基于數(shù)據(jù)注冊(cè)中心和World Wind的空間數(shù)據(jù)存取

王夢(mèng)雪

(成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059)

0 引言

由于空間數(shù)據(jù)具有海量、異構(gòu)、多源、多尺度及來源于不同提供者等特點(diǎn)［1］，所以對(duì)空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理和應(yīng)用也尤為重要。近年來出現(xiàn)的Google Earth、NASA World Wind等三維地理信息平臺(tái)都是以大量的空間數(shù)據(jù)服務(wù)為支撐，通過自有的或通過其他渠道獲得的數(shù)據(jù)與服務(wù)進(jìn)行集成，因此給空間數(shù)據(jù)的利用提供了便利的平臺(tái)。本文將數(shù)據(jù)注冊(cè)中心與World Wind Java相結(jié)合，利用元數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分離的分布式存儲(chǔ)方式，以KML來統(tǒng)一組織和管理各種空間數(shù)據(jù)屬性，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。利用World Wind Java實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)的讀取和展示，以便于對(duì)采集的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的存取及為行業(yè)應(yīng)用提供服務(wù)，以充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的作用。

1 研究背景

1.1 World Wind

World Wind是由美國(guó)國(guó)家航天局(NASA)的科研人員開發(fā)的開放源代碼三維地圖平臺(tái)。它可以將Landsat 7、航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)圖任務(wù)(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)、中分辨率成像光譜儀(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS)等多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)以及其他WMS服務(wù)商提供的圖像通過一個(gè)三維的地球模型展現(xiàn)。World Wind有.NET和Java兩個(gè)版本，源代碼全部免費(fèi)開發(fā)，其中World Wind Java版本可以支持Windows、Linux和Mac平臺(tái)，具有極好的適用性［2］。

1.2 World Wind Java SDK 的優(yōu)勢(shì)

目前，國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的商業(yè)化三維地理信息平臺(tái)主要是國(guó)外的 Google Earth、ArcGIS Engine、SkyLine以及國(guó)內(nèi)的 SuperMap 6R、VRMap、EV-Globe、LTEarth和GeoGlobe平臺(tái)。其中最為人們熟知的是Google Earth，而World Wind的定位與前面幾種明顯不同，它不是商業(yè)化軟件。

World Wind Java SDK是一個(gè)開源的軟件，它可以在用戶程序中作為組件，并且獲取NASA的數(shù)據(jù)，開發(fā)者通過自己開發(fā)的需求，可以充分而深入地使用這些數(shù)據(jù)。World Wind Java SDK還提供了其他星球的影像。從設(shè)計(jì)角度來看，World Wind Java SDK具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性，將World Wind Java SDK與開發(fā)者的項(xiàng)目集成，開發(fā)自己的GIS平臺(tái)，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域［3］。

1.3 KML 介紹

KML(Keyhole Markup Language)是一種基于XML語法與格式的、用于描述和保存地理信息(如點(diǎn)、線、圖像、多邊形和模型等)的編碼規(guī)范，可以被Google Earth和Google Maps識(shí)別并顯示。用于在地球?yàn)g覽器(例如Google地球、Google地圖和谷歌手機(jī)地圖)中顯示地理數(shù)據(jù)。KML是由開放地理空間聯(lián)盟(Open Geospatial Consortium，OGC)維護(hù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)［4］。

1.4 傳統(tǒng)的存儲(chǔ)方式

至今，空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)經(jīng)歷了5個(gè)階段［5］:

(1)文件系統(tǒng)存儲(chǔ)階段，主要采用空間和非空間數(shù)據(jù)用文件分開存儲(chǔ)，2個(gè)文件中的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)用唯一標(biāo)識(shí)連接的方式。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)模型簡(jiǎn)單、易處理;缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)安全性低，無法保證數(shù)據(jù)的一致性，無法建立復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型。

(2)混合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)階段，以文件形式存儲(chǔ)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理屬性數(shù)據(jù)。以指針聯(lián)系空間數(shù)據(jù)文件和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。其優(yōu)點(diǎn)是屬性數(shù)據(jù)管理和訪問都容易;缺點(diǎn)是無法保證數(shù)據(jù)的一致性和數(shù)據(jù)安全。

(3)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)階段，存儲(chǔ)中在關(guān)系庫(kù)中引入復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)完整性及一致性較好;缺點(diǎn)是空間分析能力欠缺。

(4)面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)階段，利用面向?qū)ο蠓椒ń?shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理。其優(yōu)點(diǎn)是能準(zhǔn)確地描述空間對(duì)象及行為，建模能力強(qiáng);缺點(diǎn)是查詢能力欠缺。

(5)對(duì)象關(guān)系型存儲(chǔ)階段，采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和面向?qū)ο蠹夹g(shù)結(jié)合的方式存儲(chǔ)。其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確描述空間對(duì)象，數(shù)據(jù)完整性、一致性好;缺點(diǎn)是空間分析能力和查詢能力欠缺。

目前數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式有如下幾種。

(1)ArcSDE利用數(shù)據(jù)庫(kù)提供的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型來組織存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)類型如下:

①ArcSDE壓縮二進(jìn)制。這是ArcSDE特有的存儲(chǔ)方案，支持 Oracle和 SQL Server。Oracle以“l(fā)ong row”存儲(chǔ)，SQL Server以“image”類型存儲(chǔ)。

②BLOB類型存儲(chǔ)，支持Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)。

③Oracle Spatial標(biāo)準(zhǔn)化方案。僅在Oracle(包括Spatial擴(kuò)展)中可用。

(2)Oracle Spatial空間擴(kuò)展提供了一系列存儲(chǔ)過程和函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)在Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中的存儲(chǔ)訪問。

(3)DB2和 Informix。IBM DB2 Spatial Extender和IBM Informix Spatial DataBlade通過擴(kuò)展數(shù)據(jù)原有的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型，使用戶可以為表定義空間列，并且制定空間列的類型為ST_Geometry，從而存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)。

(4)MySQL用自己的Geometry數(shù)據(jù)類型存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)。

1.5 數(shù)據(jù)注冊(cè)中心

數(shù)據(jù)注冊(cè)中心是注冊(cè)元數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)。元數(shù)據(jù)注冊(cè)系統(tǒng)是對(duì)元數(shù)據(jù)的定義信息及其編碼、轉(zhuǎn)換、應(yīng)用等規(guī)范進(jìn)行發(fā)布、注冊(cè)、管理和檢索的系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制不一樣，元數(shù)據(jù)注冊(cè)系統(tǒng)是一個(gè)面向網(wǎng)絡(luò)、面向服務(wù)的全新的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)制。元數(shù)據(jù)注冊(cè)系統(tǒng)具有4大服務(wù)功能，分別是對(duì)元數(shù)據(jù)的管理、元數(shù)據(jù)互操作、元數(shù)據(jù)的開放應(yīng)用、元數(shù)據(jù)的復(fù)用。在此模型實(shí)現(xiàn)交互的過程中，數(shù)據(jù)注冊(cè)中心主要完成3方面的操作:(1)制定空間數(shù)據(jù)的KML規(guī)范;(2)根據(jù)指定的空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，在不同資源類型的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，數(shù)據(jù)注冊(cè)中心可以根據(jù)注冊(cè)的元數(shù)據(jù)規(guī)范提供轉(zhuǎn)換模式，自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換服務(wù);(3)提供行業(yè)服務(wù)，即通過數(shù)據(jù)注冊(cè)中心的服務(wù)接口為行業(yè)應(yīng)用提供相關(guān)數(shù)據(jù)［6］。

2 模型層次圖

本文提出的基于數(shù)據(jù)注冊(cè)中心的空間數(shù)據(jù)存取模型的層次圖如圖1所示，分為3個(gè)層次:數(shù)據(jù)服務(wù)層、數(shù)據(jù)交換層和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。

圖1 基于數(shù)據(jù)注冊(cè)中心的空間數(shù)據(jù)存取模型的層次圖

2.1 數(shù)據(jù)服務(wù)層

對(duì)空間數(shù)據(jù)存取的研究主要是為各行業(yè)應(yīng)用提供安全高效的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)的共享和利用，經(jīng)由數(shù)據(jù)交換層KML解析之后的數(shù)據(jù)結(jié)果通過數(shù)據(jù)訪問層返回到客戶端的服務(wù)接口，然后為客戶端提供方便高效的服務(wù)，此處的數(shù)據(jù)服務(wù)層就是為了利用聚合之后的數(shù)據(jù)來方便服務(wù)［7］。

2.2 數(shù)據(jù)交換層

根據(jù)制定的符合規(guī)范的KML請(qǐng)求格式，在提取客戶端提交的KML數(shù)據(jù)流時(shí)，在處理模塊完成對(duì)KML的解析和裝載，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，即在各客戶終端上，對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行注冊(cè)并存儲(chǔ)，注冊(cè)時(shí)完成對(duì)空間元數(shù)據(jù)的提取，存儲(chǔ)在元數(shù)據(jù)庫(kù)中;在為客戶端返回結(jié)果數(shù)據(jù)的時(shí)候，針對(duì)KML規(guī)范開發(fā)的服務(wù)端處理程序，通過服務(wù)器端的處理程序?qū)ML結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)流進(jìn)行解析，最后將解析結(jié)果返回給客戶端。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層

提供空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，包括分布式元數(shù)據(jù)庫(kù)和分布式文件數(shù)據(jù)庫(kù)。分布式元數(shù)據(jù)庫(kù)主要完成對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，對(duì)錄入的元數(shù)據(jù)的管理和存儲(chǔ)，即對(duì)KML文件的存儲(chǔ)和管理;分布式文件數(shù)據(jù)庫(kù)完成對(duì)空間數(shù)據(jù)本身的存儲(chǔ)。

3 模型架構(gòu)設(shè)計(jì)

模型的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，此模型架構(gòu)中數(shù)據(jù)注冊(cè)中心是實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)存取的主要部分。由于空間數(shù)據(jù)的種類復(fù)雜，不同類型的數(shù)據(jù)之間還存在著關(guān)聯(lián)，并以行業(yè)數(shù)據(jù)集的形式為外界提供數(shù)據(jù)服務(wù)，因此通過數(shù)據(jù)注冊(cè)中心將不同數(shù)據(jù)源的元數(shù)據(jù)信息集中起來，通過對(duì)元數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，達(dá)到對(duì)資源信息共享。一方面，數(shù)據(jù)注冊(cè)中心可以對(duì)元數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理和維護(hù)，另一方面，數(shù)據(jù)注冊(cè)中心要為數(shù)據(jù)訪問者提供可靠的信息發(fā)現(xiàn)機(jī)制，確保信息資源的精確定位和訪問［8］。

圖2 模型總體架構(gòu)

主要的存儲(chǔ)和響應(yīng)流程如下:

(1)接收來自各種終端的數(shù)據(jù)。

(2)通過HTTP提交數(shù)據(jù)后，若此數(shù)據(jù)是首次向該數(shù)據(jù)管理模型提交，則該數(shù)據(jù)本身存儲(chǔ)在分布式文件數(shù)據(jù)庫(kù)中。與之相關(guān)的元數(shù)據(jù)通過KML完成數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)注冊(cè)過程，產(chǎn)生一個(gè)針對(duì)行業(yè)應(yīng)用的KML文件。文件存儲(chǔ)于分布式元數(shù)據(jù)服務(wù)器群中。KML文件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了描述，在存儲(chǔ)的過程中，自動(dòng)為此數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)形成唯一標(biāo)識(shí)GUID，并且存入該數(shù)據(jù)在分布式文件服務(wù)器群中的URL。

(3)若客戶端直接請(qǐng)求數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，則對(duì)該客戶進(jìn)行授權(quán)。通過注冊(cè)數(shù)據(jù)時(shí)的唯一標(biāo)識(shí)GUID，找到該數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的KML文檔。通過對(duì)文檔的解析，向終端返回該空間數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)服務(wù)器群中存儲(chǔ)的URL。

(4)終端直接通過得到的URL訪問分布式文件服務(wù)器群，最終準(zhǔn)確快速地返回待訪問的空間數(shù)據(jù)。

4 開發(fā)環(huán)境的搭建

圖3為對(duì)空間數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)注冊(cè)中心中實(shí)現(xiàn)存取的基本流程圖。在實(shí)現(xiàn)過程中，采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)完成對(duì)元數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，用Java完成對(duì)不同格式、不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的交換，用Tomcat和Apache完成對(duì)元數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)布。

圖3 數(shù)據(jù)注冊(cè)中心下空間數(shù)據(jù)交換流程圖

利用World Wind Java SDK和Eclipse集成作為開發(fā)環(huán)境，完成對(duì)空間信息的展示。搭建過程如下:

首先是安裝Java SDK，配置Java的環(huán)境變量，在確認(rèn)好Java的運(yùn)行環(huán)境無誤之后，解壓下載的E-clipse，然后啟動(dòng) Eclipse。

然后是本機(jī)上服務(wù)器的安裝配置，主要完成A-pache和Tomcat的安裝，并將兩者整合。

同時(shí)還要安裝JOGL(Java Bindings for OpenGL)和配置JOGL。JOGL是一種利用OpenGL的Java繪圖技術(shù)，安裝JOGL是為了支持客戶端和服務(wù)器的運(yùn)行和支持Eclipse開發(fā)。

最重要的就是World Wind Java SDK和Eclipse的集成:將下載的World Wind Java SDK中的World-Wind.jar和 jogl.jar引入到 Eclipse新建的項(xiàng)目中，項(xiàng)目中初步的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)中項(xiàng)目的初步結(jié)構(gòu)圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文以世界七大奇跡的空間數(shù)據(jù)屬性為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以基于數(shù)據(jù)注冊(cè)中心和World Wind Java的空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模型為實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，以KML規(guī)范為數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，完成世界七大奇跡數(shù)據(jù)的展示。

5.1 設(shè)計(jì)空間數(shù)據(jù)KML規(guī)范

由于對(duì)不同的行業(yè)應(yīng)用不同的空間數(shù)據(jù)，KML對(duì)空間數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，所以首先需要制定針對(duì)某行業(yè)應(yīng)用的KML標(biāo)準(zhǔn)，以便對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的描述［10］，在模式實(shí)現(xiàn)的過程中，利用世界七大奇跡的空間數(shù)據(jù)屬性為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)此空間數(shù)據(jù)類型提供相應(yīng)的KML規(guī)范，如圖5所示。

圖5 空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)規(guī)范

5.2 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括對(duì)元數(shù)據(jù)描述的字段設(shè)計(jì)，用于對(duì)數(shù)據(jù)注冊(cè)中心的元數(shù)據(jù)的管理，如表1所示。GUID作為該數(shù)據(jù)表的主鍵。

表1 元數(shù)據(jù)庫(kù)字段設(shè)計(jì)

5.3 數(shù)據(jù)交換的實(shí)現(xiàn)

在建立的世界七大奇跡的空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)庫(kù)表的基礎(chǔ)上，將KML文檔中的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)表中數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)互操作，即實(shí)現(xiàn)將KML文檔中的數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫(kù)表中和實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)庫(kù)表中的數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的KML文檔［11］。將KML文檔中的數(shù)據(jù)插入到數(shù)據(jù)庫(kù)表中是將空間數(shù)據(jù)以結(jié)構(gòu)化的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過DOMDocument對(duì)象實(shí)現(xiàn)隨KML文檔中Node節(jié)點(diǎn)的解析，并將相應(yīng)解析結(jié)果存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中;將數(shù)據(jù)庫(kù)表中的數(shù)據(jù)形成KML是為不同類型的空間數(shù)據(jù)的格式統(tǒng)一，通過Documentbuilder實(shí)現(xiàn)對(duì)KML文檔的創(chuàng)建，簡(jiǎn)化了對(duì)空間數(shù)據(jù)的管理。

5.4 空間數(shù)據(jù)展示

在通過對(duì)世界七大奇跡的KML文件的裝載和存儲(chǔ)之后，利用相應(yīng)的KML文件實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的展示。在此KML文件中，詳細(xì)地描述了世界七大奇跡的屬性數(shù)據(jù)，然后通過對(duì)此KML數(shù)據(jù)的解析，展現(xiàn)空間數(shù)據(jù)［12］，如圖 6 所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)展示圖

6 結(jié)束語

本文針對(duì)空間數(shù)據(jù)的存取問題，提出一個(gè)基于數(shù)據(jù)注冊(cè)中心和World Wind Java空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方案，并且利用世界七大奇跡為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在搭建好的Eclipse和World Wind Java SDK的集成平臺(tái)上對(duì)解析之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了展示，為空間信息的存取提供了一種新的思路［13］。

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