地理信息共享编码

3.2.2　地理信息共享编码——GML

地理标记语言(Geography Markup Language，简称GML)是由OGC开发的基于XML(eXtensible Markup Language，可扩展的标记语言)的地理信息(包括几何和属性特征)的传输和存储编码，基于该标准可以很容易地在不同系统之间交换和共享地理数据及其属性。

1.GML设计的目的

地理标记语言GML是一种地理信息表达的实现规范，为地理信息数据共享奠定了基础，是实现GIS网络服务不可缺少的基本规范。GML语言设计的目的主要有以下几点(龚健雅等，2009):

(1)提供适用于Internet环境的空间信息编码方式，用于数据传输和存储。

(2)能够扩展，用以支持对空间信息的多样化需求，不管是用于对空间信息的单纯描述，还是进行更深层次的分析使用。

(3)以一种可扩展和标准化的方式为基于Web的GIS建立良好的基础。

(4)允许对地理空间数据进行高效率编码。

(5)提供了一种容易理解的空间信息和空间关联的编码方式。

图3.13　GML基本模式之间的依赖性(龚健雅等，2009)

(6)实现空间和非空间数据的内容和表现形式的分离。

(7)易于将空间信息和非空间信息进行整合。

(8)易于将空间几何元素与其他空间或非空间元素连接起来。

(9)提供一系列公共地理建模对象，从而使各自独立开发的应用之间互操作成为可能。

2.GML模式

GML提供了33个基本的模式，各模式之间的依赖性关系见图3.13。

GML的主要模式有要素模式(feature.xsd)、几何模式(geometry.xsd)、观测模式(observation.xsd)、动态要素模式(dynamicFeature.xsd)、覆盖模式(coverage.xsd)、拓扑模式(topology.xsd)、缺省样式模式(defaultStyle.xsd)、坐标参考系模式(coordinateReferenceSystems.xsd)时间参考系模式(temporalReferenceSystems.xsd)(龚健雅等，2009)。

要素模式定义了基本的要素/属性模型。GML以要素为描述空间地理数据的基本单位，而要素又由非空间属性和空间属性组成。该模式为创建GML3.1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include元素包含了几何模式和时间模式中的定义和声明。

几何模式详细描述了几何模型，包括抽象几何元素、坐标(Coordinates)、Vector、Envelope、Point、LineString、Polygon、MultiPoint、multiCurve、MultiLineString、Multi-Polygon、Surface、Solid、MultiSurface 、MultiSolid、CompositeCurve、CompositeSurface、CompositeSolid、GeometricComplex、MultiGeometry等多个几何元素的定义。该模式由五个模式文档组成，分别是:geometryBasic0d1d.xsd、geometryBasic2d.xsd、geometryPrimitives.xsd、geometryAggregates.xsd、geometryComplexes.xsd。

GML3.1观测旨在给观测行为建模。观测涵盖了一个广泛的范围:从一个旅行者的照片(不是照片本身，而是拍照的行动)到空间机载传感器所获得的影像，或者湖面以下5米深处的温度测量。观测模式中的基本结构用于对科学的、技术的和工程的测量模式进行更好的理解提供基础。观测在模式observation.xsd中描述，共定义了7个元素:using、target、subject、resultOf、Observation、DirectedObservation和DirectedObservationAtDistance。

动态要素模式定义了许多类型和关系来表示地理要素随时态变化的特性，该模式定义了DataSource、status、TimeSlice、MovingObjectStatus、history、track、dynamicProperties以及相应的类型。各类型之间的关系见图3.14。

覆盖模式提供了基本的GML3.1覆盖模型，支持所有定义的ISO 19123中的离散或连续的覆盖类型，支持的类型从gml:AbstractCoverageType继承，用户也可以从gml:AbstractDiscreteCoverageType及AbstractContinuousCoverageType构建自己的覆盖类型。

拓扑模式定义和描述了基本拓扑和复杂拓扑。在GML中，表示拓扑的概念模型是以OGC抽象规范(ISO DIS 19107)的主题1为基础的。该模型描述了相关的拓扑与几何关系，可以直到三维关系——体拓扑。在GML3.1的拓扑模式中，有四种基本的拓扑对象，即节点(Node)、边界(Edge)、面(Face)和拓扑体(TopoSolid)。

缺省样式模式定义了要素样式、几何样式、拓扑样式、标签样式、公共样式元素、图样式以及相应的复杂类型，在defaultStyle.xsd中加以描述。开发GML3.1的一个需求便是将数据与表现严格分离。因此，GML数据的描述结构都没有内置描述样式信息的能力。更确切地说，缺省样式机制被创建成一个单独的模型，它可“插入(pluggedin)”到GML数据集。

图3.14　动态要素模式(龚健雅等，2009)

坐标参考系模式在逻辑上分为两个部分:一部分定义了抽象坐标参考系统的XML编码元素和类型;另一个较大的部分定义了空间-时态坐标参考系统的多个具体类型的XML编码的特定的结构。坐标参考系统模式包含的GML模式有coordinateSystems.xsd，datums.xsd和coordinateOperations.xsd。

时间参考系模式共有7个具体的元素用来描述时间参考系统:TimeReferenceSystem、TimeCoordinateSystem、TimeCalendar、TimeCalendarEra、TimeClock、TimeOrdinal-ReferenceSystem和TimeOrdinalEra。

3.GML应用模式的设计

GML模式的利用一般有三种情况:

(1)直接应用这些元模式已经定义的类型和对象。

(2)根据实际的需要来定义GML专用标准，并在专用标准的基础上应用特定的类型和对象。

(3)根据需要选择必要的元模式或者相关的GML专用标准进行建模，构造自己的应用模式。

GML应用模式设计，首先要根据实际需求，建立适当的空间数据模型。然后选取GML中相应的Schema，对其中抽象类型定义给出实际的具体定义，并按XML Schema语法的规则，将其组合生成GML应用模式。

基于GML的空间数据建模时，首先要定义新的要素或要素类型(Feature或FeatureCollection)，并定义新的几何类型(Geometry Type)及几何属性(Geometry Property)。然后再声明目标命名空间(Target Namespace)，导入不同命名空间的GML模式，然后再使用替代组(Substitution Group)，声明额外的属性，定义新的要素关联类型。

4.GML与ISO国际标准

GML规定了在ISO19100系列国际标准和开放GIS抽象规范中定义的与这些标准和规范一致的许多概念类的XML编码，相关概念模型定义如下:

(1)ISO19103——概念模式语言(度量单位、基本类型);

(2)ISO19107——空间模式(几何和拓扑对象);

(3)ISO19108——时间模式(时间几何和拓扑、时间参照系);

(4)ISO19109——应用模式规则(要素);

(5)ISO19111——基于坐标的空间参考(坐标参照系);

(6)ISO19123——覆盖几何和函数模式(覆盖、网络)。

另外，GML还提供了对其他的在ISO19100系列国际标准和开放GIS抽象规范中没有建模的概念的XML编码，如动态要素，简单观测或值对象(龚健雅等，2009)。