（交通运输工程专业论文）铁路地理信息系统（rgis）应用方法研究.pdf

摘要 本课题源自铁道部科技发展规划项目铁路地理信息系统试点工 程的研究。研究r g i s 应用方法面临两个关键问题：第一，应用专门 化问题，使r g i s 应用系统能够迅速快捷地获取来源不同的数据，并将 它们集成起来进行分析，并且使这些集成数据能够在不同的系统下相 互操作以及在异构数据库中获取所需的数据信息。第二，数据问题， 即关于r g i s 应用系统中数据结构设计，数据采集，数据的管理与维护 方面的问题。 本论文针对以上两类问题开展了以下研究内容 基于空间数据转换标准的r g i s 应用数据互操作模式和基于公共 接口模式的r g i s 应用互操作性实现方法： r g i s 开放式数据交换框架和开放式r g i s 应用的技术实现 针对铁路空间数据的特点提出i g i s 数据结构设计的思路 r g i s 数据获取和处理方法 r g i s 空间数据管理和维护机制 关键词：铁路，地理信息系统，互操作性，开放性，空间数据 a b s t r a c t b a s e do no n eo ft h ep r o j e c t so nt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ye n t i t l e d a n a l y s i s0 ft h ee x p e r i m 哐n t a lp r o j e c t0 nr a i l h ：a yg e o g r a p m c i n f o r m a t i o ns y s t e m ( r g i s ) ，t h i sa r t i c l es u g g e s t ss o l u t i o n st ot h ef o l l o w i n gt w o m a i np r o b l e m sa f f e c t i n gt h e a p p l i c a t i o no f r g i s ： 1 s p e c i a l i z a t i o no fr g l sa p p l i c a t i o n ：h o wt om a k et h er g i so b t a i na n dh a r m o n i z e d a t af r o md i f f e r e n ts o u r c e ss oa st oe n a b l es w i f ti n t e r a c t i o na m o n gd i f f e r e n ts y s t e m s ， t h e r e b ym a k i n gi tp o s s i b l e f o rr e l i a b l ei n f o r m a t i o nt ob eo b t a i n e df r o mo t h e r d a t a h a x e s 2 ，d a t ah a n d l i n g ：h o wt oc o l l e c t ，m a n a g ea n dm a i n t a i nd a t ao nt h er g i sa p p l i c a t i o n s y s t e ma n dh o w t od e s i g nt h e c o r r e s p o n d i n g d a t as t r u c t u r e d e t a i l e dd i s c u s s i o n so f t h ea b o v e - m e n t i o n e di s s u e s a r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ni n t e r a c t i v em o d e so ft h er g l sa p p l i c a t i o ni na c c o r d a n c ew i t ht h em o d e r n i z a t i o n m e t h o d s o fr i g s s p a c e - d a t a - t r a n s f e r s t a n d a r d s i n t e r a c t i o n t h r o u g h ac o m m o n d a t a b a s e o p e nd a t ae x c h a n g ef r a m eo fr g i sa n dt e c h n o l o g ym o d e r n i z a t i o no fo p e nt h er g i s a p p l i c a t i o n i d e a so nt h ed e s i g no fr g i sd a t as t r n e t n r e si na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t so f r a i l w a ys p a c ed a t a nm e t h o d so f o b t a i n i n ga n dt r e a t i n gr g i s d a t a m a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c eo f r g i ss p a c ed a t as y s t e m s k e yw o r d s ：r a i l w a y r g i si n t e r a c t i o n o p e n n e s ss p a c ed a t a 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 1 综述 铁路地理信息系统( r 6 l s ) 应用方法研究 1 1 研究背景 本课题源自铁道部科技发展规划项目铁路地理信息系统试点 工程的研究，合同编号：2 0 0 2 x 0 4 2 一b 。该项目在郑州铁路局作试点 研究，是铁路地理信息系统( r g i s ) 建设的重要组成部分。按照合同 要求，该项目的主要研究内容是： 根据铁路地理信息系统( r g i s ) 总体技术方案 1 研究适合铁路特点的r g i s 应用软件平台 2 研究r g i s 空间数据采集应用方案与维护体系结构、管理制度 3 研究r g i s 与铁路m i s 信息共享方案 4 研究影像自动化采集系统 5 研发r g l s 应用软件系统 6 在郑州铁路局建立r g i s 应用试点工程，总结r g i s 试点经验， 提出开展r 6 s 建设的建议 第3 页共7 4 页 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 该项目的技术关键：r g l s 空间数据采集应用方法、维护体系与 管理机制，r g i s 应用软件平台选型。r e , i s 与铁路其它1 l l i s 系统数据 的接口技术。 本课题选择该项目的部分内容作为研究方向，以铁路基础设备的 管理为研究对象，主要目的是探讨铁路地理信息系统( r g i s ) 的应 用方法问题。 1 1 1 铁路设备管理在r g i s 建设中的地位 随着g i s 在各行各业应用的不断深入，铁路也在开始考虑利用地 理信息系统来提高自己的管理和服务水平，并且已经开始进行铁路地 理信息系统的研究工作。铁路地理信息系统( r g i s ) 的建设也是铁道部 信息化建设规划中一个十分重要的组成部分。 近年来，随着“数字地球”概念的提出，也有人提出“数字铁路” 的概念。“数字铁路”是“数字地球”概念的一个子集，也是“数字 地球”这庞大系统工程的一个缩影。数字铁路是建立在铁路基础信 息结构上的把铁路车、机、工、电、辆、基建、行政指挥决策、运行 管理等各个部门的海量的动态和静态的、多分辨率的、三维的数据按 统一的地理坐标集成起来，使系统的各级决策层及管理、技术人员无 论何时何地，都可以按优先级别得到铁路任一地区、任一部门的信息 该信息以动、静结合，具有高度沉浸感和临场感，交互方便的特性及 表现方式展现在用户面前，使得遍布全国的庞大的铁路系统真实地重 现给各级决策者，使铁路系统的决策机构具有实际意义的运筹帷幄、 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 决胜千里的能力。 从这个概念上理解，建成“数字铁路”将是铁路信息化的终极目 标。铁路地理信息系统的建设是其中一项重要的基础工作，这是一个 十分庞大而且复杂的系统_ i 程，不但建设周期长，其建设难度也是空 前的。同时，我们应该看到，建设铁路地理信息系统的目的，归根结 底是要为铁路安全和运输生产服务的，而铁路的安全生产管理中存在 许多涉及空间信息管理的问题需要迫切解决，通过解决这些实际问 题，也许能为整个铁路地理信息系统的建设打开一个突破口。 对整个铁路系统而言，设备的管理具有很重要的意义，它是最基 础的信息资源，是技术改造、行车指挥、保障行车安全以及事故抢险 救援等领导决策的重要依据。要完整表现铁路设备信息，需要两方面 的内容：反映设备技术指标的属性信息和反映设备的位置和形状的空 间信息。由于技术手段的限制，长期以来，铁路系统主要采用设备台 帐和设备图集方式管理设备，人为割裂了同一个设备的属性信息和空 间信息，造成管理上的诸多弊端。由于图集维护比较困难而且维护周 期长，而台帐的维护相对频繁，容易造成同一个设备的属性信息和空 间信息脱节，不仅无法保证数据的一致性，难以进行综合维护，而且 携带使用不便，信息的利用效率低卜i 。设备管理成为铁路系统基础管 理的薄弱环节，这种问题在铁路系统普遍存在。解决铁路技术设备的 管理问题是铁路地理信息系统建设需要首先面对的问题。 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 1 1 2 郑州局试点项目 铁路地理信息系统试点工程的研究项目选择郑州铁路局 作为试点单位，是因为郑州铁路局在运用地理信息系统技术方面起 步较早，郑州铁路局在铁路行车设备管理系统中有过成功的应用。铁 路行车设备地理信息管理系统是郑州铁路局重点科研项目。该项目 予1 9 9 8 年立项，经过两年多的努力，到2 0 0 0 年初，完成了系统的开 发研制任务，并于2 0 0 0 年3 月1 7 日通过郑州局科委组织的技术鉴定。 该系统中引进了先进的地理信息系统( g i s ) 技术，全面地对铁路行 车设备进行计算机管理，彻底根除了传统管理方式的种种弊病，通过 地图+ 信息的方式，全面、直观、准确地反映了设备的分布、现状及 技术特征。同时，系统还提供了多种查询、统计、定位功能，为计算 铁路运营能力、铁路设备改造、抢险救援等工作提供了全新的技术手 段。 该系统在郑州铁路局应用过程中，积累了丰富的经验，这是本项 目研究十分重要的基础。 1 2 问题的提出 1 2 1g i s 研究的一般性内容 地理信息系统是在地理学研究和生产实践的需求中产生，地理信 息系统的应用足技术系统不断完善，并逐步发展了地理信息系统的理 论；理论研究又指导开发新一代高效地理信息系统，并不断拓宽其应 第6 页其7 4 页 铣路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 用领域，加深应用的深度；地理信息系统的应用，又对理论研究和技 术方法提出了更高的要求。这 方面的问题是相互联系相互促进的。 地理信息应用系统研究的内容主要有以下三个方面： 1 地理信息系统基本理论研究 包括研究地理信息系统的概念、定义和内涵；地理信息系统的信 息论研究；建立地理信息系统的理论体系：研究地理信息系统的构成、 功能、特点和任务；总结地理信息系统的发展历史，探讨地理信息系 统发展方向等理论问题。 2 地理信息系统技术系统设计 包括地理信息硬件设计与配置：地理空间数据结构及表示；输入 与输出系统：空间数据库管理系统；用户界面与用户工具设计；地理 信息系统工具软件研制；微机地理信息系统的开发；网络地理信息系 统的研制等； 3 地理信息系统应用方法研究 包括应用系统设计和实现方法：数据采集与校验；空间分析函数 与专题分析模型；地理信息系统与遥感技术结合方法：地学专家系统 研究等。 1 2 2 本课题研究的主要问题 l r g i s 应用专门化 按照最初的设计思想，郑州铁路局行车设备地理信息系统的目标 是将车、机、t 、电、辆等各部门与行车相关的技术设备集中管理， 第7 页其7 4 页 铁路地理信启、系统r r g f s ) 应用方法研究 提供尽可能全面的g i s 功能，任何一个需要这方面信息的单位都能使 用，没有具体专业领域的限制。其实，这是一种大而全的开发模式， 经过几年运行，这种模式存在诸多弊端逐渐暴露，首先，除了最上层 的领导和综合管理部门，大多数用户只需要其中的部分内容和功能， 由于针对性不强，这个系统谁都可以用一点，但是谁也用不好，推广 中也遇到了很大障碍；另外，由于这个系统作为一个g i s 应用系统而 独立存在，与其他业务系统脱节，数据的维护工作也遇到了很多困难。 目前，铁路上大多数g i s 应用系统的开发思路还是将g i s 作为一 个独立系统存在。在铁路信息化建设规划中，与t m i s ，d m i s 和p m i s 大型管理信息系统不同，r g i s 没有专门的业务部门与之相对应。从 用户角度来看，r g i s 将来不可能作为个独立的系统存在于铁路信 息系统中，而是作为整个铁路信息系统管理和运作的一部分，r g i s 各种功能将融合于与专业领域更直接的系统之中。同时，从g i s 的发 展角度上考虑，g i s 应用系统的各项功能也将与各类专业系统融合起 来，共同发展。软件的部件化也反映了这个趋势。g i s 应用系统的专 门化是实用地理信息系统的发展趋势。因此，顺应g i s 的这种发展趋 势，研究铁路地理信息系统( r g i s ) 应用专门化的方法是本课题研究的 一项主要内容。 r g i s 应用专门化的关键问题是r g i s 应用的互操作性和开放性。 2 r g i s 应用中的数据问题 计算机硬件设备的生命周期通常为3 - 5 年，计算机软件的生命周 第8 页共7 4 页 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 期一般为7 - 1 5 年，而地理信息系统数据的生命周期为几十年。地理 信息系统数据的开发、更新和维护既费时又费力，曾经有人统计过 g i s 硬件、软件和数据的造价比是】：1 0 ：1 0 0 ，所以如何更有效地生产 和维护地理信息系统的数据将会是g i s 未来面临的主要挑战之一。 r g i s 建设的主要目的之一是对于铁路空间信息进行更好的管理和处 理，r g i s 空间分析功能实际上是使用现有的数据来产生新的数据， 所以数据是整个r g i s 应用的操作对象。没有数据，则谈不上信息系 统。如果数据问题能够解决，r g i s 应用系统才有意义和价值，才能 在铁路信息化建设中真正发挥作用。 根据郑州铁路局在铁路行车设备管理中应用g i s 技术的实践，本 课题将研究r g i s 应用中的数据问题，主要是数据结构设计，数据采 集，数据的管理与维护方面的问题。 1 3 国内外研究现状 近年来，地理信息系统( g i s ) 、全球卫星定位系统( g p s ) 、遥感( r s ) 等技术的发展，日渐成熟和普及，随着虚拟现实、高分辨率遥感、分 布式数据库、网络技术、数据仓库、多媒体技术、海量数据处理及宽 带通信等技术的突飞猛进，为g s 技术的广泛应用展示了光明的前 景。数字地球概念的深入与普及，许多行业与地域已经开始大规模的 空间信息基础设施建设，建立基于空间数据的共享平台，如数字城市、 数字国土等。经过数年来的发展，国内地理信息系统建设取得了定 的成果，各行各业信息化水平得到了显著提高。但是在建设过程中也 第9 员共7 4 酉 铣路地理信忌系统( r j 应用方注研究 出现了一些问题，问题主要集中在： 1空间数据的结构设计缺乏标准规范，空间数据的命名、分类、编 码、格式等标准不统一，给地理信息系统的统一建设和使用带来 巨大的困难： 2 由于以前很少使用数字地图，图像和图形等技术资料都以纸为媒 介，因此缺乏完善的空间数据采集、维护更新机制； 3 在信息化过程中，没有全国或整个行业范围内的统规划，没有 充分利用空间数据的集成能力： 目前西方发达国家建设地理信息系统已充分注意到这些问题，奥 地利的o e b b ( 奥地利铁路) 公司特别提到：在没有基于g i s 的信息系 统以前，o e b b 各业务部门也有一系列的铁路信息系统，但是这些系 统不能跨部门共享数据。o e b b 建立了基于g i s 的地理信息系统后， o e b b 任何一个业务部门都可以在全路任何一个地理位置的终端查 到全路数据；荷兰在1 0 年前建立了几个独立的业务系统( e b p e l e c 拉o m cc o n 仃o lp o s t 和n 4 v t r a i n t r a c i n gs y s t e m 等) ，这些系 统相互独立，不能共享数据，在1 9 9 6 年提出建立一个基于g i s 的共 享数据平台( p s s p r o c e s ss u p e r v i s i o ns y s t e m ) 实现全路的数据统一 管理，并已于最近完成。 第1 0 页菸7 4 页 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 1 4 本论文的目标、研究内容和研究方法 1 4 1 目标 本论文的目标在于： 1 研究铁路地理信息系统畔g i s 应用专门化的设计思路和实现方 法； 2 根据铁路的行业特点，研究铁路地理信息系统( r g i s ) 的数据结 构，数据采集，数据的管理与维护问题的解决方法。 1 4 2 研究内容 1 r g i s 应用的互操作性 2 r g i s 应用的开放性 3 r g i s 数据结构设计 4 r g i s 数据采集 5 r g i s 数据管理 1 4 - 3 研究方法 r g i s 首先是个多技术交叉的以管理铁路空间信息为主的计算 机系统，其研究开发必然要结合计算机和g i s 技术的最新技术成果和 发展趋势，因而其研究方法必然是技术导向的；同时，r g i s 的研究 主要是为了解决铁路信息化建设的实际问题，因而其研究方法也是应 用导向的。 第1 1 页共7 4 页 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 在铁路信息化建设规划中，与t m i s ，d m i s 和p m i s 大型管理信 息系统不同，r g i s 没有专门的业务部门与之相对应。从用户角度来 看，r g i s 将来不可能作为一个独立的系统存在于铁路信息系统中， 而是作为整个铁路信息系统管理和运作的一部分，r g i s 各种功能将 融合于与专业领域更直接的系统之中。地理信息系统的互操作和开放 性设计是2 1 世纪g i s 研究领域的一个重要组成部分，本课题将根据 这一发展趋势，研究r g i s 的应用专门化的设计思想和实现方法。 获取和维护空间数据是r g i s 建设面临的最大挑战。根据郑州局 在铁路行车设备地理信息系统处理空间数据问题积累的实践经验，本 课题将在此基础上研究r g i s 建设中数据结构设计，数据采集，数据 管理和维护方法。 2g i s 应用的基础理论 2 1g i s 的特征及意义 地理信息系统( g i s ，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 ) 是一种决策 支持系统，它具有信息系统的各种特点。地理信息系统与其他信息系 统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置 及该位置有关的地物属性成为信息检索的重要部分。在地理信息系统 中，现实世界被表达成一系列的地理要素和地理对象，这些地理特征 至少有空间位置参考信息和非位置信息两个部分。 地理信息系统是一个技术系统，是以空间数据库为基础，采用地 第1 2 页其7 4 页 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 理模型分析方法，提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和 地理决策服务的计算机技术系统。 地理信息系统具有以下三个方面的特征： l具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性 和动态性； 2 由计算机系统支持进行空间数据管理，并由计算机程序模拟常规 的或专门的地理分析方法，作用于空间数据、产生有用信息，完 成手工无法完成的任务； 3 计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信 息系统能得以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定 位和过程动态分析。 地理信息系统的外观，表现为计算机软硬件系统，其内涵却是由 计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。当具有一定地 学知识的用户使用地理信息系统时，他所面对的数据不再是毫无意义 的，而是把客观世界抽象为模型化的数据，用户按照应用的目的，观 测这个现实世界模型的各个方面的内容，取得自然过程的分析和预测 信息，用于管理和决策，这是应用地理信息系统的意义所在。 2 2g i s 应用类型 地理信息系统按其内容可以分为三个大类 第1 3 页共7 4 页 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 专题地理信息系统：具有有限目标和专业特点，为特定的专门目 的服务。 区域地理信息系统：主要以区域综合研究和全面的信息服务为目 标，可以有不同的规模。 地理信息系统工具或地理信息系统外壳：是一组图形图像数字化、 存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能 的软件包。 本系统主要应用于铁路的基础设施管理，具有很强的专业特点， 因此，从应用类型来分，本系统属于专题地理信息系统。 2 3g i s 构成 与普通的信息系统类似，一个完整的g i s 主要由四个部分组成， 即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理数据( 或空间数据) 和系 统管理操作人员。其核心部分是计算机系统( 软件和硬件) ，空间数 据反映g i s 的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式和 信息表达方式。系统构成如图2 1 所示 第1 4 页共7 4 页 铁路地理信息系统( r g i s ) 碰用方注研究 图2 - 1 系统构成图 1 计算机硬件系统 计算机硬件系统是g i s 的物理外壳。系统的规模、精度、速度、 功能、形式、使用方法甚至都与硬件有极大的关系，受硬件的支持或 制约。g i s 由于其任务的复杂性和特殊性，必须由计算机设备支持。 图2 2 表示了常见的计算机标准外设和g i s 使用的外设。 第1 5 页戴7 4 页 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 早翠甲甲早 i 计算机i 隰f 竺l 晶占占占 图2 - 2 计算机标准外设和g i s 使用的外设 2 计算机软件系统 对于g i s 应用而言，通常包括以下软件系统： 1 ) 计算机系统软件：主要是操作系统： 2 ) 地理信息系统软件和其他支持软件：包括通用的g i s 软件包，也 包括数据库管理系统、计算机图形软件包、计算机图像处理系统， 用于支持空间数据输入、存储、输出和与用户的接口。 3 ) 应用分析程序：是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析 模型编制的用于某种特定应用任务的程序，使系统功能的扩充与 延伸。在g i s 工具支持下，应用程序的开发作用于地理专题或区 域数据，构成g i s 的具体内容，这是用户最为关心的真正用于地 理分析的部分，也是从空间数据中提取地理信息的关键。用户进 行系统开发的大部分工作是开发应用程序，而应用程序的水平在 第1 6 页共7 4 贾 网 络 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 很大程度上决定了系统应用性的优劣和成败。图2 - 3 给出了地理 信息系统软件的功能框架。 图2 3 地理信息系统软件的功能框架 3 系统开发、管理和使用人员 人足g i s 中的重要构成因素。仅有系统软硬件和数据还不能构成 完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、 系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多种信 息，为研究和决策服务。对于合格的系统设计、运行和使用来说，地 理信息系统专业人员是地理信息系统应用的关键，而强有力的组织是 系统运行的保障。一个周密规划的地理信息系统项目应该包括负责系 统设计和执行的项目经理、信息管理的技术人员、应用工程师以及最 终运行系统的用户。 4 空间数据 在g i s 中，空间数据主要包括： 第1 7 页其7 4 页 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 1 1 某个物体在坐标系中的位置：即几何坐标，标识地理对象在地图 中的空问位置，如经纬度、平面直角坐标、极坐标等。 2 ) 实体间的空间关系：通常包括：度量关系，如两个地物之间的距 离远近；延伸关系，定义两个地物之间的方位；拓扑关系，定义 了地物之间连通、邻接等关系，是g i s 分析中最基本的关系，其 中包括了网络节点与网络线之间的枢纽关系，边界线与面实体间 的构成关系，面实体与岛或内部点的包含关系。 3 1 与几何位置无关的属性：即通常所说的非几何属性或简称属性。 属性分为定性和定量两种，前者包括名称、类型、特性等，后者 包括数量和等级。非几何属性一般是经过抽象的概念，通过分类、 命名、量算、统计得到。任何地理实体至少有一个属性，而地理 信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的， 因此，属性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。 2 41 3 1 8 应用系统的功能 地理信息系统的核心问题可归纳为五个方面的内容：位置，条件 变化趋势，模式，模型。 1 位置( l o c a t i o n l 即在某个特定的位置有什么。 首先，必须定义某个物体或地区信息的具体位置，常用的定义 方法有：通过各种交互手段确定位置，或者直接输入一个坐标： 其次，指定了目标或区域的位置后，可以获得预期的结果及其所 第1 8 页麸7 4 页 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 有或部分特性。 2 条件( c o n d i t i o n s ) 即什么地方有满足条件的东西。 首先，可以指定一组条件，可以从预定义的各选项中选取，也 可以填写逻辑表达式，或者在终端上交互填写条件表格。 其次，指定条件后，可以获得满足条件的所有对象列表，如在 屏幕上以高亮度显示满足指定条件的所有特征。 3 变化趋势( t r e n d s ) 该类问题需要综合现有数据，以识别已经发生了或正在发生的 地理现象。 首先，确定趋势，当然趋势的确定并不能保证每次都正确，一 旦掌握了特定的数据集，要确定趋势可能要依赖假设条件、推测 和观测现象。 其次，针对该趋势，可通过对数据的分析，对该趋势加以确认。 地理信息系统可使用户快速获得定量数据以及说明趋势的附图 等。 4 模式( p a t t e r n s ) 该类问题是分析与已经发生或正在发生事件有关的因素。地理 信息系统将现有数据组合在一起，能更好地说明正在发生什么， 找出发生事件与那些数据有关。 首先，确定模式，模式的确定通常需要长期的观察、熟悉现有 数据、了解数据间的潜在关系。 第1 9 页菇7 4 页 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 其次，模式确定后，可获得一份报告，说明该事件发生在何时 何地、显示事件发生的系列图件。 5 模型( m o d e l s ) 该类问题的解决需要建立新的数据关系已产生解决方案。 首先，建立模型，如选择标准、检验方法等。 其次，建立了一个或多个模型后，能产生满足特定的所有特性 的列表，并着重显示被选择特征的地图，而且提供一个有关所选 择的特征详细描述的报表。 为了完成上述的地理信息系统的核心任务，需要采用不同的功能 来实现它们。尽管目前商用g i s 软件包的优缺点不同，而且它们实现 这些功能所采用的技术也是不一样的，但是大多数商用g i s 软件包都 提供了如下功能：数据获取、数据的初步处理、数据的存储及检索、 数据的查询与分析、图形的显示与交互。图2 - 4 给出了g i s 的一般功 能框架 第2 0 页热7 4 页 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 图2 - 4 g i s 功能概述 3r g i s 应用专门化研究 地理信息系统技术在铁路信息化方面的应用取得了巨大的发展的 同时，其应用方法的缺陷也越来越明显。突出表现在：大多数g i s 应用系统是封闭、孤立的系统，没有统一的标准，各自采用不同的数 据格式、数据存储和数据处理方法；应用系统的开发都是基于具体、 项目独立和封闭的平台，并且在数据语义表达一卜往往存在不可调和的 矛盾，从而无法直接进行应用系统之间的数据共享。这样，就使地理 第2 1 页其7 4 页 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 信息系统技术的发展潜力受到了限制。 随着铁路信息化建设的发展，每时每刻都有大量来源不同的地理 数据产生，而要从中获得有用的信息就要通过计算机来进行处理，特 别是随着计算机网络的发展，i n t e r n e t 的出现与普及，越来越多的 信息需要在不同的软件中进行处理，能够在网络中实施发布。因此， 如何使地理信息系统能够迅速快捷地获取来源不同的数据，并将它们 集成起来进行分析，并且使这些集成数据能够在不同的系统下相互操 作以及在异构数据库中获取所需的数据信息就变得非常重要。 铁路地理信息系统( r g i s ) 的应用专门化是实用地理信息系统的发 展趋势。实现r g i s 应用专门化，需要解决两个方面的问题： 1 r g i s 应用的互操作性 2 r g i s 应用的开放性 3 1r g i s 应用的互操作 实现r g i s 应用的专门化，面临的首要问题就是不同r g i s 应用的 互操作性，实现r g i s 应用的互操作性也是信息共享的一个必然要求。 从技术角度来讲，地理信息系统各系统之间数据共享的途径主要 包括数据交换和地理信息系统功能的互操作。在以单机、数据集中式 管理为特点的地理信息系统发展阶段，满足地理信息系统各系统之间 数据共享需求的主要技术手段是数据交换，数据交换所要解决的核心 问题是有关来源不同的地理信息系统的数据之问格式转换的问题；随 着c l i e n t s e r v e 体系结构和b r o w e r s e r v e 体系结构在地理信息系统领域 第2 2 页麸7 4 页 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 的广泛应用以及网络技术的发展，数据交换方法己经不能满足技术发 展和应用的需求，而地理信息系统功能的互操作则成为一种新的数据 共享途径。地理信息系统互操作不但强调不同系统之间数据的相互可 操作，而且强调系统之间数据处理和分析方法的共享。 3 1 1r g i s 的空间数据转换 空间数据转换是实现地理信息系统互操作的最低层次。数据转换 的核心是数据格式的转换。基于数据通用交换标准的数据交换，尽管 在格式转换过程中增加了语义控制，但是其核心仍然是数据格式的转 换。一般地，数据转换采用以下三种方式。 1 通过相关表直接转换 在两个系统之间通过关联表，直接将输入数据转换成输出数据， 如图3 1 所示。这种方法是记录之间的转换，只对小的转换量才有意 义，而且由于它是针对记录逐个地进行转换，无法保证转换过程中语 义的正确性。 图3 - 1 直接转换关联表 第2 3 页其7 4 页 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 2 通过转换器直接转换 另一种方法是通过转换器实现，如图3 - 2 所示。转换器是一个内 部数据模型，转换器通过对输入数据的类型及值按照转换规则进行转 换，得到指定的数据模型及值。与使用关联表相比，它具有更详细的 语义转换功能，也具有一定的存储功能。 转换器 图3 2 直接转换转换器 3 基于空问数据转换标准的转换 无论采用关联表还是采用转换器进行直接转换，它仅仅是两个系 统之间达成的协议，即两个系统之间都必须有一个转换模型；而且为 了使另个系统和该系统能够直接转换，必须公开各自的数据结构及 数据格式。为此，可以采用另种空间数据的转换标准来实现地理信 息系统数据的转换。转换标准是大家都遵守而且很全面的一系列规 则。转换标准可以将不同系统中的数据转换成统一的标准格式，以供 其他系统调用，如图3 3 所示。 第2 4 页共7 4 员 堡墅丝望堕星墨竺! 堕! ! ! 皇望查些! 窒 系统al 系统b ll 系统c n驻n i空间数据转换标准( s d t d ) l88 f 系统2 系统3 系统i 图3 - 3 基于空间数据转换标准的互操作 为了实现转换，空问数据的转换标准必须能够表示空间实体的一 系列属性和关系，同时它必须提供转换机制，以保证对这些属性和关 系的描述结构不会改变，并能被接收者正确地调用，同时它还应具有 以下功能特点： 具有处理矢量、属性数据及其它辅助数据的能力； 实现的方法必须独立于系统，且可以扩展，以便在需要时能包 括新的空间信息。 根据上述三种数据转换模式的分析，前两种模式只适合小规模的 数据转化，而且数据的应用相对封闭，并没有实现真正意义的数据共 享。从长远发展考虑，如果系统共享数据的前提是大量的鼗据转换， 也为数据的维护增加了很大的工作量，一个业务部门的数据发生了变 化，很难在另个系统中及时体现出来。铁路设备管理条块分割，管 理脱节的问题并没有从根本上解决。解决之道是按照第三种方式，即 第2 5 页共7 4 面 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 建立一系列规则，现有的铁路业务管理部门遵守这些规则，在现有各 业务部门所管理的设备数据增加一些用以表示空问基本信息的标准 格式，以供其他系统调j i = | j 。比如说，由于铁路线路走向固定，其空间 表示的自由度为1 ，也就是说，只要铁路设备数据具有公里标，其空 间信息就能确定下来。目前铁路设备管理的现状是各个系统都有自己 的公里标，但是公里标并不统一。如果能把各个业务系统这些最基本 的空间表示统一起来，就能保证任何一个系统在调用这些数据的时 候，对这些属性和关系的描述结构不会改变，实现真正意义的数据互 操作。 3 1 2r g i s 应用的互操作 1 地理信息系统互操作的概念 数据转换方法仅仅是从数据角度考虑互操作，是数据的集成，而 没有考虑g i s 功能方面，因此还不能达到真正的互操作。地理信息系 统的互操作是在异构数据库和分布计算的情况下出现的。对系统而 言，系统要能够彼此更安全地获取和处理对方的数据；对用户而言， 用户要能够方便地查询到所需的信息，并能够方便地使用各种不同类 型和格式的数据：对信息管理者来说，他们要能够很好地管理信息， 并将资源充分地提供给用户。 在地理信息系统领域，对互操作仍然具有不同的理解。 在计算机词典t ，将互操作定义为两个或者多个系统交换信 息并相互使用己交换信息的能力，即指一个系统接收和处理另一个软 第2 6 页共7 4 页 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 件系统发出信息的能力，它反映了一个系统是否易于与其他软件系统 快速连接，它是衡量软件质量的一个重要指标。 u c g i s ( 1 9 9 6 ) 贝o 认为互操作通常指自底向上将已有系统和应用集 成在一起，它不是简单地集成而是系统地组合，它需要多种d b m s 和应用程序的支撑。 i s o t c 2 1 l 认为若两个实体x 和y 能互相操作，则x 和y 对处 理的要求r 具有共同的理解，并且如果x 对y 提出处理请求r ，y 能对r 做出正确反应，并将结果s 返回给x 。 o g i s 互操作性的定义是指系统或系统的构建的可扩展性，以及相 互应用和协作处理的能力。 由此看出，互操作性强调将具有不同数据结构和数据格式的软件 系统集成在一起共同工作。实际上，地理信息系统互操作在不同的情 况下有不同的侧重点，强调软件功能模块之间相互调用时称为软件的 互操作；强调数据集之间相互透明的访问时称为数据的互操作；强调 信息的共享，在一定语义约束下的互操作称为语义的互操作。一般地 地理信息系统互操作是指不同应用之间能够动态地相互调用，并且数 据集之闯有一个稳定的接口。 2 r g i s 应用互操作的层次 有人从网络设计者、操作系统设计者、软件应用工程师、用户以 及企业角度来分析，将地理信息系统互操作分为六个层次：网络协议、 文件系统、远程过程调用、查询和获取数据、地理信息系统以及信息 群。也有入将地理信息系统互操作分为八个层次：嘲络、分布计算环 第2 7 页其7 4 页 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 境、数据存储、中间件、工具、应用、企业和信息群。可以看出，两 种划分尽管有不同的层次，但本质上是相似的，都可以将它们归纳到 技术、数据、应用和企业这四个不同的层次上。 从应用的角度出发，r g i s 应用的互操作的最终目的在于实现语义 层次上的互操作。可在上述四个层次的基础上将互操作迸一步分为： 网络硬件、软件和网络协议、属性数据库、空间数据库、r g i s 应用 语义定义和企业信息共享六个层次，如表3 - l 所示。 表3 - 1 互操作的层次结构及其支持 层次结构支持 企业应用信息共享政策、规范、标准 r g l s 应用语义定义标准、语义数据模型、规程 空间数据库 数据d b m s 、标准、规程 属性数据库 软件和网络协议规程、协议、标准 技术 硬件和网络标准 在表3 一l 中，网络、硬件、软件是指从技术上如何实现地理信息 系统的互操作，它包括：网络协议、文件传输系统、远程过程调用、 分布计算平台、软件规程等，它们的正确配置是实现地理信息系统互 操作的基础。 属性数据库和空间数据库层实现不同系统之间数据上的互操作。 但是地理信息系统的互操作不仅仅是数据的互操作，更应该是语义及 含义的互操作，即客户对数据处理和处理资源方法的访问是实时的， 并且所获得的结果是可以预测的。 企业是地理信息系统中最高层次的互操作，实际上也就是我们通 第2 8 页菇7 4 页 铁路地理信息系统( r a t s ) 应用方法研究 常所称的信息共享，它包括企业之间和信息部门之间的互操作。 3 基于公共接口实现r g l s 应用的互操作 为了使不同r g i s 应用之间能够实现互操作，种理想的方法是 通过公共接口来实现。接口相当于一种规程，它是大家都遵守并达成 统一的标准。在接口中不仅要考虑数据格式、数据处理，还要提供数 据处理应采用的协议，各个系统通过公共的接口相互联系，而且允许 各子系统内部数据结构和数据处理互不相同，如图3 - 4 所示。 图3 - 4 基于公共接口标准实现g i s 应用的互操作 关于公共接口的标准问题，是r g i s 项目的另一个课题“r g i s 标 准化研究”的内容。 4 r g i s 应用的互操作方法比较 在实现r g i s 应用专门化的技术途径中，数据转换方法及r g i s 应 用的互操作性是最重要的两个方面，对实现数据共享各种方法的优缺 第2 9 页共似页 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 点进行比较，六个指标的比较结果如表3 2 所示。 表3 - 2 数据共享技术方法比较 基于数据 指标基于关联表基于转换器基于接口 转换标准 处理对象单个数据数据集多个数据集数据集、处理 转换次数n 次n 次2 次1 次 内部公开性必须公开必须公开不须公开不须公开 转换公开性不公开不公开公开公开 抽象具体性非常具体具体抽象高度抽象 统一性不统一 不统一统一统一 从中可以看出，尽管数据转换方法是实现数据共享最常用的方法， 但是基于公共接口的地理信息系统互操作方法是最佳方法，也是难度 最大的方法，它独立于具体平台，高度抽象，代表着数据共享技术的 发展方向。 3 2 r g i s 应用的开放性设计 o p e n g i s ( o g i s ，o p e n g e o d a t a i n t e r o p e m t i o ns p e c i f i c a t i o n ，开放的 地理数据相互操作规范) 由美国o g c ( o p e n g i sc o n s o r t i u s ，o p e n g i s 协会) 提出。o g c 是一个非赢利性组织，目的是促进采用新的技术和 商业方式来提高地理信息系统的互操作性，o g c 的会员主要包括g i s 相关的计算机硬件和软件制造商( 包括e r s i ，i n t e r g r a p h ，m a p m f o 等知名的g i s 软件开发商) ，数据生产商以及一些高校、研究部门等， 其技术委员会负责具体标准的制定。 o p e n g i s 的目标是制定个规范，使得应用系统开发者可以在单 的环境和单的工作流中，使用分布j ：网上的人和地理数据和处理 第3 0 页菇7 4 页 铁路地理信息系统( r g i s ) 应用方法研究 功能。它致力于消除地理信息系统应用之间以及地理信息系统与其他 信息技术应用之间的藩篱，建立一个无“边界”的、分布的、基于构 件的地理信息系统互操作环境，与传统的地理信息系统处理技术相 比，给予该规范的g i s 软件将具有很好的可扩展性、可升级型、可移 植性、开放性、互操作性和易用性。 按照o p e n g i s 的规范设计r g i s 应用的应用模式，是实现r g i s 不同应用之间的互操作性，以及r g i s 与其他业务系统实现信息共享 的途径。 3 2 1 开放式地理信息系统( o p e n g i s ) 的概念 开放式地理信息系统是指在计算机和通讯环境中，根据行业标准 和接口所建立起来的地理信息系统。一般来说，接口是一组语义相关 的成员函数，并且同函数的实体相分离。在这个系统中，不同厂商的 地理信息系统软件以及异构分布数据库能相互通过接口交换数据，并 将它们结合在一个集成式的操作环境中。因此，在开放式地理信息系 统中，能实现不同地理空间数据之间、数据处理功能之间的相互操作 以及不同系统或不同部门之间资源的共享。真正的开放式地理信息系 统能在不同的软件厂商之间以及异构分布数据库之间，通过实时动态 机制实现数据存储结构不同的地理信息系统之间的连接。开放式地理 信息系统的核心是标准，这个标准