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城市基础空间数据共享的研究
摘要：空间数据的共享、互操作是基础地理信息系统建设的一个重要目的，目前一些可用的技术方法都存在着自身的一些局限，同时一些新的技术方法也正在兴起，本文基于南通市基础地理信息系统的建设，从数据共享需求分析和实现技术入手，对城市基础空间数据的共享作了一些探讨。
关键词：基础空间数据 共享 数据服务
基础空间数据是国家空间信息基础设施(NSII)建设的重要内容[1-3]。它为”数字城市”、”电子政务”、”电子商务”以及其他社会经济生活提供有力的数据支撑。近年来，随着GIS的长足发展，不同行业、不同部门通过遥感、全球定位系统以及测绘等多种途径获取了海量的空间地理数据，建立了大量的空间信息系统和空间数据库。但是，由于空间数据的多样性和复杂性，GIS系统和数据库的缺陷也日益显现出来， 主要表现在基于具体的、相对独立的GIS平台的应用系统间难以实现信息共享与交流。
显然，这种状况不仅造成了资源的重复建设和大量人力、财力的浪费，也直接制约了GIS的进一步发展。空间数据的共享、互操作和集成是”数字城市”的关键[4]。这就迫使人们不断寻找优化的共享方法。
1 数据共享需求分析
1.1 共享部门分析
根据需求调研分析，南通市基础空间数据共享部门如下图所表示：

1. 与上级测绘和数据交换主管部门应用间的交换
按照上一级数据交换中心的要求，实现切实可行的数据交换接口，能够和省级数据交换中心互联互通。
2. 与下级测绘部门应用间的交换
通过远程联网或其它手段，实现和区、县基础数据的连接和动态更新。
3. 与行业部门应用间的交换
为南通市国土资源、建设、规划和社会各行业提供完善、优质和高效的基础空间数据服务，以及准化的、高质量的及时更新的基础空间数据共享平台。
1.2 共享层次分析
数据共享的层次主要包括以下几种：
1. 基础空间数据
基础空间数据是南通市国土资源局可以分发与共享的基础数据，其基本内容如下表所示，各使用单位根据其需要选择数据：
基础地理数据比例尺
覆盖面积Km2
覆盖区域范围
1:500
160
南通市主城区
1:1000
270
南通市区
1:2000
430
南通市郊区
1:5000
430
南通市郊区
1:10000
8000
南通市域（含六县（市））
1:50000
8000
南通市域（含六县（市））
1:250000
8000
南通市域（含六县（市））
1:2000真彩影像图
160
南通市主城区
1:1000黑白影像图
270
南通市郊区
地名数据
330
各类比例尺下的地名
测量控制成果
国家一等，二等，三等，四等控制点，C、D级GPS控制点
南通市域（含六县（市））

2. 面向行业应用的基础空间数据
主要包括水系、公路等面向行业应用的基础数据，这部分数据的更新与维护需要行业部门的参与，因此也需要实现数据的共享。如公路数据的命名，一般由公路部门完成，水系的命名与分段则一般由水利部门完成。

3. 行业专用的专题空间数据
主要包括各行业专题GIS信息库，以公安行业的110数据为例，其空间专题数据就包括了110报警点、治安联防队的分布情况、灭火救援器材数据、消防水源数据、重点防火单位安装烟感探头数据等。其数据的更新与维护一般由行业单位自行组织，当其它部门需要时进行共享。
1.3 共享方式分析
根据各使用单位的具体情况及数据的使用特点，在数据共享中，应提供以下几种方式的数据共享：
1. 文件方式的数据共享
主要提供对空间数据的直接输出及文件下载服务。需要空间数据服务的部门通过登录政府网内部的专网网站，进行数据的下载服务；对一些保密性强的部门，如公安部门，直接实现其专题格式数据的转换与输出，以介质拷贝、硬拷贝等方式提供给其它使用者。
2. 数据直接访问方式的数据共享
各数据在空间分布上采用分布式存放，通过直接访问数据库，实现数据的读取与更新。
3. GIS平台提供方式的数据共享
在政府专网网站中建立Web方式的GIS工作平台，那些缺少GIS系统软件，但又确有空间数据使用需求的政府行业部门可以在GIS工作平台中实现其对空间数据的应用及编辑。
4. 其它
此外应实现南通市国土资源局内部不同系统平台之间的数据互访，通过数据整合建库，基础空间数据同意通过ArcSDE放入Oracle数据库中，因此这个问题比较容易解决。

2 关键问题
数据转换是数据共享中要解决的重点问题，主要包括不同数据格式之间的转换，如ArcInfo的数据与常用的MapInfo、CAD等之间的格式互相转换。数据转换过程中的关键点包括：
1. 拓扑属性信息转换
在数据转换中，拓扑与属性信息的丢失经常会发生，因此，空间拓扑与属性信息的转换是空间数据转换中要解决的重点问题。
2. 符号转换
不同格式GIS数据之间的符号转换。
3. 坐标与投影系统变换
能够自动进行坐标系统与投影系统的变换。
4. 测试环境的设计与搭建
选择一定的数据交换格式，进行数据转换的测试。
3 实现技术
南通市基础空间数据共享服务系统主要由以下四个子系统支撑（如下图所示）。

3.1 元数据管理系统
元数据管理系统主要包括元数据的采集与元数据的发布定制功能。由于元数据的发布在数据共享服务层面具有重要意义，我们将元数据采集管理与发布定制模块一并放入元数据管理系统中，其最终目的是提供元数据服务，基本功能图如下图所示：

模块之间的关系流程图如下所表示：

保存
检索
元数据发布
元数据存储介质
元数据文件系统

元数据库
元数据录入、其他格式的元数据导入
元数据编辑、检索、查询和浏览
Internet
建立元数据库

元数据管理系统在实现过程中，包括以下内容：
1. 元数据内容标准包
为了协助用户生成规范的元数据，系统提供了元数据内容标准包，同时为了满足用户的不同需要，系统允许自定义元数据项。系统提供的元数据标准包是以我国基础地理信息数字产品元数据标准草案为基础，并结合FGDC以及国际标准化组织ISO/TC211制定的元数据规范制定出的一套符合南通市地理信息产品特点的，又能与国际标准相接轨的空间元数据标准，能够符合制图工程的要求并且能够满足不同产品的信息交换的要求。

2. 元数据采集管理模块
元数据采集管理模块主要实现元数据编辑入库及元数据管理功能，其中管理编辑操作工具包括元数据录入、编辑、维护、查询、检索和表示，这对元数据标准的实施和推广具有现实意义。对地理空间元数据进行管理和维护采用关系数据库管理系统（RDBMS），对于元数据输出采用XML文件以便于与其他系统进行数据交换。
3. 元数据定制分发模块
元数据的定制分发模块主要实现元数据的发布功能。系统为了便于元数据的发布，设计了元数据分发定制器。通过定制器，用户定制将要分发的元数据和元数据项。元数据的定制分发模块可以内嵌到互联网发布系统和地理信息专网网站中，向各政府职能部门及广大公众发布元数据信息。
3.2 基础地理数据的分发服务系统
3.2.1 概述
基础地理数据的分发服务主要提供对文件下载的服务支持（数据转换下载）及文件硬拷贝、介质拷贝等的输出支持。在数据转换中，数据格式、拓扑及符号等的完整性是要解决的重点问题。
基础地理数据分发服务系统其主要目的是实现数据格式的转换输出，包括：
1. 为地理信息系统专网网站的数据下载服务
当政府专网用户通过地理信息系统专网网站提交文件下载服务请求后，需要进行空间数据转换服务时，通过基础地理数据的分发服务系统，实现数据格式的转换、输出等，即数据的预处理功能。如下所示：

2. 特殊政府专业部门的数据输出服务
对于特殊政府专业，如公安等，考虑到其数据的保密性，因此，当需要实现共享时，在本地实现数据格式的转换（提供国内外流行的地理空间数据格式，如DGN格式，MapInfo，e00，Coverage等）等，通过介质拷贝、硬拷贝等方式，对外提供数据。

3.2.2 实现技术分析
数据分发服务的关键是实现数据的多格式转换输出，在设计中，借鉴了目前较为成熟的FME(Feature Manipulate Engine) Suite数据转换平台的思路。
数据分发系统实现中的关键点包括：
1. 实现基于OpenGIS组织提出的新数据转换理念，即“语义转换”，通过提供在转换过程中重新构造数据的功能，实现不同空间数据格式（模型）之间的相互转换；
2. 语义转换提供可重新定义输入或输出数据的引擎，引擎的基础是一个丰富的数据模型，其保持内部一致性和可扩展性，提供一系列方法来进行模型到模型的双向转换；
3. 引擎是空间数据提取、变换和加载的工具，它包括转换器、数据浏览器等功能；
4. 引擎由三大部分组成：
l 语义数据转换引擎：这是核心模块，负责实际的转换工作。
l 语义映射文件注册表：提供用于管理众多不同语义映射文件的机制，同时提供简单的过滤操作，用于在数据转换过程中选择所需的映射文件。
l 自动语义映射文件生成器：可使引擎以完全自动的方式执行转换。

3.3 数据互操作服务系统
3.3.1 概述
数据互操作服务系统主要是实现直连方式的数据共享，通过GIS平台或数据交换中间件的方式，实现对GIS数据的直接访问。
其解决的主要问题包括GIS平台异构、数据库结构异构及操作平台异构之间的数据直接在线共享。

3.3.2 实现技术分析
3.3.2.1 ArcSDE方式
南通市基础空间数据通过ArcSDE统一入到Oracle数据库，依据使用单位GIS平台的差异性，数据访问有所不同，如下图所示：

Oracle
ArcSDE
ArcGIS
数据交换中间件
其他GIS系统
MicroStation
AutoCAD
MapInfo
针对不同GIS系统的数据共享方式之一
CAD Client
ArcGIS客户端可以通过ArcSDE空间数据引擎直接对Oracle数据库进行数据访问；AutoCAD或MicroStation可以使用ArcSDECADClient对Oracle数据库进行数据访问，ArcSDECADClient是ArcSDE专门用于存储、提取CAD数据的接口。SDECADClient有一个易于使用的CAD接口，它使得MicroStation和AutoCAD可作为SDE的客户端存储、提取并修改CAD实体或SDE数据库中的几何要素；
MapInfo或其它不支持ArcSDE的GIS系统通过数据交换中间件，实现对空间数据的访问与解析。
3.3.2.2 ArcSDE+OracleSpatial方式
另外用户还可以选择OracleSpatial方式来对基础空间数据进行访问，访问方式如下图：

ArcGIS客户端可以通过ArcSDE空间数据引擎直接对Oracle数据库进行数据访问；Mapinfo、AutoCAD或MicroStation等软件系统，可以考虑增加OracleSpatial数据接口，通过OracleSpatial来实现对Oracle数据库的访问；
其它不支持ArcSDE数据库引擎又不支持OracleSpatial空间数据库访问的GIS系统，可通过数据交换中间件，实现对空间数据的访问与交换。
3.3.2.3数据交换中间件方式
空间地理数据交换中间件是异构数据库、异构平台之间的空间地理数据交换接口，面向行业应用实现空间数据高效访问，实现与GIS平台无关的空间数据共享。
1. 空间数据转换标准
空间数据转换标准是一种专门为不同GIS系统之间实现数据交换而设计的一种中间格式。这种格式要求用户能很好地理解它，各种GIS软件都应具备将标准格式转换为自己的内部格式和将内部格式转换为标推格式的能力。这时数据
提供者只需要提供一个数据输出接口，其输出数据就能被多个用户所使用，而用户也只需要一个数据输入接口就可以共享来自多个数据提供者的数据。
2. 数据交换中间件逻辑结构图
南通市的数据交换中间件采用VCT和SHP作为标准交换格式，从技术上讲，主要利用数据拦载，在每个数据库服务器中驻留中间件，实现各异构数据库中的数据同步。
3. 空间数据交换流程图
该中间件的主要功能是实现空间数据的传输、转换。该中间件常驻操作系统，侦听数据请求端口，当接收到数据请求时，解析数据请求，并对请求方进行身份验证，通过后，将本地数据打包并封装成标准格式发送给请求方，请求方通过其空间数据交换中间件将数据解析为本地数据格式并存储在本地数据库中。其中当数据以本地格式与标准格式间进行解析转换过程中，借鉴FME的语义转换思路，保证数据转换过程中的格式、属性、拓扑等的完整性。整个数据交换过程通过数据加密、奇偶检验，以保障数据的安全性和完整性。
其结构图如下：本地空间数据库
远程空间数据库
数据请求
空间数据交换中间件
空间数据交换中间件
接收、解密、解析
身份验证
提交处理
数据加密
数据接收、解密
数据库操作
奇偶、校验

数据库操作
数据转换

标准交换格式(VCT/SHP)
加密
内网

外网
网络传输
网络传输

除此之外，空间地理数据交换中间件还包括连接配制服务工具。该工具主要是用户身份注册、侦听端口指定、本地空间数据库连接等一系列系统参数的配制。
3.4 地理信息系统专网网站
地理信息系统专网网站建立主要提供两方面的数据共享，其一是基础地理信息系统平台服务（针对缺少GIS系统与GIS数据库的政府行业部门）；其二是提供数据文件的下载服务（针对广大政府行业部门）。
3.4.1 实现技术分析
1. GIS操作平台
在开发过程中，利用Java定制了部分空间编辑模块，空间数据在客户端编辑完成后，提交后端服务器端进行校验，校验通过后提交数据库。
2. 数据下载服务
在数据下载中，需要进行数据格式的输出转换，这部分通过数据分发服务来实现。
3. 元数据发布
地理信息系统专网网站的元数据发布通过元数据管理系统的发布定制模块来实现。
3.4.2 相关流程图
1. 元数据发布流程图
地理信息系统专网用户在提交数据下载请求前，首先要进行元数据查询，为了便于网站的维护，元数据发布统一由南通市国土资源局来维护，因此，各政府行业部门需要发布元数据时，统一提交国土资源局。其基本流程图如下图所表示。

2. 数据下载流程图
当用户进行数据下载时，通过网站查询首先检索元数据，提交数据共享请求，审批后，进行数据的浏览与下载，流程图如下所表示：

当用户开始查询元数据时，首先将查询请求提交元数据发布模块，元数据发布模块到相应的空间元数据库检索，并将检索结果返回给用户。
用户通过阅读空间元数据文档中的数据在线浏览元素，提交数据共享的申请，当审批后，提交数据下载请求与格式转换请求，通过数据分发系统，进行数据格式转换与数据的下载。
3. Web方式的GIS工作平台操作流程图
政府行业部门访问地理信息系统专网网站，其对数据的操作流程如下图所表示。当数据操作完成后，提交南通市国土局内的行业专题数据库。以后当其需要编辑专题数据时，仅需直接提取空间专题数据，编辑完毕后提交。

3.4.3 数据的更新机制
在数据共享中，分布式共享需解决最主要的问题是数据的同步更新，一般有两种更新机制：实时同步更新数据和定期数据更新。考虑到基础空间数据对时效性要求不高，因此，在本系统项目中，选用了定期数据更新机制。定期更新机制可大大的减少对系统性能、网络性能的消耗。

参考文献：
[1] 国家空间信息基础设施发展规划研究[M].国家地理空间信息协调委员会办公室.中国计划出版社,2002,7.
[2] 张清浦.电子政务与数字中国地理空间基础框架[J].地理信息世界,2004,2(1).
[3] 李满春,姚静,毛亮.地理数据产业化刍议[J].地理信息世界,2004,2(4).
[4] 孙立坚,刘纪平,王亮,朱翊.基于Web Services技术的GIS体系结构研究.