GIS数据共享技术_数据共享

GIS数据共享技术
乔良① 秦月②
摘要：本文从技术实现角度分析探讨了GIS数据共享技术，对各种共享技术的特点进行了比较。通过比较，认为互操作方法综合了已有的各种方法，将是解决地理信息共享的一个重要方向。
关键词：地理信息系统；数据共享；ODBC；互操作
1 引言
从20世纪60年代地理信息系统（GIS系统）出现到现在的第四代地理信息系统，GIS的功能和技术特征已发生了巨大的变化。由于GIS技术本身的发展和社会应用的需要，不同系统间数据的共享和应用的互操作正受到越来越多的关注。如成立于20世纪90年代的国际组织OGC联盟，是一个致力于解决GIS系统间屏障的一个民间组织，国际标准化组织ISO也有专门的部门从事GIS技术标准和数据标准的制定。我国的GIS产业正进入跨越式发展的阶段，对于我国的GIS厂商来说，国产GIS软件从现在起就致力于数据共享和互操作的研究，能使我们少走弯路，能直接和国际接轨。
2 传统GIS数据共享的实现方法
在GIS发展的初期时的数据共享方案，多是针对在单机环境中运行的GIS系统。对于空间数据和属性数据的处理，早期的GIS系统一般都采用分开管理的手段，数据转换需要对两者同时进行。所以在数据转换的方法中，需要同时考虑空间数据和属性数据。
2.1 明码格式数据转换方法
GIS厂商最初想到的方法是在不同GIS系统间采用明码格式来实现共享空间数据。如ArcInfo的E00格式、MapInfo的MIF格式以及标准图形交换格式DXF等。明码格式实质上起到了一个数据桥梁的作用，通过这个桥梁可以实现软件之间的数据转换。
应该看到，单机环境下用数据转换的方法实现数据共享有着明显的优势，如可以快速、准确地实现用户的需要，达到数据共享的目的。用户甚至可以在系统内设置有关的转换参数后，对海量GIS数据进行批量转换。用户只需要做一些有限的参数设置就可以达到自己的目的，转换过程不需要用户干预。
另外，对地理世界中的实体，不同的GIS系统采用不同的抽象概念和形式化方法进行表达，因而数据转换方法不可避免地存在着一些显著的弊病。如由于数据模型不同，转换后的数据不能准确地表达原数据的信息，空间数据转换容易造成数据信息丢失，有时还会造成空间数据精度损失等等，甚至有时需要进行多次明码交换才能实现用户的目的。
2.2 标准空间数据格式的共享方法
在意识到空间数据结构性差异给数据共享带来的诸多麻烦后，一种基于数据结构标准化的空间数据在多个GIS系统间具有较好的共享性。近年来不同国家和组织出于自己的需要，陆续制定了各自的内部标准，如我国制定了国家空间基础数据标准NSDS等。空间数据标准化的举措在很大程度上推动了空间数据的共享和互操作。
由于各GIS厂商对推行标准化的积极性不同，所以对GIS标准格式数据的接口和转换的实现无法达到同步，而且随着各种各样的标准的出现，数据标准化已失去了原来的意义。不同国家和地区制定的标准之间互不兼容的情况普遍存在，标准间仍然存在地理模型和数据结构性差异的问题。现在的空间数据标准化只能做到在某个特定的行业或国家中实现空间数据共享，而无法实现基于地理空间概念上的数据共享与互操作。
2.3 系统直接存取方法
为了解决资源的浪费这个问题，不同的GIS厂商间出于利益考虑，经过协商，决定向对方部分或全部开放自己的空间数据格式。基于这些开放的空间数据格式，不同的GIS软件可以实现双向存取，从而实现共享。如Intergraph的GeoMedia可以同时读取多种格式的空间数据，包括MGE、ArcInfo、Frame、OracleSpatial等。Bentley公司的MicroStation可以读取dwg、dxf、ArcView的shp、MicroStation的DGN等数据格式。
空间数据格式开放的程度不同，使直接存取方法中出现一些特殊的和不可克服的弊病。如对于GIS系统升级的情况，通常会对空间数据格式进行修改，而且有时这种升级是全方位的，系统会对空间数据结构做一些彻底的、根本性的修改。这时基于直接读取方式的数据共享方式就显得无能为力，系统必须重写已经实现的数据存取模块
3 仿ODBC的空间数据共享方法
在数据库的发展过程中，用标准SQL和ODBC技术较好地实现了数据库系统间数据的共享，解决了数据库系统间由于存储机制和内部格式的封闭性而造成的障碍。ODBC是为了解决数据库之间最大的互用性而设计的。它本身是一个规范，与实现语言无关。ODBC API通过标准SQL语句来传递应用请求并接受处理结果。ODBC技术包括四个组成部分:①应用程序；②驱动管理器；③驱动程序；④数据源。其相互关系见图1。

图1 ODBC框架图2 OGDI框架
ODBC思想可以很好地应用到GIS数据共享的问题中来。针对不同的数据源，ODBC有两种类型驱动程序，即基于数据库和文件的驱动程序。现代GIS系统，正逐步突破空间数据和属性数据分别存放的模式，用数据库来统一存放空间数据和属性数据已成为重要方向。利用ODBC技术，可以解决空间数据和属性数据分别存放的情况，也能适应一体化存放的情况。
实例：加拿大国防部为了解决地理数据的共享和互操作问题，联合多家公司和组织推出了OGDI。OGDI和ODBC思想类似，其核心是在一系列的驱动程序支持下的API集。OGDI可以在不同的GIS软件包间处理不同的数据源。驱动程序分布于网络中，应用中通过gltp协议调用不同的驱动器程序，可以向分布在网络环境下的数据源发送请求。对用户来说，感觉不到存取网络数据和本地数据的差别。对应不同的GIS系统，OGDI建立了相应的驱动程序，如OracleSDO、GRASS、PAMAP、ArcInfo和DGN等都有自己的驱动程序。当用户从客户端向服务器发送请求时，服务器接受请求并通过相应的驱动器将数据库中的地理数据转换为OGDI标准格式数据并返回给用户。其运行方式见图2。
可见，OGDI综合了数据标准化和数据转换的特点。通过gltp协议，OGDI可以处理分布式异源地理空间数据。OGDI利用ODBC思想实现了不同位置数据源的共享操作。
OGDI同时也有自己的缺点。例如:在利用OGDI API进行编写实例时，用户需要知道数据源所在的位置；只能对有限格式的数据源进行共享操作OGDI返回的数据是NATO（北大西洋公约组织）制定的标准格式，其数据模型是特定的；OGDI是基于特定的网络协议gltp。地理数据共享的局限性仍然很明显。
4 互操作共享方法
OGC是一个集中了广泛政府机构、学术团体、GIS软件厂家的一个国际性、非赢利性组织。其主要任务是制定并不断地完善一套地理数据互操作的规范，目的是在全球范围内推广地理信息的共享和互操作。OGC认为GIS互操作的运行环境应是异构广域网络，操作对象应是分布式的地理空间数据仓库。实现GIS互操作需要综合应用计算机广域网络技术、软件互操作技术、地理数据仓库技术和软件组件技术等。
4.1 GIS互操作概念
从功能上出发，GIS的互操作定义是: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。从实现目标出发，GIS互操作对于广域网环境下的各类GIS系统和各种地理空间数据，能够同时解决数据共享和应用共享的问题。
4.2 OGC互操作体系
在OGC制定的OpenGIS规范中，互操作从三个领域对GIS的数据模型和操作方式进行抽象规范，即地理数据模型（Geodata Model）、地理数据处理服务（Geoprocessing Service）和信息群（Information Communication），并细分为十五个主题，包括:目录服务、几何特征、空间参考系统、特征和特征集、质量、元数据、语义和信息群、影像坐标转换服务等。
针对广域网络环境中存在的不同操作系统和GIS系统，OGC制定了相应的实施规范。目前已经制定的规范有三个，分别为基于OLE、COM、CORBA和SQL的实现规范。
4.3 互操作实现状况
有一些比较活跃的OGC成员已经开始进行有关的实验，并在自己的软件产品中融入OpenGIS规范并已经取得了一些成绩。ESRI公司是较典型的代表，它在互操作解决方案中，针对三种不同的实施规范都有相应的产品予以支持，包括基于SQL的SDE、基于Internet的ArcIMS等。Intergraph公司将Geomedia和SICAD Geomatics联合，用统一的OGIS接口实现了地理信息的在线互操作。
OGC制定的互操作规范是实现地理信息共享的最有力的工具。当前OpenGIS众多的技术规范还没有完全定型，OGC成员对这些规范的实施积极性和实施程度有区别，互操作规范的推广和实现在时间上不能有一个明确的期限，这在一定程度上会影响成员和GIS用户的积极性。
5 结论
互操作制定的实现规范统一了传统数据转换模式和访ODBC模式，数据共享策略吸收了多种分布式计算模型，可以适应异构网络环境下的地理信息共享，实现规范中的标准SQL方法吸收了ODBC的思想，CORBA方法以及COM方法可以使地理信息共享框架跨越操作系统平台得到实现。
地理信息的共享是GIS厂商和客户多年来追求的目标。我国正在努力进行的第四代GIS的研制，可以充分吸收互操作的理念，结合我国国情，创造出民族GIS的精品，并能和世界充分接轨。