地學(xué)多源數(shù)據(jù)集成方法分析與應(yīng)用

劉英才 ，路來君 付俊 ，汪 巖 ，張廣宇 ，那福超

（1.吉林大學(xué)，吉林長春130061；

2.沈陽地質(zhì)礦產(chǎn)研究所/中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧沈陽110034）

1 概述

從20世紀60年代末世界上第一個地理信息系統(tǒng)——加拿大地理信息系統(tǒng)（CGIS）誕生［1］，到21世紀國內(nèi)GIS軟件行業(yè)的蓬勃興起，經(jīng)過40多年的發(fā)展，經(jīng)歷了專家應(yīng)用階段和企業(yè)應(yīng)用階段，現(xiàn)今正向著三維地理信息系統(tǒng)（3D GIS）、網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)（WebGIS）、開放式地理信息系統(tǒng)（OpenGIS）等社會化GIS時代的幾個重點方向發(fā)展.隨著GIS系統(tǒng)在社會多領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，需要集成多種數(shù)據(jù)源以及不同格式的數(shù)據(jù)才能完成GIS應(yīng)用，所以多源數(shù)據(jù)集成方法就成為實現(xiàn)GIS應(yīng)用的關(guān)鍵性技術(shù).

不同的GIS軟件都有各自不同的數(shù)據(jù)格式，導(dǎo)致了空間數(shù)據(jù)異構(gòu)性的產(chǎn)生.從廣義上講，多源空間數(shù)據(jù)可以包括多數(shù)據(jù)來源、多數(shù)據(jù)格式、多時空數(shù)據(jù)、多比例尺（多精度）、多語義性幾個層次［2］.從狹義上講，多源空間數(shù)據(jù)主要是指數(shù)據(jù)格式的多樣式，包括不同數(shù)據(jù)源的不同格式及不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)存儲格式的差異［3］.隨著地學(xué)信息資源的不斷積累、信息技術(shù)的發(fā)展、信息化的程度越來越高，依據(jù)信息進行決策的程度也越來越高.基于地質(zhì)行業(yè)標準和社會實際應(yīng)用為目的的多源數(shù)據(jù)信息的集成開發(fā)和利用將是推進國家地質(zhì)工作不斷前進的動力，是更好地為地調(diào)科研和社會大眾服務(wù)的保障.

2 地學(xué)多源數(shù)據(jù)的形成

地學(xué)數(shù)據(jù)是地調(diào)成果資料的匯總和集成，是地質(zhì)調(diào)查信息化建設(shè)的重要體現(xiàn).經(jīng)過多年的數(shù)據(jù)積累產(chǎn)生的已有數(shù)據(jù)存在多源、異構(gòu)、多時空、多尺度、不同坐標系等復(fù)雜多樣性問題，導(dǎo)致了多源空間數(shù)據(jù)的產(chǎn)生.

（1）多源性：地學(xué)數(shù)據(jù)采集方式不同，包括來自采集系統(tǒng)、圖表、遙感、GPS、掌上機等手段；數(shù)據(jù)存儲格式不同，不同的GIS軟件采取不同的文件存儲格式；另外還包括與地質(zhì)實體相關(guān)的屬性信息等，采用不同的技術(shù)要求.

（2）異構(gòu)性：數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)不一致，采用的規(guī)范標準不同.各專業(yè)標準間協(xié)調(diào)性差，各行其是，造成數(shù)據(jù)標準的多樣性，不利于使用.

（3）多時空性：地學(xué)數(shù)據(jù)源既有同一時間不同空間的數(shù)據(jù)系列，也有同一空間不同時間序列的數(shù)據(jù)，不同時期建立的數(shù)據(jù)源受當時技術(shù)條件和認知水平的影響，表達的信息量不盡相同.

（4）多尺度性：對地理現(xiàn)象和過程及過程時空特征的認知通過地學(xué)空間數(shù)據(jù)來表達，使得空間數(shù)據(jù)具有空間維和時間維，而從尺度角度來描述，則對應(yīng)著空間尺度［4］.空間數(shù)據(jù)的空間尺度通過比例尺來表達，目前常用的地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫的尺度就有1∶5萬、1∶20萬、1∶25萬、1∶50萬等，不同比例尺代表著不同的數(shù)據(jù)精度.

（5）不同坐標系：不同來源的空間數(shù)據(jù)有著不同的坐標系和不同的投影方式.常使用地理坐標系和投影坐標系：我國地形圖和地質(zhì)圖大多采用北京54坐標系或者西安80坐標系，而GPS采集的信息是WGS84坐標系，這些都是地理坐標系；平時經(jīng)常用到的投影坐標系有高斯-克呂格投影坐標系和蘭伯特投影坐標系.

地學(xué)空間數(shù)據(jù)集成的目的是為了實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)源、不同GIS應(yīng)用系統(tǒng)、不同操作系統(tǒng)和平臺之間無損的數(shù)據(jù)共享，應(yīng)該具備簡單、透明、開放、有效等特征.在統(tǒng)一標準和運行模式下，在國家級信息服務(wù)框架中，加強數(shù)據(jù)庫管理與應(yīng)用研究，建立基礎(chǔ)地學(xué)數(shù)據(jù)庫集成管理體系，提高數(shù)據(jù)二次開發(fā)利用和開放式社會化服務(wù)水平.

3 幾種數(shù)據(jù)集成方法

集成（Integration）是指通過結(jié)合分散的部分形成一個整體［5］.從邏輯上分析，數(shù)據(jù)集成指不同來源、格式、特征的地學(xué)數(shù)據(jù)邏輯上或物理上的有機集中.有機是指數(shù)據(jù)集成時充分考慮了數(shù)據(jù)的空間、時間和屬性特征，以及數(shù)據(jù)自身及其表達的地理特征和過程的準確性［6］.空間數(shù)據(jù)集成技術(shù)主要有3種方法：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)互操作、直接訪問.

3.1 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換法

數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換是最基本的空間數(shù)據(jù)集成方式，也是GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成的主要辦法.它是不同GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式之間的直接轉(zhuǎn)換，比如從ArcView的Shape格式轉(zhuǎn)換為MapGIS的數(shù)據(jù)格式，這種方式不僅會導(dǎo)致信息損失，而且只有在詳細掌握對方數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的前提下才能實現(xiàn).

3.2 數(shù)據(jù)互操作法

數(shù)據(jù)互操作模式是OpenGISConsortium（OGC）制定的數(shù)據(jù)共享規(guī)范.GIS互操作是指在異構(gòu)數(shù)據(jù)庫和分布計算的情況下，GIS用戶在相互理解的基礎(chǔ)上,能透明地獲取所需的信息［7］.采用空間數(shù)據(jù)交換格式標準作為中介實現(xiàn)不同GIS之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換.國際標準化組織（ISO）和OGC推出的GML數(shù)據(jù)格式，可以作為空間數(shù)據(jù)交換格式的標準，但這些數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換標準一般都很復(fù)雜，需要投入較大資金和精力去支持和維護.

3.3 直接訪問法

基于直接訪問的數(shù)據(jù)集成是一個GIS系統(tǒng)直接讀取多個數(shù)據(jù)源不同格式的數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的繁瑣過程，提供了一種較為經(jīng)濟實用的數(shù)據(jù)互操作模式.它將GIS帶入了開放式的時代，從而為空間數(shù)據(jù)集中式管理和分布存儲與共享提供了操作的依據(jù).直接訪問數(shù)據(jù)的前提是要充分了解數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)模型，如果某個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)不公開，直接訪問其數(shù)據(jù)就比較困難.

4 多源數(shù)據(jù)集成方法應(yīng)用

4.1 基礎(chǔ)GIS系統(tǒng)的選擇

在通用商業(yè)GIS軟件中，ArcGIS和MapGIS占據(jù)國內(nèi)的主要GIS軟件市場.從MapGIS 7.0以后的產(chǎn)品，提供了完善的空間數(shù)據(jù)倉庫解決方案，實現(xiàn)了強大的多源異構(gòu)的空間數(shù)據(jù)管理功能.

MapGISK9采用地理數(shù)據(jù)庫（GDB）管理空間和非空間數(shù)據(jù)，GDB企業(yè)管理器是面向?qū)嶓w空間數(shù)據(jù)模型的全局視圖，完整、一致地表達了被描述區(qū)域的地理模型.一個地理數(shù)據(jù)庫包括1個全局的空間參照系、1個域集、1個規(guī)則集、多個數(shù)據(jù)集、多個數(shù)據(jù)包和各種對象類.因此通過該管理器可以很好地對地質(zhì)圖數(shù)據(jù)進行管理，可以創(chuàng)建空間要素數(shù)據(jù)集合，包括要素類、對象類、注記類、關(guān)系類、CAD類、簡單要素類等.非空間數(shù)據(jù)集合包括Excel表、Access表、txt文本等.平臺采用中間件的方式支持在MapGIS平臺下對異構(gòu)數(shù)據(jù)的瀏覽和更新.

4.2 數(shù)據(jù)中間件

動態(tài)投影技術(shù)、中間件技術(shù)和分布式管理技術(shù)實現(xiàn)了不同空間參考和不同格式數(shù)據(jù)間的邏輯拼接和疊置，使用戶能在統(tǒng)一的空間參考和同一個系統(tǒng)操作界面上訪問多個物理數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)［8］.中間件是一種獨立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序，分布式應(yīng)用軟件借助這種軟件在不同的技術(shù)之間共享資源，中間件位于客戶機服務(wù)器的操作系統(tǒng)上，管理計算機資源和網(wǎng)絡(luò)通訊［9］.

在傳統(tǒng)的二層體系結(jié)構(gòu)下，一般客戶端是從數(shù)據(jù)庫直接讀取所需要的數(shù)據(jù)，而在三層體系結(jié)構(gòu)下，數(shù)據(jù)中間件是聯(lián)系客戶端和數(shù)據(jù)庫的中介，客戶端應(yīng)用程序不再直接訪問數(shù)據(jù)庫，而是訪問中間件，中間件再訪問數(shù)據(jù)庫進而傳回訪問的數(shù)據(jù)給客戶端顯示.它實際上就是空間數(shù)據(jù)引擎（Spatial-data Engine），具有統(tǒng)一的接口，封裝成動態(tài)連接庫（Dynamic Linking Library）.在GIS軟件啟動時自動搜索，動態(tài)調(diào)入并注冊.

中間件就是MapGIS平臺和異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的橋梁.根據(jù)MapGISK9平臺的實際應(yīng)用背景，將MapGISK9中間件劃分為兩類：數(shù)據(jù)中間件和功能中間件.數(shù)據(jù)中間件提供應(yīng)用程序直接訪問多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的途徑，從而達到在MapGISK9平臺上整合數(shù)據(jù)資源目的.功能中間件包括：ArcGIS中間件、ArcSDE中間件、VCT中間件、MapInfo中間件、AutoCAD中間件、Oracle中間件及OGR中間件.

4.3 地學(xué)數(shù)據(jù)集成

空間數(shù)據(jù)、集成GIS軟件及集成規(guī)則是地學(xué)數(shù)據(jù)集成的3個必備條件.空間數(shù)據(jù)是集成的對象；軟件是可以處理空間特征、屬性特征及其之間關(guān)聯(lián)的通用或?qū)Ｓ肎IS軟件；集成規(guī)則是進行數(shù)據(jù)集成的依據(jù).地學(xué)數(shù)據(jù)庫按照“地學(xué)數(shù)據(jù)庫—數(shù)據(jù)集—類”這幾個層次進行數(shù)據(jù)組織（詳見圖1），數(shù)據(jù)集成軟件采用地質(zhì)行業(yè)通用MapGIS系統(tǒng)，通過平臺支持異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的功能，對地學(xué)空間數(shù)據(jù)進行集成管理（詳見圖2）.

規(guī)則集包括4種類型的規(guī)則：屬性規(guī)則、連接規(guī)則、關(guān)系規(guī)則、拓撲規(guī)則.為地學(xué)數(shù)據(jù)庫建立空間拓撲規(guī)則，用靈活的方式來確定和維護空間數(shù)據(jù)的質(zhì)量和完整性.拓撲是用來描述空間實體的鄰接，連通，鄰近和重疊關(guān)系.它的實現(xiàn)依賴于一組完整性規(guī)則，定義了空間相關(guān)的地理要素和要素類的行為.拓撲規(guī)則包括3種：點拓撲規(guī)則，線拓撲規(guī)則，多邊形拓撲規(guī)則.通過規(guī)則創(chuàng)建向?qū)Э梢越⒉煌狞c、線、面拓撲規(guī)則，具體操作見圖3所示.

圖1 地學(xué)數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structureofgeologicaldata

圖2 地學(xué)數(shù)據(jù)庫集成管理Fig.2 The integratedmanagementofgeologicaldatabase

圖3 多邊形拓撲規(guī)則的建立Fig.3 The creation ofpolygon topological rules

通過專業(yè)GIS軟件平臺，集成空間數(shù)據(jù)（點、線、面）和外部數(shù)據(jù)集.首先，建立地學(xué)數(shù)據(jù)庫，并添加1∶5萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫，并導(dǎo)入外部表格數(shù)據(jù)，表格數(shù)據(jù)屬于一種特殊的類——對象類，它沒有空間特征，是可關(guān)聯(lián)某種特定行為的表記錄.同時也可導(dǎo)入其它類型空間數(shù)據(jù)或關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了同時管理地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫和地質(zhì)工作程度等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的功能，多源數(shù)據(jù)集成顯示效果如圖4所示.同理，可集成mif、e00、shp、dxf等多種數(shù)據(jù)源，從而在數(shù)據(jù)無損的情況下，進行多類型數(shù)據(jù)的集中管理.

圖4 地學(xué)多源數(shù)據(jù)顯示效果Fig.4 The display ofmulti-source geologicaldata

5 結(jié)束語

經(jīng)過了十幾年的地質(zhì)調(diào)查信息化建設(shè)，取得了一定的數(shù)據(jù)成果，同時也發(fā)現(xiàn)了許多不足的地方，如何科學(xué)的管理數(shù)據(jù)，如何有效開發(fā)應(yīng)用，是今后工作的方向和重點，以需求為導(dǎo)向，采用數(shù)據(jù)集成等新方法和新技術(shù)，更好地提高地質(zhì)信息的利用效率和效能，充分發(fā)揮地質(zhì)調(diào)查信息社會化應(yīng)用的作用.

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