范子梁，薛 濤，鄒森忠

（1.中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京100083）

在地質(zhì)學(xué)和信息技術(shù)交叉領(lǐng)域，研究人員陸續(xù)建立了較多的涉及能源與礦產(chǎn)資源、地下水資源、減災(zāi)與地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)、工程建設(shè)與工程規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)與環(huán)境優(yōu)化等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，并積累了大量的相關(guān)數(shù)據(jù)。但這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的空間數(shù)據(jù)文件或空間數(shù)據(jù)庫(kù)等介質(zhì)中，變成了孤立的信息集合。為了能充分利用數(shù)據(jù)，許多學(xué)者提出了相應(yīng)的觀點(diǎn)，如在全球環(huán)境變化亟待解決的問題上，Kondratyev[1]提出必須重視建立有效的地理信息系統(tǒng)，集成源于野外工作、航空照片、衛(wèi)星影像和地圖的有關(guān)數(shù)據(jù)。另外，美國(guó)聯(lián)邦政府提出了“在國(guó)家層面上構(gòu)建數(shù)據(jù)共享的框架和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享”的切入點(diǎn)，確保主要的科學(xué)數(shù)據(jù)能夠匯集到國(guó)家級(jí)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行管理和散發(fā)；同時(shí)，與之相配套的數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)、數(shù)據(jù)產(chǎn)品的開發(fā)、數(shù)據(jù)中心的管理建設(shè)等均陸續(xù)開展起來[2-4]。這就是要將積累的數(shù)據(jù)和相關(guān)信息進(jìn)行有機(jī)整合，形成能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理和訪問的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)。

1 空間數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

在GIS系統(tǒng)中，其核心就是存儲(chǔ)著描述位置以及點(diǎn)、線、面空間信息的空間數(shù)據(jù)庫(kù)[5]?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的空間數(shù)據(jù)與常規(guī)數(shù)據(jù)相比，具有多來源、多模式、多時(shí)空、多比例尺、多語(yǔ)義性等特點(diǎn)，導(dǎo)致了空間數(shù)據(jù)的集成和處理變得復(fù)雜?？臻g數(shù)據(jù)管理與共享的問題可以歸結(jié)為不同GIS間的數(shù)據(jù)難以共享和不同種類的國(guó)土數(shù)據(jù)難以集成2個(gè)方面[6]。

數(shù)據(jù)提供者擁有多種空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)和大量異構(gòu)空間數(shù)據(jù)源，如何先進(jìn)行簡(jiǎn)潔、有效的管理，再進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布是數(shù)據(jù)提供者面臨的主要問題。構(gòu)建一個(gè)能夠使數(shù)據(jù)提供者方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)管理，同時(shí)為數(shù)據(jù)使用者提供統(tǒng)一、安全的訪問框架是非常必要的。從數(shù)據(jù)提供者和使用者2個(gè)角度出發(fā)，要解決的主要問題是：

1）數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)的管理，主要包括針對(duì)所要管理的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)和空間數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的集成接口，集成多種異構(gòu)空間數(shù)據(jù)源，系統(tǒng)記錄空間數(shù)據(jù)源的描述及定位等基本信息；不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行副本的拷貝，避免產(chǎn)生數(shù)據(jù)一致性和數(shù)據(jù)冗余問題。

2）數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)的管理由數(shù)據(jù)提供者完成，數(shù)據(jù)提供者根據(jù)統(tǒng)一接口來發(fā)布數(shù)據(jù)源或數(shù)據(jù)服務(wù)。

3）對(duì)數(shù)據(jù)的使用者提供統(tǒng)一的檢索和訪問接口。

2 空間數(shù)據(jù)集成框架

圖1 空間數(shù)據(jù)集成框架

空間數(shù)據(jù)集成框架（如圖1所示）主要由空間數(shù)據(jù)源、空間數(shù)據(jù)集成、檢索和訪問組件和客戶端組成?？臻g數(shù)據(jù)源部分由數(shù)據(jù)提供者進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)布和管理；空間數(shù)據(jù)集成、檢索和訪問組件為空間數(shù)據(jù)源提供集成、檢索和訪問接口，屏蔽了空間數(shù)據(jù)模型的差別；客戶端則通過組件提供的檢索和訪問接口實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)源的相關(guān)應(yīng)用。

2.1 空間數(shù)據(jù)源

在空間數(shù)據(jù)集成框架的底層，數(shù)據(jù)源可以數(shù)據(jù)庫(kù)的方式存在，也可以文件的形式存儲(chǔ)，還可以兩者混合類型存在?？臻g數(shù)據(jù)引擎管理和集成關(guān)系型數(shù)據(jù)源，其他類型的數(shù)據(jù)源可以發(fā)布為Web Service，并通過Web Service引擎進(jìn)行管理和集成。

2.2 空間數(shù)據(jù)集成、檢索和訪問組件

空間數(shù)據(jù)集成、檢索和訪問組件位于數(shù)據(jù)集成框架中間層，包含了空間數(shù)據(jù)處理模塊、Web Service數(shù)據(jù)處理模塊和空間數(shù)據(jù)接口。其中，空間數(shù)據(jù)處理模塊和Web Service數(shù)據(jù)處理模塊均包含了對(duì)空間數(shù)據(jù)處理的基本方法，如空間對(duì)象的管理和分析等操作?？臻g數(shù)據(jù)接口包括空間數(shù)據(jù)集成接口、空間數(shù)據(jù)檢索接口和空間數(shù)據(jù)訪問接口。這些接口的實(shí)現(xiàn)依賴于空間數(shù)據(jù)處理模塊和Web Service數(shù)據(jù)處理模塊，通過調(diào)用上述模塊的功能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯。

2.2.1 空間數(shù)據(jù)處理模塊

空間數(shù)據(jù)處理模塊是針對(duì)以空間數(shù)據(jù)庫(kù)方式直接提供數(shù)據(jù)源而設(shè)計(jì)的處理模塊。該模塊主要包含了直接針對(duì)數(shù)據(jù)源的地圖顯示、基本導(dǎo)航功能、查詢檢索、空間數(shù)據(jù)編輯和空間分析等功能。

2.2.2 Web Service數(shù)據(jù)處理模塊

Web Service通過利用組件技術(shù)，通過XML和Http協(xié)議實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)的發(fā)布、定位和交互。Web Service數(shù)據(jù)處理模塊主要是對(duì)以Web服務(wù)方式發(fā)布的資源進(jìn)行處理和集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)源的顯示、查詢檢索及空間數(shù)據(jù)編輯、空間分析等功能。

REST是Roy Fielding[8]于2000年在其博士學(xué)位論文中所提出的一種針對(duì)Web Service的體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格。在空間數(shù)據(jù)集成框架中，用REST服務(wù)發(fā)布空間數(shù)據(jù)，Web Service數(shù)據(jù)處理模塊通過與組件內(nèi)部接口的交互，使得客戶端可以利用REST服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)源的顯示、查詢檢索、編輯和空間分析等功能。

2.2.3 組件接口

它向數(shù)據(jù)源及客戶端提供了集成、檢索和訪問接口以及相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。

1）數(shù)據(jù)集成接口，主要是獲取空間數(shù)據(jù)源的相關(guān)信息并完成對(duì)空間數(shù)據(jù)源的集成。集成之后，此接口用于組件與空間數(shù)據(jù)源的鏈接，實(shí)現(xiàn)對(duì)集成后的信息管理以及獲取數(shù)據(jù)源的功能。

2）數(shù)據(jù)檢索接口。空間檢索處理采用了基于要素的檢索方法，主要包括過濾和精練2個(gè)步驟。過濾主要利用最小外包矩形(MBR)對(duì)空間矢量對(duì)象作簡(jiǎn)單的近似，然后進(jìn)行交集運(yùn)算來獲取候選結(jié)果集；而精練則是利用空間幾何交集進(jìn)行篩選的過程。

3）數(shù)據(jù)訪問接口，主要功能是為所集成的空間數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的訪問規(guī)則?？蛻舳艘@取數(shù)據(jù)源進(jìn)行相應(yīng)的顯示及導(dǎo)航、屬性查詢、空間數(shù)據(jù)編輯、空間分析時(shí)，就使用組件內(nèi)部的數(shù)據(jù)訪問接口來完成。空間數(shù)據(jù)的顯示以及其他與用戶交互的基本操作都是在可視化界面上完成的。

2.3 組件接口詳細(xì)規(guī)格

根據(jù)數(shù)據(jù)集成框架中分布式空間數(shù)據(jù)集成、檢索和訪問組件的接口設(shè)計(jì)規(guī)定，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)接口進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)（如圖2所示），主要包含空間數(shù)據(jù)集成接口、空間數(shù)據(jù)檢索接口和空間數(shù)據(jù)訪問接口。

1）空間數(shù)據(jù)集成接口（ISpatialDataIntegration）：主要完成對(duì)基于ArcSDE和REST服務(wù)的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行集成操作。

2）空間數(shù)據(jù)檢索接口（ISpatialDataRetrieve）：主要完成對(duì)所集成的空間數(shù)據(jù)檢索功能，包括基于MBR的檢索和基于空間幾何對(duì)象的檢索。

3）空間數(shù)據(jù)訪問接口（ISpatialDataAccess）：主要實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)訪問、展現(xiàn)以及屬性查詢等功能。

以上主要組件接口組成了空間數(shù)據(jù)訪問組件的對(duì)外部系統(tǒng)的訪問通道，規(guī)定了對(duì)空間數(shù)據(jù)集成、檢索及訪問的規(guī)則。而空間訪問模塊與Web Service訪問模塊都是對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理的功能集合，它們具有相同的功能但對(duì)空間數(shù)據(jù)的處理則采用不同的方式。組件內(nèi)部的相應(yīng)模塊針對(duì)ArcSDE和REST的數(shù)據(jù)源分別對(duì)集成、檢索及訪問接口進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，且具有良好的可擴(kuò)展性。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文從空間數(shù)據(jù)提供者與使用者2個(gè)角度去解決空間數(shù)據(jù)集成、共享以及訪問的問題，完成了對(duì)基于空間數(shù)據(jù)庫(kù)和基于Web Service空間數(shù)據(jù)源的集成。利用組件內(nèi)的空間數(shù)據(jù)檢索方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)所集成資源的查詢檢索，并驗(yàn)證了空間數(shù)據(jù)集成、檢索和訪問組件在數(shù)據(jù)集成框架中的可行性。

圖2 空間數(shù)據(jù)訪問組件接口詳細(xì)規(guī)格

隨著云計(jì)算的興起與相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，文中設(shè)計(jì)的組件遷移到云計(jì)算平臺(tái)中，為空間數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供一個(gè)高性能、具有彈性的服務(wù)將是下一步工作的重點(diǎn)。同時(shí)，利用云計(jì)算平臺(tái)的強(qiáng)大計(jì)算能力，可以對(duì)組件進(jìn)行擴(kuò)展，將多種GIS平臺(tái)的功能融入到系統(tǒng)中，為用戶提供基于云的GIS服務(wù)。

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