基于GML的WebGIS地理信息建模
骆炎民 涂超
(华侨大学信息学院，福建泉州 362011)
摘 要 文章分析了目前的地理信息系统的建模方法及其存在的问题，结合XML/GML技术，研究基于GML的地理信息的建模方法与实现技术。并以旅游地理信息系统为开发实例，给出了基于GML的泉州市旅游地理信息的建模方案和具体实现方法。
关键词 GML XML 地理信息建模
文章编号 1002-8331-(2004)15-0218-04 文献标识码A 中图分类号TP391
1. 引言
世纪是信息技术的时代，也是互联网的时代。随着计算机技术、网络通信技术、地球空间技术的发展，尤其是Internet及Web作为未来计算机技术的一个重要发展方向，传统的GIS正向着信息共享的网络GIS发展。随着互联网上的空间信息资源的不断增长，越来越多的Web站点提供空间数据服务，WebGIS正成为大众化的信息工具。
随着Web技术的日益发展及Web应用的日益广泛，HTML技术固有的极限性开始表现出来。可扩展标识语言XML为空间数据的共享与互操作提供了理想的解决方案。研究并设计面向地理空间对象的标志语言，是解决多源、多维、多层次的地理空间对象共享与互操作的简单而有效的途径。GML是一全新的使用XML编码地理空间信息的强有力的方法，它继承了XML文档特性，封装了地理信息及其属性，既为GIS的开发定义了规范标准，也为WebGIS数据模型的设计提供了基础，更为WebGIS的数据共享和互操作性提供现实可行的途径。
2. 地理信息的数据建模
建立地理数据模型的目的是为了以一种结构化、数字化的格式表示与显示地理信息。地理空间数据模型是对现实实体和现象的编码或计算机化的表现和抽象。它是信息集合的概念化视图。例如地图专题，离散的要素和对象，观测资料，数字或代数的描述说明等。从计算机角度看，包括两个主要内容：
(1)数据结构：是指用于对地理信息进行编码的方法。 如弧段-节点、计算机辅助设计、栅格、数据库记录、或连接的对象等。
(2)数据格式：是指用于存储和管理地理数据的特定协议或过程。如用于栅格数据的行程编码，及用于矢量数据的ARC/INFO覆盖层等。
在这些定义中，地理信息由每个实体中可以以其空间(时间)的实际位置的方式唯一描述的数据点或空间要素组成。
3. GML及其在WebGIS地理信息建模中的应用
3.1 地理标志语言--GML概述
GML(Geography Markup Language)是一个由OGC开发的基于XML的地理信息编码标准。GML是“一个关于地理信息(既包括地理要素的几何也包括地理要素的特征)的传输及存储的XML编码”。GML的出现使WebGIS的空间数据建模方法进入一个崭新的阶段。对WebGIS发展和应用具有深远的意义和影响。我们有理由相信，GML必将成为构建未来开放的地理信息系统共享与互操作平台的基础。
GML2.0规范全面采用了W3C的XML模式(Schema)技术来描述空间数据模型。目前已有大量标准的地理信息编码格式，如COGIF、MDIFF、SAIF和DLG等，其中的大部分都不是基于文本格式的。而GML是简单的基于文本的地理要素编码，且建立在目前被业界广泛接受的公共地理建模基础上，更重要的是它基于XML。GML具有以下优势：
(1)可以利用XML提供的DTD验证机制，对GML数据的完整性、有效性进行验证。
(2)基于文本，可以使用简单的文本编辑程序读写和编辑任何基于XML的GML文本。
(3)GML数据与非空间数据的集成将越来越容易。GML通过提供到其他数据元素的连接，使数据的集成变得相对简单。
(4)GML数据容易转换。GML是基于XML格式，通过DTD实现XML数据转换是非常简单的。
(5)基于XML的GML能够传输行为。GML自身并不编码行为，但它能够连接用Java、C++等语言生成的代码，并有效地
传输地理行为。
因此，可以说GML使我们能够真正地谈论开放的地理信息，实现最大意义上的地理信息共享。
3.2 基于GML的地理信息建模
GML提供了一个表达地理特征(Feature)的通用大纲框架。由于GML是严格遵守XML标准的，这就确保了GML数据可以被广泛的商业或者免费工具浏览、编辑、转换等，真正实现开放的地理信息的共享和互操作。
3.2.1 GML的框架结构
GML是一个开放的框架结构，由2个基本XGM Schema构成，其中，feature.xsd定义了抽象地理特征模型，geometry.xsd定义了具体的几何形状信息，xlink.xsd定义了各种功能链接。它们之间的关系如图1所示。
图中3个schema相当于3个基类，通过对这3个基本Schema的继承和扩展，可以定义自己的Schema来对地理数据进行编码，实现以XML的方式，对WebGIS中的地理信息建模。
3.2.2 GML对地理信息的表达
GML是基于OGC的地理抽象模型基础之上的，GML使用地理要素(Feature,又称为特征)来描述地理世界，本质上一个地理特征(Feature)是由一系列的属性(Properties)及几何信息(Geometries)所组成。属性的内容包括名称(Name)、类型(type)、值的描述(value description)等，几何信息(geometries)则由基本几何对象(例如点、线、多边形)所组成。
GML的编码可以对很复杂的地理要素进行编码，各地理要素(feature)是由许多几何对象元素所组成,称为几何集(Geometric Collection)，也可以包含不同形态的几何对象，一个复杂的几何实体又是由很多的点、线、多边形等几何体类型所构成。例如一个无线电转播塔可以同时有一个点的属性(表示它的位置点)及一个以多边形所构成的面的属性(表示它所涵盖的区域)。
3.2.3 基于GML地理空间数据模型
GML对地理空间数据的理解可以简单地概括为：地理空间是一个目标组合排列集，每个目标或者对象都具有位置、属性和时间信息，以及对象之间的拓扑关系、语义关系等。下面分别讨论利用GML对空间物体的属性信息、几何位置以及拓扑关系的描述方法。
3.2.3.1 几何模型
空间几何对象可以归纳为点、线、曲线、多边形等几种空间类型。GML通过Geometry schema定义了有关几何基本的图形元素，geometry.xsd提供了点(point)、线(line)、多边形(polygon)、点集(multioint)、线集(multiline)、多边形集(multipolygon)等基本几何图形，及复合类型(complex type)的几何图形，它们都可以直接使用。UML(Unified Modeling Language)是一种标准的、功能强大的面向对象的建模语言，UML技术是GIS设计的有效方法，geometry.xsd的UML表示如图2。
利用上述的geometry.xsd提供的基本几何图形，我们可以进行地理信息的几何建模。例如在泉州市旅游交通地理信息系统建模中，公交站、景区风景点、旅游酒店等可以认为是点状地物，用Point类型进行描述；交通线道、旅游线路等是线状地物，可以用Linestring进行描述；旅游区及城区(如华大校区)等可看成是多边形地物，用Polygon描述。
GML提供的常用的地理元素有：
(1)coordinates元素：即坐标系列元素，坐标序列是一对坐标的简单序列，用来解析坐标系列的分隔符则作为标记的属性编码。
(2)Point元素：Point元素用来编码Point几何类的实例，每一个Point元素包括一个坐标元素，或者包括一个而且仅仅一个坐标对。
(3)Box元素：Box元素用来编码范围(extents)，每一个(extents)Box元素包括一个坐标元素，后者包括两个坐标对。
(4)LineString元素：即折线元素，它的路径是由一序列的坐标对所组成的直线段连接起来的。
(5)LinearRing元素：即环元素，是一个简单的、闭合的环，它的路径是由一序列的坐标对所组成的直线段连接起来的。
(6)Polygon元素：多边形元素，是一个连接的平面，多边形中的任何两点都可以通过一条路径相连。多边形的边界是一些LinearRing。
(7)GeometryCollection元素：几何集元素，可以作为一个包含任意几何元素的容器。一个GeometryCollection元素可以包含任意几何元素如：Points、LineString、Polygons、MultiLineStrings、MultiPolygons等，甚至包括其它GeometryCollections元素。
(8)MultiPoint元素：多点元素，是多个点的集合。
(9)MultiLineString元素：MultiLineString是LineStrings的集合。
(10)MultiPolygon：MultiPolygon是OGC定义的几何体。
3.2.3.2特征模型
GML中的地理特征(Feature)包括一系列的属性和相应的几何信息，一般来说，属性由名字、类型和值组成。GML的feature.xsd描述了地理特征的编码，它的schema的UML表示如图3。
利用XML的feature.xsd，可以像一般XML语言定义一些不包含几何信息的普通元素，这些元素可以嵌套或者参照，还可以定义相应的属性信息。另外，加入上面介绍的几何信息，就可以定义具体的地理实体(包含了属性信息和几何信息)，即所讲的地理对象。例如以风景区为例，对一个风景区的建模，只要说明其景点内容、特色等一些属性信息，再加上其所在的地理位置坐标(x,y)，即可以认定就是一个具体的地理实体。GML定义了抽象的元素类型，同时也定义了一些具体的类型。更为重要的是，用户可以扩充模型的定义，以满足自己的要求。
3.2.3.3拓扑模型
地理实体必然存在各种简单或复杂的关系－－拓扑关系。GIS的拓扑关系研究与表示一直是GIS的热点与难点问题。针对栅格或矢量定义的拓扑关系的描述相对比较复杂；而且，面向对象的地理模型中拓扑关系的存储也存在一定的难度。GML提供的xlink.xsd解决了上述问题。可以使用其adjacent属性定义相邻关系，描述几块区域是彼此相邻的，或者是相交的，以及地物之间的联系。
4. 基于GML的空间数据建模实例
以泉州市旅游交通地理信息系统为例，其地理元素内容及结构以UML描述如图4，图中的城市成员(cityMember)可以是交通道路(TrafficRoad)、风景区(Scenery)、城市规划区(District)、风景点(SceneryPoint)。
对上述泉州市旅游地理信息系统的城市GML模型进行编码，得到schema文件。
qzgis.xsd内容如下(限于篇幅，只给出部分内容)。
5. 展望
从国内外的研究现状来看，基于XML/GML的WebGIS应用的研究才刚刚起步、还没有成熟的产品出现、因此要实现基于XML的WebGIS全面应用还需要一个很长的时间，还有很多进一步的工作要完成。在以后的工作中，要进一步加强的研究主要有以下两个方面：
(1)继续进行基于GML的空间数据建模的研究；
(2)继续进行GML的数据库存储的研究。
随着空间数据模型不断的完善和成熟，基于GML的空间数据存储将是一个很重要的研究课题。完全的XML/GML数据库必将是WebGIS的重要的研究与发展方向。
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2006/3/6 8:32:00
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