第9講-地理信息系統(tǒng)網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)共享

1、地理信息系統(tǒng)信息共享,程承旗北京大學遙感所,網(wǎng)絡GIS技術構成,計算機網(wǎng)絡技術數(shù)據(jù)共享技術Web-GIS技術,空間信息共享的原因及重要性,為什么說空間信息共享有意義，最簡單的原因就是：我們共有一個地球?？臻g信息共享主要涉及空間信息的獲取、空間信息框架、空間信息的集成、融合以及互操作等。,地理信息系統(tǒng)互操作及OpenGIS規(guī)范,,GIS互操作的定義：,“互操作地理信息處理”（Interoperable geoprocessing）

2、：（1）自由地交換有關地球的信息，即所有關于地表上的、空中的、地球表面以下的對象和現(xiàn)象的信息；（2）通過網(wǎng)絡協(xié)作運行能夠操作這些信息的軟件。概括為自由交換地理空間信息以及協(xié)作運行地理空間信息處理的軟件。所謂互操作，就是指異構環(huán)境下兩個或兩個以上的實體，盡管它們實現(xiàn)的語言、執(zhí)行的環(huán)境和基于的模型不同，但它們可以相互通信和協(xié)作，以完成某一特定任務。這些實體包括應用程序、對象、系統(tǒng)運行環(huán)境等。,地理信息的認知表示,空間區(qū)域框架只有一個，

3、但其上的各種自然、社會、經(jīng)濟和人類思維信息是無窮的。思維模式是無窮的，建模方式也是無窮的。,,GIS系統(tǒng)間的互操作可以概括為4種情況：,（1）     相同領域采用相同的GIS軟件，但是對地理信息的數(shù)據(jù)定義用不同句法，不同的分類等級，包括不同的數(shù)據(jù)項及其編碼?？梢酝ㄟ^制定行業(yè)內(nèi)的標準加以解決。（2）     相同領域采用不同的GIS軟件。采用的不同的空間

4、數(shù)據(jù)結構，需要制定空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標準。（3）     不同領域采用相同的GIS軟件。通過建立基礎空間信息框架，對各領域共用的基礎信息的給予永久標識代碼，在此基礎上建立各專業(yè)領域信息，在集成中語義上的互操作。（4）     不同的領域要用不同的GIS軟件，需要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和語義上的轉(zhuǎn)換。目前，OGC協(xié)會正在制定OpenGIS規(guī)范，以實現(xiàn)不同的GIS軟件間的互操

5、作。如果成功，則以上的第二種和第四種情況中的互操作問題將部分地得到解決，但仍然存在學科數(shù)據(jù)標準、共享的空間信息框架和語義上的互操作等問題。,OpenGIS規(guī)范,OpenGIS是指開放的地學數(shù)據(jù)互操作規(guī)范（Open Geo-data Interoperability Specification OGIS）的最高層次，一般稱為OpenGIS規(guī)范。OpenGIS規(guī)范是由開放地理信息系統(tǒng)協(xié)會（OpenGIS Consortium，簡稱OGC）

6、，OGC由商業(yè)部門、政府機構、用戶以及數(shù)據(jù)提供商組成。,OGC是根據(jù)以下需要建立的,（1）     用戶需要把不同存儲環(huán)境中的地理信息集成在一起，然而它們的格式和數(shù)據(jù)結構的不兼容性阻礙了互操作的發(fā)展。（2）     大型機構需要在不改變其數(shù)據(jù)模式的情況下，改善訪問私有和公有地理數(shù)據(jù)源方式。（3）     銷售商和代

7、理機構需要一種統(tǒng)一的標準化方法，以規(guī)范信息獲取系統(tǒng)中的地理處理需求。（4）     產(chǎn)業(yè)部門希望將地理數(shù)據(jù)和地理處理資源納入國家和企業(yè)信息基礎設施之中，以便它們能夠和其他網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和處理資源一樣很容易地被使用。（5）     用戶希望在集成其他新的地理處理功能和地理數(shù)據(jù)資源時，能夠保護其原有數(shù)據(jù)和地理處理系統(tǒng)。,,OGC的任務,（1）  

8、;   無障礙地訪問地理信息資源；（2）     無障礙地訪問地理信息處理資源；（3）     把先進的信息技術結合到地理信息科學中；（4）    通過技術協(xié)作，支持國家或全球空間數(shù)據(jù)基礎設施的建立；（5）     進行地理數(shù)據(jù)、地理信息處理功能的市場

9、開發(fā)。OpenGIS項目開始于1993年，OGC于1994年8月便宜宣告成立，以作為一個專門發(fā)展該規(guī)范的機構。OGC用“OpenGIS”作為其產(chǎn)品的商標，100多個機構的代表組成。GOC屬于免稅機構。,開放地理數(shù)據(jù)模型（OGM）,OpenGIS規(guī)范的開放地理數(shù)據(jù)模型（OGM）包含一個眾所周知的類型和結構集合，這些類型和結構被確定為接口的方式。OGM提供了一種描述幾何特征和屬性的唯一可行的統(tǒng)一的方法，該方法是實現(xiàn)不同系統(tǒng)間通信接口的

10、關鍵。,,,開放式地理數(shù)據(jù)模型(如圖示)，是“通用的”地理數(shù)據(jù)模型，支持互操作接口定義。它提供了一個公共空間語言，是一個數(shù)學地、概念地以數(shù)字化形式表現(xiàn)地物和地球現(xiàn)象的公共的手段。OpenGIS規(guī)范的混合語，是建立在公共地理數(shù)據(jù)類型詞典的基礎上的，依照所有編程語言中的基礎數(shù)據(jù)類型來定義。如果沒有公共類型的詞典，我們將無法解決互操作問題。在OGC中，“開放式地理數(shù)據(jù)模型”指的是這個公共地理數(shù)據(jù)類型的詞典。,OGC的技術開發(fā)過程,最早的非常有

11、效的接口是不同GIS系統(tǒng)間基本的“簡單對象”模式的接口系統(tǒng)，請求一旦被批準，該成員擁有的技術規(guī)范便成為標準，與此同時，OGC的一致性測試項目將為該產(chǎn)品發(fā)放“OpenGIS標準標簽”，以確保該軟件與其他擁有該標簽的軟件可以共享，上述工作被稱為“核心技術”。,GIS互操作的實現(xiàn),構件技術用于實現(xiàn)互操作，用新的互操作構件代替部分傳統(tǒng)的GIS。新的構件能逐漸替代舊的孤立的系統(tǒng)，并改進新的客戶端、新的服務體系結構和新的服務器功能。經(jīng)過一步一步統(tǒng)一

12、的過程，OpenGIS規(guī)范將被實現(xiàn)。1997年GIS/LIS展覽會（美國）上首次展出了基于OpenGIS規(guī)范的產(chǎn)品，這個示范產(chǎn)品能在Inetrnet/Intranet環(huán)境下，實現(xiàn)來自BENTLEY、ESRI（美國環(huán)境系統(tǒng)研究所）、INTEGRAPH、ORACLE等不同地學處理系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)獲取的互操作。,OpenGIS Simple Features Specification For SQL/ODBC,OpenGIS Simple

13、Features Specification For SQL/ODBC（Revision 1.0）發(fā)布于1998年3月13日。規(guī)程在OpenGIS抽象規(guī)范的OGM基礎上，設計了一套標準SQL體系，通過調(diào)用ODBC API以支持對簡單地物空間幾何特征集的存貯，獲取，查詢和更新。,,規(guī)程建立在關系數(shù)據(jù)庫技術基礎上。在概念設計階段，SQL規(guī)程設想利用帶有空間幾何特征的字段來存貯簡單地物空間幾何特征集，每一個地物對應表中的一行(Row)。而地物

14、的非空間幾何屬性則與標準ODBC/SQL為研究對象。在關系數(shù)據(jù)庫中，簡單地物空間幾何特征集概念化地存貯在帶有空間幾何(geometric)值字段的表中。每個特征將作為表中的一行(row)。特征的非空間幾何屬性利用標準ODBC/SQL92所定義的數(shù)據(jù)類型相匹配。我們把含有空間幾何特征字段(geometric column)的表叫做特征表(Feature table)。特征表可以包含多個空間幾何特征字段。特征表的實現(xiàn)可以采用兩種SQL環(huán)境，

15、包括SQL92環(huán)境和支持空間幾何類型擴展字段的SQL92環(huán)境。,Geometry Object Model,Geometry Object Model(GOM)是OpenGIS Simple Features Specification的數(shù)據(jù)模型基礎，它是OpenGIS抽象規(guī)范的OGM的具體實現(xiàn)。,1、 INTERGRAPH與SICAD Ceomaties的互操作,OGC的兩個主要成員INTERGRAPH-Eurpoe和SICAD-Ge

16、omatics首次通過OGIS接口實現(xiàn)了在Intranet上的互操作，基于OGIS，不同的前端GIS客戶、GeoMedia（INTERGRAPH）和SpatialDesktop（SICAD）可以通過Internet在線地訪問存放在新版SICAD GeoDataServer上可互操作的地學數(shù)據(jù)資源，這一訪問過程不需要傳統(tǒng)的地理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。,1、 ESRI及其合作伙伴,ESRI的開放式軟件體系結構支持以下幾方面：（1） 

17、0;   基于SDE/CAD客戶端的CAD和GIS數(shù)據(jù)的集成；（2）     GPS、圖像處理和多媒體技術的集成；（3） 開放式軟件開發(fā)，如RDBMS、擴充的關系DBMS、OODBMS和通用服務器。表的上半部分是OpenGIS規(guī)范在各種平臺上實現(xiàn)的軟件廠商，這些平臺包括SQL、OLE/COM，CORBA，Internet，下半部分是ESRI在SQL，OLE/CO

18、M，CORBA，Internet平臺上的具體產(chǎn)品）,,3、 SMALL WORLD,SMALL WORLD也是OGC的成員之一，它主要致力于面向?qū)ο蟮腉IS開發(fā)，如Spatial Object Controller（SOC）和Virtual Database Interface（VDB）。,4、 AUTODESK,AUTODESK CAD/GIS產(chǎn)品家族已實現(xiàn)了AutoCAD-MAP（CAD和GIS數(shù)據(jù)的集成）、Autodesk-Wor

19、ld（GIS功能和Windows環(huán)境的集成環(huán)境），以及Autodesk-MapGuide（地理數(shù)據(jù)在Intranet/Internet上的發(fā)布系統(tǒng)）。,5、 DISGIS項目：分布式GIS模型方法和框架,由挪威測會局等單位完成，時間從1996年5月到1997年5月。主要為分布式系統(tǒng)，特別是開放式分布GIS提供模型、工具和框架，并將這些模型、工具和框架應用到具體的事例中，來證明其有效性和實用性。,基于OpenGIS的開放式GIS軟件,完全

20、開發(fā)出適用于商業(yè)GIS的開放式GIS軟件還需進一步努力。OGC制定了未來幾年的工作計劃。完成最基本的構件定義后，將著重考慮如在線地理數(shù)據(jù)的檢索服務等更復雜的面向21世紀信息社會的服務功能。其中包括：（1）     地理空間特征的抽象和概括；（2）     地理空間信息的獲取、注釋和抽取；（3）     地理空間坐

21、標轉(zhuǎn)換；（4）     地理空間分析、注冊、形式化表達；（5）     影像理解、綜合、制圖等。,,地球空間數(shù)據(jù)的Metadata,Metadata被戈爾列為數(shù)字地球六大技術之一，美國聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會（FGDC）1992年開展地理信息Metadata標準的討論，F(xiàn)GDC、歐洲地理信息標準化委員會（CEN/TC287）、全球最大的地理空間信息產(chǎn)業(yè)組織Op

22、en GIS協(xié)會以及國際標準化組織地理信息/地球信息業(yè)委員會（ISO/TC211）等單位均已成立了各自的Metadata工作組。,Metadata的理解,美國聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會（FGDC）和國際標準化組織（ISO）地球信息委員會（ISO/TC2110認為：“Metadata是關于數(shù)據(jù)內(nèi)容、質(zhì)量、條件以及其他特征的數(shù)據(jù)。Meta是希臘語，意思是“改變”，Metadata定義為數(shù)據(jù)本身及其變化的描述。Metadata是關于數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集的說

23、明或描述。臺灣將Metadata譯作詮釋數(shù)據(jù)。歐洲標準化委員會（簡稱為：CEN/TC287）認為：“Metadata是描述地理數(shù)據(jù)集內(nèi)容、表示、空間參考系、質(zhì)量以及管理的數(shù)據(jù)”。,與Metadata相關的概念,（1）    數(shù)據(jù)字典（data dictionary）（2）   數(shù)據(jù)百科全書（data encyclepedia）（3）  

24、60;  Metadata base（4）     Metadata信息管理系統(tǒng)（5）     數(shù)據(jù)倉庫（data warehousing）,Metadata的標準現(xiàn)狀,,FGDC的Metadata體系,FGDC是美聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會的縮寫，它由農(nóng)業(yè)部、商業(yè)部、能源部、內(nèi)務部、眾議院、交通部、環(huán)保局、國會圖書館、宇航局、檔案局等多個部門組成，并

25、由內(nèi)務部負責，其主要功能是負責聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)發(fā)展、使用、共享和宣傳。1994年6月8日批準了Metadata標準。FGDC于1997年4月又發(fā)布了Metadata的修改版，即Metadata2.0版本。,ISO/TC211的Metadata體系,國際標準化組織ISO作為全球標準的權威機構，對地理數(shù)據(jù)標準化問題一直比較重視。成立了地理信息/地理信息業(yè)技術委員會，即ISO/TC211，編號為15046，該委員會框架和參考模型（WG1）

26、、地理空間數(shù)據(jù)模型和算法（WG2）、地理空間數(shù)據(jù)管理（WG3）、地理空間服務（WG4）、以及行業(yè)及功能標準（WG5）5個工作組組成。Metadata標準的發(fā)展在第三工作組總第15工作小組中進行，即ISO15046-15，地理信息-Metadata工作組。ISO15046-15的目的是想通過建立一個Metadata術語、定義及擴展的公用集合，使地理數(shù)據(jù)的管理、檢索和使用更加有效。,CEN/TC287的Metadata體系,歐洲地理信息標

27、準化委員會（CEN/TC287），從1992年，就開始了有關數(shù)字地理信息標準化方面的工作，并成立了4個工作組，從地理信息標準化框架（WGI）、地理信息模型和應用（WG2）、地理信息傳輸（WG3）以及地理信息定位參考系統(tǒng)（WG4）CEN/TC287的Metadata以實用為主，因此它簡潔的內(nèi)容體系受到了國際社會的普遍關注。目前，它正在與ISO/TC211進行有力地合作，以使自己的內(nèi)容體系能最大程度地被國際社會采納。,OpenGIS協(xié)會的

28、Metadata體系,OpenGIS協(xié)會是目前全球最大的地理信息產(chǎn)業(yè)化組織，OpenGIS是1993年首先由美國的幾個聯(lián)邦機構和商業(yè)組織召開的有關“網(wǎng)絡環(huán)境下訪問異質(zhì)地理數(shù)據(jù)和地理處理資源”的會議上提出的概念體系。目前它們已取得了一致，即由ISO/TC211負責制定標準，而OpenGIS協(xié)會以該標準為藍本進行軟件實現(xiàn)，,,Metadata的理論基礎,地理信息的模型建立理論地理對象的抽象過程通常有9個層次，在這9個層次之間通過8個接口相

29、互連接來實現(xiàn)了由現(xiàn)實世界到地理要素集合世界的轉(zhuǎn)換。這9個層次依次為現(xiàn)實世界、概念世界、地理空間世界、尺度世界、項目世界、點世界、幾何世界、地理要素世界以及要素集合世界，連接它們的8個接口分別為認識接口、GIS學科拉口、局域幾何接口、空間參照系接口、幾何結構接口、要素結構接口及項目結構連接。,,地理信息的表示方法,1、 幾何要素的表示在使用時，通常通過空間幾何接口實現(xiàn)。2、 地理信息的存儲方式GIS其實是一種模型地理空間信息3、

30、地理信息的圖層表示用Metadata全面記錄下數(shù)據(jù)的整個傳遞過程，使數(shù)據(jù)集的形成和使用更加容易理解。4、 圖層的幾何匹配Metadata描述時，需要記錄影像的匹配相對、數(shù)據(jù)集圖層范圍以及所對應的屬性等相關元素，同時對描述它們各自的參數(shù)、單位以及數(shù)學模型等也要作一定的闡述。,地理信息的空間坐標系模型,1、 地球模型2、 地球的坐標表示3、 空間參照系的轉(zhuǎn)換接口坐標參照系模型也是Metadata的主要理論之一。,地理信息的質(zhì)量體

31、系,1、 質(zhì)量評價過程Metadata標準中，質(zhì)量信息主要在標識信息、數(shù)據(jù)質(zhì)量信息以及數(shù)據(jù)繼承關系等，元素有數(shù)據(jù)集的完備性、邏輯一致性、位置精度、時間精度、專題精度等。2、 多尺度評判依據(jù)質(zhì)量評定過程中，一般來說，數(shù)據(jù)的精度或準確度越高越好，但在實際應用中卻不能不分對象一概而論。地球是一個復雜系統(tǒng)，不少物體具有不確定性或模糊性特征。3、 數(shù)據(jù)的時效性與唯一性4、 數(shù)據(jù)精度的測試與報告,Metadata標準的內(nèi)容組織方式,Me

32、tadata內(nèi)容按照元素的方式進行組織，具體分為部分、復合元素以及數(shù)據(jù)元素3個層次。,,1、 部分Metadata部分是定義具有相互關聯(lián)的Metadata數(shù)據(jù)元素以及復合元素集合的一個Metadata子集。2、 復合元素復合元素由一組數(shù)據(jù)元素和其他復合元素組成，它是代表高層次的不能用單個數(shù)據(jù)元素描述的概念。3、 數(shù)據(jù)元素數(shù)據(jù)元素是數(shù)據(jù)的最小組成單位，即圖元Metadata，它由數(shù)據(jù)元素的名稱、定義、約束條件、最大次數(shù)、數(shù)據(jù)類型

33、、域值等組成。,元素屬性,Metadata元素是用于確定和存儲描述地理空間數(shù)據(jù)信息的獨立單元，它由9個屬性來定義，分別為編號、名稱、英文名稱、定義、約束條件、最大次數(shù)、數(shù)據(jù)類型、域值以及標識碼。,產(chǎn)生規(guī)則,產(chǎn)生規(guī)則用于表示復合元素與數(shù)據(jù)元素以及較低層次的復合元素之間的關系，它在Metadata中起著很重要的銜接作用。第一產(chǎn)生規(guī)則由左邊（元素名稱）和右邊（規(guī)則表達式）組成，中間用等號連接，表示左邊的術語可以用右邊的內(nèi)容代替或以產(chǎn)生右邊的術

34、語。,,,Metadata元素概述,Metadata標準內(nèi)容部分：1、 標識信息2、 數(shù)據(jù)質(zhì)量信息3、 數(shù)據(jù)集繼承信息4、 空間數(shù)據(jù)表示信息5、 空間參照系信息實體6、 實體和屬性信息7、 發(fā)行信息8、 Metadata參考信息引用內(nèi)容部分9、 引用信息10、時間范圍信息11、聯(lián)系信息12、地址信息,,Metadata的實現(xiàn),Metadata層次結構1、 Metadata軟件需求2、 Metadata軟件層

35、次結構Metadata軟件邏輯模型1、 Metadata邏輯組成2、 Metadata的存儲、編碼和鏈接,Metadata軟件功能模塊,1、登錄功能2、 查詢功能3、 數(shù)據(jù)交換功能4、安全保護功能5、統(tǒng)計功能6、數(shù)據(jù)發(fā)布功能,,Metadata軟件實現(xiàn)方法,諸如數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、網(wǎng)絡以及Web瀏覽器等技術，通過這些技術以及前面所提的一些協(xié)議，軟件人員便可以利用面向?qū)ο蟮燃夹g描述管理Metadata體系，利用Web等技術設計Me

36、tadata的查詢和返回頁面，利用網(wǎng)絡技術實現(xiàn)客戶/服務器之間的通信等。,空間數(shù)據(jù)結構的轉(zhuǎn)換問題,空間數(shù)據(jù)標準化和相互轉(zhuǎn)換，是真正意義上實現(xiàn)空間共享的重要前提。GIS空間數(shù)據(jù)結構的封閉性，長期以來一直是GIS的瓶頸，每個GIS軟件系統(tǒng)必須耗費大量的時間進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作，在尚未有統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)結構標準的前提下，這個問題對WebGIS來說較為突出。解決這個問題的關鍵是要制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結構標準，利用第三方開發(fā)的一個高效轉(zhuǎn)換中間界。在國內(nèi)，盡管

37、不少有識之士較早就開呼吁建立統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)標準，由于各方面的原因，這項工作進展緩慢。在國外，這方面較好的標準和工具有：,,（1）數(shù)字地理信息交換標準（DIGEST），它是數(shù)字地理信息工作組（DGIWG）的產(chǎn)品。DGIEG由來自北美和歐洲電力總部（SHAPE）組成。DIGEST可以處理柵格、矢量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換（包括拓撲結構）。（2）開放的地理數(shù)據(jù)互操作性規(guī)范（OGIS）是由開放的地理信息系統(tǒng)聯(lián)合體（Open GIS Consortium）制

38、定的，它主要是提供了一個開發(fā)軟件的框架，支持數(shù)據(jù)模型和應用開發(fā)，所開發(fā)的軟件允許用戶讀取和處理多種地理數(shù)據(jù)。,,（3）空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標準（SDTS）是由美國地質(zhì)測量協(xié)會（USGS）制定的空間數(shù)據(jù)在不同計算機系統(tǒng)上的轉(zhuǎn)換標準。它的轉(zhuǎn)換過程是先將數(shù)據(jù)編碼成SDTS文件，再由該SDTS文件轉(zhuǎn)成與SDTS標準兼容的數(shù)據(jù)格式文件，最后，對文件進行解碼便可使用。（4）空間檔案和交換格式（SAIF）是由the Government of Britis