分布式異構地理分析模型共享門戶的初步研究

摘要：針對目前GIS模型分析功能不足的困境，提出分布式異構地理分析模型共享門戶的研究思路；基于地球系統科學理論，設計模型資源的分類組織體系，研究模型資源的表達形式和封裝方法，突出語義和數據功能上的標準化；設計地理分析模型共享服務框架，以此克服分布式環境所引起的模型資源的訪問障礙；構建了分布式環境下異構地理分析模型共享門戶，并探討該共享門戶所具有的功能體系。

關鍵詞：分布式；異構；地理分析模型；共享門戶

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)32-1041-03

1 引言

目前，以數據的采集、存儲、管理和查詢檢索功能為主的GIS不能滿足社會和區域可持續發展在空間分析、預測預報、決策支持等方面的要求，直接影響到GIS的應用效益和生命力。GIS的深入發展需要增強模型應用、分析、模擬功能，即GIS需要以強有力的模型分析功能作為深入發展的基礎。地理分析模型是對現實地理世界的一種抽象或模擬，通常采用一定的表現規則來描述地理現象之間的因果關系和客觀規律，是通過計算機來解決地學問題、分析地學現象和揭示地學規律的有效手段，其能改善目前GIS模型分析模擬能力相對低下的現狀。

雖然在GIS數據共享研究方面，OGC、ISO/TC211已經推出了一系列標準，包括GIS數據模型、格式和元數據規范，一定程度上解決了地理數據的共享和互操作問題。而當前對地理分析模型的共享技術、方法和標準的研究卻很少，這使得在地理學研究過程中積累了一定數量的模型資源，卻難以有效地共享，形成了明顯的“地理分析模型孤島”。故本文提出了在分布式環境下共享異構地理分析模型的研究思想，共享已有的異構地理分析模型不僅可以大大降低GIS在模型構建開發工作方面的負擔、提高開發進度，還可以增強其模型分析功能。

2 模型資源的組織及其標準化

地理分析模型共享門戶是在分布式環境下對異構的地理分析模型進行分類和維護，支持模型的存儲、查詢、運行和分析應用，是個邏輯上集中、物理上分布的模型資源共享體系。該共享門戶將各種地理分析模型，以一定的組織結構存儲起來，采用基于元數據的模型表達形式，封裝模型的數據和功能接口，最終以統一的描述方式和接口形式為模型使用者提供地理分析模型資源，這樣，對共享門戶而言，可將分布式環境中異構的地理分析模型看作透明的模型資源來維護管理，對于用戶來說，模型資源與共享門戶完全分離，使用前只需要了解模型資源的數據和功能接口規則，而無需對共享門戶作任何要求。模型資源的組織結構、表達形式、封裝方法是對異構地理分析模型進行組織和標準化的關鍵，是實現分布式異構地理分析模型共享門戶首先要解決的核心問題。

2.1 模型資源的分類組織體系

地理分析模型種類繁多，研究目的及意義的不同，使得其所蘊涵的模型信息也不盡相同。因此在共享地理分析模型時，必須考慮特定類別的地理分析模型所具備的特征因素，以便識別出有顯著影響的因素并把握本質的規律。本文面向地球系統科學研究，制定了地理分析模型的分類組織體系，以該分類體系作為共享門戶模型資源的組織結構。共享門戶按照該分類體系構建子目錄，從而將種類各異的地理分析模型都置于統一的組織體系下。

2.2 基于元數據的模型資源表達形式

雖然地理分析模型具有一定的抽象形式，但它一般都具有語義背景，地理分析模型元數據可在用戶在理解各地理分析模型的基礎上，使我們把種類各異的地理分析模型規范成統一的表達形式，實現地理分析模型語義上的標準化。地理分析模型元數據是模型共享門戶的核心，它包含地理分析模型的描述、存儲和使用等的信息，即它除了對模型的名稱、特征、來源、用途、開發時間以及與有關數據的聯系方式等模型內容信息說明外，還對模型的類別、編碼意義、占用存儲空間等給予說明。從某種意義上說，共享門戶對模型資源的管理就是對描述模型資源本身相應的模型元數據的管理，因而地理分析模型元數據成為共享門戶有效管理和應用模型資源的重要手段。它不僅是一種模型資源描述與索引的形式，還是共享門戶在分布式網絡環境下發現模型，管理模型和應用模型過程中不可缺少的工具和方法之一。

本文的模型元數據標準以CSDGM（Content Standard for Digital Geospatial Metadata）的結構和元素為基礎，也是以元素區（section）、復合元素（compound element）、數據元素（data element）為基本構建單位。

2.3 模型資源的封裝方法

封裝模型所需的所有數據屬性和功能操作，是將異構地理分析模型的數據資源和功能資源進行標準化的關鍵之所在。將異構的地理分析模型封裝成具有通用接口的模型資源，使其具有清晰而通用的輸入輸出數據接口、功能接口以及與其它地理分析模型交互對話的手段。模型資源的封裝側重于統一模型的數據和功能接口，實現了對異構地理分析模型的透明訪問。

2.3.1 數據接口

地理分析模型之間數據模型的異構，使得統一數據模型難以實現。但任何復雜的數據格式和數據模型都可看成是由簡單對象組合與迭代而成，而作為工業標準的XML語言在數據定義、數據描述以及數據表達上具有良好的適用性，因此本文采用基于XML的彈性的模型數據對象模型來描述靜態的數據資源，即通過組合與迭代基本數據對象元素來描述復雜數據對象。

如圖1所示，所有數據對象接口都從數據對象基接口派生，其具有把數據對象序列化為XML文檔片斷以及從XML文檔片斷重構數據對象的能力。具體數據對象接口提供了通用標準的內建數據類型，向虛擬地理環境提供一個關于所支持和所應用的類型的描述，其支持的內建數據類型包括整數、浮點數以及字符串等。抽象數據對象接口定義了眾多內建數據結構，從計算機角度出發，可包括鏈表、隊列、以及映射等計算機語言的數據結構；而從地理信息系統角度出發，包括矢量數據結構、柵格數據結構、地形表面表達的數據結構、三維對象數據結構、時間表達數據結構以及可移動對象數據結構等。以地形表面表達的數據模型為例，又可具體為離散點、等高線、不規則三角網、規則格網DEM以及斷面線DEM等數字高程模型的數據結構，抽象數據對象在組織具體數據對象或抽象數據對象的同時，附加了這些數據對象對應的功能操作。

2.3.2 功能接口

動態的功能資源是地理分析模型執行專業分析功能的核心，功能接口在封裝和調用原地理分析模型功能的同時，還提供了對數據對象的操作方法，即通過獲取和填充數據對象來實現地理分析模型的參數輸入以及計算結果輸出。

采用腳本來定義和實現可執行的地理分析模型功能對象，在加載由XML語言描述的模型功能定義時，創建地理分析模型代理對象，該對象實現了功能接口，其在執行時通過Windows Script Control啟動腳本引擎，Windows Script Control是一個ActiveX(R) 控件，可為共享門戶提供簡單的方法以使功能腳本化，并執行腳本代碼中所實現的功能和事件來實現并擴展地理分析模型的專業分析功能。下面的XML片斷格式定義了基于腳本實現的模型功能對象，功能定義的名稱是Eval，類型是script（腳本），腳本語言是javascript，功能是execute，而模型功能執行對象通過serverContext進行定義和實現。

3 地理分析模型共享服務框架

地理分析模型共享門戶應該可以支持多種分布式協議的調用，而本文采用Web Services這種能夠構建面向服務的應用程序的技術，設計面向Web服務的分布式框架結構，以此來克服分布式環境所引起的模型資源的訪問障礙。Web Services具有松散耦合、健壯性、可衡量性、可擴展性和可操作性等特性，這些特性正好是一個全球范圍的地理分析模型共享門戶所需要的。該框架通過一系列的地理分析模型共享服務將各種組織、應用程序、服務及設備連接起來，實現在不同平臺之間以一致的方式描述和調用模型資源，其分布式服務框架如圖2所示。

4 地理分析模型共享門戶及其功能體系

在地理分析模型共享門戶平臺上發布已有的地理分析模型的元數據及模型資源，供用戶瀏覽調用。該門戶并不存儲地理分析模型本身，而是通過存儲地理分析模型元數據來語義共享地理分析模型資源，用戶通過客戶端提供的調用組件來訪問具有通用的數據接口和功能接口的模型資源，以此來實現分布式環境下對異構地理分析模型資源的透明訪問和共享。

首先模型提供者通過模型服務器注冊地理分析模型，獲取唯一的標識UUID，用戶可以通過其來檢索和應用模型。其在注冊模型的同時還提交模型的元數據，提交上來的元數據通過管理員的審核后對外發布。根據模型使用者的權限和級別，用戶可以通過按關鍵詞、時間、名稱等多種形式對地理分析模型資源進行查詢，查詢結果以模型元數據的形式返回給用戶，根據模型資源的訪問鏈接URL，用戶通過客戶端提供的模型資源瀏覽調用組件，在線調用模型資源的通用數據接口和功能接口服務，實現客戶端的基于Web Services協議的一致性訪問。同時模型管理者進行后臺管理以保障系統和模型的安全，包括用戶管理、日志管理等功能，從而實現了異構地理分析模型的在線共享，該共享門戶所具有的功能體系如圖3所示。

5 結束語

本文研究了分布式環境下的異構地理分析模型共享的問題。基于地球系統科學理論，設計模型資源的組織結構體系；利用計地理分析模型元數據，對異構地理分析模型進行語義上的標準化；將地理分析模型封裝成為具有通用數據接口和功能接口的模型資源，在數據功能上對其進行標準化。研究模型資源的組織和標準化，有利于實現對異構地理分析模型的透明訪問，從而提高地理分析模型資源的利用率。設計地理分析模型共享服務框架，以此來克服分布式環境所引起的模型資源的訪問障礙。其所實現的地理分析模型共享門戶不僅是個單純的可提供選擇地理分析模型的描述性信息的系統，還是個支持透明調用地理分析模型資源的系統。本文為分布式環境下異構地理分析模型的集成研究奠定了基礎，進一步滿足了GIS支持地學分析、模擬現實地理世界和實現協同工作和提供群體決策的需要。

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