面向智慧城市的GIS模型統一描述方法研究

李鵬飛

（云南省地圖院，云南 昆明 650034）

GIS（地理信息系統）模型是以GIS操作來模擬現實世界在一個時刻或一個時間段的地理過程[1-2]，是智慧城市建設中不可缺少的部分，在當前智慧城市快速發展的背景下，其應用需求在不斷增加[2]。

GIS模型的分類方法有很多，例如分為概念模型、物理模型與數學模型[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態性特征[5]；同時，GIS模型的種類繁多、應用領域多樣、開發方式或表示方式不同，具有明顯的異構特性，使GIS模型的統一描述更加復雜與困難。

文章從GIS模型的共享與重用的角度出發，設計了一種GIS模型統一描述方法，能夠對GIS模型進行統一的描述與表示，從而為智慧城市網絡環境下GIS模型的共享與重用奠定基礎。

1 GIS模型統一描述方法

1.1 GIS模型總體建?？蚣?/h3>

采用基于OMG（the Object Management Group，對象管理組織）MOF（Meta Object Facility，元對象機制）元級結構的元建模技術，以一種標準和統一的信息模型來對GIS模型進行描述，從而為實現GIS模型結構化管理與表達奠定基礎，其總體框架如圖1所示。

圖1 GIS模型總體建?？蚣?/p>

在總體建?？蚣苤?，包括一系列的建模概念及其關系用于描述一個GIS模型。它是一個四層結構，包括M0（元元模型層）、M1（元模型層）、M2（模型層）、M3（實例層），每一層都實例化上一層，又抽象化下一層。總體框架定義了GIS模型元模型的相關概念及其關系，規定了GIS模型建模（描述）的總體流程。

1.2 GIS模型基礎描述元模型

結合GIS模型的特點，一個GIS模型能夠實現快速發現、在線調用以滿足智慧城市決策需求，主要取決于其五個方面的特征：標簽、狀態、可訪問性、服務和結構。

標簽特征：標簽特征包括標識信息、空間信息、動態信息和特征信息，用于快速發現網絡環境下的GIS模型。使用標識信息可以確定一個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描述；時間對GIS模型的影響使用動態信息描述；使用特征信息來描述GIS模型所能解決的問題。

狀態特征：狀態特征由GIS模型的性能信息及運行信息構成。一個GIS模型性能的優劣是評判模型使用的重要指標；運行信息指GIS模型運行所需要的環境。

結構特征：結構特征由GIS模型的參數信息和算法信息構成。為了使用GIS模型，需要對模型的輸入、輸出參數進行表征，這是參數信息所需要描述的。為了能夠更好地使用GIS模型，需要對模型的具體實現方法進行描述，例如GIS模型算法、公式及其描述等，這些構成了算法信息。

服務特征：服務特征主要是指服務信息。服務信息就是以統一的方式來描述不同類型模型服務的相關信息。

可訪問性特征：可訪問性特征由管理信息和約束信息組成。GIS模型的管理機構、訪問級別、法律和安全約束等都影響著一個GIS模型的訪問權限。

1.3 GIS模型元數據模型

通過1.2節的分析，一個可重用的用于描述GIS模型的通用信息模型由五個基礎描述元模型構件來確定并建立。從GIS模型的元數據描述需求出發，GIS模型元模型的詳細元數據內容可由一個十一元組結構的通用信息描述框架進行定義：

GIS模 型 元 數 據={Identification Info（ 標 識 信 息 ），Spatiality Info（空間信息），Dynamics Info（動態信息），Characteristic Info（特征信息），Parameter Info（參數信息），Working Info（運行信息），Performance Info（性能信息），Algorithm Info（算法信息），Service Info（服務信息），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是在使用一種簡單、共享的方式，將1.3節中的元數據信息進行裝載或形式化表達。使用XML（可擴展標記語言）來進行形式化表達，使用XML Schema進行編碼和封裝，采用形式化表達建模方法。同時，可以直接使用或借鑒其他的基于XML的元數據標準，例如MathML（Math Markup Language，數學標記語言）、GML（Geography Markup Language， 地理標記語言）和CSDGM（Content Standard for Digital Geospatial Metadata，地理空間元數據內容標準）等。

2 GIS模型描述示例

以一個燃氣擴散模型為例來說明如何采用上節的統一表示方法來描述GIS模型。使用的燃氣擴散模型[9-10]用于在燃氣發生泄漏后，計算一定時間范圍內燃氣的擴散范圍和影響范圍。

采用1.4節的形式化表達方法，基于1.3節的元數據模型，分別對燃氣擴散模型的十一元組信息進行建模表達，其中，標識信息的建模片段如圖2所示。

圖2 燃氣擴散模型標識信息建模片段

通過模型描述和模型服務，可以調用模型，效果如圖3所示，其中，用紅色和黃色分別顯示了燃氣擴散的范圍和影響的范圍。

圖3 燃氣擴散模型調用示例

3 結語

文章設計了一種GIS模型的統一描述方法，包括GIS模型的總體建模框架、GIS模型基礎描述元模型、GIS模型元數據模型和GIS模型資源描述模型；通過對一個燃氣擴散模型進行建模并調用，驗證了本文所提出方法的可行性，為后續在網絡環境下實現GIS模型的共享與重用奠定了理論基礎；在后續的研究中，將重點解決智慧城市網絡環境下GIS模型的統一注冊、發現與組合方法。