地理信息共享与互操作技术为何及如何实现 地理信息的共享 ？地理信息共享的必要性l为什么说地理信息共享有意义，最简单的原 因就是：我们共有一个地球。l随着地理信息资源内容和种类的增多,地理信 息共享的必要性和难度也日益显现:一方面, 社会各界对地理信息的共享需求越来越强烈; 另一方面,大量数据用户苦于寻找可以使用的 数据,有时即便知道数据拥有者或数据的存储 地址,但却由于数据格式的差异不能真正使用 获得的数据。地理信息共享的解决方法l由于许多应用所需的数据可能来自不 同数据源，这涉及到不同数据源之间 地理信息的共享和集成，而实现地理 信息共享的根本解决办法是地理信息 源之间具备互操作能力。地理信息共享和互操作地理信息共享和互操作 方式方式地理信息共享和互操作方式数据格式转换 数据转换软件 基于直接访问的地理信息 共享和互操作 基于网络服务的地理信息 共享和互操作一、数据格式转换数据格式转换是最基本的地理信息共享方式，它经 历了两个发展阶段：l最初的数据格式转换是不同GIS系统的数据格式之 间的直接转换，这种方式不仅会导致信息损失，而 且只有在详细掌握对方数据结构的前提下才能实现 。l后来采用空间数据交换格式标准作为中介实现不同 GIS之间的数据转换。但是这些数据格式转换标准 一般都很复杂，需要软件公司投入较大资金和精力 去支持和维护。上图显示了基于数据格式转换技术实现 数据共享和互操作的基本过程，它需要 两次数据转换。此外，数据格式转换一 般是整个数据集的批量转换，换句话说 ，就是将一种格式的数据文件转换为另 外一种格式的数据文件，无法实现地理 要素级的在线数据共享和数据更新，所 以并不是真正意义上的地理信息共享和 互操作。二、数据转换软件l空间数据转换软件是一种专门用于不同 空间数据格式之间进行数据转换的软件 。它可以看成是一种中间平台，不同格 式的空间数据通过它转入或转出。利用 这种软件可以很方便地进行不同空间数 据格式之间的数据转换。如果这种软件 采用组件技术设计，用户还可以用它进 行二次开发，添加新的数据格式。通用数据格式转换器 三、基于直接访问的地理信息共 享和互操作l基于直接访问的数据共享意味着一个GIS系统直接读取多个数据 源（包括数据库和其他GIS系统）不同格式的数据,它避免了数据 格式转换的繁琐过程，提供了一种较为经济实用的数据共享和互 操作模式。l比如Intergrap的GeoMedia实现了对大多数GISCAD软件数据格式 的直接访问，如MGE、Arc/Info、Oracle Spatial、SQLServer、 Access MDB等。中国科学院地理信息产业发展中心开发的 SuperMap2.0则提供了存取MapInfo、Oracl Spatial、ESRI ArcSDE 、SuperMap SDB文件等的API函数；武汉武大吉奥有限公司开发 的GeoStar提供了读取ArcInfo的shapefile和E00、Oracl Spatial、 ESRI ArcSDE和MapInfo的MIF数据等API函数。l直接访问数据的前提是要充分了解数据 源的数据格式和数据模型，如果某个数 据源的数据不公开，直接访问其数据就 比较困难，此外，如果宿主软件改变了 原有的数据格式，应用软件的数据访问 函数就需要更新和调整，而且针对不同 数据格式的数据源需要编写相应的访问 函数，这会给软件开发商造成很大的负 担和软件维护压力。l为了支持网络环境下的空间数据在线共 享和异构数据的直接访问，OGC和 ISO/TC211等国际标准化组织根据不同的 通讯协议分别定义了基于SQL、DCOM 和CORBA的公共数据访问接口的API函 数。l如图所示，不同系统之间可以通过调用 彼此提供的数据访问接口实现数据共享 。l这种基于API函数的数据访问接口采用二进制 格式传输数据，效率很高，但是结构复杂不易 被理解和应用。此外，基于CORBA和DCOM 分布式系统的数据请求方和数据服务方采用紧 密耦合的模式，如果服务方接口发生变化，请 求方必须做相应修改，并且由于使用私有的协 议容易受到防火墙的限制，使基于公共接口的 直接访问方法的推广应用也存在一定困难。四、基于网络服务的地理信息共 享和互操作lW3C（The World Wide Web Consortium）网络服务架 构工作组定义网络服务（Web Service）是一个由统一 资源标识码（Uniform Resource Identifer，URI）标识 的软件应用程序，它的接口和物理位置由XML编码来 定义、描述和发现；一个Web Service可以在HTTP协议 之上通过基于XML的消息传递机制实现与其他软件程 序之间的交互。lWeb Service具有自包含、自组织、自描述、模块化、 标准化、网络化、开放化、语言独立、可互操作性、 动态性等特性，这些特性使得Web Service成为现在乃 至将来地理信息共享和互操作的重要途径和发展趋势 ，被软件工业界和地理信息系统界公认的最好方法。lISO、OGC和FGDC等标准化组织依据网络服 务、地理信息共享和互操作特性制定了相关标 准和规范，定义了统一的地理信息服务接口， 使得用户可以通过相同方式访问不同数据源的 数据，而无须掌握数据源的位置和内部结构。 l很多GIS厂商竞相推出基于网络服务标准的网 络GIS平台，如ESRI的ArcIMS、ArcExplore， 并在此基础上基于OGC规范开发了地理信息服 务组件，这些地理信息服务组件还可以被其他 GIS系统及其组件直接调用实现系统之间的数 据共享和互操作。l上图显示了基于网络服务的地理信息共享和互操作的 基本思想。不同的GIS系统遵循地理信息网络服务标准 开发各自的Web Services，其他的GIS系统或者客户端 通过调用其Web Service的服务接口访问其可以提供的 地理数据，而且不同Web Service之间也可以直接调用 彼此的服务接口进行交互。l实际上，Web Services不仅仅由GIS系统提供，还可以 由地理信息用户根据需要自行开发，只要符合地理信 息网络服务标准就可以为其他用户提供自己拥有的数 据。所以地理信息网络服务标准是实现网络环境下地 理信息共享和互操作的关键。地理信息共享和互操作的地理信息共享和互操作的 标准与规范标准与规范l下面将简单介绍ISO和OGC的元数据 标准、OGC的GML规范和网络数据服 务规范的基本内容。一、元数据标准l元数据被定义为“数据的数据”，它提供地理数据集的 相关信息，包括数据集的来源、地址、质量、范围、 用途、数据提供者的信息、访问约束条件等。l美国联邦地理数据委员会(Federal Congraphic Data Committee，FGDC)在20世纪90年代制定了数字地理空 间数据的元数据标准，其中包括以下几个方面：标识 信息、数据质量信息、空间数据组织信息、空间参照 系信息、实体和属性信息、发行信息和元数据参考信 息等。ISO和OGC以FGDC等现有标准为基础制定了地 理信息元数据标准。l上图显示了ISO 19115中定义的元数据的组成元 素，包括数字地理数据标识、覆盖范围、质量 、空间和时间模式、空间参照系统和发行等， 还定义了适用于元数据全部应用范围（包括数 据查找、确定数据的适用程度、数据访问、数 据传输和数字数据应用）所需要的最小元数据 集核心元数据，主要提供有关数字地理数据 的标识、质量、内容、分发、参照系等方面的 信息。l该标准适用于数据集编目、数据交换网络，以 及数据集的详尽说明。二、地理标记语言l地理标记语言（Geography Markup Language， 简称GML）由OGC于1999年提出，并得到了许 多公司的大力支持，如Oracle、Galdos、 MapInfo、CubeWerx等。GML定义了若干不同 类型的对象来描述地理空间对象的空间数据和 非空间属性数据。lGML为网络时代的地理空间Web领域提供了一 种“开放式”的标准，它的出发点是空间数据编 码，包括分布式空间数据的编码。 OGC推出GML的目的如下： 提供适用于Internet环境的空间信息编码方式，用于数据传 输和存储； 能够扩展，用以支持对空间信息的多样化需求，不管是用 于对空间信息的单纯描述，还是进行更深层次的分析使用； 以一种可扩展和标准化的方式为基于Web的GIS建立良好 的基础； 允许对地理空间数据进行高效率编码； 提供了一种容易理解的空间信息和空间关联的编码方式； 实现空间和非空间数据的内容和表现形式的分离； 易于将空间信息和非空间信息进行整合； 易于将空间几何元素与其它空间或非空间元素连结起来； 提供一系列公共地理建模对象，从而使各自独立开发的应 用之间互操作成为可能。 l目前，GML规范的最新版本是GML3.1，GML3.1 提供的基本模式是用户建模的元模式，用户可以 根据实际需要选择必要的元模式进行建模，构造 自己的应用模式（Application Schema）。GML规 范还定义一些实现特定功能所必须的一个或多个 基础标准和/或专用标准。GML3.1专用标准通常使 用“拷贝和删除”方法来实现。为了生成一个专用 标准，开发者可从GML3.1模式文档中拷贝所需应 用模式，简单删除应用模式不需要的全局类型、 元素和局部可选内容之后，形成一个适用于特定 功能的专用标准。三、地理信息网络数据服务规范l地理信息网络数据服务是指通过网络提供的存 储、管理、传输和操作地理数据的服务。它是 地理信息网络服务的一种表现，也是实现地理 信息互操作的重要途径。地理信息网络服务规 范定义了数据服务的标准接口，服务开发者根 据接口标准，基于某个平台来实现数据服务。l下面简单介绍Web地图服务、Web要素服务、 Web覆盖服务3个网络空间数据服务规范的基 本内容。3.1 WEB地图服务规范lWeb地图服务（Web Map Service，WMS）是指基 于现有的地理信息动态生成数字栅格地图的服务。 WMS能够提供多种格式的数字栅格地图，如PNG 、GIF、JPEG和SVG等。WMS规范定义以数字栅 格地图形式表达地理信息的标准服务接口，其中包 括3个操作:GetCapabilities操作、GetMap操作和 GetFeatureInfo操作。lGetCapabilities操作返回服务元数据XML文档lGetMap操作务器上获取一个数字栅格地图用于从 一个WMS服lGetFeatureInfo操作用于获取数字栅格地图上某个地 理要素的详细信息l客户端或其他服务组件通过调用WMS服务的 GetCapabilities操作，获取服务的描述以及服务 提供的操作和数据的信息，客户端根据 GetCapapbilities操作返回的服务元数据文档指 定要获取地图的图层、范围、投影等参数；之 后，向Web地图服务发送GetMap操作请求，获 取指定大小和格式的数字栅格地图；如果客户 端对图像上的某些要素感兴趣，且WMS服务 又能提供这些地理要素的详细信息，客户端可 以发送GetFeatureInfo操作请求获取这些地理要 素的详细信息。3.2 WEB覆盖服务规范lWeb覆盖服务（Web Coverage Service，WCS） 将地理空间数据通过地理覆盖（Coverage）形 式提供数字式地理信息，数字地理信息可以用 来表示任何随空间变化的地理现象lWMS服务提供的是根据客户端请求条件选择 的部分地理数据所谓的静态地图，而不是所有 地理数据本身，而WCS提供的是格网形式的数 据及其详细的描述信息，这些数据保持原始语 义并能够被解译和判读，不仅仅是为了显示。l简单地说WCS返回给客户端栅格覆盖 数据（grid coverage），它反映地理现 象的真实状态。Grid coverage是在1维 、2维或3维空间坐标参考系下沿坐标 轴方向规则划分的空间格网，每个网 格的值可以是一个独立的值（例如高 程）