摘 要 提出了基于客戶/服務器結構的地理信息系統集成平臺總體結構，探討了基于元數據的地理信息系統數據集成平臺以建立物理上分布而邏輯上集中的分布式地理信息系統數據庫，提出了應用符合3NF范式的關系數據庫進行模型管理的模式，在此基礎上探討了地理信息系統可視化建模工具。
關鍵詞 地理信息系統，集成平臺框架結構，GIS數據集成平臺，GIS模型集成平臺，可視化建模工具
1 引 言
近年來，隨著GIS應用的廣泛和深入建立了一大批地理信息系統。隨著網絡技術的發展和實際的需要，這些分散的系統要求集成運行，以實現信息共享，提高運行效率。在國家“八五”攻關中就開展了這方面的研究[1，2]，在“九五”攻關中對系統實用化和運行業務化提出了更高的要求。地理信息系統集成的重要性得到普遍的認識[3，4]。
地理信息系統集成可以分為兩個層次，一個是地理信息之間相互關系的概念層次集成，側重于地理信息的空間分析;另一個是不同數據和模型之間組織和管理的技術層次集成。本文所指的地理信息系統集成主要指后者意義上的集成。
在計算機集成制造(Computer Integrated Manufacture System, CIMS)領域，集成基礎結構或集成平臺的概念得到廣泛的應用，集成平臺被認為是實現企業信息集成、功能集成所需的基本信息處理和通信公共服務的集合[5]。IBM公司基于系統使能器(Enabler)的集成平臺在企業應用中獲得極大成功[6]，中國在CIMS應用中也廣泛使用集成平臺技術[7]，收到巨大的經濟和社會效益。
2 地理信息系統集成分析
回顧地理信息系統的發展過程，可以看出地理信息系統的集成在技術上可以分為如下幾種形式：
(1) 同一GIS軟件系統不同模塊之間或不同系統之間采用Import/Export的文本文件交換形式。這是最簡單也是效率最低的一種方式，它適用于任意系統之間的數據和模型集成。
(2) 大型商業GIS軟件如ARC/INFO具有一致的數據模型和數據結構，提供二次開發語言，構成軟件開發平臺。不同模塊之間可以采用二進制進行數據交換(如Arcedit和Arcplot)，具有密切關系的不同GIS軟件系統之間也可以采用這種方式(如ARC/INFO和ERDAS)。在這種模式下用戶除了在操作系統的基礎上開發應用模型被宿主系統調用外，其它所有的操作只能建立在這個商業軟件平臺基礎上，不同的商業軟件平臺一般無法直接進行數據共享和功能互補。
(3) 采用應用程序接口(API)的形式進行集成。如ARC/INFO提供RPC接口實現客戶端與服務器端的通訊，提供ARC/INFO與ARCVIEW的集成。同時用戶可以遵循RPC規范開發應用模塊以實現系統集成。ESRI提出的分布式計算環境(Distributed Computation Environment)也是基于API的思想。
(4) 對象連接與嵌入(OLE)的自動化功能(Automation)提供了對象之間的互操作功能，一些最近開發的商業GIS軟件如Mapinfo公司的MaplnfoProfessional和Golden Soft公司開發的Surfer，都提供OLE Automation，用戶可以將該軟件作為一個對象嵌入自己的系統。
(5) 最近發展起來的對象—關系數據庫技術(ORDBMS)將空間數據作為一種數據類型直接集成進入數據庫系統，用戶可以在這種平臺上直接管理矢量空間數據、遙感圖像數據和普通關系數據，可以利用這種數據庫平臺的API開發GIS應用系統。
(6) OPENGIS組織采用COBRA標準，發布了其簡單特征規范(Simple Features Specification)1.0版本作為開放地理信息系統的基礎，這無疑是地理信息系統軟件向開放和互操作發展的重要方向之一，但這種方式需要從底層重新開發GIS軟件，在短期內很難直接應用于工程實踐。
在以上地理信息系統集成的各種形式中，都存在如下的問題需要解決。
(1) 地理信息采集和應用的分布性特點決定了地理信息系統的分布性，地理信息系統集成需要一種分布式空間數據管理和分析模型的相互通訊機制。這種機制既可以適應在目前比較成熟的基于數據文件交換形式(如(1)和(2))，又可以為以后基于API(如(3)和(5))面向對象的地理系統集成(包括(4)—(6))提供發展余地。
(2) 地理信息涉及不同的時間、空間和屬性，需要有一種有效的地理數據管理的機制，并提供數據融合的能力。
(3) 地理分析模型與多種地理數據發生聯系，不同模型之間有復雜的串并聯關系，模型的組織與管理是需要解決的另一個重要問題。
基于以上的分析，本文提出了基于客戶/服務器機制的地理信息系統集成總體結構，基于元數據的數據庫集成平臺和基于關系數據庫管理系統的模型集成平臺，以及在系統總體結構和數據庫集成平臺、模型集成平臺的基礎上進行可視化建模以輔助空間決策的方法和技術。
3 基于客戶/服務器的地理信息系統集成總體結構
近年來，客戶/服務器(Client/Sever, C/S)體系結構在分布式系統中得到了廣泛的應用。盡管這種模式至今還沒有一個完整的權威性定義，但人們對這個概念的基本看法是一致的。在C/S結構下，一個或更多個客戶機和一個或更多個服務器，以及下層的硬件網絡、操作系統和支撐平臺進程間通信系統，共同組成一個支持分布式計算、分析和表示的系統，在該模式下，應用分為前端的客戶部分和后端的服務器部分。客戶方發出請求，網絡通信服務系統將請求的內容傳到服務器，服務器根據請求完成預定的操作，然后把結果送回客戶。
地理信息系統集成平臺引入客戶/服務器機制后，可以將地理信息系統集成定義為兩層C/S結構(圖1)。前端用戶和數據庫集成平臺、模型庫集成平臺、應用模型構成第1層C/S結構，集成平臺和應用模型與商業軟件構成第2層C/S結構。數據集成平臺服務器、RS、GIS、RDBMS服務器操作結果將返回給模型集成平臺服務器，進而返回給客戶端。
當客戶端有特殊的顯示、制圖要求時，模型集成平臺服務器將負責根據用戶的要求調用其它服務器來實現;空間和屬性信息數據查詢的要求，在空間框架的基礎上實現多元數據的融合，數據集成平臺的功能也是調用RS、GIS、RDBMS服務器的功能來實現的。模型與數據庫之間、模型與模型之間即可以采用IMPORT/EXPORT的文件交換形式(如ARC/INFO的E00格式等)，也為將來全部過渡到API的內存交換形式(如DLL，OLE，ActiveX，COBRA等)提供可能。
這種設計使得系統只考慮軟件的功能而不會過分依賴于具體的軟件平臺，因此系統具有良好的可擴充性，無論采用商業軟件還是采用國產軟件，只要具有該項功能可以作為服務器，服務器軟件類型的變化都不會影響系統結構，便于將來采用國產軟件和系統的升級換代。
4 基于元數據的地理信息系統數據集成平臺
地理信息系統數據庫集成平臺的目的在于形成物理上分布而邏輯上集中的整體數據視圖。實現方式可以采用基于元數據的方式，也可以采用基于空間開放數據庫連接(Spatial Open Database Connectivity, S-ODBC)的結構化查詢語言(Structure Query Language, SQL)和動態連接庫(Dynamic Link Library, DLL)方式，以及基于面向對象的方式，如分布式公共對象模型(Distributed Common Object Model, DCOM)和公共對象請求代理結構(Common Object Request Broker Architecture)等方式[8]。由于大型業務化運行的地理信息系統大都建立在商業軟件的基礎上，很少全部從底層開發，而目前絕大部分商業軟件都不支持這些軟件協議機制。從實用角度出發，基于元數據的集成平臺是一種行之有效的地理信息系統數據集成模式。
美國聯邦地理數據委員會(Federal Geographical Data Committee, FGDC)制訂了分布式地理信息元數據規范，在地理信息標準化和規范化方面做了大量的工作。但是，一方面該規范過于煩瑣，在實際應用中很難對該規范的每一項都有明確的表達，另一方面該規范主要針對靜態數據集而對動態交互式應用如多源數據融合等考慮不足。數據集成平臺服務器保存相應元數據庫的副本，并維持與各接點元數據庫的動態連接。這種方式的概念模式如圖2。
元數據庫是關于數據庫描述信息的數據庫，主要目的是將整個集成系統的各個數據庫信息納入系統的統一管理之下，形成地理信息系統的數據倉庫，并維持整個系統數據的完整性，在此基礎上實現數據庫的集成。集成系統采用的體系結構應不依賴于任何具體RS、GIS和RDBMS系統，因此需要建立自己的元數據庫和元數據管理系統。
從實際需要出發，根據集成系統數據內容和數據庫類型將元數據分為如下4個數據庫，各種類型的地理信息元數據庫至少應包括如下內容：
(1) RS影像庫(柵格數據)的元數據庫： 包括影像編碼、影像類型、內容描述、成像時間(季相和時相)、影像空間范圍(最小外接矩形經緯度)、存儲格式、存儲位置(光盤、磁帶或網絡地址)等。
(2) RS影像提取信息庫(矢量數據)元數據庫： 包括RS影像提取信息數據庫編碼、數據庫名稱、主題描述、關聯影像號、比例尺、投影方式、存儲格式、建立時間、空間范圍(最小外接矩形經緯度)和網絡地址等。
(3) 數字地圖數據庫(矢量數據)的元數據庫： 包括數字地圖數據庫編碼、數據庫名稱、主題描述、存儲格式、比例尺、投影方式、空間范圍(最小外接矩形經緯度)、建立時間、網絡地址、連接的統計數據庫序號等。
(4) 統計數據庫(屬性數據)的元數據庫： 包括統計型數據庫編碼、數據庫名稱、數據庫描述、存儲格式、網絡地址等。
5 結論與討論
本文借鑒CIMS集成平臺的概念，提出了地理信息系統集成平臺的框架結構，并從實用的角度探討了數據集成平臺和模型集成平臺實現的若干技術問題。值得指出的是，地理信息系統集成平臺研究涉及大量地理信息采集、存儲、分析和應用的理論問題，如地理信息的時空表達，地理模型的分辨率等問題，有待在深入進行理論研究的基礎上再探討技術實現的方式。
地理信息系統集成平臺是集成系統的整體功能得以實現的保證，也是GIS從理論研究走向業務化運行需要解決的關鍵技術之一。
在國家“九五”科技攻關項目“重大自然災害監測評估集成運行系統”的總體方案設計過程中引入了地理信息系統集成平臺的概念，按照本文提出的地理信息系統集成平臺框架進行總體方案設計，集成平臺起到了計算機“母板”的作用，使整個系統形成了“軟插件”的總線結構，收到了較好效果。隨著課題的進行，我們將對提出的框架結構進行具體實現。
《參 考 文 獻》
[1][熊利亞主編. 中國農作物遙感動態監測與估產集成系統. 北京： 中國科學技術出版社，1995.]
[2][池大河，蘇亞芳等. 重大自然災害遙感監測與評估集成系統. 北京： 中國科學技術出版社，1993.]
[3][張梨. GIS集成的理論與實踐. 地理學報，1996，51(4)： 306—313.]
[4][李德仁. 論RS、GPS與GIS集成的定義、理論與關鍵技術. 遙感學報，1997，1(1)： 64—68.]
[5][徐曉飛，王剛，高國安. HIT-IIS： 開放式CIM集成基礎結構系統. 計算機研究與發展. 1996， 33(11)： 874—880.]
[6][“863計劃”自動化領域CIMS主題專家組編著. 計算機集成制造技術與系統的發展趨勢. 北京： 科學出版社， 1994.]
[7][李貴，尹朝萬，鄭懷遠. CIMS環境下信息集成平臺——系統使能器技術的研究與應用. 計算機學報， 1995，18(4)： 297—303.]
[8][張健挺. 地理信息系統集成的若干問題探討. 遙感信息，1998，47(3): 14-18.]
[9][王橋，吳紀桃. GIS中的應用模型及其管理研究. 測繪學報，1997，26(3)： 280—283.]
