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GIS多源數(shù)據(jù)集成模式評(píng)述
[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(lái)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(píng)價(jià)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(gè)層次：
�。�1）多語(yǔ)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(duì)象的多種類(lèi)特點(diǎn)決定了地理信息的多語(yǔ)義性。對(duì)于同一個(gè)地理信息單元（feature），在現(xiàn)實(shí)世界中其幾何特征是一致的，但是卻對(duì)應(yīng)著多種語(yǔ)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(shí)也包括經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息，如行政區(qū)界限、人口、產(chǎn)量等。一個(gè)GIS研究的決不會(huì)是一個(gè)孤立的地理語(yǔ)義，但不同系統(tǒng)解決問(wèn)題的側(cè)重點(diǎn)也有所不同，因而會(huì)存在語(yǔ)義分異問(wèn)題。
�。�2）多時(shí)空性和多尺度
GIS數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的時(shí)空特性。一個(gè)GIS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)源既有同一時(shí)間不同空間的數(shù)據(jù)系列；也有同一空間不同時(shí)間序列的數(shù)據(jù)。不僅如此，GIS會(huì)根據(jù)系統(tǒng)需要而采用不同尺度對(duì)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(shí)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(lái)自現(xiàn)有系統(tǒng)、圖表、遙感手段、GPS手段、統(tǒng)計(jì)調(diào)查、實(shí)地勘測(cè)等。這些不同手段獲得的數(shù)據(jù)其存儲(chǔ)格式及提取和處理手段都各不相同。
�。�4）存儲(chǔ)格式多源性
GIS數(shù)據(jù)不僅表達(dá)空間實(shí)體（真實(shí)體或者虛擬實(shí)體）的位置和幾何形狀，同時(shí)也記錄空間實(shí)體對(duì)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(chēng)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(lèi)。傳統(tǒng)的GIS一般將屬性數(shù)據(jù)放在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，而將圖形數(shù)據(jù)存放在專(zhuān)門(mén)的圖形文件中。不同的GIS軟件采取不同的文件存儲(chǔ)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(lái)，正和IT行業(yè)完全融合，人們對(duì)空間信息的需求也越來(lái)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(guó)副總統(tǒng)戈?duì)柼岢鰯?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(shí)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(kù)集成等瓶頸問(wèn)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(chǔ)和管理空間數(shù)據(jù)的發(fā)展道路，這為GIS完全和MIS無(wú)縫集成邁出了重要的一步。但因?yàn)镚IS處理的數(shù)據(jù)對(duì)象是空間對(duì)象，有很強(qiáng)的時(shí)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(zhǎng)一段時(shí)間處于以具體項(xiàng)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(wèn)題變得尤為突出。
空間數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)類(lèi)型的一種，同普通數(shù)據(jù)一樣需要走過(guò)從分散到統(tǒng)一的過(guò)程。在計(jì)算機(jī)的發(fā)展過(guò)程中，先是數(shù)據(jù)去適應(yīng)系統(tǒng)，每一個(gè)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(kù)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生；隨著時(shí)代的發(fā)展，信息共享的需求越來(lái)越多，不同數(shù)據(jù)庫(kù)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(xún)語(yǔ)言）以及ODBC的出現(xiàn)為這一難題提供了比較滿(mǎn)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(shuō)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(shí)。
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(lái)了極大的不便，解決多格式數(shù)據(jù)源集成一直是近年來(lái)GIS應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中需要解決的重要問(wèn)題。目前，實(shí)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(wèn)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。在這種模式下，其他數(shù)據(jù)格式經(jīng)專(zhuān)門(mén)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(kù)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/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(jù)轉(zhuǎn)換模式主要存在的問(wèn)題是：
�。�1）由于缺乏對(duì)空間對(duì)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(duì)象時(shí)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(lái)，違背了數(shù)據(jù)分布和獨(dú)立性的原則；如果數(shù)據(jù)來(lái)源是多個(gè)代理或企業(yè)單位，這種方法需要所有權(quán)的轉(zhuǎn)讓等問(wèn)題[1]。 美國(guó)國(guó)家空間數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（NSDI）中制定了統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)格式規(guī)范SDTS（Spatial Data Transformation Standard），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(duì)象描述基礎(chǔ)的問(wèn)題。但SDTS目前還很不完善，還不能完全概括空間對(duì)象的不同描述方法，并且還不能統(tǒng)一為各個(gè)層次以及從不同應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榭臻g數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；并且SDTS沒(méi)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(guò)格式轉(zhuǎn)換復(fù)制到系統(tǒng)中，不能自動(dòng)同步更新。
2 、數(shù)據(jù)互操作模式
數(shù)據(jù)互操作模式是OpenGIS consortium (OGC) 制定的規(guī)范。OGC是為了發(fā)展開(kāi)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(gè)非盈利組織。GIS互操作是指在異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)和分布計(jì)算的情況下，GIS用戶(hù)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(gè)系統(tǒng)同時(shí)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(chēng)為數(shù)據(jù)服務(wù)器（Data Servers），把使用數(shù)據(jù)的軟件稱(chēng)為數(shù)據(jù)客戶(hù)（Data Clients），數(shù)據(jù)客戶(hù)使用某種數(shù)據(jù)的過(guò)程就是發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求，由數(shù)據(jù)服務(wù)器提供服務(wù)的過(guò)程，其最終目的是使數(shù)據(jù)客戶(hù)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(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)間服務(wù)器和客戶(hù)端之間數(shù)據(jù)請(qǐng)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，將被越來(lái)越多的GIS軟件以及研究者所接受和采納。目前，還沒(méi)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(kāi)放式的時(shí)代，從而為空間數(shù)據(jù)集中式管理和分布存儲(chǔ)與共享提供了操作的依據(jù)。OGC標(biāo)準(zhǔn)將計(jì)算機(jī)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(hù)軟件，對(duì)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(lái)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(lái)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(shí)現(xiàn)各種格式數(shù)據(jù)之間的互操作，需要每個(gè)每種格式的宿主軟件都按照著統(tǒng)一的規(guī)范實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口，在一定時(shí)期內(nèi)還不現(xiàn)實(shí)；其次，一個(gè)軟件訪問(wèn)其他軟件的數(shù)據(jù)格式時(shí)是通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)際上就是被訪問(wèn)數(shù)據(jù)格式的宿主軟件，也就是說(shuō)，用戶(hù)必須同時(shí)擁有這兩個(gè)GIS軟件，并且同時(shí)運(yùn)行，才能完成數(shù)據(jù)互操作過(guò)程。
3、直接數(shù)據(jù)訪問(wèn)模式
顧名思義，直接數(shù)據(jù)訪問(wèn)指在一個(gè)GIS軟件中實(shí)現(xiàn)對(duì)其他軟件數(shù)據(jù)格式的直接訪問(wèn)，用戶(hù)可以使用單個(gè)GIS軟件存取多種數(shù)據(jù)格式。直接數(shù)據(jù)訪問(wèn)不僅避免了繁的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，而且在一個(gè)GIS軟件中訪問(wèn)某種軟件的數(shù)據(jù)格式不要求用戶(hù)擁有該數(shù)據(jù)格式的宿主軟件，更不需要該軟件運(yùn)行。直接數(shù)據(jù)訪問(wèn)提供了一種更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的多源數(shù)據(jù)集成模式。
目前使用直接數(shù)據(jù)訪問(wèn)模式實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)集成的GIS軟件主要有兩個(gè)，即： Intergraph 推出的GeoMedia系列軟件和中國(guó)科學(xué)院地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心研制的SuperMap。GeoMedia實(shí)現(xiàn)了對(duì)大多數(shù)GIS/CAD軟件數(shù)據(jù)格式的直接訪問(wèn)，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(duì)Arc/Info Coverage、AutoCAD DWG、MicroStation DGN、ArcView等數(shù)據(jù)格式的直接訪問(wèn)。
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(kù)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(kù)平臺(tái)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(kù)中。文件方式對(duì)數(shù)據(jù)管理安全性較差，存在著屬性和圖形分開(kāi)管理的問(wèn)題，不適合網(wǎng)絡(luò)共享發(fā)展的需要；數(shù)據(jù)庫(kù)方式則實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)一體化存儲(chǔ)和管理，便于開(kāi)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(shì)來(lái)看，純關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)方案取代文件方案是發(fā)展的必然趨勢(shì)，這也是IT發(fā)展的主流趨勢(shì)。隨著對(duì)信息量需求的增大以及信息需求種類(lèi)增多，數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的建立，將是GIS文件系統(tǒng)向數(shù)據(jù)庫(kù)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(huì)停滯不前，相反筆者認(rèn)為SDTS將會(huì)與OpenGIS走向一體化。SDTS 可以為OpenGIS提供一個(gè)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(lài)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(zhuān)門(mén)提供格式說(shuō)明，而數(shù)據(jù)客戶(hù)也不必專(zhuān)門(mén)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(jiǎn)單地說(shuō)就是如果說(shuō)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(xiě)這個(gè)頭文件的標(biāo)準(zhǔn)方法。如果再采用數(shù)據(jù)庫(kù)作后臺(tái)，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(duì)客戶(hù)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(chēng)作DLG/F的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了空間數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，利用該結(jié)構(gòu)可以將拓?fù)潢P(guān)系動(dòng)態(tài)記錄下來(lái)，同時(shí)可以讓用戶(hù)添加自定義的空間數(shù)據(jù)類(lèi)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(shí)體編碼
多源空間數(shù)據(jù)據(jù)格式集成還有一個(gè)很重要的方面就是如何處理不同數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)空間實(shí)體采用的編碼方式不同的問(wèn)題。從理論上來(lái)說(shuō)，一個(gè)系統(tǒng)對(duì)同一空間實(shí)體的編碼應(yīng)該是唯一的，實(shí)際上由于不同領(lǐng)域從不同視角對(duì)同一空間實(shí)體編碼并不一樣，甚至?xí)霈F(xiàn)不同空間實(shí)體具有相同編碼的情況，這些編碼放在同一系統(tǒng)中，就會(huì)出現(xiàn)空間實(shí)體標(biāo)識(shí)的嚴(yán)重問(wèn)題。從目前來(lái)看，OpenGIS和SDTS都是基于地理特征（Feature）定義空間實(shí)體的，但都還不能真正提供一個(gè)通用的空間實(shí)體編碼體系。
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