一种多源空间数据统一访问模型的实现.doc
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1、一种多源空间数据统一访问模型的实现关 键 词:多源空间数据; SFS; 矢栅一体化; 统一访问模型 XIE Bin1,2, YU Le1, L?a Yang1, ZHANG Deng|rong1,2 (Department of Earth Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 2. Institute of Remote Sensing and Earth Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China) An implementation of
2、multisource spatial data uniform access model Journal of Zhejiang University(Science Edition), 2011,38(2):223-228 Abstract: Because of the different data model of the two major types of spatial data, namely vector and raster, different access approaches are always required to using both vector and r
3、aster layers in applications. How to use a uniform approach to access these two types of data is one of the key issues in sharing and interoperating spatial data. An OGC SFS|complied model for vectors by expanding “feature” in SFS as “Geometry|Attribute feature (GAFeature)” and a raster model “RSRas
4、ter” for rasters are proposed. Two design patterns called “provider pattern” and “bridge pattern” are introduced to access and manage datasets from local files, database, WCS, WFS etc in a uniform way. Experimental result shows the capability of our proposed uniform access model. ?Key Words: multiso
5、urce spatial data; SFS; vector and raster integration; uniform access model 地理信息系统目前已得到迅速发展和广泛应用,但空间数据的多源性为数据综合利用和数据共享带来不便1.要充分利用已有的数据资源,实现空间数据共享,必须解决多种格式的地理信息数据集成这一问题.早期传统的空间数据共享是直接读取GIS厂商公开的中间数据格式,如ArcInfo的E00,MapInfo的MIF等,用户再转换成自己的格式.但是不同数据格式之间数据模型不完全相同,因此转换后会出现数据或拓扑关系丢失等错误.OGC为数据互操作制定了统一的规范,从而使得
6、一个系统同时支持不同的空间数据格式成为可能.而且基于XML的OGC GML2作为一种通用的标准来描述数据,且独立于平台和开发语言,得到了许多GIS厂商的支持,这也为基于Web Service的空间数据互操作技术提供了有效的数据交换格式.国内外的学者在基于GML 的互操作方面做了不少工作,比如:文献3提出了基于WFS的中间件,数据源用WFS包装,GML成为了交互的数据格式;文献4提出了基于GML|XML多源异构空间数据互操作引擎;文献5则以GML存储和管理所有数据,设计了GML分布式广义空间数据引擎. 然而,GIS空间数据引擎不仅面临着数据源异构或是地理上分布的问题,也要处理矢量和栅格这两种不同
7、的空间数据类型6.无论什么构架的数据引擎,其主要目的都是要屏蔽底层数据源的异构性,为用户提供统一的访问接口.本文在总结了相关研究成果的基础上,主要围绕以下几点开展研究:(1) 深入研究OGC SFS (Simple Feature Specification) 规范,在剖析其层次结构的基础上面向实现目的构建GAFeature矢量数据模型;综合考虑普通栅格图像和遥感图像的特性,提出一种扩展栅格数据模型.(2) 基于GAFeature矢量数据模型和扩展栅格数据模型设计多源空间数据统一访问模型.(3) 结合OGC Web 服务的总体框架以及相关规范,在多源空间数据统一访问模型上设计矢量栅格一体化的操
8、作接口并进行实现,以满足对不同数据源的获取的需要. 1 基于SFS的矢量数据模型 1.1 OGC SFS概述 OGC SFS规定了对点、线、面等简单要素的发布、存储、读取和简单操作,该规范的目的是使得GIS软件设计师在不同的技术下(例如OLE/COM,SQL,CORBA)能够使用这些接口来操作由简单几何要素组成的要素7.SFS是一种分布式计算环境下的且与平台无关的模型,几何基类有点(Point)、线(Curve)、面(Surface)和几何集合(GeometryCollection)这几个子类.每个几何对象都与一个空间参照系统关联,它描述了几何对象的坐标空间(见图1). 图1 SFS中的简单要
9、素对象模型7 Fig.1 Simple feature objects model in SFS 几何实体(Geometry)是整个体系结构的根类,几何实体是一个抽象的(不可实例化)类.可实例化的几何实体子类是存在于二维、三维、四维空间的几何对象,它们分别以Point、LineString、Polygon等命名.二维空间的几何坐标值是(x,y)的点集.三维空间的坐标值可能是(x,y,z)或(x,y,m).四维空间则是(x,y,z,m).z值代表海拔或高程,m值代表度量(measurement).所有几何实体中的坐标必须是同一坐标参照系统,能直接或间接从几何实体中读取坐标值,且必须无歧义地与一个
10、坐标参照系统相?亓?. 1.2 GAFeature矢量数据模型 SFS规范中将几何类(Geometry)与两个参照系统(ReferenceSystem)(包括:空间参照系统、测量参照系统)进行了关联,这意味着也许每个地理要素都具有不同的地理空间参照系,虽然这样灵活性较大,但同一图层下的要素必定有同一空间参照系,因此会增加数据冗余.可以考虑比要素更大粒度的空间数据集,比如图幅、图层或是地图,把图层与空间参照系统关联是比较好的方案,这样属于同一图层的所有要素都可以共享空间参照系统(这将在下面的具体实现中以Map和Layer的形式体现).另外,虽然SFS很好地定义了整个几何实体类的体系结构,但是在具
11、体的实现中,添加对属性信息的支持将使得后续的渲染和管理更加简单.因此,笔者对基于SFS的层次结构进行一些修改(见图2),在原有的Geometry之上增加了更大一层概念的GAFeature,同时增加了AttributeField类,使得GAFeature关联几何、属性两个类,成为与概念相符的矢量数据模型.FeatureDefine和FieldDefine分别为要素属性字段定义对象和所属该要素的字段值定义对象. 图2 基于SFS的GAFeature模型 Fig.2 GAFeature model based on SFS 2 扩展栅格数据模型 栅格数据模型不需要像矢量数据模型那样通过几种几何对象才
12、能表现,它通过连续的像元值来反映所覆盖范围的现象:点实体表示为一个像元;线实体则表示为在一定方向上连接成串的相邻像元集合;面实体由聚集在一起的相邻像元结合表示.像元值可以是灰度值、亮度值或是色调值.目前栅格数据格式繁多,如遥感图像领域常用的GeoTiff、HDF|EOS、MrSID、ECW等,以及在其他领域更为通用的JPEG、BMP、PNG等,它们存在着不同的文件描述信息,如可能包含坐标系投影信息和元数据信息等数据. 然而,任何栅格数据都是按某种规则排列的二维或多维矩阵数据块,元数据信息基本是关于栅格的行数、列数、波段数、数据块大小等,因此笔者设计了栅格数据模型(RSRaster)(见图3),
13、包括元数据信息Matedada和波段数据RasterBand.其中Metadata记录了空间参考系统、波段/数据类型、金字塔等级、分块维度等信息.对于RasterBand,利用金字塔结构PyramidLevel和RasterBlock,针对遥感图像具有大数据量的特性进行分层和分块.另外,考虑到栅格结构自身的特点,在处理空间数据时,会有基于点和基于面两种不同的处理方式,并由此会产生解释格网属性值和属性值定位这两方面的不确定性8.为此,可在RasterBlock下分为像素模型(Pixel)和格网模型(Lattice)两种形式. 图3 扩展栅格数据模型 Fig.3 Extended raster d
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