地理图形标记语言GML的架构及范例.doc

地理图形标记语言GML的架构及范例一、前言在信息高速公路的时代，如何能在不同的GIS 系统间实时分享资料，是刻不容缓的问题，现在该问题已经有了一个很好解决方案，那就是以 XML 为基础的 GIS 编码标准，称为地理图形标记语言GML（Geography Markup Language）。GML是由开放式地理信息系统联盟（OpenGIS Consortium，简称OGC）所发展，专为地理信息而发展的，以XML 为基础的编码标准，其与生俱来的转换及存取能力，将地理空间信息的管理开启一个全新的领域（请参考 黄旭初2002，新世代的GIS编码标准地理图形标记语言GML，国土信息系统通讯第42期）。由于GML在GIS领域，将对资料交换课题的扮演关键的角色，GIS 的参与者实有必要对GML的内容有深入的了解，本文将介绍GML的架构，并以范例说明。二、GML 基本架构（一）以XML技术为基础GML 目前的正式版本是2.1.1版，它以XML技术为基础，并使用最新的 XML Schema文件定义技术，XML Schema具有DTD所没有的型态继承（type inheritance）、名称空间（namespaces）等，且其使用XLink来表现地理空间实体间的关系，使得实体间关系的建立不仅限于同一数据库，甚至可横跨网际网络，因此GML 2.1.1版已足以建构分布式的GIS数据库。（二）以simple feature为处理的单元GML使用地理图形实体（称为feature）来描述这个世界，基本上一个feature是由一系列的属性（properties）及几何图形（geometries）所组成，属性的内容包括名称（name）、型态（type）、值的叙述（value description）等，几何图形（geometries）则由基本几何区块（例如点、线、及多边形）所组成，为了简化，GML的初始规格限定在平面的简单几何图形（称为simple feature，包括点、线、及多边形），在不久的将来，将会扩展至3D的几何图形及位相资料。GML的编码可以容许相当复杂的feature，一个feature的几何图形可以由许多几何图形元素所组成（称为Geometric Collection），也可以包含不同型态的几何图形。例如一个无线电转播塔可以同时有一个点的属性（它的位置点）及一个以多边形所构成的面的属性（它所涵盖的区域）。（三）GML的内容GML 2.1.1版以XML技术为基础，并使用 XML Schema文件定义技术，目前GML以Feature Schema、Geometry Schema、Xlinks Schema等三个基本的schema来定义它的内容，分述如下：1. Feature Schema（feature.xsd）Feature Schema定义feature的内容及结构。图1是以UML来描述Feature schema的内容及结构，从图中可以看到几何图形的属性（geometric property）被当作一个关联类别（association class），来将一个feature与一个几何图形（geometry）连结，例如PointProperty用来连结一个点（point）的几何图形。详细的Feature schema内容请参考GML2.1.1规格书（位于/gml/02-009/GML2-11.html）之附录A。图1. Feature schema之UML图标2. Geometry Schema（geometry.xsd）Geometry schema有关几何图形元素的类型的定义，包括点（point）、线（line）、多边形（polygon）等简单几何图形，及复合类型（complex type）的几何图形。图2是以UML来描述Geometry schema的内容及结构。Feature schema使用元素来将几何图形结构Geometry schema带进来，使得在定义feature type时可以引用：详细的Geometry schema内容请参考GML 2.1.1规格书之附录B。图2. Geometry schema之UML图标GML 定义了几个基本的几何图形属性(Geometric property)，用来将feature与几何图形连结，有关基本的几何图形属性表列如下。3. XLinks Schema（xlink.xsd）提供XLink属性来作为数据链结使用。Geometry schema使用元素来引用XLink。详细的XLinks schema内容请参考GML 2.1.1规格书之附录C。Feature schema、Geometry schema及XLink schema三个基本schema之间的关系可用图3来表示。图3. Feature schema、Geometry schema及XLink schema等三个基本schema之间的关系。三、以GML编码的范例（一）无几何图形的数据的编码本节以最简单的范例介绍起，假设有个非空间资料的feature type称为 员工 (Employee)，他有姓名、年龄、及别名等属性，其中别名可能有0个或1个以上，若以XML来对员工这个feature type编码，则可能的XML instance如下：黄旭初41小黄阿初在尚不考虑GML的状况下，本实例的XML schema应定义如下：若要引用GML的Feature schema，必须先确认哪些元素扮演feature type及其属性(property)的角色，在本例中 员工 是一个feature type，年龄是一个属性(property)，则上例改写成GML的语法如下：而且GML的Feature schema中有一些已经定义好的属性（例如如GML feature ID（fid）及其description属性等），可以在制作XML instance的时候使用，举例如下：内政部信息中心的员工黄旭初41小黄阿初（二）坐标及坐标范围的编码几何图形的坐标可以用一系列的元素组、或元素的单一字符串来编码，两种方法都可以对1、2、3度空间的坐标编码，其中元素可以使用XML 解析器（parser）来验证其正确性。元素在 GML的Geometry schema 中定义如下：元素中资料组的组数由数据类型决定，例如点（point）资料只含有一组坐标组，如下：5.040.0（例中srsName=/gml/srs/epsg.xml#4326是空间参考系统。）而与的作用一样，但更具有弹性，使用者可以定义坐标值之间的间隔符号（delimiter），元素在 GML的Geometry schema 中定义如下：的坐标值是储存在一个字符串内，其中预设的小数点是 .、坐标值的间隔符号是 ,、坐标组的间隔符号是Unicode的空白(#x20)，使用者可以依其需要改变上述之间隔符号。同样以点资料为例，以编码坐标如下：5.0,40.0（三）基本几何图形的编码几何图形的坐标都是定义在某种空间参考系统（Spatial Reference System，缩写为SRS）中，GML 2.1.1版中没有规定SRS的细部规格，目前OGC已经提出一份建议规格进行讨论，应该很快就会公布，几何图形类型(geometry type)的srsName属性是用来指向SRS的定义。几何图形类型(geometry type)的gid 属性是几何图形元素的唯一辨识码，属于选择使用的项目，依规定，gid的值是字符串且第一个字符不能是数字。GML中所定义的基本几何图形元素（primitive geometry element）包括坐标范围（Box）、点（Point）、线串（LineString）、线环（LinearRing）、及多边形（Polygon），分述如下：1. Box：用来对feature的坐标范围编码，第一组坐标是坐标范围的极小值，第二组坐标是坐标范围的极大值，举例如下：0.00.0100.0100.02. Point：点元素只有一组坐标，举例如下，56.10.453. LineString：由两组以上的点坐标所构成的直线串，举例如下：0.00.020.035.0100.0100.0若第一点坐标值与最后一点坐标值一样，则这是一个封闭的线串。4. LinearRing：线环是封闭的直线串，其第一点坐标值与最后一点坐标值一样，它是被用来建构多边形，其编码范例详见以下多边形的介绍。5. Polygon：多边形的边界是由线环(LinearRing)所构成，且区分成外边界(outer boundary)及内边界(inner boundary)，内边界可以有多个但彼此不能交叉及包含，且边界点的顺序是顺时针或逆时针并不重要。以下是一个多边形的instance，它拥有两个内部边界：0.0,0.0 100.0,0.0 100.0,100.0 0.0,100.0 0.0,0.0 10.0,10.0 10.0,40.0 40.0,40.0 40.0,10.0 10.0,10.0 60.0,60.0 60.0,90.0 90.0,90.0 90.0,60.0 60.0,60.0（四）几何图形集合的编码GML Geometry schema所预先定义的几何图形集合（geometry collection），可分为同质几何图形集合（homogeneous geometry collection）及异质几何图形集合（heterogeneous geometry collection）两种。所谓的同质几何图形集合（homogeneous geometry collection）是指同类型几何元素的集合，包括MultiPoint、MultiLineString及MultiPolygon等三种。以下以MultiLineString为例，在本例中MultiLineString几何图形集合拥有三个LineString的成员：56.10.4567.230.9846.719.2556.8810.44324.1219.70.454.56所谓的异质几何图形集合（homogeneous geometry collection）是指不同类型几何元素的集合，GML Geometry schema中的MultiGeometry元素即是异质几何图形集合，它的成员可以包括Points、LineStrings、Polygons、MultiPoints、 MultiLineStrings、MultiPolygon等几何图形元素、及其它的几何图形集合（geometry collection）。以下是一个异质几何图形集合的instance，它包含Point、LineString及Polygon等三种不同类型几何元素的成员：50.050.0 0.00.00.050.0100.050.00.0,0.0 100.0,0.0 50.0,100.0 0.0,0.0（五）具有几何图形的feature的编码GML 2.1.1版提供了一组定义好的几何图形属性（geometry property），将某些类型的几何图形与feature产生关联。我们继续前面的员工范例，为其加上一个点的属性，称为 location （location是已定义于GML Feature schema中的pointProperty的别名），则可以得到下列的结果：内政部信息中心的员工黄旭初41小黄阿初1.01.0其相对应的application schema如下：我们亦可以将上面的location属性重新命名成一个新的属性名称employeeLocation，供application schema全体使用，则上面application schema改写如下：（六）feature集合的编码feature集合(feature collection)使用featureMember属性来包含多个feature或其它的feature collection。以一个城市模型的feature collection为例，它包含道路及河流等资料，则其可能的GML instance如下：Feb 2000. .以下是相对应的application schema，注意其中gml:_Feature Collection及gml:Abstract Feature Collection Type的宣告：.而feature collection中的成员亦可以是储存在远程的feature，其间以Xlink链接。我们同样以上面的城市模型为例，可以在不修改原来的application schema的情况下，加入储存在远程的河流资料，如下：Feb 2000.例中以xlink:href属性指向远程的河流对象。（七）feature的关联数据的编码XML文件结构的主要目的，是为了描述资料、及资料内部组成组件间的关系。GML以巢状结构的包含（containment）、及链接（linking）来描述资料间的关系。以三笔土地（LandParcel）之间的相邻关系为例，以GML编码的instance如下：2345.9812.8345.例中以adjacenTo属性来表示该笔土地与哪一笔土地相邻。上例所对应的application schema如下：上例亦可以用另一种方式来表现相邻土地之间的关系，我们可以定义一个称为相邻土地(AdjcentPair) 的feature type，它有一个common Boundary Length属性纪录共同边界的长度，并以adjacenTo属性来纪录相邻的土地，以GML编码的案例如下：2345.9812.231对应的application schema如下：四、建构应用领域的application schema的规则为以GML编码来建构某应用领域的数据结构(application schema)，以下的规则必须遵循（限于篇幅相关范例请参GML 2.1.1规格书5.2章节内容）：（一）定义新的feature类型application schema的设计者可以创造自己的feature或feature collection的类型，但必须是GML类型gml:AbstractFeatureType 或gml: Abstract Feature Collection Type的子类型。（二）定义新的几何图形类型(geometry type)我们可以依需要创造自己的几何图形类型，但必须是GML类型gml:AbstractGeometryType 或gml:GeometryCollectionType的子类型。（三）定义新的几何图形的属性(geometry property)我们可以在上节自己所定义的新几何图形类型中，创造自己的几何图形属性，但必须是gml:GeometryPropertyType的子类型。（四）宣告target namespace我们必须为我们的application schema宣告一个target namespace，在schema中所宣告的元素及其类型定义，均位于这个namespace中。Namespace主要用来避免元素名称的冲突，在分布式的网络环境中，不同的XML文件中可能使用了相同名称的元素，宣告适当的namespace可以解决元素名称冲突的问题。特别注意的是namespace中的URI并不需要真正指到schema的文件，它只是一种机制，用来区分不同文件的元素名称。（五）引进不同namespace的schema以GML编码的文件，可以从多个不同的namespace引用不同来源的schema，以下图为例：图4 .使用多个namespace来源的schema图中schema-A及schema-B位于同一个namespace，所以schema-B使用来引进schema-A的内容；schema-A与GML feature schema位于不同的namespace，所以schema-A使用来引进GML feature的内容。（六）使用substitution group在全域元素（global element）中所定义的substitution group，可以取代GML元素，并为整个GML application schema所使用。（七）宣告额外的属性GML提供了一些预先定义好的几何图形属性(geometric property)，包括location、centerLineOf、extentOf等等，我们也可以使用subs