1、中国空间数据基础设施建设（续完）2002 年第 12 期测绘通报文章编号:0494.0911(2002)12.0001.04 中图分类号:P2 文献标识码:B中国空问数据基础设施建设(续完)李德仁,龚健雅,李京伟,王密(1.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北武汉 430079;2.国家基础地理信息中心,北京 100044)EstablishmentofSpatialDataInfrastructureofChina(Part)LIDe-ren,GONGJian?ya,LIJing?wei,WANGMi摘要:空间数据基础设施(SpatialDataInfrastructure,简称 s
2、DI)是指用于采集,处理,加工地理空间数据(或称地理信息),并进行管理,维护,分发服务和组织协调的基础设施体系.介绍了我国国家空间数据基础设施的建立情况,结合全国 1:5 万空间数据库建库技术试验项目,着重分析了目前我国正在进行的 1:5 万空间数据基础设施数据库的组成,数据量,建库的关键问题和基于GeoStar 组件的 1:5 万空间数据基础设施的体系结构.关键词:国家空间数据基础设施;数字中国;设计与实现; 地理信息系统(上接本刊 2002 年第 11 期)五,1:5 万数据库建设中的几个主要关键问题1.海量数据存储和管理随着航空和航天对地观测技术的迅速发展,利用多种星载和机载传感器,人们
3、已经能够(准)实时获取反映地球表面动态变化的,多时相,多波段,多分辨率的对地观测数据.人们获取对地观测数据的时间周期越来越短,分辨率越来越高,数据量也越来越大.虽然用文件管理系统也可以将一定范围内的数据(如幅 ,景等) 按照文件来存储和管理,也可以管理大量的数据,但面对飞速发展的互联网络和用户对空间数据的需求,越来越多的用户希望能通过互联网来查询,浏览,甚至是直接使用空间数据.与此同时,对海量空间数据的存储和管理形式的研究和探索也成为一个重要的研究方面,目前国际上正在发展的采用关系型数据库来存储和管理空间数据的技术和方法.越来越多的研究成果和一些GIS 软件的应用表明,对象.关系型数据库系统是
4、空间数据的存储和管理的有效平台.它不仅使空间数据的管理变得更加有效和便捷,更主要的是采用对象.关系型数据库系统后,可以支持多用户通过网络对空间数据的直接访问,从而扩展了空间数据的应用范围和方式,满足人们在任何时间,任何地点,对空间数据的使用需求.受计算机硬件设备和投资的限制,数据管理单位在短时间内还不能将所有的数据存放在磁盘上,并提供在线服务.因此,1:5 万数据库系统将采用近线存储与在线运行相结合的方式进行数据管理.对成果数据和历史数据,主要以数据文件的形式来存储,而对这些数据文件的管理和调度则可以在信息管理系统中通过数据库系统来实现.只有浏览数据库中供数据检索和浏览的浏览数据,才真正存储在
5、数据库的每条记录中,数据的检索和浏览都是直接从数据库中提取相应的数据.1:5 万数据库系统并不是一个单纯的数据库系统,更不是一个传统意义上的 GIS 系统,而是一个空间数据的管理系统.为保证数据检索和浏览的高效便捷,系统将所有成果数据进行压缩或简化处理后存储在关系型数据库系统中,用户可以在局域网甚至互联网上通过普通的浏览器软件或专用的空间数据浏览器,直接对数据库中的数据进行查询和浏览,这样,用户不仅可以知道有什么样的数据,还可以实时地看到数据的基本形态和概略内容.对于只需要进行简单定位或影像和地图浏览的用户而言,网上的数据在一般情况下也可以作为定位的参考,当用户需要更准确和更详尽的数据时,他可
6、以根据对数据库中的数据检索和浏览的结果,向数据的拥有者提出数据订单,并通过相应的渠道获取他所需要的数据.大量的成果数据是以近线存储的方式保存在磁带库中的.当数据管理部门接到用户的数据订单收稿日期:2002-04.03作者简介:李德仁(1939.), 男 ,江苏丹徒人,武汉大学教授,博士,中国科学院院士,中国工程院院士.主要从事测量误差理论与处理方法研究,以 3s 为代表的空间信息科学与多媒体通讯技术的科研和教学工作 .2 测绘通报 2002 年第 12 期后,数据库管理员按照用户要求的数据种类,范围,格式等从磁带库中取出相应的成果数据,进行必要的加工处理后提供给用户.这个过程可能需要几个小时,
7、也可能是几天.同时,对历史数据的存储和管理也是系统考虑的一个重要方面,系统也采取近线或离线存储的方式保存在磁带库或磁带中,通过增加数据时间标记的方法,使用户同样能检索和获取同一地区不同时间的数据.虽然目前采用关系型数据库系统对海量空间数据进行存储和管理还局限在只能对磁盘上的数据进行直接操作,但随着计算机软硬件技术的不断发展,对空间数据的管理也必将延伸到可以直接操作磁带库中的数据.由于国内尚没有商品化的大型数据库系统软件,因此数据库系统软件将在国外几个主要数据库软件系统中选择,如 Oraele,SQLServer,DB2 等.而数据的管理信息系统和数据加工,数据浏览软件,则将按照系统设计的要求,
8、在国产软件的基础上进行开发.对国内外 GIS 软件中一些较好的功能模块及工具软件,将直接应用.目前,Oraele 数据库软件在大型数据库系统应用中,占有较大的市场份额,而且具有良好的发展潜力.2.空间数据的投影和坐标系统我国 1:2.5 万至 1:50 万地形图,规定采用 6.分带的高斯投影.该投影中央经线和赤道被投影为相互垂直的直线,且为投影的对称轴;投影属等角性质;中央经线投影后保持长度不变.投影中长度变形最大为 0.138%,面积变形最大为 0.276%.如果将分带高斯投影的结果展绘在一个平面内,则各投影带之间会有一定宽度的裂隙.两投影带间的裂隙在我国最北部(北纬 54.)约为 275k
9、m,在中部地区(兰州市,北纬 36.)约为 127km,而在南部(海南岛南端,北纬 18.)为 32km.对于栅格数据,通常的数据处理中都是设定每个像元所代表的实地面积在一定范围内是相同的.如果按照经纬度投影,每个像元所代表的实地面积会随纬度的增加而减少,反映在影像上的变形也会随纬度的增加而增大,这对诸如面积计算等的数据处理工作造成了很多不便.针对 1:5 万数据库的特点和应用需求,对投影和坐标系统,在设计时考虑的一个主要问题是如何实现多种数据间互相叠加显示和方便用户对数据的使用.虽然在理论上可以实现多种投影和坐标系统间数据的转换和叠加,但这种转换对栅格数据来说是不可逆的,因为像元灰度值的改变
10、是无法还原的.成果数据和历史数据一般是按照其生产时所采用的投影和坐标系统进行保存,而浏览数据则可根据需要采用适当的投影和坐标系统.系统计划将各分投影带建立的独立直角坐标系统统一到一个平面直角坐标系统中,各投影带内的每个像素所代表的实地面积相同,每个像素在该直角坐标系统中都有惟一确定的位置.通常,在计算机上浏览 1-5 万尺度的数据时,如果要看清数据的内容,其视窗范围不会大于一幅 1:5 万图的范围,因此,只要处理好每个投影带内各图幅的接边,并实现跨投影带时视窗内容的快速切换,就可以达到对数据进行无缝浏览的目的.如果用户需要浏览大范围的数据时,系统将提供小比例尺的数据,如 1:25 万,1-10
11、0 万 ,1:400 万等,因为在建立 1-5 万数据库的同时,还要建立 1:25 万,1-100 万,1:400 万级别的浏览数据库.每级浏览数据库所采取的数据组织策略和所采用的投影坐标系统将根据数据检索和数据浏览的需求来制定,例如,1-100 万和 1-400 万的浏览数据库将采用等角圆锥投影,不再分带和分幅,以实现数据检索的高效和数据浏览的无缝漫游.3.数据压缩随着计算机技术,影像获取和处理技术的迅猛发展,使人们不仅需要不断地接收和处理数据量呈几何级数增长的影像数据,而且影像数据的存储和管理也随着数据量的增加而变得愈来愈重要.大数据量的影像文件,对数据存储设备的容量,数据传输速度,提出了
12、更高的要求.随着存储容量的扩充和存储配置复杂性的增加,数据存储管理的费用将成倍地增加.虽然每兆字节数据的存储费用,已经随时间的推移而大幅度的降低,但数据量的增长幅度远大于数据存储综合费用的减低,而且人们对海量数据存储系统的性能要求(如数据存人取出速度,操作便利性等)也越来越高,结果使人们在存储系统方面的支出非但没有因单位数据量存储费用的降低而减少,反而比以前有较大幅度的增长.为了减少数据(特别是影像数据)在存储和处理时所占用的存储空间,提高数据的传输效率,人们在不断地研究和改进对数据进行压缩的技术和方法.对于影像数据而言,许多图像文件格式都采用压缩技术以减少位图图像数据所需的存储空间.影像压缩
13、是指在基本不影响影像的视觉和使用效果的情况下,采用一定的技术手段和压缩算法,将影像文件的尺寸压缩到原文件大小的几分之一或几十分之一,以节省存储空间和方便传输.压缩技术以是否去掉影像的细节和颜色分为无损压缩技术和2002 年第 12 期测绘通报 3有损压缩技术.无损技术对影像数据进行压缩时不去掉影像细节,有损技术通过去掉影像细节来压缩图像.目前,用无损技术对影像数据进行压缩后,数据量一般可压缩到原数据量的 1/21/5,而有损压缩技术则可将影像数据文件尺寸压缩到原来的 1/101/50.在通常情况下,对原始成果数据应采用无损压缩技术进行压缩存储,以减少存储空间,降低数据的存储和管理费用,同时保证
14、影像数据中像元灰度值的准确性.而供检索和浏览用的数据(即上面提到的运行库中的数据),则可采用有损压缩技术,大幅度地减少数据存储所占用的空间,提高数据检索和浏览的速度.小波压缩技术是目前比较好的压缩方法,压缩倍率高,影像的目视效果较好.采用无损技术或有损技术对影像数据进行压缩,取决于数据的用途和用户的要求.例如,在进行数据检索和浏览时,用户不会苛求影像的细节,即使经高倍(有损)压缩后的影像与原始影像有较大的差异,也不会影响数据的浏览;如果将影像作为背景使用,则强调的是影像的目视效果,用户对影像的整体色彩和细节要求较高;但当用户要用影像进行土地覆盖分类时,则应该使用未经(有损)压缩处理的原始数据.
15、1:5 万数据库系统暂不对保存的成果数据进行压缩处理,但当成果数据量超过一定限度时,也要适当考虑采用有损技术对成果数据进行压缩处理,以减少数据存储所占用的空间.而对浏览数据,在满足视觉要求的前提下,可以利用高效的压缩软件进行压缩处理,以最大限度地减少其所占用的存储空间,减少数据传输的时间,提高查询检索的速度.对压缩软件的要求,主要体现在两个方面:一是数据压缩后的质量,二是软件的实用性和压缩.解压缩速度.这里所说的数据压缩质量是指在同等压缩倍率情况下,压缩后的影像在目视效果,像元灰度值的变化等方面的对比.而软件的实用性,则是指软件使用的方便程度,压缩效率,压缩和解压缩过程的简繁,可否嵌人到其他软
16、件或系统中使用等方面的特性.4.数据检索及可视化对空间数据的检索目前主要有 2 种途径,一种是按照地理范围,另一种是按照空间实体对象(目标).1:5 万数据库系统应能根据用户指定的地理区域,如经纬度,高斯坐标范围,图幅编号,行政区划范围等,检索出数据的内容及相关信息,还可以根据数据部分属性信息进行检索,如居民地名称,元数据内容等.但系统不提供按空间目标及属性进行查询检索的功能.在 1:5 万数据库系统中,用户在检索数据的同时,不仅可以实时地看到数据的概貌,还能进行多种数据的显示和相互叠加.例如,DRG 与 DOM 叠加时,用户可以选择将 DRG 中部分颜色的内容叠加到 DOM 上,增强 DOM
17、 的可判读性;DOM 与 DEM叠加时,用户则可以看到叠加有真实影像的 3 维景观,并可进行漫游;而对用卫星影像制作的 DOM,用户甚至可以选择不同波段组合进行的彩色合成,如TM5-43 或 TM7-43 等.这样可以提高用户订购数据的方便性和准确性,提高数据服务的质量.同样,如果数据检索系统对用户是开放的,则用户可以在互联网或局域网上使用通用的浏览器直接进行数据的查询检索和浏览,而数据的可视化将可以为更多的用户和普通人提供更加便捷的空间数据服务,因为对多数用户来说,更多的时候需要的是对空间数据的浏览,而并不需要下载数据,即用户更多的需要是服务,数据检索系统就是提供这种服务的一个有效手段.5.
18、数据失效与信息安全今天,计算机的应用越来越广泛,但使用计算机系统处理日常业务在提高效率的同时,也产生了新的问题,即数据失效问题.造成数据失效的原因大致可以分为 4 类:自然灾害,硬件故障,软件故障(计算机病毒即属于软件故障),人为原因(包括误操作和恶意破坏).其中,软件故障和人为原因是数据失效的主要原因.从表现形式上看,数据失效可分为 2 种:一种是失效后的数据彻底无法使用,这种失效被称为物理损坏(physicaldamage);另一种是失效的数据仍可以部分使用,但从整体上看,数据之间的关系是错误的,这种失效被称为逻辑损坏(1ogicaldamage).常见的几种物理损坏包括:电源故障,存储设
19、备故障,网络设备故障,自然灾害,操作系统故障,数据丢失等.物理损坏造成的后果比较明显,容易发现,相对来说容易排除.常见的逻辑损坏包括:数据不完整即系统缺少完成业务所必需的数据;数据不一致即系统数据是完全的,但不符合逻辑关系;数据错误即系统数据是完全的,也符合逻辑关系,但数据是错误的,与实际不符.逻辑损坏隐蔽性强,往往带有巨大的破坏性,是造成损失的主要原因.数据安全主要是指在计算机网络环境下的数据及其系统的安全问题.对数据安全构成的威胁表现为 2 个方面:一是对数据本身,即对数据的窃取,伪4 测绘通报 2002 年第 12 期造和破坏;二是对数据载体即计算机网络系统的破坏.归纳起来,当前对数据及
20、计算机系统造成的破坏有:非法访问破坏(黑客攻击),计算机病毒,不良信息的侵人,机密信息的泄露,破坏信息系统和网络资源,造成系统和网络瘫痪等.对于数据存储的安全,更多的是依靠物理措施,通过数据备份,数据异地存放,建立分布式系统,增强数据存放地的防火防盗措施等方法来提供保证.当数据出现损毁时,只要启用备份的数据或系统,就可以在很短的时间内恢复提供数据的能力.而在线数据和网络的安全,则更多地要依靠技术手段来保证.一要防止黑客对网站的恶意攻击,如非法登录,删改数据,破坏系统,阻塞网路等,采取必要的措施,尽可能减少和避免恶意攻击对系统所造成的损害.二要提供尽可能好的数据库和网络系统,以满足尽可能多的用户对系统的正常访问,使用户“ 进得来 (网站),找得着(信息),看得见(数据)“.三要不断对系统进行技术改造,及时进行数据更新,提高数据检索和浏览性能.Olacle 数据库管理系统具有良好的用户管理,权限管理,系统备份等安全机制,可以有效地防止不合法的使用所造成的数据泄露,更改和破坏.六,全国 1:5 万空间数据基础设施的体系结构随着地理信息系统和数据库技术的不断发展,通过对大型商用数据库进行扩展来管理图形,属性和影像数据是空间数据库发展的一个主要方向.近几年,数据库厂商开始自选开发空间对象关系数据
