（地图学与地理信息系统专业论文）基于internet环境的土地空间数据共享研究.pdf

基于i n t e r n e t 环境的土地空间数据共享研究 专业：地图学与地理信息系统 硕士生：杨剑 指导老师：张新长教授 摘要 信息化技术的发展，网上共享数据已成必然趋势。土地作为人类生存和发展 的物质基础，表明了人类的活动离不开土地。土地信息的共享可为人类科学管理 利用土地资源，保护生态环境，保证社会经济持续发展提供条件。土地信息共享 的关键是土地空间数据的共享。本文研究的土地空间数据共享，主要是研究在 h i c 锄d 环境下，以共享为目的，如何快速、高效地实现土地空间数据的表达、 传输与交换。针对这些问题，本文的研究工作归纳起来主要包括以下几个方面： l 、系统地分析了国土信息化发展的趋势和信息化过程中土地空间数据共享 的重要性。讨论了与土地空间数据网上共享的相关技术，即x m u g m l ( g c o g r a p h ym a r k u pl 如g u a g e ) 技术、n e tr e m o t i n g 技术、a r c e n g i n e 组件技 术等，并对它们的技术状况进行了综述。讨论了土地空间数据的特点，并结合这 一特点，介绍了土地空间数据模型。 2 、在对现有空间数据共享技术研究的基础上，利用地理标识语言( g m l ) 技 术，探讨了一种解决空问数据存储与共享的新方法，基于g m l 的空间数据模型 为该方法的实现奠定了基础。该方法的基本原理是，首先在客户端向w 曲服务 器端发出数据请求，w 曲服务器接收到数据请求后连接s d e 数据服务器获取矢 量空间数据，根据o g c 所支持的简单要素集和模型生成g m l 文件，每一个地 理要素集都可以表示成一个f t u r e c o l l e c t i o n ，其中包括一系列的几何数据 g e o m e t r y 和相应的属性数据a t t r i b u t e ，这一部分主要在w e b 服务器端完成的， 然后把生成的g m l 文件通过网络传输到客户端，客户端接收到g m l 文件，利 用钟中的流模型解析g m l ，生成相应的矢量数据在客户端显示，从而实现土地 空间数据网上传输与共享。 经过实验测试和分析，基于g m l 技术，实现分布式的土地空间数据的集成， 是一种可行的土地空间数据网络共享方案。 关键词：g m l ，数据传输，数据共享，土地空间数据 i i r e s e a r c ho nl a n ds p a t i a ld a t as h a r i n gb a s e do ni n t e r n e t e n v i r o n m e n t m a j o r ：g e o g r a p h i cl n f o r m a f i o ns y s t e m n a m e ：y a n gj i a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n gx i n c h a n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i ti sb e c o m i n gat r e n dt os h a r e d a t a0 1 1i n t o n o t a sam a t e r i a lb a s i sf o rh u m a ns u r v i v a la n dd e v e l o p m e n t , l a n dh a s a 伍m i t yr e l a t i o n s h i pw i t hh u m m f i t y sa c t i v i t y t h es h a r i n go fl a n di n f o r m a t i o nh a s p r o v i d e dt h ec o n d i t i o nf o rh u m a n i t y ss c i e n t i f i cm a n a g e m e n ta n dl a n dg e s o u r v 宅su s e p r o t e c t i n gt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n de n s u r i n gt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f s o c i a le c o n o m y t h ek e yo f l a n di n f o r m a t i o ns h a r i n gi st h es h a r i n go f l a n ds p a t i a ld a t a t h ea i m so ft h i sd i s s e r t a t i o na r eh o wt oh i g h l ye f f e c t i v er e a l i z et h el a n ds p a t i a ld a t a e x p r e s s i o n , t r a n s m i s s i o na n de x c h a n g eu n d e rt h ei n t e m e te n v i r o n m e n ta n dt a k i n g s h a r i n ga sag o a l i nv i e wo ft h e s eq u e s t i o n s ，t h er e s e a r c h e so ft h i sp a p e rm a i n l y i n c l u d et h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t ： 1 、s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dt h et e n d e n c yo ft h e l a n di n f o r m a t i o n i z a t i o n d e v e l o p m e n ta n dt h ei m p o r t a n c eo fl a n ds p a t i a ld a t as h a r i n gi nt h ep r o c e s so fl a n d i n f o r m a t i o n i z a t i o n d i s c u s s e dw i t ht h eo n l i n es h a r i n gl a n ds p a t i a ld a t ar e l a t e d t e c h n o l o g y , n a m e l y , t h ex m l g m lt e c h n o l o g y , t h e n e tr c m o t i n gt e c h n o l o g y , t h e a r c e n g i n et e c h n o l o g ya n de t c ，a n d # v es u m m a r yt ot h e i rt e c h n i c a lc o n d i t i o n t h i s d i s s e r t a t i o nn a r r a t e st h ec h a r a c t e r i s t i co fl a n ds p a t i a ld a t a i nc o m b i n a t i o n 丽t l lt h i s c h a r a c t e r i s t i c , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h el a n ds p a t i a ld a t am o d e l 2 、b a s e do l las t u d yo ft h em e t h o d sf o rs t o r i n ga n ds h a r i n gs p a t i a ld a t a , al - l o w a p p r o a c hi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r m a i np o i mo f t h i sa p p r o a c hl i e si nt h ed a t am o d e l s u s i n gg m lt os o l v et h ep r o b l e mo fs t o r i n ga n ds h a r i n gt h eg e o g r a p h i c a ls p a t i a l i i i i n f o r m a t i o no nn e t w o r k t h ek e y s t o n eo ft h em e t h o di sa sf o l l o w s f i r s t l y ，d a t a r e q u e s tw a si s s u e db yt h ec l i e n t , t h e nw e bs e l v e fl i n k e dt os d ed a t as e r v e rt oa c c e s s v e c t o rs p a t i a ld a t aa f t e rr e c e i v i n gr e q u e s t g m lf i l ew a sc r e a t e da c c o r d i n gt os i m p l e f e a t u r e c l a s sa n dm o d e ls u p p o r t e db yo g c e a c hg e o g r a p h i cf e a t u r ec a nb ee x p r e s s e d a s f e a t u r e c o l l e c t i o n ”w h i c hi sc o m p o s e do f g e o m e t r yd a t aa n da t t r i b u t ed a t a n l i s p a r tw a sr e a l i z e do nt h ew e bs e t v e re n d g m l f i l ew a st r a n s f e r r e dt oc l i e n tt h r o u g h i n t e r n e ta n dp a r s e db yf l o wm o d e li nc 靛v e c t o rd a t aw a sc r e a t e da n dd i s p l a y e do nt h e c l i e n te n db yg m lt i m 1 1 l el a n ds p a t i md a t at r a n s m i s s i o na n di n t e m e ts h a r i n g r e a l i z e di nt h ee n d a f t e re x p e r i m e n ta n da n a l y s i s ，w ec a nd r a wac o n c l u s i o nt h a tt h el a n ds p a t i a l d a t at r a n s m i s s i o na n ds h a r i n gt h r o u g hi n t e r n e tb a s e do ng m l t e c h n o l o g yi sav i a b l e s c h e m e k e yw o r d s ：g m l ，d a t at r a n s m i s s i o n , d a t as h a r i n g , l a n ds p m i a ld a t a i v 中山人学顽i ：学位论文 1 1 论文的研究背景 第1 章绪论 随着经济全球化、社会信息化的不断发展，特别是二十世纪9 0 年代以来计 算机和互联网技术的迅速普及应用，经济发展、信息传递、人际沟通、社会生活 等方面正在发生着深刻的变化。发展和应用信息技术，加速信息化进程，以信息 化和全球化推动新经济的发展，成为国家未来发展的战略制高点和世界各国在激 烈竞争中共同作出的战略抉择。 国土资源信息化是整个国土资源领域的信息化，是国民经济和社会信息化的 重要组成部分。按照国土资源信息化“十五”规划和2 0 1 0 年远景目标( 纲要) ， 国土资源信息化是在国土资源调查评价、规划、管理、保护和合理利用等各项工 作中广泛应用信息技术，深入开发、利用信息资源，加速实现土地、地矿、海洋、 测绘等领域国土资源工作科学化与现代化的进程。其基本任务是实现国土资源调 查评价、政务管理和社会服务三个工作主流程的信息化。 “金土工程”是国土资源信息化的一个重要组成部分，是在国土资源信息化 建设盼总体框架下，在政务管理和社会服务信息化领域内，选择耕地保护、矿产 资源管理、地质灾害防治等涉及关键性、迫切性问题的重要业务管理工作，在业 务流程梳理、整合的基础上，建设业务应用系统和相应的信息服务系统，形成边 界清晰的政务信息化体系。同时，围绕业务系统运行中所需的基础数据，在现有 数据资源基础上，按照统一的标准，开展数据整合处理，将标准不一、格式多样、 分散管理的现有的国土资源数据，统一集中管理，形成标准统一、上下一致的数 据资源保障体系。通过信息交换系统，实现“金土工程”实施的系统与基础地理 数据库、海洋基础数据库、调查评价数据库等外部信息的共享和交换。可以说， “金土工程”是国土资源信息化整体框架中的“旗舰”【1 1 。 土地空间数据为“金土工程”提供基础数据支持，是国土资源信息化建设的 核心部分。土地空间数据形成以后的重要任务就是土地空间数据的共享。在现代 化信息社会中，各部门、各地区更加密切联系，信息交流量十分巨大，数据共享 就是对众多的信息进行处理，使不同的人使用不同的设备、不同的软件系统都可 以利用这些数据，并能进行计算、检索、分析等科学处理。数据共享程度的高低 中山人学硕：i ：学位论文 在一定程度上决定了一个国家或一个地区信息化发展水平的高低，是现代化科学 技术水平的一个标志。同时，国土资源信息化就是要通过网络整合分布式国土信 息数据，构建起数据使用者和生产者的桥梁，所以数据共享是国土资源信息化建 设的主要目标之一，这一目标决定了众多用户必定要在一个较大的网络范围内实 现其基础数据也就是土地空间数据的共享。而土地空间数据不仅仅处于国土资源 信息化建设的核心位置，为其他“金土工程”项目提供基础数据支持，还为其他 国土管理部门如土地规划部门、土地产权部门等提供重要决策支持。因此，土地 空间数据的共享无疑是至关重要和必要的。 1 2 国内外的研究现状与发展趋势 土地空间数据是空间数据的一种，具有空间数据的一般特性。空间数据共享 是近年来地理信息系统领域研究的热点，国内外对这方面的研究主要从以下几个 方面进行1 2 。 1 2 1 政策法规体系 空间数据共享的法规制度和管理办法是实现数据共享的保证。发达国家的信 息共享工作起步较早，多年来已形成较为完整的规章制度和管理办法，同时也在 此过程中积累了大量的经验和教训。如美国总统1 9 9 4 年发布的国家空间数据 基础设施的行政令，俄罗斯联邦1 9 9 5 年1 月颁布的关于信息、信息化和信息 保护的法规，都对信息共享的有关问题进行了详细的规定。欧洲、加拿大等国家 也出台了相应的法规政策。 我国从2 0 世纪8 0 年代后期以来已经发布了一系列的关于信息共享的政策法 规。如中华人民共和国测绘成果管理办法、中华人民共和国标准化法、行 业标准管理办法等。在行业内部，针对数据管理的薄弱环节，许多部门也颁布 了相应的法规。这些法律、法规的出台，对我国的信息管理和共享起到了积极的 作用，但与国外相比，尚有很大差距，特别是跨部门的信息共享还没有国家级的 管理办法和法规出台。所以，在当今全球化趋势下，我国急需由国家结合我们的 信息产业化发展战略制定相应的法规和政策来促进空间信息的共享。 2 中山人学硕i ：学位论文 1 2 2 标准化和规范化 地理空间数据的标准化和规范化是实现空间数据共享的前提，地理空间数据 涉及多学科和多部门。但是多年来各个学科和部门之问，甚至是学科内部，都没 有明确或唯一的数据标准和规范，所生产的数据多以服务本学科或本部门为宗 旨，不具有通用性，更不可能实现共享3 】【4 】。所以建立统一的地理空间数据标准 和规范对实现空间数据共享至关重要。 在国际上，致力于空问信息共享的组织有开放式g i s 协会( o p e ng i s c o n s o r t i u m ，简称o g c ) 、国际标准化组织地理与地球信息标准化技术委员会 ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n t e c h n i c a lc o m m i t t e e 2 1 1 简称 i s o t c 2 1 1 ) 、美国地质调查局( u n i t e ds t a t e sg e o l o g i c a ls u r v e y ，简称u s g s ) 、 美国联邦地理数据委员会( f e d e r a lg e o g a p m cd a t ac o m m i t t e e 简称f g d c ) 、欧 洲标准化组织第2 8 7 技术委员会( c o m m i t t e eo f e u r o p e a nn o r m a l i z a t i o n t e c h n i c a l c o m m i t t e e ，简称c e n y i c 2 8 7 ) 和世界数据中心( w b r l dd a t ac e n t e r ，简称w d c ) 等。 我国对地理信息标准化工作也非常重视，国家于1 9 9 7 年1 2 月专门成立了全 国地理信息标准化委员会。“九五”期间，国家科技部和国家测绘局立项研究制 定我国地球空间数据转换标准，由原武汉测绘科技大学牵头、西安测绘标准化研 究所和全国几家g i s 软件开发单位参加，共同起草，经过两年努力，于1 9 9 8 年 通过草案，1 9 9 9 年成为国家正式标准。各行业和部门也已经或正在制定一系列 地理空间信息的标准，如国家测绘局已先后制定出l ：2 5 万、l ：5 万、1 ：1 万 空间数据生产与建库的行业标准，国土资源部与建设部等单位也正在抓紧制定适 应本部门特点的地理信息标准。这些标准的制定为我国地理信息产业化发展产生 巨大的推动作用。 1 2 3 技术理论和实现 从实现、管理和维护空间数据的软件系统，即空间数据处理系统角度看， 国际上对此软件系统的技术理论和实现进行研究的主要是o g c 。它在全球的地 理空间数据和地理处理标准方面有很大的影响，并成功地促进了o p e n g i s 技术 的发展。 3 中山大学硕 ：学位论文 开放式地理空间数据互操作规范( o p e ng e o d a t ai n t e r o p e r a b i l i t ys p e c i f i c a t i o n ， 简称o g i s ) 是o g c 提出的一个为了提供地理数据和地理操作的交互性和开放 性而提出的软件开发规范。它为软件开发者提供了一个框架，使他们能够开发一 些让他们的用户方便地访问和处理各种来源的地理数据的软件。该规范定义了三 个模型： 1 、开放式地理空问数据模型( o p e ng e o d a t am o d e l ，o g m ) 。它是一个以数 学和概念化方法来表示地球及地球现象的通用数字化方法。它定义了一系列通用 的基本地理空间信息类型，基于这些基本空间信息类型，可以使用基于对象的程 序设计方法或常用的程序设计方法，为不同应用领域的地理空间数据建模。 2 、o g i s 服务模型( o g i ss e r v i c e sm o d e l ，o s m ) 。它是一个在不同信息团 体之间实现地理空间数据获取、管理、操纵、表达以及共享服务的通用规范模型。 它定义了一系列服务，这些服务可以获取和处理开放式地理空间数据模型中定义 的地理空间信息类型，为使用同一种地理特征定义的用户团体内提供地理空间数 据共享能力，以及为使用不同地理特征定义的用户团体之间提供地理空间数据转 换能力。 3 、信息团体模型( i n f o r m a t i o nc o m m u n i t i e sm o d e l ，i c m ) 。它是一个使用 开放式地理空间数据模型和o g i s 服务模型来解决技术性的非互操作能力问题以 及公共团体的非互操作能力问题的框架。该模型为使用开放式地理空间数据模型 和o g i s 服务模型拟定了一个方案，该方案不仅可以为使用同一种地理特征定义 的地理空间数据生产者和用户团体提供一种方法，以便他们有效地管理其他地理 特征定义以及将适用这种定义的数据集进行编目和共享管理；而且还可以为使用 不同地理特征定义不同地理空间数据生产者和用户团体提供一种有效、精确的地 理空间信息共享方法。 与传统的g i s 处理技术相比，o g i s 建立起通用的技术基础以进行开放式的 地理信息处理。其特点是：互操作性、对信息团体的支持作用、普遍存在性、可 靠性、易用性、便携型、合作性、可伸缩性、可扩展性、兼容性和可执行性。 o g i s 主要由两种规范，即抽象规范和实现规范：o l g n g i s 抽象规范描述地 理数据与地理处理“是什么”，即数据与处理的行为与内容。抽象规范将软件和 系统设计与真实世界的情况进行相关，获取并准确陈述需求领域知识，以便风险 4 中山大学颈l ：学位论文 承担者可以理解并对此做出商定，考虑系统的设计，以不定的形式获取设计决策， 生产可用的工作产品，组织、发现、筛选、检索、检查并编辑有关系统得信息， 经济地探询多种解决方法【5 1 。它从标准的格式、结构和功能等方面介绍了16 个 主题，如：几何要素、空间参考系、要素和要素集、质量、元数据等等 6 1 ；o p e n g i s 实现规范是分布式计算平台下对抽象规范的具体实现。目前已经制订的实现规范 有：网络地图服务器接口、网格数据覆盖层、用于s q l 的简单要素存储规范、 用于o l e c o m 的简单要素存储规范、用于c o r b a 的简单要素存储规范、目录 接口、坐标转换、地理标记语言( g m l ) 等。 国内在空间数据共享的理论技术和实现方面也作了一些研究，并取得了一定 的成果。如梅士员等人提出了仿o d b c 的空问数据共享方法，顾蔚等人提出基 于x m l 的元数据的地理信息的共享，黄裕霞等人提出了基于元数据解调器的地 理信息共享，胡启平提出了利用基于空间对象的分割与合并技术实现g i s 数据 共享等。国家高技术发展计划“网络空问信息标准与数据环境”研究了在网络环 境下空间数据共享标准与协议的制定及其实现技术，并依照此系列标准建立若干 个国家及地方的空间数据交换中心作为示范工程。 1 2 4 网络运行与管理体系 在i n t e r a c t 技术得到广泛应用后，政府部门，科研机构、公司企业等纷纷建 设各自的网络体系，并且出现了许多网络公司；同时，电信技术的飞速发展，奠 定了信息共享网络体系的基础。l994 年9 月，美国提出了建立全球信息基础 设施( g l o b a l i n f o r m a t i o n i n f r a s t r u c t u r o ，g i i ) 的倡议，旨在实现全球范围内的信 息共享。从此，很多国际会议上都在呼吁建立g i i ，呼吁国际合作、全球对话， 交流有关机制框架、数据政策、技术方法和标准，寻求与国际接轨。l995 年 2 月，西方七国( 美、英、德、意、法、加、日) 在布鲁塞尔召开了“建设信息 社会”的部长级会议，成立了“全球信息基础设施委员会”，制定了以建设信息 高速公路为主体的国际合作框架，并提出了建设g i i 的原则【丁1 。我国在中国21 世纪议程管理中心专门成立了执行中国可持续发展的网络技术的信息部，还成立 了国家空间信息交换中心。还有其它各个行业、国家、地区已经建立的网络体系 等，都为空问信息共享提供必须的网络运行环境和管理体系。 5 中山人学硕，j ：学位论文 伴随着地理空间数据共享问题的提出，国内外各大公司、科研机构、学术团 体以及政府部门多年来一直在做不懈的努力。总之，能否实现空间的有效共享和 互操作在很大程度上是取决于能否实现多源异构空间数据的透明访问，而要实现 这一目标则要求各种空间数据的传输和编码必须遵从统一的标准。在g i s 数据 集成和互操作的系统架构中，可以使用g m l 3 1 作为多源异构数据的描述格式， 在数据层次上实现g i s 数据的集成和互操作。 空间数据共享一直以来都是g i s 业界和g i s 用户十分关注的问题，比较理想 的共享模式就是基于w e bs e r v i c e 的共享模式。当某个用户需要某种服务时，他 不需要了解这种服务由谁提供，只要他拥有相应的权限，就可以向网络发送一个 该服务的请示，返回的就是它所需要的服务。未来的地理空间数据共享将以服务 的形式通过i n t e m e t 的传播遍布全球，包括制图服务、地理编码服务、空问数据 处理服务等，还可以将这些服务集成到一个新的服务中去。g i s 也将借助于w e b s e r v i c e 技术，运用到互联网，最终实现数字地球的战略构想。这些研究都为土 地空间数据的网上传输与共享的实现起到了积极的作用。 1 3 论文的研究目的与意义 土地作为人类生存发展的物质基础，表明了人类的活动离不开土地。国外研 究表明：大约有8 0 的政府决策与土地有关，而且，政府许多土地利用决策欠佳 很大程度上也是缘于土地的地理数据资料不完整【扪 9 1 。因此，最大限度地共享土 地信息是社会发展的必然要求。网络化时代的到来，人们为了更加科学地利用、 管理土地资源，迫切要求有一种更加方便、直观的方式表达土地信息，w e b g i s 关键技术的发展，使网上土地信息的发布与共享成为可能。用户可通过网络浏览 各种空间数据，并使现有的土地信息的许多数据处理和数据分析功能在网络上实 现，促进了g i s 应用领域的扩展，为土地信息资源的充分利用和社会化共享提 供了可能。也可方便国土资源管理部门与其他部门如农业、林业、气象，水利、 测绘、遥感等部门密切配合和协同工作，实现数据的有效共享，节约资金，提高 政府的整体工作效率，并为广大用户提供基础土地数据和图件 网上土地信息发布的内容很多，信息大多是以空间数据为载体进行发布的， 只有实现土地空间数据的网上发布，才可以使政府部门、土地管理部门、土地用 6 中山人学硕i ：学位论文 户方便地从网上共享信息资源，为政府科学合理地利用、管理土地资源提供决策 依据，为土地信息查询，活跃土地市场，提高土地利用率提供技术支持。同时通 过网上土地空问数据发布，研究城市土地利用现状图斑的变化规律，挖掘区域及 城市社会、经济发展的态势，动态监测土地资源的利用，把握经济发展的规律 1 0 1 。 1 4 论文的研究内容与结构 传统意义下的数据共享就是能够读取不同g i s 系统下的不同格式的空间数 据，这通过格式转换可以达到，也是目前最简单、最有效的办法，许多g i s 软 件都有自己的标准交换格式。本文研究的土地空问数据共享数据组织，主要是研 究在i n t e m e t 环境下，以共享为目的，通过g m l 作为中间格式进行转换，如何 快速、高效地实现分布式土地空间数据的动态传输与交换。针对这些问题，本文 的研究工作组织如下： 第一章为绪论。阐述了研究i n t e m e t 网络环境下土地空问数据共享的重要性 和必要性，分析了空间数据共享的研究现状。给出了本文的研究内容、研究目标 及论文的组织。 第二章为土地信息的特点和空间数据的组织。阐述了土地信息的特点，讨论 了土地空间数据组织及数据模型。 第三章为实现土地空间数据共享的关键技术。介绍了实现土地空间数据网上 共享的相关技术，即x m l 、g m l 、n e tr e m o t i n g 、a r c e n g i n e 组件技术等，并 对它们的技术状况进行了综述。 第四章为土地空间数据共享的理论和方法。给出了空间信息共享的概念，列 出了空间信息共享所需解决的问题。讨论了土地空间数据共享的传统模式、多元 空间数据的无缝集成以及基于w e bs e r v i c e 的土地空间数据共享，提出了一种基 于g m l 技术的土地空间数据共享新方案。 第五章为土地空间数据共享系统的设计与实现。首先给出了土地空间数据共 享系统的体系结构，其次重点介绍了实验系统的服务器与客户端的构建，最后详 细阐述了土地空间数据共享系统的实现过程。 第六章为本文研究的结论和展望。总结全文研究内容及论文的创新点，探讨 存在的问题，提出进一步的研究方向。 7 中山大学硕 ：学位论文 第2 章土地信息与空间数据组织 2 i 土地信息 土地是自然与经济的综合体。土地既是地球表面一定地域所有自然属性的主 体，又是人为作用于地表，赋予地表以经济、人文、利用方式、权属等属性的主 体。土地不仅是一种自然资源，是不动资产，还是国家各级政府行使主权的对象。 所以，土地既具有自然属性，又具有社会属性。土地信息除具有其他空间信息的 一般特性外，还具有其自身的特点【1 2 】： 1 1 、区域分布性。土地信息具有空间定位的特点。先定位后定性，并在区域 上表现出分布式特点，不可重叠，其属性表现为多层次，因此土地数据库的分布 和更新也应该是分布式。 2 、数据量大。土地信息包括国家、地区和市县、乡镇村等不同空间尺度数 据，涵盖范围和详细程度不等，般数据量巨大，如全国1 ：2 5 万地形图数据库 的数据量达4 5 g b ，覆盖全国的t m 影像数据量达1 3 5 g b ，加上各种多媒体数据 和分布式环境下的共享数据，即使用海量也难以形容。 3 、信息载体的多样性。描述土地实体可以用文字、数字、地图和影像等形 式及纸质、光盘等物理介质载体。对于地图来说，它不仅是信息的载体，也是信 息传播的媒介。 4 、土地信息的时空性。土地信息基本上是一种时空信息，即以时空为基本 框架，在这一框架上存储各种属性，构成土地信息体系，因而图件是土地信息表 达的重要手段，往往处理土地管理的某一项工作，例如，地籍登记、土地规划或 土地纠纷调解，都是从图件输入开始，最后又以图件输出结束，土地管理业务基 本上离不开图件。即使制定一项土地政策，执行一项法律，也都要使用土地图件。 这一特点要求研究土地信息致力于将空间数据与属性数据一体化，将图形处理摆 在一个突出的位置。 5 、严肃性。土地的基本信息由政府机构土地管理部门组织测绘专业技 术人员利用一定的测绘手段获取并经长期工作积累而形成的，土地数据具有法律 效力。土地使用的各类证件的发放、土地税收的额定、地产交易的成交、土地纠 纷的调整等都是要以此为法律根据。因而土地信息的法律严肃性是其重要的一个 8 中山大学硕i ：学位论文 特点，这就要求土地信息的表达准确、完整、可靠、安全，并且数据的更新要及 时。 2 2 土地空间数据组织 利用计算机和网络技术实现土地信息的传输，关键在于土地空间数据的传 输。土地空间数据有不同的组织方法，良好的数据组织能够最大限度地发挥算法 的效率、减少算法在程序实现方面的难度，同时提高传输速度；而不好的数据组 织往往会空耗机时，加大数据传输量，从而出现传输延迟，影响土地信息共享效 果。 土地空间数据是地理空间数据的一种。从地理认知的角度来说，空问数据组 织分为基于分层的数据组织和基于特征的数据组织。基于分层的数据组织方法源 于人们对客观世界的地理认知和抽象，把地理实体结构化为数学上的点、线、面 以及栅格单元( 格网) 1 3 j 。实际上，点、线、面以及栅格单元是不存在的，现 实中的道路不是数学上的线，城市也不是数学中的点。这种抽象不是一种对真实 地理空间的描述或表达方式。 第一层 第二层 第三层 图2 - 1 基于特征和基于分层的同一抽象层次( 据马荣华2 0 0 2 改) 对土地实体属性和关系共性的认识是人们认知的开始点【1 4 1 ，可见，人们对客 观世界的认识是基于地理特征的，这种认知方式造就了基于地理特征的数据组织 方法。这两种数据组织方法处在同一抽象层次上( 图2 1 ) ，都以实体模型和场模 9 中山大学硕i ：学位论文 型为基础，但基于特征的数据组织在面向对象数据模型的基础上使用面向对象的 技术方法来组织数据，而基于分层的数据组织主要在矢量数据模型、栅格数据模 型以及关系数据模型的基础上使用分层方法来组织数据；虽然随着技术手段的不 断发展完善，分层的数据组织方法也渗入了面向对象技术，但这并没有构成真正 的面向对象的数据模型。可见，二者存在根本的差别，图2 2 中，同一土地现象 使用基于分层的数据组织方法要分3 层( 点、线、面) ，而使用基于地理特征的 组织方法仅仅需要一层，且它们之间空间关系明显。 磁丕二二7 么二i 罗。 么二二三7 。 兰兰纛瓣l - i - 德健i 一糖q 公i n _ 缱瓣 ) 羹于 蛾静鬣糖繁纛缀飘k ) 薹手静曩靛纛s t a i r 图2 - 2 两种数据组织模式 空间数据组织模型是对现实土地表层空间的抽象和模拟，不同的空间数据组 织决定了对空间数据的存储、管理和访问的不同方法。 2 3 空间数据模型 不同的空间数据组织，其数据管理效率、数据共享、适用环境等都有着明显 的差异。当前空间数据组织的基本方式主要有基于拓扑关系的数据模型、面向对 象的数据模型、实体关系数据模型掣”】。 2 3 1 拓扑关系数据模型 拓扑关系数据模型( 图2 3 ) 以“结点一弧段一多边形”拓扑关系为基础， 存储了拓扑关系。拓扑数据模型常将空间数据和属性数据分开存放，如a r c i n f o 8 0 以前的c o v e r a g e 数据文件。拓扑关系的数据模型可以将位置坐标数据存放 在文件系统中，而将拓扑属性和其他属性存放在关系数据库系统的2 维表格中。 拓扑关系数据模型以拓扑关系为基础组织和存储各个几何要素，其特点是以 点、线、面间的拓扑连接关系为中心，它们的坐标存储具有依赖关系。该模型的 1 0 中山人学硕i ：学位论文 主要优点是数据结构紧凑，拓扑关系明晰，系统中预先存储的拓扑关系可以提高 系统在拓扑查询和网络分析方面的效率，但也有不足： l 、对单个地理实体的操作效率不高。由于拓扑数据模型面向的是整个空间 区域，强调的是各几何要素之间的连接关系，在另一方面对具有完整、独立意义 的地理实体作为个体存在的事实没有足够的重视，因此增加、删除、修改某一地 理实体时，将会牵涉到一系列文件和关系数据库表格，这样不仅使程序管理工作 变得复杂，而且会降低系统的执行效率。 2 、难以表达复杂的地理实体。由于拓扑关系组织的要求，一个完整的简单 实体在拓扑关系模型中有时需要被分解为多个几何要素( 比如一条公路本是一个 完整的实体，但为了记录其拓扑邻接信息，只有对其在与其它公路实体邻接的地 方进行分段，这样一个完整的实体就被分成多个几何要素。所有的实体都进行如 此处理，所以说拓扑数据模型是面向整个区域、面向不被分割的几何要素的，而 不是面向用户眼中的地理实体) 。复杂地理实体由多个简单实体组合而成，自然 也常常被分解，拓扑数据模型的整体组织特性注定了它不可能有效地表达这一由 多个独立实体构成的有机集合体。 3 、难以实现快速查询和复杂的空间分析。由于在拓扑数据模型中，地理实 体被分解为点、线、面基本几何要素存储在不同的文件和关系表中，因而凡涉及 到独立地理实体的操作、查询和分析都将花费较多的c p u 时间，在大区域的复 杂空间分析方面表现尤为明显。 4 、局部更新困难，系统难于维护与扩充。由于地理空间的数据组织和存储 是以基本几何要素( 点、弧段和多边形) 为单元进行的，系统中存储的复杂拓扑 关系是g i si 作的数据基础，当局部一些实体发生变动时，整层拓扑关系将不 得不随之重建，这样的系统牵一发而动全身，在维护和扩充方面需要更多的精力， 并且容易出错。 值得说明的是，拓扑关系数据模型也能以顽向对象的方式实现，但此时面向 的对象是不被其它要素从中问分割的几何要素，往往是一个独立地理实体的一部 分，而不是一个完整的、独立的地理实体。这一点是拓扑关系数据模型与下一节 面向实体数据模型本质不同的重要表现之一。 中山大学硕l ：学位论文 2 3 2 面向实体的数据模型 这里称为“面向实体”，是为了强调这种数据模型是以单个空间地理实体为数 据组织和存储的基本单位的。与上述拓扑模型相反，该模型以独立、完整、具有 地理意义的实体为基本单位对地理空间进行表达。在具体组织和存储时，可将实 体的坐标数据和属性数据( 如建立了部分拓扑，拓扑关系也放在表中保存) 分别 存放在文件系统和关系数据库中，也可以将二者统一存放在关系数据库中( 可以 将坐标数据和属性数据放在同一个表中，也可以将二者分成两个表，e s r i 公司 s d e 的存贮模式是分成四个表格，它还增加了一个l a y e r s 表和一个空间索引表。 l a y e r s 表位于服务器端，用于层的管理和维护；空问索引表( 服务器端) 采用网 格索引，用于实体的快速搜索) 。 拓扑关系数据桓墨面向实体的数据梗銎 图2 - 3 拓扑关系与面向实体数据模型 面向实体的数据模型( 图2 - 3 ) 在具体实现时采用的是完全面向对象的软件 开发方法，每个对象( 独立的地理实体) 不仅具有自己独立的属性( 含坐标数据) ， 而且具有自己的行为( 操作) ，能够自己完成一些操作。虽然面向实体的数据模 型在内部组织上可以按照拓扑关系进行，但是本文这里所说的模型强调对象的坐 标存储之间( 尤其是面与线的坐标存储) 不具有依赖关系，这是它与拓扑关系模 型的本质不同点。该模型能够很好地克服拓扑关系数据模型的几个缺点，具有实 体管理、修改方便，查询检索、空间分析容易的优点，更重要的是它能够方便地 构造用户需要的任何复杂地理实体，而且这种模式符合人们看待客观世界的思维 习惯，便于用户理解和接受。同时，面向实体的数据模型自然地具有系统维护和 扩充方便的优点。 这种模型是当今流行g i s 软件采用的最新数据模型，但也有一些缺点： 1 2 中山大学硕f ：学位论文 一拓扑关系需临时构建。由于面向实体的数据模型是以地理实体为中心的， 并未以拓扑关系为基础组织、存储地理实体，表达地理空间，因此拓扑关系并不 是一开始就存在，而是在需要时才临时导出各种拓扑关系，这需要消耗一定的系 统资源。也许有观点认为，以实体为单位组织数据时，也可以将拓扑关系一开始 就保存在实体的属性表中，拓扑关系并不一定是临时构建出来的。但仔细分析便 可发现，这种方案对由多个几何要素组成的实体( 如一条组成要素不同的河流) 不可行，因为拓扑关系不能有效准确地记录。实际上这种方案只对由一个几何要 素组成的实体适用，但其本质上仍是拓扑关系数据模型，其缺点表征与上面2 1 3 1 节描述的完全相同，因而不是真正的面向实体数据模型。 - 动态分段、网络分析效率降低。在结点一弧段一多边形拓扑关系链中， 显式的拓扑表有四个：结点一弧段表，弧段一结点表，弧段一多边形表和多边形 一弧段表。有了这四个关系表，就能直接查找任意结点、弧段和多边形的拓扑属 性，便于进行动态分段和网络分析等其它与拓扑关系有关的拓扑分析，基于拓扑 数据模型的g i s 可以很方便地做到这一点。但由于将四个拓扑表全部存贮会使 系统的空间开销成倍增大，因此一些软件只存贮其中2 个( 如早期的s y s t e m 9 版 本) 或将弧段结点、弧段一多边形表合二为一( a r c ，i n f o8 0 以前版本) ，被隐 含的表可由显示存在的表导出。即便这样，基于拓扑数据模型的g i s 在涉及拓 扑关系的查询和分析上仍然有较高的效率，而面向实体的数据模型由于要根据需 要临时构建拓扑关系，自然会使拓扑查询和分析的效率降低当然构建好的拓扑 关系可存放起来，供以后使用。 - 实体间的公共点和公共边重复存贮。由于面向实体的数据模型是以地理 实体为基本单位进行数据组织和空间表达的，对每一个地理实体都进行完整存贮 ( 存贮到点一级) ，在存贮坐标时是各对象独立存贮，不再依赖其它对象，那么 就必然会导致实体间共有的公共点和公共边重复存贮。 _ 难以将管理、分析和处理定位到几何要素一级。几何要素是指点、弧段 和多边形等简单图形，有时构成同一实体的各个几何要素之属性差别较大( 例如 组成一块宗地的各边之面积不一样，某一交通闭合环路的组成道路类型不一样 等) ，需要在地理实体的下一级一几何要素一级上进行处理，拓扑数据模型可以 直接进行处理，而面向实体的数据模型则需要首先对相关地理实体进行定位、分 1 3 中山大学硕i ：学位论文 解，因而降低系统在这方面的性能。从本质上分析，不难得到，由于该种模型认 为组成同一实体的几何要素之属性相同，因而忽略了几何要素间的属性差异，从 而导致在系统存贮和处理机制上难以定位到几何要素一级。 难以实现跨图层的拓扑查询和分析。如果这个问题放在拓扑关系模型中， 则比较容易解决，因为各个要素的邻接要素已事先存在，不仅已经是分层的，而 且具有实际的地理属性，因此只要顺藤摸瓜查找邻接要素并取得其地理属性即 可。但对于面向实体的数据模型，则不能有效地解决，因为临时生成拓扑关系时 其中的几何要素一般属于同一层，不可能自动生成跨图层的地理属性，必须做进 一步的处理才有可能解决。显然，这种方法的效率不高。 2 3 3 面向对象的整体数据模型 拓扑关系数据模型与面向实体的数据模型在模型组织方面均存在不足。但 是，对于适合网络环境的土地空间数据组织而言，既要满足对土地现象和过程等 客体的特征描述、关系分析和过程模