小議GIS多源數(shù)據(jù)集成模式評述研究

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[摘要]地理信息系統(tǒng)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用導(dǎo)致了空間數(shù)據(jù)多源性的產(chǎn)生，為數(shù)據(jù)綜合利用和數(shù)據(jù)共享帶來不便。本文探討空間數(shù)據(jù)多源性的產(chǎn)生和表現(xiàn)，指出多數(shù)據(jù)格式是多源空間數(shù)據(jù)集成的瓶頸；分析和評價了多源空間數(shù)據(jù)集成的三種模式，并展望了多源數(shù)據(jù)集成的發(fā)展方向。

[關(guān)鍵詞]地理信息系統(tǒng)多格式數(shù)據(jù)源多源數(shù)據(jù)集成

一、多數(shù)據(jù)格式是多源空間數(shù)據(jù)集成的瓶頸

1、空間數(shù)據(jù)多源性的產(chǎn)生和表現(xiàn)

空間數(shù)據(jù)多源性的產(chǎn)生和表現(xiàn)主要可以概括為以下幾個層次：

（1）多語義性

地理信息指的是地理系統(tǒng)中各種信息，由于地理系統(tǒng)的研究對象的多種類特點決定了地理信息的多語義性。對于同一個地理信息單元（feature），在現(xiàn)實世界中其幾何特征是一致的，但是卻對應(yīng)著多種語義，如地理位置、海拔高度、氣候、地貌、土壤等自然地理特征；同時也包括經(jīng)濟(jì)社會信息，如行政區(qū)界限、人口、產(chǎn)量等。一個gis研究的決不會是一個孤立的地理語義，但不同系統(tǒng)解決問題的側(cè)重點也有所不同，因而會存在語義分異問題。

（2）多時空性和多尺度

GIS數(shù)據(jù)具有很強的時空特性。一個GIS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)源既有同一時間不同空間的數(shù)據(jù)系列；也有同一空間不同時間序列的數(shù)據(jù)。不僅如此，GIS會根據(jù)系統(tǒng)需要而采用不同尺度對地理空間進(jìn)行表達(dá)，不同的觀察尺度具有不同的比例尺和不同的精度。GIS數(shù)據(jù)集成包括不同時空和不同尺度數(shù)據(jù)源的集成。

（3）獲取手段多源性

獲取地理空間的數(shù)據(jù)的方法有多種多樣，包括來自現(xiàn)有系統(tǒng)、圖表、遙感手段、GPS手段、統(tǒng)計調(diào)查、實地勘測等。這些不同手段獲得的數(shù)據(jù)其存儲格式及提取和處理手段都各不相同。

（4）存儲格式多源性

GIS數(shù)據(jù)不僅表達(dá)空間實體（真實體或者虛擬實體）的位置和幾何形狀，同時也記錄空間實體對應(yīng)的屬性，這就決定了GIS數(shù)據(jù)源包含有圖形數(shù)據(jù)（又稱空間數(shù)據(jù)）和屬性數(shù)據(jù)兩部分。圖形數(shù)據(jù)又可以分為柵格格式和矢量格式兩類。傳統(tǒng)的GIS一般將屬性數(shù)據(jù)放在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，而將圖形數(shù)據(jù)存放在專門的圖形文件中。不同的GIS軟件采取不同的文件存儲格式。

2、多源空間數(shù)據(jù)集成的迫切性

隨著Internet網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展和普及，信息共享已經(jīng)成為一種必然的要求。地理信息也不例外，隨著信息技術(shù)以及GIS自身的發(fā)展，GIS已經(jīng)從純粹地學(xué)技術(shù)系統(tǒng)的圈子跳了出來，正和IT行業(yè)完全融合，人們對空間信息的需求也越來越多。GIS要進(jìn)一步發(fā)展，必須完全融入大型MIS（管理信息系統(tǒng)）中。1998年美國副總統(tǒng)戈爾提出數(shù)字地球的概念，更是將地理信息技術(shù)推到了最前沿。然而地理信息要真正實現(xiàn)共享，必須解決地理信息數(shù)據(jù)多格式、多數(shù)據(jù)庫集成等瓶頸問題。隨著技術(shù)發(fā)展，GIS已經(jīng)逐步走向完全以純關(guān)系數(shù)據(jù)存儲和管理空間數(shù)據(jù)的發(fā)展道路，這為GIS完全和MIS無縫集成邁出了重要的一步。但因為GIS處理的數(shù)據(jù)對象是空間對象，有很強的時空特性，獲取數(shù)據(jù)的手段也復(fù)雜多樣，這就形成多種格式的原始數(shù)據(jù)，再加上GIS應(yīng)用系統(tǒng)很長一段時間處于以具體項目為中心孤立發(fā)展?fàn)顟B(tài)中，很多GIS軟件都有自己的數(shù)據(jù)格式，這使得GIS的數(shù)據(jù)共享問題變得尤為突出。

空間數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)類型的一種，同普通數(shù)據(jù)一樣需要走過從分散到統(tǒng)一的過程。在計算機的發(fā)展過程中，先是數(shù)據(jù)去適應(yīng)系統(tǒng)，每一個系統(tǒng)都為傾向于擁有自己的數(shù)據(jù)格式；隨著數(shù)據(jù)量的增多，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)運而生；隨著時代的發(fā)展，信息共享的需求越來越多，不同數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交換成了瓶頸；SQL（標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化查詢語言）以及ODBC的出現(xiàn)為這一難題提供了比較滿意的解決方案。但是空間數(shù)據(jù)如何引進(jìn)這種思想，或者說將空間數(shù)據(jù)也納進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)組織和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行規(guī)范和管理，從而使空間數(shù)據(jù)共享成為現(xiàn)實。

二、GIS多源數(shù)據(jù)集成模式比較

由于地理信息系統(tǒng)的圖形數(shù)據(jù)格式各異，給信息共享帶來了極大的不便，解決多格式數(shù)據(jù)源集成一直是近年來GIS應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中需要解決的重要問題。目前，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)集成的方式大致有三種，即：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模式、數(shù)據(jù)互操作模式、直接數(shù)據(jù)訪問模式。

1、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模式

格式轉(zhuǎn)換模式是傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)集成方法（圖1）。在這種模式下，其他數(shù)據(jù)格式經(jīng)專門的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后，復(fù)制到當(dāng)前系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫或文件中。這是目前GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成的主要辦法。目前得到公認(rèn)的幾種重要的空間數(shù)據(jù)格式有：ESRI公司的Arc/InfoCoverage、ArcShapeFiles、E00格式；AutoDesk的DXF格式和DWG格式；MapInfo的MIF格式；Intergraph的dgn格式等等。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模式主要存在的問題是：

（1）由于缺乏對空間對象統(tǒng)一的描述方法，從而使得不同數(shù)據(jù)格式描述空間對象時采用的數(shù)據(jù)模型不同，因而轉(zhuǎn)換后不能完全準(zhǔn)確表達(dá)源數(shù)據(jù)的信息。

（2）這種模式需要將數(shù)據(jù)統(tǒng)一起來，違背了數(shù)據(jù)分布和獨立性的原則；如果數(shù)據(jù)來源是多個或企業(yè)單位，這種方法需要所有權(quán)的轉(zhuǎn)讓等問題[1]。美國國家空間數(shù)據(jù)協(xié)會（NSDI）制定了統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)格式規(guī)范SDTS（SpatialDataTransformationStandard），包括幾何坐標(biāo)、投影、拓?fù)潢P(guān)系、屬性數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)字典，也包括柵格格式和矢量格式等不同的空間數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。許多軟件利用SDTS提供了標(biāo)準(zhǔn)的空間數(shù)據(jù)交換格式。目前，ESRI在ARC/INFO中提供了SDTSIMPORT以及SDTSEXPORT模塊，Intergraph公司在MGE產(chǎn)品系列中也支持SDTS矢量格式。SDTS在一定程度上解決了不同數(shù)據(jù)格式之間缺乏統(tǒng)一的空間對象描述基礎(chǔ)的問題。但SDTS目前還很不完善，還不能完全概括空間對象的不同描述方法，并且還不能統(tǒng)一為各個層次以及從不同應(yīng)用領(lǐng)域為空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；并且SDTS沒有為數(shù)據(jù)的集中和分布式處理提供解決方案，所有的數(shù)據(jù)仍需要經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換復(fù)制到系統(tǒng)中，不能自動同步更新。

2、數(shù)據(jù)互操作模式

數(shù)據(jù)互操作模式是OpenGISconsortium(OGC)制定的規(guī)范。OGC是為了發(fā)展開放式地理數(shù)據(jù)系統(tǒng)、研究地學(xué)空間信息標(biāo)準(zhǔn)化以及處理方法的一個非盈利組織。GIS互操作是指在異構(gòu)數(shù)據(jù)庫和分布計算的情況下，GIS用戶在相互理解的基礎(chǔ)上，能透明地獲取所需的信息。OGC為數(shù)據(jù)互操作制定了統(tǒng)一的規(guī)范，從而使得一個系統(tǒng)同時支持不同的空間數(shù)據(jù)格式成為可能。根據(jù)OGC頒布的規(guī)范，可以把提供數(shù)據(jù)源的軟件稱為數(shù)據(jù)服務(wù)器（DataServers），把使用數(shù)據(jù)的軟件稱為數(shù)據(jù)客戶（DataClients），數(shù)據(jù)客戶使用某種數(shù)據(jù)的過程就是發(fā)出數(shù)據(jù)請求，由數(shù)據(jù)服務(wù)器提供服務(wù)的過程，其最終目的是使數(shù)據(jù)客戶能讀取任意數(shù)據(jù)服務(wù)器提供的空間數(shù)據(jù)。OGC規(guī)范基于OMG的CORBA、Microsoft的OLE/COM以及SQL等，為實現(xiàn)不同平臺間服務(wù)器和客戶端之間數(shù)據(jù)請求和服務(wù)提供了統(tǒng)一的協(xié)議。OGC規(guī)范正得到OMG和ISO的承認(rèn)，從而逐漸成為一種國際標(biāo)準(zhǔn)，將被越來越多的GIS軟件以及研究者所接受和采納。目前，還沒有商業(yè)化GIS軟件完全支持這一規(guī)范。

數(shù)據(jù)互操作為多源數(shù)據(jù)集成提供了嶄新的思路和規(guī)范。它將GIS帶入了開放式的時代，從而為空間數(shù)據(jù)集中式管理和分布存儲與共享提供了操作的依據(jù)。OGC標(biāo)準(zhǔn)將計算機軟件領(lǐng)域的非空間數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)成功地應(yīng)用到空間數(shù)據(jù)上。但是OGC標(biāo)準(zhǔn)更多考慮到采用了OpenGIS協(xié)議的空間數(shù)據(jù)服務(wù)軟件和空間數(shù)據(jù)客戶軟件，對于那些歷史存在的大量非OpenGIS標(biāo)準(zhǔn)的空間數(shù)據(jù)格式的處理辦法還缺乏標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。而從目前來看，非OpenGIS標(biāo)準(zhǔn)的空間數(shù)據(jù)格式仍然占據(jù)已有數(shù)據(jù)的主體。

數(shù)據(jù)互操作規(guī)范為多源數(shù)據(jù)集成帶來了新的模式，但這一模式在應(yīng)用中存在一定局限性：首先，為真正實現(xiàn)各種格式數(shù)據(jù)之間的互操作，需要每個每種格式的宿主軟件都按照著統(tǒng)一的規(guī)范實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問接口，在一定時期內(nèi)還不現(xiàn)實；其次，一個軟件訪問其他軟件的數(shù)據(jù)格式時是通過數(shù)據(jù)服務(wù)器實現(xiàn)的，這個數(shù)據(jù)服務(wù)器實際上就是被訪問數(shù)據(jù)格式的宿主軟件，也就是說，用戶必須同時擁有這兩個GIS軟件，并且同時運行，才能完成數(shù)據(jù)互操作過程。

3、直接數(shù)據(jù)訪問模式

顧名思義，直接數(shù)據(jù)訪問指在一個GIS軟件中實現(xiàn)對其他軟件數(shù)據(jù)格式的直接訪問，用戶可以使用單個GIS軟件存取多種數(shù)據(jù)格式。直接數(shù)據(jù)訪問不僅避免了繁的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，而且在一個GIS軟件中訪問某種軟件的數(shù)據(jù)格式不要求用戶擁有該數(shù)據(jù)格式的宿主軟件，更不需要該軟件運行。直接數(shù)據(jù)訪問提供了一種更為經(jīng)濟(jì)實用的多源數(shù)據(jù)集成模式。

目前使用直接數(shù)據(jù)訪問模式實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)集成的GIS軟件主要有兩個，即：Intergraph推出的GeoMedia系列軟件和中國科學(xué)院地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心研制的SuperMap。GeoMedia實現(xiàn)了對大多數(shù)GIS/CAD軟件數(shù)據(jù)格式的直接訪問，包括：MGE、Arc/Info、Frame、OracleSpatial、SQLServer、AccessMDB等(圖2)。SuperMap2.0則提供了存取SQLServer、OracleSpatial、ESRISDE、AccessMDB、SuperMapSDB文件等的能力，在以后的版本中將逐步支持對Arc/InfoCoverage、AutoCADDWG、MicroStationDGN、ArcView等數(shù)據(jù)格式的直接訪問。

三、多源空間數(shù)據(jù)格式集成的展望

1、文件方式和數(shù)據(jù)庫方式

傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)往往采用文件方式，隨著技術(shù)的進(jìn)步，逐漸將屬性數(shù)據(jù)移植到數(shù)據(jù)庫平臺上；隨著技術(shù)發(fā)展，圖形數(shù)據(jù)也可以和屬性數(shù)據(jù)一起存放在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。文件方式對數(shù)據(jù)管理安全性較差，存在著屬性和圖形分開管理的問題，不適合網(wǎng)絡(luò)共享發(fā)展的需要；數(shù)據(jù)庫方式則實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)一體化存儲和管理，便于開發(fā)兩層、三層甚至多層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)。從發(fā)展趨勢來看，純關(guān)系數(shù)據(jù)庫方案取代文件方案是發(fā)展的必然趨勢，這也是IT發(fā)展的主流趨勢。隨著對信息量需求的增大以及信息需求種類增多，數(shù)據(jù)倉庫的建立，將是GIS文件系統(tǒng)向數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)發(fā)展的主流。

2、OpenGIS、SDTS與DLG/F

OpenGIS是目前的主流標(biāo)準(zhǔn)，但SDTS并不會停滯不前，相反筆者認(rèn)為SDTS將會與OpenGIS走向一體化。SDTS可以為OpenGIS提供一個轉(zhuǎn)換和存取空間數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是不依賴任何一種特定GIS軟件格式的，該標(biāo)準(zhǔn)中利用頭文件描述格式的方式使得數(shù)據(jù)服務(wù)者不必專門提供格式說明，而數(shù)據(jù)客戶也不必專門學(xué)習(xí)該格式，只需讀取SDTS頭文件就可獲得數(shù)據(jù)服務(wù)者提供的數(shù)據(jù)格式。筆者認(rèn)為利用SDTS做數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，利用OGC作數(shù)據(jù)互操作的標(biāo)準(zhǔn)（例如空間SQL標(biāo)準(zhǔn)），簡單地說就是如果說SDTS提供了數(shù)據(jù)格式的頭文件，而OGC標(biāo)準(zhǔn)則提供了讀寫這個頭文件的標(biāo)準(zhǔn)方法。如果再采用數(shù)據(jù)庫作后臺，利用空間數(shù)據(jù)引擎，空間數(shù)據(jù)引擎按照SDTS存取空間數(shù)據(jù)，按照OGC標(biāo)準(zhǔn)對客戶軟件提供操作接口，這將是空間數(shù)據(jù)集成的理想解決方案。USGS還提供了一種稱作DLG/F的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了空間數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中的動態(tài)存儲結(jié)構(gòu)，利用該結(jié)構(gòu)可以將拓?fù)潢P(guān)系動態(tài)記錄下來，同時可以讓用戶添加自定義的空間數(shù)據(jù)類型。怎樣利用DLG/F完善SDTS和OpenGIS也將是OpenGIS以及SDTS發(fā)展的方向。

3、統(tǒng)一空間實體編碼

多源空間數(shù)據(jù)據(jù)格式集成還有一個很重要的方面就是如何處理不同數(shù)據(jù)庫對空間實體采用的編碼方式不同的問題。從理論上來說，一個系統(tǒng)對同一空間實體的編碼應(yīng)該是唯一的，實際上由于不同領(lǐng)域從不同視角對同一空間實體編碼并不一樣，甚至?xí)霈F(xiàn)不同空間實體具有相同編碼的情況，這些編碼放在同一系統(tǒng)中，就會出現(xiàn)空間實體標(biāo)識的嚴(yán)重問題。從目前來看，OpenGIS和SDTS都是基于地理特征（Feature）定義空間實體的，但都還不能真正提供一個通用的空間實體編碼體系。

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