国土资源空间数据交换模型研究与应用

张伟[1]，宋拥军，王峰，孙久虎

(山东省国土测绘院，济南，250013)

摘要：要真正实现国土资源空间数据共享，需要解决空间数据转换的问题，本文分析了现有的空间数据转换方式，分别阐述了两种国土资源空间数据交换模型，依据这个模型建成了数据交换系统，并发布了数据交换web服务，实现了网上的数据交换。最后，本文介绍了这一模型在济宁数字国土项目中的应用，有效的促进了国土资源空间数据的整合与共享。

关键词：国土资源空间数据;VCT;GML;数据交换;Web Service

Application and Research on land resources spatial data exchange model

ZhangWei, SongYongjun , WangFeng, SunJiuhu

Shandong Provincial Land Surveying and Mapping Institute, Jinan, China, 250013

Abstract: To carry out the share of land resources spatial data really, it needs to resolve the problem on the space data conversion. This text analyzed the way that the existing spatial data conversion and it elaborated two kinds of resources spatial data conversion model. Based on this model, we made a conversion model system. This system released exchange data web service, carrying out the data exchange on the web. Then, this paper described the application of this model in Digital Jining land project, promoting share and conformity of Land resources spatial data effectively.

Key words: Land resources spatial data; VCT; GML; Data translation; Web Service

1 引言

目前地理信息系统平台众多，不同机构、软件厂商之间缺乏统一的数据标准来遵循，各自采取的空间数据格式和存储策略不同，造成了空间数据对GIS系统的完全依赖，相互间无法兼容，从而导致数据共享困难、信息不流通等现象。而且许多厂家出于技术垄断与商业利益的考虑，采用二进制文件来存储空间数据，有的还对数据进行加密处理，格式对外不公开，从而造成了大量的信息“孤岛”的存在，为信息的交互、共享与整合设置了更多的人为障碍，严重阻碍了GIS的发展与应用。

要真正实现国土资源空间数据共享，必须解决分布式空间数据多格式问题，这就有必要进行空间数据的转换，通过GIS数据之间的无缝交换，可以达到数据共享的目的。传统的空间数据格式转换是两种系统之间的数据进行直接单向转换，但是，由于缺乏对空间对象的统一描述，转换后不能准确表达原数据的信息，转换过程复杂。一个系统的数据，首先需要把数据文件输出为另一个系统所能识别的交换格式数据，然后，另一个系统再将交换格式数据转换为本系统的内部格式，要经过2～3次转换^{[1] [2]}。

间接转换通过被广泛认可的交换格式作为中间桥梁。交换格式一般为文本格式，常常是国家标准格式或标准化组织制定的公认格式，如美国空间数据转换标准(Spatial Data Transfer Standard，SDTS)格式，我国的地球空间数据交换格式(Chinese Geo—Spatial Data Transfer Format，CNSDTF)，以及国际上开放地理信息系统联盟(OGC)组织，制定空间信息编码的标准和规范，提出了地理标记语言(Geography Markup Language，GML)等。

下面我们分别阐述了基于VCT的数据交换模型和基于GML的数据交换模型，并且进行了模型的程序实现，最后发布了数据交换Web服务,并将其应用到济宁数字国土项目中。

2 基于VCT的数据交换模型

为了促进GIS空间数据共享，提高数据的利用率和使用成效，我国于1999年发布了中华人民共和国国家标准《地球空间数据交换格式》(简称CNSDTF)^[3]。土地利用矢量数据交换格式(以下简称VCT格式)是《地球空间数据交换格式》的子集，对土地利用数据进行了细化和定义，规定了土地利用要素的分类代码、数据分层、数据文件的命名规则，空间几何数据与属性数据的结构及元数据的格式等。

目前，国土行业有大量数据以国家空间数据转换标准的格式存储着数据，多数的国产GIS软件都提供了VCT的接口，这样使用VCT作为国土行业矢量数据转换的标准成为了可能。

2.1 VCT特点

VCT是土地利用空间数据交换格式的矢量数据交换格式部分，VCT格式的矢量数据由几何图形数据和属性数据组成，几何图形数据分为点状要素、线状要素、面状要素3类。几何数据和属性数据通过目标标识码(关键字)连接，任何一个几何对象采用的属性数据结构可以通过在几何对象上添加要素类型编码来说明。VCT格式共包括6部分。第一部分为文件头；第二部分为层类型参数；第三部分为属性数据结构；第四部分为几何图形数据；第五部分为注记；第六部分为属性数据^[3]。

2.2基于VCT交换格式的互转模型

GIS行业软件大都采用不同的数据结构和格式，其格式有公开、半公开或不公开的，用户在不同图形平台或GIS平台上使用同一数据受到了极大的限制，同时由于数据标准、使用的数据平台和对数据模型理解的不同，都大大减缓了空间信息共享的进程，使我国存在着大量的重复生产和开发等浪费现象。中国《地球空间数据交换格式》(CNS—DTF)标准的制定和推出，较好地解决了国土行业数据交换和信息共享的瓶颈问题。

目前，中国国土部门用于土地利用数据建库的GIS国产软件主要有中地“MapGIS”、瑞德“Rdms”、地星“LandStar”(基于Cad系统)，这些国产化的软件都提供了与土地利用矢量数据交换文件VCT(以下简称VCT)的接口。如果在数据转换模式中引入VCT文件作为中间的交换格式，就能够有效地减少转换过程中的信息损失，提高数据产品的精度与质量^[4]。

将某一基本格式的数据转换成VCT文档时，程序先将读取的数据项放入VCT的内存数据结构中，然后写入VCT文件；逆向转换时，则先读出VCT文档的各个字段，写入VCT数据结构，再解析数据结构的内容，生成目标格式文件。实际进行数据的转换时，我们一般不把数据写入VCT文件中，将其映射到内存中，构成VCT文件内存对象，这样数据交换时效率会大大提高。

VCT内存对象只是为数据交换系统搭建了数据中转仓库，起到了一个中间桥梁的作用，系统还需要对数据格式的读取来实现转换。利用接口技术，我们编写VCT的转换接口，然后实现某一种GIS数据格式和VCT数据格式之间的双向转换。

例如：SHP数据到E00的转换接口

Public Boolean SHP2E00(String inShpName，String outE00Name)；

在该接口的实现过程中又调用了SHP2VCT和VCT2E00两个接口，接口之间使用VCT内存对象通信，这样最终完成SHP到E00的转换。

3 基于GML的数据交换模型

基于VCT的数据交换方式有其局限性，如上节提到的，不同的国家和国际组织纷纷制定自己的空间数据交换标准，这就使得只有同一数据交换标准的系统才能享用这种方式的优势。而不同数据交换标准的系统间的数据交换仍没有得到改善。基于这种现状，开放地理系统信息联盟(OGC：Open GIS Consortium)推出了一个基于OpenGIS的数据模型和XML空间数据交换格式GML，它得到了业界的广泛支持，并将成为国际上流行的数据交换标准。

基于GML空间数据交换模型，就是将网络中多源异构的空间数据利用GML的统一空间数据模型描述。GML标准交换格式对空间数据进行了规范化、标准化的描述，弥补了传统的数据格式转换方案中没有一种完善的描述空间对象的标准这一不足，这是实现空间数据共享的一个新的途径。同时，该方法也满足分布式异构空间数据集成所需具备的可互操性、可移植性、可扩展性等要求。采用这种转换方法，不仅避免各GIS软件平台之间数据转换的信息损失，而且还可在网络中方便传输，实现了一次转换多次使用的目的。

3.1 GML特点

国际OGC(Open GIS Consortium)组织制定的GML(Geography Markup Language)为GIS数据的存储传输以及数据的转换提供了一套地理信息的XML编码标准。OGC的抽象规范(Abstract Specification)规定GML是如何对现实世界进行描述的，GML使用地理要素(Feature)来描述地理世界。一个地理要素被定义为“从真实世界中提取出来的，与地球上的某一位置相关的事物”。要素的状态是由一系列的属性来定义的，每一个属性都是一个包括{名称name，类型type，值value1的三元组。地理要素就是具有几何属性值的要素。因此，对整个真实世界的数字表示就可以认为是一系列的要素集合。按照OGC的简单要素模型网，GML提供了以下几种类型的几何元素类型：Point、LineString、LinearRing、Polygon、MultiPoint、MultiLineString、MultiPolygon、MultiGeometry，此外，还有和元素对描述坐标，还有一个元素来定义范围。在GML中，任何一种几何类的实例的坐标都可用一系列包含、元素的元素或者包含在一个元素的字符串来表示。使用元素的优点在于可以使得XML的解析器进行基本的类型检测，以及对坐标对数目的约束。两种方式都可以表达一维、二维或者三维的坐标。

GML是基于XML的地理标记语言，专门用来存储和传输空间数据。GML表达知识，传递地理数据，不仅跨越了平台，还跨越了空间，跨越了设备，便于数据的Web发布。具有以下特点^[5]：

1)自描述性：GML中的语义标识限定了元素的层次结构，其他系统能直接对这些自描述的文件中的数据进行操作；

2)GML是一个开放的基于文本的格式，它可以和HTML一样使用现有的网络通讯协议进行传送，不需要对现有的网络通讯协议进行变化；

3)GML能描述不同复杂程度的数据，可以用一种统一的数据模型描述来自不同数据源的数据，屏蔽数据源中应用环境和数据结构的异构性；

4)可扩展性：XML可以在不破坏现有结构和系统的情况下增加新的数据字段；

5)开放性：W3C制订的XML标准，它不依赖于任何一家公司，而且许多软件开发平台都支持XML的应用，因此也就开拓了GML的开放性的潜能；

6)GML具有与平台无关性，GML文档是纯文本，独立于平台，所以GML可以脱离具体应用而自行描述存储在异构环境中的各种数据，其它系统能直接对这些自描述的GML文件中的数据进行操作。因此，它将成为跨平台数据交换和操作的标准模式，实现异构数据源集成中数据的互操作性。

3.2 基于GML的空间数据交换模型

遵守GML推荐的规范，利用GML提供的基本模型，可以比较容易地构建面向对象的数据模型，这种描述方法可以清楚地表示地物的属性信息和几何信息，简洁地描述地物之间的拓扑关系，突出了面向对象数据模型易于理解和描述的特点。同时基于GML的数据交换模型也是实现数据共享的重要途径。

通过对GML文档的分析，我们提出基于GML的空间数据交换模型，使用GML作为空间数据交换的标准格式，如图2基于GML的数据交换过程所示。任何两个GIS系统间的空间数据交换只需两次转化，且一个GIS系统仅需开发一个数据转换程序，实现其内部空间数据与GML格式的数据间的相互转换，就能实现与其他任何GIS系统间的数据交换。

图2 基于GML的数据交换过程

3.3 基于GML数据交换系统实现

基于GML的数据交换的过程主要包括三个步骤：对空间数据的读写，空间数据到GML的语义映射，对GML文档的解析。

空间数据的读写接口定义了对常用数据的读写方法，需要对数据格式有充分的理解，读出的数据内容，我们使用GML内存对象来存储和描述空间数据。对于空间数据的读取主要包括五个部分：(1)空间数据的头文件，包括坐标系、投影等信息；(2)空间数据的属性字段定义，包括属性项的名称、长度、类型等信息；(3)属性数据信息；(4)几何数据信息；(5)拓扑关系信息；(6)注记信息。对于这些空间信息，GML文档恰好能完整的存储和描述这些信息，GML封装了地理信息及其属性，获取各种常见数据的各类信息，依照语义映射关系，将各类信息组织到GML内存体中。

要将以GML格式描述的空间数据提供给用户，就需把结果生成XML文件或数据流，而若要获取其中的数据，就要解析XML。我们实现DOM解析器标准接口来进行GML的读写，先将XML文件以树形结构读入内存，再处理树中的各个节点。

4 应用实例

4.1 数据交换系统

本文的数据交换模型应用到了济宁数字国土项目中，我们开发相应的数据交换程序，实现了国土资源空间数据的交换，中间交换格式可以自由选择，对于土地、地质、矿产等资源数据之间的交换，我们采用基于VCT格式的来进行数据的交换，对于国土资源空间数据与其它空间数据的交换，采用通用的基于GML的交换方式。如图3 数据交换模型界面，数据交换原型系统实现了多种GIS数据格式之间的互相转化，保证数据转换过程数据的完整性，实现了数据的共享。中间交换格式可以选择GML或者VCT。系统目前支持的数据格式为ESRI的ShapeFile文件和E00文件、MapInfo的mif文件、AutoCAD的DXF交换格式文件、OGC标准组织的GML文件。

图3 数据交换模型界面

4.2 数据交换Web服务

由于Web Service技术在通过Web进行远程调用或互操作时最为有效，因此，采用Web Service来实现空间数据转换的服务。通过Web Service，Internet上的用户，可直接调用或在自己的应用程序中调用空间数据交换服务，完成相应的功能，实现空间数据共享。

Web服务的过程：首先，客户端应用程序通过网络向UDDI查找Web Service空间转换服务，如果存在，则返回WSDL文档URL，紧接着客户根据URL请求WSDL文档资料，Web应用服务器返回WSDL文档，并定位Web Service；客户端通过网络请求服务说明，阅读Web Service提供的接口说明，查看是否有需要的空间数据转换服务，最后，客户端应用程序通过HTTP，XML，SOAP协议向服务器请求Web Service，服务器执行Web Service方法并返回响应结果。

系统发布数据转换Web服务，向外提供WSDL标准文档及其URL。创建Web服务的接口，在Web服务器上部署数据转换Web服务应用程序，Web服务创建好后将其发布到互联网。对外接口提供了三个参数，包括交换的数据路径或二进制流、数据交换中间格式、数据的转出格式。如图4数据交换Web服务的演示页面，用户可在网络上进行数据交换。

图4 数据交换Web服务界面

5 结语

基于VCT或者GML进行国土资源空间数据交换，是空间数据共享的一种较为低级的方案，需要进行数据间的转换才能完成GIS软件之间的数据共享。VCT作为国土资源部行业标准，能够满足国土资源空间数据实际工作的需要；具有较强的操作性和实用性，对于国土资源空间数据数据与国际通用格式的转换可采用基于GML的数据交换方式。将转换后的数据交换应用程序通过Web Service发布出去，实现了在GIS用户在网上的数据交换，同时也为空间数据互操作提供了接口，用户可以在已有的系统远程调用数据交换接口，来进行数据的交换。

VCT或者GML定义的数据模型，对于数据的几何类型和缺省的颜色，没有确定具体的地图符号系统，转换时需要重新符号化，另外对于拓扑信息的支持还不够。GML或者VCT规范内容丰富，结构复杂，版本还在不断更新中。随着标准的推行和应用的深入，对数据交换的支持还需要进一步扩展和完善。

使用Web Service实现空间数据转换服务的方法和关键技术，为实现Web上国土资源空间数据的共享与互操作做了初步的探讨。当前，互联网技术正逐步进入一个开放、标准和跨平台的时代，相信在未来的应用中，完全可以利用Web Service规范来构建一个网络地理服务系统，届时，人们将能够更方便的获得各种地理信息网络的服务。

参考文献

[1] 李红玥,张献洲等.常用GIS数据转换方式的比较研究[J].铁路航测.2003.1:8-11.

[2] 王刚武.GIS空间数据转换方法探讨[J].广东土地科学.2004.3(1):36-39.

[3]  GB／T17798—1999.中华人民共和国国家标准《地球空间数据交换格式》[S].北京:中国标准出版社,1999.

[4] 鲍文东,邵周岳等. 土地利用矢量数据交换文件VCT和Mapinfo数据格式的转换研究与实现[J].山东农业大学学报(自然科学版),2007.38(1):103—110.

[5] 于雪芹,李建松,等.基于GML的空间数据转换方法研究[J].地理空间信息.2005.3(5):23-25.