WebGIS 的理论基础—— WebGIS 数据模型

WebGIS的理论基础——WebGIS数据模型 顾留碗

本课内容 • WebGIS在空间数据模型上存在的缺陷 • 超图数据模型 • XML——可扩展的标记语言 • GML——WebGIS中超图数据模型的实现 • GML的实现

WebGIS在空间数据模型上存在的缺陷 • 缺陷原因 • 人们对空间数据在Web上的共享及交互提出了更高的要求 • 社会化的呼声要求各WebGIS厂商放弃各成一家的WebGIS框架 • 互联网固有的缺陷使得WebGIS暴露出构建在现有Internet上的不适应

WebGIS在空间数据模型上存在的缺陷 • 缺陷表现 • HTML仅擅长数据的显示，缺乏对数据语义描述和可扩展性。对多源性、多语义性、多尺度和获取数据手段的复杂性特点的空间数据而言，HTML则显得无能为力，更不用说万维网空间数据的查询和整合了。 • 现有的WebGIS系统各成一家，空间数据表达和系统体系存在较大的不同，数据处理、共享等完全封闭，违背了OPEN GIS规程，丢弃NSDI、GSDI、数字地球构想 • HTML页面所表达的信息都是静态的，不能根据客户端的实际情况进行动态变化。从而影响了WebGIS的互操作。

WebGIS在空间数据模型上存在的缺陷 • 缺陷表现 • WebGIS的应用越来越广泛，WebGIS的终端呈现多元化。随着PDA、手机、WAP等终端WebGIS用户的出现，WebGIS必须解决同一数据的多样显示问题。 • 现有的WebGIS不利于空间数据的查询和定位。 • 空间数据的组织与管理需要数以千计的部门共同来协调，而空间元数据则是解决这一问题的关键，现存的WebGIS缺乏对元数据的有力支持。

WebGIS在空间数据模型上存在的缺陷 • XML为WebGIS带来新的机遇 • 能够描述复杂的空间数据。实现地理空间数据的标准化、结构化。 • 地理数据可被XML唯一地标识，能描述地理空间元数据，便于网上查询和搜索。 • 终端显示方式的多元化，能满足WebGIS各领域的应用。 • 链接能力的增强，使得多源数据的集成成为可能。

WebGIS在空间数据模型上存在的缺陷 • XML为WebGIS带来新的机遇 • XML具有数据来源的多样性和多种应用的灵活性、柔韧性和适应性。XML可以将不同来源的结构化的GIS数据进行合并、集成，客户获得XML数据后，可以开发多种形式的WebGIS应用软件，也可用于测量、制图、空间分析和地理建模等本地地理计算和二次处理，扩展XML与GIS数据的多方面应用。

超图数据模型 • 超图数据结构理论 • 超文本或超媒体模型（Hypertext or Hypermedia Model） • 文献模型ODA（The office Document Architecture） • 信息元模型 • 表现与同步模型

超图数据模型 • 超图数据结构 • HBDS,Hypergraph Based Data Structure • 它与面向对象的数据模型的集成构成了WebGIS的主要数据模型和技术 • 法国数学家F.Bouille在超图和集合论的基础上1979年提出 • 在超图数据结构中引入抽象数据类型（ADT） <类> <对象> <属性> <属性值>四元组描述现实世界的Entity

超图数据模型 • 超图数据结构基本元素 • 类 • 对象 • 属性 • 属性值 • 类与类之间的联接 • 对象之间的联接

超图数据模型 • 超图数据模型的应用 • 超文本模型和HTML 节点：文本、结构化数据、图像、图形、组织型、推理型节点等链：链源、链宿和链属性 • XML——可扩展标记语言 XML是可扩展置标语言（eXtensible Markup Language）的简称。它是国际组织W3C（World Wide Web Consortium）为适应WWW的应用，将SGML（Standard Generalized Markup Language）标准进行简化形成的置标语言。它作为一种可用来制定具体应用语言的元语言，既具有强大的描述能力，又具有适合网络应用的简洁性。

XML——可扩展的标记语言 • XML与HTML的区别 • 扩展性方面：HTML不允许用户自行定义他们自己的标识或属性，而在XML中，用户能够根据需要，自行定义新的标识及属性名，以便更好地从语义上修饰数据。 • 结构性方面：HTML不支持深层的结构描述，XML的文件结构嵌套可以复杂到任意程度，能表示面向对象的等级层次。 • 可校验性方面：HTML没有提供规范文件以支持应用软件对HTML文件进行结构校验；而XML文件可以包括一个语法描述，使应用程序可以对此文件进行结构确认。

XML——可扩展的标记语言 • XML与HTML的区别 • 具有很强的链接能力：可以定义双向链接、多目标链接、扩展联结和两个文档间的链接。 • 易于处理：XML对格式的定义更为严格，并具有层次结构，处理起来更加容易。它是与厂商无关的标准，可以任选一个解析器来处理。 • 易于编辑：文档是纯文本，因此，可用从文本编辑器到可视化开发环境的任何工具创建和编辑，程序可以更简单，而在需要存储大量数据的场合，一个数据库的XML前端就可以满足需要，因此XML提供了从小配置文件到公司级数据仓库的可扩展性。

XML——可扩展的标记语言 • XML与HTML的区别 • 可格式化：在显示很重要的时候，XSL（Extensible Stylesheet Language）可指定如何显示数据。由于数据和显示是分离的，甚至可以为同一数据指定不同的样式表用于不同输出，并很容易在将来使用新的格式。 • 基于内容的数据标识，因而可被不同程序用于不同用途。

XML——可扩展的标记语言 • XML的应用领域 • XML可广泛应用于Internet、出版业、电子商务等当今热门的市场。每个行业的组织和开发人员都可用XML创建他们自己的标识语言，用于在他们各自的领域中实现信息的交互。 • W3C已经正式发布SMIL（Synchronized Multimedia Integration Language）MathML（Mathematical Markup Language）, 其他的一些组织也在开发各自领域的基于XML的标记语言。 • 开放式地理信息息同协会OGC（Open GIS Consortium也制订了用于 WebGIS的一个基于XML的语言：GML（Geographic Markup Language，地理标识语言）。

XML——可扩展的标记语言 • 国内外XML研究现状与进展 • 2000年5月9日，Bill Gates在“NetWorld Interop 2000”上讲演时强调：“新一代Internet的关键在于把握 XML”；Microsoft首席执行官Steve Ballmer在POSE 2000展上也称XML是建立交互操作应用程序的必由之路。 • 而近期有调查显示，到2000年年底，75%的世界500强企业会在其IT项目中使用XML，25%的世界500强企业将至少会在某一IT计划中使用这一语言。 • Microsoft公司对 XML 显示了非凡的信心，并称XML是知识管理系统的基石，Microsoft公司的知识管理系统将作为附加工具与其客户端及服务器端软件一起发行。按照Microsoft公司对市场的解释，XML 可以统一多种语言、多种数据格式以及多种表现方式，将在所有产品中迅速普及。

XML——可扩展的标记语言 • 国内外XML研究现状与进展 • Oracle公司日前加大了对XML的支持力度，着手开发从Java到XML过渡的产品，并发布了支持XML的Oracle开发工具最新版本JDeveloper 3.1和Oracle 开发工具包（Oracle XML Developer Kit）。借助JDeveloper 3.1，开发人员能够便捷地创建、调试和部署可以处理XML数据和文档的Internet应用，Oracle也因此成为业界第一个提供全面集成的、允许开发人员以Java和XML创建和部署电子商务应用的开发工具供应商。 • 网络服务软件供应商Novell公司日前发布了一个基于XML的全新企业应用集成技术的开放beta版本。Novell的XML集成服务是Novell“单一网络”战略的关键组成部分，它使用开放互联网标准提供数据中心功能，能够有效地适应和调整网络电子商务进程。

XML——可扩展的标记语言 • 国内外XML研究现状与进展 • 一些XML软件供应商，如DataChannel 公司及Bluestone Software 公司，将XML及HTTP 吹捧为Web 组件模型。Bluestone 公司称 XML 的易用性将使其比CORBA、COM 及EJB 更容易流行。IBM 及Sun 公司则称XML 有自己的位置，但是它不可能在所有的应用程序中代替EJB 及CORBA 技术。

XML——可扩展的标记语言 • 国内外XML研究现状与进展 • 国内对XML的研究刚刚起步，还没有相关的XML中文标准推出。国内有影响力的XML研究机构主要有中国XML联盟（http://www.xml.org.cn）和北京大学计算机科学与技术研究所创办的中国XML论坛（http://www.xml.net.cn）。

XML——可扩展的标记语言 • 国外基于XML的WebGIS研究 • OGC已制定了基于XML的互联网地理模型语言GML（Geographic Model Language），用于描述互联网上的地理空间数据。这一开创性的语言使得地理空间数据的真正共享成为可能。 • 如Esri公司的ArcIMS，它建立了基于XML的ArcXML，用于地图的配置、空间数据的表达和系统部件之间的通讯等。 • Intergraph公司在新近推出的产品中声称完全支持OGC的GML标准。资料显示该公司的GeoMedia和GeoMedia Professional能够读写GML格式的空间数据，而它的新版本的GeoMedia WebMap和GeoMedia WebEnterprise则能根据GML规范生成符合该规范的空间特征数据。

XML——可扩展的标记语言 • 从HTML到XML • 1997年12月底，W3C发表了最新的HTML推荐标准，HTML4。该草案提出了三个不同的HTML版本。HTML4 Strict——HTML内不再允许表达元素和属性、HTML4 Transitional——HTML标记内仍允许表达元素和属性、HTML4 Frameset——利用Frameset元素的所有文档都可以使用。转向HTML4 Strict 的意图是引导Web开发人员回到HTML原来的路线：结构标记语言的实现。 • 在HTML4中，表示标记与结构标记分开，从而形成了HTML Strict,W3C不仅回到了传统标记语言的根源，而且使自己便于将XML引入Web世界。 • ML一点都没有完全取代HTML的意思。Web目前由难以计数的HTML文档组成。即使这些页面确实会消失，也不可能挥之即去。相反，XML将给Web带来SGML所具备的结构上的自由性。HTML和XML在未来若干年都将拥有很多用户。

XML——可扩展的标记语言 • 从HTML到XML • HTML将存在很长一段时间。在W3C的Web变革计划中，W3C除了只是宣布过渡性XHTML之外，其它关于HTML的工作已经结束。联合会将重点转向XML，这将搬掉Web发展道路上的一个主要障碍。

XML——可扩展的标记语言 • XML定义 • “Extensible Markup Language（XML）是SGML的一个子集，在本文件中全面描述它。其目标是能够以目前HTML可能实现的方式在Web上使用、接受和处理通用SGML”[1] ，XML的设计目标是实现简便并且能与SGML和HTML共同操作。换句话说，XML是SGML。事实上，XML1规范宣称：“XML是SGML（Standard Generalized Markup Language（ISO 8879））的一个应用程序规范或限制形式。通过构建，XML文档与SGML文档一致。”

XML——可扩展的标记语言 • XML设计目标 • XML可在因特网上直接使用 • XML将支持各种各样的应用程序 • XML将于SGML兼容 • 编写处理XML文档的程序将十分便利 • XML中可任选的特征数目极少，理想情况是零 • XML文档应清晰易读 • XML设计应迅速完成、XML设计应井井有条并且简明扼要 • XML文档易于创建。这些目标确实实现了W3C希望保留SGML精致而可伸缩的特性，同时确保软件开发人员能够在合理的时间限度内创建主要的XML工具和XML数据。

XML——可扩展的标记语言 • XML机构 • XML协调组：该小组由所有W3C工作组的主席组成，其职责是协调各工作组的活动以避免冲突。它还提供政策修改建议，维持W3C外部的联系以及维护描述XML活动的W3C文件。 • XML模式工作组：提交各种提案后着手开发一种模式语言，该语言应比DTD更具有可扩展性。该小组负责综合各种提案，从中制订一个标准草案。如何在另一词汇、DTD或模式的某个特殊地方插入一个词汇、DTD或模式的理论问题是XML模式工作组正在力图解决的挑战之一。

XML——可扩展的标记语言 • XML机构 • XML链接工作组：根据W3C规范草案的说法，该工作组的目标设计“XML的高级可伸缩与可维护的链接和寻址功能”。 • XML信息机制工作组：该小组的任务是决定如何以比XML1推荐标准中更抽象的方式描述XML文档的物理表示。该小组的目标是开发一种其它规范能够使用和扩展的公共引用机制，使得各种基于XML的规范和工具之间更简便地相互操作。

XML——可扩展的标记语言 • XML机构 • XML片断小组：该小组的任务是确定一种方法，传送XML文档的片断而不必与它一道传送所有或部分父文档。要解决的问题是，如何为片断的接收者提供关于片断上下文的足够信息使该片断可利用。 • XML句法工作组：该小组关心诸如XML样式表链接、层叠样式表、定义一个XML概要文件（这可能提供一种标准方法，使得一种设备或应用程序公布它支持推荐标准得一个特殊子集）这样的问题。

XML 核心标准 Schema NameSpaces 基础标准 XBase XPath XBase XSL XLink XPointer XQuery CSS RDF XForme P3P 应用标准 BizTalk XHtml CC/PP OEB edXML HDML SVG SOAP PIP TV/Web SMIL WAP VoiceXML MathML XML——可扩展的标记语言 • XML相关标准

XML——可扩展的标记语言 • XML技术：XML基本部件与特征 • DTD规范实际是XML规范的一部分，同时又是可选的：可以写一个没有DTD的XML文档。另外还有一个更加灵活的Schema提案可以替代它。DTD规定在你的XML文档中可以包含的标记种类和有效布置，因此可保证你不会创建一个无效的XML结构或者你看到的XML结构是有效的。结构满足DTD要求的XML文档称为有效的（valid）。然而，对于一个复杂的文档来说创建一个排除所有无效组合并允许所有有效组合的DTD是很困难的。DTD可以作为Prolog的一部分放在文档前面，也可以作为一个独立实体存在，或者分散在文档prolog和一个或几个实体中。

XML——可扩展的标记语言 • XML技术：XML基本部件与特征 • XML中的DTD明显刻着SGML的烙印。关键的一点是，DTD本身并不是XML，而且它只提供了非常有限的数据类型，也不支持名域机制，另外DTD中的内容模型是不开放的，它不能随意扩充内容。 • -XML Schema为一类文档建立了一个模式，规范了文档中的标签和文本可能的组合形式。它不仅包括了DTD能实现的所有功能，而且它本身就是规范的XML文档。XML Schema提供了一系列新特色，大大弥补了DTD的不足：丰富的数据类型。XML Schema支持的数据类型包括数字型、布尔型、整型、日期时间、URI、十进制数等。而且它还支持由这些简单的类型生成更复杂的类型；可以由用户自定义数据类型；支持属性分组。属性的应用范围是多种多样的，有的是针对所有元素，有的则专门针对图形元素。原型可以更新。DTD定义的内容模式是封闭的，而XML Schema定义的内容模式是开放的，可以随时更新，支持名域。

XML——可扩展的标记语言 • XML技术：XML基本部件与特征 • 良构：一个正确编写的XML文档可以有两种形式：它可以是格式正确的或者是有效的。如果一个XML文档在编写时遵从了XML标准中所列的规则，那么它就被认为是格式正确的。如果一个XML文档在编写时还遵循了一个标准的文件数据格式或组织架构，那么它就被认为是有效的。 • 有效：在使用XML交换数据时，有效性是相当重要的。如果我有一个有关发票的XML文档而且我想和我的商业伙伴通过它来交换数据，那我该怎么办呢？显然，我首先要告诉我的伙伴我想要的文件格式和我的文档将遵从的格式。

XML——可扩展的标记语言 • XML技术：XML基本部件与特征 • 文档的逻辑机构包括元素和属性。它还包括交叉引用，这是指向文档其它部分或外部对象的链接。这种链接植根于基本XML语言，它不依赖于XML链接语言。当你想在某处插入一张图、一个脚注或参考文献时，这种链接非常管用。 • 文档的物理结构是指概念文档，物理结构描述实际数据及它们存储在哪里。按照XML规范的定义，“XML文档可能由一个或许多存储单元组成，它们称为实体”

XML——可扩展的标记语言 • XML技术：XML基本部件与特征 • XSL定义了XML的语法规范，该语法规范将被用来把XML文件转换成HTML、XML或其他格式的文档。一个XSL样式表集合了一系列设计规则，用于从XML文件中抽取信息，并将其转换成HTML等其他格式。这种转换采用了公开的方式，使其能够更加方便地被程序员描述。而且XSL还将提供多种脚本语言的通道，以满足更为复杂的应用需求。 • XSL能使Web浏览器直接根据用户的不同需求改变文档的显示法。例如，不需要与服务器进行交互通信，就可以改变数据的显示顺序。通过变换样式表，同一个文档可以显示得更大，或者经过折叠，只显示外面的一层，或者变为打印格式。

XML——可扩展的标记语言 • XML技术：XML基本部件与特征 • XLINK:在超链接中，不管是源还是目标都可以抽象为资源。从这个意义上讲，XLink是描述在资源间进行链接的语言。链接反应了不同资源对象之间的关系，而对象的选择是由定位来描述（这就是XPointer的职责）。在XML 1.0标准中规定的ID和IDREF记号化类型属性就是建立简单链接关系的情况。XLink对这种基本功能进行了不同方面的扩展，包括：XLink可以声明多个资源之间的关系；XLink可以明确地将元数据（即资源内容）和链接相结合；XLink提供附加函数，如行外链接（out-of-line link）等。 • Xpointer:支持对XML的内部结构部分的定位。XML中支持两类链接：简单链接和扩展链接。简单链接类似于HTML中的链接，扩展链接允许从某个链接跳转到任意其他链接。这种跳转实际上是从文档树型结构的某个部分转移到另一位置，这种转移基于不同的特性来实现，如元素类型、属性值、相对位置或字符的内容等。XPointer还提供了对元素、字符串和其他部分的特定引用方法

XML——可扩展的标记语言 • XML技术：XML基本部件与特征 • XML Parser是一个软件包，提供给程序员二次开发的软件包。程序员在使用XML Parser时，调用其包中提供的接口（如函数接口等），从而得到解析的结果。功能比较完善的XML Parser在解析XML文档的同时还能完成有效性检验等相关任务。使用已有的XMLParser，能使程序员在处理与XML的解析相关的事务时节省大量的精力，因而是一种符合软件工程中代码重用思想的软件包。 • XML Parser遵循一定的标准，以XML Parser如何回应（feedback）调用者的方式来分，可以分成两大类：事件驱动类（event-driven）和对象模型类（object model）。前者的代表是SAX（Simple API for XML），后者的代表是DOM（Document Object Model）。

XML——可扩展的标记语言 • XML的应用特点 • 应用于客户需要与不同的数据源进行交互时。 • 应用于将大量运算负荷分布在客户端，即客户可根据自己的需求选择和制作不同的应用程序以处理数据，而服务器只须发出同一个XML文件。 • 应用于将同一数据以不同的面貌展现给不同的用户。 • 应用于网络代理对所取得的信息进行编辑、增减以适应个人用户的需要。

XML——可扩展的标记语言 • XML的应用特点 • 可以看出，XML其实源自一种“数据归其主，用户尽其欢”的哲学。具体说来，便是数据制作者并不考虑日后这些数据具体会有哪些用途，只是尽量全面地考虑今后有可能会被用到的信息，并将其完整、规范地制作成XML文件，服务商则不会被拘禁于特定的脚本语言、制作工具及传输引擎的囚笼内，而是提供一种标准化、可独立销售、有级别操作的领域，在那里不同的制作及传输工具将各显神通，一决雌雄，从而极大限度地满足客户的需求，成为“最信得过”的服务商。

XML——可扩展的标记语言 • XML的应用领域 • 企业间电子商务 • 知识管理 • 文档管理 • 实现企业间自动化处理

XML——可扩展的标记语言 • 构建XML应用的典型步骤 • 选择或编写一个DTD（或Schema）。微软提出的Biztalk就是一个运用于电子商务的XML框架，目前许多公司都提交了schema，它们一旦被验证通过，就可供人们下载使用。 • 生成XML文档。可以将DTD或Schema看成模板，填入需要的数据。 • 解析XML文档。解析是XML应用的第一步，可以选择SAX或DOM标准，目前已有各种语言的多种Parser提供 • 显示XML文档。如果你的浏览器可以显示XML，那么，你可以直接将XML文档发送给浏览器，或者使用XSL将XML翻译成你的浏览器可处理的内容。如果还想作更复杂的排序和重排结构，你可以使用DOM。

GML——WebGIS中超图数据模型的实现 • GML • 地理标记语言GML( Geography Markup Language)是由OGC开发的基于XML的地理信息编码工具。GML已经在OGC的Web Mapping Test Bed（WMT）计划中进行了一系列的试验（1999年9月）。这些试验包括 GML地图客户端（Mapping Clients）与GML的数据服务器（Data Servers）与服务提供者（service providers）之间的交互。 • GML以OGC的简单特征模型（OGC Simple Feature Model）为基础，对地理特征的几何和属性进行基于XML格式的编码。其中几何体一般包括点、线、曲线、面等；属性则一般由名称、类型、属性值组成。

GML——WebGIS中超图数据模型的实现 • GML的几何体类图

GML——WebGIS中超图数据模型的实现 • GML描述地理现象 1.The Cambridge example : <FeatureCollection typeName="CityModel"> <boundedBy> <Box srsName="EPSG:4326"> <coordinates> 0.0,0.0 100.0,100.0 </coordinates> </Box> </boundedBy> <property typeName="modelDate"> Feb 2000. </property>

GML——WebGIS中超图数据模型的实现 • GML描述地理现象 • <featureMember typeName="modelMember"> <Feature typeName="River"> <name> Cam </name> <description> The river that runs through Cambridge. </description> <geometricProperty typeName="centerLineOf"> <LineString srsName="EPSG:4326"> <coordinates> 0.0,50.0 100.0,50.0 </coordinates> </LineString> </geometricProperty> </Feature> </featureMember>

GML SRS DTD　 GML SRS Rdf Profile 1 Example xml Profile 1 Example xml Profile 3 Example xml Application Specific Feature DTD　 Application Specific Feature rdfs　 GML Feature DTD GML Geometry DTD　 GML rdfs　 GML——WebGIS中超图数据模型的实现 • GML的三种DTD表示

GML——WebGIS中超图数据模型的实现 • GML中的地理和图形 Geography 表示真实世界的地理实体 Graphics 表示真实世界的实体显示

GML——WebGIS中超图数据模型的实现 • GML中的几何体表示 • .coordinates Element • .Point Element • .Box Element • .Linestring Element • .LinearRing Element • .Polygon Element • .Geometry collection Element • .MutiPoint Element • .MutiLinestring • .Mutipolygon Element

GML——WebGIS中超图数据模型的实现 • GML中的特征 • 1.数据完整性的自动化校验：DTD数据结构的精确定义 • 2.GML可以用诸如Notepad之类的工具编辑和浏览 • 3.GML是文本标记语言 • 4.GMl可以很容易的和非空间数据集成 • 5.GMl可以转换 • 6.GML可以传送行为 • 7.GML可以将地理数据内容和表现分离，从而使客户端更灵活 • 8.GML改变web GIS体系模型 • 9.GML改变web GIS分布式计算模式

GML的实现 • ArcXML • 地图服务（MapService）的配置文件。这些文件描述地图如何显示，包括图层清单及图层的显示符号等内容。 • 请求。请求可以在一个已经存在的地图服务配置文件上设置一个过滤器，指定地图上的哪一部分及相关的数据将会被处理。 • 应答。应答向客户端返回信息。 • ArcXML设置地图服务内容，并且在客户、中间层和服务器之间处理请求和应答。

Spatial Server Author 请求 Map Service 响应地图配置文件 <Feature typeName="Road"> <description> M11 Administrator GML的实现 • ArcXML的作用流程

GML的实现 • ArcXML的框架 ArcXML config Request Response Markup

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