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1、地理信息系统信息共享程承旗北京大学遥感所网络GIS技术构成l计算机网络技术l数据共享技术lWeb-GIS技术空间信息共享的原因及重要性空间信息共享的原因及重要性l为什么说空间信息共享有意义，最简单的原因就是：我们共有一个地球。l空间信息共享主要涉及空间信息的获取、空间信息框架、空间信息的集成、融合以及互操作等。地理信息系统互操作及OpenGIS规范lGIS互操作的定义：l“互操作地理信息处理”（Interoperablegeoprocessing）：l（1）自由地交换有关地球的信息，即所有关于地表上的、空中的、地球表面以下的对象和现象的信息；l（2）通过网络协作运行能够操作这些信息的软件。概括
2、为自由交换地理空间信息以及协作运行地理空间信息处理的软件。l所谓互操作，就是指异构环境下两个或两个以上的实体，尽管它们实现的语言、执行的环境和基于的模型不同，但它们可以相互通信和协作，以完成某一特定任务。这些实体包括应用程序、对象、系统运行环境等。地理信息的认知表示l空间区域框架只有一个，但其上的各种自然、社会、经济和人类思维信息是无穷的。思维模式是无穷的，建模方式也是无穷的。GIS系统间的互操作可以概括为4种情况：l（1）相同领域采用相同的GIS软件，但是对地理信息的数据定义用不同句法，不同的分类等级，包括不同的数据项及其编码。可以通过制定行业内的标准加以解决。l（2）相同领域采用不同的GI
3、S软件。采用的不同的空间数据结构，需要制定空间数据转换标准。l（3）不同领域采用相同的GIS软件。通过建立基础空间信息框架，对各领域共用的基础信息的给予永久标识代码，在此基础上建立各专业领域信息，在集成中语义上的互操作。l（4）不同的领域要用不同的GIS软件，需要数据转换和语义上的转换。l目前，OGC协会正在制定OpenGIS规范，以实现不同的GIS软件间的互操作。如果成功，则以上的第二种和第四种情况中的互操作问题将部分地得到解决，但仍然存在学科数据标准、共享的空间信息框架和语义上的互操作等问题。OpenGIS规范lOpenGIS是指开放的地学数据互操作规范（Open Geo-data Int
4、eroperability SpecificationOGIS）的最高层次，一般称为OpenGIS规范。lOpenGIS规范是由开放地理信息系统协会（OpenGISConsortium，简称OGC），OGC由商业部门、政府机构、用户以及数据提供商组成。OGC是根据以下需要建立的l（1）用户需要把不同存储环境中的地理信息集成在一起，然而它们的格式和数据结构的不兼容性阻碍了互操作的发展。l（2）大型机构需要在不改变其数据模式的情况下，改善访问私有和公有地理数据源方式。l（3）销售商和代理机构需要一种统一的标准化方法，以规范信息获取系统中的地理处理需求。l（4）产业部门希望将地理数据和地理处理资源纳
5、入国家和企业信息基础设施之中，以便它们能够和其他网络数据和处理资源一样很容易地被使用。l（5）用户希望在集成其他新的地理处理功能和地理数据资源时，能够保护其原有数据和地理处理系统。OGC的任务l（1）无障碍地访问地理信息资源；l（2）无障碍地访问地理信息处理资源；l（3）把先进的信息技术结合到地理信息科学中；l（4）通过技术协作，支持国家或全球空间数据基础设施的建立；l（5）进行地理数据、地理信息处理功能的市场开发。lOpenGIS项目开始于1993年，OGC于1994年8月便宜宣告成立，以作为一个专门发展该规范的机构。lOGC用“OpenGIS”作为其产品的商标，100多个机构的代表组成。G
6、OC属于免税机构。开放地理数据模型（OGM）lOpenGIS规范的开放地理数据模型（OGM）包含一个众所周知的类型和结构集合，这些类型和结构被确定为接口的方式。lOGM提供了一种描述几何特征和属性的唯一可行的统一的方法，该方法是实现不同系统间通信接口的关键。 l开放式地理数据模型(如图示)，是“通用的”地理数据模型，支持互操作接口定义。它提供了一个公共空间语言，是一个数学地、概念地以数字化形式表现地物和地球现象的公共的手段。OpenGIS规范的混合语，是建立在公共地理数据类型词典的基础上的，依照所有编程语言中的基础数据类型来定义。如果没有公共类型的词典，我们将无法解决互操作问题。在OGC中，“
7、开放式地理数据模型”指的是这个公共地理数据类型的词典。OGC的技术开发过程l最早的非常有效的接口是不同GIS系统间基本的“简单对象”模式的接口系统，请求一旦被批准，该成员拥有的技术规范便成为标准，与此同时，OGC的一致性测试项目将为该产品发放“OpenGIS标准标签”，以确保该软件与其他拥有该标签的软件可以共享，上述工作被称为“核心技术”。GIS互操作的实现l构件技术用于实现互操作，用新的互操作构件代替部分传统的GIS。新的构件能逐渐替代旧的孤立的系统，并改进新的客户端、新的服务体系结构和新的服务器功能。经过一步一步统一的过程，OpenGIS规范将被实现。l1997年GIS/LIS展览会（美国
8、）上首次展出了基于OpenGIS规范的产品，这个示范产品能在Inetrnet/Intranet环境下，实现来自BENTLEY、ESRI（美国环境系统研究所）、INTEGRAPH、ORACLE等不同地学处理系统之间数据获取的互操作。OpenGIS Simple Features Specification For SQL/ODBC lOpenGIS Simple Features SpecificationFor SQL/ODBC（Revision 1.0）发布于1998年3月13日。规程在OpenGIS抽象规范的OGM基础上，设计了一套标准SQL体系，通过调用ODBCAPI以支持对简单地物空间
9、几何特征集的存贮，获取，查询和更新。 l规程建立在关系数据库技术基础上。在概念设计阶段，SQL规程设想利用带有空间几何特征的字段来存贮简单地物空间几何特征集，每一个地物对应表中的一行(Row)。而地物的非空间几何属性则与标准ODBC/SQL为研究对象。在关系数据库中，简单地物空间几何特征集概念化地存贮在带有空间几何(geometric)值字段的表中。每个特征将作为表中的一行(row)。特征的非空间几何属性利用标准ODBC/SQL92所定义的数据类型相匹配。我们把含有空间几何特征字段(geometric column)的表叫做特征表(Featuretable)。特征表可以包含多个空间几何特征字段
10、。特征表的实现可以采用两种SQL环境，包括SQL92环境和支持空间几何类型扩展字段的SQL92环境。Geometry Object ModellGeometryObjectModel(GOM)是OpenGISSimpleFeaturesSpecification的数据模型基础，它是OpenGIS抽象规范的OGM的具体实现。1、 INTERGRAPH与SICAD Ceomaties的互操作lOGC的两个主要成员INTERGRAPH-Eurpoe和SICAD-Geomatics首次通过OGIS接口实现了在Intranet上的互操作，基于OGIS，不同的前端GIS客 户 、 GeoMedia（ IN
11、TERGRAPH） 和SpatialDesktop（SICAD）可以通过Internet在线地访问存放在新版SICADGeoDataServer上可互操作的地学数据资源，这一访问过程不需要传统的地理数据转换器。1、 ESRI及其合作伙伴lESRI的开放式软件体系结构支持以下几方面：l（1）基于SDE/CAD客户端的CAD和GIS数据的集成；l（2）GPS、图像处理和多媒体技术的集成；l（3）开放式软件开发，如RDBMS、扩充的关系DBMS、OODBMS和通用服务器。l表的上半部分是OpenGIS规范在各种平台上实现的软件厂商，这些平台包括SQL、OLE/COM，CORBA，Internet，
12、下 半 部 分 是 ESRI在 SQL， OLE/COM，CORBA，Internet平台上的具体产品）3、 SMALL WORLDlSMALLWORLD也是OGC的成员之一，它主要致力于面向对象的GIS开发，如SpatialObjectController（SOC）和VirtualDatabaseInterface（VDB）。4、 AUTODESKlAUTODESKCAD/GIS产品家族已实现了AutoCAD-MAP（CAD和GIS数据的集成）、Autodesk-World（GIS功能和Windows环 境 的 集 成 环 境 ） ， 以 及 Autodesk-MapGuide（地理数据在I
13、ntranet/Internet上的发布系统）。5、 DISGIS项目：分布式GIS模型方法和框架l由挪威测会局等单位完成，时间从1996年5月到1997年5月。主要为分布式系统，特别是开放式分布GIS提供模型、工具和框架，并将这些模型、工具和框架应用到具体的事例中，来证明其有效性和实用性。基于OpenGIS的开放式GIS软件l完全开发出适用于商业GIS的开放式GIS软件还需进一步努力。OGC制定了未来几年的工作计划。完成最基本的构件定义后，将着重考虑如在线地理数据的检索服务等更复杂的面向21世纪信息社会的服务功能。其中包括：l（1）地理空间特征的抽象和概括；l（2）地理空间信息的获取、注释和
14、抽取；l（3）地理空间坐标转换；l（4）地理空间分析、注册、形式化表达；l（5）影像理解、综合、制图等。地球空间数据的MetadatalMetadata被戈尔列为数字地球六大技术之一，美国联邦地理数据委员会（FGDC）1992年开展地理信息Metadata标准的讨论，FGDC、欧洲地理信息标准化委员会（CEN/TC287）、全球最大的地理空间信息产业组织OpenGIS协会以及国际标准化组织地理信息/地球信息业委员会（ISO/TC211）等单位均已成立了各自的Metadata工作组。Metadata的理解l美国联邦地理数据委员会（FGDC）和国际标准化组织（ ISO） 地 球 信 息 委 员 会
15、 （ ISO/TC2110认 为 ：“Metadata是关于数据内容、质量、条件以及其他特征的数据。lMeta是希腊语，意思是“改变”，Metadata定义为数据本身及其变化的描述。Metadata是关于数据，数据集的说明或描述。台湾将Metadata译作诠释数据。l欧洲标准化委员会（简称为：CEN/TC287）认为：“Metadata是描述地理数据集内容、表示、空间参考系、质量以及管理的数据”。与Metadata相关的概念l（1）数据字典（datadictionary）l（ 2） 数 据 百 科 全 书 （ dataencyclepedia）l（3）Metadatabasel（4）Metad
16、ata信息管理系统l（5）数据仓库（datawarehousing）Metadata的标准现状 lFGDC的Metadata体系lFGDC是美联邦地理数据委员会的缩写，它由农业部、商业部、能源部、内务部、众议院、交通部、环保局、国会图书馆、宇航局、档案局等多个部门组成，并由内务部负责，其主要功能是负责联邦地理数据的协调发展、使用、共享和宣传。l1994年6月8日批准了Metadata标准。FGDC于1997年4月又发布了Metadata的修改版，即Metadata2.0版本。ISO/TC211的Metadata体系l国际标准化组织ISO作为全球标准的权威机构，对地理数据标准化问题一直比较重视。
17、成立了地理信息/地理信息业技术委员会，即ISO/TC211，编号为15046，该委员会框架和参考模型（WG1）、地理空间数据模型和算法（WG2）、地理空间数据管理（WG3）、地理空间服务（WG4）、以及行业及功能标准（WG5）5个工作组组成。lMetadata标准的发展在第三工作组总第15工作小组中进行 ， 即 ISO15046-15， 地 理 信 息 -Metadata工 作 组 。ISO15046-15的目的是想通过建立一个Metadata术语、定义及扩展的公用集合，使地理数据的管理、检索和使用更加有效。CEN/TC287的Metadata体系l欧洲地理信息标准化委员会（CEN/TC287
18、），从1992年，就开始了有关数字地理信息标准化方面的工作，并成立了4个工作组，从地理信息标准化框架（WGI）、地 理 信 息 模 型 和 应 用 （ WG2） 、 地 理 信 息 传 输（WG3）以及地理信息定位参考系统（WG4）lCEN/TC287的Metadata以实用为主，因此它简洁的内容体系受到了国际社会的普遍关注。目前，它正在与ISO/TC211进行有力地合作，以使自己的内容体系能最大程度地被国际社会采纳。OpenGIS协会的Metadata体系lOpenGIS协会是目前全球最大的地理信息产业化组织，OpenGIS是1993年首先由美国的几个联邦机构和商业组织召开的有关“网络环境下
19、访问异质地理数据和地理处理资源”的会议上提出的概念体系。目前它们已取得了一致，即由ISO/TC211负责制定标准，而OpenGIS协会以该标准为蓝本进行软件实现，Metadata的理论基础l地理信息的模型建立理论l地理对象的抽象过程通常有9个层次，在这9个层次之间通过8个接口相互连接来实现了由现实世界到地理要素集合世界的转换。这9个层次依次为现实世界、概念世界、地理空间世界、尺度世界、项目世界、点世界、几何世界、地理要素世界以及要素集合世界，连接它们的8个接口分别为认识接口、GIS学科拉口、局域几何接口、空间参照系接口、几何结构接口、要素结构接口及项目结构连接。地理信息的表示方法l1、几何要素
20、的表示l在使用时，通常通过空间几何接口实现。l2、地理信息的存储方式lGIS其实是一种模型地理空间信息l3、地理信息的图层表示l用Metadata全面记录下数据的整个传递过程，使数据集的形成和使用更加容易理解。l4、图层的几何匹配lMetadata描述时，需要记录影像的匹配相对、数据集图层范围以及所对应的属性等相关元素，同时对描述它们各自的参数、单位以及数学模型等也要作一定的阐述。地理信息的空间坐标系模型l1、地球模型l2、地球的坐标表示l3、空间参照系的转换接口l坐标参照系模型也是Metadata的主要理论之一。地理信息的质量体系l1、质量评价过程lMetadata标准中，质量信息主要在标识
21、信息、数据质量信息以及数据继承关系等，元素有数据集的完备性、逻辑一致性、位置精度、时间精度、专题精度等。l2、多尺度评判依据l质量评定过程中，一般来说，数据的精度或准确度越高越好，但在实际应用中却不能不分对象一概而论。l地球是一个复杂系统，不少物体具有不确定性或模糊性特征。l3、数据的时效性与唯一性l4、数据精度的测试与报告Metadata标准的内容组织方式lMetadata内容按照元素的方式进行组织，具体分为部分、复合元素以及数据元素3个层次。 l1、部分lMetadata部分是定义具有相互关联的Metadata数据元素以及复合元素集合的一个Metadata子集。l2、复合元素l复合元素由一
22、组数据元素和其他复合元素组成，它是代表高层次的不能用单个数据元素描述的概念。l3、数据元素l数据元素是数据的最小组成单位，即图元Metadata，它由数据元素的名称、定义、约束条件、最大次数、数据类型、域值等组成。元素属性Metadata元素是用于确定和存储描述地理空间数据信息的独立单元，它由9个属性来定义，分别为编号、名称、英文名称、定义、约束条件、最大次数、数据类型、域值以及标识码。产生规则l产生规则用于表示复合元素与数据元素以及较低层次的复合元素之间的关系，它在Metadata中起着很重要的衔接作用。第一产生规则由左边（元素名称）和右边（规则表达式）组成，中间用等号连接，表示左边的术语可
23、以用右边的内容代替或以产生右边的术语。Metadata元素概述llMetadata标准内容部分：l1、标识信息l2、数据质量信息l3、数据集继承信息l4、空间数据表示信息l5、空间参照系信息实体l6、实体和属性信息l7、发行信息l8、Metadata参考信息l引用内容部分l9、引用信息l10、时间范围信息l11、联系信息l12、地址信息Metadata的实现lMetadata层次结构l1、Metadata软件需求l2、Metadata软件层次结构lMetadata软件逻辑模型l1、Metadata逻辑组成l2、Metadata的存储、编码和链接Metadata软件功能模块l1、登录功能l2、查
24、询功能l3、数据交换功能l4、安全保护功能l5、统计功能l6、数据发布功能Metadata软件实现方法l诸如数据库系统、网络以及Web浏览器等技术，通过这些技术以及前面所提的一些协议，软件人员便可以利用面向对象等技术描述管理Metadata体系，利用Web等技术设计Metadata的查询和返回页面，利用网络技术实现客户/服务器之间的通信等。空间数据结构的转换问题l空间数据标准化和相互转换，是真正意义上实现空间共享的重要前提。GIS空间数据结构的封闭性，长期以来一直是GIS的瓶颈，每个GIS软件系统必须耗费大量的时间进行数据转换工作，在尚未有统一的空间数据结构标准的前提下，这个问题对WebGIS
25、来说较为突出。解决这个问题的关键是要制定统一的数据结构标准，利用第三方开发的一个高效转换中间界。在国内，尽管不少有识之士较早就开呼吁建立统一的空间数据标准，由于各方面的原因，这项工作进展缓慢。在国外，这方面较好的标准和工具有： l（1）数字地理信息交换标准（DIGEST），它是数字地理信息工作组（DGIWG）的产品。DGIEG由来自北美和欧洲电力总部（SHAPE）组成。DIGEST可以处理栅格、矢量数据的转换（包括拓扑结构）。l（2）开放的地理数据互操作性规范（OGIS）是由开放的地理信息系统联合体（OpenGISConsortium）制定的，它主要是提供了一个开发软件的框架，支持数据模型和应
26、用开发，所开发的软件允许用户读取和处理多种地理数据。 l（3）空间数据转换标准（SDTS）是由美国地质测量协会（USGS）制定的空间数据在不同计算机系统上的转换标准。它的转换过程是先将数据编码成SDTS文件，再由该SDTS文件转成与SDTS标准兼容的数据格式文件，最后，对文件进行解码便可使用。l（4）空间档案和交换格式（SAIF）是由theGovernmentofBritishColumbiaofCanana制定的，它使用一种叫“SAIF/ZIP”的文件格式形成一个通用的转换器，使不同数据格式的数据能方便地转入和转出。l（5）开放的地理空间数据存储接口（OGDI）是一种新的地理空间数据的标准化读取和转换的技术，实质上是一种应用程序接口（API），它可以将不同数据格式转换成一个统一的数据模型，但是目前只能支持单项转入。通用数据格式转换器
