空間數(shù)據(jù)存儲與發(fā)布方法研究

空間數(shù)據(jù)存儲與發(fā)布方法研究

0空間數(shù)據(jù)存儲與發(fā)布體系gis是由計算機(jī)硬件和軟件支持的空間地理數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的，用于收集、存儲、管理、分析和描述整個或部分表面（包括樓層）的空間和地理數(shù)據(jù)，并進(jìn)行地理研究和地理決策服務(wù)的空間信息系統(tǒng)。對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的存儲和管理一直處于GIS研究的核心地位。隨著Internet的發(fā)展,利用Internet技術(shù)和GIS技術(shù)在Web上發(fā)布地理信息的WebGIS技術(shù)成為研究的熱點。本文通過比較和分析各種空間數(shù)據(jù)存儲與發(fā)布方法,給出一個以O(shè)racle數(shù)據(jù)庫存儲,以GML格式傳輸與交換,以SVG形式顯示的完整的空間數(shù)據(jù)存儲與發(fā)布體系。并且分析了其中的關(guān)鍵技術(shù)。1磁盤數(shù)據(jù)存儲和開放方法1.1高效的間數(shù)據(jù)混合模型GIS中的數(shù)據(jù)大多數(shù)都是地理數(shù)據(jù),具有自己的特點:數(shù)據(jù)類型多樣,各類型之間關(guān)系復(fù)雜,數(shù)據(jù)量很大等等。地理數(shù)據(jù)的這些特點決定利用目前流行的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)直接管理地理空間數(shù)據(jù)存在明顯不足。現(xiàn)有空間數(shù)據(jù)存儲模型歸納起來主要有以下3種:1)混合結(jié)構(gòu)模型。用兩個子系統(tǒng)分別存儲和檢索空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù),其中屬性數(shù)據(jù)存儲在常規(guī)的RDBMS中,幾何數(shù)據(jù)存儲在空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中,兩個子系統(tǒng)之間使用一種標(biāo)識符聯(lián)系起來。這種混合模型一方面利用了GIS產(chǎn)品提供的空間索引、查詢和分析能力;另一方面也利用了關(guān)系數(shù)據(jù)庫對屬性數(shù)據(jù)的強(qiáng)大的查詢、定位能力。但因為使用兩個存儲子系統(tǒng),它們有各自的規(guī)則,查詢操作難以優(yōu)化,數(shù)據(jù)完整性有可能遭到破壞,各個GIS廠商定義不同格式,不利于共享。2)對象關(guān)系數(shù)據(jù)模型。為了克服混合結(jié)構(gòu)模型的缺點,采用同一DBMS存儲空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),做法是在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中引入面向?qū)ο竽Ｐ?提供空間數(shù)據(jù)支持模塊。這種模型擴(kuò)展了關(guān)系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)類型,使其能夠支持對復(fù)雜類型數(shù)據(jù)的處理,省去了空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫之間的繁瑣連接,提高了存儲速度?，F(xiàn)在部分RDBMS廠商提供了空間對象模型,用于解決空間數(shù)據(jù)的存儲與查詢,如IBMDB2,OracleSpatial等。3)面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型。采用完全面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法,每個獨立的地理實體看成一個對象,不僅具有自己獨立的屬性(含坐標(biāo)數(shù)據(jù)),而且具有自己的行為(操作)。這種模式能夠方便的構(gòu)造用戶需要的任何復(fù)雜地理實體,更符合人們看待客觀世界的思維習(xí)慣。雖然完全意義上的面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)尚未出現(xiàn),但目前研究成果已顯示它會逐步成為空間數(shù)據(jù)庫的基本結(jié)構(gòu)形式。1.2webgis系統(tǒng)的主要原理利用Internet技術(shù)在Web上發(fā)布空間數(shù)據(jù)供用戶瀏覽和使用,即WebGIS,是GIS發(fā)展的必然趨勢。傳統(tǒng)的WebGIS分為兩類,根據(jù)主要的圖形屬性數(shù)據(jù)所處的邏輯位置不同,可劃分為服務(wù)器端和客戶端兩種解決方案。有些WebGIS采用介于其中的平衡方案。WebGIS系統(tǒng)開發(fā)最初采用CGI通用網(wǎng)關(guān)接口技術(shù),以及相繼發(fā)展起來的IDC、ASP,ISAPI,NSAPI等技術(shù)方法,后來又產(chǎn)生了被稱為插件(Plug-in)的應(yīng)用技術(shù)。目前采用的比較流行的技術(shù),一是Java語言,包括Java小程序Applet和Java虛擬機(jī)技術(shù)等;二是采用ActiveX控件及COM組件對象模型等網(wǎng)絡(luò)開發(fā)技術(shù)。采用這些技術(shù)方法實現(xiàn)的WebGIS系統(tǒng)平臺在許多領(lǐng)域都得到了很好的應(yīng)用。但由于各個GIS基礎(chǔ)平臺之間相互封閉和獨立,數(shù)據(jù)的共享只能通過冗余的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換來進(jìn)行。盡可能地降低采集、處理地理數(shù)據(jù)的成本,促進(jìn)地理數(shù)據(jù)的共享已經(jīng)成為共識。XML技術(shù)的出現(xiàn)為GIS數(shù)據(jù)高效傳輸與交換提供了有力支持。本文利用XML技術(shù)的優(yōu)勢提出了基于XML的空間數(shù)據(jù)發(fā)布方法。2系統(tǒng)總體架構(gòu)考慮傳統(tǒng)GIS軟件使用混合結(jié)構(gòu)模型存儲空間數(shù)據(jù)的固有缺陷,以及商業(yè)WebGIS平臺受網(wǎng)絡(luò)帶寬限制,影響空間數(shù)據(jù)的高效傳輸,并充分考慮采用XML編碼在數(shù)據(jù)交換、傳輸、集成和互操作方面的優(yōu)勢,盡量平衡客戶端和服務(wù)器端負(fù)載,本文給出一個基于OracleSpatial,GML和SVG的WebGIS系統(tǒng)進(jìn)行空間信息的存儲與發(fā)布,系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)采用OracleSpatial存儲空間數(shù)據(jù),目前很多商業(yè)GIS軟件都提供了上載工具(如MapInfo的Easyloader等)將其空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為OracleSpatial格式,這就為多種數(shù)據(jù)源的集成提供了方便條件。GML作為系統(tǒng)在Internet上傳輸?shù)乩硇畔⒌臄?shù)據(jù)格式,GML提供了對空間信息的高效XML編碼,并能有效的集成空間和非空間數(shù)據(jù)。最終以SVG形式顯示空間數(shù)據(jù),并可以通過事件編程支持簡單的查詢。3獲取幾何信息的常用形式Oracle為空間數(shù)據(jù)提供了一種完全開放、高度集成的體系結(jié)構(gòu)——OracleSpatial,它通過對象數(shù)據(jù)類型SDO＿GEOMETRY,提供了對點、線、多邊形等常用幾何數(shù)據(jù)類型的支持,能為其建立空間數(shù)據(jù)索引,并能運用SQL對空間數(shù)據(jù)查詢,為空間數(shù)據(jù)的發(fā)布和查詢提供了方便的功能。在具體表中,每一行是一個空間實體的信息,前面的若干列構(gòu)成其屬性信息,空間數(shù)據(jù)列(SDO＿GEOMETRY類型)存儲空間信息。OracleSpatial中對SDO＿GEOMETRY類型的定義為:其中,SDO＿GTYPE為幾何對象類型,SDO＿SRID為空間參考坐標(biāo)系類型,SDO＿POINT為幾何對象參考點,SDO＿ELEM＿INFO為幾何對象存儲坐標(biāo)點的參考信息,SDO＿ORDINATES為幾何對象邊界的坐標(biāo)值。GML(GeographyMarkupLanguage地理標(biāo)記語言)是OpenGIS聯(lián)盟基于簡單特征模型制定的基于XML的地理信息編碼規(guī)范,用于地理信息的傳輸與存儲。在GML中,提供了3個基本的XMLSchema:用于定義一般特征屬性模型的feature.xsd;用于定義具體幾何圖形組件的geometry.xsd;用于提供實現(xiàn)鏈接功能的XLink屬性的xlink.xsd。用戶可以根據(jù)實際應(yīng)用的需要,應(yīng)用和擴(kuò)展上述3個基本的Schema來定義自己的應(yīng)用模式。W3C的SVG(ScalableVectorGraphics可縮放矢量圖形)是一種以XML格式描述二維圖形的規(guī)范。這些XML文檔的文件名以.svg擴(kuò)展名結(jié)尾,并且可由SVG瀏覽器讀取這些文件進(jìn)行顯示。目前大多數(shù)Web瀏覽器都支持用插件或ActiveX控件(比如AdobeSVGBrowser)查看SVG文檔。SVG規(guī)范為以下形狀定義了一套標(biāo)記:圓形,線條,矩形,多邊形,折線,橢圓形。另外還定義了<path>元素,一點一點地畫出不規(guī)則形狀的輪廓。與其它格式比較起來,矢量圖形格式主要的優(yōu)越之處在于:1)用于包含圖形信息的文件的尺寸較小;2)組織信息的方式便于理解;3)SVG圖形支持事件編程。4關(guān)鍵技術(shù)4.1基于dml的屬性數(shù)據(jù)針對OracleSpatial中空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的特點,定義一個與OracleSpatial中數(shù)據(jù)相匹配的GML應(yīng)用Schema?？臻g數(shù)據(jù)模型在GML的geometry.xsd中已經(jīng)有了詳細(xì)定義,只需在應(yīng)用模式中對其引用即可。對于屬性數(shù)據(jù),參照GML2.0中的范例,將其定義為特征元素。例如下面用DDL定義的既有空間信息又有屬性信息的表:XMLSchema使用complexType定義復(fù)雜元素結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)庫中的表就映射為復(fù)雜元素,屬性作為子元素。表中的空間數(shù)據(jù)列,根據(jù)值的特征可以判斷它的幾何圖形類型,分別映射為不同的GML幾何圖形元素。得到的缺省GML應(yīng)用模式為:4.2功能4:專設(shè)視野組合有了缺省的GML模式,用戶就可以進(jìn)行查詢或使用XML查詢語言定義更復(fù)雜的視圖。事實上在很多情況下,用戶看不到缺省模式,只能看到由視圖定義的用戶模式。通過查詢重寫,進(jìn)行視圖的組合和對用戶查詢的簡化,生成缺省視圖上的簡單查詢。為了實現(xiàn)視圖組合,可以先將用戶查詢用一種中間模型表示2,其目的是消除不必要的元素和屬性。文獻(xiàn)也給出了查詢分解和優(yōu)化的具體方法。將用中間模型表示的最終結(jié)構(gòu)生成缺省視圖上的簡單查詢后,下一步就是給出對應(yīng)的SQL查詢,并將查詢結(jié)果轉(zhuǎn)換成GML文檔。Oracle為訪問空間對象提供了一個Java接口:Java程序包sdoapi。針對本文的應(yīng)用,需要編寫一個特定的adapter來實現(xiàn)到GML數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換,并且與模式文件綁定,生成所需的GML文檔。4.3xllt樣式表轉(zhuǎn)換由于GML和SVG都是基于XML的編碼,所以可以應(yīng)用XSLT進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。XSLT可擴(kuò)展樣式表轉(zhuǎn)換語言(eXtensibleStylesheetLanguage:Transformation)是因XSL(eXtensibleStylesheetLanguage)而出現(xiàn)的新興技術(shù)。XSL是用來寫XSL樣式表的語言。當(dāng)XSL樣式表文件寫好時,XSL樣式表處理器就可以決定XML文件的數(shù)據(jù)要用什么格式展現(xiàn)出來。為了實現(xiàn)兩者之間的轉(zhuǎn)換,使用Xalan-Java處理器的JavaAPI,在JBuilder環(huán)境下做一個轉(zhuǎn)換器。最基本的轉(zhuǎn)換過程有3個步驟:1)建立一個TransformerFactory對象;2)利用這個TransformerFactory對象處理模板,并產(chǎn)生一個Transformer對象;3)利用這個Transformer對象執(zhí)行轉(zhuǎn)換。接下來分析GML源數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)以及要得到的SVG數(shù)據(jù)的形式,使用XSLT樣式表轉(zhuǎn)換語言編寫XSL樣式表,分別對點、線和多邊形等基本圖形的轉(zhuǎn)換作了樣式表。為了在客戶端顯示SVG地圖以及對地圖進(jìn)行分層、查詢等基本操作,可以利用<embed>元素把SVG圖形嵌入HTML頁,并使用JavaScript進(jìn)行編碼。當(dāng)然,這里需要再向SVG地圖數(shù)據(jù)中添加一些需要的非空間屬性,例如id,visibility等。如果需要在地圖上添加標(biāo)注,還要有<text>元素等。圖2為對簡單的點、線和多邊形的顯示結(jié)果,并可以分圖層顯示,還可以顯示特定圖形元