云GIS環(huán)境下分布式空間數(shù)據(jù)集成技術(shù)研究

孫玉梅　 邊占新　 高立友

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院　 河北石家莊　050014）

云GIS環(huán)境下分布式空間數(shù)據(jù)集成技術(shù)研究

孫玉梅 邊占新 高立友

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北石家莊050014）

云GIS環(huán)境下，利用空間數(shù)據(jù)的首要問題是解決分布式多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的集成問題。云計(jì)算環(huán)境下，空間數(shù)據(jù)通過Web Service的形式實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、同構(gòu)化，為進(jìn)一步集成應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，而OGC Web Service（OWS）的空間數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范被廣泛認(rèn)可和使用。首先研究了基于OWS空間數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范的空間數(shù)據(jù)源模式；然后設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于OWS空間數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范的空間數(shù)據(jù)集成，包括WFS空間數(shù)據(jù)服務(wù)的集成模式設(shè)計(jì)、集成數(shù)據(jù)分片條件判斷、集成模式構(gòu)建以及集成算法的實(shí)現(xiàn)；最后以河北省某市2個(gè)縣的土地利用數(shù)據(jù)為例實(shí)現(xiàn)了云計(jì)算環(huán)境下基于OWS服務(wù)的分布式空間數(shù)據(jù)區(qū)域集成和專題集成。

云GI OGC OWS 分布 集成

1　引言

空間數(shù)據(jù)的來源非常豐富，包括各種類型的空間數(shù)據(jù)，如遙感影像數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)和各種屬性數(shù)據(jù)等；不同的GIS軟件如ArcGIS、MapGIS、Supermap、MapInfo等造成形式各異的數(shù)據(jù)格式；再者由于體制、技術(shù)等多方面的原因，存放大量空間數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)之間相互隔離，無法共享數(shù)據(jù)，形成了空間數(shù)據(jù)多源、異構(gòu)和分布的特點(diǎn)。而隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，全球氣候變化、資源調(diào)查、抗震減災(zāi)等跨地域、跨部門、跨系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用需求越來越迫切，空間數(shù)據(jù)的多源、異構(gòu)、分布的特性與其集成化應(yīng)用之間的矛盾不斷加大。

隨著基于Web 應(yīng)用的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷豐富，并行計(jì)算、分布式計(jì)算[1]、虛擬化等技術(shù)的成熟與廣泛應(yīng)用，云計(jì)算技術(shù)已經(jīng)成為IT 技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)[2]。云GIS環(huán)境下，利用空間數(shù)據(jù)的首要問題是解決分布式多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的集成問題[3]。目前被廣泛認(rèn)可的一種方法就是采用基于OGC Web Service（OWS）的空間數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范實(shí)現(xiàn)異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的集成。OWS空間數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范主要從兩個(gè)方面解決了空間數(shù)據(jù)的異構(gòu)問題[4]：一是基于XML的空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一描述模型語言GML；二是基于SP（Service Provider）的空間數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)一接口。OWS空間數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范主要包括網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)規(guī)范（Web Feature Service，WFS）[5]和網(wǎng)絡(luò)覆蓋服務(wù)規(guī)范（Web Coverage Service，WCS）[6]，經(jīng)過多年的實(shí)踐和改進(jìn)，已經(jīng)得到了GIS領(lǐng)域軟件和服務(wù)提供商的廣泛支持，并成為事實(shí)上的空間數(shù)據(jù)Web發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)[7]。如何利用OWS規(guī)范具體實(shí)現(xiàn)分布式空間數(shù)據(jù)集成是需要重點(diǎn)解決的問題。

2　云計(jì)算環(huán)境下基于OWS空間數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范的空間數(shù)據(jù)源模式構(gòu)建

云計(jì)算環(huán)境下分布式空間數(shù)據(jù)集成的核心是在將分布在網(wǎng)絡(luò)上不同節(jié)點(diǎn)的空間數(shù)據(jù)以邏輯上一致的全局?jǐn)?shù)據(jù)視圖提供給用戶。這些本地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的空間數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)源，其數(shù)據(jù)構(gòu)成和邏輯結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源模式；對(duì)應(yīng)地，在集成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的邏輯一致的全局?jǐn)?shù)據(jù)視圖是集成模式?？臻g數(shù)據(jù)集成機(jī)制研究的目標(biāo)就是如何將各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上具有不同邏輯和物理結(jié)構(gòu)的本地空間數(shù)據(jù)以邏輯統(tǒng)一的模式呈現(xiàn)給用戶。

對(duì)于空間數(shù)據(jù)文件或空間數(shù)據(jù)庫通常可以直接獲得空間數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)信息，而對(duì)于空間數(shù)據(jù)服務(wù)則需要在了解其數(shù)據(jù)查詢接口、操作支持和參數(shù)含義的基礎(chǔ)上才能獲得其提供的空間數(shù)據(jù)源模式。

OGC規(guī)范規(guī)定每個(gè)OWS（OGC Web Service）都必須具備通過GetCapabilities操作返回描述其自身服務(wù)元數(shù)據(jù)的能力，所以通過GetCapabilities操作獲取WFS的Capabilities文檔，解析得到空間數(shù)據(jù)服務(wù)的服務(wù)信息和空間數(shù)據(jù)信息。

Capability文檔只是提供了空間數(shù)據(jù)服務(wù)所提供的空間數(shù)據(jù)的基本元數(shù)據(jù)信息，而要構(gòu)造數(shù)據(jù)源模式還必須獲取其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的信息，通過DescribeFeatureType操作獲取WFS 提供的FeatureTypeDescription XML文檔，解析后可獲得FeatureType空間數(shù)據(jù)的屬性結(jié)構(gòu)信息。能力文檔Capabilites文檔給出了對(duì)應(yīng)WFS服務(wù)的元數(shù)據(jù)信息和其提供的數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息，其主要內(nèi)容見圖1。

圖1　WFS能力文檔

3　OWS規(guī)范空間數(shù)據(jù)服務(wù)的集成模式設(shè)計(jì)

云GIS環(huán)境下基于OWS規(guī)范空間數(shù)據(jù)服務(wù)集成模式由各個(gè)符合OWS規(guī)范的空間數(shù)據(jù)服務(wù)數(shù)據(jù)源模式集成所得，從用戶或者應(yīng)用程序的角度來看，集成空間數(shù)據(jù)服務(wù)與一個(gè)單獨(dú)的空間數(shù)據(jù)服務(wù)沒有什么區(qū)別，即完全可以用調(diào)用單個(gè)空間數(shù)據(jù)服務(wù)的方法來調(diào)用集成空間數(shù)據(jù)服務(wù)。

由數(shù)據(jù)源模式構(gòu)造集成模式的關(guān)鍵技術(shù)問題是解決模式?jīng)_突，即如何將分布式空間數(shù)據(jù)服務(wù)的數(shù)據(jù)源模式采用統(tǒng)一集成模式表示。

3.1WFS空間數(shù)據(jù)服務(wù)的集成模式設(shè)計(jì)

由于WFS空間數(shù)據(jù)集成模式可能存在區(qū)域分片，也可能存在專題分片，或者既有區(qū)域分片也有專題分片。因此，集成模式需要對(duì)這兩種分片進(jìn)行準(zhǔn)確描述，另外WFS的集成模式同數(shù)據(jù)源模式一樣，也要符合WFS規(guī)范，根據(jù)以上約束條件，設(shè)計(jì)了WFS空間數(shù)據(jù)服務(wù)的集成模式。其主要由四個(gè)關(guān)系組成：集成WFS的服務(wù)信息R（Integ_WFS_ServiceInfo），集成WFS的FeatureType要素信息R（Integ_WFS_FeatureTypesList）、集成WFS的FeatureType數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息R(Integ_WFS_FeatureTypeElements）和集成數(shù)據(jù)分片信息R（Integ_WFS_ _Fragements）。各關(guān)系結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系如圖2所示：

從圖2可以看出，WFS集成模式的R(Integ_WFS_ ServiceInfo)和R（Integ_WFS_ FeatureTypeList）集成WFS的Capability文檔內(nèi)容，相應(yīng)GetCapabilities操作；R(Integ_WFS_ FeatureTypeList_Elements)描述了集成FeatureType的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)容，相應(yīng)集成WFS服務(wù)的DescribeFeatureType操作；R(Integ_ WFS_ Fragments)記錄了構(gòu)成集成FeatureType的數(shù)據(jù)分片的信息，包括數(shù)據(jù)分片的入口調(diào)用地址SubURL和其對(duì)應(yīng)子圖層名稱SubTypeName。

圖2　集成WFS模式設(shè)計(jì)

3.2WFS集成數(shù)據(jù)分片條件判斷和集成模式構(gòu)建

（1）WFS集成數(shù)據(jù)分片條件判斷

設(shè)F為需要進(jìn)行邏輯集成的FeatureType類型數(shù)據(jù)，F(xiàn).TypeName為F的要素圖層名，F(xiàn).FeatureType.Elements為F的屬性結(jié)構(gòu)表，設(shè)F由n個(gè)WFS提供的FeatureType構(gòu)成，即F={Fi, 1≤i≤n}由多個(gè)Fi邏輯集成 F過程中首先需要根據(jù)集成要求對(duì)Fi進(jìn)行集成分片條件判斷。

1）區(qū)域分片集成條件判斷

設(shè)F由{Fi}由區(qū)域分片集成構(gòu)成，若Fi同時(shí)滿足下列條件，則Fi為集成F的區(qū)域分片集成片段：

①TypeName和F相同

Fi.TypeName=F.TypeName∧

Fi.ElementNames=F.ElementNames∧

Fi.ElementTypes=F.ElementTypes∧

②空間參考系統(tǒng)滿足集成條件要求

（Fi.DefaultSRS=F.DefaultSRS∨∫（Fi.DefaultSRS）=F.DefaultSRS）

③比例尺相同

④數(shù)據(jù)采集時(shí)間相同

⑤滿足區(qū)域分片條件：

Fi.BBOX∈（F.BBOX）

2）專題分層集成條件判斷

設(shè)F由{Fj}專題分層集成構(gòu)成，A為F的主健屬性，則若Fj滿足下列垂直分片條件，則Fj為F的垂直片段：

①空間數(shù)據(jù)范圍相同

Fj.BBOX=F.BBOX

②空間參考系統(tǒng)滿足集成要求

（Fi.DefaultSRS=F.DefaultSRS∨∫（Fi.DefaultSRS）=F.DefaultSRS）

③比例尺和數(shù)據(jù)采集時(shí)間相同

④包含主健屬性A

A∈Fj.ElementName

⑤要素圖層名包含在需要集成的圖層名稱集合內(nèi)

Fj.TypeName∈{F.TypeNamesi,1≤i≤n}

（2）WFS空間數(shù)據(jù)全局集成模式的構(gòu)建

圖3　WFS集成算法

如圖2所示，WFS數(shù)據(jù)集成模式由集成空間數(shù)據(jù)的服務(wù)信息關(guān)系表Integ_WFSServiceInfo、集成空間數(shù)據(jù)FeatureType的元數(shù)據(jù)信息關(guān)系表Integ_WFS_FeatureTypeLists、集成空間數(shù)據(jù)FeatureType的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息關(guān)系表Integ_WFS_FeatureType_Elments、集成空間數(shù)據(jù)FeatureType的分片模式關(guān)系表Integ_WFS_Fragments，其中前三個(gè)表由集成數(shù)據(jù)服務(wù)WFS根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，而集成數(shù)據(jù)的分片模式關(guān)系表則由區(qū)域集成片段和專題集成片段填充。

若Fi滿足區(qū)域集成條件，為集成數(shù)據(jù)F的區(qū)域分片，則填充F對(duì)應(yīng)的Integ_WFS_Fragments關(guān)系表，將提供Fi的WFS服務(wù)地址和其滿足的分片條件圖層分別填充到Integ_WFS_ Fragments關(guān)系表中對(duì)應(yīng)的SubURL和SubTypeName字段中。

若Fj為滿足專題集成條件，為集成數(shù)據(jù)F的專題分片，則填充F對(duì)應(yīng)的Integ_WFS_

FeatureType_Elments和Integ_WFS_Fragments關(guān)系表，將提供Fi的WFS服務(wù)地址和其滿足分片條件的Feature圖層的TypeName填充到Integ_WFS_ Fragments關(guān)系表中對(duì)應(yīng)的SubURL和SubTypeName字段中；將其SubTypeName圖層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息ElmentName、ElmentType值填充到Integ_WFS_ FeatureType_Elments關(guān)系表中。

3.3WFS空間數(shù)據(jù)服務(wù)的集成模式算法

根據(jù)集成服務(wù)的設(shè)計(jì)模式和集成條件，設(shè)計(jì)了WFS空間數(shù)據(jù)服務(wù)的集成模式算法，主要包括區(qū)域分片集成算法WFSHorFragIntegAlgorithm（見圖3）和專題圖層集成算法WFSVerFragIntegAlgorithm。

WFS專題分片集成算法WFSVerFragIntegAlgorithm與區(qū)域分片集成算法類似，不再贅述。

圖4　2個(gè)Geoserver服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上的空間數(shù)據(jù)服務(wù)

4　云計(jì)算環(huán)境下基于OWS空間數(shù)據(jù)服務(wù)的市縣兩級(jí)分布式土地利用空間數(shù)據(jù)集成實(shí)例

根據(jù)上述云計(jì)算環(huán)境下基于OWS標(biāo)準(zhǔn)的分布式空間數(shù)據(jù)集成機(jī)制的理論體系和實(shí)現(xiàn)方法，以河北省某市兩個(gè)縣的土地利用數(shù)據(jù)為例，包括地類圖斑、線狀要素、零星地物、行政界限、地類界限等矢量數(shù)據(jù)，在2臺(tái)Geoserver服務(wù)器和1臺(tái)客戶端上進(jìn)行的驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)：

一、建立基于OGC標(biāo)準(zhǔn)的并滿足《土地利用空間數(shù)據(jù)庫》標(biāo)準(zhǔn)的土地利用空間數(shù)據(jù)服務(wù)，見圖4；

二、在區(qū)域上，實(shí)現(xiàn)“市-縣”各區(qū)域土地利用空間數(shù)據(jù)的邏輯無縫集成，見圖5；

三、在專題上，實(shí)現(xiàn)同一的空間范圍內(nèi)保證各類型專題數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)空間上的疊加和套合，見圖6；

5　結(jié)論

圖5　Integ_WFS空間數(shù)據(jù)服務(wù)區(qū)域集成

圖6　Integ_WFS空間數(shù)據(jù)服務(wù)專題集成

云GIS環(huán)境下利用空間數(shù)據(jù)的首要問題是解決分布式多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的集成問題。采用基于OGC Web Service（OWS）的空間數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范實(shí)現(xiàn)云GIS環(huán)境下異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的集成是被廣泛認(rèn)可的一種方法。在以往的研究工作中，分布式空間數(shù)據(jù)集成對(duì)象主要是分布的空間數(shù)據(jù)文件、異構(gòu)的空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等。但基于OWS規(guī)范的空間數(shù)據(jù)服務(wù)在數(shù)據(jù)訪問方法、查詢接口和應(yīng)用模式等方面與空間數(shù)據(jù)文件和空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)存在很大的不同，因此，其集成模式的構(gòu)建也必然存在較大的區(qū)別。

通過對(duì)OWS空間數(shù)據(jù)服務(wù)的數(shù)據(jù)源模式提取方法分析和“Capablility”能力文檔的解析，設(shè)計(jì)了基于OWS空間數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范WFS的空間數(shù)據(jù)集成模式，包括WFS空間數(shù)據(jù)服務(wù)的集成模式設(shè)計(jì)、集成數(shù)據(jù)分片條件判斷、集成模式構(gòu)建以及集成算法的實(shí)現(xiàn)，給出了云GIS環(huán)境下基于OWS空間數(shù)據(jù)服務(wù)的分布式空間數(shù)據(jù)集成的具體實(shí)現(xiàn)方法，并以河北省某市2個(gè)縣的土地利用數(shù)據(jù)為例實(shí)現(xiàn)了云計(jì)算環(huán)境下基于OWS服務(wù)的分布式空間數(shù)據(jù)區(qū)域集成和專題集成。

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[5]http://www.opengeospatial.org/standards/wcs

[6]http://www.opengeospatial.org/standards/wfs

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On Integration Technology of Distributed Geospatial Data in Cloud GIS

SUN Yu-mei BIAN Zhan-xin GAO Li-you
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology ShijiazhuangHebei050041China)

Considering the multi-source heterogenous and distributed features of geospatial data, the integration technology of distributed geospatial data based on Cloud GIS is proposed according to the current major GIS development trends. Through the research on the geospatial data source schema based on OWS geospatial data service standards in Cloud GIS, the geospatial data integration schema based on OWS geospatial data service standards in Cloud GIS is designed. Then the geospatial data integration schema is constructed through the decision whether the data source fragment satisfies the integration conditions. And at last the construction algorithm of integration schema in Cloud GIS is provided.

Cloud GIS the OGC the OWS distributed integration

TP301

A

1673-1816(2016)03-0047-07

2016-05-18

孫玉梅（1075-），女，博士，副教授，研究方向?yàn)榭臻g數(shù)據(jù)分布式計(jì)算。

河北省教育廳青年基金項(xiàng)目（2011134）