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2023年7月9日发(作者：)

开放式地理信息系统简介及技术实现

摘要本文对开放式地理信息系统的基本概念、主要特点做了论述。并对开放式地理信息系统所基于的标准进行了阐述，对其实现技术做了简要的介绍，最后对开放式地理信息系统进行了展望

关键字 OpenGIS 面向对象技术分布式技术计算机

引言

自从1962年加拿大人Roger Tomlinson首先提出地理信息系统的概念, 并领导建立了国际上第一个具有实用价值的地理信息系统加拿大地理信息系统( Canada Geographic Information System , 简称“CGIS”)以来,GIS 技术在取得巨大发展的同时,其缺陷也越来越明显。突出表现在,传统的GIS是封闭、孤立的系统,没有统一的标准,各自采用不同的数据格式、数据存贮和数据处理方法,

GIS 应用系统的开发基于具体的、相互独立和封闭的平台,并且在数据语义表达上往往存在不可调和的矛盾,从而无法直接进行应用系统之间的数据共享。随着现代科学技术的发展,特别是计算机硬软件技术的迅速发展,大量信息产生并通过计算机进行处理,因此如何集成地理数据,并且使数据能在不同的系统下相互可操作就变得非常重要。特别是随着计算机网络的发展和Internet网的出现及普及,越来越多的信息在不同软件系统中处理,在网络上发布。如何使不同的GIS 用户在异构分布数据库中获取所需的信息尤为重要。信息共享的重要性越来越被人们所重视。为了能使不同的GIS软件之间具有良好的互操作性,以及在异构分布数据库中共享信息,避免重复的数据输入处理, 开放式地理信息系统(OpenGIS) 便由此产生了。

一、开放式地理信息系统（Open GIS）

开放式地理信息系统(OpenGIS)是指在计算机和通信环境下,根据行业标准和接口(interface)所建立起来的地理信息系统。一般说来,接口是一组语义相关的成员函数,并且同函数的实体相分离。在这个系统中,不同厂商的GIS软件以及异构分布数据库能相互通过接口交换数据,并将它们结合在一个集成式的操作环境中。因此,在开放式地理信息系统环境中,能实现地理空间数据和地理数据处理功能的相互操作以及不同系统或不同部门之间资源的共享。真正的OpenGIS能在不同软件商品之间以及异构分布数据库之间,通过实时动态机制将不同的GIS系统,特别是数据存贮结构不同的GIS系统连接起来。在OpenGIS中,其核心是标准,这个标准必须与其他各类标准相兼容,但又必须独立于这些标准。只有在共同的标准和接口下才能实现信息共享及相互操作。

OpenGIS具有以下特点:

(1) 互操作性: 不同GIS软件之间方便地连接,信息交换没有障碍；

(2) 可扩展性: 硬件方面,可在不同软件,不同档次的计算机上运行,其性能和硬件平台的性能成正比；软件方面,增加了新的地学空间数据和地学数据处理功能。

(3) 技术公开性: 对用户公开的,公开源代码及规范说明是重要的途径之一；

(4) 可移植性: OpenGIS独立于软件、硬件及网络环境,因此,它不需修改便可在不同的计算机上运行；

(5) 兼容性: OpenGIS通过无缝集成技术保护用户在原有数据和软件的投资,并且能将现有的技术和已有的地学处理软件、数据以及相关信息技术都熔于其中,同时对用户是透明的,应用程序稍加修改便能在不同的平台上运行；

(6) 可实现性: 随着操作系统、通讯技术以及面向对象方法技术在分布处理系统中的应用,使OpenGIS能够实现。这是OpenGIS最重要的目标；

(7) 协同性: 能尽可能和其它处理以及信息技术标准共享；

二、开放式地理信息系统所基于的标准

1. OGIS 简介

为了研究和开发开放式地理信息系统技术,1996年在美国成立了开放地理信息联合会(OGC-OpenGIS Consortium) ,现有十几个国家100多个成员。包括软

件技术公司、硬件技术公司、政府机构、大学及重点实验室、企业集成系统、销售商、图像信息产品制造商等。OGC主要研究和建立了开放式地理数据交互操作规程(OGIS-Open Geodata Interoperability Specification)。OGIS是为了寻找一种方式将GIS技术、分布处理技术、面向对象方法、数据库设计及实时信息获取方法更有效地结合起来。换句话说,它主要是在传统GIS软件以及未来的高带宽的异构地学处理环境中架起一座桥梁。OGIS的主要目标是使用户能开发出基于分布计算技术的、标准化的公共接口,将地理空间数据和地理处理资源完全集成到主流计算中,并实现交互式的、商品化的地理数据处理和地理数据分析的软件系统,并使之在全球信息基础设施上得到广泛的应用。具体而言,它是为了给应用开发者提供OGIS的规程模型及实现规程的技术手段,并通过体系结构,为应用开发者提供建立基于OGIS的地理数据处理的开发工具、中间件、软件构件、已有的工具和数据库封装的方法,使得用户在一种分布及协作的方式下能方便地获得地理数据及地理数据处理服务,以及其它地理应用,完成具体的应用任务。

OGIS具有下列特点:

① 它是一种统一的规程,使用户和开发者能进行互操作；

② 它能克服繁锁的批处理以及导入/导出障碍,在分布操作系统异构数据库环境下获取数据及数据处理功能资源；

③ 由于OGIS独立于具体的平台,因此OGIS只能是抽象层的概念描述,而不是具体的实现；

OGIS具有下列应用:

① 它能为应用开发者提供标准,开发出满足用户需求并能相互操作的软件,将空间和非空间的数据及对这些数据的处理无逢地集成在一起,满足用户的要求；

② 它能在不同平台上传送数据及处理功能。在开放平台下,它能使信息管理者很好地管理信息,为用户服务,并能将资源充分地提供给用户;对用户而言,它能使用户实时获取大量的数据,并利用地理信息进行更多地应用,同时在一个简单的应用环境和连续的工作流中使用户使用不同类型和格式的地理数据,而不需考虑这些类型和格式的具体细节；

2. OGIS框架

OGIS类似于API(提供统一的接口) ,但它和API又有区别:

API通常需要在一个特定的操作系统和程序语言环境下才能使用,而OGIS中的规程是在更高一级上的抽象,它独立于具体的分布平台、操作系统及程序设计语言,使软件开发者建立的地学应用软件能在当今任何DCPS(分布计算平台)下相互可操作。具体说,OGIS框架主要由三部分组成:开放的地理数据模型(Open

Geodata Model)，OGIS服务模型(Open Services Model)以及信息群模型(InformationCommunities Model)。

① 开放的地理数据模型(OGM)

a: 对现实世界的抽象方法OGIS中,将现实世界中所有地理元素抽象为实体和现象,其中实体是指可识别的、离散的对象,具有已确定的边界和空间范围。如,建筑物、河流等。而现象是指连续的空间,它没有明确的范围和边界,如温度,

只有和某一固定点或某一时间段相联系而获得的值才有意义。

b: 基本对象

和现实世界的抽象对应,在OGIS中的基本对象是特征(Feature)和层(Coverage)。特征是对现实世界中实体的抽象或描述。它具有空间域、时间域或时空域，它包括所有用时间和空间确定的几乎所有的内容,如桌子、建筑物。特征是通过特征集合来管理的。层是由一个时空域中相关联的点组成的,其中每个点都和某一值相对应,这一值可为简单值,也可为复杂值。因此,层是一个从时空域到属性域的函数,在OGM中,它是以函数形式来表示的。特征、层用来表示现实世界中的实体和现象。现实世界,抽象模型和OGM之间具有如图1所示的影射关系。

图1 现实世界,抽象模型和OGM之间的联系、特征和层之间的关系

特征和层之间的关系：

特征和层是观察地理数据的两种不同的方式,大多数数据都可用这两种形式来表示,但特征侧重于实体的范围、语义、几何属性,而层侧重于每点的值。层是从特征中产生出来,它具有特征的所有特性,特征可以递归定义,即几个不同特征及层能组成另一个特征。

几何体OGM中可支持的对象由于GIS 中多数为空间数据,因此它必须有时间域、空间域。在具体的特征中,将与空间坐标相关的属性抽取出来,称为几何体。

时空参照系统

几何体属性是用来描述几何体的特征,如位置、精度等。但如何描述OGIS中特征在现实世界中的定位?为此,引进时空参考系统。它是说明几何体的坐标是如何确定的,离开了时空参考系统的几何体的空间属性是毫无意义的。

语义特征OGIS特征的属性及属性集

特征主要是通过属性集来描述的,它包括几何属性和语义属性,语义属性是对特征的解释和理解,在OGM中是通过语义模式(schema) 来描述的,它包括属性名称、数据类型(基本类型,如整型、实型) 以及约束条件等。

元数据OGIS中特征和特征集的特征

元数据是特征以及特征集的特征。简单地说,它是特征或特征集中属性的子集。它将该特征或特征集中特殊的、与众不同的属性抽出,并对它们进行描述。

② 信息群模型( Information Communities model)

信息群是指共享数据的用户群。它可以是数据提供者,也可以是数据使用者。随着社会的需要及网络技术的发展,人们越来越需要使不同的信息部门之间能共享信息。但信息共享在现阶段仍难以实现,原因是多方面的,例如,名词问题、概念模式问题等等。为了在信息部门之间实现共享,采用信息群模型。

信息群模型主要任务是解决具有统一的OGM及语义描述机制的一个信息部门内部以及具有不同OGM及语义描述的信息部门之间的数据共享问题。它主要采取语义转换的方式，目的是使具有不同特征类定义以及语义模式的信息用户群之间实现语义的互操作性。

信息群模型所追求的不但包括数据转换,而且包括语义转换,为了进行语义转换引进以下结构:目录、Trader和语义转换器。

目录是一种索引机制,它是实体的集合,每一个实体都描述并指向一个特征集。它包括特征集的索引表、内容、层及其它的描述数据。通过目录,能得到数据存放的位置。在每个信息部门中,目录是唯一的。

Trader是存在于信息部门之外的,相当于一个ftp站点或www地址,通过它能将信息部门的信息向外界公布。

语义转换器是不同信息部门之间信息的语义转换机制,它包括转换规则和语义集,并通过在对每个描述数据解释上一致性的协议来实现。由于每个信息部门对信息的解释都不同,因此,为了能进行共享,每两个信息部门之间都有一个语义转换器。若部门B中用户1想共享部门A中用户2的信息,首先,用户1通过Trader，发现所要的信息可能在信息部门A中；通过A的目录,确认这些信息在A中；找到在A中的具体位置,即在用户2中；通过A ,B之间已有的语义转换器,自动将A中所需的信息转换成B中的信息；这样,用户1便可以使用用户2的信息。

③ OGIS服务模型(OGIS Services Model)

OGIS服务模型是定义地学数据服务的对象模型,由一组相互可操作的软件构件集组成,为对特征的访问提供对象管理、获取、操作、交换等服务设施。

OGIS是控制地理数据存取、管理、操作、描述以及信息群之间数据共享等服务的总体规范模型,也就是说,它是从技术上描述开放的地理数据模型和信息群模型。它提供了一种方法，通过它能从OGM的数据类型构成具体的数据模型，查询数据以及将可共享的数据编制成目录；通过它亦能定义和建立信息群以及建议它们之间的联系。

GIS服务模型中的主要组成为：

① 特征实例的建立，特征实例的建立主要通过特征模式和特征注册。特征模式定义了特征类中属性集的所有方面，包括几何构件体、语义构件和描述数。据如名称、类型和定义这些属性集中的内容；特征注册是指存放特征模式的构件，需要共享和使用的特征都要在特诊注册中注册。这样便可以建立特征的一个实例，同时赋予它一个识别号。

② 获取地理数据的方法，前面信息群模型中提到了目录，它是一种索引机制，通过它可以找到我们所需的数据。分布式数据库管理中处理数据的最小单位是特征，因此，目录的结构是树状的，最底层为特征，如下图：

目录的层次结构

地理数据可以通过这种层次结构来获取。

③ 时空参数系统的获取和转换，信息部门中是通过时空参考交流来转换和解释几何体的。通常，在用户需要改变时空参考系统、理解和几何坐标有关的特征、共享使用不同时空参考系统的信息或者使用不同参数集的时空参考系统中需要转换。因此,时空参考系统必须按一种统一的标准来定义,并且通过某种机制能使用这些定义。OGIS服务模型中描述了注册时空参考系统的机制,以及在不同的时空参考系统中转换特征的机制。时空参考系统的获取,类似于特征定义,时空参考系统的定义也包括名称、模式及参数,并且每个参考系统都在一个共同的注册器中注册。因此,通过一个索引的注册参考系统便能找到所需的时空参考系统;时空参考系统的转换,不同时空参考系统之间转换同样是由一个参考系统转换注册器来实现,它包括需要转换的源特征及其时空参考系统、目标特征及其时空参考系统,以及这两者之间的转换模式,其中转换模式定义了转换特性,它包括名称、类型及定义。

④ 语义转换，不同信息部门之间的语义转换主要是通过一个语义转换注册器来实现的。它主要包括源特征及其特征模式、目标特征及其特征模式、以及特征转换器等。它具有定义、插入、获取、删除和寻找转换等功能。语义转换器包括源特征模式、目标特征模式以及转换的规则、约束条件等,它们之间通过语义转换定义器相连接。它通过标识号定义源特征和目标特征。

三、开放式地理信息系统的技术实现

(1) 面向对象技术、分布计算技术面向对象技术的出发点是使计算机软件系统能够尽可能去对现实世界进行直接的模拟,尽可能将现实世界中的事物直接映射到软件系统中,其主要特点是将数据的定义及操作封装在一起,并且有继承、多态和封装等特性。在OG1S中, 从开放式地理数据模型到开放式地理服务模型,面向对象技术都是无所不在的。例如,把数据类型及其操作都封装在一起,将共同的接口提供给用户,用户不需知道其具体的实现过程。数据是隐藏在对数据进行操作的接口之中的,对具体功能实现的改变不会影响到其接口；为了定义更具体的对象,可以在基本对象特性的继承上, 再增加一些更具体的方法。

分布计算是指分布处理系统中的计算和数据处理工作,分布计算环境是提供分布处理的服务和工具。建立分布计算环境,必须遵循开放系统原则。开放式地理信息系统是在分布处理环境之上考虑的,尽管它的目标是实现独立于分布处理平台的标准和接口,但实现开放式地理信息系统必须以分布处理环境为依托。

(2) 开放式数据库互连(ODBC)

ODBC是一个用于访问数据库的统一界面标准。它实际上是一个数据库访问库,它最大特点是应用程序不随数据库的改变而改变。OG1S 和ODBC 的思想类似。OG1S 是为了访问不同地理信息系统软件而研制的统一标准接口, 使不同地理信息系统软件之间能进行相互操作。

(3) 分布式对象技术

分布式对象技术是建立在网络基础上的。它是建立在组件的概念之上。组件可以跨平台、网络、应用程序运行。

OG1S只是对开放式地理信息系统定义了抽象的互操作规程, 具体如何实现,还需采用分布式对象的技术,通过Acrobat,OLE,ActiveX,Java等语言实现。

四、结语

计算机技术等技术的快速发展，极大地提高了人们对信息的利用，为了地理信息的共享和GIS的开放提供了较好的技术解决方案。面向对象技术在地理信息领域的应用，让按照人类思维方式描述复杂空间对象及其相互关系，进行地理信息组织、整合以及数据的转换盒操作的透明成为可能；分布式计算为地理信息共享提供了开放的技术环境。

从数据的观点来看，开放式地理信息系统是未来网络环境下GIS技术发展的必然趋势。

通过查找资料我对于OGIS有了深刻的认识，也对它的到来充满信心。

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