GIS數(shù)據(jù)共享技術(shù)
喬良① 秦月②
摘 要：本文從技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度分析探討了GIS數(shù)據(jù)共享技術(shù)，對(duì)各種共享技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了比較。通過(guò)比較，認(rèn)為互操作方法綜合了已有的各種方法，將是解決地理信息共享的一個(gè)重要方向。
關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；數(shù)據(jù)共享；ODBC；互操作
1 引言
從20世紀(jì)60年代地理信息系統(tǒng)（GIS系統(tǒng)）出現(xiàn)到現(xiàn)在的第四代地理信息系統(tǒng)，GIS的功能和技術(shù)特征已發(fā)生了巨大的變化。由于GIS技術(shù)本身的發(fā)展和社會(huì)應(yīng)用的需要，不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的共享和應(yīng)用的互操作正受到越來(lái)越多的關(guān)注。如成立于20世紀(jì)90年代的國(guó)際組織OGC聯(lián)盟，是一個(gè)致力于解決GIS系統(tǒng)間屏障的一個(gè)民間組織，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO也有專門(mén)的部門(mén)從事GIS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的制定。我國(guó)的GIS產(chǎn)業(yè)正進(jìn)入跨越式發(fā)展的階段，對(duì)于我國(guó)的GIS廠商來(lái)說(shuō)，國(guó)產(chǎn)GIS軟件從現(xiàn)在起就致力于數(shù)據(jù)共享和互操作的研究，能使我們少走彎路，能直接和國(guó)際接軌。
2 傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)共享的實(shí)現(xiàn)方法
在GIS發(fā)展的初期時(shí)的數(shù)據(jù)共享方案，多是針對(duì)在單機(jī)環(huán)境中運(yùn)行的GIS系統(tǒng)。對(duì)于空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的處理，早期的GIS系統(tǒng)一般都采用分開(kāi)管理的手段，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需要對(duì)兩者同時(shí)進(jìn)行。所以在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法中，需要同時(shí)考慮空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。
2.1 明碼格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法
GIS廠商最初想到的方法是在不同GIS系統(tǒng)間采用明碼格式來(lái)實(shí)現(xiàn)共享空間數(shù)據(jù)。如ArcInfo的E00格式、MapInfo的MIF格式以及標(biāo)準(zhǔn)圖形交換格式DXF等。明碼格式實(shí)質(zhì)上起到了一個(gè)數(shù)據(jù)橋梁的作用，通過(guò)這個(gè)橋梁可以實(shí)現(xiàn)軟件之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
應(yīng)該看到，單機(jī)環(huán)境下用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享有著明顯的優(yōu)勢(shì)，如可以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)用戶的需要，達(dá)到數(shù)據(jù)共享的目的。用戶甚至可以在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置有關(guān)的轉(zhuǎn)換參數(shù)后，對(duì)海量GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行批量轉(zhuǎn)換。用戶只需要做一些有限的參數(shù)設(shè)置就可以達(dá)到自己的目的，轉(zhuǎn)換過(guò)程不需要用戶干預(yù)。
另外，對(duì)地理世界中的實(shí)體，不同的GIS系統(tǒng)采用不同的抽象概念和形式化方法進(jìn)行表達(dá)，因而數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法不可避免地存在著一些顯著的弊病。如由于數(shù)據(jù)模型不同，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確地表達(dá)原數(shù)據(jù)的信息，空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換容易造成數(shù)據(jù)信息丟失，有時(shí)還會(huì)造成空間數(shù)據(jù)精度損失等等，甚至有時(shí)需要進(jìn)行多次明碼交換才能實(shí)現(xiàn)用戶的目的。
2.2 標(biāo)準(zhǔn)空間數(shù)據(jù)格式的共享方法
在意識(shí)到空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)性差異給數(shù)據(jù)共享帶來(lái)的諸多麻煩后，一種基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化的空間數(shù)據(jù)在多個(gè)GIS系統(tǒng)間具有較好的共享性。近年來(lái)不同國(guó)家和組織出于自己的需要，陸續(xù)制定了各自的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，如我國(guó)制定了國(guó)家空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NSDS等。空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的舉措在很大程度上推動(dòng)了空間數(shù)據(jù)的共享和互操作。
由于各GIS廠商對(duì)推行標(biāo)準(zhǔn)化的積極性不同，所以對(duì)GIS標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)的接口和轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)無(wú)法達(dá)到同步，而且隨著各種各樣的標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化已失去了原來(lái)的意義。不同國(guó)家和地區(qū)制定的標(biāo)準(zhǔn)之間互不兼容的情況普遍存在，標(biāo)準(zhǔn)間仍然存在地理模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)性差異的問(wèn)題�，F(xiàn)在的空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化只能做到在某個(gè)特定的行業(yè)或國(guó)家中實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)共享，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)基于地理空間概念上的數(shù)據(jù)共享與互操作。
2.3 系統(tǒng)直接存取方法
為了解決資源的浪費(fèi)這個(gè)問(wèn)題，不同的GIS廠商間出于利益考慮，經(jīng)過(guò)協(xié)商，決定向?qū)Ψ讲糠只蛉�部開(kāi)放自己的空間數(shù)據(jù)格式�；�于這些開(kāi)放的空間數(shù)據(jù)格式，不同的GIS軟件可以實(shí)現(xiàn)雙向存取，從而實(shí)現(xiàn)共享。如Intergraph的GeoMedia可以同時(shí)讀取多種格式的空間數(shù)據(jù)，包括MGE、ArcInfo、Frame、OracleSpatial等。Bentley公司的MicroStation可以讀取dwg、dxf、ArcView的shp、MicroStation的DGN等數(shù)據(jù)格式。
空間數(shù)據(jù)格式開(kāi)放的程度不同，使直接存取方法中出現(xiàn)一些特殊的和不可克服的弊病。如對(duì)于GIS系統(tǒng)升級(jí)的情況，通常會(huì)對(duì)空間數(shù)據(jù)格式進(jìn)行修改，而且有時(shí)這種升級(jí)是全方位的，系統(tǒng)會(huì)對(duì)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做一些徹底的、根本性的修改。這時(shí)基于直接讀取方式的數(shù)據(jù)共享方式就顯得無(wú)能為力，系統(tǒng)必須重寫(xiě)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)存取模塊
3 仿ODBC的空間數(shù)據(jù)共享方法
在數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展過(guò)程中，用標(biāo)準(zhǔn)SQL和ODBC技術(shù)較好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的共享，解決了數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)間由于存儲(chǔ)機(jī)制和內(nèi)部格式的封閉性而造成的障礙。ODBC是為了解決數(shù)據(jù)庫(kù)之間最大的互用性而設(shè)計(jì)的。它本身是一個(gè)規(guī)范，與實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言無(wú)關(guān)。ODBC API通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)SQL語(yǔ)句來(lái)傳遞應(yīng)用請(qǐng)求并接受處理結(jié)果。ODBC技術(shù)包括四個(gè)組成部分:①應(yīng)用程序；②驅(qū)動(dòng)管理器；③驅(qū)動(dòng)程序；④數(shù)據(jù)源。其相互關(guān)系見(jiàn)圖1。

 

圖1 ODBC框架 圖2 OGDI框架
ODBC思想可以很好地應(yīng)用到GIS數(shù)據(jù)共享的問(wèn)題中來(lái)。針對(duì)不同的數(shù)據(jù)源，ODBC有兩種類(lèi)型驅(qū)動(dòng)程序，即基于數(shù)據(jù)庫(kù)和文件的驅(qū)動(dòng)程序�，F(xiàn)代GIS系統(tǒng)，正逐步突破空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分別存放的模式，用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)統(tǒng)一存放空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)已成為重要方向。利用ODBC技術(shù)，可以解決空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分別存放的情況，也能適應(yīng)一體化存放的情況。
實(shí)例：加拿大國(guó)防部為了解決地理數(shù)據(jù)的共享和互操作問(wèn)題，聯(lián)合多家公司和組織推出了OGDI。OGDI和ODBC思想類(lèi)似，其核心是在一系列的驅(qū)動(dòng)程序支持下的API集。OGDI可以在不同的GIS軟件包間處理不同的數(shù)據(jù)源。驅(qū)動(dòng)程序分布于網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用中通過(guò)gltp協(xié)議調(diào)用不同的驅(qū)動(dòng)器程序，可以向分布在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)源發(fā)送請(qǐng)求。對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，感覺(jué)不到存取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和本地?cái)?shù)據(jù)的差別。對(duì)應(yīng)不同的GIS系統(tǒng)，OGDI建立了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，如OracleSDO、GRASS、PAMAP、ArcInfo和DGN等都有自己的驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)用戶從客戶端向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器接受請(qǐng)求并通過(guò)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器將數(shù)據(jù)庫(kù)中的地理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為OGDI標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)并返回給用戶。其運(yùn)行方式見(jiàn)圖2。
可見(jiàn)，OGDI綜合了數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)。通過(guò)gltp協(xié)議，OGDI可以處理分布式異源地理空間數(shù)據(jù)。OGDI利用ODBC思想實(shí)現(xiàn)了不同位置數(shù)據(jù)源的共享操作。
OGDI同時(shí)也有自己的缺點(diǎn)。例如:在利用OGDI API進(jìn)行編寫(xiě)實(shí)例時(shí)，用戶需要知道數(shù)據(jù)源所在的位置；只能對(duì)有限格式的數(shù)據(jù)源進(jìn)行共享操作OGDI返回的數(shù)據(jù)是NATO（北大西洋公約組織）制定的標(biāo)準(zhǔn)格式，其數(shù)據(jù)模型是特定的；OGDI是基于特定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議gltp。地理數(shù)據(jù)共享的局限性仍然很明顯。
4 互操作共享方法
OGC是一個(gè)集中了廣泛政府機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)團(tuán)體、GIS軟件廠家的一個(gè)國(guó)際性、非贏利性組織。其主要任務(wù)是制定并不斷地完善一套地理數(shù)據(jù)互操作的規(guī)范，目的是在全球范圍內(nèi)推廣地理信息的共享和互操作。OGC認(rèn)為GIS互操作的運(yùn)行環(huán)境應(yīng)是異構(gòu)廣域網(wǎng)絡(luò)，操作對(duì)象應(yīng)是分布式的地理空間數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。實(shí)現(xiàn)GIS互操作需要綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件互操作技術(shù)、地理數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)和軟件組件技術(shù)等。
4.1 GIS互操作概念
從功能上出發(fā)，GIS的互操作定義是:將具有不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)格式的軟件系統(tǒng)集成在一起共同工作。從實(shí)現(xiàn)目標(biāo)出發(fā)，GIS互操作對(duì)于廣域網(wǎng)環(huán)境下的各類(lèi)GIS系統(tǒng)和各種地理空間數(shù)據(jù)，能夠同時(shí)解決數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用共享的問(wèn)題。
4.2 OGC互操作體系
在OGC制定的OpenGIS規(guī)范中，互操作從三個(gè)領(lǐng)域?qū)�GIS的數(shù)據(jù)模型和操作方式進(jìn)行抽象規(guī)范，即地理數(shù)據(jù)模型（Geodata Model）、地理數(shù)據(jù)處理服務(wù)（Geoprocessing Service）和信息群（Information Communication），并細(xì)分為十五個(gè)主題，包括:目錄服務(wù)、幾何特征、空間參考系統(tǒng)、特征和特征集、質(zhì)量、元數(shù)據(jù)、語(yǔ)義和信息群、影像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)等。
針對(duì)廣域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中存在的不同操作系統(tǒng)和GIS系統(tǒng)，OGC制定了相應(yīng)的實(shí)施規(guī)范。目前已經(jīng)制定的規(guī)范有三個(gè)，分別為基于OLE、COM、CORBA和SQL的實(shí)現(xiàn)規(guī)范。
4.3 互操作實(shí)現(xiàn)狀況
有一些比較活躍的OGC成員已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，并在自己的軟件產(chǎn)品中融入OpenGIS規(guī)范并已經(jīng)取得了一些成績(jī)。ESRI公司是較典型的代表，它在互操作解決方案中，針對(duì)三種不同的實(shí)施規(guī)范都有相應(yīng)的產(chǎn)品予以支持，包括基于SQL的SDE、基于Internet的ArcIMS等。Intergraph公司將Geomedia和SICAD Geomatics聯(lián)合，用統(tǒng)一的OGIS接口實(shí)現(xiàn)了地理信息的在線互操作。
OGC制定的互操作規(guī)范是實(shí)現(xiàn)地理信息共享的最有力的工具。當(dāng)前OpenGIS眾多的技術(shù)規(guī)范還沒(méi)有完全定型，OGC成員對(duì)這些規(guī)范的實(shí)施積極性和實(shí)施程度有區(qū)別，互操作規(guī)范的推廣和實(shí)現(xiàn)在時(shí)間上不能有一個(gè)明確的期限，這在一定程度上會(huì)影響成員和GIS用戶的積極性。
5 結(jié)論
互操作制定的實(shí)現(xiàn)規(guī)范統(tǒng)一了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模式和訪ODBC模式，數(shù)據(jù)共享策略吸收了多種分布式計(jì)算模型，可以適應(yīng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的地理信息共享，實(shí)現(xiàn)規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)SQL方法吸收了ODBC的思想，CORBA方法以及COM方法可以使地理信息共享框架跨越操作系統(tǒng)平臺(tái)得到實(shí)現(xiàn)。
地理信息的共享是GIS廠商和客戶多年來(lái)追求的目標(biāo)。我國(guó)正在努力進(jìn)行的第四代GIS的研制，可以充分吸收互操作的理念，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，創(chuàng)造出民族GIS的精品，并能和世界充分接軌。

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