基于元數(shù)據(jù)的地下水?dāng)?shù)據(jù)共享

摘 要：地下水?dāng)?shù)據(jù)共享平臺(tái)是一個(gè)分布式面向網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)。采用元數(shù)據(jù)集中管理、數(shù)據(jù)體分散存儲(chǔ)的策略可以共享分布異構(gòu)的地下水?dāng)?shù)據(jù)資源。基于RDF/XML框架定制地下水元數(shù)據(jù)，使得地下水元數(shù)據(jù)可以與其他元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行交換，同時(shí)可以方便地對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。以元數(shù)據(jù)為核心，以數(shù)據(jù)匯交—數(shù)據(jù)查詢—數(shù)據(jù)瀏覽下載為主線，設(shè)計(jì)了地下水?dāng)?shù)據(jù)共享平臺(tái)的功能。在J2EE環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了地下水?dāng)?shù)據(jù)共享平臺(tái)，其中空間數(shù)據(jù)服務(wù)采用空間服務(wù)元數(shù)據(jù)和ArcIMS相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：元數(shù)據(jù)； 地下水； 數(shù)據(jù)共享； 空間數(shù)據(jù)服務(wù)

中圖法分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-3695(2006)10-0073-03

Study on Groundwater Data Sharing Based on Metadata

ZHU Yunqiang1， ZHU Shaoxia2， YU Mengliang2

（1.Institute of Geographical Sciences Natural Resources Research， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100101， China; 2.Beijing Landstar Digital Technology Co.， Ltd.， Beijing 100080， China; 3.China Institute for GeoEnvironmental Monitoring， Beijing 100081， China）

Abstract:Groundwater data sharing platform is a distributed system faced the Internet. Adopting the strategy of centralized management of metadata and dispersive storage of databody， the platform can share distributed and different format groundwater data. Based on the RDF/XML framework， groundwater metadata are established which can exchange with other metadata standards. Furthermore， groundwater metadata can be expanded easily to satisfy application need. Taking metadata as the core， the platform is designed whose functions include submitting data， querying data， browsing data and downloading data and etc. Under J2EE environment， the platform is developed. Specially， the spatial data service is accomplished by combining the spatial metadata with ArcIMS services.

Key words:Metadata; Groundwater; Data Sharing; Spatial Data Service

隨著地下水研究的深入，地下水?dāng)?shù)據(jù)資源出現(xiàn)了重復(fù)建設(shè)的現(xiàn)象，大量數(shù)據(jù)資源處于空閑狀態(tài)，沒有被有效利用，造成了巨大浪費(fèi)；而另一方面許多工作者卻難以得到需要的地下水?dāng)?shù)據(jù)，導(dǎo)致應(yīng)用研究無法開展。

構(gòu)建地下水?dāng)?shù)據(jù)共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)地下水?dāng)?shù)據(jù)資源的共享是解決上述問題的有效路徑。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)數(shù)據(jù)共享進(jìn)行了大量研究，一種普遍理解和認(rèn)同的模式是利用元數(shù)據(jù)來統(tǒng)一管理分散的數(shù)據(jù)資源，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享服務(wù)[1]。

本文基于已有的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，提出了地下水元數(shù)據(jù)構(gòu)建模式及擴(kuò)展機(jī)制，以元數(shù)據(jù)為核心探討了地下水?dāng)?shù)據(jù)共享平臺(tái)的構(gòu)架與實(shí)現(xiàn)。

1 地下水元數(shù)據(jù)定制與擴(kuò)展

元數(shù)據(jù)是關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)與其描述的數(shù)據(jù)內(nèi)容有密切的聯(lián)系，不同領(lǐng)域的數(shù)據(jù)其元數(shù)據(jù)內(nèi)容會(huì)有很大的差異。關(guān)于元數(shù)據(jù)國內(nèi)外進(jìn)行了大量研究，產(chǎn)生了一批元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，如在國外有都柏林核心元數(shù)據(jù)（Dublin Core，DC）[2]、數(shù)字地理空間元數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)（CSDGM）[3]、ISO 19115標(biāo)準(zhǔn)[4]等；在國內(nèi)有科學(xué)數(shù)據(jù)庫元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[5]、地理信息元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[6]等。

上述標(biāo)準(zhǔn)各有側(cè)重，不能完全滿足地下水?dāng)?shù)據(jù)管理的需要。因此，必須基于上述標(biāo)準(zhǔn)，定制適合地下水?dāng)?shù)據(jù)本身特點(diǎn)的元數(shù)據(jù)。

1．1 地下水元數(shù)據(jù)構(gòu)建模式

地下水元數(shù)據(jù)按模塊—復(fù)合元素—數(shù)據(jù)元素三層模式進(jìn)行構(gòu)建。模塊是地下水元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中最大的組織單位，由多個(gè)復(fù)合元素和數(shù)據(jù)元素組成。地下水元數(shù)據(jù)共包括七個(gè)模塊，即數(shù)據(jù)集描述信息模塊、元數(shù)據(jù)參考信息模塊、數(shù)據(jù)質(zhì)量信息模塊、數(shù)據(jù)集分發(fā)信息模塊、服務(wù)參考信息模塊、范圍信息模塊和聯(lián)系信息模塊。復(fù)合元素由若干數(shù)據(jù)元素或其他復(fù)合元素共同組成，是對(duì)一個(gè)復(fù)雜對(duì)象的描述。數(shù)據(jù)元素是元數(shù)據(jù)最基本的信息單元，每一個(gè)數(shù)據(jù)元素均由九個(gè)屬性來描述，這些屬性是中文名稱、英文名稱、標(biāo)志、定義、類型、值域、可選性、最大出現(xiàn)次數(shù)、注釋。

1．2 地下水元數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)

按照地下水元數(shù)據(jù)的三層模式，定制了地下水核心元數(shù)據(jù)項(xiàng)（GWCM），共包括七個(gè)模塊、12個(gè)復(fù)合元素和45個(gè)數(shù)據(jù)元素，其中：①數(shù)據(jù)集描述信息模塊是地下水元數(shù)據(jù)的基本信息模塊，為必選模塊，主要是對(duì)數(shù)據(jù)集本身屬性信息的詳細(xì)描述，包括數(shù)據(jù)集名稱、數(shù)據(jù)集描述、數(shù)據(jù)集關(guān)鍵詞、數(shù)據(jù)集格式、數(shù)據(jù)集來源、數(shù)據(jù)集時(shí)間、數(shù)據(jù)集更新頻率、數(shù)據(jù)集語種、數(shù)據(jù)集URL等元素，該模塊還可以引用兩個(gè)輔助模塊的信息；②元數(shù)據(jù)參考信息模塊是關(guān)于元數(shù)據(jù)本身狀態(tài)的信息，為必選模塊，包括元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、元數(shù)據(jù)時(shí)間、元數(shù)據(jù)聯(lián)系信息等元素；③數(shù)據(jù)質(zhì)量信息模塊是關(guān)于數(shù)據(jù)集質(zhì)量的描述，為可選模塊，包括數(shù)據(jù)集生產(chǎn)日志、質(zhì)量評(píng)測(cè)報(bào)告等元素；④數(shù)據(jù)集分發(fā)信息模塊記錄數(shù)據(jù)集發(fā)行及獲取的有關(guān)信息，為可選模塊，包括使用技術(shù)要求、收費(fèi)策略、訂購指南、聯(lián)系方法等元素；⑤服務(wù)信息模塊是一個(gè)可選模塊，描述了鏈接數(shù)據(jù)體的具體信息，包括服務(wù)類型、服務(wù)名稱、服務(wù)URL、服務(wù)參數(shù)、服務(wù)描述等元素；該模塊對(duì)數(shù)據(jù)用戶來說是屏蔽的，只供程序自動(dòng)鏈接數(shù)據(jù)體時(shí)使用，其服務(wù)參數(shù)根據(jù)服務(wù)類型不同有很大的差異，具體的服務(wù)包括數(shù)據(jù)庫訪問服務(wù)、Web服務(wù)、網(wǎng)格服務(wù)、FTP服務(wù)、空間數(shù)據(jù)服務(wù)等；⑥范圍信息模塊和聯(lián)系信息模塊均是輔助模塊，不能單獨(dú)使用，只能被其他模塊引用，前者描述數(shù)據(jù)集的時(shí)間和空間范圍，包括學(xué)科范圍、時(shí)間范圍、空間范圍等元素，后者主要記錄與數(shù)據(jù)集有關(guān)的個(gè)人和組織聯(lián)系信息，包括聯(lián)系名稱、聯(lián)系地址、聯(lián)系方法等元素。

RDF（Resource Description Framework，資源描述框架）是一個(gè)開放的元數(shù)據(jù)框架[7]，為元數(shù)據(jù)的編碼、交換和處理提供了一種通用的表示框架。為了避免語義沖突問題，RDF采用了XML的命名空間機(jī)制，通過對(duì)模式的引用來區(qū)別不同的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。RDF將一個(gè)資源抽象為由主題、謂詞、對(duì)象三個(gè)元素構(gòu)成的語句。地下水元數(shù)據(jù)在RDF/XML框架下實(shí)現(xiàn)，便于地下水元數(shù)據(jù)與其他的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行交換。為了實(shí)現(xiàn)地下水元數(shù)據(jù)項(xiàng)的確切定義，增強(qiáng)元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)用和擴(kuò)展，地下水元數(shù)據(jù)XML文檔模式控制采用XML Schema。

1．3 地下水元數(shù)據(jù)擴(kuò)展

地下水?dāng)?shù)據(jù)類型復(fù)雜、格式多樣，一個(gè)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不可能描述所有的地下水?dāng)?shù)據(jù)，因此在實(shí)際應(yīng)用中可能需要對(duì)地下水元數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展。按三層模式構(gòu)建的地下水核心元數(shù)據(jù)，提供了一套擴(kuò)展機(jī)制，在不破壞現(xiàn)有內(nèi)容框架的前提下，可以按照擴(kuò)展規(guī)則和方法制定滿足特定需求的元數(shù)據(jù)應(yīng)用方案。

1．3．1 地下水元數(shù)據(jù)擴(kuò)展原則

地下水元數(shù)據(jù)擴(kuò)展原則主要包括：①應(yīng)用方案應(yīng)該包括GWCM中的最小元素集，即包括所有必選模塊中所有的必選元素；②擬新增的模塊/元素不應(yīng)該與現(xiàn)有的模塊/元素存在語義上的沖突；③允許對(duì)已有模塊/元素施以更嚴(yán)格的可選性限制；④允許縮小已有元素的值域，或者將已有元素的值域替換為一個(gè)值域內(nèi)若干值組成的代碼表；⑤允許對(duì)已有代碼表進(jìn)行特定應(yīng)用的擴(kuò)充。

1．3．2 地下水元數(shù)據(jù)擴(kuò)展方法

根據(jù)上述原則，地下水元數(shù)據(jù)擴(kuò)展主要有四種方法：①元數(shù)據(jù)項(xiàng)的添加，包括添加元數(shù)據(jù)模塊、復(fù)合元素和數(shù)據(jù)元素；②元數(shù)據(jù)屬性調(diào)整，包括縮小現(xiàn)有元素的值域、更改元素的可選性；③刪減元數(shù)據(jù)項(xiàng)，可將GWCM中屬性為可選的元素刪除；④代碼表擴(kuò)展，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)已有的代碼表進(jìn)行更新。因此，地下水元數(shù)據(jù)應(yīng)用方案主要包括三部分，即直接繼承GWCM未經(jīng)修改的模塊/元素；繼承自GWCM經(jīng)過用戶修改的模塊/元素；用戶新定義的模塊/元素。地下水元數(shù)據(jù)擴(kuò)展應(yīng)用方案如圖1所示。

2 地下水?dāng)?shù)據(jù)共享平臺(tái)構(gòu)架

2．1 地下水?dāng)?shù)據(jù)共享平臺(tái)分布式構(gòu)架

地下水?dāng)?shù)據(jù)共享平臺(tái)按總中心—分中心的模式進(jìn)行構(gòu)架。采用元數(shù)據(jù)集中管理、數(shù)據(jù)體分散儲(chǔ)存的策略實(shí)現(xiàn)分布式異構(gòu)地下水?dāng)?shù)據(jù)的共享。其分布式構(gòu)架如圖2所示。

總中心完成元數(shù)據(jù)的集中管理與安全控制。各地的地下水?dāng)?shù)據(jù)資源以元數(shù)據(jù)的形式提交到總中心元數(shù)據(jù)庫中。用戶在共享平臺(tái)門戶中查詢自己所需的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)以元數(shù)據(jù)的形式返回給用戶。通過元數(shù)據(jù)，用戶可獲取數(shù)據(jù)體的詳細(xì)聯(lián)系方式或鏈接地址，從而獲取自己所需的數(shù)據(jù)資源。

2．2 地下水?dāng)?shù)據(jù)共享平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)分布式地下水?dāng)?shù)據(jù)資源的共享，地下水?dāng)?shù)據(jù)共享平臺(tái)的功能體系必須符合“地下水?dāng)?shù)據(jù)超市”的理念。地下水?dāng)?shù)據(jù)超市是一個(gè)服務(wù)模式概念，它形象地描述了地下水?dāng)?shù)據(jù)共享平臺(tái)需要具備以數(shù)據(jù)匯交—數(shù)據(jù)查詢—數(shù)據(jù)下載為主線的服務(wù)功能和以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)—數(shù)據(jù)管理—安全控制為主線的管理功能。

按照上述分析，地下水?dāng)?shù)據(jù)共享平臺(tái)縱向?qū)哟紊戏譃樗膶樱撮T戶層、業(yè)務(wù)邏輯層；平臺(tái)管理層和數(shù)據(jù)資源層。門戶層是用戶與平臺(tái)交流的媒介，門戶層接收用戶向系統(tǒng)提交的各種請(qǐng)求，將其傳交給業(yè)務(wù)邏輯層，由業(yè)務(wù)邏輯層完成具體的業(yè)務(wù)處理，并將結(jié)果返回給門戶層；平臺(tái)管理層面向系統(tǒng)管理員，提供數(shù)據(jù)審核發(fā)布、安全控制、日志分析等功能；數(shù)據(jù)資源層存儲(chǔ)地下水元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)體，包括總中心的元數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)體數(shù)據(jù)庫及各分中心的數(shù)據(jù)資源。

地下水?dāng)?shù)據(jù)共享平臺(tái)橫向功能上劃分為用戶注冊(cè)登錄、信息服務(wù)、數(shù)據(jù)匯交、數(shù)據(jù)查詢?yōu)g覽和后臺(tái)管理五個(gè)模塊。

信息服務(wù)模塊主要為社會(huì)公眾提供地下水研究進(jìn)展、行業(yè)動(dòng)態(tài)、文獻(xiàn)資料等信息知識(shí)；數(shù)據(jù)匯交模塊完成分布式地下水元數(shù)據(jù)匯交功能，用戶匯交上來的元數(shù)據(jù)通過管理員的審核后，才能對(duì)外發(fā)布；通過數(shù)據(jù)查詢?yōu)g覽模塊，用戶可以按關(guān)鍵詞、學(xué)科、時(shí)間等形式進(jìn)行地下水?dāng)?shù)據(jù)的查詢，查詢結(jié)果以元數(shù)據(jù)的形式返回給用戶，根據(jù)數(shù)據(jù)體鏈接參數(shù)，通過數(shù)據(jù)瀏覽中間件，用戶可以在線瀏覽地下水?dāng)?shù)據(jù)，根據(jù)用戶權(quán)限和數(shù)據(jù)級(jí)別，用戶可以下載權(quán)限范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)集；后臺(tái)管理是為了確保系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全而設(shè)置的，包括平臺(tái)安全控制中心、用戶管理、日志分析等功能。

3 基于元數(shù)據(jù)的地下水?dāng)?shù)據(jù)共享實(shí)現(xiàn)

3．1 平臺(tái)開發(fā)環(huán)境

地下水?dāng)?shù)據(jù)共享平臺(tái)是一種典型的分布式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái)。系統(tǒng)以元數(shù)據(jù)為核心，在J2EE環(huán)境下采用MVC模式開發(fā)完成，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的跨平臺(tái)、跨部門部署。元數(shù)據(jù)基于RDF/XML框架實(shí)現(xiàn)，元數(shù)據(jù)操作功能采用XML數(shù)據(jù)綁定技術(shù)開發(fā)。通過空間信息元數(shù)據(jù)與ArcIMS結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)服務(wù)功能。其中，空間數(shù)據(jù)引擎采用ArcSDE，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫采用Oracle 9i。

3．2 平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3．2．1 基于XML數(shù)據(jù)綁定的元數(shù)據(jù)操作

元數(shù)據(jù)操作主要指元數(shù)據(jù)匯交、元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、元數(shù)據(jù)修改、元數(shù)據(jù)查詢、元數(shù)據(jù)瀏覽等。系統(tǒng)中元數(shù)據(jù)采用XML形式進(jìn)行表達(dá)，通過關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)。其中，元數(shù)據(jù)內(nèi)容以XML文檔保存在Oracle的Blob字段中，同時(shí)為了加快元數(shù)據(jù)查詢的速度，將常用的元數(shù)據(jù)項(xiàng)（數(shù)據(jù)集名稱、關(guān)鍵詞、所屬學(xué)科等）單獨(dú)提取出來以表記錄的形式存儲(chǔ)。

對(duì)XML文檔處理的編程方法目前主要有DOM API和SAX API等，但這些API適合于較低層的XML操作，它沒有提供任何描繪數(shù)據(jù)含義的方法[8]，使用起來非常不方便。為了解決上述問題，一種較好的辦法就是采用XML數(shù)據(jù)綁定。所謂XML數(shù)據(jù)綁定是指將結(jié)構(gòu)化XML組件映射到保留該組件邏輯層次的數(shù)據(jù)模型上，該數(shù)據(jù)模型既可以表示數(shù)據(jù)的真實(shí)含義，也可用程序設(shè)計(jì)語言來描述[9]。XML數(shù)據(jù)綁定由三個(gè)主要概念構(gòu)成，即XML到對(duì)象模型綁定的規(guī)范、對(duì)象模型轉(zhuǎn)換為XML（稱之為整理過程）和XML實(shí)例轉(zhuǎn)換回對(duì)象模型（稱之為反轉(zhuǎn)過程）。

Castor工程是一個(gè)公開源碼的Java數(shù)據(jù)綁定框架，支持XML數(shù)據(jù)綁定、關(guān)系數(shù)據(jù)庫和LDAP，能夠自動(dòng)地進(jìn)行整理和反轉(zhuǎn)過程[10]。因此，系統(tǒng)采用Castor軟件包完成地下水元數(shù)據(jù)的操作。

3．2．2 ArcIMS支持下的空間數(shù)據(jù)服務(wù)

空間數(shù)據(jù)服務(wù)采用空間信息元數(shù)據(jù)與ArcIMS相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。用戶查詢得到元數(shù)據(jù)后，點(diǎn)擊空間數(shù)據(jù)瀏覽，將空間信息元數(shù)據(jù)傳送給ArcIMS空間數(shù)據(jù)服務(wù)器，由ArcSDE連接本地或遠(yuǎn)程的空間數(shù)據(jù)，通過空間數(shù)據(jù)站點(diǎn)為用戶提供空間數(shù)據(jù)操作功能。空間信息元數(shù)據(jù)，即空間數(shù)據(jù)鏈接參數(shù)包括空間服務(wù)站點(diǎn)信息、空間服務(wù)信息和空間數(shù)據(jù)下載信息三大部分共10個(gè)元素。

用戶提交空間數(shù)據(jù)操作請(qǐng)求后，表單自動(dòng)向ArcIMS服務(wù)器發(fā)送一個(gè)地圖鏈接URL[11]（含空間數(shù)據(jù)鏈接的各個(gè)參數(shù)）。ArcIMS服務(wù)器得到URL后，自動(dòng)查找URL中所指的站點(diǎn)和空間數(shù)據(jù)服務(wù)，以HTML View的形式展現(xiàn)給用戶。在返回的空間數(shù)據(jù)站點(diǎn)中，用戶可進(jìn)行空間數(shù)據(jù)瀏覽、圖層可視性設(shè)置、圖形查屬性、屬性查圖形、圖形選擇、空間數(shù)據(jù)下載（如果指定了下載參數(shù)的話）等操作。

4 結(jié)束語

地下水?dāng)?shù)據(jù)共享的核心問題在于地下水元數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展問題。基于RDF/XML模式，構(gòu)建了三層模式的地下水核心元數(shù)據(jù)，包括七個(gè)模塊、12個(gè)復(fù)合元素和45個(gè)數(shù)據(jù)元素。按元數(shù)據(jù)集中管理、數(shù)據(jù)體分散儲(chǔ)存的策略設(shè)計(jì)了分布式地下水?dāng)?shù)據(jù)共享平臺(tái)。運(yùn)用上述技術(shù)，開發(fā)實(shí)現(xiàn)了“中國地下水?dāng)?shù)據(jù)共享平臺(tái)”，初步實(shí)現(xiàn)了分布、異構(gòu)的地下水?dāng)?shù)據(jù)資源的共享。實(shí)踐表明，中國地下水?dāng)?shù)據(jù)共享平臺(tái)能夠進(jìn)行跨平臺(tái)、跨部門的部署，能夠?qū)崿F(xiàn)分布式異構(gòu)地下水?dāng)?shù)據(jù)資源的共享。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

諸云強(qiáng)（1977-），男，江西廣豐人，博士研究生，主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⒓夹g(shù)及地學(xué)數(shù)據(jù)共享；朱少霞（1976-），女，新疆烏魯木齊人，碩士，主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⒓夹g(shù)和遙感；喻孟良（1978-），男，貴州六枝人，碩士，主要研究方向?yàn)榈叵滤畔⒒c共享。

注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文