海洋空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相關(guān)技術(shù)探討

王偉立，吳昊，范建峰

(1.湖北曉雲(yún)科技有限公司，湖北 武漢 430223 2.咸寧市勘察測(cè)繪院，湖北 咸寧 437000)

1 引 言

海洋是人類食物和材料的來源，是氣候的調(diào)節(jié)器，在一定程度上也是廢物處理場(chǎng)，同時(shí)人類還利用海洋運(yùn)輸貨物。全世界大約44%的人居住在距離海岸 150 km的范圍內(nèi)，該比例還可能增加[1]。然而，由于城市活動(dòng)、工業(yè)生產(chǎn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)活動(dòng)等所產(chǎn)生的垃圾填埋池、過度開發(fā)和污染，使海洋環(huán)境遭到前所未有的嚴(yán)重破壞。因此，需要對(duì)海洋環(huán)境采取必要的手段進(jìn)行管理，如可持續(xù)監(jiān)測(cè)機(jī)制和周期報(bào)告等。

空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(Spatial Data Infrastructure，SDI)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋資源環(huán)境的管理。比如為了能與其他用戶共享海洋數(shù)據(jù)、對(duì)海洋環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，SDI可以幫助決策者找到他們想要的數(shù)據(jù)以及發(fā)布自己的數(shù)據(jù)，從而做出一些保護(hù)海洋資源環(huán)境的決策。

2 概念與標(biāo)準(zhǔn)

2.1 互操作

互操作是SDI的基礎(chǔ)，大型分布式系統(tǒng)中的互操作是指有能力與其他系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)服務(wù)?；ゲ僮鞯闹笜?biāo)主要有：法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)傳遞和語(yǔ)義轉(zhuǎn)換，如表1所示：

描述互操作的5個(gè)指標(biāo) 表1

由于互操作涉及數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù)交換，因此：①在分布式系統(tǒng)內(nèi)部之間進(jìn)行數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù)交換，需要該領(lǐng)域法律法規(guī)進(jìn)行監(jiān)督；②在分布式系統(tǒng)內(nèi)部，需要對(duì)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模工作，用簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)模型表達(dá)復(fù)雜的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)；③在數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù)交換的過程中，為了確保交換實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù)，需要采用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)跟蹤數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù)；④在建立參考模型與傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，需要依賴具體的參考模型標(biāo)準(zhǔn)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)；⑤為了防止在交換數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)，由于鍵入數(shù)據(jù)相似語(yǔ)義而檢索失敗的情況出現(xiàn)，需要對(duì)數(shù)據(jù)以及元數(shù)據(jù)進(jìn)行相似語(yǔ)義替換，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.2 SDI基本概念

(1)SDI定義

SDI是指用于采集、處理、加工地理空間數(shù)據(jù)(或稱地理信息)，并進(jìn)行管理、維護(hù)、分發(fā)服務(wù)和組織協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)設(shè)施體[2]。其包含共同空間因素，并且提供廣泛應(yīng)用的一般位置服務(wù)[3]。從存取和共享的角度，可以從三個(gè)方面來理解SDI。

①無須用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。用戶在SDI中隸屬于服務(wù)使用者，使用者在使用SDI提供的數(shù)據(jù)時(shí)，是接觸不到數(shù)據(jù)的，更加不能進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。

②數(shù)據(jù)設(shè)置遵循相同的原則，通過基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行語(yǔ)義共享和檢索。SDI中，為了便于進(jìn)行數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù)交換，需要在設(shè)置數(shù)據(jù)時(shí)遵循相同的原則，并且為了防止鍵入相似語(yǔ)義而出現(xiàn)檢索失敗，需要共享語(yǔ)義。

③SDI應(yīng)該包含一致空間因素，并且提供廣泛應(yīng)用的位置服務(wù)。SDI中POI(Point of Interest，信息點(diǎn))所包含的地理空間數(shù)據(jù)(地理信息)應(yīng)該一致，此外，這些POI能給用戶提供廣泛應(yīng)用的位置服務(wù)。

(2)SDI元素

SDI實(shí)際上主要分為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、架構(gòu)實(shí)現(xiàn)、技術(shù)支持等3個(gè)層次[4，5]。其元素可以細(xì)分為：使用者、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)存取、政策和標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示。

圖1 SDI的元素

(3)SDI分類

考慮到SDI有不同的政策許可級(jí)別，因此可以對(duì)SDI進(jìn)行縱向的級(jí)別劃分，如表2所示：

SDI縱向分類 表2

由表可知：

①SDI的縱向分類是根據(jù)空間范圍大小劃分的；

②范圍較大的SDI由范圍較小的SDI組成；

③范圍較小的SDI向范圍較大的SDI傳遞數(shù)據(jù)；

④對(duì)于不同級(jí)別的SDI，其采用的標(biāo)準(zhǔn)一致。

(4)MSDI

海洋空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(Marine SDI，MSDI)術(shù)語(yǔ)可以追溯到2001年，但是它的使用很可能早在1995年的海岸地理信息系統(tǒng)會(huì)議上。MSDI同SDI一樣可以進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的交換和共享，但是他們之間最主要差異在于：SDI更加關(guān)注與陸地有關(guān)的數(shù)據(jù)；而MSDI旨在提升海洋主題數(shù)據(jù)的存取來加強(qiáng)海洋和海岸空間的管理。

2009年，Russell給出了MSDI這個(gè)術(shù)語(yǔ)一個(gè)十分全面的定義：MSDI是國(guó)家級(jí)SDI的組成部分，它包含了海洋與海岸地理和經(jīng)濟(jì)的信息資源。MSDI建設(shè)的主要目的是建立相應(yīng)的組織和標(biāo)準(zhǔn)，加快海洋空間數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，減少海洋空間數(shù)據(jù)的重復(fù)采集，維護(hù)海洋空間數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性、有效性和權(quán)威性，加速海洋GIS的發(fā)展[11]。MSDI代表性的內(nèi)容主要有：河床海洋測(cè)深學(xué)、地理學(xué)、基礎(chǔ)設(shè)施、行政合法邊界、保護(hù)區(qū)、海洋棲息地和海洋學(xué)等。但是，并非所有的MSDI都是國(guó)家級(jí)SDI，因?yàn)檫€有部分MSDI屬于區(qū)域級(jí)SDI(如Oregon沿海地圖集)和全球級(jí)SDI(如全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)GOOS和Oceans 21)。

2.3 SDI標(biāo)準(zhǔn)

在SDI世界里，SDI建立在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)基礎(chǔ)之上，而網(wǎng)絡(luò)服務(wù)由OGC(Open Geospatial Consortium，開放地理空間協(xié)會(huì))和ISO(International Organization for Standardization，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)聯(lián)合規(guī)定[12]。因此，SDI依賴標(biāo)準(zhǔn)。其中，主要包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和參考模型標(biāo)準(zhǔn)，此外，為了數(shù)據(jù)和服務(wù)更加容易被檢索和存取，還需要研究元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

(1)地理空間標(biāo)準(zhǔn)

1994年，ISO開辦了專門的會(huì)議來形成與空間領(lǐng)域有關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，ISO/TC 211是空間地理信息領(lǐng)域有結(jié)構(gòu)體系的標(biāo)準(zhǔn)，旨在建立與地球定位直接或者間接相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)ISO/TC 211的成果建立起來的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)191XX系列，如：①19119-服務(wù)。在SDI中扮演著重要的角色，因?yàn)镾DI是分布式服務(wù)的集成；②19156-觀察和測(cè)量。在MSDI中起著重要作用，因?yàn)镸SDI的原始數(shù)據(jù)來自傳感器；③19136-GML(Geography Markup Language，地理信息標(biāo)記語(yǔ)言)。GML標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了空間數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式。

OGC最重要的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)是：①WMS(Web Map Service，網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù))；②WFS(Web Feature Service，網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù))。WMS標(biāo)準(zhǔn)返回地圖的空間參考數(shù)據(jù)，因此，地圖可以顯示動(dòng)態(tài)信息；WFS標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)矢量數(shù)據(jù)，如圖像。

(2)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

元數(shù)據(jù)，即關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，用來描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。如果沒有元數(shù)據(jù)，那么一條現(xiàn)實(shí)的河流在圖上就僅僅只是一條幾何直線，與普通道路無異。因此，在SDI中元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)也相當(dāng)重要。

元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)最先始于MRAC(machine-readable cataloging)標(biāo)準(zhǔn)；1994年，美國(guó)FGDC(Federal Geographic Data Committee，聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)協(xié)會(huì))提出CSDGM(Content Standard for Digital Geospatial Metadata)；考慮到元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性與龐大性，1995年創(chuàng)造了Dublin Metadata Core Element Set標(biāo)準(zhǔn)；隨著元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，目前全面的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是ISO 19115，它定義了地理信息和服務(wù)的概要需求，提供了電子地理數(shù)據(jù)的鑒別、延伸、質(zhì)量、空間、短暫模式、空間參考和分布等。

(3)參考模型標(biāo)準(zhǔn)

參考模型的使用是建立SDI的輔助手段，因此創(chuàng)建合理全面的參考模型標(biāo)準(zhǔn)十分必要。ISO提出的RM-ODP(Reference Model of Open Distributed Processing，開放分布式處理參考模型)標(biāo)準(zhǔn)能夠全面代表SDI。因?yàn)?，RM-ODP被用來實(shí)現(xiàn)互操作基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)，并且它是ISO定義完善的標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于FGDC的GIRM(Geospatial Interoperability Reference Model，地理空間互操作參考模型)而言，采用的是RM-ODP的信息視角和自動(dòng)化視角。此外，RM-ODP已經(jīng)拓展適用成為其他參考模型——ISO 19101、OGC參考模型——的概念基礎(chǔ)。

在RM-ODP中，視角是核心部分，因?yàn)椴煌氖褂谜咴谝粋€(gè)系統(tǒng)中有不同的興趣點(diǎn)，所以被用來確認(rèn)著重于結(jié)構(gòu)和框架的特殊部分。與RM-ODP相類似的標(biāo)準(zhǔn)還有軟件結(jié)構(gòu)“4+1”View Model，也是在視角的基礎(chǔ)上進(jìn)行描述的，將系統(tǒng)不同的方面分成多數(shù)視圖來描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3 參考模型

建立參考模型目的在于定義結(jié)構(gòu)龐大和復(fù)雜的有關(guān)空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施分布式系統(tǒng)的框架。因此，SDI的實(shí)際實(shí)現(xiàn)可能需要參考模型的輔助，因?yàn)閰⒖寄Ｐ唾x予了SDI的基本框架并且參考模型是SDI的基礎(chǔ)。

現(xiàn)有許多參考模型已經(jīng)過時(shí)。比如PERA(Purdue Enterprise Reference Architecture，普渡企業(yè)參考體系結(jié)構(gòu))；還有某些僅僅使用于特殊領(lǐng)域的參考模型，比如商業(yè)模型BPEL(Business Process Executing Language，業(yè)務(wù)流程執(zhí)行語(yǔ)言)、RM-SOA(Service-Oriented Architecture Reference Model，面向服務(wù)的架構(gòu)參考模型)。這里就不加以贅述，接下來對(duì)現(xiàn)有使用較頻繁的參考模型RM-ODP和GDI-DE做詳細(xì)介紹，并比較這兩種參考模型，總結(jié)它們之間的關(guān)系。

3.1 RM-ODP

視角是RM-ODP的核心部分，用來確認(rèn)著重于結(jié)構(gòu)和框架的特殊部分。因?yàn)榕c開發(fā)者相關(guān)的部分不一定與使用者相關(guān)，以級(jí)別為例：使用者比開發(fā)者更關(guān)心系統(tǒng)提供給他們的級(jí)別，而不是每個(gè)級(jí)別具體所采用的技術(shù)。在RM-ODP參考模型中，可以將參考模型劃分為5個(gè)視角，每個(gè)視角都有自己具體的內(nèi)容和使用環(huán)境，如表3所示：

WRON(Australia’s Water Resource Observation Network，澳大利亞的水資源觀測(cè)網(wǎng))就是依據(jù)RM-ODP建立起來的，被用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)有和預(yù)報(bào)未來的水資源狀態(tài)從而迎接澳大利亞的水資源挑戰(zhàn)；DERM(Digital Earth Reference Model，數(shù)字地球參考模型)是依據(jù)RM-ODP視角建立的全球性SDI，旨在自由地在互聯(lián)網(wǎng)上提供關(guān)于地球的數(shù)據(jù)。

RM-ODP的視角劃分與使用環(huán)境 表3

3.2 GDI-DE

GDI-DE是旨在不同管理、商業(yè)、科學(xué)水平上改進(jìn)規(guī)定和分配使用空間數(shù)據(jù)源的德國(guó)國(guó)家級(jí)空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，GDI-DE試著簡(jiǎn)化信息、傳輸和轉(zhuǎn)換過程，并且將結(jié)構(gòu)劃分為3層(應(yīng)用、服務(wù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ))和4個(gè)子模型。與RM-ODP相比，GDI-DE用子模型代替視角，但是子模型與視角十分相似，因?yàn)樗鼈冊(cè)谡麄€(gè)系統(tǒng)中都提供不同的更詳細(xì)的視角。其子模型以及具體內(nèi)容如表4所示：

GDI-DE子模型及其內(nèi)容 表4

GDI-NRW(The reference model of the GDI North Rhine-Westfalia，北萊茵-威斯特法倫州的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施參考模型)與GDI-DE一樣也使用子模型，它使用商業(yè)模型、結(jié)構(gòu)模型，GDI-DE中的操作模型在GDI-NRW中被劃分為3個(gè)子模型：成員模型、過程模型、工具模型?；A(chǔ)設(shè)施基本可以劃分為3層：客戶層、服務(wù)層、儲(chǔ)存層；SDI Saxon介紹Saxon SDI中的技術(shù)、組織和政策關(guān)系。與GDI-NRW相比，它使用很少的子模型，對(duì)于GDI-DE而言更少的子模型，有：結(jié)構(gòu)模型、操作模型、許可模型。然而這些子模型中包含了其他所有的參考模型?；A(chǔ)設(shè)施基本可以劃分為3層：客戶層、服務(wù)層、儲(chǔ)存層。

3.3 RM-ODP與GDI-DE的關(guān)系

在RM-ODP中，根據(jù)具體內(nèi)容和使用環(huán)境可以將參考模型劃分為5個(gè)視角：商業(yè)視角、信息視角、自動(dòng)化視角、工程視角和技術(shù)視角；在GDI-DE中，根據(jù)各個(gè)模塊的具體內(nèi)容可以將參考模型細(xì)分為4個(gè)子模型：商業(yè)模型、結(jié)構(gòu)模型、操作模型和組織模型；另外，在GDI-NRW中，可以將GDI-DE中的操作模型更加細(xì)分，分為3個(gè)子模型：成員模型、過程模型、工具模型。根據(jù)各個(gè)視角和子模型的具體功能，可以得出它們之間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 RM-ODP與GDI-DE的關(guān)系圖

由圖可知：

①GDI-DE商業(yè)模型中涉及的使用者目的和需求與RM-ODP商業(yè)視角的描述一致；

②GDI-DE結(jié)構(gòu)模型中涉及的描述技術(shù)成分以及其具體功能和各個(gè)功能之間的相互關(guān)系與RM-ODP信息視角和自動(dòng)化視角的描述一致；

③GDI-DE結(jié)構(gòu)模型在GDI-NRW中被細(xì)分為3個(gè)子模型，其中過程模型涉及的工作流以及內(nèi)部數(shù)據(jù)描述與RM-ODP工程視角的描述一致；工具模型涉及的現(xiàn)有基本工具的使用與RM-ODP技術(shù)視角的描述一致。

4 MSDI控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)

MSDI可以進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的交換和共享，旨在提升海洋主題數(shù)據(jù)的存取來加強(qiáng)海洋和海岸空間的管理。因此，在MSDI中海洋主題數(shù)據(jù)的存取顯得尤為重要。目前，海洋主題數(shù)據(jù)的存取主要依托數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，所以，建立海洋主題數(shù)據(jù)庫(kù)是實(shí)現(xiàn)MSDI的必要前提條件。海洋主題數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括有：控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)、驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)庫(kù)、重力基點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)與磁偏角數(shù)據(jù)庫(kù)等，以下簡(jiǎn)單介紹控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)[13，14]。

4.1 控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)與參考模型關(guān)系

建立控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以使獲得、交換和分享控制點(diǎn)數(shù)據(jù)和信息更加方便。RM-ODP中信息視角描述的是信息的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)和管理，體現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫(kù)上即二維表的內(nèi)容、存儲(chǔ)和組織方式；GDI-DE中結(jié)構(gòu)模型描述的是基礎(chǔ)設(shè)施中硬件、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)及其發(fā)展和使用。因此，可以得出控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)與參考模型視角(子模型)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。

圖3 控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)與參考模型的關(guān)系

4.2 控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)

海洋大地測(cè)量的基本任務(wù)是建立和維持國(guó)家或區(qū)域范圍內(nèi)的大地基準(zhǔn)、深度基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)、重力基準(zhǔn)、磁力基準(zhǔn)等各類起算點(diǎn)、起算面和起算數(shù)據(jù)，而表征這些測(cè)繪基準(zhǔn)的是據(jù)此而建立的各種海洋大地測(cè)量標(biāo)志，如地面控制點(diǎn)標(biāo)石、覘標(biāo)、測(cè)量墩、海底控制點(diǎn)、浮標(biāo)等，因此，對(duì)測(cè)量標(biāo)志的有效管理和維護(hù)是大地測(cè)量工作的主要內(nèi)容之一。

在建立控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，為了更加清晰地描述測(cè)量標(biāo)志的相關(guān)信息，分別創(chuàng)建控制點(diǎn)基本信息表(如表5所示)和控制點(diǎn)附件信息表(如表6所示)。其中，基本信息表中包含控制點(diǎn)的詳細(xì)信息，即點(diǎn)號(hào)、點(diǎn)名、重合點(diǎn)名、測(cè)區(qū)編號(hào)、測(cè)區(qū)名稱、經(jīng)度、緯度、類型編號(hào)、控制點(diǎn)類型、控制點(diǎn)等級(jí)、標(biāo)志及材料類型、百萬圖幅號(hào)、二十萬圖幅號(hào)、十萬圖幅號(hào)、五萬圖幅號(hào)、測(cè)量單位、測(cè)量時(shí)間、托管單位、數(shù)據(jù)來源、點(diǎn)位說明、控制點(diǎn)狀態(tài)、備注、地物編碼、用戶編號(hào)和錄入時(shí)間等；附件信息表中包含控制點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)來源數(shù)字化掃描信息，有附件名稱、附件類型、備注和附件數(shù)據(jù)等。

控制點(diǎn)基本信息表 表5

續(xù)表5

控制點(diǎn)附件信息表 表6

5 結(jié) 語(yǔ)

為了更好地了解和利用海洋資源環(huán)境，借助海洋主題數(shù)據(jù)庫(kù)，可以提高管理水平。通過MSDI海洋主題數(shù)據(jù)庫(kù)的更新與存取，決策者及時(shí)發(fā)布實(shí)時(shí)海洋數(shù)據(jù)使得大眾用戶可以共享數(shù)據(jù)，確保海洋資源環(huán)境的預(yù)見性管理。另外，考慮到：一方面，開源數(shù)據(jù)可以減輕政府部門發(fā)布更新數(shù)據(jù)的壓力；另一方面，開源數(shù)據(jù)可以促進(jìn)個(gè)人和企業(yè)創(chuàng)造更多有利于社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的新事物，開源數(shù)據(jù)越來越受到重視，有關(guān)MSDI的專業(yè)主題終端應(yīng)用開發(fā)有著良好的前景。