面向智慧城市的GIS模型統(tǒng)一描述方法研究

李鵬飛

（云南省地圖院，云南 昆明 650034）

GIS（地理信息系統(tǒng)）模型是以GIS操作來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)世界在一個(gè)時(shí)刻或一個(gè)時(shí)間段的地理過(guò)程[1-2]，是智慧城市建設(shè)中不可缺少的部分，在當(dāng)前智慧城市快速發(fā)展的背景下，其應(yīng)用需求在不斷增加[2]。

GIS模型的分類方法有很多，例如分為概念模型、物理模型與數(shù)學(xué)模型[3]；柵格模型與矢量模型；空間模型與非空間模型等。相較于其他模型，GIS模型具有明顯的空間性和動(dòng)態(tài)性特征[5]；同時(shí)，GIS模型的種類繁多、應(yīng)用領(lǐng)域多樣、開發(fā)方式或表示方式不同，具有明顯的異構(gòu)特性，使GIS模型的統(tǒng)一描述更加復(fù)雜與困難。

文章從GIS模型的共享與重用的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種GIS模型統(tǒng)一描述方法，能夠?qū)IS模型進(jìn)行統(tǒng)一的描述與表示，從而為智慧城市網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下GIS模型的共享與重用奠定基礎(chǔ)。

1 GIS模型統(tǒng)一描述方法

1.1 GIS模型總體建模框架

采用基于OMG（the Object Management Group，對(duì)象管理組織）MOF（Meta Object Facility，元對(duì)象機(jī)制）元級(jí)結(jié)構(gòu)的元建模技術(shù)，以一種標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一的信息模型來(lái)對(duì)GIS模型進(jìn)行描述，從而為實(shí)現(xiàn)GIS模型結(jié)構(gòu)化管理與表達(dá)奠定基礎(chǔ)，其總體框架如圖1所示。

圖1 GIS模型總體建模框架

在總體建模框架中，包括一系列的建模概念及其關(guān)系用于描述一個(gè)GIS模型。它是一個(gè)四層結(jié)構(gòu)，包括M0（元元模型層）、M1（元模型層）、M2（模型層）、M3（實(shí)例層），每一層都實(shí)例化上一層，又抽象化下一層。總體框架定義了GIS模型元模型的相關(guān)概念及其關(guān)系，規(guī)定了GIS模型建模（描述）的總體流程。

1.2 GIS模型基礎(chǔ)描述元模型

結(jié)合GIS模型的特點(diǎn)，一個(gè)GIS模型能夠?qū)崿F(xiàn)快速發(fā)現(xiàn)、在線調(diào)用以滿足智慧城市決策需求，主要取決于其五個(gè)方面的特征：標(biāo)簽、狀態(tài)、可訪問(wèn)性、服務(wù)和結(jié)構(gòu)。

標(biāo)簽特征：標(biāo)簽特征包括標(biāo)識(shí)信息、空間信息、動(dòng)態(tài)信息和特征信息，用于快速發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的GIS模型。使用標(biāo)識(shí)信息可以確定一個(gè)GIS模型的唯一性；GIS模型的空間范圍和空間參考信息使用空間信息來(lái)描述；時(shí)間對(duì)GIS模型的影響使用動(dòng)態(tài)信息描述；使用特征信息來(lái)描述GIS模型所能解決的問(wèn)題。

狀態(tài)特征：狀態(tài)特征由GIS模型的性能信息及運(yùn)行信息構(gòu)成。一個(gè)GIS模型性能的優(yōu)劣是評(píng)判模型使用的重要指標(biāo)；運(yùn)行信息指GIS模型運(yùn)行所需要的環(huán)境。

結(jié)構(gòu)特征：結(jié)構(gòu)特征由GIS模型的參數(shù)信息和算法信息構(gòu)成。為了使用GIS模型，需要對(duì)模型的輸入、輸出參數(shù)進(jìn)行表征，這是參數(shù)信息所需要描述的。為了能夠更好地使用GIS模型，需要對(duì)模型的具體實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行描述，例如GIS模型算法、公式及其描述等，這些構(gòu)成了算法信息。

服務(wù)特征：服務(wù)特征主要是指服務(wù)信息。服務(wù)信息就是以統(tǒng)一的方式來(lái)描述不同類型模型服務(wù)的相關(guān)信息。

可訪問(wèn)性特征：可訪問(wèn)性特征由管理信息和約束信息組成。GIS模型的管理機(jī)構(gòu)、訪問(wèn)級(jí)別、法律和安全約束等都影響著一個(gè)GIS模型的訪問(wèn)權(quán)限。

1.3 GIS模型元數(shù)據(jù)模型

通過(guò)1.2節(jié)的分析，一個(gè)可重用的用于描述GIS模型的通用信息模型由五個(gè)基礎(chǔ)描述元模型構(gòu)件來(lái)確定并建立。從GIS模型的元數(shù)據(jù)描述需求出發(fā)，GIS模型元模型的詳細(xì)元數(shù)據(jù)內(nèi)容可由一個(gè)十一元組結(jié)構(gòu)的通用信息描述框架進(jìn)行定義：

GIS模 型 元 數(shù) 據(jù)={Identification Info（ 標(biāo) 識(shí) 信 息 ），Spatiality Info（空間信息），Dynamics Info（動(dòng)態(tài)信息），Characteristic Info（特征信息），Parameter Info（參數(shù)信息），Working Info（運(yùn)行信息），Performance Info（性能信息），Algorithm Info（算法信息），Service Info（服務(wù)信息），Administration Info（管理信息），Constraint Info（約束信息）}。

1.4 GIS模型資源描述模型

建立GIS模型資源描述模型的目標(biāo)是在使用一種簡(jiǎn)單、共享的方式，將1.3節(jié)中的元數(shù)據(jù)信息進(jìn)行裝載或形式化表達(dá)。使用XML（可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言）來(lái)進(jìn)行形式化表達(dá)，使用XML Schema進(jìn)行編碼和封裝，采用形式化表達(dá)建模方法。同時(shí)，可以直接使用或借鑒其他的基于XML的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，例如MathML（Math Markup Language，數(shù)學(xué)標(biāo)記語(yǔ)言）、GML（Geography Markup Language， 地理標(biāo)記語(yǔ)言）和CSDGM（Content Standard for Digital Geospatial Metadata，地理空間元數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)）等。

2 GIS模型描述示例

以一個(gè)燃?xì)鈹U(kuò)散模型為例來(lái)說(shuō)明如何采用上節(jié)的統(tǒng)一表示方法來(lái)描述GIS模型。使用的燃?xì)鈹U(kuò)散模型[9-10]用于在燃?xì)獍l(fā)生泄漏后，計(jì)算一定時(shí)間范圍內(nèi)燃?xì)獾臄U(kuò)散范圍和影響范圍。

采用1.4節(jié)的形式化表達(dá)方法，基于1.3節(jié)的元數(shù)據(jù)模型，分別對(duì)燃?xì)鈹U(kuò)散模型的十一元組信息進(jìn)行建模表達(dá)，其中，標(biāo)識(shí)信息的建模片段如圖2所示。

圖2 燃?xì)鈹U(kuò)散模型標(biāo)識(shí)信息建模片段

通過(guò)模型描述和模型服務(wù)，可以調(diào)用模型，效果如圖3所示，其中，用紅色和黃色分別顯示了燃?xì)鈹U(kuò)散的范圍和影響的范圍。

圖3 燃?xì)鈹U(kuò)散模型調(diào)用示例

3 結(jié)語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)了一種GIS模型的統(tǒng)一描述方法，包括GIS模型的總體建模框架、GIS模型基礎(chǔ)描述元模型、GIS模型元數(shù)據(jù)模型和GIS模型資源描述模型；通過(guò)對(duì)一個(gè)燃?xì)鈹U(kuò)散模型進(jìn)行建模并調(diào)用，驗(yàn)證了本文所提出方法的可行性，為后續(xù)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)GIS模型的共享與重用奠定了理論基礎(chǔ)；在后續(xù)的研究中，將重點(diǎn)解決智慧城市網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下GIS模型的統(tǒng)一注冊(cè)、發(fā)現(xiàn)與組合方法。