淺析GIS多源數(shù)據集成模式論文
[摘要] 地理信息系統(tǒng)的迅速發(fā)展和廣泛應用導致了空間數(shù)據多源性的產生，為數(shù)據綜合利用和數(shù)據共享帶來不便。本文探討空間數(shù)據多源性的產生和表現(xiàn)，指出多數(shù)據格式是多源空間數(shù)據集成的瓶頸；分析和評價了多源空間數(shù)據集成的三種模式，并展望了多源數(shù)據集成的發(fā)展方向。
一、多數(shù)據格式是多源空間數(shù)據集成的瓶頸
1、空間數(shù)據多源性的產生和表現(xiàn)
空間數(shù)據多源性的產生和表現(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；同時也包括經濟社會信息，如行政區(qū)界限、人口、產量等。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)據具有很強的時空特性。一個GIS系統(tǒng)中的數(shù)據源既有同一時間不同空間的數(shù)據系列；也有同一空間不同時間序列的數(shù)據。不僅如此，GIS會根據系統(tǒng)需要而采用不同尺度對地理空間進行表達，不同的觀察尺度具有不同的比例尺和不同的精度。GIS數(shù)據集成包括不同時空和不同尺度數(shù)據源的集成。
（3）獲取手段多源性
獲取地理空間的數(shù)據的方法有多種多樣，包括來自現(xiàn)有系統(tǒng)、圖表、遙感手段、GPS手段、統(tǒng)計調查、實地勘測等。這些不同手段獲得的數(shù)據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)據不僅表達空間實體（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的屬性，這就決定了GIS數(shù)據源包含有圖形數(shù)據（又稱空間數(shù)據）和屬性數(shù)據兩部分。圖形數(shù)據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)據放在關系數(shù)據庫中，而將圖形數(shù)據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)據集成的迫切性
隨著Internet網絡的飛速發(fā)展和普及，信息共享已經成為一種必然的要求。地理信息也不例外，隨著信息技術以及GIS自身的發(fā)展，GIS已經從純粹地學技術系統(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)據多格式、多數(shù)據庫集成等瓶頸問題。隨著技術發(fā)展，GIS已經逐步走向完全以純關系數(shù)據存儲和管理空間數(shù)據的發(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)據對象是空間對象，有很強的時空特性，獲取數(shù)據的手段也復雜多樣，這就形成多種格式的原始數(shù)據，再加上GIS應用系統(tǒng)很長一段時間處于以具體項目為中心孤立發(fā)展狀態(tài)中，很多GIS軟件都有自己的數(shù)據格式，這使得GIS的數(shù)據共享問題變得尤為突出。
空間數(shù)據作為數(shù)據類型的一種，同普通數(shù)據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)據去適應系統(tǒng)，每一個系統(tǒng)都為傾向于擁有自己的數(shù)據格式；隨著數(shù)據量的增多，數(shù)據庫系統(tǒng)應運而生；隨著時代的發(fā)展，信息共享的需求越來越多，不同數(shù)據庫之間的數(shù)據交換成了瓶頸；SQL（標準結構化查詢語言）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)據如何引進這種思想，或者說將空間數(shù)據也納進標準組織和標準協(xié)議進行規(guī)范和管理，從而使空間數(shù)據共享成為現(xiàn)實。
二、 GIS多源數(shù)據集成模式比較
由于地理信息系統(tǒng)的圖形數(shù)據格式各異，給信息共享帶來了極大的不便，解決多格式數(shù)據源集成一直是近年來GIS應用系統(tǒng)開發(fā)中需要解決的重要問題。目前，實現(xiàn)多源數(shù)據集成的方式大致有三種，即：數(shù)據格式轉換模式、數(shù)據互操作模式、直接數(shù)據訪問模式。
1 、數(shù)據格式轉換模式
格式轉換模式是傳統(tǒng)GIS 數(shù)據集成方法（圖1）。在這種模式下，其他數(shù)據格式經專門的數(shù)據轉換程序進行格式轉換后，復制到當前系統(tǒng)中的數(shù)據庫或文件中。這是目前GIS系統(tǒng)數(shù)據集成的主要辦法。目前得到公認的幾種重要的空間數(shù)據格式有：ESRI公司的Arc/Info Coverage、ArcShape Files、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)據轉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)據格式描述空間對象時采用的數(shù)據模型不同，因而轉換后不能完全準確表達源數(shù)據的信息。
（2）這種模式需要將數(shù)據統(tǒng)一起來，違背了數(shù)據分布和獨立性的原則；如果數(shù)據來源是多個代理或企業(yè)單位，這種方法需要所有權的轉讓等問題。 美國國家空間數(shù)據協(xié)會（NSDI）確定制定了統(tǒng)一的空間數(shù)據格式規(guī)范SDTS（Spatial Data Transformation Standard），包括幾何坐標、投影、拓撲關系、屬性數(shù)據、數(shù)據字典，也包括柵格格式和矢量格式等不同的空間數(shù)據格式的轉換標準。許多軟件利用SDTS提供了標準的空間數(shù)據交換格式。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)據格式之間缺乏統(tǒng)一的空間對象描述基礎的問題。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用領域為空間數(shù)據轉換提供統(tǒng)一的標準；并且SDTS沒有為數(shù)據的集中和分布式處理提供解決方案，所有的`數(shù)據仍需要經過格式轉換復制到系統(tǒng)中，不能自動同步更新。
2 、數(shù)據互操作模式
數(shù)據互操作模式是OpenGIS consortium (OGC) 制定的規(guī)范。OGC是為了發(fā)展開放式地理數(shù)據系統(tǒng)、研究地學空間信息標準化以及處理方法的一個非盈利組織。GIS互操作是指在異構數(shù)據庫和分布計算的情況下，GIS用戶在相互理解的基礎上，能透明地獲取所需的信息。OGC為數(shù)據互操作制定了統(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)據格式成為可能。根據OGC頒布的規(guī)范，可以把提供數(shù)據源的軟件稱為數(shù)據服務器（Data Servers），把使用數(shù)據的軟件稱為數(shù)據客戶（Data Clients），數(shù)據客戶使用某種數(shù)據的過程就是發(fā)出數(shù)據請求，由數(shù)據服務器提供服務的過程，其最終目的是使數(shù)據客戶能讀取任意數(shù)據服務器提供的空間數(shù)據。OGC規(guī)范基于OMG的CORBA、Microsoft的OLE/COM以及SQL等，為實現(xiàn)不同平臺間服務器和客戶端之間數(shù)據請求和服務提供了統(tǒng)一的協(xié)議。OGC規(guī)范正得到OMG和ISO的承認，從而逐漸成為一種國際標準，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)據互操作為多源數(shù)據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)據集中式管理和分布存儲與共享提供了操作的依據。OGC標準將計算機軟件領域的非空間數(shù)據處理標準成功地應用到空間數(shù)據上。但是OGC標準更多考慮到采用了OpenGIS協(xié)議的空間數(shù)據服務軟件和空間數(shù)據客戶軟件，對于那些歷史存在的大量非OpenGIS標準的空間數(shù)據格式的處理辦法還缺乏標準的規(guī)范。而從目前來看，非OpenGIS標準的空間數(shù)據格式仍然占據已有數(shù)據的主體。
數(shù)據互操作規(guī)范為多源數(shù)據集成帶來了新的模式，但這一模式在應用中存在一定局限性：首先，為真正實現(xiàn)各種格式數(shù)據之間的互操作，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)據訪問接口，在一定時期內還不現(xiàn)實；其次，一個軟
件訪問其他軟件的數(shù)據格式時是通過數(shù)據服務器實現(xiàn)的，這個數(shù)據服務器實際上就是被訪問數(shù)據格式的宿主軟件，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)據互操作過程。
3、直接數(shù)據訪問模式
顧名思義，直接數(shù)據訪問指在一個GIS軟件中實現(xiàn)對其他軟件數(shù)據格式的直接訪問，用戶可以使用單個GIS軟件存取多種數(shù)據格式。直接數(shù)據訪問不僅避免了繁的數(shù)據轉換，而且在一個GIS軟件中訪問某種軟件的數(shù)據格式不要求用戶擁有該數(shù)據格式的宿主軟件，更不需要該軟件運行。直接數(shù)據訪問提供了一種更為經濟實用的多源數(shù)據集成模式。
目前使用直接數(shù)據訪問模式實現(xiàn)多源數(shù)據集成的GIS軟件主要有兩個，即： Intergraph 推出的GeoMedia系列軟件和中國科學院地理信息產業(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)據格式的直接訪問，包括：MGE、Arc/Info、Frame、Oracle Spatial、SQL Server、Access MDB等(圖2)。SuperMap 2.0則提供了存取SQL Server、Oracle Spatial、ESRI SDE、Access MDB、SuperMap SDB文件等的能力，在以后的版本中將逐步支持對Arc/Info Coverage、AutoCAD DWG、MicroStation DGN、ArcView等數(shù)據格式的直接訪問。
三、多源空間數(shù)據格式集成的展望
1 、文件方式和數(shù)據庫方式
傳統(tǒng)的空間數(shù)據往往采用文件方式，隨著技術的進步，逐漸將屬性數(shù)據移植到數(shù)據庫平臺上；隨著技術發(fā)展，圖形數(shù)據也可以和屬性數(shù)據一起存放在關系數(shù)據庫中。文件方式對數(shù)據管理安全性較差，存在著屬性和圖形分開管理的問題，不適合網絡共享發(fā)展的需要；數(shù)據庫方式則實現(xiàn)了空間數(shù)據和屬性數(shù)據一體化存儲和管理，便于開發(fā)兩層、三層甚至多層網絡應用系統(tǒng)。從發(fā)展趨勢來看，純關系數(shù)據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)據倉庫的建立，將是GIS文件系統(tǒng)向數(shù)據庫系統(tǒng)發(fā)展的主流。
2 、OpenGIS、SDTS與DLG/F
OpenGIS是目前的主流標準，但SDTS并不會停滯不前，相反筆者認為SDTS將會與OpenGIS走向一體化。SDTS 可以為OpenGIS提供一個轉換和存取空間數(shù)據的標準，該標準是不依賴任何一種特定GIS軟件格式的，該標準中利用頭文件描述格式的方式使得數(shù)據服務者不必專門提供格式說明，而數(shù)據客戶也不必專門學習該格式，只需讀取SDTS頭文件就可獲得數(shù)據服務者提供的數(shù)據格式。筆者認為利用SDTS做數(shù)據標準，利用OGC作數(shù)據互操作的標準（例如空間SQL標準），簡單地說就是如果說SDTS提供了數(shù)據格式的頭文件，而OGC標準則提供了讀寫這個頭文件的標準方法。如果再采用數(shù)據庫作后臺，利用空間數(shù)據引擎，空間數(shù)據引擎按照SDTS存取空間數(shù)據，按照OGC標準對客戶軟件提供操作接口，這將是空間數(shù)據集成的理想解決方案。 USGS還提供了一種稱作DLG/F的標準，該標準設計了空間數(shù)據在數(shù)據庫中的動態(tài)存儲結構，利用該結構可以將拓撲關系動態(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)據據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該是唯一的，實際上由于不同領域從不同視角對同一空間實體編碼并不一樣，甚至會出現(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)空間實體標識的嚴重問題。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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