空间数据共享与互操作技术

   龚健雅    武汉大学   测绘遥感信息工程国家重点实验室
    
    摘要：这篇文章综述了空间数据异构性的特点和空间数据共享的方法，重点介绍了地理信息系统互操作的定义、层次以及开放式地理信息系统的概念、模型、互操作规范及实现方法。
    
    关键词：地理信息系统，异构性，互操作，OGIS
    
    1．引言
    
    由于信息技术的发展，我们在空间数据获取手段上已经有很大进步，这些不同手段获得的不同来源不同形式的空间数据管理成为当前的一个研究热点。作为空间数据的有效管理工具，地理信息系统目前逐步成为空间信息管理与应用的主要平台。因此地理信息系统也面临着对不同来源不同数据组织形式的空间信息进行有效管理和综合应用的难点。目前的空间数据已经不在是简单的图形数据，它还包括卫星遥感影像数据，数字地面模型数据等，空间数据的管理范围已经明显的扩大，同时在应用层次上，地理信息系统与其他专业系统及数据库也密切相关，这给当前空间数据共享带来了很大的困难。同时，随着地理信息系统应用的不断发展，在各个部门，存在着将本部门的专业系统与地理信息系统相结合的问题，同时不同部门之间的数据协作也变的日益重要，我们在处理某项工作的时候，往往需要不同部门之间的数据，例如城市的管道施工，它不仅需要城市道路数据库中的道路信息，城市管道数据库甚至考虑到交通受影响的情况，需要了解每天的道路交通数据，同时实施道路交通疏导措施等。这些工作的完成需要不同部门，不同空间数据库的协同工作，然而，由于这些不同空间数据库建立在不同的时期，或者适合于不同的部门行业等情况，往往存在很大的差异性，也就是我们说的异构性特点，主要体现在:
        
    1．1 数据内容与来源的差异性
    
    空间数据一般来说，目前主要是三种：
    
    地图数据 --它可能是扫描后以栅格形式存在或者经过输入设备矢量化后以矢量的形式存在，也可能是直接通过数字测量设备以数字的形式存在的。
    
    影像数据 -- 目前的来源主要有：航空摄影、卫星遥感等形式，一般这些数据都是以图象数据的形式存在，也就是说，一般都是以栅格数据的形式存放。
    
    地形数据 -- 这类数据一般用来描述地球表面起伏。存在的形式一般有三种：
    
        .等高线形式。 这是一种传统的地形描述方法
    
        .不规则三角网形式
    
        .格网形式
    
    另外，还可能有不规则三角网和格网混合形式
    
    1．2  空间数据模型的差异性
    
    不同的空间数据库在数据模型上可能也存在着比较大的差异，如有拓扑和无拓扑的空间数据模型，二维或三维空间数据模型，时空数据模型等不同的空间数据库模型等。
    
    1．3  支撑软件平台的差异性
    
    由于不同的原因，这些空间数据库在建立的时候采用了不同的地理信息系统软件系统，它们之间往往存在数据格式上的差异性，相同类型的数据建立起来的空间数据库也不相同。
  
    自从1962年加拿大人Roger Tomlinson 首先提出地理信息系统的概念，并且领导建立了世界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, 简单称呼为CGIS )以来，地理信息系统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：传统的地理信息系统是封闭的、孤立的系统，没有统一的标准，各自采用不同的数据格式、数据存储和数据处理方法；地理信息系统及其应用系统的开发都是基于具体、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。这样就使地理信息应用技术的发展潜力受到了很大的限制。
  
    随着现代信息社会的发展，每时每刻都有大量来源不明的地理数据产生，而要从中获得有用的信息就只能通过计算机来进行处理，特别是随着计算机网络的发展，Internet的出现及普及，越来越多的信息需要在不同软件中进行处理，并且能够在网络中实施发布。因此，如何使不同的地理信息系统软件能够迅速快捷地获取这些来源不同的数据，并将它们集成起来进行分析，如何使这些集成数据能够在不同的系统下相互可操作以及在异构分布数据库中获取所需要的数据信息就变得非常重要。
    
    信息共享已经成为现代信息社会发展的一个重要标志，而地理信息系统互操作的产生则是信息共享的必然产物，地理信息系统的互操作将成为21世纪地理信息系统研究领域的一个重要组成部分。
    
    2、空间数据共享的方法
    
    地理空间数据不同于一般的事务管理的数据，一般的事务数据或者说属性数据仅有几种固定的数据模型，而且一般关系数据库管理系统直接提供读写数据的函数，数据的转换问题比较简单。但是，地理空间数据之所以与之不同，是由于对空间现象的理解不同，对空间对象的定义、表达、存储方式亦不相同。因而，空间数据共享异常复杂。目前存在以下三种数据共享方式：
    
    2.1    外部数据交换
    
    每个GIS软件拥有自己的内部数据格式和数据存储方式，过去许多GIS软件也不向用户直接提供读写内部数据的函数。为了与其他软件进行数据转换，通常定义一种外部数据交换格式，如AutoCAD 的DXF、MGE的ASC Loader格式、ARC/INFO的EOO格式等等，这种数据格式一般是ASC码文件，用户通过阅读说明书可以直接读写这种外部数据文件，为已所用。然而，这些外部数据交换格式由各软件厂商自己定义，所包含的内容和表达方式不尽相同。
    
    空间数据转换的内容主要包括三个方面的信息，其一是空间定位信息（实体的坐标），其二是空间关系（如一条弧段的起结点、终结点、左多边形、右多边形等），其三是属性数据。由于每个GIS系统的数据结构和数据模型不完全相同，在空间数据转换过程中往往丢失，甚至得不到有关信息。一般情况下，空间目标的定位信息能够完整地进行转换。但是有些基于CAD的系统如AutoCAD和Microstation，它们可能包含数学曲线，如三点圆、圆弧、光滑曲线等，而GIS中又没有这些图形元素，所以在转换到GIS时，一般将它们内插成折线，这样难免会损失精度。转换过程中最容易丢失的信息是拓扑关系的信息和属性信息。如果数据模型基本一致，拓扑关系的信息在转换过程中丢失后，可以在数据转换后的系统中重构拓扑关系而得以恢复，但是数据结构不一样时，如MapInfo等软件没有拓扑关系，空间数据的转入和转出就不可能带有拓扑关系。对于属性数据，大部分GIS系统都能够进行转换，但用户经常用到的Auto CAD的外部数据交换文件DXF早期的版本不含有属性数据，此时要得到属性数据要通过其他途径。
    
    空间数据转换目前主要通过外部数据交换文件进行。大部分商用GIS软件定义了外部数据交换文件格式，一般为ASCⅡ码文件，如ARC/INFO的EOO，MapInfo的MID，Auto CAD的DXF，MGE的ASCⅡ Loader等。这样，系统之间的数据一般要通过2-3次的转换。如图1所示，从系统A的内部数据转换到系统B，可能经过2-3次转换。先从A的内部文件转到A的交换文件，如果B系统能够直接读A系统的交换文件，即转换两
    
    次即可。否则要从A的外部交换文件到B的外部交换文件，再从B的外部交换文件到B的内部文件，此时经过三次转换。

     图1  两个系统之间的空间数据转换

<IMG src="http://www.3scaigou.com/new/pic/jingpin/hcz1.jpg">    
    
    由于GIS系统很多，每一个系统都不可能提供直接读写所有商用GIS软件的外部数据文件的程序。为了更方便地进行空间数据交换，也为了尽量减少空间数据交换损失的信息，使之更加科学化和标准化，许多国家和国际组织制定了空间数据交换标准，如美国STDS，我国也制定了相应的空间数据交换格式（CNSDTF）标准。有了空间数据交换的标准格式以后，每个系统都提供读写这一标准格式空间数据的程序，可以避免大量编程工作，而且数据转换仅需要两次即可。如图2所示。从系统A的内部格式到标准的外部交换格式，再从标准的外部交换格式到系统B的内部文件仅需两次转换。而且它省去为每种GIS软件都编写一个数据交换程序的步骤。
    
    图2  通过标准格式进行两个系统的空间数据交换

<IMG src="http://www.3scaigou.com/new/pic/jingpin/hcz2.jpg">    
    
    世界上许多国家都制定了空间数据交换格式标准,但应用状况并不理想.一是数据模型不统一,空间数据转换往往丢失信息.二是国际上几个流行的GIS软件占领了国际上的主要市场,它们的外部数据转换格式往往成为参考标准.这样将造成少数软件进一步控制全球市场的局面,不利于GIS产业的发展.最近, 开放地理系统信息联盟(OGC, Open GIS Consortium)已经推出了一个基于Open GIS 的数据模型和XML的空间数据交换格式GML,而且将成为ISO/TC211的标准,得到了世界了许多国家和GIS软件厂商的支持,将可能成为国际上流行的空间数据交换格式标准,中国也可能采用或参考这一国际标准.
    
    2.2 地理信息系统互操作
    
    2．2．1 地理信息系统互操作的定义
    
    数据转换方法仅仅是从数据转换角度考虑共享，它是基于文件级的共享, 仅能用于数据的集成，不能达到要素级的实时共享，因此还不能达到真正的互操作。地理信息系统互操作是在异构数据库和分布计算的情况下出现的。对系统来说，系统要能够彼此实时安全地获取和处理对方异构数据库中的数据；对用户而言，用户能够方便地查询到所需要的信息，并且能够方便地使用各种不同类型和格式的数据；对信息管理者来说，他们要能够很好地管理信息，并且将资源充分地提供给用户。
    
    在地理信息系统领域，对互操作仍然具有不同的理解。在《计算机辞典》中，将互操作定义为两个或者多个系统交换信息并相互使用已交换信息的能力，即指一个系统接收和处理另一软件系统发送信息的能力，它反映了一个系统是否易于与其它软件系统快速连接，它是衡量软件质量的一个重要指标。
    
    UCGIS (1996) 则认为互操作通常指自底向上将已有系统和应用集成在一起，它不是简单地集成而是系统地组合，它需要多种DBMS和应用程序的支撑。
    
    ISO/TC211认为如果两个实体X和Y能够相互操作，则X和Y对处理的请求Ri具有共同的理解，并且如果X向Y提出处理请求Ri, Y能够对Ri作出正确的反应，并且将结果Si返回给X.
    
    OGIS互操作性的定义是指系统或者系统的构件的可扩展性，以及互相应用和协作处理的能力。
    
    由此看出，互操作性强调将具有不同数据结构和数据格式的软件系统集成在一起共同工作。实际上，地理信息系统互操作在不同的情况下具有不同的侧重点，强调软件功能块之间相互调用时候称为软件的互操作；强调数据集之间的相互透明地访问时候称为数据的互操作；强调信息的共享，在一定语义约束下的互相操作称为语义的互操作；等等。一般的，地理信息系统互操作是指不同应用(包括软件硬件)之间能够动态地相互调用，并且不同数据集之间有一个稳定的接口。
    
    2．2．2  地理信息系统互操作的层次
    
    Y.A.Bishr(1997)、Buehler和Mckee(1996) 以及Voisard and Schweppe(1998)都描述了地理信息系统互操作的层次结构。Y.A.Bishr 从网络设计者、操作系统设计者、软件应用工程师、用户以及企业等角度来分析，将地理信息系统互相操作分为六个层次:网络协议、文件系统、远程过程调用、查询和获取数据、地理信息系统以及信息群。
    
    Buehler 将地理信息系统互操作分为8个层次:网络、分布计算环境、数据存储、中间件、工具、企业和信息群。可以看出，两种划分尽管具有不同的层次，但本质上是相似的，都可以将它们归纳到技术、应用和企业这三个不同的层次上。
    
    从应用的角度出发，地理信息系统互操作应当强调在语义层次上的互操作。
    
    数据库和地理信息系统层实现不同系统之间数据上的互操作。但是地理信息系统的互操作不仅仅是数据的互操作，更应该是语义及含义上的互相操作，即客户对数据和处理资源方法的访问是实时的，并且所获得的结果是可以预测的。
    
    企业层是地理信息系统中最高层次的互操作，实际上也就是我们通常所称的信息共享。它包括企业之间和部门之间在互联网上的互相操作，涉及政策、法规、经济因素。
    
    2.3空间数据共享平台
    
    第三种模式是所有相关的应用部门都采用一个空间数据库管理系统.在一个部门内采用Client/Server体系结构，该部门所有的空间数据及各个应用软件模块都共享一个平台。所有的数据都存在Server上，各个应用软件都是一个Client端的程序，通过这一平台向 Server中存取数据。这种结构的优点是：任何一个应用程序所作的数据更新都及时地反映在数据库中，避免了数据的不一致性问题。
    
    这是一种最好的空间数据共享方式，但是目前实现起来比较困难。现在市场上有许多GIS软件，谁也不愿意丢掉自己的底层，而采用一个公共的平台。只有发展到某一个软件的底层空间数据库管理系统绝对优于其它系统，而这一Server又管理着大量的基础地理数据时才有可能做到共享平台。所以，当前我们要重点研究空间数据互操作技术。
    
    3.地理信息系统互操作的方法
    
    3.1 基于直接数据访问模式的互操作方法
    
    直接数据访问是指在一个GIS软件中实现对其他软件数据格式的直接访问，用户可以使用单个GIS软件存取多种数据格式。直接数据访问不仅避免了繁琐的数据转换，而且在一个GIS软件中访问某种软件的数据格式不再要求用户拥有该数据格式的宿主软件，更不需要该软件运行。直接数据访问提供了一种更为经济实用的多源数据共享模式。
    
    直接数据访问同样要建立在对要访问的数据格式的充分了解的基础上，如果要被访问的数据的格式不公开，就非破译该格式不可，还要保证破译正确，这样才能真正与该格式的宿主软件实现数据共享。如果宿主软件数据格式发生变化，各数据集成软件不得不重新研究该宿主
    
    软件数据格式，提供升级版本，而宿主软件的数据格式发生变化时往往不对外声明，这会导致其他数据集成软件对于这种GIS软件数据格式的数据处理必定存在滞后性。如果要达到每个GIS软件都要与其它GIS中的空间数据库进行互操作的目的,需要为每个GIS软件开发读写不同GIS空间数据库的接口函数,这一工作量是很大的. 如果能够得到读写其他GIS空间数据库的API函数,则可以直接用API函数读取GIS数据库中的数据,减少开发工作量. 直接数据访问互操作模式如图3所示.
          
    图3 基于直接数据访问的互操作方法

<IMG src="http://www.3scaigou.com/new/pic/jingpin/hcz3.jpg">    

    3.2 基于开放地理信息系统的互操作方法
    
    为了使不同的地理信息系统之间能够实现互操作，一种最理想的方法是通过公共接口来实现。接口相当于一种规范(Specification)，它是大家都遵守并且达成一致的统一标准。在接口中不仅仅要考虑到数据格式、数据处理，还要提供对数据处理应该采用的协议。各个系统通过公共的接口相互联系，而且允许各自系统内部数据结构和数据处理可以互为不同。
    
    为了规范地理信息系统互操作的方法、模式与协议,1996年在美国成立了开放地理信息系统联盟(OGC, OGIS Consortium),现在有几十个国家的200多个成员，包括软件技术公司、硬件技术公司、政府机构、大学以及重点实验室、企业集成系统、销售商、图象信息产品制造商等。开放地理信息系统联盟主要研究和建立了开放式地理数据互操作规范(OGIS, Open Geodata Interoperability Specification)。
    
    OGIS是为了寻找一种方式，将地理信息系统技术、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加有效地结合起来。换句话说，它主要是在传统地理信息系统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信息资源完全集成到主流计算中，并且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的规范及实现规范的技术手段，并且通过体系结构，应用开发者提供OGIS的地理数据处理的开发工具、中间件、软件构件；并且将已有的工具和数据库实施封装，使得用户能在一种分布及协作的方式下方便地获得地理数据和地理数据处理服务，以及其它地理应用，完成具体的应用任务。其特点：
    
        .它是一种统一的规范，使用户和开发者能够进行互操作。
    
        .它能克服繁琐的批处理以及导入/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。
    
        .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具有下列的应用：
  
        .它能为应用开发人员提供标准，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缝地集成在一起，满足用户的请求。
    
        .它能在不同平台上传送数据并进行处理。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，它能使用户很方便地使用不同类型和格式的数据，实时获取大量的数据，并且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能使用不同类型和格式的地理数据，而不需要考虑这些类型和格式的具体细节。
    
    3．2 .1 开放式地理数据互操作规范(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中的规范是在更高一级上的抽象，它独立于具体的分布平台、操作系统以及程序设计语言，使软件开发者建立的地学应用软件能在当今任何分布计算平台(DCPS)下互操作。
    
    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(Information Comunities Model)
    
    (1)  开放式地理数据模型(OGM)
    
    a.    对现实世界的抽象方法
    
    在OGIS中，将现实世界中所有地理元素抽象为实体和现象，其中实体是指可以识别的、离散的对象，并且将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，它只有和某一固定点或某一时间相关联，通过现象的值才有意义。在OGIS中的基本对象是地物要素（Feature）和层（Coverage）。要素是对现实世界中实体的抽象或者描述，它具有空间域、时间域、或者时空域，它包括用时间和空间确定的几乎所有的内容，如桌子，建筑物。要素是通过要素集合来管理的。层是由一个时空域中相关联的点组成的。
    
    b. 要素和层之间的关系
    
    要素和层是观察地理数据的两种不同的方式，大多数数据都可以用这两种形式来表示，但是要素侧重于实体的范围、语义、几何属性，而层侧重于每一个点的值。层是从要素中产生出来的，它具有要素的所有特性，要素可以递归定义，即几个不同要素和层能组成另外一个要素。
    
    c. 几何体--OGM中可以支持的对象。由于地理信息系统中多数为空间数据，因此它必须有时间域、空间域。
    
    d. 时空参考系统：几何体属性是用来描述几何体的要素，如位置、精度等。在OGIS中，如何为几何体在现实世界中进行定位？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没有意义的。
    
    e. 语义要素--OGIS要素的属性以及属性集 要素主要是通过属性集来描述的，它包括几何属性和语义属性，语义属性是对要素的解释和理解，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。
    
    f. 元数据-- OGIS中要素和要素集的要素    元数据是要素以及要素集的要素。简单的说，它是要素或者要素集中属性的子集。它将该要素或者要素集中特殊的、与众不同的属性抽出来，并且对它们进行描述。
    
    (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。随着社会的进步以及网络技术的发展，不同的信息部门之间越来越需要能够共享信息。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。它采用的主要方法是语义转换，目的是使具有不同要素类定义以及语义模式的信息用户群之间实现语义的互相操作。
    
    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要素集。它包括要素集的索引表、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站点或者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，并且通过在对每个描述数据的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。如果部门B中用户1想共享部门A中用户2的信息，则：首先，用户1通过Trader,发现所要的信息可能在信息部门A 中，并通过A的目录，确认这些信息在A中；其次，找到所要信息在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A中所需要的信息转换为B中的信息，这样，用户1便能使用用户2的信息。
    
    (3) GIS 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，由一组互操作的软件构件集组成，为对要素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。具体的说，它具有以下几个方面的功能：
    
        .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，查询数据以及将共享的数据编制成目录。
    
        .提供了一种机制，通过它能定义和建立信息群以及建立它们之间的联系。
    
        .提供了一种手段，使其能够对OGM定义的数据类型，用户定义数据类型以及其它的功能进行操作。
    
    地理信息系统服务模型中的主要组成为:
    
    A. 要素实例的建立过程
    
    为了建立要素实例，在OGIS 服务模型中引入了两个概念：要素模式和要素注册。
    
    要素模式定义了要素类中属性集的所有方面，包括几何体构件（含有相关的时空参考系统）、语义构件和描述数据。也就是说，要素属性集的所有内容都在要素模式中进行了一般性的描述，如名称、类型和定义等。
    
    要素注册是指存放要素模式的构件。所有需要共享和使用的要素都要在要素注册中注册，它是要素的加工厂，通过它能建立要素。具体的建立过程如下：
    
        a.根据特定目的，从要素注册中选择要素模式
    
        b.根据要素模式，通过输入的具体值得到要素的属性集
    
        c.根据要素名和属性集，就可以建立要素的一个实例，同时给它一个表识号。
  
    B．获取地理数据的方法
    
    在前面对信息群模型描述中提到了目录，它是一种索引机制，通过它能找到所需要的数据。由于在分布式数据库管理中处理数据的最小单元是要素，因此，目录的结构是树状的，最低层为要素，通过以上这种层次就能找到所需要的地理数据。
    
    C. 时空参考系统获取和转换
    
    在一个信息部门中是通过时空参考系统来转换和解释几何体的，一般在以下几种情况需要进行转换：
      
        .用户需要改变时空参考系统
      
        .理解和几何坐标有关的要素
    
        .共享使用不同时空参考系统的信息
    
        .使用不同参数集的时空参考系统。
    
    因此，时空参考系统必须按照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要素的机制。
    
        a. 时空参考系统的获取
        
        类似于要素定义，时空参考系统的定义也包括名称、模式以及参数，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要的时空参考系统。
        
        b. 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要素及其时空参考系统、目标要素及其时空参考系统，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。
    D．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。它主要包括源要素及其要素模式、目标要素及其要素模式、以及要素转换器等。它具有定义、插入、获取、删除和寻找转换等功能。语义转换器包括源要素模式、目标要素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要素和目标要素。
    
    除了上述部分外，OGIS服务模型中对数据类型、操作等也将进行注册，还具有专门的查询机制完成查询功能。
    
    4、开放地理信息系统实现技术
    
    GC为空间数据互操作制定了统一的规范，从而使得一个系统同时支持不同的空间数据格式成为可能。根据OGC颁布的规范，可以把提供数据源的软件称为数据服务器（Data Servers），把使用数据的软件称为数据客户（Data Clients），数据客户使用某种数据的过程就是发出数据请求，由数据服务器提供服务的过程，其最终目的是使数据客户能够读取任意数据服务器提供的空间数据。OGC规范基于OMG的CORBA、Microsoft的OLE/COM以及SQL等，为实现不同平台间服务器和客户端之间数据请求和服务提供了统一的协议。OGC规范正得到OMG和ISO的承认，从而逐渐成为一种国际标准，将被越来越多的GIS软件以及研究者所接受和采纳。
    
    诺乩硇畔⑾低沉?舜?994年开始，已经为制定开放地理数据互操作规范OGIS（Open GIS Interoperability Specification）进行了大量的研究，制定了一系列规范，包括抽象规范和实现规范。
    
    抽象规范是指对空间对象、地物要素及其特征与关系，空间数据库，数据操纵与分发服务进行规范化描述的协议。有了统一空间数据的规范化描述标准，人们即可根据不同的技术实现相应的规范。OGIS抽象规范涉及面很广，包括地理几何要素、要素集、OGIS要素、要素之间的关系、空间参考系统、定位几何结构、存储函数和插值、覆盖类型及地球影像等17个抽象规范。
    
    OGC并在抽象规范的基础上已制定了11个实现规范，包括基于OLE/COM的简单要素实现规范，基于CORBA的简单要素实现规范，基于SQL的简单要素实现规范，目录服务实现规范，Grid实现规范，坐标变换实现规范，Web map服务实现规范和GML实现规范，基于Web的Coverage服务规范，基于Web地物要素的服务规范等。除上述规范外,目前仍在制定大量实现规范.
    
    对于分布式环境下异构空间数据库的互操作而言，实现规范实际上分为两个层次：
    
    第一个层次是基于COM或CORBA的API函数的或SQL的接口规范.通过制定统一的接口函数形式及参数，不同的GIS软件之间可以直接读取对方的数据。它有两种实现可能，一种是GIS软件的数据操纵接口直接采用标准化的接口函数，另一情况是某个GIS软件已经定义了自己的数据操纵函数接口，为了实现互操作的目的，在自己内部数据操纵函数的基础上，包装一个标准化的接口函数，亦可实现异构数据库互操作的目的。基于API函数的接口是二进制的接口,效率高,但安全性差,并且实现困难.基于API函数的空间数据互操作规范接口关系如图4所示。
    
    图4 基于公共API函数空间数据互操作的接口关系

<IMG src="http://www.3scaigou.com/new/pic/jingpin/hcz4.jpg">    

    如果采用CORBA或Java Bean的中间件技术, 基于公共API函数可以在因特网上实现互操作，而且容易实现三层体系结构或多层体系结构。它的实现方法与前面类似。但它增加了一个中间件，如图5所示。
  
    图5 基于CORBA或J2EE体系结构的空间数据互操作的接口关系
    
<IMG src="http://www.3scaigou.com/new/pic/jingpin/hcz5.jpg">        
    
    第二个层次是基于http(Web)XML的空间数据互操作实现规范。它是关于数据流的规范，与函数接口的形式和软件的组件接口无关。它遵循空间数据共享模型和空间对象的定义规范，即可用XML语言描述空间对象的定义及具体表达形式，不同GIS软件进行数据共享与操作时，将系统内部的空间数据转换为公共接口描述规范的数据流（数据流的格式为ASC II码），另一系统读取这一数据流进入主系统并进行显示。基于XML的互操作规范的实现方法可能有两种形式，一种是将一个数据集全部转换为XML语言描述的数据格式，其它系统可以根据定义的规范读取这一数据集导入内部系统。这种方式类似于用空间数据转换标准进行数据集的转换。另一种形式是实时读写转换，由XML语言或采用SOAP协议引导和启动空间数据读写与查询的组件，从空间数据库管理系统中实时读取空间对象，并将数据转换为用XML语言定义的公共接口描述规范的数据流，其它系统可以获取对象数据并进行实时查询，可以达到实时在线数据共享与互操作的目的。基于XML互操作规范接口的数据流是文本的ASC II,容易理解和实现跨硬件和软件平台的互操作. 它可以用于空间信息分发服务和空间信息移动服务等许多方面.目前基于http(Web)XML的空间数据互操作是一个很热门的研究方向,涉及的概念很多,主要包括Web服务的相关技术。基于XML的空间数据互操作实现规范如图6所示。
    
    图6 基于XML的空间数据互操作实现方法

<IMG src="http://www.3scaigou.com/new/pic/jingpin/hcz6.jpg">    

    以上两种空间数据互操作模式，基于API函数的互操作效率是较高的，基于XML的互操作适应性是最广的，但是效率可能是较低的。基于API函数的互操作系统往往用于部门级的局域网中,而基于XML的互操作系统一般用于跨部门跨行业跨地区的互联网中。
    
    前面所述的方法主要针对空间数据共享与互操作。地理信息系统互操作的含义还包括GIS功能的互操作，即A系统的某一项功能函数可以被B系统调用，或一个应用系统可以同时调用A系统的一部分功能函数和B系统的一部分功能函数，并能使它们协调工作。例如某一个项目要进行缓冲区分析，人们可以调用GeoStar中产生缓冲区的组件建立某一公路的缓冲带，然后调用ARC/INFO的叠置分析组件，将缓冲带与土地利用图叠置，获得新修公路所要征收的土地及类型。实现这一任务，需要采用GIS功能互操作的技术，并制定相应的规范。实现的方法与前面所述的两种模式相似。当前OGC正在制定地理信息的Web Service规范，不仅要达到空间数据的共享服务，而且要达到地理信息应用功能模块的共享服务。
    
    5. 结论
    
    空间数据共享已经成为许多部门、行业、城市、地区建立信息系统的首要问题。目前的技术已逐渐成熟，并且已分布了大量标准，特别是基于WEB服务的空间数据共享与互操作标准受到了空前的重视，相信不久它将会成为广泛支持与应用技术标准。