文章编号：1004-0609(2012)03-0954-07

应用REST技术的GML数据管理

张山山^{1, 2}，吴宝佑^{1, 2}，隋宁宁^{1, 2}，秦  瑞^{1, 2}

(1. 中南大学 有色金属成矿预测教育部重点实验室，长沙 410083；

2. 中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410083)

摘  要：地理标记语言(GML)作为使用XML信息编码来表达地理数据的标准，其主要目的是实现数据共享与互操作。随着GML广泛应用，GML数据存储管理成为研究热点。面向服务架构(SOA)已经广泛应用于地理信息服务，表述性状态转移(REST)作为一种专门为分布式调用而设计的轻量级架构技术，在构建SOA方面有着明显的优势。论文采用对象数据库对GML进行存储管理，探讨如何利用REST架构技术实现GML空间数据的管理与共享。分析了REST架构的关键技术，设计了GML数据管理服务框架。详细论述了基于微软WCF框架的REST API的实现过程，最后实现了一个调用GML数据管理服务的数据管理系统。通过客户端实例验证表明REST适合于GML地理数据的管理与共享。

关键词：面向服务架构；表述性状态转移；地理标记语言；数据管理

中图分类号：P208　　     文献标志码：A

GML data management using REST

ZHANG Shan-shan^{1, 2}, WU Bao-you^{1, 2}, SUI Ning-ning^{1, 2}, QIN Rui^{1, 2}

(1. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals, Ministry of Education,

Central South University, Changsha 410083, China;

2. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: It is necessary that geography markup language (GML) which uses XML as the encoding information to express the geographic data provides data sharing and interoperability. As the application of GML is more extensive, GML data storage and management is one of the hot spots. With the development of the network technology and GIS technology, service oriented architecture (SOA) was widely used in geographic information services. Representational state transfer (REST) is a lightweight architecture technology for distributed call, which has a distinct advantage in building SOA. The object database is used in GML data storage, and how to use REST architecture technology to realize the management and sharing of GML spatial data is mainly discussed. First, the key REST architecture technology and the design guidelines of GML data management service were introduced. Then the process of realizing the API based on the WCF framework was introduced. Finally, a data management system that is called GML data management service is achieved. This system shows that REST is ideal for GML geographic data management.

Key words: service oriented architecture (SOA); representational state transfer (REST); geography markup language (GML); data management

地理标记语言(Geography markup language，GML)是开放式地理空间信息联盟(Open geospatial consortium, OGC)推荐的用以描述地理数据的标准格式，在实际中有着广泛的应用。随着越来越多的空间数据使用GML来表达，以及各种地理信息服务的不断涌现，如何有效地管理这些数据，并提供这些数据的服务，是当前在GML领域亟待解决的问题之一^[1]。在GML的数据存储方面，目前并没有一个真正意义上的空间数据库或者空间数据库引擎能够提供对GML空间数据进行有效的存储与管理。由于GML数据存在着不同层次上的嵌套关系，其特殊的树形结构同对象数据库的嵌套对象模型非常吻合，所以将GML空间数据对象化存储是管理GML文档不错的选择。在日益复杂的分布式网络环境下，面向服务架构(Service oriented architecture，SOA)^[2]作为一个新型的企业级分布式软件架构思想，完全可以为地理信息服务的构建提供帮助，并且给用户提供简单易懂的地理信息服务接口。目前实现SOA架构的方法有 CORBA、EJB、Web Service和REST等，其中REST技术是为通过HTTP协议来进行分布式调用量身定制的架构。随着GIS技术和REST架构方法的不断成熟，国内外学者结合二者作了不少研究。DZENANA等^[3]在分析了空间数据及其服务的基础上，利用REST技术实现了可以利用标准的HTTP协议访问空间数据的简单服务。MAZZETTI等^[4]从REST架构的角度分析了现有的地理信息服务，并探讨了可能的REST的实现。毛峰等^[5]结合REST与OGC规范，设计了一种面向资源的地理信息服务，从而实现信息共享与功能的互操作。张利利等^[6]提出一种基于REST架构模式的遥感影像服务方案，并结合WCF框架实现了该遥感影像服务。如上所述，国内外的研究现状主要集中在对REST技术应用于地理信息服务的探讨和研究，且应用的GIS数据格式为不同的GIS数据生产厂商提供。实际上，REST特别适合于处理GML这种XML编码格式的数据，本文作者在此基础上提出一种基于REST架构模式的GML土地利用数据管理服务方案，并详细介绍REST API的设计与实现过程。

1  GML数据存储管理

本研究采用开源的纯面向对象数据库引擎db4o (database for objects)^[7]来实现GML空间数据存储，该数据库引擎为存储任何复杂的对象提供了持久性的解决方案。

1.1  存储粒度

在基于db4o的GML空间数据库中，存储粒度表示记录与结点的对应关系，记录的粒度主要有3种，分别为：节点级、子树级和文档级^[8]。顾名思义，节点级表示每一个结点对应一个记录(对象)，子树级表示一个子树对应一个记录(对象)，文档级则表示将整个文档作为一个记录(对象)。

由于GML文档由一个或者多个要素集组成，要素集由一个或多个要素组成，要素由其属性(包括非空间属性、空间属性和拓扑属性等)组成。要素是描述一个具体的地物对象的最小单位，任何GML空间数据都是由要素组成的一个集合对象。因此本研究选择的存储粒度为子树级存储粒度，该子树大小为一个要素。

1.2      映射方式

德克萨斯大学的LEONIDAS^[9]提出了两种基于对象数据库的XML映射技术。第一种是针对无模式的XML文档，采用固定的对象数据管理组(Object data management group，ODMG)对象定义语言(Object define language，ODL)模式实例化XML对象。第二种是针对有模式的XML文档，该方法对每一种XML元素类型映射为一个对象类型，对象之间的关系使用ODMG提供的类之间的联系来实现。

由于GML文件提供了模式，适合采用第二种对象映射方法，但根据GML的特点作者在此映射方法上作了改进。具体映射过程是将作为存储粒度的要素映射为对象，要素的属性结点则映射为对象的属性，而不是也映射为对象，这样做的目的是防止大量对象的产生，从而影响系统的性能。

GML模式具体的映射规则如下：

1) 将类型为complexType作为存储粒度的要素(GML中的元素)映射为对象；

2) 将类型为simpleType的要素子节点元素映射为对象的属性；

3) 内置的元素简单数据类型(如int，string等)映射为数据库中相应的简单数据类型；

4) 几何类型(如pointPropertyType，curver- PropertyType，surfacePropertyType等)统一映射为IList

类型，并设置要素对象的featureType属性为具体的几何类型(点，线，面等)。

根据GML空间数据的特点，由于要素的属性(空间、非空间属性)不包含子节点元素，所以要素的子节点元素被转换为对象的属性。

1.3  存储顺序

由于本研究采用子树级存储粒度，故这里还涉及到记录的组织顺序问题。记录的存储顺序包括按深度优先存储、按广度优先存储和按同类记录聚集存储3种方案。

为了使得存储GML顺序同GML文档的原始顺序保持一致，同时也是为了实现起来更加方便，本研究采用深度优先的存储方案。

2  REST架构关键技术

表述性状态转移(Representational state transfer，REST)并不是一种标准，而是一种面向资源的软件架构风格，它使用包括HTTP、URI、XML、MIME等一系列标准来实现^[10]。REST将网络看成是资源的集合，网络中的每一个资源都是通过一个唯一的URI来标识，如一个GML图层文档(行政区图层)可以标识为http://gisland/REST/GMLServices.svc/gmlDoc/xzq，这种将网络看成资源集合的观点非常贴切于我们对GML空间数据的认识，用于标识资源的URI也更容易理解和记忆。REST中所有的资源都是通过表述和HTTP标准方法(包括GET、POST、PUT和DELETE等)对其进行操作，如对一个GML图层文档(行政区图层)进行XQuery查询，可以构造一个XQuery语句，并将该XQuery语句以POST方式发送给http://gisland/ REST/GMLServices.svc/gmlDoc/xzq/xquery，最后得到返回的结果，这种操作网络资源的方式可以使得组件间的耦合度减小，并且在客户端的实现难度大大降低。

在REST中，分布式是通过对资源的操作来实现的，并且资源被映射到相应的一套URI规则上，也就是说资源只和URI相关，与具体实现并无关联，因此REST具有很好的解耦性。GML作为一种OGC推荐的空间数据的标准数据，同时其基于的数据格式XML也是网络数据交换的标准格式，将GML运用REST技术构建空间数据网络服务是一个不错的选择。

3  GML数据管理服务REST API设计

3.1  设计总线

由于REST是一种对抽象为资源的对象进行标识、操作的网络架构风格，结合GML数据文档包含有XML Schema模式文档和GML实例文档的特点^[11]，可以将该REST设计为如图1所示的框架。

对于GML的XML Schema模式文档，可以针对不同的模式文档设定不同的资源服务标识，以便用户方便快速地查看GML文档对应的模式文件。同时由于GML模式文档是对GML实例文档的格式定义，其包含了GML实例文档中的要素包含的一些属性字段，故在模式文档REST服务中还提供了查询该模式文档对应的GML实例文档要素中所含有的属性字段服务。

对于GML实例文档，REST API提供了资源标识服务、地图渲染服务、简单的地图查询(包括图查属性和属性查图)服务和资源操作服务等。其中资源操作服务主要是对GML实例文档进行XQuery查询、更新等，这也是REST服务对GML数据操纵的关键。

图1  GML数据管理服务框架

Fig. 1  Framework of GML data management service

3.2  XML Schema模式服务

GML模式服务采用资源标识的方式实现，每个模式都对应一个全局唯一的URI地址。由于URI是客户端连接REST服务的接口，故URI的命名规则要做到顾名思义，并且具有一定的符合逻辑的层次感。

为了使得设计的REST资源标识服务遵循一致的规则，本文为模式服务设计的URI模板见表1。

其中资源标识服务的URI模板中第一个网络层次(xmlSchema)代表的是该目录为XML Schema模式服务，第二个网络层次({tdlyType})代表的是具体的土地利用类型(行政区、宗地、地类图斑等)。由此可以根据不同的土地利用类型来查询其对应的GML模式文档，如xmlSchema/xzq表示的是行政区的模式文档URI，xmlSchema/zd表示的是宗地的模式文档URI，GML要素属性字段名查询服务可以依此类推。

REST服务向客户端输出的资源内容的格式可以有很多种，可以是标准的XML和JSON等格式，也可以是自定义格式。由于XML Schema资源标识服务向客户端输出的资源内容需要为原始的XML Schema文档，故其输出的资源内容格式设置为XML格式；GML要素属性字段名查询服务输出的资源内容格式为JSON格式。

3.3  GML实例文档服务

GML实例文档包含的服务较多，具体的资源标识、地图渲染、地图查询和资源操作等REST服务对应的URI模板如表2。

所有服务类型的服务URI模板都是以/gmlDoc为根目录，表示这些服务都是GML实例文档提供的REST服务，{tdlyType}的含义同XML Schema资源标识服务，表示的是土地利用类型。

GML资源标识服务是为不同的土地利用类型返回对应GML实例文档的REST服务，该资源标识服务向客户端返回的数据类型为XML格式。

GML地图渲染服务是对某一土地利用类型的GML实例文档进行地图渲染的服务。本研究实现一 个简易的网络地图服务(Web Map Service，WMS)，采用的地图渲染方式是根据用户输入的地图图片宽度(w)、高度(h)以及地图范围(minx，miny，maxx，maxy)在服务器端解析GML数据动态生成地图。由于该服务向客户端返回的数据为对应动态渲染地图的临时URL地址，故其返回类型为字符串格式。

图查属性服务是根据在地图上查询选择到的图形要素(集)的属性，其中{queryType}是指查询的类型(包括点选、线选、矩形选择和多边形选择)，{coors}表示的是GML地图坐标(对)，该服务向客户端返回的数据类型为JSON格式。

属性查图服务是REST API中提供的一种比较简单的通过单一字段值查询地图的服务，其中{field}、{operator}和{value}分别代表的是待查询的字段名、比较运算符和字段值，该服务向客户端返回的数据类型是表示所有查询到的要素(集)坐标对及其所有非空间属性的JSON格式数据。

GML资源操作服务是REST API中提供的较为全面的对GML实例文档进行各种操作的服务，主要包括XQuery查询和更新操作，其中{xqueryExp}表示的是XQuery查询、更新语句，该服务向客户端返回的数据类型统一设置为XML格式。

表1  XML Schema模式服务对应的URI模板

Table 1  URI templet of XML Schema service

表2  GML实例文档服务对应的URI模板

Table 2  URI templet of GML instance document service

4  REST API实现与应用

4.1  REST服务实现

随着REST设计应用越来越广泛，REST开发框架也是层出不穷，目前比较主流的开发框架有：微软在.NET Framework3.5中引入的WCF，采用Java语言的Axis2、CXF、Restlet、Gomba，采用Python语言的Rails、Django，采用PHP语言的cakephp等。本研究设计的REST API为在WCF框架上采用C#语言进行的开发。

4.1.1  资源标识服务

资源标识服务包括有XML Schema资源标识服务和GML资源标识服务，按照上一节对这两个服务的设计原则，并且设置操作响应的HTTP协议统一为GET 方式，分别对这两个服务进行实现。

以XML Schema资源标识服务为例，该服务接口设置如下：

[OperationContract]

[WebGet(UriTemplate="/xmlSchema/{tdlyType}")]

System.Xml.XmlElement GetSchema(String tdly- Type);

4.1.2  GML要素属性字段名查询服务

要在服务器端查询出GML实例文档中的要素含有的属性字段名，需要对该实例文档对应的XML Schema文档进行解析。对比不同的XML解析方法，本研究采用开源、非提取的XML文档解析API—— VTD-XML^[12] 2.10 C#版本对XML Schema文档进行解析，得出GML要素属性名。

按照该服务的设计原则，设置服务器响应协议为GET，并调用VTD-XML API对该服务进行实现。

4.1.3  XQuery服务

XQuery服务主要是对GML实例文档进行一些查询和更新操作，以查询为例，对普通的XML文档进行XQuery查询实现，可以使用微软针对XQuery1.0规范发布的一个Microsoft.Xml.XQuery.dll动态链接 库^[13]或者Altova公司提供的免费组件AltovaXML^[14]。考虑到GML具有空间数据的特殊性，对其进行XQuery查询不仅包括属性查询还包括空间查询，上面两个API对实现XQuery空间查询就显得无能为力了。本研究借助第三方开源软件包Saxon 9.2^[15]，利用该软件包提供的扩展函数库，在XQuery查询语句中调用.NET方法作为外部函数对GML文档进行XQuery空间查询。下面为Saxon调用的XQuery空间查询语句的一个示例。

declare namespace ext = "clitype:Spatail.Spatial Relations?from=" + dllPath + "Spatial.dll";

for $b in doc("xzq.gml")/yf:TDLY/yf:XZQ

where ext:Contains($b//gml:posList,rectangle)

order by $b/yf:BSM

return $b;

按照该服务的设计原则，设置服务器响应协议为POST，并调用Saxon API对该服务进行实现。

4.1.4  GML地图渲染服务

由于WMS采用在服务器端动态生成GML地图的技术，当用户输入参数向服务器请求图片时，服务器端在此过程中执行的操作包括：从db4o数据库中查询解析GML数据、渲染GML数据、将动态生成的临时地图图片URL地址发送给客户端。这个过程如图2所示。

在WEB服务器端生成临时地图时，首先使用VTD-XML解析GML实例文档，然后利用.NET提供的GDI+绘图接口对解析出来的地理信息绘制成地图。

按照该服务的设计原则，设置服务器响应协议为GET，并调用VTD-XML API对该服务进行实现。

4.1.5  图文互查服务

图文互查服务包括图查属性服务和属性查图   服务。

1) 图查属性服务

该服务是通过与地图交互得到地图信息的服务，在服务器端，通过GML地图坐标(对)构造标准的XQuery空间查询语句，然后通过此XQuery语句对GML文档进行查询，最后将属性值返回。在浏览器客户端，用户与地图交互的屏幕坐标(对)需要转换为GML地图坐标(对)方能调用此服务。由于该服务最后返回的属性值是以JSON的形式表达的，这样使得用户可以很方便地在浏览器客户端通过JavaScript脚本语言将其以某种方式显示出来。

按照该服务的设计原则，设置服务器响应协议为POST，并调用Saxon API对该服务进行实现。

2) 属性查图服务

该服务是对单个字段进行属性查询的服务，本研究根据用户输入的{field}、{operator}和{value} 3个参数构造一标准的XQuery非空间查询语句，然后通过此XQuery语句对GML文档进行查询，最后将查询到的要素(集)坐标对和所有非空间属性以JSON形式返回。在得到坐标(对)以后，在客户端可以通过客户端代码(如JavaScript)以传统的矢量式地图(VML和SVG等)的方式将其绘制到浏览器上。按照该服务的设计原则，设置服务器响应协议为GET，并调用Saxon API对该服务进行实现。

图2  客户端调用地图渲染服务的过程

Fig. 2  Process of client call WMS

4.2  GML数据管理系统

本研究在根据已经发布的REST服务，利用JavaScript/Ajax技术在客户端调用GML地理数据服务，实现了一个简易的GML数据管理系统。该系统提供了GML地理数据查看、GML地图数据浏览、图文互查、XQuery查询与更新等基本功能。图3所示为进行图查属性以及执行了XQuery空间查询后的系统界面图。

通过此客户端GML地图管理系统的实例验证，本研究设计实现的REST服务能够很方便地对GML文档数据进行查看与管理，系统的具有较快的响应速度。

图3  GML数据管理系统界面

Fig. 3  Interface of GML data management system

5  结语

1) 首先分析REST架构的关键技术，然后根据GML文档的特点结合REST风格设计了GML数据管理服务REST API，接着实现了GML数据文档的Web服务，并详细介绍了REST API的实现过程中的关键处理技术，最后搭建了一简易的基于REST的GML数据管理系统。

2) 通过对该系统可靠性和响应速度的验证，表明REST这种面向资源的架构风格非常适合于对基于XML编码的GML地理数据的管理。

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(编辑 何学锋)

基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(07JJ6076)

收稿日期：2011-12-01；修订日期：2012-01-04

通信作者：张山山，副教授，博士；电话：13974991331；E-mail: z33@sohu.com