王偉立,吳昊,范建峰
(1.湖北曉雲(yún)科技有限公司,湖北 武漢 430223 2.咸寧市勘察測繪院,湖北 咸寧 437000)
海洋是人類食物和材料的來源,是氣候的調(diào)節(jié)器,在一定程度上也是廢物處理場,同時人類還利用海洋運輸貨物。全世界大約44%的人居住在距離海岸 150 km的范圍內(nèi),該比例還可能增加[1]。然而,由于城市活動、工業(yè)生產(chǎn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)活動等所產(chǎn)生的垃圾填埋池、過度開發(fā)和污染,使海洋環(huán)境遭到前所未有的嚴(yán)重破壞。因此,需要對海洋環(huán)境采取必要的手段進(jìn)行管理,如可持續(xù)監(jiān)測機制和周期報告等。
空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(Spatial Data Infrastructure,SDI)可以實現(xiàn)對海洋資源環(huán)境的管理。比如為了能與其他用戶共享海洋數(shù)據(jù)、對海洋環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行評估,SDI可以幫助決策者找到他們想要的數(shù)據(jù)以及發(fā)布自己的數(shù)據(jù),從而做出一些保護(hù)海洋資源環(huán)境的決策。
互操作是SDI的基礎(chǔ),大型分布式系統(tǒng)中的互操作是指有能力與其他系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)服務(wù)?;ゲ僮鞯闹笜?biāo)主要有:法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)傳遞和語義轉(zhuǎn)換,如表1所示:
描述互操作的5個指標(biāo) 表1
由于互操作涉及數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù)交換,因此:①在分布式系統(tǒng)內(nèi)部之間進(jìn)行數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù)交換,需要該領(lǐng)域法律法規(guī)進(jìn)行監(jiān)督;②在分布式系統(tǒng)內(nèi)部,需要對系統(tǒng)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模工作,用簡單的數(shù)據(jù)模型表達(dá)復(fù)雜的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu);③在數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù)交換的過程中,為了確保交換實時動態(tài)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù),需要采用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)跟蹤數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù);④在建立參考模型與傳遞數(shù)據(jù)時,需要依賴具體的參考模型標(biāo)準(zhǔn)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn);⑤為了防止在交換數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù)時,由于鍵入數(shù)據(jù)相似語義而檢索失敗的情況出現(xiàn),需要對數(shù)據(jù)以及元數(shù)據(jù)進(jìn)行相似語義替換,確保系統(tǒng)正常運行。
(1)SDI定義
SDI是指用于采集、處理、加工地理空間數(shù)據(jù)(或稱地理信息),并進(jìn)行管理、維護(hù)、分發(fā)服務(wù)和組織協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)設(shè)施體[2]。其包含共同空間因素,并且提供廣泛應(yīng)用的一般位置服務(wù)[3]。從存取和共享的角度,可以從三個方面來理解SDI。
①無須用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。用戶在SDI中隸屬于服務(wù)使用者,使用者在使用SDI提供的數(shù)據(jù)時,是接觸不到數(shù)據(jù)的,更加不能進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。
②數(shù)據(jù)設(shè)置遵循相同的原則,通過基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行語義共享和檢索。SDI中,為了便于進(jìn)行數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù)交換,需要在設(shè)置數(shù)據(jù)時遵循相同的原則,并且為了防止鍵入相似語義而出現(xiàn)檢索失敗,需要共享語義。
③SDI應(yīng)該包含一致空間因素,并且提供廣泛應(yīng)用的位置服務(wù)。SDI中POI(Point of Interest,信息點)所包含的地理空間數(shù)據(jù)(地理信息)應(yīng)該一致,此外,這些POI能給用戶提供廣泛應(yīng)用的位置服務(wù)。
(2)SDI元素
SDI實際上主要分為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、架構(gòu)實現(xiàn)、技術(shù)支持等3個層次[4,5]。其元素可以細(xì)分為:使用者、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)存取、政策和標(biāo)準(zhǔn),如圖1所示。
圖1 SDI的元素
(3)SDI分類
考慮到SDI有不同的政策許可級別,因此可以對SDI進(jìn)行縱向的級別劃分,如表2所示:
SDI縱向分類 表2
由表可知:
①SDI的縱向分類是根據(jù)空間范圍大小劃分的;
②范圍較大的SDI由范圍較小的SDI組成;
③范圍較小的SDI向范圍較大的SDI傳遞數(shù)據(jù);
④對于不同級別的SDI,其采用的標(biāo)準(zhǔn)一致。
(4)MSDI
海洋空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(Marine SDI,MSDI)術(shù)語可以追溯到2001年,但是它的使用很可能早在1995年的海岸地理信息系統(tǒng)會議上。MSDI同SDI一樣可以進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的交換和共享,但是他們之間最主要差異在于:SDI更加關(guān)注與陸地有關(guān)的數(shù)據(jù);而MSDI旨在提升海洋主題數(shù)據(jù)的存取來加強海洋和海岸空間的管理。
2009年,Russell給出了MSDI這個術(shù)語一個十分全面的定義:MSDI是國家級SDI的組成部分,它包含了海洋與海岸地理和經(jīng)濟(jì)的信息資源。MSDI建設(shè)的主要目的是建立相應(yīng)的組織和標(biāo)準(zhǔn),加快海洋空間數(shù)據(jù)的生產(chǎn),減少海洋空間數(shù)據(jù)的重復(fù)采集,維護(hù)海洋空間數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性、有效性和權(quán)威性,加速海洋GIS的發(fā)展[11]。MSDI代表性的內(nèi)容主要有:河床海洋測深學(xué)、地理學(xué)、基礎(chǔ)設(shè)施、行政合法邊界、保護(hù)區(qū)、海洋棲息地和海洋學(xué)等。但是,并非所有的MSDI都是國家級SDI,因為還有部分MSDI屬于區(qū)域級SDI(如Oregon沿海地圖集)和全球級SDI(如全球海洋觀測系統(tǒng)GOOS和Oceans 21)。
在SDI世界里,SDI建立在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)基礎(chǔ)之上,而網(wǎng)絡(luò)服務(wù)由OGC(Open Geospatial Consortium,開放地理空間協(xié)會)和ISO(International Organization for Standardization,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)聯(lián)合規(guī)定[12]。因此,SDI依賴標(biāo)準(zhǔn)。其中,主要包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和參考模型標(biāo)準(zhǔn),此外,為了數(shù)據(jù)和服務(wù)更加容易被檢索和存取,還需要研究元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。
(1)地理空間標(biāo)準(zhǔn)
1994年,ISO開辦了專門的會議來形成與空間領(lǐng)域有關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,ISO/TC 211是空間地理信息領(lǐng)域有結(jié)構(gòu)體系的標(biāo)準(zhǔn),旨在建立與地球定位直接或者間接相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)ISO/TC 211的成果建立起來的國際標(biāo)準(zhǔn)191XX系列,如:①19119-服務(wù)。在SDI中扮演著重要的角色,因為SDI是分布式服務(wù)的集成;②19156-觀察和測量。在MSDI中起著重要作用,因為MSDI的原始數(shù)據(jù)來自傳感器;③19136-GML(Geography Markup Language,地理信息標(biāo)記語言)。GML標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了空間數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的存儲格式。
OGC最重要的兩個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)是:①WMS(Web Map Service,網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù));②WFS(Web Feature Service,網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù))。WMS標(biāo)準(zhǔn)返回地圖的空間參考數(shù)據(jù),因此,地圖可以顯示動態(tài)信息;WFS標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)矢量數(shù)據(jù),如圖像。
(2)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)
元數(shù)據(jù),即關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù),用來描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。如果沒有元數(shù)據(jù),那么一條現(xiàn)實的河流在圖上就僅僅只是一條幾何直線,與普通道路無異。因此,在SDI中元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)也相當(dāng)重要。
元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)最先始于MRAC(machine-readable cataloging)標(biāo)準(zhǔn);1994年,美國FGDC(Federal Geographic Data Committee,聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)協(xié)會)提出CSDGM(Content Standard for Digital Geospatial Metadata);考慮到元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性與龐大性,1995年創(chuàng)造了Dublin Metadata Core Element Set標(biāo)準(zhǔn);隨著元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展,目前全面的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是ISO 19115,它定義了地理信息和服務(wù)的概要需求,提供了電子地理數(shù)據(jù)的鑒別、延伸、質(zhì)量、空間、短暫模式、空間參考和分布等。
(3)參考模型標(biāo)準(zhǔn)
參考模型的使用是建立SDI的輔助手段,因此創(chuàng)建合理全面的參考模型標(biāo)準(zhǔn)十分必要。ISO提出的RM-ODP(Reference Model of Open Distributed Processing,開放分布式處理參考模型)標(biāo)準(zhǔn)能夠全面代表SDI。因為,RM-ODP被用來實現(xiàn)互操作基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ),并且它是ISO定義完善的標(biāo)準(zhǔn);對于FGDC的GIRM(Geospatial Interoperability Reference Model,地理空間互操作參考模型)而言,采用的是RM-ODP的信息視角和自動化視角。此外,RM-ODP已經(jīng)拓展適用成為其他參考模型——ISO 19101、OGC參考模型——的概念基礎(chǔ)。
在RM-ODP中,視角是核心部分,因為不同的使用者在一個系統(tǒng)中有不同的興趣點,所以被用來確認(rèn)著重于結(jié)構(gòu)和框架的特殊部分。與RM-ODP相類似的標(biāo)準(zhǔn)還有軟件結(jié)構(gòu)“4+1”View Model,也是在視角的基礎(chǔ)上進(jìn)行描述的,將系統(tǒng)不同的方面分成多數(shù)視圖來描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
建立參考模型目的在于定義結(jié)構(gòu)龐大和復(fù)雜的有關(guān)空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施分布式系統(tǒng)的框架。因此,SDI的實際實現(xiàn)可能需要參考模型的輔助,因為參考模型賦予了SDI的基本框架并且參考模型是SDI的基礎(chǔ)。
現(xiàn)有許多參考模型已經(jīng)過時。比如PERA(Purdue Enterprise Reference Architecture,普渡企業(yè)參考體系結(jié)構(gòu));還有某些僅僅使用于特殊領(lǐng)域的參考模型,比如商業(yè)模型BPEL(Business Process Executing Language,業(yè)務(wù)流程執(zhí)行語言)、RM-SOA(Service-Oriented Architecture Reference Model,面向服務(wù)的架構(gòu)參考模型)。這里就不加以贅述,接下來對現(xiàn)有使用較頻繁的參考模型RM-ODP和GDI-DE做詳細(xì)介紹,并比較這兩種參考模型,總結(jié)它們之間的關(guān)系。
視角是RM-ODP的核心部分,用來確認(rèn)著重于結(jié)構(gòu)和框架的特殊部分。因為與開發(fā)者相關(guān)的部分不一定與使用者相關(guān),以級別為例:使用者比開發(fā)者更關(guān)心系統(tǒng)提供給他們的級別,而不是每個級別具體所采用的技術(shù)。在RM-ODP參考模型中,可以將參考模型劃分為5個視角,每個視角都有自己具體的內(nèi)容和使用環(huán)境,如表3所示:
WRON(Australia’s Water Resource Observation Network,澳大利亞的水資源觀測網(wǎng))就是依據(jù)RM-ODP建立起來的,被用來實時監(jiān)測現(xiàn)有和預(yù)報未來的水資源狀態(tài)從而迎接澳大利亞的水資源挑戰(zhàn);DERM(Digital Earth Reference Model,數(shù)字地球參考模型)是依據(jù)RM-ODP視角建立的全球性SDI,旨在自由地在互聯(lián)網(wǎng)上提供關(guān)于地球的數(shù)據(jù)。
RM-ODP的視角劃分與使用環(huán)境 表3
GDI-DE是旨在不同管理、商業(yè)、科學(xué)水平上改進(jìn)規(guī)定和分配使用空間數(shù)據(jù)源的德國國家級空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施。為了實現(xiàn)這個目標(biāo),GDI-DE試著簡化信息、傳輸和轉(zhuǎn)換過程,并且將結(jié)構(gòu)劃分為3層(應(yīng)用、服務(wù)和數(shù)據(jù)存儲)和4個子模型。與RM-ODP相比,GDI-DE用子模型代替視角,但是子模型與視角十分相似,因為它們在整個系統(tǒng)中都提供不同的更詳細(xì)的視角。其子模型以及具體內(nèi)容如表4所示:
GDI-DE子模型及其內(nèi)容 表4
GDI-NRW(The reference model of the GDI North Rhine-Westfalia,北萊茵-威斯特法倫州的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施參考模型)與GDI-DE一樣也使用子模型,它使用商業(yè)模型、結(jié)構(gòu)模型,GDI-DE中的操作模型在GDI-NRW中被劃分為3個子模型:成員模型、過程模型、工具模型。基礎(chǔ)設(shè)施基本可以劃分為3層:客戶層、服務(wù)層、儲存層;SDI Saxon介紹Saxon SDI中的技術(shù)、組織和政策關(guān)系。與GDI-NRW相比,它使用很少的子模型,對于GDI-DE而言更少的子模型,有:結(jié)構(gòu)模型、操作模型、許可模型。然而這些子模型中包含了其他所有的參考模型。基礎(chǔ)設(shè)施基本可以劃分為3層:客戶層、服務(wù)層、儲存層。
在RM-ODP中,根據(jù)具體內(nèi)容和使用環(huán)境可以將參考模型劃分為5個視角:商業(yè)視角、信息視角、自動化視角、工程視角和技術(shù)視角;在GDI-DE中,根據(jù)各個模塊的具體內(nèi)容可以將參考模型細(xì)分為4個子模型:商業(yè)模型、結(jié)構(gòu)模型、操作模型和組織模型;另外,在GDI-NRW中,可以將GDI-DE中的操作模型更加細(xì)分,分為3個子模型:成員模型、過程模型、工具模型。根據(jù)各個視角和子模型的具體功能,可以得出它們之間一一對應(yīng)的關(guān)系,如圖2所示。
圖2 RM-ODP與GDI-DE的關(guān)系圖
由圖可知:
①GDI-DE商業(yè)模型中涉及的使用者目的和需求與RM-ODP商業(yè)視角的描述一致;
②GDI-DE結(jié)構(gòu)模型中涉及的描述技術(shù)成分以及其具體功能和各個功能之間的相互關(guān)系與RM-ODP信息視角和自動化視角的描述一致;
③GDI-DE結(jié)構(gòu)模型在GDI-NRW中被細(xì)分為3個子模型,其中過程模型涉及的工作流以及內(nèi)部數(shù)據(jù)描述與RM-ODP工程視角的描述一致;工具模型涉及的現(xiàn)有基本工具的使用與RM-ODP技術(shù)視角的描述一致。
MSDI可以進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的交換和共享,旨在提升海洋主題數(shù)據(jù)的存取來加強海洋和海岸空間的管理。因此,在MSDI中海洋主題數(shù)據(jù)的存取顯得尤為重要。目前,海洋主題數(shù)據(jù)的存取主要依托數(shù)據(jù)庫技術(shù),所以,建立海洋主題數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)MSDI的必要前提條件。海洋主題數(shù)據(jù)庫主要包括有:控制點數(shù)據(jù)庫、驗潮站數(shù)據(jù)庫、重力基點數(shù)據(jù)庫與磁偏角數(shù)據(jù)庫等,以下簡單介紹控制點數(shù)據(jù)庫[13,14]。
建立控制點數(shù)據(jù)庫,可以使獲得、交換和分享控制點數(shù)據(jù)和信息更加方便。RM-ODP中信息視角描述的是信息的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)和管理,體現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫上即二維表的內(nèi)容、存儲和組織方式;GDI-DE中結(jié)構(gòu)模型描述的是基礎(chǔ)設(shè)施中硬件、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫及其發(fā)展和使用。因此,可以得出控制點數(shù)據(jù)庫與參考模型視角(子模型)之間的對應(yīng)關(guān)系,如圖3所示。
圖3 控制點數(shù)據(jù)庫與參考模型的關(guān)系
海洋大地測量的基本任務(wù)是建立和維持國家或區(qū)域范圍內(nèi)的大地基準(zhǔn)、深度基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)、重力基準(zhǔn)、磁力基準(zhǔn)等各類起算點、起算面和起算數(shù)據(jù),而表征這些測繪基準(zhǔn)的是據(jù)此而建立的各種海洋大地測量標(biāo)志,如地面控制點標(biāo)石、覘標(biāo)、測量墩、海底控制點、浮標(biāo)等,因此,對測量標(biāo)志的有效管理和維護(hù)是大地測量工作的主要內(nèi)容之一。
在建立控制點數(shù)據(jù)庫時,為了更加清晰地描述測量標(biāo)志的相關(guān)信息,分別創(chuàng)建控制點基本信息表(如表5所示)和控制點附件信息表(如表6所示)。其中,基本信息表中包含控制點的詳細(xì)信息,即點號、點名、重合點名、測區(qū)編號、測區(qū)名稱、經(jīng)度、緯度、類型編號、控制點類型、控制點等級、標(biāo)志及材料類型、百萬圖幅號、二十萬圖幅號、十萬圖幅號、五萬圖幅號、測量單位、測量時間、托管單位、數(shù)據(jù)來源、點位說明、控制點狀態(tài)、備注、地物編碼、用戶編號和錄入時間等;附件信息表中包含控制點的原始數(shù)據(jù)來源數(shù)字化掃描信息,有附件名稱、附件類型、備注和附件數(shù)據(jù)等。
控制點基本信息表 表5
續(xù)表5
控制點附件信息表 表6
為了更好地了解和利用海洋資源環(huán)境,借助海洋主題數(shù)據(jù)庫,可以提高管理水平。通過MSDI海洋主題數(shù)據(jù)庫的更新與存取,決策者及時發(fā)布實時海洋數(shù)據(jù)使得大眾用戶可以共享數(shù)據(jù),確保海洋資源環(huán)境的預(yù)見性管理。另外,考慮到:一方面,開源數(shù)據(jù)可以減輕政府部門發(fā)布更新數(shù)據(jù)的壓力;另一方面,開源數(shù)據(jù)可以促進(jìn)個人和企業(yè)創(chuàng)造更多有利于社會發(fā)展進(jìn)步的新事物,開源數(shù)據(jù)越來越受到重視,有關(guān)MSDI的專業(yè)主題終端應(yīng)用開發(fā)有著良好的前景。