分布式异构地理分析模型共享门户的初步研究
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摘要：针对目前GIS模型分析功能不足的困境，提出分布式异构地理分析模型共享门户的研究思路；基于地球系统科学理论，设计模型资源的分类组织体系，研究模型资源的表达形式和封装方法，突出语义和数据功能上的标准化；设计地理分析模型共享服务框架，以此克服分布式环境所引起的模型资源的访问障碍；构建了分布式环境下异构地理分析模型共享门户，并探讨该共享门户所具有的功能体系。
关键词：分布式；异构；地理分析模型；共享门户
中图分类号：TP311文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2008)32-1041-03
1 引言
目前，以数据的采集、存储、管理和查询检索功能为主的GIS不能满足社会和区域可持续发展在空间分析、预测预报、决策支持等方面的要求，直接影响到GIS的应用效益和生命力。GIS的深入发展需要增强模型应用、分析、模拟功能，即GIS需要以强有力的模型分析功能作为深入发展的基础。地理分析模型是对现实地理世界的一种抽象或模拟，通常采用一定的表现规则来描述地理现象之间的因果关系和客观规律，是通过计算机来解决地学问题、分析地学现象和揭示地学规律的有效手段，其能改善目前GIS模型分析模拟能力相对低下的现状。
虽然在GIS数据共享研究方面，OGC、ISO/TC211已经推出了一系列标准，包括GIS数据模型、格式和元数据规范，一定程度上解决了地理数据的共享和互操作问题。而当前对地理分析模型的共享技术、方法和标准的研究却很少，这使得在地理学研究过程中积累了一定数量的模型资源，却难以有效地共享，形成了明显的“地理分析模型孤岛”。故本文提出了在分布式环境下共享异构地理分析模型的研究思想，共享已有的异构地理分析模型不仅可以大大降低GIS在模型构建开发工作方面的负担、提高开发进度，还可以增强其模型分析功能。
2 模型资源的组织及其标准化
地理分析模型共享门户是在分布式环境下对异构的地理分析模型进行分类和维护，支持模型的存储、查询、运行和分析应用，是个逻辑上集中、物理上分布的模型资源共享体系。该共享门户将各种地理分析模型，以一定的组织结构存储起来，采用基于元数据的模型表达形式，封装模型的数据和功能接口，最终以统一的描述方式和接口形式为模型使用者提供地理分析模型资源，这样，对共享门户而言，可将分布式环境中异构的地理分析模型看作透明的模型资源来维护管理，对于用户来说，模型资源与共享门户完全分离，使用前只需要了解模型资源的数据和功能接口规则，而无需对共享门户作任何要求。模型资源的组织结构、表达形式、封装方法是对异构地理分析模型进行组织和标准化的关键，是实现分布式异构地理分析模型共享门户首先要解决的核心问题。
2.1 模型资源的分类组织体系
地理分析模型种类繁多，研究目的及意义的不同，使得其所蕴涵的模型信息也不尽相同。因此在共享地理分析模型时，必须考虑特定类别的地理分析模型所具备的特征因素，以便识别出有显著影响的因素并把握本质的规律。本文面向地球系统科学研究，制定了地理分析模型的分类组织体系，以该分类体系作为共享门户模型资源的组织结构。共享门户按照该分类体系构建子目录，从而将种类各异的地理分析模型都置于统一的组织体系下。
2.2 基于元数据的模型资源表达形式
虽然地理分析模型具有一定的抽象形式，但它一般都具有语义背景，地理分析模型元数据可在用户在理解各地理分析模型的基础上，使我们把种类各异的地理分析模型规范成统一的表达形式，实现地理分析模型语义上的标准化。地理分析模型元数据是模型共享门户的核心，它包含地理分析模型的描述、存储和使用等的信息，即它除了对模型的名称、特征、来源、用途、开发时间以及与有关数据的联系方式等模型内容信息说明外，还对模型的类别、编码意义、占用存储空间等给予说明。从某种意义上说，共享门户对模型资源的管理就是对描述模型资源本身相应的模型元数据的管理，因而地理分析模型元数据成为共享门户有效管理和应用模型资源的重要手段。它不仅是一种模型资源描述与索引的形式，还是共享门户在分布式网络环境下发现模型，管理模型和应用模型过程中不可缺少的工具和方法之一。
本文的模型元数据标准以CSDGM（Content Standard for Digital Geospatial Metadata）的结构和元素为基础，也是以元素区（section）、复合元素（compound element）、数据元素（data element）为基本构建单位。
2.3 模型资源的封装方法
封装模型所需的所有数据属性和功能操作，是将异构地理分析模型的数据资源和功能资源进行标准化的关键之所在。将异构的地理分析模型封装成具有通用接口的模型资源，使其具有清晰而通用的输入输出数据接口、功能接口以及与其它地理分析模型交互对话的手段。模型资源的封装侧重于统一模型的数据和功能接口，实现了对异构地理分析模型的透明访问。
2.3.1 数据接口
地理分析模型之间数据模型的异构，使得统一数据模型难以实现。但任何复杂的数据格式和数据模型都可看成是由简单对象组合与迭代而成，而作为工业标准的XML语言在数据定义、数据描述以及数据表达上具有良好的适用性，因此本文采用基于XML的弹性的模型数据对象模型来描述静态的数据资源，即通过组合与迭代基本数据对象元素来描述复杂数据对象。
如图1所示，所有数据对象接口都从数据对象基接口派生，其具有把数据对象序列化为XML文档片断以及从XML文档片断重构数据对象的能力。具体数据对象接口提供了通用标准的内建数据类型，向虚拟地理环境提供一个关于所支持和所应用的类型的描述，其支持的内建数据类型包括整数、浮点数以及字符串等。抽象数据对象接口定义了众多内建数据结构，从计算机角度出发，可包括链表、队列、以及映射等计算机语言的数据结构；而从地理信息系统角度出发，包括矢量数据结构、栅格数据结构、地形表面表达的数据结构、三维对象数据结构、时间表达数据结构以及可移动对象数据结构等。以地形表面表达的数据模型为例，又可具体为离散点、等高线、不规则三角网、规则格网DEM以及断面线DEM等数字高程模型的数据结构，抽象数据对象在组织具体数据对象或抽象数据对象的同时，附加了这些数据对象对应的功能操作。
2.3.2 功能接口
动态的功能资源是地理分析模型执行专业分析功能的核心，功能接口在封装和调用原地理分析模型功能的同时，还提供了对数据对象的操作方法，即通过获取和填充数据对象来实现地理分析模型的参数输入以及计算结果输出。
采用脚本来定义和实现可执行的地理分析模型功能对象，在加载由XML语言描述的模型功能定义时，创建地理分析模型对象，该对象实现了功能接口，其在执行时通过Windows Script Control启动脚本引擎，Windows Script Control是一个ActiveX(R) 控件，可为共享门户提供简单的方法以使功能脚本化，并执行脚本代码中所实现的功能和事件来实现并扩展地理分析模型的专业分析功能。下面的XML片断格式定义了基于脚本实现的模型功能对象，功能定义的名称是Eval，类型是script（脚本），脚本语言是javascript，功能是execute，而模型功能执行对象通过serverContext进行定义和实现。
function execute(serverContext)
{……}
]] >
3 地理分析模型共享服务框架
地理分析模型共享门户应该可以支持多种分布式协议的调用，而本文采用Web Services这种能够构建面向服务的应用程序的技术，设计面向Web服务的分布式框架结构，以此来克服分布式环境所引起的模型资源的访问障碍。Web Services具有松散耦合、健壮性、可衡量性、可扩展性和可操作性等特性，这些特性正好是一个全球范围的地理分析模型共享门户所需要的。该框架通过一系列的地理分析模型共享服务将各种组织、应用程序、服务及设备连接起来，实现在不同平台之间以一致的方式描述和调用模型资源，其分布式服务框架如图2所示。
4 地理分析模型共享门户及其功能体系
在地理分析模型共享门户平台上已有的地理分析模型的元数据及模型资源，供用户浏览调用。该门户并不存储地理分析模型本身，而是通过存储地理分析模型元数据来语义共享地理分析模型资源，用户通过客户端提供的调用组件来访问具有通用的数据接口和功能接口的模型资源，以此来实现分布式环境下对异构地理分析模型资源的透明访问和共享。
首先模型提供者通过模型服务器注册地理分析模型，获取唯一的标识UUID，用户可以通过其来检索和应用模型。其在注册模型的同时还提交模型的元数据，提交上来的元数据通过管理员的审核后对外。根据模型使用者的权限和级别，用户可以通过按关键词、时间、名称等多种形式对地理分析模型资源进行查询，查询结果以模型元数据的形式返回给用户，根据模型资源的访问链接URL，用户通过客户端提供的模型资源浏览调用组件，在线调用模型资源的通用数据接口和功能接口服务，实现客户端的基于Web Services协议的一致性访问。同时模型管理者进行后台管理以保障系统和模型的安全，包括用户管理、日志管理等功能，从而实现了异构地理分析模型的在线共享，该共享门户所具有的功能体系如图3所示。
5 结束语
本文研究了分布式环境下的异构地理分析模型共享的问题。基于地球系统科学理论，设计模型资源的组织结构体系；利用计地理分析模型元数据，对异构地理分析模型进行语义上的标准化；将地理分析模型封装成为具有通用数据接口和功能接口的模型资源，在数据功能上对其进行标准化。研究模型资源的组织和标准化，有利于实现对异构地理分析模型的透明访问，从而提高地理分析模型资源的利用率。设计地理分析模型共享服务框架，以此来克服分布式环境所引起的模型资源的访问障碍。其所实现的地理分析模型共享门户不仅是个单纯的可提供选择地理分析模型的描述性信息的系统，还是个支持透明调用地理分析模型资源的系统。本文为分布式环境下异构地理分析模型的集成研究奠定了基础，进一步满足了GIS支持地学分析、模拟现实地理世界和实现协同工作和提供群体决策的需要。
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