地理信息共享和标准化问题的探讨

地理信息是以地球表面空间位置为参照, 描述自然、社会和人文经济景观的数据, 这些数据可以是图形、图像、文字、表格或数字, 是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。自20世纪70年代以来, 全球信息化的发展速度加快, 数据积累也迅速增加。据估算, 人类社会最近30年所积累的数据总量已经超过了人类5000年发展历史所积累的数据总和。目前, 我国GIS在各种领域得到广泛应用, 已经建成大量的地理信息数据库, 这些数据资源分散在各个部门和行业中。计算机、互联网等信息技术的发展, 使得信息的共享成为必然, 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;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。现象的原因主要是由于缺乏数据的标准化, 以至于数据资源难以共享与利用, 导致重复投资和信息资源浪费。降低采集、处理数据的成本, 促进数据的共享, 已经成为各界的共识。

1 数据共享目前存在的问题

G I S数据共享有三个基本要求:一是GIS数据所表达的地理信息正确;二是用户无歧义、无错误的接收并正确使用信息;三是要保障数据供需双方的权力不受侵害。就地理信息共享的发展现状来看, 各个国家及国际组织都在为信息的共享做努力, 但是目前的研究无论是标准的制定, 还是共享平台的建设等方面, 更多的是侧重于理论方面, 实施起来则比较困难。具体主要存在以下几方面问题:

1.1 语义共享问题 (语义:也叫词义, 指词语的意义)

要保持在GIS数据共享过程中语义稳定性和一致性。

由于地球系统是一个复杂的系统, 要想对存在的各种地理信息以统一的方式进行描述和规范, 存在很大的难度。I S O/TC211和OGC等国际组织所制定的标准属于理论上的基础标准, 不针对个别特定应用, 不涉及具体生产标准, 而是用宏观标准来构架, 注重于客观理论性描述, 所制定的标准是从整体上来确定, 大多是非结构化的, 过于抽象, 因此就难以在生产中得以实现。当某个特定应用需要实现标准化时, 需运用专用标准来达到, 在实际应用中就难以操作, 针对同一标准, 应用到不同的地区、不同部门, 再加上人的理解不同, 就会出现不一致的状况。

1.2 数据质量不稳定

包括:①数据生产的质量控制, 例如空间数据的位置精度控制和非空间属性的编码以及录入的正确性;②数据质量评价方法的稳定性和一致性。

1.3 数据库设计不规范

包括数据模型设计、数据库结构及功能设计、数据建库的工艺流程设计方面的标准化问题。

1.4 标准化数据档案问题

包括:①描述GIS数据库开发及GIS数据共享活动的各种文档性资料的标准化;②对所生产或共享的GIS数据集的描述文档的标准化。

1.5 数据格式不一致

包括:①不同GIS系统之间数据格式转换问题;②通用数据交换标准出现后, 由于这种标准太多, 增加了用户选择的难度及GIS软件系统开发的开销, 反而使标准不标准了。

1.6 数据的可视化问题

包括:①用于GIS的制图符号的标准化和标准制图符号库的开发;②研究非制图符号的GIS可视化 (图片符号、声音符号等) 。

1.7 缺乏GIS软件产品及数据产品测评手段及规范

由于缺乏相应的标准及一套规范化的工艺流程, 因此使现在实际的测评工作具有较浓重的实验色彩, 在这方面仍然存在着大量急待解决的问题。

1.8 数据低水平利用

海量数据是地理信息的一个主要特点, 目前由于GIS数据模型的多样性, 不同的软件产品有不同的数据格式, 如Arc GIS的coverage、shp数据, Map Info的Tab数据等, 同时数据还存在拓扑与非拓扑的关系之分;各行业、各部门对数据需求也存在一定差异性, 对同一数据需求的详细程度也不尽相同;同时加上地理信息共享机制的不完善, 也就造成了数据的重复生产, 低水平利用。

1.9 共享平台构建技术没有实现新的突破

地理信息共享平台的建设主要是实现地理信息的互操作。目前的互操作框架主要有基于空间数据转换的互操作框架、开放式地理数据互操作规范与分布式异构数据库互操作框架。虽然这些框架在某些方面能实现地理信息的互操作, 但大量使用传统的分布式计算技术、中间件技术。这些技术本身存在一定的弊端, 因此, 应用起来并不理想, 仍然存在大量的问题, 也就是地理信息共享在互操作方面也不尽完善, 共享平台构建技术并没有实现真正的突破。

2 目前数据共享解决方案

数据共享是现代信息社会的一个最基本的特点, 是国家空间数据基础设施NSDI (National Spatial Data Infrastructure) 建设需要解决的核心问题, 除了政策和行政协调方面需要解决的问题外, 技术层面的共享上仍有大量的难题需要解决。但是由于不同的GIS软硬件平台、数据格式、数据标准、参考系统、数据的组织方法及学术、经济和立法的障碍等因素, 实现数据的共享并非易事。

目前, 实现GIS数据共享大体上有三种方案:数据格式转换方案、数据直接访问方案和数据互操作方案[4]。

(1) 数据格式转换是最基本的地理信息共享方式, 数据格式转换就是通过设计数据转换工具, 将一种格式的数据转换为另外的一种格式。这种数据共享的实现方式又可分为两种情况:

①通过数据转换器转换:

转换器是一个内部数据模型, 通过对输入数据类型及值按照转换规则进行转换, 得到指定的数据模型及值 (如图1) 。这种转换发生在两个数据文件之间, 系统之间的数据转换是单向的, 即转换后的数据b可能不能在系统A中使用。例如Arc GIS软件中的Arc Toolbox模块, 它的数据转换功能就是应用数据转换器方式转换数据格式。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可以使用。

②基于空间数据转换标准转换:

采用空间数据的转换标准来实现GIS数据的转换, 转换标准是一个大家都遵守, 并且很全面的一系列规则。通过这个中间桥梁, 将所有不同系统中的数据转换成统一的标准格式, 供其它系统调用 (如图2) 。空间数据的转换标准必须能够表示现实世界实体的一系列属性和关系, 同时它必须提供转换机制, 以保证对这些属性和关系的描述结构不会改变, 并能被接收者正确地调用。

数据格式转换是传统GIS实现数据共享的主要方法, 通过专门的数据转换程序把其他数据格式进行格式转换, 复制到当前系统的数据库或文件中。当前由主要GIS软件厂商和组织提出并得到公认的空间数据转换格式有:ESRI公司的Coverage (Arc/Info) 、Shape Files (Arc View) 、E00格式;Auto Desk的DXF格式和DWG格式;Map Info的MIF格式;Intergraph的dgn格式等。这些格式各有特色, 但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源数据的信息, 导致转换中源数据的信息有部分丢失。

(2) 数据直接访问:基于数据格式转换的数据共享需要有一个外部数据文件作为中介来实现不同系统之间的数据共享, 而基于直接访问的数据共享则意味着一个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[3]。

数据直接访问刚萌芽的解决方案是在一个GIS软件中实现对其他软件数据格式的直接访问, 用户可以使用单个GIS软件访问、存取多种数据格式。目前仅有少数GIS软件开始了这种尝试, 如Intergraph的Geo Media系列软件实现了对大多数GIS/CAD软件数据格式的直接访问, 包括MGE、Arc/Info、Frame、Oracle Spatial、SQL Server、Access MDB等。这种方案无须进行数据转换, 实现数据共享, 但它开发难度较大。

另一种途径是采用Client/Server体系结构, 将一个部门的所有空间数据和应用软件模块都共享一个平台。所有的数据都存在Server上, 各个应用软件都是一个Client端的程序, 通过这一平台向Server中存取数据, 如图3。这是一种最好的空间数据共享方式, 任何一个应用程序所作的数据更新都及时地反映在数据库中, 避免了数据的不一致问题。但是因为GIS软件厂商一般不愿意丢掉自己的底层, 而采用一个公共的平台, 目前实现起来比较困难。

直接数据访问同样要建立在对要访问的数据格式和数据模型的充分了解的基础上, 如果要访问的数据格式不公开, 就非破译该格式不可, 还要保证破译完全正确, 这样才能真正与该格式的宿主软件实现数据共享。如果宿主软件数据格式发生变化, 各数据集成软件不得不重新研究该宿主软件数据格式, 提供升级版本, 而宿主软件的数据格式发生变化时往往不对外声明, 这样其他数据集成软件对基于这种GIS软件数据格式的数据处理必定存在滞后性。

(3) 数据互操作:互操作是指异构环境下两个或两个以上的实体, 尽管它们实现的语言、执行的环境和基于的模型不同, 但它们可以相互通讯和协作, 以完成某一特定任务。这些实体包括应用程序、对象、系统运行环境等。互操作是一个信息系统的各构件的自由的组合及匹配, 而不是全面成功的折中方案。数据互操作模式是Open GIS Consortium (OGC) 制定的规范。OGC是为了发展开放式地理数据系统、研究地学空间信息标准化以及处理方法的一个非盈利性组织。GIS互操作是指在异构数据库和分布计算的情况下, GIS用户在相互理解的基OGC为数据互操作制定了统一的规范, 使得一个系统同时支持不同的空间数据格式成为可能[5]。

根据OGC颁布的规范, 可以把提供数据源的软件称为数据服务器 (Data Servers) , 把使用数据的软件称为数据客户 (Data Clients) , 数据客户使用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够读取任意数据服务器提供的空间数据[6]。

数据互操作为多源数据集成提供了崭新的思路和规范, 将GIS带入了开放的时代, 为空间数据集中式管理、分布式存储与共享提供了操作的依据。OGC标准将计算机软件领域的非空间数据处理标准成功地应用到空间数据上, 但是它更多地采用了Open GIS协议的空间数据服务软件和空间数据客户软件, 对于已经存在的大量非Open GIS标准的空间数据格式的处理办法还缺乏标准的规范。从目前来看, 非Open GIS标准的空间数据格式仍然占据已有数据的主体, 而且非Open GIS标准的GIS软件仍在产生大量非Open GIS标准的空间数据, 如何继续使用这些GIS软件和共享这些空间数据, 成为Open GIS标准面临的问题。

3 数据共享和标准化的改进措施

如上所述, 信息共享和标准化经过十几年来的不懈努力, 虽然取得了一定的成绩, 但仍存在着问题和不足, 这些问题如不能得到及时解决, 都可能成为严重制约信息共享和标准化工作的因素。因此, 急需完善相关的技术标准体系, 加快地理信息共享类标准制定的步伐。针对我国地理信息共享的标准化和规范化工作相对滞后, 急需制定用于进行数据交换的标准, 如:地理信息公用数据元标准、地理信息核心元数据标准等, 地理信息公用数据元标准将有利于消除GIS行业信息孤岛, 有利于建立GIS行业统一数据标准的数据库, 为最大限度地实现GIS行业业务系统互联互通和信息高度共享奠定基础, 实现信息共享, 保证地理信息资源的高质量开发利用, 地理信息核心元数据是描述数据集或数据集系列所需的基本的最少元数据元素的集合, 主要用于信息编目、帮助用户决速查询到所需的信息;制定用于多方信息综合利用的标准, 涉及到多方面信息的综合利用, 主要是信息分类标准, 如:地理信息分类编码标准, 有了一致性的信息分类编码标准, 从多个数据库分析问题就变得较为容易。另外, 还要在制定、修订标准的各个环节上下功夫。在标准征求意见阶段, 提高征求意见的效率;在标准送审阶段, 提高审查质量, 加快审查速度;在标准报批发布阶段, 要简化报批手续, 缩短出版发行周期。

除此之外, 还应搞好标准化专业队伍建设, 从事信息标准制定工作的成员, 既要有一定的标准化知识, 又要有一定的信息技术专业知识、水利专业知识、协调能力、较高的外语水平和相当文学修养水平的复合型人才。在标准制定以后, 还应采取措施加大贯彻实施的力度, 并随时进行监督和检查, 发现问题及时解决, 对不贯彻执行标准的单位或违反标准的单位进行教育或给予必要的制裁。

4 结语

地理信息共享和标准建设是一项基础性和探索性的工作, 在可供参考实例和可借鉴的经验缺乏的情况下, 应当充分认识到其必要性和复杂性, 本文根据近年来地理信息共享和标准化技术标准编制和应用的实践, 剖析了地理信息共享和标准中存在的问题和不足, 初步提出了信息共享和标准化技术标准的建设方向和标准编制的指导性意见, 以及今后应采取的措施。

在地理信息共享和标准建设中, 由于涉及测绘行业相当多的专业, 在信息共享和标准建设过程中, 各应用系统应遵循国家标准外, 还应根据本系统本专业的实际情况, 对现有标准进行分类和整理, 并进行相应得补充和完善, 对于急需但目前还没有的标准, 应尽快制定, 随着一套完整的地理信息共享和标准体系的建立, 必将使地理信息资源能够持续利用, 最大限度地达到资源共享。

摘要：文章首先分析了当前地理信息中存在的若干问题, 并给出了产生这些问题的原因;然后介绍了当前地理信息共享中, 解决这些问题的方法;最后对当前的共享方法提出了相应的改进建议, 以供相应的人员参考。

关键词：地理信息共享,标准化,数据转换,互操作

参考文献

[1] 黄杏元.地理信息系统概论[M].北京:高等教育出版社, 1989, 1.

[2] 刘闯, 王正兴.科学数据共享调研组的系列报告的一部分[R].北京:中国科技部, 2001, 1.

[3] Gong Jianya, Shi Lite, Du Daosheng, RolfA。de By。Technologies and stan-dards onspatial data sharing[C]//Pro-ceedings of ISPRS.7/2004, B4, pp118-128.

[4] 赵鸽.GIS系统的研究与开发.武汉理工大学:武汉, 2004.

[5] 浅谈移动GIS/移动GIS的概念和特点.中国测绘报.

[6] 王攀.移动GIS及其新应用[J].测绘与空间地理信息, 2006, 29 (5) .

[7] 包世泰, 余应刚.地理数据共享与互操作技术[J].测绘工程, 2000, 9 (4) :32～36.