地理信息共享技术与标准

第1章绪论 计算机信息处理技术和网络技术的发展，正在使整个人类社会进人信息化时代。信息时代的特征就是社会各领域的信息化。信息化是指以计算机与通信网络为主体的数字化、网络化和可视化。数字化是传统的信息载体向数字信息载体的转变，有利于信息的处理、传输和应用；网络化是指信息通过网络流动，并为社会各领域所应用；可视化是信息的直观表现，有利于人们对信息的理解。 地理信息是信息的重要组成部分，作为采集、存储、管理、分析和处理数字化地理信息的地理信息系统已被广泛应用，而且多种学科和应用领域对地理信息及其分析处理功能的需求日益增长，对地理信息的依赖程度也逐渐增大。这就要求地理信息也能像其他信息那样被共享、交换、访问和使用。网络技术的发展和普及，使分布在不同领域、不同部门的地理空间数据和处理功能能够共享和互操作，使得地理信息不再局限于专业用户，而是面向普通民众的地理信息共享和应用。 1.1地理信息共享概述 信息共享已经成为现代信息社会发展的一个重要标志，联合国指出，世界上的事情有80%与空间分布有关，所以用来描述空间分布的地理信息的共享是信息共享的重要组成部分。地理信息共享将成为21世纪地理信息系统研究领域的一个重要研究方向。 1.1.1信息和信息共享 20世纪80年代以来，信息成为时代的基本观念。迄今，科学文献中围绕信息定义所出现的流行说法已在百种以上，尚无统一的定义（钟义信和胡栋，2002）。人们从描述周围世界的数据中获得信息，人脑的思维活动产生一种想法，当它仍储存在大脑中的时候它就是一种信息。因此，可以这样认为，信息是抽象的意识或知识。从信息的本质上看大体上归纳为下列五个方面（张仁霖，1993）:①信息是由事物发出的各种可感知东西中有意义的内容，而非事物本身和它所处的物理状态。②信息本身来源于物质，信息的收集、传输、处理和存储均不能离开物质。③信息离不开能量。信息的传输或扩散需要物质载体的运动，而这需要一定的能量来维持。但信息的多少并不取决于能量的大小，因为用耳机和高音喇叭收听同一台广播所获得的新闻信息是一样的。④信息是靠物质和能量变化来承载的。有些信息通过肉眼能够感受到的静止和活动符号来传递；有些则利用耳朵能分辨不同频率的音响来获取。电磁波谱具有*大的承载信息能力和远距离传输本领。⑤信息具有知识的特性。人们靠获取信息来认识千差万别的客观世界，以提高智力水平和洞察力。 从本体论上说，信息是物质存在方式、运动状态和属性的反映（景东升和吴斐，2005）。从法律意义上说，信息是物体、事实、事件、现象和过程的描述，不管这些信息是以何种形式提供，它都具有具体应用上的可操作性（何建邦等，2003）。 信息具有以下特征（张仁霖，1993）: （1）信息是可以识别的。我们已经知道信息离不开物理载体，但人们可以从这些物理载体和各种变化中识别信息。对不同的信息源来说，识别的方式是不同的。有的可以通过人的感官直接进行，有的要借助各种传感器间接进行。例如，语言等中的信息可以通过耳朵接收并加以识别；而遥感信息要利用对电磁波敏感的元件来间接进行。 （2）信息的载体是可以转换的。同样内容的信息，可以有不同的形态，可以包含在不同的物体变化之中，信息可以从一种形态转换成另一种形态。我们感官识别出来的物体信息，如声音、味道、颜色等都可以转换成语言、文字的形式，也可以转换成光电信号，如电视信号或计算机代码等。在这些转换中，信息的物理载体发生变化，但信息的内容却可以完好地保持不变。信息的这个特征，既为人们借助仪器间接识别信息提供了基础，也为信息的传递、存储和处理带来了方便。 （3）信息是可以存储的。信息可以用多种方式存储起来，在需要时，存储的信息可以调取出来。同样的信息既可以用文字的方式记录在书刊笔记中，也可以用传话方式储存在人脑中，这就是通常所说的记忆；还可以用录音、录像的方式存在磁性介质中，或利用计算机的内外存储器来存储。 （4）信息是可以传递的。传递信息的途径很多。人与人的信息传递，既可以通过语言文字，也可以通过体态、动作或表情。社会规模的信息传递则通过报纸、杂志、电报、电话、传真、广播电视等。原则上说，各种物质运动形式都可以用来传递信息。 （5）信息是可以加工的。人们收到各种原始信息后，经过脑力劳动的加工处理可以产生新的信息。例如，研究人员通过收集资料、实验等途径得到的信息，经过加工后提出了新的见解，这些新见解可以成为价值更高的信息。同样，计算机对输人信息的加工处理，可以向人们提供更有意义的结果。 （6）信息是可以共享的。目前世界上许多国家出现了信息服务部门。信息像实物一样可以作为商品出售，但信息的知识特性使得信息交易与一般实物商品交易不同。实物商品在交易后售出就不再占有实物，而信息交易后，出售信息的人并没有失去信息，结果是出售者和购买者共享信息。例如，出售发明专利的人，虽然图纸资料的信息传给了购买者，但拥有专利权的发明者并未失去信息。信息的这个特性使得信息可以反复出售，同一信息可以同时出售给不同的买主。 共享就是共用。信息共享（InformationSharing）是指“在一定程度开放条件下，同一信息资源为不同用户共同使用的服务方式”（孙鸿烈，2000）。信息共享既具有自然属性，又具有社会属性。信息共享是人类生存和社会发展所必需的，信息共享的形式是不断发展的，信息共享的行为是需要不断调整的。 1.1.2地理信息和地理信息共享 地理信息是信息的一个重要组成部分，指那些直接或间接随时间变化的与地理空间分布相关的自然、经济与人文等方面的物体、事实、事件、现象和过程描述的综合。地理信息除具有一般信息的特征（包括共享特征）外，还具有空间特征、时间特征、属性特征。 地理信息共享是指国家依据一定的政策、法律和标准规范，实现地理信息的流通和共用（何建邦等，2003）。地理信息共享的内涵包括：①用户享用非己有信息的资格、权利和义务；②生产必须的地理数据以实现信息共享；③为共享信息准备必要的设备、共享和服务环境；④政府对发展和协调信息共享的调控权。地理信息共享的意义在于：①可以*大限度地减少对地理信息的采集、加工、整理中在人力、物力和财力上的投人；②有助于政府决策的民主化和科学化；③有助于实现全球、地区、国家和区域范围内的信息化。 自1963年世界上**个地理信息系统——加拿大地理信息系统（Canada Geographic Information System， CGIS）出现以来，地理信息系统取得了飞速的发展，已 广泛应用于资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、邮电通信、交通运输、军事公安、水利电力、公共设施管理、农林牧业、统计、商业金融等几乎所有领域。20世纪90年代以来，出现了基于Web的地理信息系统（WebGIS），它以其适应性强、应用面广、现势性强、维护社会化和使用简单等优点，得到迅速发展。越来越多的个人、组织、企业和政府部门通过Internet，使用WebGIS应用系统来获取地理信息、共享资源。 GIS*终的发展目标是成为所有行业部门以及普通大众管理和使用地理信息的工具。但是，目前GIS的发展正遭遇两大阻碍（龚健雅等，2006）: （1）GIS数据的异构性。在长期的生产和实践过程中，不同部门和行业或同一部门内部各子单位根据需要自行建立数据库，这些数据库中空间数据的内容和来源、数据模型以及数据库使用的软件平台都存在差异。而在实际工作中，不同部门或同一部门不同子单位间的数据协作正变得日益重要。如何实现异构数据的管理与综合应用是目前急需解决的问题。 （2）GIS系统的异构性。不同部门和行业在日常的工作、生产过程中，根据需要采用不同的GIS软件，而且为了满足具体的应用需求，往往都进行不同程度的二次开发，各个应用系统独立运行于不同的计算机软硬件环境中，这就造成目前各部门各行业间的应用系统无法沟通，同一部门或行业内部的各子系统间难以集成。随着人们对于信息处理的多元化需求，单一系统的功能越来越无法满足日常工作、生产的需要。如何快速、低成本地组合已有系统的功能以满足应用需求是目前急需解决的另一大问题。 这两大问题可以归结为地理信息领域的异构性问题。异构性产生的直接后果是GIS“孤岛”现象，各个GIS应用系统间以及不同的GIS部门生产的数据之间无法通信，阻碍了GIS在社会上的普及与深人应用。因而，如何实现异构空间数据、异构GIS系统间的通信是当前GIS研究领域必须解决的一大问题。共享技术是解决以上两个问题的关键技术。 地理信息共享的主控因素包括：组织管理、数据资源、社会需求、共享规则和共享技术。这五个要素存在相互促进、相互制约的关系，缺一不可。组织管理者以发展需求为导向制定地理数据管理的整体规划与组织实施；体现国家意志的整体规划与管理，既是确定共享规则和共享技术的出发点，又是地理数据整合与共享权力的体现；数据资源的存储、分布状态、成品形式决定了共享政策和共享方式的多样性，从而导致共享规则的产生；共享规则是对不同用户需求和共享行为进行规范的规则，它引导共享技术支持；共享技术是指用于实现数据共享的技术方法，它决定地理信息共享的有效性。总之，数据资源、共享规则和共享技术是共享管理的必要条件，发展需求是实现有效共享的充分条件。 1.1.3地理信息共享的类型 地理信息产业是关系国家经济命脉和信息安全的基础产业、战略型产业和先导型基础产业，是促进国民经济转变增长方式、推进国家信息化建设的核心产业，具有巨大的发展潜力。地理信息共享是地理信息产业发展的前提。地理信息共享泛指地理信息资源共享，一般来说地理信息共享包括模型共享、数据共享、语义共享和硬软件共享等。 1.模型共享 对地理现象来说一般有两种空间模型：场模型和对象模型。在场模型中，地理现象用值的集合来建模，每个值是位置（x，y，[z]）的函数。在对象模型中，现象用离散的、精确定义的要素的集合来表示。这些模型的实现要么是面向栅格数据的，要么是面向矢量数据的。面向不同数据格式的模型共享方法亦不尽相同。由于栅格数据模型共享 相对来说比较简单，所以模型共享主要研究矢量数据模型的共享。 目前研究较多的有开放式地理信息规范（Open Geographic Information Specification ，OGIS）和统一的应用程序接口 （Application Program Interface， API）。 OGIS 与 API类似，其主要目的是为了实现异构系统的互操作，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式平台、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式计算平台（DCPS）上实现互操作。 具体说，OGIS框架主要由三部分组成（龚健雅等，2006 ）:开放式地理数据模型 （Open Geodata Model，OGM）、OGIS 服务模型（Open GIS Services Model）以及信息 群模型（Information Communities Model）。 1）开放式地理数据模型 （1）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，没有明确的范围和边界（如温度），只有 和某一固定点或某一时间相关联时现象的值才有意义。OGIS中的基本对象是要素 （Feature）和覆盖/图层（Coverage）。要素是对现实世界中实体的抽象或者描述，具有 空间域、时间域或时空域，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