（计算机软件与理论专业论文）基于gml的便携式gps导航系统的设计与实现.pdf

基于g m l 的便携式g p s 导航系统的设计与实现 计算机软件与理论专业 研究生王伟指导教师严余松 移动g i s 是一种应用服务系统，其定义有广义和狭j 二二分。由于我国的 硬件网络传输速率、地理基础数据以及行业标准的限制，开发广义的移动g i s 软件产品还不太适合目前国内广大用户的需要。为此，本文阐述的便携式导 航系统是介于广义和狭义之问的移动g i s 软件产品，它既可以脱离网络独立 运行，也可以依靠有线网络或无线网络来不断更新地图数据，更适合国内广 大移动g i s 普通用户。 本文首先简要阐述了系统开发的背景和意义，在对国内外同类软件产品 进行较为充分分析的基础上，提出了开发便携式g p s 导航系统所必须解决的 数据标准与模型问题。 接着本文详细介绍了系统建设的两个关键技术问题：g m l 数据模型和 g p s 信号的提取与解析。g m l 是由o g c 定义的) ( ! 订l 在地理信息系统上的 应用标记语言。在对g m l 模型、模式以及表现能力进行较为详细的介绍后， 得出了适用于移动g i s 设备存储、使用的地理数据模型。系统成功的运转， 更离不开g p s 导航信号的支持。为此，本文也详细的介绍了美国n m e a 0 1 8 3 协议标准的g p s 信号的数据格式。据此提出了获取g p s 信号和匹配到地图 的有效方法。 有了对关键技术的把握，就可以采用面向对象的方法对系统进行分析与 设计了。系统的分析与设计是本，叼重点章节，在此首先对g p s 普通于户的 需求进行了简单的文字描述，远剐用r a t i o n a lr o s e 建模工具，对组成系统 的用例进行了详细的建模。对系统的设计采用了目前系统设计流行的三层体 系结构，将系统按照系统的功能职责进行划分，把系统分为：用户表示层( u s e r l a y e r ) 、业务逻辑层( b u s i n e s sl o g i c a ll a y e r ) 、数据存取层( d a t aa c c e s s l a y e r ) 。各层之间按照消息传递的原则通信，消息的传递是单向的，由表示 层向业务逻辑层发送消息，业务逻辑层向数据存取层发送消息。而反之则不 行，数据存取层对业务逻辑层是透明的，业务逻辑层对用户表示层是透明的。 在对系统的架构进行清晰的设计后，本文采用完全的面向对象的分析方法， 对组成系统的类进行了科学的抽象，对问题域子系统、人机交互子系统、数 据存取予系统做了详细的分析与设计，给出了组成系统的类的u m l 设计。 最后，对系统的设计在v i s i o n e t 平台下做了部分了实现。 关键词：g m lg p s 移动g i s 便携式面向对象u m l d e s i g na n dr e a ii z a t i o no fg m l b a s e dp o r t a b i eg p s n a v i g a t i o ns y s t e m m a j o r c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y p o s t g r a d u a t e ：w a n g w e i t u * o r ：y a h y u s o n g a b s t r a o 十：m o b 讧eg i si saa p p l i e ds y s t e mo fa p p l i c a t i o n n ed e f i n i t i o no ft h i ss y s t e m h a sb r o a da n dn a r r o ws e n s e s s i n c eo u th a r d w a r en e t w o r kt l a n s m l s s i o nr a t e ，g e o g r a p h i cd a t a a n di u d u s t r ys t a n d a r d sl i m i t a t i o n s ，t h ed e v e l o p m e n to fab r o a ds e n s eo fm o b i l eg i s p r o d u c t i o ni sn o tq u i t es u i t a b l ef o rt h ec u r r e n td o m e s t i cu s e r sn e e d s t h e r e f o r e ，t h ep o r t a b l e r i a v i g a t i o ns y s t a md i s c u s s e di nt h i sa r t i c l ei sb e t w e e nt h eb r o a da n dt h en a n o ws e n s e so ft h e m o b i l eg 1 sp r o d u c t i o n s i tc a l lb er u n n i n gn o to n l yi n d e p e n d e n tf r o mn e t w o r k ，b u ta l s oc a l l d o w n1 0 a dm a pd a t ar e l yo nw i r e l e s sn e t w o r k st ow i r e dn e t w o r k s i ti sm o r es u i t e d t o d o m e s t i cm o b i l eg i so r d i n a r yu s c r st h a no t h e rp r o d u c t i o n s i nt h i s p a p e r , ib r i e f l ye x p l a i n t h e b a c k g r o u n d a n ds i g n i f i c a n c eo ft h es y s t e m d e v e l o p m e n ti nt h ef i r s t b a s e do nt h ef l l l l ya n a l y 跎so ft h es i m i l a rs o f a r ep r o d u c t si nt h e d o m e s t i co rf o r e i g nc o u n t r y , is u g g e s tt h a tt h ei s s u e so fd a t as t a d a r d sa n dm o d e l sm u s tb e a d d r e s s e dt od e v e l o pt h es o f t w a r ep r o d u c t i o no f p o r t a b l eg p sn a v i g a t i o ns y s t e m t h e nt w ok e yt e c h n o l o g i e sa r ed i s c u s s e di 丑t h i sp a p e r ：t h eg m ld a t ah i e d e la n dt h e e x t r a c t i o na n dp a r s i n go ft h eg p ss i g n a l s g m l ( g e o g r a p h i cm a r k i n gl a n g u a g e ) i sd e f i n e d b yo g c ( o p e ng e o s p a t i a lc o n s o r t i u m ) ，t h ea p p l i c a t i o no fx m l i nt h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m a f t e rt h ed e t a i li n t r o d u c t i o no fg m l m o d e l ，s c h e m a sa n dp e r f o r m a n c ec a p a b i l i t i e s ，1 d r a wt h ec o n c l u s i o no fg e o g r a p h i cd a t am o d e l sw h i c ha p p l i c a b l et om o b i l eg i se q u i p m e n t s t o r a g e h o w e v e r , s u c c e s s f u lm i m i n go ft h es y s t e m , c a l ln o tw i t h o u tt h es u p p o r to fg p s s i g n a l s t h e r e f o r e t h i sa r t i c l ea l s od e t a i l e d i t i u m i n a t ao nt h eu ss t a n d a r dg p ss i g n a l s n m e a - 0 1 9 3d a t af o r m a t a c c o r d i n g l ym a d et oa c q u i r eg p ss i g n a l sa n dm a t c h i n gm a p si na n e f f e c t i v em a n n e r w i t ht h eg r a s po fk e yt e c h n o l o g i e s ，w ec a nn s et h eo b j e c t - o r i e n t c da p p r o a c ht os y s t e m s a n a l y s i sa n dd e s i g n s y s t e ma n a l y s i sa n dd e s i g ni st h ef o c u s s e c t i o ni nt h i sp a p e r , i nt h ef i r s t ， t h ed e m a n do fo r d i n a r yh e u s e h e l du s e r sm sb e e nd e s c r i b e dw i t hs i m p l et e x t u a ld e s c r i p t i o n ， t h u su s i n gc a s e sw h i c hc o m p o s e di nt h i ss y s t e ma l em o d e l e du s i n gr a t i o n a lr o s em o d e l i n g t 0 0 1 n ep o p u l a rt h r e e - t i e rs y s t e ma r c h i t e c t u r ed e s i g ni nt h ec u r r e n ti sa p p f i e dt ot h ed e s i g no f t h eg p sn a v i g a t i o ns y s t e m t 色es y s t e mh a sb e e np a n e di na c c o r d a n c ew i t ht h es y s t e m f u n c t i o nr e s p o n s i b i l i t i e s t h es y s t e mh a sb e e nd i v i d e di n t o ：u s e tl a y e r , b u s i n e s sl o g i c a l l a y e r , a n dd a t aa c c e s sl a y e r t h ec o m m u n i c a t i o na m o n gt h e s el a y e r si s b a s e do nm e s s a g e t r a n s m i s s i o n 。m e s s a g et r a n s m i s s i o ni so n e - w a y , f r o mu s e r l e v e lt ot h eb u s i n e s sl o g i c a l i i i l a y e rt h e nf o r mb u s i n e s sl o # c a ll a y e rt ot h ed a t aa c c e s sl a y e r o t h e r w i s ei tw o u l dn o tw o r k d a t aa c c e s sl a y e ri s t r a n s p a r e n tt o b u s i n e s sl o g i c a ll a y e r , b u s i n e s sl d g i c a il a y e ri s t r a n s p a r e n tt ot h eh g e rl a y e r a f r c rt h ec l e a rd e s i g no ft h es y s t e mf r a m e w o r k ，t h ec l a s s e s c o m p o s e di nt h i ss y s t e ma r ea b s t r a c t e ds c i e n t i f i c a l l yb yi l s i n gac o m p l e t e l yo b j e c t - o r i e n t e d a n a l y s i sm e t h o d t h ep r o b l e md o m a i ns u b s y s t e m s ，c o m p u t e ri n t e r a c t i v es u b s y s t e m s ，a n dd a t a a c c e s ss u b s y s t e m sh a v eb e e nd e t a i l e da n a l y s i s e da n dd e s i g n e da n du m l d i a g r a mo f c l a s s d e s i g _ 】ai sg i v e n f i n a l l y , t h ea u t h o rm a k e ss o m ea e h i e v i e m e n tf r o mt h ed e s i g no ft h es y s t e mu s i n g v i s i o n e td 1 a t f o m k e y w o r d ：g m l m o b i l eg i sg p s p o r t a b l eo b j e c t - o r i e n t e du m l y 9 2 8 0 1 5 四j l ll j 币范大学学位论文独创性及使用授权声明 本人声明：所呈交学位论文，是本人在导师芒金丝! 熬攮2 指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 、 集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。 本人承诺：已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致。如因不符而引起的学 术声誉上的损失由本人自负。 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定： 学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥有学位论 文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交印刷版和电子版学位 论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和科研 目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场 所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 做三瀚日秒。c 年月i j 日 刖吾 0 1 系统设计与开发背景 随着人们的经济条件和生活方式的变化，人们对基于位置的服务( u j s ) 也越来越多。现代的生活节奏的加快和生活条件的提高造就了城市有车族群 体的壮大，然而随之而来的他们对城市交通的茫然却给他们带来了很多的麻 烦；经济条件的提高也使人们在工作之后的假期不满足于在自己生活地点周 边休闲，对他们更有吸引力的是到遥远的、陌生的旅游胜地去游玩，如果在 旅途中有一个熟悉道路和各种当地人文地理信息的向导，更会给他们的旅途 带来无限的乐趣；那些喜欢探险的朋友们，更需要一位向导随时告知自己当 前所处地点的准确位置。便携式g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 导航系统 能够满足人们诸如此类的需求。 然而，在我国，车载g p s 还是高档车奢华的装饰：人们外出旅游还局 限于导游指引与讲解，给本来自由的外出旅行添加了许多的限制；到遥远偏 僻的地方探险，那就只有靠自己的勇气了。为了满足人们的车载导航、旅游、 探险等的需要，人们迫切需要身边有一个小巧、可以随身携带、能够准确告 诉自己所处位置的移动导航设备。 信息技术已经成为新经济的重要驱动力。地理信息技术在近十年里不断 地创新和发展，新一代地理信息技术嵌入式g i s 软件应运而生随着通 讯技术、计算机技术、嵌入式产品的开发，嵌入式g 1 s 的应用领域将会更加 广阔。本课题就是在国内普通用户的广大需求以及基于嵌入式g i s 技术领域 和移动通讯技术的迅速发展的情况下提出的。 0 2 系统开发的目的与意义 基于g m l 便携式g p s 导航系统的设计与实现具有较高的科研价值和商 业价值。尽管目前网络覆盖面和传输速度都得到了很快的发展，但是目前还 不能覆盖世界的任何一个角落，较高的服务费用也使普通的用户难以接受。 研究一种既可以嵌入到无线网络，又可以将地理数据下载到本地移动设备上， 脱离网络使用，以满足用户旅游、探险等需要的便携式g p s 导航产品，具有 很高的实用价值。有专家估计，未来几年内汽车的增长速度将会更大幅上升： 人们外出旅游的人次将会持续攀升。仅以车载g p s 导航系统应用为例，未来 的十年，若仅以1 0 的新增汽车用户拥有g p s 导航系统设备，这个市场规模 也在百亿以上i l j 。 基于以上的分析可以看出，设计出套价格便宜的，运行在便携式设备 f 如：p d a 掌上电脑，手机，p o c k e tp c 等1 上的，既可安装到汽车又可随身携 带的g p s 导航系统，将在我国具有无穷无尽的市场和巨大的商业价值。 目前高新技术的发展使这成为可能。便携式g p s 导航系统( 嵌入式g i s ) 是g i s 与新兴嵌入式硬件相结合的一个产物，是原有的g i s 领域的分支与延 伸、补充与发展。嵌入式g i s 需要三个方面的支持：硬件平台、多操作系统 支持；g p s 应用支持；移动互联支持。移动通信一直与嵌入式密切相关，对 移动互联的支持也是嵌入式g i s 研究的另一个重要的方向。针对不同的嵌入 式操作系统，嵌入式g i s 的发展各不相同。 个人数字助理( p d a ) 的使用越来越普遍，体积越来越小，性能越来越 高；全球卫星定位系统( g p s ) 接收的位置信息经过处理后精度可达3 m 5 m ： 专门为移动设备开发程序的平台的出现和不断进步使我们可以很容易的将地 理信息系统f g i s ) 移植到移动设备上。基于这些技术背景，本文将详细讲述利 用国际开放地理空间联盟( o g c ) 定义的地理图形标记语言( g m l ) 和n e t c o m p a c tf r a m e w o r k ，在p d a 上实现满足用户需要的便携式g p s 导航系统的 设计与开法实现过程。 o 3 文章的组织 本文由如下几部分组成： 第一章：简要的介绍了便携式g p s 导航系统的出现与发展。通过对现 有解决方案的分析，在指出现有解决方案的优缺点的基础上，提出了采用 g m l 构件系统的必要性与可行性。 第二章：详细介绍了使用o g c 的g m l 地理数据模型对系统使用的地 理数据进行建模的过程和方法，并详细介绍了对系统的数据模型进行解析的 现有技术。 第三章：本章在对全球定位系统( g p s ) 进行简要的介绍之后，提出了 适用于便携式g p s 导航系统的硬件设备的选择和在p d a 中获取g p s 信号的 方法。 第四章：该节是本文的重点章节。在前面几章对系统关键技术进行详细 阐述后，提出了系统建设的架构和各个模块的详细设计。 第五章：本章对系统的实现进行了简要的阐述，包括开发平台的选择 和代码的实现两部分。 第六章：对本文系统探讨的系统建设作正确的评估，并对系统未来发展， 可扩展性作了简单的叙述。 第一章便携式g p s 导航技术的现状与发展 随着计算机软、硬件技术的高速发展，特别是i n t e m e t 和移动通信技术 的发展，g i s 由信息存储与管理的系统发展到社会化的、面向大众的信息服 务系统。便携式g p s 导航系统( 嵌入式g i s 、移动g i s ) 是一种应用服务系 统，其定义有狭义和广义之分，狭义的移动g i s 是指运行于移动终端( 如p d a ) 并具有桌面g i s 功能的g i s ，它不存在与服务器的交互，是一种离线运行模 式。广义的移动g i s 是一种集成系统，是g i s 、g p s 、移动通信、互联网服 务、多媒体技术的集成l z j 。 1 1g p s 导航系统现状概述 2 0 世纪9 0 年代中期以来，计算机软硬件发展迅速，电子移动终端不断 涌现，g i s 本身的理论和技术也有了较大的发展，特别是g p s 的实用化，促 使移动g i s 进入了g i s 和g p s 结合的发展阶段，其应用面得以极大的拓宽， 涉及的行业应用也更为广泛，各种与移动计算相关的行业都试图利用移动 g i s 进行移动办公。这时的移动g i s 主要被用来作为室外移动办公的辅助工 具，典型的应用包括：图像导航、环境调查、国土资源调查等。 随着无线通信技术的发展，特别是w e b 技术的普及应用，使无线通信技 术与g i s 技术以及i n t e r n e t 技术的结合成为现实，从而形成一种新的技术一 一无线定位技术( w i r e l e s sl o c a t i o nt e c h n o l o g y ) ，也随之衍生出一种新的技 术，即空间位置服务( l b s ) 。l b s 是一种将通信与g i s 进行整合的技术，是 当前移动g i s 的主要应用方向之一，其目标是真正实现g e o l n f o r m a t i o nf o r a n y o n e 、a n y t h i n g 、a n y w h e r e 、a n y t i m e 。然而目前主要的传输网络还是数 字蜂窝移动电话网络，采用基站与客户端通信的方式。由于受到传输网络与 周围环境的影响，移动g i s 的数据传输速率较低，信息质量也不高，同时客 户端的小型化使得处理大量数据和进行大型数据运算受到限制。移动g i s 将 会随着新技术和网络传输标准的出现获得更大的发展空问【3 1 。 1 2 国内外的研究进展 1 2 1 国外研究进展 目前，在国外g i s 市场的领头鹰a u t o d e s k 、e s r l 、和h e r g r a p h 三大公司 代表着移动g i s 发展的方向。其功能特性分述如下：， 一、a u t o d e s k 公司提供了a u t o d e s ko n s i t e 的“移动访问”模块【”。 这是移动的企业级解决方案，包括软件、应用设汁、开发服务、维护、 培训和技术支持。o n s i t e 与m a p g u i d e 网络地图技术及公司最近开发的g i s 设计 服务器( g i sd e s i g ns e r v e r ) 技术相集成，可以传输交互地图、设计信息和商 业订单到移动设备。o n s i t e 是专为移动应用开发，通过j a v as e r v e r l e t 将野外作 业队员的请求传递到中心地图数据库，将返回的定位结果数据目标经过改变 以适应小的移动屏幕，但仍然维持结果的智能性、交互性和与相关属性数据 及数据库的连接。 o n s i t e 的客户端包括笔触式用户界面设备，通常是移动掌上设备，如： c o m p a qi p a q 掌上电脑或f u j i s up e r t c e n t r at a b l e t 平板电脑等。o n s i t e 并不是简单 传递平面栅格图像，而是传输矢量数据及相关数据，用户可以查询、拉伸、 修改、标注地图，然后可以与中心数据库同步这些改变。 二、e s r i 提供了c g i s 软件产品a r c p a d 吼 a r c g i s 是全套商业解决方案，是可伸缩的，包括：运行a r c l n f o 、a r c e d i t o r 、 a r c v i e w 的高端桌面计算机用户；使用a r c l m s 的i n t e r n e t g i s 用户；针对便携、 移动用户的a r c p a d 。 移动数据是使用a r c l m s 通过i n t e r n e t 提供服务，a r c l m s 是一个交叉的平 台应用，支持几千格并发处理和几百万的日请求。a r c p a d 支持多种数据接口， 女t j s h p 、b m p 、i p g 、c a d r g 等矢量、栅格地图，不需要转换。a r c p a d 与g p s 集成可支持野外作业人员的无线定位、实时通信和大容量数据库访问，以获 得业务所需信息。a r c p a d 是a r c l m s 的无线移动客户端。 三、i n t e r g r a p h 建立自己的移动g i s 解决方案h l t e l l i w h e r e l 6 j i n t e l l i w h e r e 功能着中于无线通信和l b s 的工业应用。i n t e r g r a p h 凭借在空 间信息与定位技术领域3 0 年的开发经验积累，i n t e l l i w h e r e 解决方案体系提供 用户实时、基于位置的信息服务以满足设备与数据的独立。这个解决方案具 有开放性、可伸缩性，它与g e o m e d i a 技术相辅相成，特别是g e o m e d i a 的网络 企业( w e b e n t e r p r i s e ) 产品。g e o m e d i a 使用无线应用协议( w a p ) 提供地图 和基于位置的信息服务。i n t e l l i w h e r e 允许用户利用移动设备搜索、检索、操 作和交互生活信息，就像短消息( s m s ) 一样简单。这个产品可以传送和接 受与指定地域相关的属性信息，如当前位置、相关其他位置等。 1 2 2 国内研究进展 目前，在国内还没有运行在p d a 设各上的、成熟的g p s 导航产品，p d a 产品还只是高级自领的“游戏机”。一方面是由于硬件技术的不成熟，另一方 面是由于国内的嵌入式软件开发刚刚兴起不是很久。但是已经有一些公司开 发出一些与地图密切相关的软件产品。如： 一、北京灵图软件技术有限公司推出的在移动信息设备上提供地理信息 以及位置服务的s m a r t l n h a n d 软件产品m 。 二、北京慧图公司最近推出一种可运行于掌上电脑、进行移动制图和g i s 应用的野外地质数据采集系统：t o p m a pc e g e n i u s t ”。 三、北京超图开发出地理信息系统开发平台：e s u p e r m a p l 9 1 。 四、台湾“英瑞得信息”公司设计出支持g p s 全球卫星定位系统专用软 件“w a l k m a p 地图随身走”f 1 0 1 。 五、台湾通路股份有限公司设计出全台p d a 电子地图产品地图领航 p a l m p i l o tf o rp a l m 和地图探险家m a pe x p l o r e2 0 0 1f o r w i nc e 1 ”。 这些产品都具有一些共同得基本功能，如：图形显示、资料查询、g p s 定位与导航、距离量算、用户标注、路径选择、语音提示、人性话得界面等。 但都是基于某种应用的初步、单一的嵌入式g i s 产品，离企业级的完整、规 模解决方案还有一定的距离。 1 3 对目前研究状况的分析 由以上对国内外移动g i s 产品的分析可以看出，移动g i s 具有以下特点： 一、移动g i s 运行于各种终端上，与服务端可通过无线通信进行交互实 时获取空间数据，也可以脱离服务器与传输介质的约束独立运行，具有移动 性。 二、移动g i s 作为一种应用服务系统，应能及时的响应用户的请求，能 处理用户环境中随时间变化的因素的实时影响，具有动态( 实时) 性。 三、移动g i s 集成了各种定位技术，用于实时确定用户的当前位置和相 关信息，因此它具有对位置信息的依赖性。 四、移动g i s 的表达呈现于移动终端上，移动终端有手机、掌上电脑 ( p d a ) 、车载终端等，这些设备的生产厂商不是唯一的，他们采用的技术也 不是统一的，这就必然要造成移动终端的多样性。 移动g i s 的体系结构包括客户端、服务器、数据源等三部分，分别承载 在表示层、中间层和数据层。由此可见，移动g i s 系统主要由移动通信、地理 信息系统、定位系统和移动终端四个部分组成。g i s 终端软件制造商、移动 通信运营商、空间信息应用服务提供商是空间移动信息服务的主轴，移动通 信运营商在整个移动服务链中居于支配地位，它负责信息的传输与服务的计 量；空问信息应用服务提供商是服务功能与质量的保证者，它引导空问数据 生产商从事信息的采集、编辑与更新工作：g i s 终端软件制造商生产的产品 是直接与用户打交道的，在服务链中负责终端软硬件的集成，移动终端的多 样性要求使得g i s 终端软件制造商必须生产出支持多种终端的、市场占有率 高的产品，其决定着空间移动服务的市场占有率，也决定着空间移动服务的 应用广度。 综合以上对g p s 导航产品( 移动g i s ) 特点、结构的分析可以看出，目 前国外的g p s 导航产品已向广义的移动g i s 方向发展，已经形成比较完整的体 系结构、市场和硬件支撑体系。然而在国内，由于硬件( 无线网络传输速率 等) 、无线通信标准等问题还没有很好的解决，用户的需求还没有完全的释放 出来，运行在p d a 上的导航产品还只是“高级白领中手中的玩具”，部分国内 研发的g p s 导航产品还处于狭义的移动g p s 发展阶段。 结合国内的具体情况，要想g p s 导航产品在国内有较快打发发展，必 须要解决至少两方面的问题：一为数据问题，二为标准问题。为此，本文将 利用国际开放地理信息委员会( o p e n g l ) 提出的地理图形数据标准( g m l ) 构建满足当前国内用户需要的、运行在p d a 上的g p s 导航软件产品。在下一 章中，将详细介绍o p e n g l 的g m i 标准和用于构建本系统的数据模型。 第二章g m l 数据模型 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 作为信息技术的重 要组成部分，经过近四十年的发展，几乎在所有与空间信息相关的领域，诸 如资源管理、城市规划、环境保护、金融决策、设备设施管理等得到了广泛 应用，逐步成为空间信息管理与应用的主要平台，并己融入主流n 技术。与 此同时也积累了大量的空间数据，造就了大批的g i s 软件。但是由于这些空 间数据宿主于不同的g i s 软件平台、不同的数据模型等，导致不同的g i s 软 件相互之间无法透明的获取对方的数据，形成一个个的“空间数据孤岛”。 随着g i s 快速的走向大众，人们对基于位置服务( l b s ) 的需求越来越 迫切，移动g i s 得到了飞速的发展。然而，“空问数据孤岛”问题也同样严 重的束缚了移动g i s 的发展，许多g p s 导航设备因为数据的缺乏，使得他们 的实用性很低。特别是在我国，空间数据表达的复杂性和多样性更是给本来 就缺乏的数据共享带来了极大的不便。 x m l 的产生和发展为解决这一问题创造了新的契机。由于x m l 支持自 定义标记，提供了强有力的扩展机制，可以创建g i s 行业独有的标记。但如 果没有规范限制，杂乱的标记必然影响网络数据挖掘和数据管理，因此行业 需要基于元数据的x m l 标准体系。地理标记语言g m l ( g e o g r a p h ym a r k u p l a n g u a g e ) 就在这种条件下产生了，它是一种基于x m l ( e x t e n s i b l em a r k u p l a n g u a g e ) 的语言，可以用来指定位置和其他与地理相关的数据。 2 1g m l 3 0 概述 o p e n o l sc o n s o r t i u m ( o g c ) 是为了发展开放式地理数据互操作规范而 成立的一个非盈利性组织呲1 。它制定了一套空间数据表达和操作的抽象模 型，并鼓励软件开发商和系统继承者采用o g c 的标准，以最大限度共享资 源及操作模型。 2 0 0 0 年6 月1 3 日，o g c 推出了g i s 的x m l 标记集g m l l 0 版本， 并指出g m l 是基于x m l 的地理信息传输与存储的编码工具，包括对地理实 体几何特征和属性特征的编码，并希望g m l 能够在不同的数据和数据集共 享上发挥作用。g m l l 0 的推出为x m l 在g i s 中的应用提供了良好的规范化 道路，得到了众多机构和公司的大力支持，如o r a c l e 、g a l d o s 、m a p i n f o 、c u b e w e r x 等。 2 0 0 1 年2 月2 0 日，o g c 推出了g m l 2 0 版本，使用x m l s c h e m a 取代 了1 0 中使用的d t d 。 2 0 0 2 年2 月发布了g m l 3 0 规范，进一步完善了2 0 的规范并将成为 i s o 、t c 2 1 1 标准，得到了世界许多国家和g i s 软件厂商的支持，成为世界 上流行的空间数据交换格式标准。中国也将采用或参考这一国际标准。 2 2g m l 3 0 数据模型 g m l 是基于o g c 的地理抽象模型基础之上的。它用地理实体( 特征、 f e a t u r e ) 来描述世界。本质上讲特征只是一系列的属性和几何体【1 3 】。 真实世界的数字表达可以被认为是一系列的特征。一个特征的状态 ( s t a t e ) 被定义为一系列的属性，每一个属性都可以认为是一个包含 n a m e ， t y p e ，v a l u e 的三元组。一个特征的属性数目以及名称和类型是出它的特征类 型所决定的。 特征集合( f e a t u r e c o l l e c t i o n ) 就是特征的集合，它本身也是可以认为是 一个特征。相应的，特征集合除了它包含的特征之外也有它的特征类型以及 它的属性。g m l 3 0 规范通过定义各种不同的实体来描述地理世界，这些实 体包括地理要素( f e a t u r e s ) 、几何类型( g e o m e t r i e s ) 、拓扑关系( t o p o l o g i e s ) 、 c o v e r a g e 、时态( t e m p o r a l ) 、坐标系( c r s ) 等，他们的层次结构如图2 1 所示 图2 1g m l 3 0 5 据模型( 本图来自o g cg m li 呻i e m e n t a t i o ns p e c i f i e a t i o n ) ” 2 3g i d l3 0 的主要模式( s o h e m a ) g m l 建模是通过定义x m l s c h e m a 来实现的。g m l 3 0 由3 2 个基本的 x m ls c h e m a 构成“，通过这些模式定义来描述地理世界，其主要模式概述 如下： 一、要素模式( f e a t u r es c h e m a ) 。地理要素包含一系列的空间和非空间 属性，要素模式f e a t u r e x s d 为创建g m l 的要素和要素集合提供了一个框架， 它定义了抽象和具体的要素元素及类型，并通过 元素引入了几何模 式和时态模式中的定义和声明。 二、几何模式( g e o m e t r ys c h e m a ) 。几何模式详细的描述了地理要素的 几何模型，包括抽象几何元素、坐标、包围圈、p o i n t 、c u r v e ( l i n e s t r i n g 、 c u r v e 、o r i e n t a b l e c u r v e ) 、一s u r f a c e ( p o l y g o n 、s u r f a c e 、o r i e n t a b l e s u r f a c e 、 c o m p o s i t e c u r v e ) 、j o l i d ( s o l i d 、c o m p o s i t e s o l i d ) 、g e o m e t r i c c o m p l e x 、 一g e o m t r i c a g g r g a t e ( m u l f i p o i n t 、m u l t i c u r v e 、m u l t i p o l y g o n 、m u l t i g e o m e t r y ) 等几何元素的定义，g m l 3 0 的几何模式由g e o m e t r y b a s i c o d l d x s d 、 g e o m e t r y b a s i c 2 d x s d 、g e o m e t r y a g g t e g a t e s x s d 、g e o m e t r y c o m p l e x e s x s d 、 譬e o m e t r y p r j m j t j v e s x s d5 个模式组成。 三、时态模式( t e m p o r a ls c h e m a ) 。时态模式扩展了g m l 的核心元素， 使其包括描述地理数时态特征的元素，它提供一种框架用于描述动态要素的 时间变化。时态模式由t e m p o r a l x s d 、t e m p r o a l c o m p l e x e s x s d 两个模式文档组 成，它们通过 元素引入了，符合单元模式u n i t s x s d 中的定义和声明。 四、c o v e r a g e 模式( c o v e r a g es c h e m a ) 。g m l 3 0 的c o v e r a g e 模式 c o v e r a g e x s d 支持从时空域到属性值的映射，属性类型对于时空域里的所有地 理位置是公共的，时空域直接由坐标空间中的许多位置组成。c o v e r a g e 的实 例包括栅格、不规则三角网、点和多边形c o v e r a g e 。一个c o v e r a g e 是从一个 时空域到一个范围集的映射，后者即为属性值集合，值域可以是一个包含离 散系列、整数或浮点集和多维矢量空间的任意集合。 五、拓扑模式( t o p o l o g ys c h e m a ) 。g m l 3 0 的拓扑模式t o p o l o g y x s d 定 义了反映地理要素之间关系的拓扑对象，主要的拓扑对象有：点类( n o d e 、 d i r e c t e d n o d e 、t o p o p o i n t 、t o p o p o i n t p r o p e r t y ) 、线类( e d g e 、d f i e c t e d e d g e 、 t o p o c u r v e 、t o p o + c u r v e p r o p e r t y ) 、面类( f a c e 、d i r e c t e d f a c e 、t o p o s u r f a c e 、 t o p o s u r f a c e p r o p e r t y ) 、体类( t o p o s o l i d 、d i r e c t e d t o p o s o l i d 、t o p o v o l u m e 、 t o p o v o l u m e p r o p e r t y ) 、复杂类( t o p o c o m p l e x 、t o p o c o m p l e x p r o p e r t y ) 等， 并通过 元素引入了复合几何模式g e o m e t r y c o m p l e x e s x s d 中的定义 和声明。 2 4g m l 的主要技术特点及优势 g m l 作为基于x m l 的地理信息描述语言，其技术特点可以通过以下几 个方面表述【1 6 】： 一、g m l 基于文本表示地理信息 文本比较简单、直观，容易理解和编辑。已经在空间信息和三维显示上 得到广泛应用的数据格式是虚拟现实建模语言v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym a r k u p l a n g u a g e ) ，现在这些v r m l 模型元素一样可以在g m l 上应用。 二、g m l 封装了地理信息及其属性 g m l 基于地