OpenGIS的分布式地理数据和地理处理方法

1、OpenGIS的分布式地理数据和地理处理方法      正 文:1.1什么是开放式地理信息系统？随着地理信息系统（GIS）中计算机硬件和软件成本的下降，资源管理人员越来越关注环境数据的最大化价值。许多规定日期的工作已经实现了标准化的数据生产，数字化的信息分布和标准化的翻译。针对以交流清单为基础的地理信息系统的应用和分析工具的信息交换我们赋予的努力还很少，如统计分析，过程建模，和模式识别等等。作为一门技术和空间理解掌握范例，地理信息系统在不久将来的成功将取决于能否将为科学调查和环境规划而实现将多种方法融合成一个全面的系统的无缝集成。开放

2、系统模型是一种软件工程和系统设计，它实现并鼓励数据，资源，工具，等等不同的用户或应用程序的共享。当它被应用到地理信息系统区域时，它的目的就是从目前的模式中摆脱出来，在目前的模式中特定的地理信息系统应用和功能与其内部的数据模型和结构紧密结合在一起。开放式地理信息系统不仅促进个人GISs之间的信息交流，而且促进其他系统之间的信息交流，如统计分析，图像处理，文件管理，或可视化等等。在开放式地理信息系统中地理信息管理的基本限制是不同数据类型，不同地理信息系统和不同应用的扩散。这种多样性的特点是能够迅速发展到似乎无限量的用户和数据要求集合，但它与有效的数据资源共享相违背。那些希望共享经由他人开发生产的地

3、理数据的用户面临着一个复杂的数据转换任务。通过转让格式有助于这种情况，但不可能彻底的解决这个问题，这是由于存在将大量的数据模型和数据架构的复杂融合。地理信息系统的工具箱办法提供了一个广泛的基于私人数据模型操作的地理处理工具来寻求解决这一问题。虽然采用的是私人数据模型，但不一定限制用户对于工具箱中可用工具的使用；他们不能自由利用其他类型的软件功能，如统计分析，电子表格或数字处理等。应用软件开发商往往会通过创建以实现具体功能的自定义软件而必须适应根本不相容的数据模型和地理处理工具。讨论了这些问题，那么形成一个开放式地理信息系统的基本需求是：(1)互操作的应用环境可利用特定的工具和数据配置的用户工作

4、台是必须解决的一个问题。(2)共享数据空间一个可以支持各种分析和制图应用的通用数据模型。(1)异构资源浏览器以便探索和获取网络中可利用的信息资源和可分析资源。开放式地理信息系统协会，一个基础广泛的联盟政府机构，研究机构，软件开发者和系统集成商，经过多年努力来定义开放式地理信息系统（OGIS），并制定了一整套的要求，标准和规范来支持它。它的总目标是鼓励软件开发商和集成商去遵守这些要求，并通过时间创造的工具，数据库和通讯系统等那些最大限度的利用系统和资源，并利用技术进步而形成的系统。正如在开放式地理信息系统中指明的一样，其目标是在一个单一的环境和单一的工作流程中使一个应用开发者使用任何地理数据和地

5、理处理函数或“网络”中的可用处理方法而形成的一门技术。1.2开放式地理信息系统架构 开放式地理信息系统的三大要求互通式应用，共享式数据空间和异构资源的浏览器都必须连接到一个系统的整体架构中。虽然它们每个都可被视为一个含有特定功能的集合，但它们都必须共存于一个共同的已定义系统组件是如何交互的框架中。当然，这些组件本身是复杂的，它们相互之间又是多层次和多方式的。一个开放的地理信息系统的体系结构必须提供强有力的方法来获取多种形式的适合于多种软件环境的数据。也就是说，任何便捷的地理信息系统或其他使用地理数据的应用程序，必须能够获得并使用任何其支持格式的分布式信息。开放式地理数据互操作规范（OGIS）项

6、目，自1993年6月开始实施，它是对于设计方法的一种尝试，它提供了一个面向对象的架构以便获取地理数据，它独立于用于给数据建模的特定数据结构和文件格式。从用户的角度来看，OGIS允许远距离访问地理数据，而无论格式怎样。从应用程序开发者的角度来看，OGIS提供了一套全新的网络服务，以确定，解译，并表明一个数据集从地理数据服务器到地理处理客户。图1概述了OGIS的架构，它包括分布式计算平台，数据对象和存储，以及应用和服务。虽然图1是以分层架构来显示，但这只是用图表来表示各个组成部分间的操作运用关系。事实上，构架中的每一个结构地理信息系统数据库应用，地理处理方法，框架组成部分都是一个对象。每一个对象都

7、有特定的接口方法，使其能够与其他对象之间建立联系。这个方法独特之处是专门的服务正在开发，而这些服务提供所需的功能的有效接口。例如，我们可以利用服务商提供的详细协议来共享接口，而它必须是一个带有通用地理数据模型框架的私人数据格式。事实上，图1可以以“分布式对象技术”作为总线来重画，而与它连接的是所有其他以提供和需求服务的对象为格式的有效构架。更需要我们注意的是OGIS是一个业务模式，而不是一个数据标准。总的前提下，OGIS是一组特定的软件工具，为将不同来源的数据动态翻译成单一的地理数据，依靠数据模型来解译对象，这些对象模型然后可以直接进入到使用基本工具包或基本操作的应用程序中。在开放式地理信息系

8、统中，OGIS提供了框架，通过框架设置了含有其他功能的各个类，特别是地理数据模型，它介绍了定义了接口，应用软件和系统的地理信息和服务模式。 OGIS力求从以下几个反面来实现这些业务目标，第一，根据现有的分布式对象方法和体系结构使用面向对象的执行模式。这意味着，每一个规格标准的组成部分无论是数据格式、应用程序、一种地理数据模型、转换器或用户模式都是一个对象，因此可以通过对象管理的一套公用设计来进行操纵。第二， OGIS的开发将在传统框架和其特定原型模式中进行加强并实现。也就是说，我们首先会建立一些提供简单的地理数据交流的方法，其次是操作者对各种形式数据的不同操作，并最终通过渐进的办法来确定和实施

9、地理处理服务。第三，OGIS的开发是在以地理数据对象为目标的情况下通过优化的定义，开放的交流和转让的格式为基础而开始。随着用以解释嵌套在OGIS模型表格中的程序变得越来越容易定义，这样随后的努力将集中于标准分布格式和（与外部系统开发商）私人数据格式。 OGIS的一个关键特征是由大量的现有数据结构所决定的即不仅特定的解译必须是健全和一贯的，他们必须解决各种数据模型中存在的不一致性。例如，OGIS必须启用地缘关系和基于特征的地理数据模型之间的透明共享。其关键是互操作性即在突出因素不能事先得知的情况下能够基于探索发现和动态解译过程来获取和转化数据的这种能力。 OGIS进程的目的是将地理信息系统技术的

10、多种方法统一到三个关键领域：即地理数据模型，地理处理服务和定义信息社区。总之，这些努力将会将传统地理信息系统的实践，自动测绘，遥感，空间和时间分析以及科学建模转化到一个共同的地理信息框架。2.1共享数据模型及存储OGIS地理数据模型（ OGM ）是开放式地理信息系统概念的核心，是OGIS框架一个不可分割的组成部分。它提供了一个连续的合乎逻辑的地理信息观点和独立的基本数据模型或格式。因为它是一种综合性的地理数据表达，因而它允许建立一套高层次的功能或操作，而这些功能或操作可用于应用程序来访问不同的数据集。地理信息的收集和管理可用于许多用途，其中每一项都有自己的要求的对于数据如何才能最有效地组织起来

11、，它包括哪些有益的特征，什么程度的精密度和准确度是必要的，如何分析和信息显示，等等。因此，现在许多地理数据的表达，其中大部分是不相容的，并对一个社区中用户的使用数量进行限制。出于这次讨论目的，我们确定了以下地理信息表达的几种级别： 1，数据模型涉及到一套信息的概念，例如地图的主题，离散的要素和对象，观测量或数字或算法的描述。 2，数据结构，是指对地理信息进行编码的方法，如弧节点（拓扑相关矢量），计算机辅助设计，栅格，数据库记录或链接对象。 3，数据格式是指用于存储和管理地理数据的具体协议或程序，如栅格或ARC/INFO矢量覆盖中的GRASS游程长度编码。在这些定义中可以看出地理信息包括数据点或

12、要素，而根据其在空间（和可能的时间）的地理位置使得它们其中的每一个实体都能够被单独的描绘出来。诚然，还有许多其他形式的信息，它们一般都涉及空间，如关于地域的一篇杂志文章，但这些类型并不包括在此项地理信息的有效定义中，当然，除下文所述。其次，该OGM的目标是建立一个单一的综合模式，包含了一系列的现有模式及其相关结构。也就是说，OGM必须能够用任何一种以任意数据模型相关参数来制定的格式来描述任意的基准面。从应用程序，而不是数据的角度来看，OGM框架必须提供相应的方法，通过它用户可以查询地理信息。 起初，OGM必须解决共用地理处理系统和与其相关的地理数据的数据管理要求。这些因素不仅包括各种格式和结构

13、，而且包含用以表达不同地理现象的基本的不同模型。因此，OGM结构必须从顶端开始定义一直到最后为不同的数据结构至少提供一种图案为止。在顶部，也就是概念级，一个OGIS地理数据对象包括三个主要部分组成： （1）空间组成部分，它包括一些几何形状，如点，线，多边形，网格和时空参照，并通过预测，坐标系统和可行性转化来定义。 （2）语义组成部分，它使用目录或数据字典根据“真实世界”模型定义了一个对象的意义。 （3）元数据，它用来描述所有的附加信息，而这些信息需要在信息社会的背景下来正确的解译一个对象。OGIS认识到有两种根本不同的方法，通过这两种方法我们可以来正视地球即实体和现象。实体是离散的可识别的结构

14、或单元，它们有相对明确的边界和明确的说明，如建筑物，水体，或测量站。涵盖在空间位置和其对应描述中的或多或少的连续现象只有在特定的点的情况下才变得有意义，例如地形，空气质量或土壤类型。这种双重性在OGIS中表现为两种地域类型： （1）特征代表原子的、具有价值性的整个地理实体，他们的位置是有关其定义的函数，即“什么在哪里”的表达式。 （2）覆盖用来描述地图，影像和地域中复杂的地理现象，同时是一种有关空间/时间域的函数，即“哪里是什么”。在实际标准的严格定义中，覆盖范围是要素的一个特殊子类型，它是为了更好地管理要素采集和覆盖信息之间的共用接口。 OGIS对象是通过一组类的定义和方法接口来描述对象的（

15、以面向对象程序设计构架的一个类库；以面向对象数据库管理系统构架的一种方法）。使用面向对象的数据库结构和编程方法以满足OGM的目标是必要的。这是正确的，原因如下： （1）OGM必须提供一个可用与多种数据模型相关的多种格式来存储和管理数据的这么一个机制。由于数据类型的局限性它不能用传统的数据库存储来完成，由于缺乏对那些数据文件的整合使得它不能用典型的地理信息系统数据文件来完成。 （2）基于简单描述OGM必须允许随机存取任何选定的数据元素，使得取自私人数据的信息可立即被使用，而不需进一步的处理。用大多数的数据传输格式（如SDTS或数字线划图）是不能来完成的，因为地理特征不是被唯一标识或完全描述的。

16、（3）与每种类型的地理对象相关的是与其他对象有关的一些选择，分析，显示和结合的方法。而面向对象的系统提供数据类型和方法这方面的紧密耦合。 （4）在没有用户的明确干预下，它必须能够提供地理建模数据的连续存储以便持续的使用。也就是说，在回应查询过程中一旦信息被改装，由此产生的对象应仍驻留在存储中以供日后使用。如果没有建立一个独立的文件存储系统，用常规的程序编程是不能来完成的，同时它与OGM的目标也违背。 （5）该系统必须得到充分的扩展，使得新数据类型和方法在无需修改现有系统的情况下能够被容纳。 （6）OGM不仅要管理如上声明的地理信息，而且还可以通过描述性元数据来链接这些地理信息，它可能是很明显的

17、来自于私人数据或参考自其他来源。虽然传统的关系字符串提供了特定的查询框架，但是他们仍然为所有可能的数据值和类型假定一个预先定义的架构;面向对象的系统允许这种关系视需要来被加以界定。该OGIS地理数据模型可以被看作是一种层次，概述如图2。数据集和特征的广义概念可能会被分散到它们的组成空间，语义以及元数据的组成部分中去。空间组成部分的几何形状反映了对地理数据建模广为接受的理论方法和简单或复杂特征的双重性质，并设置了覆盖范围。空间参考的关键方面是，比起用关于数据集的元数据标记来汇总空间参考信息，对特征的几何形状进行算法的定义和转化更加紧密耦合。语义组成部分是通过一个相关属性模型来声明的，如在当前地理

18、信息系统中被经常使用的地理相关模型，再加上属性资料的收集和其与特征相关的一些参数。元数据是与特征集或集合（和覆盖范围，当以这种方式进行评估时）相关的一些属性，它统一适用于所有包含在一个集合中的各个元素；适用于从最高水平的综合下到原子级的具体数据元素递归性的完成数据存储或复杂系统的元数据定义功能。3.1服务和应用程序 与OGIS地理数据模型相似，服务模型包括业务操作性的、面向过程方面的OGIS。该服务模式包括一个基本的功能，即促进应用程序和信息社会的建立和执行。在符合OGIS中面向对象的情况下，这些职能作为提供具体功能的类型软件对象而被注意到。类型用来指定接口，而应用程序用来访问其他应用程序和服

19、务。OGIS架构中的服务是特定情况下的应用程序，它带有为客户提供应用和服务功能的额外特点。例如，服务能使人们利用各种私人数据格式，提供了具体的转变或地理处理操作，并有助于分布式环境中现有资源的识别和定位。OGIS架构中的应用是一些进程，它们在网络的某些地方运行，并针对于一组特定的用户需求。例如，水文模型应用能够从多种地理数据库中获得空间信息。应用也可以建立一个机制，它可以整合现有工具和数据集并把它们纳入到特殊用途、高层次决策支持或系统建模中。3.2目录和架构服务 框架中的核心服务是访问和利用不同格式和存储系统中数据的应用功能。这就意味着，OGIS兼容应用程序可以使用共用转换标准或者分布式格式或

20、地理信息系统数据库中支持的数据。通过OGIS提供的地理数据访问功能是独立的基本数据模型和结构，因为每个支持私有数据的存储都是根据OGM的定义来转化的；也就是说，每种存储都是通过定义接口来提供给应用程序的。OGIS地理数据访问的基本原则是提供一个获取信息的统一办法，它不需要用户知道或了解数据的根本组织形式。 该数据访问机制是一系列的目录访问，这些目录能够提供私有存储的数据内容信息，描述从私有数据创建的OGM类型，并提供了到选定的数据的处理函数或指针，确认与来源和目标相关的功能架构。与基本数据结构和内容密切相关的是地理数据可以转化到OGM的程度。这是隐源地理数据性质和相关数据提供商具体功能的公共有

21、函数。申请必须可靠地掌握到底哪一个OGM类可实例化和哪些接口可用。 这个过程还包括关于数据对象语义内容的信息，它直接通过共享信息社会架构或间接通过与预先定义的映射有关的语义翻译服务。信息交流可包含空间和时间数据关于地理数据集的信息以及地理现象的时空参考和主题意义。由于地理信息系统数据库和档案是用几乎是无限的一系列架构设计，数据字典，内容词汇和地名录来建立和维护的，因而应用必须能够取得有意义的资料，数据内容和语义。此信息为制定查询和解释结果的基础。地理数据目录服务将存在于架构和某种详细程度的报告递交到应用程序需求中。一旦应用程序实现了私有数据的使用，它可以与数据提供商进行协同，来生产已通过目录服

22、务显现的可利用数据（通过OGIS接口）。这实质上是一次读取操作，在这里预先发现的地理数据项目是作为一个OGM对象（或对象集合）来被提供的。从私有数据存储的角度来看，这就需要选择一组特定的地理数据。选择是基于与专题和/或地理数据空间内容相关的标准来作为标准的，并能够非常具体或高度概括。接下来是查询服务（见下文），它用以说明何种选择标准可以使用以及它们将被如何评估。 对于一般位置来说，与其他地理现象或地点/拓扑关系一样，空间选择相当关键。同样，专题的选择与一般的主题，具体信息内容或聚集以及连接也是相关的，它是由数据提供商来确定可用查询的范围和特殊性的。接下来参看我们建议的下列情况： （1）支持的唯

23、一选择是根据私有数据存储的内部组织，即地图覆盖，栅格文件或图纸以及文件名称或标题来定义的。 （2）一个任意的包容盒可用于限制地理数据的空间范围，并与特征类型（例如，地图主题）的规范化有关 。 （3）特征的定义可以用来确定被选中的具体实体，如几何代表性，时空关系，主题内容，或任何其他管理和存储于源系统中的属性。 （4）其他地理数据，无论是在源系统或建模的OGM中，都可以根据对区域的关联、相交和连接的计算来确定被选数据的空间范围。 3.3转换服务 目录和接入服务可以使选定的数据通过指定的OGIS接口变得有效，但无法真正把一个数据模型改变到另一个。应用程序可能需要用一个完全不同的模型或结构来获取地理

24、数据，而且这比源存储还要复杂。例如，一个图像处理应用程序可能会要求多边形特征信息在使用之前应该被栅格化。虽然这两个模型都是通过OGM支持的，但实质上用户正在影响转化进程。此外，我们往往通过不同的地理投影，坐标系统或大地测量参考系来获取并存储地理数据，它们超出了应用程序的需求，尤其是在包含多个地图图层的地方。OGIS转换服务是一个程序，它可在网络环境中应用，并提供了一个函数或函数集，这些函数或函数集可以将数据从一种OGM数据模型或大地测量框架中转换到另一种OGM数据模型或大地测量框架中（在OGM中）。转变服务既可以通过一个访问管理器作为地理数据访问进程中的一部分来援引，也可以直接从应用程序中来援

25、引。如上所述，语义转换需要将当前架构或数据存储中的特征定义关联到其它架构或数据存储中的特征定义中去。3.4查询和地理处理服务 查询服务可提供机制；通过这些机制，应用程序的数据要求可以被评估和执行，同时能够管理返回到初始化程序的这些查询结果。查询服务是基于一种标准化的查询语言的，该语言允许应用程序访问时空，语义和特征或特征集合的描述性信息。该语言必须提供初级的基本空间操作，如求交和裁剪；基本的语义操作，如通过范围或等值进行选择；以及基本的描述性操作，如使用关键字或剖析等。数据供应商，根据其与OGIS的协同程度，能够提供有限的地理处理，如特征选择和可能性交叠关系。更复杂的分析操作，如地图运算，缓冲

26、，分类和融合以及类似于地理信息系统的各种操作，位于一般数据存储的范围之外。虽然应用程序可以直接执行这些操作，但分布式对象技术为所需要功能提供了一个可直接利用专门服务的良机。地理处理服务的作用是为应用程序提供高等级的工具，这些工具在现有的应用程序中并不一定有效。这些网络资源可以作为一个地理信息系统工具包来运行，它可共享于任何请求的客户端进程。他们可能会作为基本服务而被实施，在这些基本服务中其功能被作为基本的OGIS操作，或者作为供应商提供的公用设施，用以满足特殊的要求。在后一种情况下，这项服务可通过传统的GIS应用程序来提供，它带有一个用于请求和相应的公共接口，并很有可能会结合地理信息系统数据库

27、。例如，应用程序可以请求地理数据对象求出包含于10公里范围内所有指定水体的单元；一个综合性的地理信息系统数据库访问管理器和地理处理服务器可以同时提供必要的数据和缓冲作业。对于绝大部分的地理分析和查询来说最关键的是以求交显示或硬盘拷贝输出的可视化结果。应用程序可能会抢占可提供图纸和图片的显示服务。一个更加智能化的显示服务还可以处理制图符号和综合，投影和转换以及三维动画。 4.1信息社区 OGIS信息社区概念解决了语义互操作性的问题；也就是用户共享有关地球有效信息的能力。它认识到，不同群体的用户可能有不同深刻的世界观，每个都有各自特定的词汇和分类，地球地理特征和现象的不同抽象，以及适于操纵，交流和

28、分析的合理机制。在一个特定的信息社区中，信息共享相对来说是比较简单的，它只有沟通编码协议，字典结构等的基本要求。在两个乃至更多的信息社区中，信息共享涉及到翻译器，它用来将每个社区存储的语义内容转换或融合到一个共同的表达或视图中。 语义与信息社区是相关的（如开放式地理信息系统指南中所列），它包括：用来描述特征集合信息的元数据；特征类定义；属性定义；有效的特征和属性关系；特征和属性的数据采集准则；用以特征表达的符号集；用以特征描述或显示的规则集；特征，属性，元数据等之间的相关性和依赖性；方法以及行为。此外，很明显每个不同的和独特的地理数据集被一个信息社区所掌管，它是根据与该社区相关的语义规则而被创

29、建的。信息社区也可以通过一个或多个目录的可用性来定义，它包括用来描述每个特征集合的元数据；这种目录可以作为日益普遍的个人目录集的综合描述而被组织起来，并用于特定特征集的使用。如果一个信息社区的目录足够的强大，另一社区的用户应该能够使用该目录来确定集合组成部分的确切含义，从而能够利用这些信息来实现自己的目的。唯一的要求是，源目录应该通过简单的途径展示给世界，这些途径包括万维网或较复杂的方法等，这些方法涉及到分布式计算环境中的对象交易服务。另外，两个信息社区在关于开发一种语意翻译服务上可能会达成一致，该语义翻译服务能够提供一个正式、明确的从一个信息社区特征类型到另外一个信息社区特征类型的映射。实际

30、上，这就意味着要创建一个集合的附加视图，而它与不同使用者的世界观又是一致的。数据库联合和架构融合的问题对于地理数据/地理处理来说并非独一无二的。因此，今后在OGIS信息社区领域的努力将普遍化的遵循分布式处理行业的发展。在撰写本文时，信息社会的概念也将会不断的发展强大，以便读者参考OGIS网站上提到的问题和建议。4.2使用OGIS进行环境建模 OGIS的目的是为了支持多种地理信息模式和众多分析及可视化应用程序之间的互操作性。迄今为止，OGIS发展中的许多工作都是以制图范式为中心展开的，其中地理特征可通过其空间范围，属性和关系来定义。最近，人们越来越重视地球成像应用和对空间表达和描述的特定需求。

31、环境建模是一门学科（或学科集），它应该同时接纳或被OGIS进程所接纳。当然，环境建模机制可直接通过利用隐含地理信息进行反复分析来提高，当然这是与比较典型的不相交的参数化方程相比的情况下，在该方程中数据集用来为模型设置边界条件。传统的地理处理功能，如空间选择，专题叠置和测量可直接被纳入到一个模型中，同时还可纳入一些新功能，如空间分析和统计。与此同时，建模会需要一些新接口来指向地理数据，而这些地理数据目前可能没有被纳入到规范中。此外，OGIS也将会扩大其在三维数据和时间数据中的研究范围。虽然基本的几何量已到位，但这些都是不完整的。时间数据的重要性已被认识到，同时草案规范指出空间类型和接口必须成为时

32、空类型和接口。我们也相信，在解决实际问题和实现真正的互操作性上，OGIS进程中环境建模应用程序的列入也将会走上一个合情合理的发展道路。结论： 开放式地理信息系统，分布式对象技术，以及开放式地理数据互操作规范提供了一个用以共享广域异构数据和应用程序的模型。OGIS架构允许应用开发商和用户进行鉴定，评估和利用地理资源包括空间数据集，地理处理工具，模型和程序没有被区分数据组织和处理环境所约束。它将使传统的应用领域不包括在地理信息系统领域，如环境或过程建模，凭借地理数据存储和地理处理服务进行互通，并且使地理信息系统的用户共享并获得更广泛的建模功能。该OGIS项目最终为系统组件产生一个详细的规格，并外加一个试点原型软件和数据模型。参考文献：1British Columbia Surveys and Resource Mapping Branch (1993), Spatia