（地图学与地理信息系统专业论文）基于xml的分布式异构地理模型定义研究.pdf

摘要 一直以来人们对虚拟地理环境的研究主要集中在地理信息的三维可视化表达以及地理 数据的查询检索等方面，对于虚拟环境下的地理建模与地理分析方面的研究还未能真正开 展。而已有的地理机理过程模型都是根据各个应用领域的不同需求及自身特点独立开发的， 且分散在网络空间不同位置。因此，如何将这些分布式异构地理模型进行统一表达、管理并 集成到虚拟地理环境系统中，是当前亟待解决的难点问题。 本文在虚拟地理环境模型库框架的基础上，研究在不修改模型源代码的情况下，如何对 地理机理过程模型进行统一定义和表达，以及在不编写任何代码的情况下，如何完成地理模 型的自动包装。 本文借鉴x m l 文档对象模型思想，设计了基于x m l 的地理模型定义文档对象模型， 统一了地理模型数据和功能的定义。详细地阐述了模型定义文档的结构和内容，其中包括设 计易于理解的地理模型数据统一存储形式，构建对各种地理模型数据进行解析的方法和对模 型远程调用的方法。为了实现地理模型的自动包装，本文提出了可扩展的模型定义文档框架。 用户通过在该编辑界面中的交互操作，就可以实现模型定义文档的自动生成，并将此文档提 交至虚拟地理环境模型库框架下。最后本文以地下水模型为例，在地理模型定义文档框架下 完成了地下水模型的包装，在虚拟地理环境模型库集成框架下完成了地下水模型的远程调 用。实验结果验证了地理模型定义文档框架的有效性、通用性、易操作性。 关键词：地理模型，虚拟地理环境，x m l 文档，模型定义框架 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nv i r t u a lg e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n tm a i n l yc o n c e n t r a t e s o nt h e3 d v i s u a l i z a t i o no fg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o na n dt h es e a r c ha n dq u e r yo fg e o g r a p h i c a ld a t aa ta l l t i m e s h o w e v e ro n l yal i t t l ef o c u s e so ng e o g r a p h i c a lm o d e l i n ga n da n a l y s i s t h ee x i s t i n g m e c h a n i s mp r o c e s sm o d e l si ng e o g r a p h ya r ed e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yb yd i f f e r e n tg r o u p sf o r d i f f e r e n tr e q u i r e m e n t s t h e ya r ed i s t r i b u t i n gi nd i f f e r e n tp l a c e so f n e t w o r k s oh o w t od e f i n ea n d m a n a g et h e s ed i s t r i b u t e dh e t e r o g e n e o u sm o d e l su n i f o r m l y , a n dh o wt oi n t e g r a t ei n t ot h ev i r t u a l g e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n ts y s t e m ，s t i l lr e m a i nt h ep r o b l e m st ob es o l v e du r g e n t l y b a s e do nt h eg e o g r a p b ym o d e ll i b r a r yf r a m e w o r k , t h i sp a p e rs t u d i e sh o wt o d e f i n et h e m e c h a n i s mp r o c e s sm o d e l s w h i c hn e e d sn o tm o d i f ys o u r c ec o d e ，a n dh o wt ow r a pm o d e l s a u t o m a t i c a l l y , w h i c hn e e d sn o tp r o g r a m c o d e t h i sp a p e rd e s c r i b e st h em o d e ld e f i n i t i o nd o c u m e n tf r a m e w o r kw h i c hd e f i n e sm o d e ld a t a a n df u n c t i o n sb a s e do nx m ld o m ( d o c u m e n to b j e c tm o d e l ) t h e ni ti n t r o d u c e st h ec o n t e n t so f t h em o d e ld e f i n i t i o nd o mi nd e t a i l ，w h i c hi n c l u d e st h eu n i f o r md a t as t o r a g eo f g e o g r a p h ym o d e l s ， t h em e t h o d so fp a r s i n ga l lk i n d so fm o d e l sd a t a , a n dt h em e a n so fd i s t r i b u t e di n v o k i n gm o d e l s f o ra u t o m a t i cw r a p p i n gm o d e l s ，t h ep a p e rp r o v i d e se x t e n s i b l em o d e ld e f i n i t i o nd o c u m e n t f r a m e w o r k i f t h eu s e ro p e r a t e so nt h eg r a p h i c a li n t e r f a c ec o r r e c t l y , t h em o d e ld e f i n i t i o nd o c u m e n t c a nb eg e n e r a t e da u t o m a t i c a l l y m e a n w h i l et h ed o c u m e n tw i l lb es u b m i t t e di n t ot h eg e o g r a p h y m o d e ll i b r a r yf r a m e w o r ko fv i r t u a lg e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n t f i n a l l y , t h eg r o u n d w a t e rm o d e l s a r ed e f i n e du n d e rt h em o d e ld e f i n i t i o nd o c u m e n tf r a m e w o r k ，a n di n v o k e du n d e rt h eg e o g r a p h y m o d e ll i b r a r yf r a m e w o r k ，t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h em o d e ld e f i n i t i o nf r a m e w o r ki se f f e c t i v e ， u n i v e r s a la n de a s yt oo p c r a t e k e y w o r d s ：g e o g r a p h ym o d e l ，v i r t u a lg e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n t ，x m ld o c u m e n lm o d e l d e f i n i t i o nf r a m e w o r k 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图3 。l 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图目录 虚拟地理环境分布式模拟库集成框架r 地理模型运行机制一6 地理模型统一定义的流稃图7 一行和一列文本数据9 m 行n 列文本数据1 0 非单一结构的文本数据l o d e m 文本数据1 l b m p ：进制文件l l 地理模刑集成服务结构 x m l 文档内存模零树状结构。1 7 地理模型定义文档对象模列1 9 地理模型定义的数据对象模刑2 0 地理模犁分布式运行的流科i ! | 。2 3 模型、视图、控制器三青之间的关系3 0 数据容器集合控件、三维数组控件的属性设置3 4 地理模型定义数据文档框架的土要类结构i 鳘i 3 5 地理模犁功能定义的模板类刑3 6 地理模型定义功能文档框架的主要类结构幽3 8 地理模氆定义数据文档编辑界面3 9 地理模型定义数据文档编辑器的操作流程3 9 地理模型定义功能文档编辑界面。4 0 地理模型定义功能文档编辑框架的操作流程4 0 地f 水模型数据定义和管理界面4 5 地下水模型数据定义文档自动生成界面。4 5 地n k 模型功能定义和模板选择界面4 6 地下水模型功能定义文档臼动生成界面。4 6 地f 水模型运行界面a 4 7 地下水模型运行界面b 4 8 v 果。 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经 发表或撰写过的研究成果。 意。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢 作者签名：蔓当 日期：兰翌z ：乞：塑 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名：j 塞当 日期： 垒卑量乒 1 1 论文选题的背景及意义 第一章绪论 虚拟地理环境系统旨在让人在计算机产生的三维空间环境中，通过分布式协同交互，实 现地理环境可视化的表达、学问题的分析处理、地理规律的提炼、地理现象的模拟、地理环 境变化的再现与预测以及人类活动影响的评价。地理学家可以通过虚拟环境，在网络环境下 的三维空间中亲身感受和认识复杂的自然要素和人文要素的空间关系，利用定量分析与数值 模拟方法，独立或多用户交互协同对区域性和综合性的地理问题进行深入的分析，从而有效 地探索地球各圈层内部的结构特征、分布规律、演化过程以及圈层之间物质流、能量流、信 息流的传递方式及其动力学机制。但是由于虚拟地理环境概念提出的时间很短，涉及的内容 广泛，技术难度也比较大，目前，人们的研究主要集中在对地理信息的三维可视化表达以及 地理数据的查询检索等方面而虚拟环境下的地理建模与地理分析方面的研究还未能真正开 展。地理模型是表达地理现象的状态，描述地理现象的过程，揭示地理现象的结构，说明地 理现象的分级，认识该现象与其它地理现象之间联系的概念性和本质性的表示方式p ”。随 着计算机技术的飞速发展，地理现象和地理过程研究的不断深入，地理应用模型已成为地理 系统中数据处理与定量分析的有效工具，且类型多种多样，具有分布式多源异构的典型特征。 目前地理模型都是根据各个应用领域的不同需求及自身特点而独立开发的，大多都是单机系 统，并且采用相对孤立的数据组织方式，模型之间缺乏统一规划，这些由不同核心技术构建 的地理模型就像一个个“信息孤岛”，构成了一个巨大而复杂的异构模型资源环境。由于互 联网( i n t e m e t ) 技术的不断发展和不同地理专业领域对应用模型的需求进一步加大，传统 封闭式的应用模式已满足不了用户的要求，而且对地理模型能够远程访问能力提出了迫切需 要。因此，实现分布式异构地理模型的统一表达、管理、共享及其与应用系统的集成是虚拟 地理环境系统亟待解决的重点和难点问题。 南京师范大学以江苏省教育厅重大基础研究项目“虚拟地理环境系统的理论和方法研 究，( 0 5 k j a l 7 0 0 1 ) 为背景，开展了面向服务的分布式地学模型集成方法的研究，包括分布 式地理模型库的构建方法的研究、地理分析模型分布式共享与元数据管理机制的研究、基于 地理分析模型的分布式协同工作和群体决策机制的研究，现已构建了虚拟地理环境的分布式 模型库集成框架，目前正不断完善中。该框架比较好地解决了地理模型的集成和共享问题， 但是往往在具体应用时，针对每一种地理模型必须要编写大量程序进行定制和开发。因此如 何将分布式异构地理模型进行统一包装，以及如何实现模型定义文档的自动生成，减少地理 模型每次重复开发的部分，让地理学家更方便地完成地理模型的集成是本文的研究的目标和 重点。 本文的研究是在己提出的虚拟地理环境的分布式模型库集成框架的基础上，分析地理机 理过程模型的特点，对模型进行统一定义，将各种异构地理模型封装为中立模型，以便于完 成地理模型的远程调用。本研究引入x m l 文档对象模型，设计易于理解的地理模型数据统 一存储形式，构建各种地理模型数据解析的方法和异构地理模型远程调用的方法，解决分布 式异构地理模型的统一包装问题；并提供图形化的x m l 数据文档和功能文档编辑器，从而 屏蔽地理模型的异构特征，使地理学家在不修改模型源代码乖i 不编写模型定义代码的情况下 能将地理模型集成到虚拟地理环境的分布式模型库框架下，为已有模型的重用与分布式共享 提供了技术支撵，具有重要的理论意义和现实意义。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 地理模型集成的研究现状 地理信息系统与地理模型集成方法的研究一直是系统集成与开发中的难点问题。目前地 理模型与g i s 的集成方式有多种，而模型库支持下的模型与g i s 集成方式是较为理想的，被 公认为是最有发展前途的集成方式。 1 9 8 0 年，b l a n n i n g 首次提出了模型库的概念，并设计了模型库查询语言( m q l ，m o d e l q u e r yl a n g u a g e ) 嘲；1 9 8 7 年，g e o f f i o n 设计了结构化模型构造语言嘲；1 9 8 8 年，m u h a n a 等 又将系统论的概念用于模型管理系统【1 0 】；1 9 9 3 年，v a n h e ekm 建立了基于模型概念的模型 运行环境系统【1 4 1 ；1 9 9 6 年，w e s s e l i n g 设计了动态模型语言来支持空间数据结构：1 9 9 9 年，王桥等对模型标准化问题进行了较深入的研究 4 4 1 ；2 0 0 1 年，岳天祥在全面总结和分析 国内外资源环境领域主要信息的基础上，糟心选编出实用性强暴i 具有秘学价值的数学模型和 定量指标一共3 0 5 5 组l ”1 ；2 0 0 2 年，k a r l i n e 实现了一个面向生态过程的弹性数学建模环境 ( f e m m e ) ，提供了一个生态过程模型框架，以解决生态过程模拟中的数据分析问题( 9 l ； 2 0 0 2 年，龚敏霞等对智能化的模型集成方法进行了探讨，注重分布式三维v g i s 与地理模 型的集成，形成了基于w e b g i s 与地理模型集成的技术思路与解决方法，开发了基于分布式 三维虚拟g i s 的大气污染模拟系统、长江水流动力与污染扩散模拟系统【2 5 】：2 0 0 2 年，李超 2 锋从数学角度讨论了使用元图表示模型库方式，它是对基于图形的表示方式的扩充与改进 【3 l l ；2 0 0 2 年，薛安等人研究并提出了元模型的结构和实现算法h 8 i ；2 0 0 3 年，万庆等在地学 建模过程中引入了概念地图方法，建立了小清河分洪区的背景信息概念地图模型和永定河洪 水模拟模型 4 2 1 ；2 0 0 3 年，t a y l o r 等提出了一种基于智能代理技术的空间决策支持模型建模 框架，以突破当前模型访问能力的限制”1 ；2 0 0 5 年，雷兵、刘纪平等对空间辅助决策支持 系统的应用模型及管理进行了研究，根据应用模型的特点，将模型库系统分为基础空间模型 库、基础非空间模型库、应用模型库、模型管理库四部分【”i ；2 0 0 6 年，于海龙、邬伦等建 立了g i s 应用模型分类体系，并给出了g i s 应用模型复杂性描述方法【”1 。 综上所述，虽然近年来国内外对地理模型的集成方法进行了大量的研究，但由于地理模 型具有分布式多源异构的特点，这些集成方法还存在如下问题：( 1 ) 缺乏标准的通用数据 接口，有的数据接口文件设计过于复杂而缺乏实用及通用性；( 2 ) 这些方法大多缺少对模 型共享的支持，特别是对网络空间存在的分布式多源异构的地理模型资源无法有效的进行整 合，无法形成分布式的模型库系统，无法达到对地理模型进行分布式的构造、修改、集成、 运行和服务的目的。 1 2 2 地理模型共享的研究现状 地理模型的数据是对地理模型信息的一种描述，因此它本身就具有分布性，如不同的部 门不同的区域有各自不同的地理模型数据。地理模型的集成与共享不但是一种异构的，而且 是一种分布式的模型集成和共享。 国内外众多学者、研究机构和g i s 平台开发商致力于地理信息共享研究与实现工作已 有十年之久，取得了比较大的进步i ”】。最初的数据格式转换方法的研究是通过专门的数据 转换程序把其他数据格式变成本系统可以使用的数据格式。公认的数据交换格式有e s r i 的 e 0 0 ，a u t o d e s k 公司的d x f ，m a p l n f o 公司的m i f ，美国的空间数据转换标准( s d t s ) 等。这种 方法均可能会造成源数据部分信息丢失，需要后期大量的数据处理。在基于直接访问的地理 信息共享方法上，i n t e r g r a p h 的g e o m e d i a 实现了对大多数g i s c a d 软件数据格 式的直接访问，如m g e 、a r c i n f o 、o r a c l es p a t i a l 、s q ls e r v e r 、a c c e s sm d b 等。中国科学 院地理信息产业发展中心开发的s u p e r m a p 2 0 则提供了存取m a p l n f o 、o r a c l es p a t i a l 、 e s r i a r c s d e 、s u p e r m a ps d b 文件等的a p i 函数。直接访问的方法提供了一种比较经济实 用的多源数据共享模式，但当宿主软件的数据格式发生变化，数据访问软件不得不重新研究 3 该数据格式并提供升级版本。目前已经发展的多种地理信息共享技术与互操作中，基于网络 服务方式的地理信息共享和互操作方法是目前公认的最好方法【“1 。因此，很多g i s 厂商竞 相推出网络g i s 平台，如e s r i 的a r c l m s 、a r e e x p l o r e ，s u p e r m a p 5 0 的s u p e r m a pi s ，以 及上海畅想和日本n t td a t a 联手打造的g e o p l a t s 等。 对于模型的共享，也有学者开展了相关的研究。1 9 9 7 年，g o u l 提出了w e b 环境下开放 式d s s ( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ) 协议标准，允许用户搜索与之兼容的d s s 模型资源【7 j ： 2 0 0 3 年，陈刚等提出了基于分布式技术组件的模型重用和共享技术，解决了开发语言 对对象模型重用和共享的限制，提高了模型的重用性【”1 ；2 0 0 4 年，黄卓等提出了一种基于 w e bs e r v i c e s 在分布式环境下进行模型管理的方法，充分利用最新的w e bs e r v i c e s 技术，为 建立分布式模型管理系统提供了一种可行的技术途径f “1 。基于分布式技术的模型共享利用 了组件的特性，即独立性和可重用性。南京师范大学虚拟地理环境实验室构建的分布式模型 库集成框架是基于c o m 技术实现的面向网络服务的集成框架。 1 2 3x m l 技术的研究现状 w 3 c 于1 9 9 8 年推出的x m l 具有自描述的功能，可以表达和描述具有复杂结构和丰富 语义的信息“6 1 。x m l 特点在于将数据显示和结构化相分离，允许对不同来源的数据进行结 构化。从数据描述语言的角度看，x m l 是灵活的、可扩展的、有良好的结构和约束，支持数 据进行合并与集成。客户获得x m l 数据后，可以方便地进行扩展以适应多方面的数据应用。 从数据处理的角度看，它格式简单且易于阅读，同时又易于被应用程序所处理。因此，x m l 己广泛应用于分布式系统中，成为开放系统中广泛应用的数据表示格式和数据传输形式。 2 0 0 1 年，b a d a r d 和r i c h a r d 提出了基于x m l 实现信息在地理信息系统之间的传输【l 】：2 0 0 1 年，王海波、耿晖等基于x m l 的数据交换的实现【4 3 1 ；2 0 0 2 年，艾海宾等构建了一个以x m l 为数据交换模型的分布式异构地理数据集成与共享的框架l ”1 ；2 0 0 3 年，刘纯波、承继成等 基于x m l - - r p c 的分布式地理信息系统计算模型研究【3 4 l ；2 0 0 4 年，李雪峰等讨论了基于 x m l 的开放式决策支持系统模型共享管理机制，提出了w e b 环境下决策支持系统的决策模 型共享步骤。 在g i s 领域设计基于x v l l 的数据模型方面，2 0 0 5 年，赵博、马劲松设计了基于x m l 的地理数据模型，分别对元数据、空间数据、属性数据和时间特征进行表达，并支持m i f ， s h p 文件的转换。2 0 0 2 年，陈爱军、李琦等提出了g e o m i ，基于x m l 的地理空间信 4 息共享与互操作语言，设计了可在i m e m e t 上传输、显示和共享电子地图的g e o m l 标准规 范内容，包括对属性数据、栅格数据和矢量数据的描述。2 0 0 0 年，o g c 和i s o 推出了地 理标记语言g m l ( g e o g r a p h i cm a r k u pl a n g u a g e ) ，为了支持地理信息的多样化需求，定义 了一系列对象来描述地理要素、坐标参考系、几何形状、拓扑关系、时间以及测量单位等信 息“1 。g m l 在g 1 s 领域的研究和应用已经比较广泛，2 0 0 2 年罗英伟、许卓群等探讨了以 g m l 数据为基础的大众化w e b g i s 应用系统的建设方法哪! ；2 0 0 5 年，兰小机、张书亮等将 g m l 模式应用到道路网络建模中，并在研究项目中开发了一套基于g m l 的空间数据转换 引擎，实现了c 0 0 格式、s h p 格式、v c t 格式与g m l 格式之间的相互转换，从而实现了各 系统之间道路网络数据的共享0 9 1 ；2 0 0 6 年，候晓静、李中等利用g m l 3 0 结合1 e c 6 1 9 7 0 标准对配电网建模，从而对配电网地理信息系统进行分析设计【2 6 1 。但是g m l 是基于x m l 的空间信息编码标准，它本身只是用来描述地理数据信息，而无法描述地理模型定义的功能 信息。 以上所述的地理数据描述语言非常重视对地理空间信息的描述，而地理模型由于涉及专 业领域比较广，具有多源异构的特征，数据模式设计比较复杂。因此本研究是在分析现有的 地理机理过程模型的数据特征之后，基于x m l 设计了一个简易的针对地理模型的数据描述 方法，以完成地理模型的统一定义。 1 3 本文研究的内容与技术路线 1 3 1 论文的研究内容 本文是在虚拟地理环境模型库集成框架下，分析现有地理机理过程模型及其数据特点， 提出一个可配置的模型定义的文档体系，并设计图形化的方式定制模型定义文档，以便实现 地理模型在网络空间的共享和传输。主要内容如下： ( 1 ) 分析已有地理模型的特点及地理模型数据的组织表达方式，分别对常见的文本文 件、数据表和二进制文件下模型数据组织结构进行归纳总结，为地理模型统一定义提供理论 依据； ( 2 ) 研究可配置的基于x m l 的地理模型定义的文档体系，设计满足分布式地理模型 数据统一表达的数据文档，以及满足异构地理模型数据解析和远程调用的功能文档，最终实 现地理模型定义模式的统一； 5 ( 3 ) 依据面向对象思想和m v c 设计模式，设计地理模型定义文档框架，解决基于x i v i l 的模型定义数据文档和功能文档自动生成的问题； ( 4 ) 以具体的地理模型为例，应用地理模型定义文档框架配置x m l 文挡，在虚拟地 理环境模型库集成框架下实现地理模型的分布式调用。 1 3 2 技术路线 本文所涉及内容首先需要理解虚拟地理环境的分布式模型库集成框架的设计思路，认识 到地理模型定义在整个框架中所处的位置和作用。虚拟地理环境分布式模型库集成框架下地 理模型运行机制如图所示( 图1 i ) 。地理模型客户端和地理模型服务端通过模型集成中间 件连接。模型定义文档是对地理模型输入、输出数据的描述，对模型调用功能的生成以及模 型运行过程消息事件的通知。模型定义的主要内容是统一模型数据对象的建立和模型功能文 档的生成。模型数据对象是承载数据内容的数据实体，它应是一种弹性的结构，以支持复杂 地理模型数据的定义。模型功能文档是解析数据文档，为完成分布式地理模型的运行提供支 撑。模型定义中的事件接口是将模型运行状态通知到客户端，并支持客户端用户对服务端模 型运行过程进行干预。 图1 1 虚拟地理环境分布式模型库集成框架下地理模型运行机制 异构地理模型的远程调用的流程如下：首先通过模型定义数据文档编辑器将模型客户端 所提供的数据创建为数据对象模型，完成不同格式的数据以统一的结构存储和传输。其次通 过模型定义功能文档编辑器配置相应的模型功能体，将地理模型数据进行解析提交到地理模 6 型服务端，并远程访问服务端的异构模型库，完成对e x e 、d l l 、c o m 等形式的异构模型 体的调用。最后把服务端模型运行的结果传递到客户端，并通过模型功能文档将统一的输出 格式转变为客户端需要的数据格式。整个流程屏蔽了异构地理模型的实现细节，从外部系统 来看，所有的模型都遵循统一的规格，在客户端提供了一致的编程接口。 图1 2 地理模型统一定义的流程图 分布式异构地理模型统一定义的流程如图所示( 图1 ，2 ) 。首先参考国内外文献，研究 地理机理过程模型的输入输出文件格式，总结地理模型数据组织形式的规律。然后借鉴x m l 文档对象模型思路，采用树状结构来定义地理模型数据和功能，从而达到地理模型数据结构 的稳定性和功能的灵活性。其中数据的定义分为简单实体和特殊实体两大类，简单实体包括 单值、数组、数据表、枚举、记录等。特殊实体包括地理模型常用的固定的数据结构，如 t i n 、d e m 等。在功能定义方面，提供e x e 、d l l 和c o m 三种异构体的实现模式，每一 种模式都要完成数据对象的解析和模型调用代码的生成。最后设计符合虚拟地理环境平台建 设的地理模型定义的框架，实现以图形化的方式自动生成模型数据定义和功能定义文档的编 辑器，并以地下水流数值模拟模型进行实验验证。 7 第二章虚拟地理环境模型库框架下的地理模型分析 2 1 地理模型概述 2 1 1 地理模型及其数据特点 地理模型是表达地理现象的状态，描述地理现象的过程，揭示地理现象的结构，说明地 理现象的分级，认识该现象与其它地理现象之间联系的概念性和本质性的表示方式。随着地 理模型应用的广泛和深入，使应用模型成为地理系统中数据处理与定量分析的工具，且类型 多种多样【4 5 l 。本文研究的地理模型是具有地理空间特征的，有明显的模拟过程的机理过程 模型。机理过程模型主要描述和模拟区域地理现象，在前人研究的基础上，本文总结地理机 理过程模型的特征如下： ( 1 ) 作用机理空间分布的差异性 在区域地理系统中，根据不同的地理要素气候、士壤、地形、岩石、水文，生物、人类 ( 按其属性可分为自然人与社会人) 等地理要素的不同，可以划分为若干个子系统，每个子 系统中，地理现象形成的机理过程不尽相同，存在空问差异。 ( 2 ) 模型参数空间分布的差异性 地理实体大多数属于非均质体，相应地描述地理过程内部属性的模型参数人多数是空间 位置坐标的函数，即p = f ( x , y ，z ) 。不同单元或不同的子系统，同一个模型参数值则不相同。 ( 3 ) 复杂性 机理过程模型着重考虑不同单元和子系统之间的水平联系，正是这种联系决定了模型结 构的复杂性。模型结构可以分为紧密耦合型与松散耦合型。前者是应用数值分析来建立相邻 网格单元或子系统之间的时间和空间关系。后者是在每个单元网格或子系统上应用现有概念 性集总模型来推求有关的参数值，如流域水文模型中先用概念性集总模型推求净雨，再进行 汇流演算，推求出口断面流量。 ( 4 ) 动态性 机理过程模型一般是时空结合的模型，所描述的现象或过程与时间有密切的联系，具有 动态性，既表现模型内部元素的动态性，也表现模型外部环境的动态性。 ( 5 ) 分布式与多源异构性 8 地理机理过程模型在不同研究领域其建模原理、耦合机制与所应用数据对象模型等都比 较复杂，具有明显的多源异构性，如：时空尺度、表达方式、开发发布方式等；随着计算机 技术的飞速发展，相对应网络环境下地学模型资源也具有了分布式的特征。 地理模型一方面要求地理信息系统具备描述空间对象数据的能力，同时基于不同的数值 计算方法，所依赖的数据模型上也会有很大的不同。总体看来模型数据的输入、输出、控制 参数的格式多样，比如文本格式和二进制格式。现代模型倾向于使用数据库管理数据的输入 输出，简单的桌面数据库文件格式有d b f 、a c e s s ，e x c e l 等。另外，模型编制者根据具 体需要定义了一些针对特定领域应用模型的专有格式。虽然模型的数据格式多种多样，但 个模型的输入文件和输出文件的数据特点往往是一样的，且以文件形式为主，大都格式固定。 2 1 2 地理模型的数据组织 为了能对地理模型数据进行统一表达和解析，必然要了解各种各样的模型数据组织形 式。常见的地理模型的数据文件有三种形式：文本文件、数据表文件和二进制文件。这些文 件均有三个部分组成：文件头、数据体和注释。其中数据体是核心，文件头和注释是可选择 得的。本文将着重对文本文件的数据做详细分析。 ( 1 ) 文本文件 文本文件可以说是没有任何格式的文件。应该是无文件头文件尾，直接便是文件内容。 但实际情况中，地理学家为了方便，往往会在文本文件中加入一些说明性的语句，即注释语 句。在文本文件中，数据体往往是以行列的形式出现，所以引入控制符进行统一描述。控制 符是备列数据之间的符号，比如有空格、逗号、句号、扩折号、换行符等。因此对常见的文 本文件数据可以用以f 的方法描述： 对于一行或一列数据，如下图所示的数据格式( 图2 1 ) ，可以用一维数组装载数据， 并输入文件名、注释和控制符( 如图中的逗号和换行符) 等属性来说明数据组织方式。 围2 1 一行和一列文本数据 9 对于m 行n 列数据，如下图所示的数据格式( 图2 2 ) ，可以用m * n 的二维数组装载 数据，并输入文件名、注释、控制符( 空格) 、行数( m ) 、列数( n ) 等属性来说明数据组 织方式。 1 4 0 0 7 2 0 0 0 1 4 0 0 7 1 5 0 0 1 4 0 0 7 0 9 o o 1 4 0 6 5 2 9 0 0 1 4 0 6 5 2 4 o o 1 4 0 6 5 1 8 o o 3 5 9 3 1 6 0 0 0 3 5 9 8 8 4 6 0 0 3 6 0 4 5 3 2 0 0 3 5 9 0 3 2 3 0 0 3 5 9 6 0 0 9 0 0 3 6 0 1 6 9 5 0 0 - 4 7 1 一1 3 4 9 2 3 1 2 ，1 4 2 8 2 5 1 9 3 2 图2 2m 行n 列文本数据 对予结构不是单一的复杂数据文件如下图所示( 图2 3 ) ，此类数据可以用一个记录体 装载，记录有四个项目，分别是单值型、3 * 4 的二维数组、单值型、2 * 4 的二维数组。 t h eo b s e r v a t i o nw e l ln o d en o6 5 0 11 4 0 6 08 1 0 6 2- 1 4 0 6 0 3 3 0 5 7 3- 1 4 0 6 05 7 2 0 3 聊a v e r a g ee r r o ro ft h eo b s e r v a t i o nh o l e l一2 5 3 6 08 6 3 3 22 3 2 1 01 0 2 6 3 32 6 5 3 09 6 4 5 图2 ，3 非单一结构的文本数据 对于有文件头的文本文件，如下图所示的适普公司v i r t u o z o 软件的d e m 数字地形模型 数据( 图2 4 ) 。d e m 是描述地表单元空间位置和地形属性分布的有序集合，它以一地理范 围内的地形数据为基础，通过一定的数学变换，将某一地理范围内的地形地物以三维空间的 形式表示在一个二维平面上，以离散分布的平面点来模拟分布的地形。数据文件中第一行的 值分别是起点坐标( x ) 、起点坐标( y ) 、旋转角( a n 茸e ) 、格网间距( d x ) 、格网间 距( d y ) 、列数( c o l c o u n 0 和行数( r o w c o u n t ) 。以下各行中的各项目依次为每个格网点的高 程值。此类数据的文件头可用一维数组装载。数据体用m * n 的二维数组来装载，并用控制 符来说明数据组织形式。 1 0 懈肌嬲讲肼御丝钉饥坻驺孤 1 3 3 8 0 0 09 7 2 0 0 00 0 0 0 0 0 01 0 0 01 0 0 03 1 83 4 5 9 9 09 9 29 9 91 0 0 0 1 0 1 31 0 1 41 0 0 69 8 29 4 79 2 7 9 9 3 1 0 0 31 0 1 31 0 1 81 0 2 41 0 l l9 9 09 6 59 4 0 9 2 6 9 9 81 0 0 91 0 2 01 0 2 31 0 1l9 9 l9 7 39 5 29 2 99 3 5 1 0 0 31 0 1 01 0 0 91 0 0 4 9 9 49 7 69 6 29 4 59 2 6 9 4 1 图2 4d e m 文本数据 ( 2 ) 数据表文件 数据表文件的格式多种多样，如d b f 文件、a c c e s s 文件、e x c e l 文件等。但文件内 容多是以二维表格的形式出现，表格有行和列组成，列被称为“字段”用于表示组成数据有 效信息的属性，而行则用于指示一条完整的数据记录。该类文件的数据记录格式清晰，比较 容易描述。 ( 3 ) 二进制文件 所有文件的存储其实质都是二进制的，二进制文件往往由两部分组成，一部分是文件头 另一部分是存放了文件内容的数据体。文件头通常存放与文件格式有关的信息，以b m p 图 象文件为例，文件头中存放了是图形格式、图象大小、调色板等信息，要显示图象时先读取 文件头以获得文件的详细信息，然后再按其格式把图象内容显示出来。用二进制方式操作文 件，至关重要的一点是要清楚了解所操作文件的文件头结构。如图所示( 图2 5 ) 文件头和 数据体可分别用一维数组装载。 撑文件头 8a s c i i ：峁v e r s i o no ft h i sd a t af o r m a t ( 0 ) 8 0a s c i i ： i o c a lp a t i e n ti d e n t i f i c a t i o n 8a s c i i ：一聿n u m b e ro fb y t e si nh e a d e rr e c o r d 删数据体 n ro fs a m p l e s 1 1 i n t e g e r ：一尊n f s ts i g n a li nt h ed a t ar e c o r d n ro fs a m p l e s 2 】+ i n t e g e r ：# s e c o n ds i g n a l 图2 5b m p 二进制文件 2 2 虚拟地理环境模型库框架 2 2 1 模型库框架的设计目的 虚拟地理环境是一个分布式的系统，但不是一个简单的多层应用系统，而是一个多服务 器、多客户端的分布式系统。首先，虚拟地理环境应该提供一个开放的数据共享平台，网络 上的空间数据资源都可以作为虚拟地理环境的数据源；其次作为虚拟地理环境模拟和反演地 理过程核心的应用模型也应该作为统一的资源，虚拟地理环境应该提供分布式的模型集成环 境；第三，虚拟地理环境的界面是一个多用户协同操作的环境。 所以虚拟地理环境平台总体框架主要考虑解决四个方面的问题： ( 1 ) 实现分布式的数据共享机制 从存储和基本管理形式上考虑，当前数字化的数据包括了以文件形式存储的数据和以数 据库存储的数据。随着以d c o m 、c o r b a 和w e b 服务等为主导的远程对象技术的发展，运 行在远程计算机上的对象模型也可以看作种重要的数据资源。基于以上考虑，虚拟地理环 境的数据共享集中考虑实现以上三种数据的分布式共享和访问。数据库系统和远程对象提供 了内建的分布式访问能力。所以这两种数据的分布式共享与访问不需要作太多的考虑。文件 形式数据的分布式存储与共享的目标是实现本地文件和远程文件一致的访问接口。 ( 2 ) 实现分布式的地学模型集成环境 地理模型是虚拟地理环境的灵魂所在，虚拟地理环境中的地理现象的模拟、计算都需要 地理模型的支持。地理模型与虚拟地理环境的集成有几个方面的难点需要考虑：实现方式的 不确定性；数据格式的随意性；不支持分布式的调用：缺乏统一的管理和检索机制；没有统 一的用户界面。 虚拟地理环境的模型集成着重解决这几个问题：规范地理模型、提供统的客户端界面、 统一调用模式实现分布式的访问、提供统一的检索和管理。另外，模型集成要坚持尽量不修 改模型程序的源代码，不要重新编译代码。 分布式的模型集成的核心是模型集成服务，模型集成服务提供分布式的访问，模型程序 通过适配器程序和模型服务程序交互，客户端对模型集成服务的调用通过适配器程序最终调 用到模型程序上。模型集成也提供统一的客户端调用的框架，该框架提供远程调用模型集成 服务的基础支持。不同的模型程序需要不同的用户界面和操作模式，模型集成的客户端适配 器程序需针对每个模型程序单独开发。 ( 3 ) 提供多用户共享的虚拟环境 虚拟地理环境客户端提供虚拟的用户界面，支持对各种虚拟地理环境数据的分布式访问 和模型集成的无缝支持。通过虚拟地理环境服务实现多用户共享环境的操作。虚拟地理环境 服务端提供多用户协作交流的平台。 ( 4 ) 目录服务，提供统一的资源视图 1 2 目录服务是虚拟地理环境的中枢，如果将数据、模型、运行中的虚拟地理环境以及用户 等都看成资源的话，目录服务提供了网络环境下统一的资源管理机制。 2 2 2 模型库框架的体系结构 虚拟地理环境模型库框架将传统的模型库的实现扩展成了如图所示的多层结构( 图2 6 ) ， 由下到上包含5 个层次，即原模型层、模型功能体、模型服务与功能执行环境、数据传输与 协作消息层以及模型表示层p “。 ( 1 ) 原模型层 原模型层对应传统的模型库管理功能，是对传统模型库构建方式的扩充，该层注重对已 有模型代码的支持。原模型描述的是模型程序的元数据信息，参照传统模型库，主要包括模 型的输入、输出参数描述，模型的作者、使用范围等信息，以支持编写模型的调用代理代码 和模型定义文档的生成。 ( 2 ) 模型功能体 模型功能体是对原