空间信息系统原理09-2

空间信息共享与互操作

空间信息共享与互操作一、GIS互操作概念与范畴二、互操作的语义表达三、GIS互操作的实现及其现状GIS互操作概念与范畴

GIS互操作发展互操作概念GIS互操作的层次结构GIS互操作的基本组成GIS互操作发展（一）

从70年代到80年代早期，大多数GIS应用被认为是信息孤岛.空间数据被收集、数字化，并存储在不同的数据库中，它们是数据数字化获取、存储、分析和显示的自我包含的独立系统。这些系统由于数据结构、概念模型、软硬件环境等方面原因,它们的兼容性较差。信息技术的改进以及GIS用户日益要求克服数据获取的瓶颈和费用问题，导致用户要求实现数据共享与互操作。GIS互操作发展（二）

GIS互操作是在异构数据库和分布计算的情况下出现的。要达到互操作，对系统而言,系统能彼此更安全地获取和处理对方的信息;对用户而言,用户能方便地查询到所需的信息,并能方便地使用各种不同类型和格式的数据;对信息管理者来说,他们能很好地管理信息,为用户服务,并将资源充分地提供给用户。互操作概念（一）在《计算机辞典》中,将互操作性定义为两个或多个系统交换信息并相互使用已交换信息的能力,指一个系统接收和处理另一系统发送信息的能力,反映该系统是否易于与另一软件系统快速接口。UCGIS(1996)则认为互操作通常指自底向上将已有系统和应用集成在一起,它不是简单集成而是系统地组合,并需要多种DBMS和应用程序的支撑。ISO/TC211认为：若两个实体X和Y能相互操作,则X和Y对处理请求Ri具有共同理解,并且如果X向Y提出处理请求Ri,Y能对Ri作出正确反应,并将结果Si返回给X。互操作概念（二）

由以上定义可知：互操作强调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。实际上,GIS互操作在不同的情况下具有不同的侧重点,强调软件功能块之间相互调用时称为软件的互操作;强调数据集之间相互透明的访问时称为数据的互操作;强调信息的共享,在一定语义约束下的互操作,称为语义的互操作等等。一般地说，GIS互操作是指不同应用(包括软、硬件)之间能动态地相互调用,并且不同数据集之间有一个稳定的接口。GIS互操作的层次结构

Y.A.Bishr将GIS互操作分为6个层次:网络协议、文件系统、远程过程调用、查询和获取数据、GIS以及信息群。Buehler将GIS互操作分为8个层次:网络、分布计算环境、数据存储、中间件、工具、应用、企业和信息群。两种划分尽管具有不同的层次,但本质上是相似的,都可以将它们归纳到技术、应用和企业这三个不同的层次上。GIS互操作的层次结构

从应用的角度应强调在语义层次上的GIS互操作,为突出互操作中语义的重要性,在上述3个层次的基础上将互操作进一步分为技术、数据、语义和企业4个层次(如表1)。GIS互操作的层次结构表中网络、硬件、软件是指从技术上如何实现GIS互操作,它包括:网络协议、文件系统传输、远程过程调用、分布计算平台、软件规程等,它们的正确配置是实现GIS互操作的基础.数据库和应用层是实现不同系统之间数据上的互操作,但是真正的信息互操作不仅仅应该是数据互操作,更应该是语义及含义上的互操作,客户对数据和处理资源的访问是实时的,并且所获得的结果是可以预测的。企业层是GIS中最高层次的互操作,实际上也就是我们通常所称的信息共享。它包括企业之间和信息部门之间的互操作,涉及政策、法规、经济等因素.

GIS互操作的基本组成一个GIS互操作事务完成的基本过程是:(1)在共同的网络协议(例如TCP/IP)及分布计算平台上,系统A向系统B发出请求q,请求q的结构要满足规程S的要求;(2)系统B处理该请求;(3)在共同的网络协议及分布计算平台上,系统B将处理结果r返回给系统A,r的结构也必须符合规程S的要求。

GIS互操作的基本组成从上图可看出，决定一个互操作事务成功和失败的关键是在结构和语义上连接两个系统的规程，规程保证了发出的请求Q和返回的结果S能被双方理解。在GIS互操作中，规程决定了互操作系统之间的通信协议，从一定意义上讲，规程是GIS系统之间互连的协议。二、互操作的语义表达

GIS技术下的地理信息共享表现为GIS数据共享,在研究GIS数据共享时,是以最终实现地理信息共享为目的的。为达到这一目的,首先必须解决数据本身的共享问题,再次要解决数据所表达的语义的共享问题,其中包括从数据中读取语义的过程,即语义翻译,以及所读取的语义与应用目的之间的融合过程(主要是要解决语义冲突问题),即语义融合。为了实现GIS语义共享,除要采用一定的技术实现数据本身的共享外,还必须选择合适的空间概念及其逻辑表达方法实现语义的共享。互操作的语义表达GIS语义共享的实质GIS语义共享的实现途径GIS语义共享的实质

GIS数据共享与GIS语义共享

“语义共享”一词来源于数据共享。根据中国计算机学会1998年编的《英汉计算机辞典》(修订本),数据共享是指多个用户或者多台计算机共用数据库中的数据集。实现共享的方法:一是通过将数据集从一台计算机物理地传送到另一台计算机的方式;二是通过两台或者两台以上的计算机之间相互通信或通过存储数据集的远程计算机的通信实现。语义共享一词更加强调在数据共享中对语义的处理,保持数据共享过程中语义的稳定性。

GIS语义共享的实质

图中给出了如何以GIS数据共享为手段,实现地理信息共享。可以看出,无论是技术、标准还是政策法规,只是为GIS数据共享创造了一个外部环境,保证GIS数据的共享。要达到共享GIS数据含义,从而实现地理信息共享,还必须研究GIS数据共享传输地理信息的机理。GIS语义共享的实质

要明确GIS数据共享过程其传递地理信息的机理,关键要弄清两个问题.1.GIS数据所表达的地理意义到底是什么.2.GIS数据描述这一地理意义的方式。前者涉及地理学理论问题,后者涉及语义学理论。GIS语义共享的实质

从地理学的角度看,一个GIS系统实际上是某一真实地理系统的描述模型,是关于这一地理系统信息的数字化表达。用户使用GIS系统来处理问题,首先要能够从这一GIS系统中获得正确的信息。下图：GIS系统S是关于某地理系统R的GIS系统,由A负责开发,它将被B使用。A在开发S时基于对R的一定的理解或观点(叫做地理认知),这一地理认知是由A对地理系统R的具体认知方式所决定的,因此S所反映的是A关于地理系统R的认知。

GIS系统S

系统开发者A系统使用者BGIS语义共享的实质

B使用S的过程是通过解读S中的数据(包括数据结构和系统组织结构)以求获得A关于R的认知(即空间概念)从而获得关于R的信息。由于A在设计S时基于A对R的理解,如果要使B能正确的运用S,必须要求B也能理解并能正确运用A的认知结果,即A所运用的空间概念。所以,要求一般GIS数据库设计要以被大家都认可的空间概念作为基础。GIS语义共享的实质

空间概念一般可以分为三类:1.第一类我们称为原子空间概念,包括点、线、面等空间目标,描述地理事物的空间分布特征和位置特征2.第二类我们称为地理概念,是对地理事物进行客观描述的空间概念,例如桥、森林、丘陵等3.第三类我们称为应用性地理概念,是具有很强应用色彩的地理概念,例如资源、环境等。根据研究,满足GIS语义共享的空间概念是第二种空间概念,即地理概念。

GIS语义共享的实质

从语义学的角度观察,GIS系统为一符号系统.由两部分构成。一是数据(符号)本身和决定数据(符号)排列组合顺序从而表达一定含义的语法规则,即形式系统,构成GIS系统的本体。二是数据和形式系统所表达出来的含义,即语义,包括两种:第一种是GIS系统之形式系统所表达出来的语义,一般表现为系统逻辑结构所蕴含的语义;第二种是数据单元所表达出来的语义,例如在一定分类体系基础上通过编码形成的数据所表达出来的分类含义。两种语义合起来,构成我们前面提到的空间概念。所以,所谓语义,主要是指空间概念。GIS语义共享的实质

GIS技术支持下的地理信息共享过程要解决两个问题,首先,要通过一定的技术手段能够共享符号本身,这一过程为实现GIS数据共享的过程,主要解决如何获取数据的问题。然后要解决语义的共享问题,也就是空间概念的共享。关于空间概念的共享至少要解决以下三个问题,第一,数据在不同部门(单位、个人)的传输过程中如何保证数据所表达的语义的正确传输;第二,用户如何从所获得的数据中正确地解读出数据的含义(即语义);第三,不同部门、单位、个人所持有的空间概念之间的相互融合,即解决语义冲突问题。数据的共享和语义的共享两者合起来,叫做GIS语义共享。可见,GIS语义共享在本质上由两大要素组成,一是符号本身的共享;二是符号含义(即空间概念)的共享。由于空间概念由符号描述,所以,在GIS语义共享研究中,不但要研究数据共享的技术,例如,数据格式转换,更要研究共享GIS数据的个人、部门或者单位之间的在空间概念上的一致性和对空间概念的逻辑描述方式上的一致性问题。

GIS语义共享的实现途径

实现GIS语义共享的途径必须至少要解决数据共享、空间概念一致性和空间概念描述方式一致性等三个问题。将这三个问题转换一下,实现语义共享的途径必须要完成三个任务,第一,建立满足语义共享要求的空间概念;第二,建立满足语义共享要求的描述系统,即形式化方法;第三,研究提出满足语义共享要求的技术方法。GIS语义共享的实现途径

建立满足语义共享要求的空间概念

在GIS数据共享研究中,之所以要重视对语义的处理,是因为传统GIS对空间概念的定义方式不完善而引起的。一个空间概念一般包含对空间和非空间两种属性的定义,传统GIS在表达一个空间概念时,一般采用不同的方法分别表达空间属性和非空间属性,割裂了空间概念的完整性。

GIS语义共享的实现途径

建立满足语义共享要求的空间概念

表达空间概念中的非空间属性一般通过分类体系基础上的编码实现,并且这种分类体系与具体的应用具有千丝万缕的联系。GIS语义共享的实现途径

建立满足语义共享要求的空间概念

上图中：A是运输部门所采用的分类体系对某一条河流的定义,用8种属性界定了这一条河流,其中,椭圆形所代表的属性是这一条河流的固有属性,三角形所代表的属性是与这条河流作为河运航道所具有的应用属性。同理,B是水利部门所采用的分类体系对同一条河流的定义,也用8种属性定义,其中,椭圆形所代表的属性是这一条河流的固有属性,菱形是这一条河流在水利管理上的应用属性。很显然,A与B的交集是与具体应用无关的集合,意味着这一交集与部门、单位或者个人的地理认知观点无关,将它定义为地理要素,可以作为实现不同部门、单位和个人之间语义共享的基本概念。GIS语义共享的实现途径

建立满足语义共享要求的描述系统,即形式化方法

不同GIS对空间概念的逻辑描述方式不一致,这一现象又叫做GIS的异构性。Goodchild认为,GIS异构性是指不同GIS系统采用了“来自于不同GIS软件”的不同概念模型。市场上几乎所有的GIS软件工具都存在因开发商不同而带来的对数据的管理方式、结构化等方面的不同。在提出了一套合适的空间概念后,下一步的任务就是要解决不同软件工具之间的异构性问题,要在不同GIS系统之间搭起语义共享的桥梁。GIS语义共享的实现途径

建立满足语义共享要求的描述系统,即形式化方法

李建中、王珊认为,可以将一般数据库的设计流程分为两个阶段,第一个阶段从现实世界出发建立高级数据模型,进而定义概念数据库模式,设计过程与具体的数据库管理系统无关;第二个阶段包括从逻辑设计到存储结构设计的全部内容,这一过程与所选用的数据库管理系统具有密切的关系。因此,解决异构性问题,应当在第一个阶段中找突破口。设计一种高级数据模型,同时保持从第一个阶段到第二个阶段的稳定的、不随具体DBMS而变的映射关系。语义数据模型具有比现有GIS系统更高的抽象层次,能够屏蔽掉不同GIS系统对空间概念的描述差异,同时又具有语义抽象能力,适合于描述面向地理要素空间概念的需要。

GIS语义共享的实现途径

建立满足语义共享要求的描述系统,即形式化方法

所设计的GIS语义数据模型不但要能在一定的工具支持下自动生成概念模式,从而可以通过系统集成实现GIS语义共享,而且,能够自动生成元数据,以便能在网络上通过元数据技术实现GIS语义共享。有关GIS语义数据模型的设计仍然是一个亟待解决的问题。GIS语义共享的实现途径

GIS语义共享的实现技术讨论

实现真正的语义共享，一般地，可以具有三种技术方法,一是数据转换方法,二是数据集成;三是基于元数据和网络技术的GIS互操作技术。由于语义数据模型直接产生概念模式,通过概念模式的集成可以实现整个系统的集成,故这里重点讨论数据格式的转换和GIS互操作两种技术方法。GIS语义共享的实现技术讨论

数据格式转换技术

现有的数据格式转换技术总结为三种:1.数据文件单个纪录之间的直接转换2.利用转换器的直接转换3.基于空间数据交换标准的数据转换。从语义共享的角度观察,通过转换数据格式实现语义共享,实际上就是通过转换GIS的语法结构来实现传输GIS空间概念的目的。GIS语义共享的实现技术讨论

数据格式转换技术

在上述三种方法中,直接转换的方法没有考虑对语义的处理,因此基本失去语义共享的意义;基于空间数据转换标准的数据格式的转换,由于采用了中间数据模型,使在数据的转换过程中有了语义保证,但是仍然不能保证在转换过程中语义上的正确性。GIS语义共享的实现技术讨论

数据格式转换技术

数据格式的转换过程是以数据单元作为基本单位的,在转换过程中,只处理各数据单元在整个存储结构中的排列组合顺序,不涉及数据单元内部。因此,这一转换过程转换了作为数据组织形式基础的形式系统,数据单元赖以形成的地理信息分类体系没有自动转换。所以数据格式转换技术不是将原始GIS所表达的空间概念作为整体进行处理的,而是将系统组织结构所表达的空间概念和地理信息分类编码所形成的空间概念分别进行处理,割裂了空间概念的完整性,影响了共享过程中的语义完整性。同时,数据转换方法没有考虑到GIS系统开发者和GIS用户在地理认知方面的差异,而正是由于地理认知差异的存在,即使通过数据转换方法真正将原始GIS的空间概念传输到用户,用户也由于不能正确的理解这一空间概念而给数据的正确使用带来困难。

GIS语义共享的实现技术讨论

基于系统集成技术和元数据技术实现GIS语义共享

部门之间GIS语义共享的问题,在很大程度上是由于不同部门的应用观点(即地理认知)不同所致.GIS语义共享要解决两类问题,(1)对于同一客观地理实体,例如,“流域”,各部门是否采用了相同的命名、编码、属性及属性名称加以描述,如图,地理实体E是否具有标准的名称,标准的编码和标准的属性列表,即地理实体是否具有标准的概念模式;(2)同一地理实体在不同部门所具有的相同的应用属性在各部门是否具有相同的定义,图中,A1、A2、A3是E的三种应用属性,A1和A2由应用部门1定义,A2和A3由应用部门2定义,应用部门1和2对应用属性A2是否具有相同的名称和定义。GIS语义共享的实现技术讨论

基于系统集成技术和元数据技术实现GIS语义共享

为了解决这两个问题,建立地理实体E的标准的概念模式作为全局概念模式,各部门在这个公共基础平台上集成各自的数据库系统。为了解决第二个问题,必须采用元数据技术,利用人工智能的方法消除部门之间的语义冲突现象。三、GIS互操作的实现及其现状

地理数据和地学处理互操作的实现

GIS互操作实现实例互操作研究现状GIS互操作的实现及其现状

地理数据和地学处理互操作的实现

在选择互操作实现方法时，所要掌握的一个原则是所有涉及到地理数据和处理的机构必须能持久地维护和更新它们各自所拥有的GIS技术，并能不断使这些技术增值。这意味着在选择实现方法时必须对下列问题作出评估：地理数据的可用性和兼容性；所使用的地学空间信息处理系统的功能和可互操作性；承担地学服务机构的灵活性和创新性。

GIS互操作的实现及其现状

地理数据和地学处理互操作的实现

构件技术被用于互操作的实现。用新的互操作构件代替部分传统的GIS。通过这种方法，新的构件能逐渐替代旧的孤立的系统，并改进新的客户端、新的服务体系结构和新的服务器功能。经过一步一步一致的过程，将实现OpenGIS（是一互操作性GIS的空间信息标准）的实施规程，从而能设计出关于开放式地学空间信息处理系统的综合软件体系结构。GIS互操作的实现及其现状

地理数据和地学处理互操作的实现

在1997年GIS/LIS展览会（美国）上首次展出了基于OpenGIS规程的产品。这个产品能在INTERNET/INTRANET环境下，实现来自BENTLEY,ESRI（美国环境系统研究所）,INTERGRAPH,ORACLE等不同地学空间信息处理系统之间数据获取的互操作.GIS互操作实现实例

INTERGRAPH/SICADGeomatics

OGC(OpenGIS协会)的两个主要成员INTERGRAPHEuropeandSICADGeomatics共同首次通过OGIS接口实现了在INTRANET上的互操作。基于OGIS，不同的前端GIS客户，GeoMedia(INTERGRAPH)和SpatialDesktop(SICAD)可以通过INTRANET在线地访问存放在新版SICADGeoDataServer上可互操作的地学空间信息，这一访问过程不需要传统的地理数据转换器。

GeoMedia(INTERGRAPH)采用OLE/COM和OGIS/SFS(简单规程)实现开放的地理数据接口，采用标准的方法和ORACLE和MSACCESS属性数据库相连。SpatialDesktop'98(SICAD)将OGIS/SFS和SQL/ODBC的标准接口相结合。这种互操作技术能直接通过网络获取有用的地理数据，并在不同的系统之间获取可互操作的地学空间信息处理资源，从而使机构在异构计算平台和网络环境下对地学空间信息的处理和应用具有极大的灵活性。GIS互操作实现实例

ESRI及其合作伙伴ESRI在开放式系统以及互操作性方面作出了许多贡献。根据它的开发策略，ESRI提出了开放式系统技术，如：开放式平台、开放式数据内部交换、开放式开发环境、开放式数据库、开放式应用接口和开放式分析工具等。ESRI的开放式软件体系结构支持以下几方面：基于SDE/CAD客户端的CAD和GIS数据的集成；GPS,图象处理和多媒体技术的集成；开放式软件开发，如：面向对象技术，动态构造，分布式和系统独立性；数据库技术，如：RDBMS，扩充的关系DBMS,OODBMS和通用服务器。ESRI是唯一一个采用OLE/COM,CORBA和SQL实现OGIS的简单要素规程的机构。基于客户／服务器体系结构的ESRI产品和软件开发正从空间地理数据处理走向功能更强大的地学空间信息处理互操作，即通过INTRANET/INTERNET进行地理数据及其处理资源的共享。GIS互操作实现实例

ESRI及其合作伙伴空间数据引擎(SDE)是管理地理数据的一个解决途径。它能支持包括Oracle,Microsoft,IBM,Informix和Sybase等在内的几乎所有主要数据库厂商的DBMS产品。1998年ESRI发布新的SDE产品，它是和IBM合作，将SDE“空间扩充”到IBM的UniversalDatabase和DataJoiner产品。采用Informix动态服务器的的SDE使用InformixUniversalDataOption来提供SQLAPI；并将SDE和Oracle的SpatialCartridge(ODC)集成。CAD和GIS的集成以及它们之间互操作的数据共享将由ESRI新的SDE/CAD客户端来实现。GIS互操作实现实例

SMALLWORLD

SMALLWORLD也是OGC的成员之一，它主要致力于面向对象的GIS开发，如：SpatialObjectController(SOC)andVirtualDatabaseInterface(VDB)。SMALLWORLD发展了所谓的基于Windows和基于Unix的标准接口的“独立于传输的客户／服务器体系结构”(TICS)。SMALLWORLD将进一步采用OLE/COM来实现符合OGIS规程的互操作接口以及基于OGIS/CORBA的分布式平台.

GIS互操作实现实例

AUTODESK&Partners

AUTODESKCAD/GIS产品家族已实现了:AutoCADMAP(CAD和GIS数据的集成),AutodeskWorld(GIS功能和Windows环境的集成environment)以及AutodeskMapGuide(地理数据在INTRANET/INTERNET的发布系统)。然而，目前，Autodesk仍需依赖于专门的转换器来实现CAD数据和GIS之间的互操作。互操作研究现状

GIS互操作的重要性被越来越清醒地认识到，对GIS互操作的研究已不仅仅限于OGC成员机构内部，下面是国际上的一些关于互操作的研究项目。互操作研究状况

GIPSIE项目

为了推动OpenGIS在欧洲的应用以及鼓励欧洲各国及企业参与OpenGIS的制定和国际标准化的工作，从而增强欧洲GIS软件产品在国际上的竞争力以及扩大欧洲GIS的市场，由欧洲联盟（ECDG-III）资助建立了GIPSIE项目(GISInteroperabilityProjectStimulatingtheIndustryinEurope)。GIPSIE项目开始于1998年6月，于2000年6月结束。它是由维也纳科技大学地理系（A.Frank教授）和德国Munster大学地理系（W.Kuhn教授）负责，由INTERGRAPH,LASER-SCANandSICAD-GEOMATICS公司以及OGC等参加，其主要目标是：(1)建立欧洲联盟范围内的OpenGIS兴趣小组来协调欧洲联盟内GIS企业的工作，并开辟和OGC交流的渠道。(2)将OGIS引入到传统的GIS应用领域，如：灾害，制图等。(3)为欧联盟的IT企业，特别是规模较小的GIS公司和机构提供详细的OGIS规程和实现过程。

互操作研究状况

Varenius项目

Varenius项目是由美国国家地理信息和分析中心（NCGIA）主持、国家科学基金会资助的项目，它是为了促进地理信息科学领域中关键技术的发展。其中有一项是关于GIS互操作的子项目。该项目的短期目标是在技术上采用构件的思想实现GIS的互操作，中长期目标的重点是在语义上，它强调统一的词汇以及语义的互操作。互操作研究状况

DISGIS项目：分布式GIS模型方法和框架

本项目是由挪威测绘局等单位完成，时间从1996年5月到1997年5月。主要为分布式系统，特别是开放式分布GIS提供模型、工具和框架，并将这些模型、工具和框架应用到具体的事例中，来证明其有效性和实用性。这些工具和方法能减少地理数据管理的费用，提高面向地学数据的GIS企业的投资回报率，从而进一步提高地学数据的收集和建库的积极性。它采用的主要方法是将开放式分布处理的标准和分布式对象技术进行结合，并运用到分布式GIS应用领域中，它强调系统开发的整个生命周期，开放式分布平台（ODP）方法和工具，从而实现在运行的分布系统中从模型到实现的转化。互操作研究状况

完全开发出适用于商业GIS的开放式GIS软件还需进一步努力。OGC制定了未来几年的工作计划（表）。显然，完成最基本的构件定义后，将着重考虑如在线地理数据的检索服务等更复杂的面向21世纪信息社会的服务功能。其中包括：地理空间特征的抽象和概括；地理空间信息获取、注释和抽取；地理空间坐标转换；地理空间分析、注册、形式化表达；影象理解，综合、制图等。

OGC制定了未来几年的工作计划

表OGC的技术议程

实现时间OGC的技术日程1997年特征几何体空间参考系统特征对象特征子类