面向水利地理空间元数据研制与应用的关键技术研究

论文摘要

水利信息化建设的深入对信息共享提出了新的要求。地理空间信息不仅占水利应用信息量的80%左右,更是水利应用中各种专题信息的空间载体。因此,地理空间信息的共享对于水利行业信息共享的实施具有举足轻重的作用。在网络飞速发展、信息量极速增长的情况下,信息共享的首要条件是信息可被查询、定位。地理空间元数据对地理空间数据的内容、质量、条件、表示方式、空间参照系、管理方式和其它特征进行描述与说明,可帮助和促进人们有效地定位、评价、比较、获取和使用地理相关数据。地理空间元数据既减少了用户查询空间数据时的网络数据传输量,更屏蔽了不同数据格式之间的差异,为网络环境中的地理空间信息共享迈出第一步提供了有效的支持。地理空间元数据也是一种数据,也需要标准化的发展策略,杂乱无序的地理空间元数据只会给信息共享增加新的技术壁垒。因此地理空间元数据标准受到了地理信息领域的普遍关注,不同国度、区域、行业相继研制了各自的地理空间元数据标准。我国水利行业在深化地理信息共享的建设过程中,已将地理空间元数据的标准化建设和应用提上议程。但元数据标准的研制一直停留在技术和经验总结的层面,没有科学的理论指导。面对多源地理空间元数据标准共存的现状,如何研制出既与这些标准兼容,又能体现水利行业应用特色的标准,成为必须解决的问题。同时,基于地理空间元数据的传统地理空间目录技术所提供的关键词查询方式在水利行业区域自治管理形成的不同表达面前存在明显的不足,信息查询时的查全率和查准率难以满足水利信息化建设的需求。本文结合以上问题,开展了如下研究,以期为水利行业的地理空间元数据研制和应用提供更为完善的技术方案:论述了元数据和地理空间元数据之间的内涵差异,分析了地理空间元数据在地理信息领域元数据应用飞速发展的环境下作为元数据分支存在的必要性;介绍了当前主流的地理空间元数据标准以及这些标准之间的内容差异;在详细论述地理空间元数据作用的基础上,以地理空间元数据的功能形态和人类认知形态演化的丰富内涵为导向,研究了元数据元素、元数据实体、元数据子集和元数据标准之间的内在联系,提出了地理空间元数据形态的概念,基于联系的观点实现了对这些地理空间元数据不同逻辑划分单元的统一认识;分析了已有元数据标准研制程序和方法在研制地理空间元数据标准时的不足,结合地理空间元数据形态所体现出的“对象”特性,构造了地理空间元数据形态的对象模型,在此基础上研究了结合面向对象方法和原型法进行地理空间元数据标准研制的方法,提出并设计了从元数据类、面向对象的软件工程以及国家标准制定程序要求3个层面加以实施的面向对象的地理空间元数据标准研制原型法,使得地理空间元数据标准的研制既能在微观层面结合地理空间元数据的“对象”特性,还能从系统工程的角度以软件工程的成熟理论和方法为指导,同时遵循国家标准制订程序所做的宏观要求,形成了研制地理空间元数据标准时从微观到宏观的有效方法。分析了水利地理空间信息的特色,确定了《水利地理空间信息元数据标准》的定位和适用范围,以及标准研制时应遵循的原则;进而以面向对象的地理空间元数据标准研制原型法为指导,构建了水利地理空间元数据的功能对象集合,通过对多源标准的比较和分析,选取国标《地理信息元数据》为标准原型,并在此基础上进行了面向对象的标准设计和实现,实施了《水利地理空间信息元数据标准》的研制工作,验证了面向对象的地理空间元数据标准研制原型法的可行性和科学性。介绍了Clearinghouse和OGC的目录服务等常用地理空间目录技术,结合水利行业地理空间元数据的发展现状分析了应用以上目录技术时在查全率(recall)、查准率(precision)和元数据互操作方面存在的问题,以及应用本体解决以上问题的可行性;在介绍本体相关知识的基础上提出了结合本体技术和目录技术构造地理空间语义目录服务以解决常规目录技术不足的技术方案,定义了地理空间语义目录服务的概念和参考模型,确定了构造地理空间语义目录服务时应遵循的基本原则;在此基础上研究了构造水利地理空间语义目录服务的关键技术:结合水利行业分布式的流域自治管理特性,确定了语义目录服务中的混合本体组织策略,论述了面向对象方法与本体方法、地理空间元数据与本体之间的联系,在此基础上提出了基于对象的元数据本体的构造方法,并研究了元数据本体的形式化表达机制;最后构造了对本体进行管理和查询的Web本体服务,在当前目录技术的基础上通过扩展添加Web本体服务构建了水利地理空间语义目录服务的应用框架,并通过试验系统验证了本文所构建地理空间语义目录服务的有效性和可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 “数字水利”与“数字地球”
• 1.1.2 “数字水利”与“35”技术
• 1.1.3 “数字水利”与水利地理空间元数据
• 1.2 研究问题的提出
• 1.3 研究意义
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 地理空间元数据标准的研制现状
• 1.4.2 目录技术与本体技术在地理信息领域的应用与研究现状
• 1.5 本文的主要内容与组织
• 1.5.1 主要内容
• 1.5.2 论文组织
• 第二章 地理空间元数据标准研制方法的研究
• 2.1 地理空间元数据和地理空间元数据标准
• 2.1.1 元数据的概念
• 2.1.2 地理空间元数据
• 2.1.3 地理空间元数据标准
• 2.2 地理空间元数据形态
• 2.2.1 地理空间元数据的作用
• 2.2.2 地理空间元数据形态
• 2.2.3 地理空间元数据的特性
• 2.3 已有标准研制程序、元数据标准研制方法及其不足
• 2.3.1 标准研制的程序
• 2.3.2 已有元数据标准研制方法
• 2.3.3 以上程序、方法研制地理空间元数据标准时的不足
• 2.4 面向对象的地理空间元数据标准研制原型法
• 2.4.1 原型法和面向对象
• 2.4.1.1 原型法简介
• 2.4.1.2 面向对象
• 2.4.1.3 面向对象的软件开发
• 2.4.2 地理空间元数据形态的对象模型
• 2.4.3 面向对象的地理空间元数据标准研制原型法的设计
• 2.4.3.1 元数据类实施层面
• 2.4.3.2 面向对象的软件工程实施层面
• 2.4.3.3 标准研制程序实施层面
• 2.4.3.4 方法的特性
• 2.5 本章小结
• 第三章 《水利地理空间信息元数据标准》的研制
• 3.1 需求分析
• 3.1.1 背景分析
• 3.1.2 水利地理空间信息特色分析
• 3.1.3 《标准》的定位和适用范围
• 3.1.4 《标准》研制的原则
• 3.1.5 水利地理空间元数据功能对象集合的确定.
• 3.2 《标准》研制的实施
• 3.2.1 产生规则与UML
• 3.2.2.1 产生规则
• 3.2.2.2 UML
• 3.2.2 《标准》原型的确定
• 3.2.3 面向对象的《标准》设计
• 3.2.4 面向对象的《标准》实现
• 3.2.4.1 元数据类的调整
• 3.2.4.2 元数据类的细化――元数据数据字典.
• 3.2.4.3 《标准》其他内容的实现
• 3.3 水利地理空间元数据的内容设置
• 3.3.1 元数据实体集信息
• 3.3.2 标识信息
• 3.3.3 限制信息
• 3.3.4 数据质量信息
• 3.3.5 维护信息
• 3.3.6 空间表示信息
• 3.3.7 参照系信息
• 3.3.8 内容信息
• 3.3.9 图示表达类目信息
• 3.3.10 分发信息
• 3.3.11 元数据扩展信息
• 3.3.12 应用模式信息
• 3.3.13 格网数据获取信息
• 3.4 元数据数据类型
• 3.4.1 覆盖范围信息
• 3.4.2 引用和负责单位信息
• 3.5 《标准》的特色
• 3.6 本章小结
• 第四章 水利地理空间语义目录服务的研究
• 4.1 常用地理空间目录技术
• 4.1.1 Clearinghouse
• 4.1.2 目录服务
• 4.1.2.1 OGC 目录服务规范
• 4.1.2.2 目录服务的实例：geodata.gov
• 4.1.3 存在问题的分析
• 4.2 本体
• 4.2.1 本体的概念
• 4.2.2 本体的建模元语
• 4.2.3 本体的分类
• 4.2.4 构造本体的准则和方法
• 4.2.5 本体的表达语言
• 4.2.5.1 RDF
• 4.2.5.2 RDF Schema
• 4.2.5.3 OWL
• 4.2.6 语义网
• 4.3 水利地理空间语义目录服务
• 4.3.1 地理空间语义目录服务的提出
• 4.3.2 语义目录服务中的本体组织策略
• 4.3.3 元数据本体
• 4.3.3.1 面向对象与本体方法间关系的分析
• 4.3.3.2 元数据本体的提出
• 4.3.3.3 基于对象的元数据本体的构造方法
• 4.3.3.4 元数据本体的形式化表达
• 4.4 本章小结
• 第五章 水利地理空间语义目录服务试验系统
• 5.1 系统介绍
• 5.1.1 系统概述
• 5.1.1.1 系统设计思想
• 5.1.1.2 系统测试的软硬件环境
• 5.1.2 系统设计
• 5.2 试验过程
• 5.2.1 常规查询
• 5.2.2 语义查询
• 5.2.3 标准转换
• 5.3 系统应用的简要分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 创新之处
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和科研情况
• 致谢