep r o b l e mh a v eb e e nd o n e f i r s t l y , d i f f e r e n tg i sc o r p o r a t i o n sh a v et ou s et h es a m e g i ss t a n d a r d sm a d eb yi s o i tm e a n st h a td i f f e r e n tg i sc o m p o n e n t sh a v et os h a r et h e s a m ec o n c e p t sa n df u n c t i o n st h o u g ht h e ym a yd i f f e ri nd e t a i l s s e c o n d l y t h e r e s e a r c h e so nc o n c e p t u a ld a t am o d e l sf o rs p a t i a ld a t a b a s eh a v eg o tg r e a ta c h i e v e m e n t m a n ya p p r o a c h e su s e dt od e s c r i b et h ec o n t e n t so ft h es p a t i a ld a t a b a s ei na ni n t u i t i v e w a ya n ds p e c i f yt i l er u l e so ft r a n s l a t i o nf r o mc o n c e p t u a ld a t am o d e l st ol o g i c a ld a t a m o d e l sh a v eb e e np r e s e n t e d f i n a l l y , u m li st h em o s tp o p u l a rc o n c e p t u a lm o d e l i n g l a n g u a g e i tc a nb ee x t e n d e df l e x i b l yt ob u i l dm o d e l sf o rg i s o nt h eb a s i so fa b o v er e a s o n s ，i ti sp o s s i b l et op r e s e n ta nc o n c e p t u a lm o d e l i n g a p p r o a c hf o rc o m p o n e n t g i s t os o l v ei t sm o d e l i n gp r o b l e m k e y w o r d s ：c o m p o n e n t g i s ，c o n c e p t u a lm o d e l ，u m l 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。 论文作者签名：彭域时间；如年f 月g 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解湖北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的e p , 幂i j 本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：- 黝- j ：- z 碱 签名日期：矽d 年月孑日 导师签名： 岁时吩 签名日期：弘彩年月留e l 1 绪论 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 ，简称g i s ) 是由计算机硬 件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据的采集、管理、 处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题，g i s 作为全球化信 息系统的建设与应用，引起科技界、企业界和政府部门的广泛关注 1 。 1 1 组件式g i s 的兴起及其优点 软件是g i s 核心内容之一，经过4 0 多年的发展，g i s 软件技术体系结构得 到了很大的发展。g i s 软件技术是g i s 软件的组织方式，依赖于一定的软件技术 基础，决定了g i s 软件的应用方式、集成效率等诸多方面的特点。从发展的历 程看，g i s 软件技术经历了五个阶段( 见图1 1 ) ：集成式g i s 、模块式g i s 、核 心式g i s 、组件式g i s 和万维网o l s ”1 。 图1 1g i s 软件技术的发展 组件式软件技术已经成为当今软件技术的潮流之一。为了适应这种技术潮 流，g i s 软件同其他软件一样，已经或正在发生着革命性的变化，即由过去厂家 提供全部或者具有二次开发功能的软件，过渡到提供组件由用户自己再开发的方 向上来。无疑，组件式g i s 技术将给整个g i s 技术体系和应用模式带来巨大的 雾卤 影响【1 6 】。 组件式g i s 以一组具有某种标准通信接口的、允许跨语言应用的组件提供 地理信息，这种组件称为g i s 组件，g i s 组件之间以及g i s 组件与其它组件之间 可以通过标准的通信接口实现交互【1 9 1 。同传统g i s 相比，它有着明显的优势和 特点【2 0 】： 1 、重用因为组件是标准的，任何人( g i s 开发商、二次开发用户) 都 可以创建和扩展已有的g i s 组件。g i s 开发人员不再需要在其内核里单独开发诸 如表格界面、报表生成器和统计图等功能，而是可以采取“拿来主义”，将所有 这些可以丰富g i s 功能和表现力的第三方组件集成到系统中来。 2 、运行时扩展现代操作系统都提供对系统运行时扩展的支持，由于组 件只有在运行时才调用，可以最少的使用资源。 3 、编程语言j a v a 组件用j a v a 语言创建，c o m 组件则可以用任何现代 编程语言创建。c o m 的这种语言无关性的优势还体现在二次开发上，因为传统 的g i s 往往提供独立的二次开发语言，如a r c l n f o 的a m l 、m g e 的m d l 、m a p i n f o 的m a p b a s i c 等，这对语言的开发者和使用者都是很大的负担。 4 、强大的开发工具很多集成开发环境都支持组件，开发人员可以选择 v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 、d e l p h i 、c + + b u i l d e r 、p o w e r b u i l d e r 等。此外，许多 可视化建模工具也支持组件的开发。 5 、与其它系统的集成由于组件技术己成为行业标准，非专业的普通用 户也能够在其它系统中集成所需要的g i s 功能。用户可根据需要选择相应的g i s 组件，大大的降低了用户的经济负担，降低了软件的开发成本。 1 2 组件式g i s 存在的问题 尽管组件式g i s 已经取得了成功的应用，对g i s 的发展做出了卓越的贡献， 但是在实际使用过程中笔者发现组件式g i s 技术存在着一些问题： 1 、组件式g i s 的二次开发缺乏系统概念建模方法。从事o i s 开发工作的系 统设计人员必须自己定义组件式g i s 开发中所常用的空间对象和空间对象问的 关联，这对于系统设计人员来说是一种负担：更为严重的是，由于空问对象和空 间对象间的关联缺乏构造标准，不同的设计人员会用不同的方法构造空间对象和 空间对象之间的关联，这使得系统设计人员建立的系统模型缺乏交流性，这也使 得可视化建模工具，如r o s e u ，对于g i s 所特有的空间对象和空间关联缺乏有 力的支持。 2 、尽管不同g i s 开发平台供应商都要遵循地理信息国际标准【8 1 ，但是他们 实现国际标准的方式存在着差异，因此不同的g i s 组件对使用者提供的功能也 存在着一定的差异。基于地理信息国际标准所规定的规范，各个g i s 开发商提 供的组件所实现的功能大致相同，但是由于每个g i s 开发商实现国际标准的方 式不一样以及提供的组件的功能强弱不同，所以不同g i s 组件对二次开发人员 提供的功能也有所区别，这给二次开发人员带来了不便。 3 、组件式g i s 开发依赖于空间数据模型，空间数据在数据库系统中的存储 方式将影响组件使用者的使用方式f l ”。从g i s 发展来看，空间数据模型主要有 四种：混合数据模型、全关系数据模型、对象关系型数据模型和面向对象数 据模型。今后很长一段时间内将是混合数据库系统、对象关系型数据库系统 和面向对象数据库系统并存的局面。 4 、g i s 组件的功能还有限，组件式g i s 有待于进一步发展【1 5 】。 1 3 组件式g i s 的概念建模 对于组件式g i s 的概念建模，目前业界缺乏这方面的建模方法。这一方面 是由于各大g i s 供应商出于自己的商业目的，另一方面是由于组件式g i s 还有 待于进一步的发展。 但是，随着组件式g i s 技术的广泛应用以及越来越多的g i s 组件投入市场， 建立一个统一的、各大主流g i s 组件都支持的组件式g i s 概念建模方法具有十分 重要的意义。同时我们也应该看到，一些技术所取得的研究成果为解决这个问题 提供了条件。第一，地理信息国际标准已日趋成熟并获得了广泛应用“1 ，这为分 析不同g i s 组件的共同之处来统一组件式g i s 的概念建模方法提供了前提条件。 第二，g i s 组件的基础是空间数据，而空间数据的概念建模已经取得了许多研究 成果，这些研究成果为组件式g i s 的概念建模的研究奠定了基础。第三，u m l 是 当前使用最广泛的建模语言，它具有良好的扩展机制，从而为组件式g i s 的概念 建模的研究提供了良好的建模语言。 1 4 本论文的研究内容 本论文在分析了地理信息国际标准和空间数据的概念建模研究成果的基础 上，使用u m l 的扩展机制，提出了一种组件式g i s 概念建模方法。这种方法抽象 了不同g i s 组件的共同之处、屏蔽了它们之间的差异，使得从事组件式g i s 二 次开发的系统设计人员在建立g i s 系统概念模型时有共同的方法可遵循，实现 模型的可交流性，同时也实现空间对象的进一步重用。具体来讲，本论文主要实 现了以下几点： l 、在地理信息国际标准的基础上，分析组件式g i s 二次开发中不同g i s 组 件所共有的空间要素、空间操作和空间关联，对它们进行抽象和封装，并使用 u m l 的扩展机制对他们进行形象化的表示，从而为系统设计人员提供一个概念建 模方法来建立g i s 系统概念模型，实现概念模型的可交流性和空间概念的重用。 2 、参照地理信息国际标准和空间数据概念建模中模型的表示方法，提出一 个参考模型来表达本论文中的概念建模方法，并具体分析参考模型的主要内容。 3 、使用参考模型所表示的概念建模方法为一个实际案例建立系统概念模型， 以此说明参考模型的实际作用。 4 、通过案例的系统概念模型基于一个具体g i s 组件的实现来说明参考模型 所表示的方法能够被不同的主流g i s 组件。1 “”1 所支持：同时讨论了这种实现所需 进行的扩展及其所使用的扩展方法。 本论文共分六章。第一章为绪论，简要分析了组件式g i s 的优缺点，提出 了组件式g i s 二次开发的概念建模问题，并简要说明了解决该问题的技术基础。 第二章详细分析了解决组件式g i s 概念建模问题的技术基础：地理信息国际标 准、空间数据的概念建模和u m l ，讨论了组件式o i s 概念建模与其技术基础之 间的关系。第三章介绍了本论文所提出的组件式g i s 概念建模方法的参考模型， 它的主要内容包括空间要素、空间操作和空间要素之间的关联，第四章使用参考 模型所表示的概念建模方法为一个实际案例建立概念模型，以此说明参考模型的 实际作用。第五章讨论了案例基于参考模型所建立的概念模型在特定g i s 组件 ( m a p o b j e c t s ) 上的实现，以此说明参考模型所表示的建模方法能够被主流g i s 组件所支持，同时也说明用户在使用具体g i s 组件实现基于参考模型所建立的 概念模型时所需的扩展。第六章为总结与展望。 4 2 组件式g i s 概念建模的技术基础 本章首先讨论了地理信息国际标准的发展和取得的成果，接着讨论了空间数 据的概念建模所取得的成果，然后讨论了u m l 的发展历史、组织结构和扩展机制， 从而介绍了组件式g i s 概念建模的技术基础。通过分析，我们可以发现这些技术 已经取得的成果能够用来解决组件式g i s 在概念建模上存在的问题。 2 1 地理信息国际标准 国际标准化组织是全球1 3 0 个国家和地区的联盟。1 9 9 4 年，i s o 技术局决定 建立地理信息技术委员会( i s o t c 2 1 1 ) ，致力于地理信息领域的标准化，为不同 部门、地区、行业之间的数据转换协商共同认可的“游戏规则”，方便跨国、跨 地区的信息共享和服务。 i s o t c 成立初期设立了五个工作组，即：框架和参考模型工作组、地理空 间数据模型和算子工作组、地理空间数据管理工作组、地理空间数据服务工作组 和专用标准工作组。这五个工作组有各自的研究和制定标准的任务，但相互间存 在紧密的联系。框架和参考模型工作组负责框架和参考模型，目的是对 i s o t c 2 1 1 的标准化工作进行总体规划，并提出基本原则和概念设计工具；地理 空间数据模型和算予工作组负责地理空间模型和算子，承担地理信息的空间模 式、时间模式和应用模式规则、覆盖区数据几何与函数模式等工作项目；地理数 据管理工作组负责地理空间数据管理，承担地理信息的编目、基于坐标的空间参 照、基于地理标识的空间参照、质量基本数据、质量评价程序、元数据、要素与 属性分类编码( f a c c ) 数据字典、大地测量有关编码与参数等工作项目；地理空 间数据服务工作组负责地理空间数据服务，承担地理信息的空间定位接口、描述、 编码、服务、公共结构、简单要素访问s q l 选项和c o m o l e 选项等项目；专用标 准工作组负责专用标准( p r o f i l e s ) ，承担专用标准、现行实用标准和现行实用 标准修正等工作项目，主要任务是确定在i s o t c 2 11 制定的全部标准基础上，针 对某项具体应用，提取出专用标准子集和编写参考手册，分析各国或相关组织的 现有标准，制定标准分类体系并确定与本技术委员会标准相关的内容等。另外， i s o t c 2 1 l 还设立了若干特别工作组或专门工作组，包括战略顾问组、u m l 模型 协调组、宣传顾问组、地理信息网络服务接口顾问组、术语维护组、i s o t c 2 0 4 和i s 0 t c 2 11 相关项目归并特别工作组等。 截至2 0 0 1 年底，i s 0 t c 2 1 1 开展了框架和参考模型、地理空间数据模型和 算子、地理空间数据管理、数据服务和专用标准的研制工作，卓有成效。嗣后与 时俱进继续开展了影像、信息领域、基于位置服务、信息管理四个方面的工作。 截至2 0 0 3 年5 月共举行过1 6 次全体会议，完成了参考模型、一致性和测试、时 空模式、基于坐标的空间参照、质量基本数据、元数据、现行实用标准、影像和 栅格数据等9 项国际标准，提出了有关术语、专用标准、应用模式规则、要素编 码方法、基于地理标识符的空间参照、质量评价程序、定位服务、图示表达、编 码、服务、简单要素查询等1 2 项国际标准草案( d i s ) “。 2 2 空间数据的概念建模 概念数据模型是一种隐藏数据存储细节的抽象模型，它使用了逻辑概念来表 示数据，使得用户能够更加容易地理解这些数据概念。概念数据模型通常使用图 形或者可视化的工具对数据进行形象表示。从系统的角度讲，可视化的建模工具 有助于编程和系统维护，允许用户使用形象的方法建立数据模型和数据之间的关 联。模型是任何项目成功实现的关键因素，对于空间数据管理系统而言，情况更 是如此。 数据库应用程序建模通常使用三层设计。第一层，所有与应用程序相关的现 实信息被高度的抽象为概念数据模型。在概念层，用户关注的焦点是应用程序中 的数据类型、数据之间的关联和数据的限制，用户并不关心数据的实际实现过程。 这种概念数据模型经常用简单易懂的图形和一定的文本来表示。第二层，该过程 也叫做逻辑数据建模语句，它通常用一个商业的d b m s 实现第一步所建立的概 念数据模型。商业数据库使用一种能够在d b m s 中实现的模型来组织数据，如 层次结构、网络结构和关系型。第三层是物理数据模型，即在计算机物理层中布 置数据库中的数据。该层与存储，检索和内存管理紧密结合在一起i ”。 目前，国外在空间数据的概念建模方面取得了很多成果。j u l i a n ol o d e sd e 0 1 i v e i r a 等人提出了一种计算环境来为g i s 应用系统设计数据模型，该方法主 要是为那些熟悉g i s 应用领域业务但对软件工程和数据库设计不十分熟悉的终 端用户服务，它的目的是为了减少用户视角和g i s 实现之间的差距【2 9 】；t h o m a s 6 b r i n k h o f f 分析了基于网络的移动空间对象的特征，如最大速度、最大连接容量、 该空间对象对于其它移动空间对象速度的影响等，并提出了一种框架模型用于生 成基于网络的移动空间对象1 3 0 1 ；s i l v i ag o r d i l l o 等人提出了一种面向对象的方法 用于设计g i s 应用系统，该方法将软件工程的成果和程序设计模式相结合，作 为一种概念建模工具用来处理g i s 领域的设计问题f 3 】；k a r l aa vb o r g e s 等人将 对象建模技术( o m t ) 用于空间数据的概念建模，提出了一种方法( o m t - g ) 用来解决g i s 应用系统的概念建模问题【2 】；s h a s h is h e k h a r 等人用增强的e r 图 来解决空间数据的概念建模问题，给出了所建立的概念数据模型向逻辑数据模型 转换得规则，他们在文中也简要分析了如何将u m l 用于空间数据的概念建模【1 】； f l a v i ob o n f a t t i 和r o b e r t om o n t a n a r i 提出了一种空间数据的需求分析模型，该模 型能够以不变的方式表达动态对象，弥补了系统内容与设计之间的差距【4 1 。 国内在空间数据的概念建模方面也取得了一定的成果。陆峰等人提出了一种 面向对象豹数据模型用来解决网络问题，该模型讨论了虚拟网络和实际网络之间 的差别和联系以及如何通过实际网络建立易于分析的虚拟网络【5 】；有些研究人员 对于如何用面向对象数据模型构建g i s 数据库进行了一定的讨论，分析了其方 法和优点【2 l 】；在交通网络方面，也有研究人员在国外研究成果的基础上进行了 讨论 2 3 】。 2 3u m l u m l ( 统一建模语言，u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 是用于系统的可视化建 模语言，它提供了一种对软件系统进行可视化、详述、构造和文档化的标准机制。 由于u m l 内建的扩展机制，它具有广阔的应用范围。u m l 与具体实现无关， 可用于多种语言平台和工具平台，并且与具体的过程无关，可适用于多种软件开 发过程。u m l 已成为可视化建模语言事实上的工业标准n 2 3 1u m l 发展历史 1 9 9 4 年以前，面向对象建模方法领域存在几种可视化建模语言和方法学互 相竞争，它们各有优缺点，各有支持者和批评者。在可视化建模语言方面，当时 的领军人物是b o o c h ( b o o t h 方法) 、r u m b a n g h ( 对象建模技术( o b j e c tm o d e l i n g t e c h n i q u e ，o m t ) 吲) 和j a c o b s o n ( o b j e c t o r y 方澍1 2 】1 。 1 9 9 4 年，c o l e m a n 的f u s i o n 方法想将o m t 、b o o c h 、c r c ( c i a s s r e s p o n s i b i l i t i e s ，c o l l a b o r a t o r s ) 方法统一，这是统一可视化建模语言和方法工作 的最早的尝试。当b o o c h 和r u m b a u g h 加入r a t i o n a l 公司从事u m l 工作时，f u s i o n 很快被取代。 1 9 9 5 年，o b j e c t o r y 公司首席技术官j a e o b s o n 加入r a t i o n a l 公司，和b o o c h 、 r u m b a u g h 一起致力于创建一种标准的建模语言，于是开始了u m l 的工作。 1 9 9 6 年，u m l 被o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ) 提议为面向对象可视 化建模语言的推荐标准，u m l 被提交。1 9 9 7 年，o m g 采纳了u m l ，于是一个 开放的面向对象可视化建模语言工业标准诞生了。至此，所有的竞争方法渐渐被 淡化，u m l 无可争辩地成为系统建模语言的工业标准。当前u m l 正朝着m d a ( m o d e l d r i v e n a r c h i t e c t u r e ，模型驱动架构) 的方向迈进【3 1 1 。 2 3 2u m l 结构总述 u m l 能够捕获与业务和软件相关的所有处理及结构，利用u m l ，建模人员 能够为所有的既有静态结构又有动态行为的结构进行通用建模。下面是通过查看 u m l 组织结构上的各种特征，而对其所做的总体性描述【1 1 1 ： 1 、视图( v i e w ) 。u m l 的视图显示了被建模系统的各个不同方面。视图并 不是图形元素或图( d i a g r a m ) ，它是由许多图组成的一个抽象。在建立一个系统 的模型时，只有通过定义多个视图，每个视图显示这个系统的一个特定方面，才 能构造出这个系统的一个完整描述。视图还将建模语言链接到系统开发所选择的 方法或过程上。经常使用的u m l 视图包括：用例视图、逻辑视图、实现视图、 进程视图和部署视图。 2 、图( d i a g r a m ) 。u m l 图包括描述u m l 视图内容的各种图形元素，这些 元素经过特定的排列组合来阐明系统的某个特定部分和内容。u m l 大约有十几 种不同类型的图，如用例图、类图、对象图、状态机、活动图、交互图、组件图、 部署图等。通过它们的相互结合提供被建模系统的所有视图。 3 、模型元素( m o d e le l e m e n t ) 。u m l 图中使用的概念是模型元素，这些模 型元素代表普通的面向对象的概念，例如类、对象、消息、节点、包，以及这些 概念之间的关系，包括关联( a s s o c i a t i o n ) 关系，依赖( d e p e n d e n c y ) 关系、泛 化( g e n e r a l i z a t i o n ) 关系和聚合( a g g r e g a t i o n ) 关系。以上这些是对一个面向对 象的软件系统进行建模的基本元素。同一个模型元素可以在几个不同的u m l 图 中使用，但是，无论在哪个图中，同一个模型元素始终保持相同的意义和符号。 4 、通用机制( g e n e r a lm e c h a n i s m ) 。u m l 提供的通用机制为模型元素提供 一些额外的注释、信息或语义。这些通用机制还能够提供扩展机制，允许用户对 u m l 进行扩展，已便适用于某个特定的问题域、语言、方法、组织或者用户。 5 、模型驱动架构( m o d e ld r i v e na r c h i t e c t u r e ，m d a ) 特征。管理u m l 的 团体对象管理组织( o m g ) 将u m l 封装在一个称为m d a 的更广泛的 倡议中。m d a 力求使u m l 模型变得更加可实行，并且能与开发支持工具更好 地集成。作为m d a 倡议的部分内容，u m l 遵循管理多个模型这总体目标。 2 3 3u m l 扩展机制 为了避免使u m l 变得过于复杂，u m l 的设计者们在设计u m l 时有意省略 了一些在其他建模语言中可以找到的细节信息。当然，他们也采取了一个补救措 施一将u m l 设计成是可扩展的。这样，u m l 就能够被扩展和调整，以便满足 某个特定的方法、组织或用户。通过u m l 的扩展机制，用户可以定义和使用新 的元素来正确地解决当前问题。在实际使用过程中，有三种主要的扩展元素，它 们分别是标记值( 特性) 、构造型和约束【“ 。 1 、标记值。元素可以有多个包含“名称一值”这样一对信息的特性，这些 特性被称为标记值。虽然u m l 已经预定义了许多特性，但是用户也可以定义自 己的特性，维护元素的附加信息。任何类型的信息都可以附属到某个元素，包括 特定方法的信息、关于建模过程的管理信息、其他工具使用的信息( 代码生成工 具) 或用户希望将其连接到元素的其它类型的信息。这就是说通过标记值来添加 新的特殊信息可以用来扩展模型元素的规格说明。 2 、构造型。构造型扩展机制的目的是基于一个已存在的模型元素定义种 新的模型元素。因此，构造型“就象”是加入了一些额外语义( 这些语义在原始 元素中是没有的) 的一个已存在元素。一个元素的构造型可以用在这个原始元素 使用的同一场合。构造型是基于所有种类的元素：类、节点、组件和包，以及关 9 联、泛化、依赖和实现这样的关系。 构造型的描述是将构造型名称作为一个字符串，如( ( s t e r e o t y p e n a m e ) ) ，放 置在该元素名称的邻近，其中，一对尖括号是必不可少的。构造型可以拥有与之 相连的自己的图形表示，如图标。特定构造型的元素可以以正常的表示方式显示， 即在该元素名称之前放置这个构造型名称，也可以用代表这个构造型的图形图标 来表示，或者是这两种方式的一个结合方式。 t j m l 构造型的几种不同表示方式 3 、约束。约束是施加在元素上的限制，这种限制限定了该元素的用法或语 义。约束要么在u m l 工具中声明，并在多个图中反复使用，要么在需要的时候 在某个图中定义并应用。在u m l 中有许多可以使用的预定义约束。另外，u m l 依赖另一种语言来精确表达约束，这种语言称为对象约束语言( o b j e c tc o n s t r a i n t l a n g u a g e ，o c l ) 【3 ”。 2 4 组件式g i s 概念建模与其技术基础 地理信息国际标准已日趋成熟并获得了广泛应用，这为分析不同g i s 组件的 共同之处来统一组件式g i s 的概念建模方法提供了前提条件。尽管各大g i s 厂商 提供的g i s 组件在实现国际标准的过程中使用了不同的实现方法而使这些g i s 组件存在着差异，但是它们均要遵循相同的国际标准。这意味着不同的g i s 组件 在概念上和功能上有着大量的相似之处，我们能够分析不同g i s 组件所共有的 空间要素、空间操作和空间关联，并对这些空间概念进行抽象和封装，达到统一 组件式g i s 概念建模方法的目的。 g i s 组件的基础是空间数据，而空间数据的概念建模已经取得了大量研究成 果，这些研究成果为组件式g i s 的概念建模奠定了基础。首先，空间数据的概 念建模研究所采取的方法为组件式g i s 概念建模的研究提供了方法上的参照。 其次，在系统设计人员建立的组件式g i s 的概念模型中，有一部分空间要素最 终要转化为数据库可存储的空间数据，那么空间数据的概念建模的研究为这部分 功能实现提供了基础。 由于u m l 具有强大表述能力并已成为事实的工业标准，它已经渗透到g i s 的各个方面，对g i s 的发展起到了推动作用。在地理信息国际标准方面，u m l 已经作为地理信息国际标准的概念模式语言，用于表述标准中的模式【1 4 。在空 间数据建模方面，有些研究成果将u m l 作为空间数据的概念建模语言，定义了 针对地理信息系统的面向对象建模语言u m l g ，并利用u m l g 对空间对象和 空间关系进行建模【22 】；有些研究成果则分析了传统空间数据模型的不足，讨论 了使用u m l 进行空间数据建模的过程和优势 2 6 】， 2 7 1 。在g i s 应用系统开发方法 学方面，有些研究成果将u m l 用于g 1 s 软件的开发过程，讨论了u m l 在g i s 应用系统开发中的使用方法和优点【2 8 】。u m l 在g i s 的具体实践中也获得了大量 应用，如煤矿地理信息管理系统【2 5 1 ，环境保护地理信息管理系引2 4 1 。 通过上述分析可以发现，地理信息国际标准、空间数据概念建模和统一建模 语言( u m l ) 所取得的研究成果为组件式g 1 s 概念建模方法的研究提供了技术 基础。我们可以在这些研究成果的基础上提出一种组件式g i s 概念建模方法，使 从事组件式g i s 二次开发的系统设计人员在建立g i s 概念模型时有共同的方法 可遵循，从而达到概念模型的可交流性。 3 组件式g i s 概念建模的参考模型 本章分析了本论文所提出的组件式g i s 概念建模方法的参考模型所拥有的 核心要素：空间要素、空间操作和空间要素之间的关联，讨论了这些核心要素在 组件式g i s 开发中的主要作用，并使用u m l 的扩展机制对它们分别进行抽象和 构造。在讨论参考模型的核心要素的过程中，本论文一律使用r a t i o n a lr o s e 1 8 】 绘制u m l 图。 3 1 参考模型中的空间要素 3 1 1 组件式g i s 二次开发中常用的空间要素 由于g i s 开发商都要遵守相同的国际标准l 引，他们提供的g i s 组件具有大量 相同的空间概念。本小节讨论了不同g i s 组件所具有的相同的空间要素，对其 进行抽象和封装，成为参考模型的主要空间要素类。 1 、单空间对象( g e o o b j e c t ) 单空间对象主要是指单个的地理空间对象，如一颗树、一条街、片湖等。 单空间对象具有一些相同的属性，如对象的颜色、尺寸、形状等：另一方面，单 空间对象又与时间密切相关( 相对而言) ，如一座大型建筑物可能几十年不会发 生什么变化，而一辆移动中的汽车却时刻在改变自己的坐标。g i s 组件对这两种 空间对象分别进行了描述。本论文提出的概念建模方法将单空间对象抽象成个 父类( g e o o b j e e t ) ，然后根据其坐标与时间的关联程度，分别定义了静态单空间 对象( g e o f e a t u r e ) 和动态单空间对象( e v e n t f e a t u r e ) ，它们都继承g e o o b j e c t 父类。其关系如图3 1 所示： 2 、地理数据记录集( g e o r e c o r d s e t ) 地理数据记录集是不同的空间对象基于某种规则聚合而成的，它类似数据库 指针，是访问单个空间数据的通道。地理数据记录集的结果通常是对指定的地理 数据集进行空问分析所得到的。在组件式g i s 二次开发中，地理数据记录集起 着重要的作用，其关系如图3 2 所示： 图3 2 地理数据记录集 3 、图层( l a y e r ) 图层是空间数据基于某种规则聚合而形成的一个空间数据集合。之所以要引 入图层的概念，是因为许多单空间要素具有相同的形状、属性和操作，并且有时 将这些空间要素聚合在一起进行管理是十分方便的。如在一个城市的公路网中， 所有的公路都是线形的，每条公路都有诸如名称、长度、颜色等相同的属性，它 们也有诸如显示公路名称、标出公路全长、改变公路颜色等相同操作，并且有时 所有公路需要同时进行这些相同的操作。因此将空间数据进行分层能够更加有效 地组织和管理空间数据。相应于单空间对象，图层也有静态图层( l a y e r ) 和动 态图层( e v e n t l a y e r ) ，它们分别由静态单空间对象和动态单空间对象聚合而成。 图层通常都有一个公有属性：地理数据记录集。若用户想访问图层中的地理数据， 必须通过图层的地理数据记录集这个属性来访问。其关系如图3 3 所示： 图33 图层 t 3 翼彗 4 、地图( m a p ) 在g i s 组件中，地图可以看成是图层的聚合。它实际上是一个显示容器， 所有的空间对象必须通过地图来显示。o l s 中有一些常见的功能，如地图的放大、 缩小、移动、导出等，是对整个地图的操作。其关系如图3 4 所示： 】 e l a y e r n a m e l a y e r n a m e 昏n a m e ：s t r i n g ：亳, n a m e ：s t r i n g 0 1 3j 1 n b ，矶 m e j d m a p n a m e z o o m l n 0 z o o m o u t 0 p a n ( ) e x p o r t m a p ( ) 图3 4 地图 5 、空间元数据( g e o m e t a d a t a ) 空间元数据是指描述空间数据的数据。空间数据通常由某个人或单位生 产，而由其他许多人或单位使用。适当的文本资料能使那些不熟悉数据的入更好 地了解数据，并恰当地使用数据。由于空间数据生产者和用户处理越来越多的数 据，适当的文本资料能为他们提供有关他们的运用地理信息的丰富知识，使他们 能够更好地管理、存储、更新和重新使用数据产品。因此空间元数据用来描述空 间数据集的内容、质量、表示方式、空间参考、管理方式以及数据集的其他特征， 是空间数据交换的基础，也是空间数据标准化与规范化的保证，在一定程度上为 空间数据的质量提供了保障。表3 1 列出描述数据集所需的核心元数据元素( “m ” 表示该元素是必选的，“o ”表示该元素是任选的，“c ”表示特定条件下该元素 是必选的) 14 】： 数据集名称( m )数据集参照日期( m )数据集负责单位( 0 ) 数据集地理位置( c )数据集语种( m )数据字符集( c ) 数据集专题分类( m )数据集空间分辨率( 0 )数据集摘要说明( m ) 分发格式( 0 )空间表示类型( 0 )参照系( 0 ) 数据志( 0 )在线资源( 0 )元数据文件标志符( 0 ) 元数据标准名称( o )元数据标准版本( o )元数据语种( c ) 元数据字符集( c )元数据联系方式( m )元数据日志( m ) 表3 1 空间元数据的核心元素 本论文提出的概念建模方法将空间元数据抽象成为其中的一个空间元数据 类( g e o m e t a d a t a ) ，并只选择必选的( 即上表中标注“m ”的元素) 核心元素作 为该类的属性，其关系如图3 5 所示： m e t a d a t a 奄n a m e ：s t d n g 岛r e f e r e n c e d a t e ：d a t e 髟l a n g u a g e ：s t r i n g 岛, w a y o f u s e ：s t r i n g 默h e m e ：s t r i n g 勘a b s t r a c t ：s t r i n g 奄, w a y o f c o m ：s t r i n g 渤l o g ：s t n n g 图3 5 空间元数据 3 1 2 空间要素的几何形状 g i s 的国际标准定义了一个几何单形的抽象根类( g mp r i m i t i v e ) 。它的主 要目的是定义在各个空间维中将所有单形联系起来的基本“边界”操作。几何单 形是在系统中不能再进一步分解成其他单形的几何对象。几何单形包括点 ( p o i m ) 、曲线( l i n e ) 、曲面( p o l y ) ，虽然曲线和曲面分别是由曲线段和曲面 片构成的，但这个构成是强聚合，即曲线段和曲面片不能单独存在于单形的相关 环境之外。通常描述为要素的任何几何对象都是若干几何单形的一个集合。 有些几何单形的聚合形成的一个新的几何对象是现实中常用的。如一片树林中有 许多树，其中每棵树在地图上都表示为一个点，如果我们想对这片树林作整体性 的描述和操作就必须把地图中这片树林的所有的树木当作一个整体来看待，因此 就得到了多点( m u l p o i n t ) 这样一个常用的几何形状。同理我们可以得到多线 ( m u i l i n e ) 和多面( m u l p o l y ) 两种常用的几何形状。g i s 开发商提供的组件基 本上都支持上述六种常用的几何形状。另一方面，系统分析人员在进行空间数据 建模时很可能不知道某种空间数据集的几何形状，造成这种情况出现的原因有可 能是这个空间数据集依赖最终的空间分析的结果，而这种结果系统分析人员事先 是不能确定的。为了能让系统分析人员建立更好的概念模型，本论文中的概念建 模方法中增加了一个新的几何形状：未知的几何形状( u n k o w n ) 。具体来讲，本 论文中的概念建模方法对下述几种几何形状作出了定义： 1 、点状( p o i n t ) ：表示一个空间要素在几何形状上是一个点或者是点状物 体的集合。 2 、线状 体的集合。 3 、面状 体的集合。 l i n e ) ： p o l y ) ： 表示个空间要素在几何形状上是一条曲线或者是线状物 表示一个空间要素在几何形状上是一个曲面或者是面状物 4 、多点( m u l p o i n t ) ：表示一个空间要素在几何形状上是多点或者是多点物 体的集合。 5 、多线( m u l l i n e ) ：表示一个空间要素在几何形状上是多曲线或者是