海洋空間數據基礎設施建設相關技術探討

王偉立，吳昊，范建峰

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

1 引 言

海洋是人類食物和材料的來源，是氣候的調節器，在一定程度上也是廢物處理場，同時人類還利用海洋運輸貨物。全世界大約44%的人居住在距離海岸 150 km的范圍內，該比例還可能增加[1]。然而，由于城市活動、工業生產、水產養殖和農業活動等所產生的垃圾填埋池、過度開發和污染，使海洋環境遭到前所未有的嚴重破壞。因此，需要對海洋環境采取必要的手段進行管理，如可持續監測機制和周期報告等。

空間數據基礎設施(Spatial Data Infrastructure，SDI)可以實現對海洋資源環境的管理。比如為了能與其他用戶共享海洋數據、對海洋環境狀態進行評估，SDI可以幫助決策者找到他們想要的數據以及發布自己的數據，從而做出一些保護海洋資源環境的決策。

2 概念與標準

2.1 互操作

互操作是SDI的基礎，大型分布式系統中的互操作是指有能力與其他系統交換數據和數據服務?；ゲ僮鞯闹笜酥饕校悍ㄒ?、標準、數據模型、數據傳遞和語義轉換，如表1所示：

描述互操作的5個指標 表1

由于互操作涉及數據與數據服務交換，因此：①在分布式系統內部之間進行數據與數據服務交換，需要該領域法律法規進行監督；②在分布式系統內部，需要對系統節點網絡進行建模工作，用簡單的數據模型表達復雜的系統組成結構；③在數據與數據服務交換的過程中，為了確保交換實時動態數據與數據服務，需要采用網絡服務跟蹤數據與數據服務；④在建立參考模型與傳遞數據時，需要依賴具體的參考模型標準與網絡服務標準；⑤為了防止在交換數據與數據服務時，由于鍵入數據相似語義而檢索失敗的情況出現，需要對數據以及元數據進行相似語義替換，確保系統正常運行。

2.2 SDI基本概念

(1)SDI定義

SDI是指用于采集、處理、加工地理空間數據(或稱地理信息)，并進行管理、維護、分發服務和組織協調的基礎設施體[2]。其包含共同空間因素，并且提供廣泛應用的一般位置服務[3]。從存取和共享的角度，可以從三個方面來理解SDI。

①無須用戶進行數據操作。用戶在SDI中隸屬于服務使用者，使用者在使用SDI提供的數據時，是接觸不到數據的，更加不能進行數據操作。

②數據設置遵循相同的原則，通過基礎設施進行語義共享和檢索。SDI中，為了便于進行數據與數據服務交換，需要在設置數據時遵循相同的原則，并且為了防止鍵入相似語義而出現檢索失敗，需要共享語義。

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

(2)SDI元素

SDI實際上主要分為標準規范、架構實現、技術支持等3個層次[4，5]。其元素可以細分為：使用者、數據、網絡存取、政策和標準，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別，因此可以對SDI進行縱向的級別劃分，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傳遞數據；

④對于不同級別的SDI，其采用的標準一致。

(4)MSDI

海洋空間數據基礎設施(Marine SDI，MSDI)術語可以追溯到2001年，但是它的使用很可能早在1995年的海岸地理信息系統會議上。MSDI同SDI一樣可以進行空間數據的交換和共享，但是他們之間最主要差異在于：SDI更加關注與陸地有關的數據；而MSDI旨在提升海洋主題數據的存取來加強海洋和海岸空間的管理。

2009年，Russell給出了MSDI這個術語一個十分全面的定義：MSDI是國家級SDI的組成部分，它包含了海洋與海岸地理和經濟的信息資源。MSDI建設的主要目的是建立相應的組織和標準，加快海洋空間數據的生產，減少海洋空間數據的重復采集，維護海洋空間數據的現勢性、有效性和權威性，加速海洋GIS的發展[11]。MSDI代表性的內容主要有：河床海洋測深學、地理學、基礎設施、行政合法邊界、保護區、海洋棲息地和海洋學等。但是，并非所有的MSDI都是國家級SDI，因為還有部分MSDI屬于區域級SDI(如Oregon沿海地圖集)和全球級SDI(如全球海洋觀測系統GOOS和Oceans 21)。

2.3 SDI標準

在SDI世界里，SDI建立在網絡服務基礎之上，而網絡服務由OGC(Open Geospatial Consortium，開放地理空間協會)和ISO(International Organization for Standardization，國際標準化組織)聯合規定[12]。因此，SDI依賴標準。其中，主要包括數據標準和參考模型標準，此外，為了數據和服務更加容易被檢索和存取，還需要研究元數據標準。

(1)地理空間標準

1994年，ISO開辦了專門的會議來形成與空間領域有關的國際標準協議，ISO/TC 211是空間地理信息領域有結構體系的標準，旨在建立與地球定位直接或者間接相關的標準。

根據ISO/TC 211的成果建立起來的國際標準191XX系列，如：①19119-服務。在SDI中扮演著重要的角色，因為SDI是分布式服務的集成；②19156-觀察和測量。在MSDI中起著重要作用，因為MSDI的原始數據來自傳感器；③19136-GML(Geography Markup Language，地理信息標記語言)。GML標準規定了空間數據和元數據的存儲格式。

OGC最重要的兩個網絡服務標準是：①WMS(Web Map Service，網絡地圖服務)；②WFS(Web Feature Service，網絡要素服務)。WMS標準返回地圖的空間參考數據，因此，地圖可以顯示動態信息；WFS標準生產矢量數據，如圖像。

(2)元數據標準

元數據，即關于數據的數據，用來描述數據的數據。如果沒有元數據，那么一條現實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中元數據標準也相當重要。

元數據標準最先始于MRAC(machine-readable cataloging)標準；1994年，美國FGDC(Federal Geographic Data Committee，聯邦地理數據協會)提出CSDGM(Content Standard for Digital Geospatial Metadata)；考慮到元數據標準的復雜性與龐大性，1995年創造了Dublin Metadata Core Element Set標準；隨著元數據標準的發展，目前全面的元數據標準是ISO 19115，它定義了地理信息和服務的概要需求，提供了電子地理數據的鑒別、延伸、質量、空間、短暫模式、空間參考和分布等。

(3)參考模型標準

參考模型的使用是建立SDI的輔助手段，因此創建合理全面的參考模型標準十分必要。ISO提出的RM-ODP(Reference Model of Open Distributed Processing，開放分布式處理參考模型)標準能夠全面代表SDI。因為，RM-ODP被用來實現互操作基礎設施的基礎，并且它是ISO定義完善的標準；對于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的信息視角和自動化視角。此外，RM-ODP已經拓展適用成為其他參考模型——ISO 19101、OGC參考模型——的概念基礎。

在RM-ODP中，視角是核心部分，因為不同的使用者在一個系統中有不同的興趣點，所以被用來確認著重于結構和框架的特殊部分。與RM-ODP相類似的標準還有軟件結構“4+1”View Model，也是在視角的基礎上進行描述的，將系統不同的方面分成多數視圖來描述系統結構。

3 參考模型

建立參考模型目的在于定義結構龐大和復雜的有關空間數據基礎設施分布式系統的框架。因此，SDI的實際實現可能需要參考模型的輔助，因為參考模型賦予了SDI的基本框架并且參考模型是SDI的基礎。

現有許多參考模型已經過時。比如PERA(Purdue Enterprise Reference Architecture，普渡企業參考體系結構)；還有某些僅僅使用于特殊領域的參考模型，比如商業模型BPEL(Business Process Executing Language，業務流程執行語言)、RM-SOA(Service-Oriented Architecture Reference Model，面向服務的架構參考模型)。這里就不加以贅述，接下來對現有使用較頻繁的參考模型RM-ODP和GDI-DE做詳細介紹，并比較這兩種參考模型，總結它們之間的關系。

3.1 RM-ODP

視角是RM-ODP的核心部分，用來確認著重于結構和框架的特殊部分。因為與開發者相關的部分不一定與使用者相關，以級別為例：使用者比開發者更關心系統提供給他們的級別，而不是每個級別具體所采用的技術。在RM-ODP參考模型中，可以將參考模型劃分為5個視角，每個視角都有自己具體的內容和使用環境，如表3所示：

WRON(Australia’s Water Resource Observation Network，澳大利亞的水資源觀測網)就是依據RM-ODP建立起來的，被用來實時監測現有和預報未來的水資源狀態從而迎接澳大利亞的水資源挑戰；DERM(Digital Earth Reference Model，數字地球參考模型)是依據RM-ODP視角建立的全球性SDI，旨在自由地在互聯網上提供關于地球的數據。

RM-ODP的視角劃分與使用環境 表3

3.2 GDI-DE

GDI-DE是旨在不同管理、商業、科學水平上改進規定和分配使用空間數據源的德國國家級空間數據基礎設施。為了實現這個目標，GDI-DE試著簡化信息、傳輸和轉換過程，并且將結構劃分為3層(應用、服務和數據存儲)和4個子模型。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，因為它們在整個系統中都提供不同的更詳細的視角。其子模型以及具體內容如表4所示：

GDI-DE子模型及其內容 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據基礎設施參考模型)與GDI-DE一樣也使用子模型，它使用商業模型、結構模型，GDI-DE中的操作模型在GDI-NRW中被劃分為3個子模型：成員模型、過程模型、工具模型?；A設施基本可以劃分為3層：客戶層、服務層、儲存層；SDI Saxon介紹Saxon SDI中的技術、組織和政策關系。與GDI-NRW相比，它使用很少的子模型，對于GDI-DE而言更少的子模型，有：結構模型、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。基礎設施基本可以劃分為3層：客戶層、服務層、儲存層。

3.3 RM-ODP與GDI-DE的關系

在RM-ODP中，根據具體內容和使用環境可以將參考模型劃分為5個視角：商業視角、信息視角、自動化視角、工程視角和技術視角；在GDI-DE中，根據各個模塊的具體內容可以將參考模型細分為4個子模型：商業模型、結構模型、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分，分為3個子模型：成員模型、過程模型、工具模型。根據各個視角和子模型的具體功能，可以得出它們之間一一對應的關系，如圖2所示。

圖2 RM-ODP與GDI-DE的關系圖

由圖可知：

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

②GDI-DE結構模型中涉及的描述技術成分以及其具體功能和各個功能之間的相互關系與RM-ODP信息視角和自動化視角的描述一致；

③GDI-DE結構模型在GDI-NRW中被細分為3個子模型，其中過程模型涉及的工作流以及內部數據描述與RM-ODP工程視角的描述一致；工具模型涉及的現有基本工具的使用與RM-ODP技術視角的描述一致。

4 MSDI控制點數據庫

MSDI可以進行空間數據的交換和共享，旨在提升海洋主題數據的存取來加強海洋和海岸空間的管理。因此，在MSDI中海洋主題數據的存取顯得尤為重要。目前，海洋主題數據的存取主要依托數據庫技術，所以，建立海洋主題數據庫是實現MSDI的必要前提條件。海洋主題數據庫主要包括有：控制點數據庫、驗潮站數據庫、重力基點數據庫與磁偏角數據庫等，以下簡單介紹控制點數據庫[13，14]。

4.1 控制點數據庫與參考模型關系

建立控制點數據庫，可以使獲得、交換和分享控制點數據和信息更加方便。RM-ODP中信息視角描述的是信息的內容、結構和管理，體現在數據庫上即二維表的內容、存儲和組織方式；GDI-DE中結構模型描述的是基礎設施中硬件、網絡和數據庫及其發展和使用。因此，可以得出控制點數據庫與參考模型視角(子模型)之間的對應關系，如圖3所示。

圖3 控制點數據庫與參考模型的關系

4.2 控制點數據庫的建設

海洋大地測量的基本任務是建立和維持國家或區域范圍內的大地基準、深度基準、高程基準、重力基準、磁力基準等各類起算點、起算面和起算數據，而表征這些測繪基準的是據此而建立的各種海洋大地測量標志，如地面控制點標石、覘標、測量墩、海底控制點、浮標等，因此，對測量標志的有效管理和維護是大地測量工作的主要內容之一。

在建立控制點數據庫時，為了更加清晰地描述測量標志的相關信息，分別創建控制點基本信息表(如表5所示)和控制點附件信息表(如表6所示)。其中，基本信息表中包含控制點的詳細信息，即點號、點名、重合點名、測區編號、測區名稱、經度、緯度、類型編號、控制點類型、控制點等級、標志及材料類型、百萬圖幅號、二十萬圖幅號、十萬圖幅號、五萬圖幅號、測量單位、測量時間、托管單位、數據來源、點位說明、控制點狀態、備注、地物編碼、用戶編號和錄入時間等；附件信息表中包含控制點的原始數據來源數字化掃描信息，有附件名稱、附件類型、備注和附件數據等。

控制點基本信息表 表5

續表5

控制點附件信息表 表6

5 結 語

為了更好地了解和利用海洋資源環境，借助海洋主題數據庫，可以提高管理水平。通過MSDI海洋主題數據庫的更新與存取，決策者及時發布實時海洋數據使得大眾用戶可以共享數據，確保海洋資源環境的預見性管理。另外，考慮到：一方面，開源數據可以減輕政府部門發布更新數據的壓力；另一方面，開源數據可以促進個人和企業創造更多有利于社會發展進步的新事物，開源數據越來越受到重視，有關MSDI的專業主題終端應用開發有著良好的前景。