（地图学与地理信息系统专业论文）土地利用规划异构空间数据整合研究.pdf

中文摘要 地理信息系统是综合分析空间数据的一种技术系统，它包括空间数据的采 集、存储、管理和分析。数据是地理信息系统的重要组成部分。 最近二十年来，g i s 软件层出不穷，不同的软件都有各自不同的数据格式， 因此导致了空间数据异构性的产生。多源空间数据可以包括多数据来源、多数据 格式、多时空数据、多比例尺( 多精度) 、多语义性几个层次。随着地理信息系 统的发展，空间数据共享与集成已经成为一种必然要求，然而要真正实现空间数 据共享，多格式空间数据整合是一个亟待解决的问题。 土地利用规划数据信息是国土资源和空间地理基础信息资源的重要组成部 分，由于部门管理的土地利用规划信息基本上还是由行业内部所持有，许多还 没有遵照统的标准与规范，缺乏应有的沟通和信息流动，因此广泛地存在着语 义上的分歧，具有数据结构复杂、存储格式多样、分布广泛的特点。这就使得跨 平台的数据共享出现困难，形成所谓的“信息孤岛”。因此，如何建立土地利用 规划数据集共享机制，整合多源异构土地利用规划数据，实现土地利用规划数据 的集成与共享已成为土地资源信息化建设的关键所在 本文以“江苏省省级土地利用规划数据建库”项目为支撑，以探求不同规 划数据源之间空间数据整合方法为目的，按照一定的数据标准，对土地利用规划 数据进行差异分析与整理，通过转换、编辑、加载入库整合成为一个有机的整体。 在数据整合中主要通过语义转换的模式来实现不同格式数据源之间的转 换，通过g e o d a t a b a s e 数据模型对转换后数据进行集成，在入库后的数据组织与 管理上采用空间数据引擎的方式来进行管理。 关键词：异构空间数据，共享模式，数据模型，土地利用规划数据整合 a b s t r a c t g i si sas o r to ft e c h n i c a ls y s t e mw h i c hc a na n a l y z et h es p a t i a ld a t as y n t h e t i c a l l y i tc o n t a i n s t h ep a n so fc o l l e c t i o n ，s t o r a g e ，m a n a g e m e n ta n da n a l y s i so fs p a t i a ld a t a d a t ai st h em o s t i m p o r t a n tp a r to f g l s m a n yk i n d so fg i ss o f t w a r e sh a v e b e e np u to u tt ob eu s i n gs i n c e l a t t e r l yt e w e n t y y e a r s ，b e c a u s et h e y c o m ef r o mm a n yd i f f e r e n td a t af o r m a t s ，i tl e a d st h e c o m i n go f h e t e r o g e n e o u ss a p a t i a ld a t a s o u r c e b l es p a t i a id a t ac a ni n c l u d et h e s em e a n i n g ss u c ha sd i f f e r e n t d a t as o u r c e ，d i f f e r e n td a t af o t r e a t s t d i f i e r e n tk i n d so f s p a t i o - t e m p o r a ld a t a ，d i f i e r e n tk i n d so f s c a l e ( d i f f e r e n tk i n d so fd e f i n i t i o n ) a n dd i f f e r e n ts e m a n t i cm e a n i n g s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f g i s i ti sn e c e s s a r yt op u ts p a t i a ld a t au s i n gb yt h ew a yo fs h a r i n ga n di n t e g r a t i o n w h i l et h e r ei sa p r o b l e mi ni n t e g r a t i n gd i f f e r e n tf o r m a ls p a t i a ld a t a i tn e e d st ob er a v e l e do u ti f w ew a n tt or e s o l v e t h ep r o b l e m ， l a n d u s ep l a n n i n gd a t ai n f o r m a t i o ni st h ei m p o r t a n tp a r to fs t a t e l a n dr e s o u r c ea n dg e o g r a p h i c s p a t i a l i n f o r m a t i o nr e s o u r c e a t h er e s u l to fl a n d u s e p l a n n i n gi n f o r m a t i o nb yt h e b r a n c h m a n a g e m e n ti sh e l di nu s i n go n l yi nt h ed e p a r t m e n t ，t h e r ei sn ou n i f o r ms t a n d a r da n dc r i t e r i o nt o c o m p l i e d ，i th a v en o te n o u g hi n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o na n dc o m m u n i o nt h a ts h o u l db e n l a k es oi th a sm a n yf o r k si ns e m a n t i cd e f i n i t i o n m a n yl a n d u s ep l a n n i n gd a t ai n f o r m a t i o nh a v e t h ec h a r a c t e r i t i co fc o m p l i c a t e dd a t as t r u c t u r e ，m o r ek i n d so fs t o r a g ef o r m a t e sa n df a r - r a n g i n g d i s t r i b u t i n g t h i sm a k e si td i f f i c u l tt oi n t e g r a t et h ed a t aw h i c hi si nv a r i a n tf l a t s a n d i tc o m e s i n t ob e i n gas p l i tw h i c hc a r lb ec a l l e d “l o n ei n f o r m a t i o ni s l a n d ”t h e r e b y ，i ti sai m p o r t a n ts t e pt o h o w t os e t u p i n t e g r a t e d m e c h a n i s m o f l a n d u s ep l a n n i n gd a t a a t t h es a m e t i m e ，h o w t o i n t e g r a t e h e t e r o g e n o u sl a n d u s ep l a n n i n gd a t aa n dh o wt or e a l i z et h ei n t e g r a t i o na n dc o m m u n i o no fl a n d u s e p l a n n i n gd a t a h a sb e c o m et h ek e yp o i n to ft h ec o n s t r u c t i o no fl a n d s o u r c ei n f f ，r m a t i o n t h ep a p e ri sb a s e do nt h ei t e m o f p r o v i n c e j i a n g s u l m l d u s e p l a n n i n gd a t a b a s e s e t t i n g w i t h t h ep r o p u s eo f s e a r c h i n ga f t e r t h e m e a s u r eo f i n t e g r a t i n g d i f f e r e n ts p a t i a l d a t aa m o n g t h ed i f f e r e n tp l a n n i n gd a t a s o u r c e a n d a c c o r d i n gt oc e r t a i nd a t ac r i t e r i a ，w ea n a l y za n dc l e a ru p t h ed i f f e r e n c e so fl a n d u s ep l a n n i n gd a t a a l s ow ep u tt h ed a t ai n t ot h ed a t a b a s eb yt h em e a n so f c o n v e r s e i n g ，e d i t t i n ga n dl o a d i n g 1 nt h ec o u r s eo fi n t e g r a t i o nw ec o n v e r s et h em u l t i d a t a s o u r c ed a t aw i t ht h em e a n so f s e m a n t i cc o n v e r s e ，a n di n t e g r a t et h ed a t ab yt h em o d e lo fg e o d a t a b a s e a f t e rp u t t i n gd a t ai n t ot h e d a t a b a s ew em a n a g et h ed a t ab yt h es p a t i a ld a t ae n g i n e k e y w o r d s ：h e t e r o g e n e o u ss p a t i a ld a t a t s h a r e dm o d e ，d a t am o d e l t i n t e g r a t i o no f l a n d u s e p l a n n i n gd a t a 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 毙果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 三经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 r 谢意。 作者签名： 1 ：3 期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 交有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 艾进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 厅检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 辑密后适用本规定。 作者签名： 1 1 引言 第一章绪论 1 9 6 3 年，加拿大测量学家r f t o ml i n s o n 首先提出了地理信息系统这一术语， 并建立了世界上第一个地理信息系统加拿大地理信息系统( c o i s ) 地理信息系 统，简称g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是在计算机软件和硬件的支持下，运 用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提 供对规划、管理决策和研究所需信息的技术系统”。g i s 技术的发展吸取了地理学、 测量学、制图学、电子学和计算机科学的营养，特别是计算机制图、数据库管理、计 算机辅助设计、遥感和计量地理学等学科的发展为g i s 技术的发展创造了有利的条件 。随着g i s 技术手段的逐渐成熟，它已被广泛地应用于规划、管理、环境、资源、 交通、军事等与地理信息相关的几乎所有领域。1 9 9 8 年美国副总统戈尔提出数字地球 的概念，更是将地理信息技术推到了最前沿。 随着信息技术的发展，人们对空间信息的需求越来越多。不同部门、不同地区 间的信息交流也越来越频繁，信息共事成为信息社会的一大潮流和趋势。信息共享的 程度反映了个地区、一个国家的信息发展水平，数据共享程度越高，信息发展水平 越高。然而地理信息要真正实现共享，必须解决地理信息数据多格式、多数据库集成 等瓶颈问题。 目前由于地理信息单元在研究上的多语义性、g i s 数据由于在观察和表达尺度上 的不同而形成的多时空性和多尺度性、地理信息获取手段的多源性以及存储格式多源 性等等原因，很多g i s 软件都有自己的数据格式。各个系统间存在大量的信息交换， 需要及时地传递到相应部门。而由于数据内容多样，数据结构和数据载体复杂，数据 间的语义联系复杂，对数据的操作要求特殊，地理信息在一定程度上形成了信息孤岛， 这使得g i s 数据的集成问题变得十分突出。 本文以“江苏省省级土地利用规划数据建库”项目为支撑，以探求不同规划数 据源之间空间数据集成方法为目的，针对目前异构数据整合存在的问题提出了自己的 解决方案。 1 2 项目研究背景及意义 土地利用规划管理信息化是国土资源信息化的重要组成，土地利用规划数据库是 建设用地审批、复垦开发整理项目管理、土地执法检查等国土资源管理业务的基础数 据。由于土地利用规划成果是土地管理的基础性资料，规划审查、建设用地预审、土 地利用计划的下达等土地利用规划日常管理工作又是建设用地审批的基础，所以在土 地利用规划管理数据库建设中，应真正做到系统开放、数据共享。 随着g i s 技术在土地利用规划中的广泛应用，在规划编制制图过程中积累了大量 的地理信息数据，由于地理信息数据本身结构的复杂性，以及没有统一的工业标准， 不同的地理信息系统软件有不同的数据格式，如有些部门分别采用m a p g i s 、m a p i n f o 、 a u t o c a d 、m i c r o s t a t i o n 等不同的制图软件，因此各部门的规划图件数据在格式上有 着很大的不同。另外，由于有些地区规划图件电子数据的制作仅仅是出于规划成果图 件输出的目的，致使规划图件数据成果存在诸多问题，如坐标体系不正确，图形要素 分层较紊乱，图形数据错误较多，要素样式不规范，没有有效的属性信息等等问题。 因此，如何对现有数据进行进一步的应用和挖掘，进行统一的整合，集成于统一平台 下，满足土地利用规划数据的统一存储、管理，具有十分重要的意义： 1 ) 能够建立统一的土地利用规划数据库建库规范。 2 ) 可以对数据进行进一步的有效应用。避免数据重复建设和各业务部门之间的 叉访问，实现数据库的“一次建成、多处应用”。 3 ) 减少了空间数据维护和管理的费用。 4 ) 为“数字国土”祁“数字城市”提供空间基础支撑。 为了全面推进江苏省土地利用规划管理信息化工作，实现规划数据的信息共享， 提高规划管理的效率与水平，需要根据国土资源部信息中心省级土地利用规划数据 库建设要求，本人在导师指导、项目组成员的支持下，结合“江苏省省级土地利用 规划数据建库”项目，对土地利用规划空间数据的特点、数据整合的思路、流程以及 可行的方法进行了研究。 1 3 国内外研究现状与进展 1 3 1 国外研究现状及进展 关于数据整合的研究在国内外研究文献中出现的较少。关于空间数据集成，的 论述在国内外文献中看到的较多。空间数据集成已有几种定义“，从形式上，指 不同来源、格式、特征的地球空间数据逻辑上或物理上的有机集中。它不是简单地把 数据合并到一起，还包括普通数据集的重建模过程。3 。数据集成要解决的主要问题是 数据差异的问题。特别是空间数据在各种数据库中存在的模型差异、精度差异、几何 位置的差异和属性定义的差异。 在数据集成的基础研究上，b o l s t a d 于1 9 9 0 年“3 ：g o o l c h i l d 于1 9 9 2 年“1 ：f i s h e r 于1 9 9 3 年：b e u v e l i n k 于1 9 9 3 年：h o w a r d 于t 9 9 5 年8 3 ：p h i i i p p e 于1 9 9 7 年9 1 关 于误差形式、传递、消减方法及不确定性的描述表达，并形成了适于某些应用领域的 方法。在数据多尺度问题上，d a nl e e 于1 9 9 3 年”：c b j o n e s 于1 9 9 6 年”进行 了深入的研究，但对尺度问题的精确度问题仍无法确定。在对地球空间数据的表达 上a n d r e j 于1 9 9 7 年“”认为数据表达也是数据多尺度处理的内容，其表达的难点是模 糊边界的描述。 在数据集成方法和应用的研究上，可以分为以下几个方面： 1 9 8 9 年t i n ot h yl ny e r g e s “”就地球空间数据集成的结构和步骤方法进行了 讨论。1 9 9 5 年p i o t rj a n k o ws k i ”讨论了在系统集成中基于公共数据库或数据动态 交换机制的数据集成方法：1 9 9 6 年h t ，ui t e r ma r k “”等人论述了以o p g i s 和超图 等为载体实现不同数据库中数据的动态调用方法：w e n s y a nli 。6 1 说明了地球空间 数据与非地球空间数据集成的关系和复杂性，并给出了各数据库之间动态集成机制 与方法。 在集成中的多数据集叠加分析上，1 9 9 2 年e u g e n ea “”给出了基于区域属性值滤 波的栅格数据集成方法：1 9 9 3 年d a v i dm a r t i n “”等人讨论了基于栅格g i s 集成社会 经济和自然环境数据应用中的问题、思路和方法。 在研究最多的数据在不同数据格式转换的问题上，1 9 9 5 年n n m a t t i k a l l i ”“ 等人讨论了一种栅格数据到矢量数据的转换方法：1 9 9 7 年a ts u y u k i 等人提出用 点到多边形方法，由不规则区域的属性值转换成规则区域的值。 在遥感数据与g i s 数据的集成问题研究上， a l - 0 n e i l l ”等人蜕明了遥 感与g i s 数据集成在火灾监测及火灾损失评估中的应用方法：1 9 9 6 年s us a nr i n g r o s e ”2 1 讨论了遥感与g i s 数据集成在地表植被变化检测中的使用方法：j c h i nt o n 1 对遥感与g i s 数据集成的发展、技术及对软件的需求及其在环境主题应用中的作用进 行了说明。 在g p s 数据与地球空间数据的集成问题研究上，1 9 9 6 年w o lf g a n gi r s e n ”4 1 讨论 了用g p s 更新地球空间数据的方法。 1 3 2 国内研究现状及进展 近年来，国内有很多学者对空间数据的共享与集成进行了深入的研究，并取得了 一定的成果。在标准规范上，国家技术监督局1 9 9 9 年8 月发布了“中华人民共和国 国家标准地球空间数据交换格式( c n s d t f ) ”：在理论上，2 0 0 0 年李军、费云川详细的 分析了地球空间数据集成研究状况及存在的问题，概括了地球空间数据集成的发展方 向。，同年，李军、周成虎又开展了地球空间数据集成多尺度问题的基础研究，在分 析应用项目对数据尺度需求的基础上，就空闻和时间两种多尺度数据集成的传统和数 据意义上的集成方法进行了详细的探讨；在实现多源空间数据无缝集成的技术手段 上，2 0 0 0 年钟耳顺、宋关福等人提出了s i m s 技术。“：2 0 0 2 年马照亭等提出的基于 通用空间数据引擎( u s d e ) 的空间数据共享与集成模式。2 0 0 2 年李军怀、艾海滨等 分别提出了基于x m l 的异构数据集成的思想和实现框架删。2 0 0 3 年宋杨、陈爱军等 在分析了o p e n g i s 规范和g m l l 。0 规范之后，开展了基于g m l x m l 的多源异构空间数 据互操作引擎研究。“”1 。 综上所述，国内外的学者都在空间数据的共享与集成上进彳亍了大量的研究与探 索，取得了定的理论成果，这些成果在实际应用中也得到了一定的应用，解决了一 些实际问题。但是对于土地利用规划专题数据的整合，还缺乏比较全面、系统的解决 方案。因此，本人在继承前人工作的基础上，以土地利用规划异构空间数据为研究对 象，对部门间的异构空间数据整合的思路、方法进行了系统的分析，并在实践中得到 了应用。 1 4 主要研究工作 i ) 对国内外g i s 技术进行了研究，了解了目前国内外g i s 技术在土地利用规划 中的研究现状，以及g i s 技术在土地利用规划领域中的发展趋势进行了研究。 2 ) 土地利用规划数据库的建立是如何管理规划数据的主要基础，也是关键所在， 针对土地利用规划数据多源性、空间性等特点，对建立土地利用规划数据库模型进行 了深入的研究，建立了一系列的研究思路。 3 ) 提出土地利用规划空间数据集成的的思路，通过技术手段消除多源数据在数 据格式、空间参考系、数据精度、时空尺度等方面的差异性，对叠加在一起的空间数 据进行空间关系逻辑检验使空间数据在逻辑上成为一个整体，然后入库e 4 ) 在对空间数据的管理中，采用e s r i 提供的全新的空间数据存储模型 g e o d a t a b a s e 对空间数据进行存储管理，实现真正意义上的空间和非空间数据的一体 化管理。 5 ) 采用空问数据引擎a r c s d e 技术在关系型数据库中统一管理空间数据和业务属 性数据，实现土地利用规划图形数据与其业务属性的集成。 第二章土地利用规划数据概述 2 1 土地利用规划数据概念模型及数据分类 根据土地利用规划的特征，土地利用规划数据概念模型要素主要分基础地理要 素、土地利用规划基期要素和土地利用规划期要素。土地利用规划基期要素包括农用 地、建设用地、未利用地范围等空间数据和各地类面积数值等属性数据；土地利用规 划期要素包括土地利用用途分区和土地利用活动区数据；土地利用用途分区要素包括 基本农田保护、一般农地区、林业用地区、牧业用地区、城镇建设用地区、村镇建设 用地区、工矿用地区、风景旅游区、自然人文景观保护区和其他用地区o “。见图2 一l ： 图2 - i 土地利用总体规划数据概念模型 根据土地利用规划信息的主要特征及其概念模型，将土地利用规划信息划分成不 同的门类、大类，构成土地利用规划信息的分类体系，以控制各类信息的编码和使用， 见表2 - 1 。 6 表2 - 1 土地利用规划信息分类体系表 编号 门类大类 信息内容说明 a 基础地理信息基础地理 i 政区划；道路；水系 空间信息 耕地；园地；林地；牧草地； b 土地利用规划基期信息 土地利f j 分类居民点及工矿用地；交通用地；空间信息 水域；未利用地 土地分区地域分区：土地t j 途分区空间信息 基本农田保护 土地利，h 活动士地开发整理复垦空间信息 生态环境建设 面状建设项目 重点建设项目线状建设项目空间信息 点状建设项目 ：t 地利用结构调整指标 耕地保有量规划指标 c土地利j j 规划期信息 建设用地控制指标 十地利用规划土地开发接理复垦面积指标 数值信息 指标土地用途分区面积指标 重点建设项目用地规划指标 各类用地平衡指标 其他指标 规划文本 土地利用规划规划说明 文本信息 文档资料 专题报告 其他文档 地名注记 水系注记 交通注记 d 注记信息及其他信息 注记要素 空间信息 地形注记 地类注记 其他注记 在把土地利用规划的图形数据分为基础地理信息、土地利用规划基期信息、土地 利用规划期信息、注记信息等四类数据的基础上，根据图形数据的要素特征和实际应 用需要来划分图层。以本项目中市级土地利用规划图形数据分层为例，具体分层及定 义见表2 - 2 。 表2 - 2 市域土地利用规划图形数据分层及定义表 图层名称图层代码1图层内容要素特征属性表名 基蚍理信息 乡级区划 x z t b 乡级行政区划图斑 面状x z t b 县级区划x j t b县级行政区划图斑 面状 x z o h 市级区划s j t b市级行政区划图斑 面状 行政界线x z j x 行政界线线状x z j x 公路 g o l u各类道路线状 g o l u 铁路 t i l u 各类铁路线状 t i l u 线状水系 h l i u单线河流、沟渠等线状 h l i u 面状水系 m z s x湖泊、水库等水面 面状m z s x 土地利用规划基期信息 地类图斑l d l e i地类酗斑面状 d l e i 点状地类 d z d l 不能上图的小块地 点状 土地利用规划期信息 地域分区 g h f q规划地域分区区块 面状 g h f q 用途分区 y t f q用途分区图斑 面状 y t f q 土地开发整理复垦 t d z l土地开发楚理复垦区块 面状 t d z l 土地开发整理复垦项目 z l x m 土地开发整理复垦项目 面状 z l x m 城乡建设c x j s 城乡建设区块 面状 c x j s 面状建设项目 j s x m 面状建设项目 面状 线状建设项目 x z x h以线表示的建设项目 线状j s ) ( m 点状建设项目 d z x m 以点表示的建设项目 点状 注记及整饰 交通注记 j t z j各类道路、铁路注记 点状z j f h 水系注记 s x z j各类水系注记 点状z j f h 地类注记 d l z j 地类符号 点状z j f h 地名注记 城镇村等名称 点状z j f i d m z j 地形注记 点状z j f h d x z -高程、山峰等 其他信息 q t x x图廓整饰的有关信息 2 2 土地利用规划数据采集与存储 土地利用规划数据来源比较多，既有空间数据源，如现有不同比例尺地形图、土 地利用现状图、土地利用规划图、不同时相的遥感影像图等，还有各类社会条件数据， 如土地利用总体规划文本、土地利用总体规划编制说明、专项规划、专题研究报告、 土地利用规划指标表格数据等。其空间数据获取主要是借助于地面测量、航空航天遥 感、地理信息系统技术对地块的基本属性、位置、面积、用途、所有权、使用权等信 息进行采集并数字化而获取。属性数据主要通过人工调查的方法获取。各类数据经过 筛选依然存在数据的标准化和规范化的问题，需要进行进一步的处理，包括属性数据 和空间数据的处理。 就空间数据而言，由于其数据获取手段的多样性，不同获取方法。形成了不同格 式( 栅格数据和矢量数据) 、不同比例尺、不同精度的数据。在进行存储时，对属性 数据采用关系型数据库存储；对于空间数据，由空间数据对象模型和g i s 平台决定存 储方式。使用最广泛的空间数据对象模型是传统的点、线、面模型，存储对大多采用 文件级方式进行。典型的文件级地理信息系统平台有m a p i n f op r o f e s s i o n a l 、a r c v i e w 等。 2 3 土地利用规划数据存在差异分析 为便于土地利用规划信息数据的管理、共享和使用，可将土地利用规划数据分为 基础地理空间数据和土地利用规划专题数据两大类， 基础地理信息是市域土地利用信息的基本骨架，反映市域土地利用在空间上的分 布状况：而土地利用基期和规划期信息( 如地类图斑、地域分区、用途分区、土地开 发整理、城乡建设、建设项目等图层) 则反映的是本市域土地利用的各种信息，其土 地利用应明晰土地权属关系，即把市域或各县区看成一个个的权属单位。 土地利用规划专题数据具有规划管理专题性。基础地理空间数据主要行政区划； 道路；水系等内容；土地利用规划专题数据主要包括土地利用规划基期信息、土地利 用规划期信息。 由于各地区国土部门对土地利用规划图性数据成果的存储采用的方式不同，可能 分别采用m a p i n f o 、m a p g i s 、a u t o c a d 等不同的制图软件，这些土地利用规划数据库 9 一般都是分别建立的，较少从数据集成和共享的角度考虑，因而主要存在着如下的一 些问题： 1 ) 数据标准的不统一 不同地区建立土地利用趣划数据库的时间不同，部分地区建库标准也与国土资源 部的现行标准存在着差异。 2 ) 数据投影、坐标系的不统一 各地区在建立土地利用规划数据库时，建立的目的可能更多是为了土地利用规划 成果图件的输出为主要目的，数据的投影和坐标系与实际可能不吻合。我国主要采用 北京5 4 坐标系、西安8 0 坐标系及各地自己的坐标系。不同的部门采集的数据根据各 自的要求采用的坐标系不同，因此数据整合时会带来偏差。 3 ) 数据内容不完整 有些数据可能存在属性字段的缺少或不符合数据中心共享的要求，不符合国家关 于数据库建库标准的要求；图形数据也可能存在着一些诸如重叠、缝隙等错误，有待 于进一步的检查和整理。如：下图2 2 中红色区域为a r c g i - s 中存在面状重叠的图斑。 围2 - 2 存在拓扑关系熏叠的图斑 4 ) 数据存储格式差异 国土部门建立的g i s 国土信息应用系统一般被认为是信息孤岛，国土部门在开 1 0 发信息系统时通常根据本部门的特定情况采用不同的数据建模方法，选用不同厂商 的g i s 软件，如江苏省各市县国土部门所选用的g i s 平台就有六七种，其规划图件数 据成果制作分别采用了m a p g i s 、m a p i n f o 、a u t o c a d 、m i c r o s t a o n 等不同的制图软 件，这些不同g i s 软件采用不同的空间数据格式，对地理数据的组织也存在很大的 差异。如图2 3 和2 4 分别为不同数据格式的土地利用规划数据。 图2 - 3i d a p g is 格式土地利用规划图图2 - 4m a p i n f o 格式土地利用规划图 第三章土地利用规划异构空间数据整合技术 3 1 异构空间数据转换模式 3 1 1 异构空间数据转换模式现状分析 1 1 数据格式转换模式 数据格式转换模式就是把其他格式的数据经过专门的数据转换程序转换成该系 统的数据格式，并复制到当前系统的数据库或文件中。这是当前g i s 软件系统数据共 享与集成的主要办法。如a r c i n f o 和m a p l n f o 之间的融合，需要经过格式转换，统一 到其中的一种空间数据模型。该方法一般要通过交换格式进行。许多g i s 软件为了实 现与其他软件交换数据，制订了明码的交换格式。目前得到公认的几种空间数据格式 有：a u t o d e s k 的d x f 格式和d w g 格式；e s r i 公司的a r c i n f oc o v e r a g e 、a r c s h a p e f i l e s 、e 0 0 格式；m a p l n f o 的m i f 格式；i n t e r g r a p h 的d g n 格式等等。 不同格式用以描述空间数据的模型不尽相同，以至于数据格式转换会或多或少导 致信息损失。另外，通过交换格式转换数据的过程较为复杂，需要首先使用软件a 输 出为某种交换格式，然后再使用软件b 从姑交换格式输入 3 6 1 。如图3 - 1 所示： 图3 - 1 标准数据交换示意图 空间数据交换目前主要采用文件交换。系统a 的内部数据转换到系统b ，可能经 过2 3 次转换。先从系统a 的内部文件转换到系统a 的外部文件，如果系统b 能够 直接读取系统a 的交换文件。即转换两次即可。否则要从系统a 的内部文件转换到 系统b 的外部交换文件，再从系统b 的外部交换文件转换到系统b 的内部文件，此 时经过3 次转换。如图3 2 所示： 2 l 系统a 内部文件系统a 外部文件 系统b 外部文件系统b 内部文件1 图3 - 2 非标准格式数据交换示意图 数据转换模式的弊病是显而易见的，由于缺乏对空间对象统一的描述方法，从而 使得不同数据格式描述空间对象时采用的数据模型不同，因而转换后不能完全准确地 表达原数据的信息，经常造成一些信息丢失。另外，通过交换格式转换数据的过程较 为复杂，需要首先使用软件a 输出为某种交换格式，然后再使用软件b 从姑交换格式 输入。如果同时运行着多个g i s 软件建立的应用系统，在数据更新时，为了保证不同 系统之间数据的一致性，需要频繁进行数据格式转换。同时，一份数据在多个g i s 系 统中存在备份，极大地浪费了存储资源，尤其在源数据不断更新的情况下，容易引起 数据的不一致性m 1 。 2 ) 数据互操作模式 数据互操作模式是o p e ng 1 sc o n s o r t i u m ( o g c ) 制定的数据共享规范。g i s 互操作 是指g i s 的互操作是指将具有不同数据结构和数据格式的软件系统集成在一起共同 工作，实现广域网环境下的各类g i s 系统和各种地理空间数据的数据共享和应用共享 刀。o g c 为数据互操作制定了统一的规范，从而使得一个系统同时支持不同的空间 数据格式成为可能。根据o g c 颁布的规范，可以把提供数据源的软件称为数据服务 器f d a t a s e r v e r ) ，把使用数据的软件称为数据客户( d a t a c l i e n t s ) ，数据客户使甩某种数 据的过程就是发出数据请求。由数据服务器提供服务的过程，其最终目的是使数据客 户能读取任意数据服务器提供的空间数据 3 6 3 。但是目前还没有商业化g 1 s 软件完全 支持这一规范。 数据互操作为多源数据集成提供了崭新的思路和规范。它将g i s 带入了开放式的 时代，从面为空闯数据集中式管理和分布存储与共享提供了操作的依据。其主要特点 是独立于具体平台，数据格式不需要公开，代表着数据共享技术的发展方向。数据互 操作规范为多源数据集成带来了新的模式，虽然数据互操作中的o g c 标准将计算机 软件领域的非空问数据处通标准成功地应用到空间数据上，但从目前来看，非o p e n g i s 标准的空间数据格式仍然占据已有数据的主体。因为这一模式在应用中存在一定 局限性：首先，为真正实现各种格式数据之间的互操作，需要每个每种格式的宿主软 件都按照着统一的规范实现数据访问接口，在一定时期内还不现实；其次，一个软件 访问其他软件的数据格式时是通过数据服务器实现的，这个数据服务器实际上就是被 访问数据格式的宿主软件，也就是说，用户必须同时拥有这两个g i s 软件，并且同时 运行，才能完成数据互操作过程，这样就会不可避免的增加用户的负担。 3 1 直接数据访问模式 数据直接访问是指在一个地理信息系统软件中实现对不同格式数据的直接访问， 用户可以使用单个软件存取多种数据格式。直接数据访问不仅避免了繁琐的数据转 换，而且在一个软件中访问某种软件的数据格式不要求用户拥有该数据格式的宿主软 件，也不需要运行该软件。g i s 系统对不属于本系统格式的地理数据进行直接读取时， 事实上也存在一个数据转换的过程。因此，用这种方式也包含数据转换的一些弊端： 有空间数据丢失、精度损失和数据表达歧义性的情况。g i s - 系统软件升级时可能会修 改内部数据格式，如果升级后的数据格式不公开，基于此平台的数据就几乎不能实现 互访口7 1 。目前使用直接数据访问模式实现多源数据集成的软件主要有g e o m e d i a 和 s u p e r m a p 。其数据模式如图3 3 所示。 图3 - 3多源数据直接访问” 这是一个实现空间数据共享的理想方式，但是直接数据访问必须建立在对宿主软 件数据格式的充分了解之上。如果宿主软件数据格式不公开，或者宿主软件数据格式 发生变化，为了获得对该数据格式的直接访问，客户软件就不得不投入大量的人力和 财力去研究该宿主软件数培格式。这样的话构建成本就会加大，因此是不可取的a 4 ) 基于语义的转换模式 传统的数据转换是基于数据结构的转换，它只是在了解数据结构的基础上，提供 一种对数据集简单、直接的数据访问。这种传统的空间数据转换，一般情况下，是面 向特定的数据结构和数据格式的。由于不同系统之间的数据模型的差异，这种数据转 换形式必然会引起一定程度上的信息丢失。 在传统数据转换过程中的数据转换模型是非常简单、薄弱的，只有基础的空间概 念得到了转移。语义转换是基于语义层次上的空间数据转换，它除了数据结构的转换 外，更重要的是对语义数据模型的转换和操作。语义转换相比传统数据转换有着很大 的不同。如图3 - 4 ： 图3 - 4 语义转换概念圈 语义转换就像一个宽宽的管子把两个数据集连接起来，数据转换双方可以自由的 进行数据的转换与共享。它就像一个引擎，通过要素操作语言，不仅可以对输入数据 而且也可以对输出数据进行数据的重定义。因为在语义转换的背后存在一个丰富的数 据转换模型，它具有内部一致性和外部可扩展性。如图3 5 ： 数据模型b 图3 - 5 基于语叉数据转换模型示意图 如图所示，数据模型a 和数据模型b 可以自由映射到数据转换模型中，而这种 映射不是基于最低数据转换标准的映射机，即不是基于公共要素的映射。在这种映射 中，针对输入、输出数据，数据转换模型提供了一系列的方法来实现数据模型之问的 定义和转换。这种功能使得数据的转入方和数据的转出方之间可以自由的转换，并且 可以继续使用各自独立的系统和数据格式。 在数据转换模型中的映射不仅能够实现高度的定制，而且这种映射是双向的。因 此潜在信息丢失的问题被如何更好的扩展信息内容、如何更好的满足用户的需求所替 代。这样，用户或者开发者只需要了解输入数据的实际描述和输出数据希望达到的要 求就可以完成转换过程。 3 1 2 土地利用规划异构空间数据采用的转换模式 加拿大s a f es o f t w a r e 公司长期致力于通过提供无缝的数据转换解决方案来提高 用户对各类空间数据的访问能力，它推出了空间数据转换处理系统f m e ( f e a t u r e m a n i p u l a t ee n g i n e ) s u i t e 该系统基于o p e n g i s 组织提出了“语义转换”的数据转换理 念，通过提供在转换过程中重新构造数据的功能，实现了超过1 0 0 种不同空间数据格 式( 模型) 之间的相互转换3 卅。 f m e 的核心结构由语义转换引擎、语义映射文件注册表、自动语义映射文件生 成器三部分组成。其中语义转换引擎是f m e 的核心模块，负责实际的转换工作；语 义映射文件注册表提供了用于管理众多不同语义映射文件的机制：自动语义映射文件 生成器可以使f m e 以完全自动的方式执行转换。图3 - 6 为f m e 的核心结构图。 困3 - 6f m b 核结构l i i 利用f m e 提供的强大数据处理能力，能够改善已有空间数据的质量；利用其数 据加载和提取功能，能够将已有的各类空间数据加载到大型空间数据库进行集中管 理，实现不同数据的集成；同时，使用f m e 默认的设置可以进行简单快速的基本数 据转换，也可以编写和运行用户自定义的语义映射文件来处理复杂的转换。 由于土地利用规划数据在数据存储上采用不同的软件，互相不能兼容和转换，因 此考虑利用f m e 进行土地利用规划异构空间数据转换。在不同来源、不同结构土地 利用规划数据的转换中，以f m e 为中心实现了绝大多数g i s 及c a d 空间数据格式 如d w g 、d x f 、d g n 、m e l n f oc o v e r a g e 、s h a p ef i l e 、a r c s d e 、o r a c l e 、s d o 等 的相互转换。在f m eu n i v e r s a lt r a n s l a t o r 中，使用默认的设置可以进行简单快速 的基本转换，如图3 7 所示： 图3 7 f m eu n i v e r s a lt r a n s l a t e r 转换界面 也可以在f 托1 3 n i v e r s a lw o r k b e n c h 中编写和运行用户自定义的语义映射文件来 处理复杂的转换。如图3 - 8 所示： 图3 - 8f m eu n i v e r s a lw o r k b e n c h 语义映射界面 f m e 提供了为数据转换进行自定的图形化界面，能够可视化定义从原始数据到目 标数据的图形与属性的对应关系；它将数据转换与丰富的g 1 s 数据处理功能结合在一 起，如坐标系统转换、叠加分析、相互运算、构造闭合多边形、属性合并等；如下图 3 - 9 中显示为f m e 提供的的众多坐标转换系统。 圈3 - 9f m e 提供的坐标转换系统 f m e 除了可以通过直观的界面来定义从源数据到目标数据之间的转换工作流程、 操作空间和属性数据外；同时还能独立地直接浏览各种格式的空间数据；同时浏览图 形、属性和坐标数据：在f m eu n i v e r s a lv i e w e r 中我们可以浏览到不同格式的数据， 并检查核定义要素的属性和值。 3 2 空间数据模型的建