计算机应用研究
APPLICATION RESERCH OF COMPUTERS
2000  Vol.17　No.1　P.37-39




GIS互操作性初探
吕妙儿　黄杏元
摘 要 互操作性是GIS发展的必然趋势，它实现空间数据和系统操作的共享。实现互操作性是GIS用户的要求，万维网的发展为GIS互操作性提供了技术基础。分布式空间数据模型和GIS部件化是互操作性GIS的特征，Open GIS正致力于互操作性GIS的空间标准。
关键词 互操作性 Open GIS Web GIS GIS数据模型 GIS部件化
1　GIS的互操作性
　　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，并被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分散于各种异质环境中，为GISs之间的兼容性形成障碍。
　　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，导致用户通过岛与岛之间的传输来共享数据。这种传输可以通过特定的传输方法，也可以一种源系统与目标系统都能理解的中立格式来实现。不管是哪种形式，都是批量传输，一整个数据组都以文件水平转换和传输。传输最终以物理形式如磁带实现，或更近一点则以电子形式如Internet实现。
　　近几年，用户开始认识到批量传输方法的数据冗余，随着信息系统和分布数据变化表的迅速发展，GIS用户开始需要可互操作性GIS，GIS提供了空间分布GISs联接成网络的方式，以便于透明地交换数据及远程登录到GIS服务。
　　互操作是一个系统(或系统控件)之间信息传输和相互合作的能力。它实现了众多相互独立信息孤岛之间的数据和操作的自由交流。可以通过信息系统控件提供服务、资源查找、互操作和执行复杂功能，而不必预先精确知晓有什么资源以及如何获取它们。在过去十年中，互操作性成为信息技术许多领域的一个重要议题。计算机的广泛应用日益需要共享各种诸如数据和服务等资源，尤其是空间信息。
　　空间信息系统经常被用于集成各种来源的信息―甚至有人认为空间住处集成能力是空间住处系统的一个特定属性（Maguire，1991)。就此而言，互操作性实际上并不是研究领域的一个新概念。只是现在更加强调互操作性，把信息交换、理解信息并与其它信息源相联系的能力作为一个重要的认识论准则。
　　然而，现实空间信息处理中，互操作远远没有实现。数据格式、软件产品、空间概念、质量标准、世界模型以及其它的互操作使GIS的互操作性成为用户的梦想、系统发展商的梦魇。这个梦想促使软件工业提供解决方法，超越专有、整体的系统，把目标瞄向以规范的互操作标准为基础，基于控件的软件系统。诸如Open GIS Consortium等组织正致力于建立这些组件的内部操作性的概念和技术[1]。
2　Open GIS[3]―互操作性GIS的空间信息标准
　　信息技术(IT)标准虽然经常比较枯燥，缺乏灵活性，但是，最好的信息标准直接影响我们的日常生活，改变我们的经商方式，并且确实改变了世界。几何和地理信息标准的出现就是这样。事实上，利用Open GIS协会成员执行的ISO/TC211标准，许多日常任务和活动将变得更容易、更令人愉快，并且更专业。
2.1　OGC应运而生
　　Open GIS协会(OGC)是一个非赢利性全球商业协会，成员数量有180个并继续增长，致力于分散异质环境的地理数据及其处理。建立OGC的原因是强调目前地理数据和地理处理环境的封闭性及垂直结构对目前的企业环境的限制。旅游、广告定位、规划、资源管理、设备管理的新算法和最好的方法或类似的法则不能共享，它们受限于固定厂商，不能被更广泛的用户使用。即使在一个单一厂商环境里，要在分布式计算机环境里一次性实行远程处理极其困难或者根本不可能。Open GIS研究的目的是保证用户可以存取广泛分布在网络上的GIS数据和处理单元。
2.2　OGC与ISO的合作
　　OGC正与ISO密切合作，以实现ISO/TC211提出的各种标准的可互操作实施。ISO/TC211和OGC之间合作的基本目标是确保商业实施服从ISO标准，并取得标准与用户环境的互操作。它的思想是：地理空间信息流动应该与字处理信息一样迅速。
　　互操作并不是偶然产生的。它需要仔细的计划、统一的过程和所有需要互操作的团体的参与。OGC正好提供了政府、学术界、工业界和商业界的融合。OGC和ISO TC211之间的合作协议以它产生的协作团体的参考条件为基础。这些条件要求持续分析利用任何OGC和ISO TC211能够合作的机会，使它们成为关注的焦点，并确保有合适的专家从事这些活动。
　　合作协议的第二个目标是把OGC实施说明上到国际标准地位。实施说明是为软件开发者编写的文件，它们包含清楚的、详细的指导，如果它们被两个不同的开发者实施，即成为工作软件，则实施可在相互之间插入和运行。
2.3　互操作试验
　　在马里兰的Gaithersburg正在建一个试验点，来促进数据表达技术与网络访问通道的互操作，这也许是最有趣的OGC发展。这里有半打的发起者已经要求工业界制作基于灾害管理和命令及控制情况的方法。一打以上的技术提供者基于费用平摊的原则自愿参与建立一个整体方案的各个部分。今年夏天将演示最终产品：一个极其灵活的地理数据、数据服务、风格构建、制图服务、服务注册及浏览和出版客户的结构。从这个试验点，有效的界面将得到认可，独立于它们的规格，服从OGC的统一处理。
　　这是GIS组件拥有一个巨大、漂亮的全新结构的基础。
3　Web GIS―互操作性GIS的技术基础
3.1　万维网的兴起
　　因特网被认为是未来高速公路的雏型。早期的交互网只能提供电子邮件(E-mail)、远程登录Telnet、文件传送FTP等，且主要为面向字符的服务。1989年欧洲粒子研究中心(CERN)的科学家Tim Berners-Lee提出万维网(World Wide Web)的概念，并推出一个基于超文本HyperText和HTTP的信息查询工具，1992年公开发表了万维网。最初的万维网仅是为了满足高能物理学家的信息需要，但现已发展成为一个包含各类信息面向各种用户的信息系统，成为因特网最精彩的部分 [4]。
　　因特网的迅速发展，使得在因特网上实现GIS应用日益引起人们的关注，建立万维网GIS服务器及实现相关技术成为研究GIS的热门技术。传统封闭式的GIS系统及其服务功能、应用功能是有限的，GIS系统大投入和低产出的矛盾在传统的GIS系统模式中不可能得到解决。
3.2　互联网体系下GIS技术的主要变化
　　1)操作平台的变化
　　由大型主机与多个用户终端相连接的集中式平台，主机之间相互独立；经典的C/S(客户机和服务器)系统中，主机改成服务器，与多个客户机相联接成局域网，服务器功能比较弱，仅仅存放数据，主要功能集中在客户端；分布式操作平台是由多台服务器及多个用户终端，利用互联网相互联接成网络，数据、软件等资源分布在不同的服务器上，合理分配和共享。
　　2)软件技术的变化
　　部件对象化：软件分成几个功能模块，还可与其它软件系统实现无缝联接。
　　实现分布式系统的主要技术有三种：OMG的CORBA(Common Object Request Broker Architecture)、Microsoft的DCOM (Distributed Component Object Model) 和SUN的Java。其中CORBA和Java又被紧紧地绑在一起(Javasoft将在Java内支持CORBA的IIOPチRB间协议)。
　　3)数据组织的变化
　　能够存储和管理大量空间信息，允许用户访问和快速响应，降低了数据散发成本，提高了地理数据共享程度，避免了信息资源的重复生产。大容量、多种类型数据的组织，包括：大型数据库、高性能空间数据提取、分布式数据管理、数据和系统紧密结合。
　　4)用户群的变化
　　使GIS由专业人员使用的系统转变为公众信息系统，并利用感知论来设计用户界面。通过Internet，没有GIS专业知识的人可以在任何地方操纵网络GIS应用系统，享用地理空间信息服务。
　　5)GIS功能变化
　　结合信息高速公路设施，可以构造跨地区、跨部门的地理信息服务网络。进行信息发布、空间分析、模型分析和制图、数据采集和编辑，成为社会协调工程。
4　GIS数据模型―互操作性GIS的数据分布
　　分布式GIS包括数据分布和操作分布。数据分布是指各种数据信息分布在不同的主机上，实现数据信息的共享；而操作分布是把一个计算分布在不同的主机上处理，实现GIS服务的共享。GIS数据模型从开始的关系数据模型演化到适应于互操作的分布空间数据模型。
4.1　关系数据模型
　　80年代，由于地理模型本身的复杂性，空间坐标和空间关系(也称拓扑结构)被存在一系列私有数据文件中，而语义信息或专题数据却以二维表格形式存在主流关系数据库中。在空间文本文件中每一个以这些数据模型表达的地理特征与关系数据库表中的一个相应记录共享一个唯一的公共编码器，由此把空间数据和属性数据连接成一个完整的地理实体。这种地理信息模型通常称为混合数据模型。
4.2　面向对象数据模型(ODBC)[2]
　　用关系数据系统解决GIS领域问题时，建模和编程可能变得比较困难，面向对象的数据库在处理复杂对象所需的建模能力、数据结构可扩充性、动态绑定(Dynamic Banding)和可消除失配的一体化语言等方面明显优于关系系统，有助于扩展数据库技术的应用范围和提高生产率。但是，一方面，面向对象的数据模型发展还不成熟，表达复杂的空间对象还不完善，而且面向对象概念本质上比较复杂；另一方面，以前的GIS数据模型大都是关系数据模型，考虑到兼容性问题，一般采用关系数据库与OODB的结合：对象叵凳菽Ｐ汀?/P> 
4.3 对象―关系数据模型
　　对象―关系数据库系统是通过对传统的关系系统作某些延伸而实现的。第一个延伸是用户能生成空间数据对象，它们可以被存在关系表的一个字段里。第二个延伸是完全支持更适合空间数据的索引机制，如R树和四叉树索引。这些二维索引方法优于原先的一维索引，提供了空间接近搜索的改进性能，可以在一个大的空间范围内获取一个小物体。对象―关系数据库的第三个延伸是支持空间关系功能和用户自定义功能，它能被写进扩展的对象―关系标准查询语言（SQL），或者如C、C++等汇编语言，来满足地理数据分析和操作的特殊要求。然而，对象―关系数据模型是目前在使用真正的面向对象数据库模型之前的权宜之计，面向对象数据模型会更好。
4.4　分布式空间数据模型[2]
　　分布式空间数据管理系统和联合空间数据库(federated spatial database)是国际上关于分布式空间数据模型的两个主要研究方向。前者是将空间数据库技术与计算机技术相结合，其主要问题包括空间数据的分割、分布式查询、分布式并发控制。后者则是在不改变不同来源的各空间数据库管理系统的前提上，将非均质的空间数据库系统连成一体，形成联合式的空间数据库体系。
　　分布式地理数据搜索、查询的技术问题，目前大致有两种基本解决方法。
　　(1)将各个站点的地理数据编排、整理成为结构化的数据目录，网络用户以数据目录为依据，对不同厂商和格式的空间数据采用不同的软件系统进行调用和显示；
　　(2)采用空间数据仓库技术，把各个信息源与用户需求和决策支持有关的空间数据，预先经过提取、转换、过滤和合并，按主题存放在中央数据库中，当用户进行查询时，可以直接访问中央数据库。
5　Web GIS的部件化结―互操作性GIS的操作分布
　　最初，在工业界和应用部门使用的是大型的基于主机系统的GIS软件和应用，这些系统都包含各自独特的显示单元、功能单元和数据存取单元。它们基本上不能与其它系统共享数据。
　　这种低效和高代价的巨无霸系统很快让位于关系数据库技术和客户―服务器模型的系统，经通过利用网络、个人计算机、图形用户界面和关系数据库把原来的巨无霸系统，系统的建立管理和维护仍然是一件艰难的事情。
　　接着从经典的客户―服务器计算模型转变到以构件开发为基础的分布式计算模型。新的模型把两段庞大的客户―服务器GIS分解成可自我管理的构件，这些构件之间可以跨网络和跨操作系统进行互操作，应用开发人员可以很容易通过这些构件的组装去发展新的应用和软件。这种转变和互联网的快速扩张和普及密切相关，互联网提供了分布式软件构件的应用市场[5]。
　　GIS的部件化把已有的GIS分解成可互操作和自我管理构件，它们建立在分布式的对象结构基础之上，应用了最新的分布式技术(CORBA、DCOM和Java)。
　　部件对象模型促进软件的交互，允许两个或多个应用程序或部件方便地合作，部件化结构是软件发展的趋势，体现了完全面向对象的思想和原则。GIS基本部件有：数据获取部件、数据管理部件、空间查询部件、SQL查询部件、空间分析部件、专题制图部件和显示部件等。这些部件都是分布在同一网络环境下的不同主机上，通过建立事件通道把自我管理的构件动态地相互联接，从而实现理想的床寮从GIS模型。
6　结束语
　　互操作性是GIS发展的一个重要议题，本文分别讨论了实现GIS互操作的空间信息标准、技术基础以及互操作性GIS的数据分布和操作分布。
吕妙儿（南京大学城市与资源学系 南京 210093）
黄杏元（南京大学城市与资源学系 南京 210093）
参考文献
1Interoperability in GIS, IJGIS, 1998(4)
2陈 刚. GIS中超媒体信息组织与表达初步研究. 硕士论文, 1998
3Geospatial Standards Move Toward Implementation and Interoperability, Cliff Kottman 
4张 锦, 王 励. 万维网地理信息系统实现的相关技术问题. 测绘学报, 1998(1)
5张 犁, 林 晖, 李 斌. 互联网时代的地理信息系统. 测绘学报, 1998(2)
收稿日期：1999年8月14日
