地理信息系統(tǒng)集成平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)研究論文
【摘 要】 提出了基于客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的地理信息系統(tǒng)集成平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)，探討了基于元數(shù)據(jù)的地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成平臺(tái)以建立物理上分布而邏輯上集中的分布式地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，提出了應(yīng)用符合3NF范式的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行模型管理的模式，在此基礎(chǔ)上探討了地理信息系統(tǒng)可視化建模工具。
【關(guān)鍵詞】 地理信息系統(tǒng) 集成平臺(tái)框架結(jié)構(gòu) GIS數(shù)據(jù)集成平臺(tái) GIS模型集成平臺(tái) 可視化建模工具
1 引 言
近年來，隨著GIS應(yīng)用的廣泛和深入建立了一大批地理信息系統(tǒng)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際的需要，這些分散的系統(tǒng)要求集成運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)信息共享，提高運(yùn)行效率。在國(guó)家“八五”攻關(guān)中就開展了這方面的研究[1，2]，在“九五”攻關(guān)中對(duì)系統(tǒng)實(shí)用化和運(yùn)行業(yè)務(wù)化提出了更高的要求。地理信息系統(tǒng)集成的重要性得到普遍的認(rèn)識(shí)[3，4]。
地理信息系統(tǒng)集成可以分為兩個(gè)層次，一個(gè)是地理信息之間相互關(guān)系的概念層次集成，側(cè)重于地理信息的空間分析；另一個(gè)是不同數(shù)據(jù)和模型之間組織和管理的技術(shù)層次集成。本文所指的地理信息系統(tǒng)集成主要指后者意義上的集成。
在計(jì)算機(jī)集成制造（Computer Integrated Manufacture System， CIMS）領(lǐng)域，集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)或集成平臺(tái)的概念得到廣泛的應(yīng)用，集成平臺(tái)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息集成、功能集成所需的基本信息處理和通信公共服務(wù)的集合[5]。IBM公司基于系統(tǒng)使能器（Enabler）的集成平臺(tái)在企業(yè)應(yīng)用中獲得極大成功[6]，中國(guó)在CIMS應(yīng)用中也廣泛使用集成平臺(tái)技術(shù)[7]，收到巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
文獻(xiàn)[8] 中作者論述了地理信息系統(tǒng)集成的概念、內(nèi)涵和必要性，地理信息系統(tǒng)集成平臺(tái)的功能和特點(diǎn)。本文借鑒CIMS的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合信息技術(shù)的新發(fā)展，提出了基于客戶 /服務(wù)器的地理信息系統(tǒng)集成總體結(jié)構(gòu)，基于元數(shù)據(jù)的地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成平臺(tái)和基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的地理信息系統(tǒng)模型集成平臺(tái)和可視化構(gòu)模工具方法。
2 地理信息系統(tǒng)集成分析
回顧地理信息系統(tǒng)的發(fā)展過程，可以看出地理信息系統(tǒng)的集成在技術(shù)上可以分為如下幾種形式：
�。�1） 同一GIS軟件系統(tǒng)不同模塊之間或不同系統(tǒng)之間采用Import/Export的文本文件交換形式。這是最簡(jiǎn)單也是效率最低的一種方式，它適用于任意系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)和模型集成。
（2）大型商業(yè)GIS軟件如ARC/INFO具有一致的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提供二次開發(fā)語言，構(gòu)成軟件開發(fā)平臺(tái)。不同模塊之間可以采用二進(jìn)制進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（如 Arcedit和Arcplot），具有密切關(guān)系的不同GIS軟件系統(tǒng)之間也可以采用這種方式（如ARC/INFO和ERDAS）。在這種模式下用戶除了在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用模型被宿主系統(tǒng)調(diào)用外，其它所有的操作只能建立在這個(gè)商業(yè)軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上，不同的商業(yè)軟件平臺(tái)一般無法直接進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和功能互補(bǔ)。
（3）采用應(yīng)用程序接口（API）的形式進(jìn)行集成。如ARC/INFO提供RPC接口實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器端的通訊，提供ARC/INFO與ARCVIEW的集成。同時(shí)用戶可以遵循RPC規(guī)范開發(fā)應(yīng)用模塊以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。ESRI提出的分布式計(jì)算環(huán)境（Distributed Computation Environment）也是基于API的思想。
�。�4）對(duì)象連接與嵌入（OLE）的自動(dòng)化功能（Automation）提供了對(duì)象之間的互操作功能，一些最近開發(fā)的商業(yè)GIS軟件如Mapinfo公司的 MaplnfoProfessional和Golden Soft公司開發(fā)的Surfer，都提供OLE Automation，用戶可以將該軟件作為一個(gè)對(duì)象嵌入自己的系統(tǒng)。
�。�5） 最近發(fā)展起來的對(duì)象—關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)（ORDBMS）將空間數(shù)據(jù)作為一種數(shù)據(jù)類型直接集成進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，用戶可以在這種平臺(tái)上直接管理矢量空間數(shù)據(jù)、遙感圖像數(shù)據(jù)和普通關(guān)系數(shù)據(jù)，可以利用這種數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)的API開發(fā)GIS應(yīng)用系統(tǒng)。
�。�6） OPENGIS組織采用COBRA標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)布了其簡(jiǎn)單特征規(guī)范（Simple Features Specification）1.0版本作為開放地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)，這無疑是地理信息系統(tǒng)軟件向開放和互操作發(fā)展的重要方向之一，但這種方式需要從底層重新開發(fā)GIS軟件，在短期內(nèi)很難直接應(yīng)用于工程實(shí)踐。
在以上地理信息系統(tǒng)集成的各種形式中，都存在如下的問題需要解決。
�。�1） 地理信息采集和應(yīng)用的分布性特點(diǎn)決定了地理信息系統(tǒng)的分布性，地理信息系統(tǒng)集成需要一種分布式空間數(shù)據(jù)管理和分析模型的相互通訊機(jī)制。這種機(jī)制既可以適應(yīng)在目前比較成熟的.基于數(shù)據(jù)文件交換形式（如（1）和（2）），又可以為以后基于API（如（3）和（5））面向?qū)ο蟮牡乩硐到y(tǒng)集成（包括（4）—（6））提供發(fā)展余地。
（2） 地理信息涉及不同的時(shí)間、空間和屬性，需要有一種有效的地理數(shù)據(jù)管理的機(jī)制，并提供數(shù)據(jù)融合的能力。
�。�3） 地理分析模型與多種地理數(shù)據(jù)發(fā)生聯(lián)系，不同模型之間有復(fù)雜的串并聯(lián)關(guān)系，模型的組織與管理是需要解決的另一個(gè)重要問題。
基于以上的分析，本文提出了基于客戶/服務(wù)器機(jī)制的地理信息系統(tǒng)集成總體結(jié)構(gòu)，基于元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)集成平臺(tái)和基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的模型集成平臺(tái)，以及在系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫(kù)集成平臺(tái)、模型集成平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行可視化建模以輔助空間決策的方法和技術(shù)。
3 基于客戶/服務(wù)器的地理信息系統(tǒng)集成總體結(jié)構(gòu)
近年來，客戶/服務(wù)器（Client/Sever，C/S）體系結(jié)構(gòu)在分布式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。盡管這種模式至今還沒有一個(gè)完整的權(quán)威性定義，但人們對(duì)這個(gè)概念的基本看法是一致的。在C/S結(jié)構(gòu)下，一個(gè)或更多個(gè)客戶機(jī)和一個(gè)或更多個(gè)服務(wù)器，以及下層的硬件網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)和支撐平臺(tái)進(jìn)程間通信系統(tǒng)，共同組成一個(gè)支持分布式計(jì)算、分析和表示的系統(tǒng)，在該模式下，應(yīng)用分為前端的客戶部分和后端的服務(wù)器部分�？蛻舴桨l(fā)出請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)系統(tǒng)將請(qǐng)求的內(nèi)容傳到服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)請(qǐng)求完成預(yù)定的操作，然后把結(jié)果送回客戶。
地理信息系統(tǒng)集成平臺(tái)引入客戶/服務(wù)器機(jī)制后，可以將地理信息系統(tǒng)集成定義為兩層C/S結(jié)構(gòu)（圖1）。前端用戶和數(shù)據(jù)庫(kù)集成平臺(tái)、模型庫(kù)集成平臺(tái)、應(yīng)用模型構(gòu)成第1層C/S結(jié)構(gòu)，集成平臺(tái)和應(yīng)用模型與商業(yè)軟件構(gòu)成第2層C/S結(jié)構(gòu)�？蛻舳素�(fù)責(zé)引導(dǎo)用戶輸入數(shù)據(jù)源、功能要求和模型選擇，以及有關(guān)輸入輸出選擇項(xiàng)，將這些信息提交模型集成平臺(tái)服務(wù)器和數(shù)據(jù)集成平臺(tái)服務(wù)器。模型集成平臺(tái)服務(wù)器負(fù)責(zé)在模型庫(kù)中檢索符合用戶功能要求的模型，并支持模型的組合和建立新的模型，然后將這些模型（包括模型庫(kù)中已有的和通過宏語言或API新建的）對(duì)數(shù)據(jù)的要求提交數(shù)據(jù)集成平臺(tái)服務(wù)器，其功能請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為RS服務(wù)器、GIS服務(wù)器、RDBMS服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)的基本操作并提交給這些服務(wù)器。數(shù)據(jù)集成平臺(tái)服務(wù)器、RS、GIS、RDBMS服務(wù)器操作結(jié)果將返回給模型集成平臺(tái)服務(wù)器，進(jìn)而返回給客戶端。
當(dāng)客戶端有特殊的顯示、制圖要求時(shí)，模型集成平臺(tái)服務(wù)器將負(fù)責(zé)根據(jù)用戶的要求調(diào)用其它服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)；如果客戶端要求將模型運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，模型集成平臺(tái)將向數(shù)據(jù)集成平臺(tái)服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，完成在數(shù)據(jù)庫(kù)中的注冊(cè)。數(shù)據(jù)集成平臺(tái)服務(wù)器除了接收模型集成平臺(tái)發(fā)出的請(qǐng)求外，還可以直接響應(yīng)按照時(shí)間、空間和屬性信息數(shù)據(jù)查詢的要求，在空間框架的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多元數(shù)據(jù)的融合，數(shù)據(jù)集成平臺(tái)的功能也是調(diào)用RS、GIS、RDBMS服務(wù)器的功能來實(shí)現(xiàn)的。模型與數(shù)據(jù)庫(kù)之間、模型與模型之間即可以采用IMPORT/EXPORT的文件交換形式（如ARC/INFO的E00格式等），也為將來全部過渡到API的內(nèi)存交換形式（如DLL，OLE，ActiveX，COBRA等）提供可能。
這種設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)只考慮軟件的功能而不會(huì)過分依賴于具體的軟件平臺(tái)，因此系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)充性，無論采用商業(yè)軟件還是采用國(guó)產(chǎn)軟件，只要具有該項(xiàng)功能可以作為服務(wù)器，服務(wù)器軟件類型的變化都不會(huì)影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于將來采用國(guó)產(chǎn)軟件和系統(tǒng)的升級(jí)換代。
4 基于元數(shù)據(jù)的地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成平臺(tái)
地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)集成平臺(tái)的目的在于形成物理上分布而邏輯上集中的整體數(shù)據(jù)視圖。實(shí)現(xiàn)方式可以采用基于元數(shù)據(jù)的方式，也可以采用基于空間開放數(shù)據(jù)庫(kù)連接（Spatial Open Database Connectivity， S-ODBC）的結(jié)構(gòu)化查詢語言（Structure Query Language， SQL）和動(dòng)態(tài)連接庫(kù)（Dynamic Link Library， DLL）方式，以及基于面向?qū)ο蟮姆绞�，如分布式公共�?duì)象模型（Distributed Common Object Model， DCOM）和公共對(duì)象請(qǐng)求代理結(jié)構(gòu)（Common Object Request Broker Architecture）等方式[8]。由于大型業(yè)務(wù)化運(yùn)行的地理信息系統(tǒng)大都建立在商業(yè)軟件的基礎(chǔ)上，很少全部從底層開發(fā)，而目前絕大部分商業(yè)軟件都不支持這些軟件協(xié)議機(jī)制。從實(shí)用角度出發(fā)，基于元數(shù)據(jù)的集成平臺(tái)是一種行之有效的地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成模式。
美國(guó)聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會(huì)（Federal Geographical Data Committee， FGDC）制訂了分布式地理信息元數(shù)據(jù)規(guī)范，在地理信息標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化方面做了大量的工作。但是，一方面該規(guī)范過于煩瑣，在實(shí)際應(yīng)用中很難對(duì)該規(guī)范的每一項(xiàng)都有明確的表達(dá)，另一方面該規(guī)范主要針對(duì)靜態(tài)數(shù)據(jù)集而對(duì)動(dòng)態(tài)交互式應(yīng)用如多源數(shù)據(jù)融合等考慮不足。因此本文設(shè)想，針對(duì)地理信息的特點(diǎn)，抽取FGDC的關(guān)鍵內(nèi)容，對(duì)每一個(gè)具體空間數(shù)據(jù)庫(kù)建立一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的元數(shù)據(jù)記錄，將每一個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)與具體空間數(shù)據(jù)集相對(duì)應(yīng)的元數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)場(chǎng)地自治的原則，各節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)維護(hù)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)與元數(shù)據(jù)項(xiàng)的一致和統(tǒng)一。數(shù)據(jù)集成平臺(tái)服務(wù)器保存相應(yīng)元數(shù)據(jù)庫(kù)的副本，并維持與各接點(diǎn)元數(shù)據(jù)庫(kù)的動(dòng)態(tài)連接。這種方式的概念模式如圖2。
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