張?jiān)鼋?王海波,奚 歌,陳 斐,鄧媛媛

(國(guó)家海洋信息中心海洋信息產(chǎn)品研發(fā)部 天津 300171)

海洋數(shù)據(jù)的空間化整合流程解析*

張?jiān)鼋?王海波,奚 歌,陳 斐,鄧媛媛

(國(guó)家海洋信息中心海洋信息產(chǎn)品研發(fā)部 天津 300171)

研究海洋數(shù)據(jù)空間化整合是實(shí)現(xiàn)海洋信息綜合利用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。文章構(gòu)建了海洋數(shù)據(jù)空間化整合的基本框架結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了海洋數(shù)據(jù)的空間化整合的技術(shù)流程,從標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、質(zhì)量控制體系建設(shè)出發(fā),解析了海洋數(shù)據(jù)空間化整合各項(xiàng)內(nèi)容。

GIS技術(shù);海洋數(shù)據(jù);空間化整合;空間信息庫(kù)

1 引言

根據(jù)信息專家的統(tǒng)計(jì)分析,當(dāng)今政府機(jī)關(guān)的綜合業(yè)務(wù)管理和輔助決策活動(dòng),80%以上與空間定位和空間輔助決策相關(guān)。地理信息作為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人文及各種專題信息的載體和平臺(tái),更好地展示了這些信息的內(nèi)容和空間分布情況,便于快捷地提取有用數(shù)據(jù),可以更加生動(dòng)、直觀地顯示信息分析結(jié)果,在信息資源的集成、處理、分析和應(yīng)用中起到了獨(dú)特的作用,被廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展、國(guó)家安全和公眾生活的各個(gè)方面,為政府領(lǐng)導(dǎo)科學(xué)決策提供了有效的支持?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)是隨著地理信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的數(shù)據(jù)庫(kù)新技術(shù),它是地理信息系統(tǒng)的重要組成部分,是其他應(yīng)用部分的前提和基礎(chǔ)[2]。而在地理信息系統(tǒng)(GIS)中,空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)卻是一項(xiàng)非常繁重的基礎(chǔ)性工作,通常要占整個(gè)工程75%的工作量[1-2]。海洋信息是開(kāi)發(fā)海洋和建設(shè)海洋的基礎(chǔ),它在我國(guó)政治、經(jīng)濟(jì)、軍事和維護(hù)國(guó)家權(quán)益方面都具有舉足輕重的地位,新中國(guó)成立以來(lái)國(guó)家各有關(guān)部門(mén)、地方對(duì)海洋調(diào)查投入了大量的人力、物力和財(cái)力,取得了極為豐富的資料和數(shù)據(jù)[3]。這些資料和數(shù)據(jù)包括Text文本數(shù)據(jù)、Excel數(shù)據(jù)、Oracle數(shù)據(jù)表、SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)表、mapinfo數(shù)據(jù)、shapefile數(shù)據(jù)以及各種類型的遙感影像數(shù)據(jù)等。對(duì)這些由海、陸、空各種調(diào)查手段獲得,涵蓋氣象、水文、生物、化學(xué)、地質(zhì)、地球物理等眾多學(xué)科,采用不同格式、不同數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ),定位基準(zhǔn)不一,表達(dá)方式多樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間化信息庫(kù)建設(shè)是一項(xiàng)極為復(fù)雜的工作。這項(xiàng)工作首先要求的是對(duì)各類數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的流程進(jìn)行空間化整合,形成定位基準(zhǔn)統(tǒng)一、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與表達(dá)統(tǒng)一、數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集與產(chǎn)品集。本研究將對(duì)海洋數(shù)據(jù)的空間化整合流程作初步探討與解析。

2 空間化整合

關(guān)于空間化整合,目前仍然沒(méi)有公認(rèn)的定義。根據(jù)其側(cè)重點(diǎn)不同,Shepherd I.D.H將其分為GIS功能觀點(diǎn)、簡(jiǎn)單組織轉(zhuǎn)化觀點(diǎn)、過(guò)程觀點(diǎn)、關(guān)聯(lián)觀點(diǎn)等[4]。David等認(rèn)為數(shù)據(jù)整合應(yīng)包括普通數(shù)據(jù)集的重建模過(guò)程,不是簡(jiǎn)單地把不同來(lái)源的地學(xué)數(shù)據(jù)合并到一起[5]。周成虎等認(rèn)為數(shù)據(jù)整合是指不同來(lái)源、格式、特征的地學(xué)數(shù)據(jù)邏輯上或物理上的有機(jī)集中[6]。在數(shù)據(jù)整合的實(shí)現(xiàn)機(jī)制上,主要有Mediator/Wrapper整合機(jī)制、A-gent整合機(jī)制、P2P整合機(jī)制以及數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)整合機(jī)制等[7-8]。張梅蘭等對(duì)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行了加工、整理與集成,采用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)整合機(jī)制,進(jìn)行了區(qū)域地理空間數(shù)據(jù)整合技術(shù)研究[9]。

本研究提及的海洋數(shù)據(jù)的空間化整合,是為了將空間定位標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)以及信息交換標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的各類海洋數(shù)據(jù)信息,經(jīng)空間定位標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換,經(jīng)地理信息空間化、標(biāo)準(zhǔn)化整合,形成一體化組織的地理空間信息,能夠在各種通用的GIS平臺(tái)之上進(jìn)行統(tǒng)一的展示與分析,便于獲取與處理,便于高效實(shí)用。簡(jiǎn)而言之,空間化整合是從數(shù)據(jù)的時(shí)空組織、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)定位標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)交換接口等各方面入手,對(duì)現(xiàn)有的海洋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一化與標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程。

3 海洋數(shù)據(jù)空間化整合框架結(jié)構(gòu)

圖1為海洋數(shù)據(jù)空間化整合框架結(jié)構(gòu),左側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè),右側(cè)為質(zhì)量控制體系建設(shè),中間為數(shù)據(jù)整合流程。標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)為海洋數(shù)據(jù)空間化整合的根本約束,為多源異構(gòu)數(shù)據(jù)整合形式的統(tǒng)一提供行為規(guī)范;質(zhì)量控制體系建設(shè)為海洋數(shù)據(jù)空間化整合的根本保障,嚴(yán)控多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的質(zhì)量;數(shù)據(jù)整合流程為海洋數(shù)據(jù)空間化整合的核心,它一方面引入標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的各類標(biāo)準(zhǔn),為海洋數(shù)據(jù)空間化整合提供參考;另一方面嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量控制體系的各類質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),為海洋數(shù)據(jù)空間化整合的各個(gè)步驟提供質(zhì)量保障。

圖1 海洋數(shù)據(jù)空間化整合框架結(jié)構(gòu)

4 海洋數(shù)據(jù)空間化整合流程解析

4.1 標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)

標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)是海洋數(shù)據(jù)空間化整合的基本參考,只有完成了標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè),使數(shù)據(jù)整合工作有 “法”可依,才能避免整合工作的重復(fù)性勞動(dòng),才能使整合結(jié)果的形式、代碼、結(jié)果輸出、可視化表達(dá)等更加統(tǒng)一。標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)通常來(lái)講,包括命名規(guī)范、數(shù)據(jù)格式規(guī)范、實(shí)體代碼規(guī)范、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)字典標(biāo)準(zhǔn)、要素編目標(biāo)準(zhǔn)、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、共享分類體系標(biāo)準(zhǔn)、圖示圖例規(guī)范等。

命名規(guī)范用來(lái)指導(dǎo)數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)字段、關(guān)聯(lián)關(guān)系、符號(hào)庫(kù)等的命名,為海洋數(shù)據(jù)空間化整合結(jié)果的命名提供依據(jù)。

數(shù)據(jù)格式規(guī)范用來(lái)規(guī)范原始數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫(kù)輸入、數(shù)據(jù)庫(kù)輸出、數(shù)據(jù)交換等內(nèi)容,為海洋數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)提供依據(jù)。

實(shí)體代碼規(guī)范用來(lái)規(guī)范沿海地區(qū)、海島、海底地形、港口、漁場(chǎng)等數(shù)據(jù)中實(shí)體代碼的編制,實(shí)現(xiàn)對(duì)象的邏輯化表達(dá),保持代碼的各行業(yè)一致性。

質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)用來(lái)作為質(zhì)量控制體系建設(shè)的依據(jù),規(guī)范表格類、要素類、遙感影像、數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)關(guān)系等的質(zhì)量控制對(duì)象與方法。

數(shù)據(jù)字典標(biāo)準(zhǔn)用來(lái)規(guī)范數(shù)據(jù)空間化整合數(shù)據(jù)字典的具體內(nèi)容。海洋資源信息庫(kù)要素與屬性分類代碼數(shù)據(jù)字典編寫(xiě)的內(nèi)容、格式、方法及其技術(shù)要求。

要素編目標(biāo)準(zhǔn)用來(lái)規(guī)范數(shù)據(jù)空間化整合要素類編目的具體內(nèi)容,以建立海洋信息要素類目錄,應(yīng)用于信息服務(wù)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域。

元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)用來(lái)規(guī)范數(shù)據(jù)空間化整合元數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容,建立完整的海洋信息元數(shù)據(jù),應(yīng)用于信息服務(wù)與檢索等領(lǐng)域。

共享分類體系標(biāo)準(zhǔn)用來(lái)規(guī)范數(shù)據(jù)的共享分類,確保數(shù)據(jù)共享安全、通暢,滿足面向用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)的基本需求。

圖示圖例規(guī)范用來(lái)規(guī)范海洋資源和環(huán)境要素圖形可視化、空間表達(dá)和空間制圖,主要應(yīng)用于海洋資源和環(huán)境要素空間化建庫(kù)、圖示和空間可視化表達(dá),海洋資源和環(huán)境要素地圖設(shè)計(jì)制作,電子地圖和地理信息系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域。

4.2 質(zhì)量控制體系建設(shè)

質(zhì)量控制體系建設(shè)是海洋數(shù)據(jù)空間化整合的基本保障,從多源異構(gòu)海洋數(shù)據(jù)的整合開(kāi)始,滲透空間化整合流程的各個(gè)步驟,采用常規(guī)檢驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)、人機(jī)交互可視化檢驗(yàn)、拓?fù)浞椒z驗(yàn)、遙感影像檢驗(yàn)等方法,對(duì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量、數(shù)據(jù)空間化表達(dá)的質(zhì)量進(jìn)行檢查與控制。同時(shí),保證海洋數(shù)據(jù)空間化整合流程的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)空間化改造、數(shù)據(jù)編輯、相關(guān)信息提取、數(shù)據(jù)庫(kù)入庫(kù)等關(guān)鍵步驟有詳盡的質(zhì)量控制記錄。

4.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化是對(duì)多源異構(gòu)的各類海洋數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一的過(guò)程,這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一包括命名規(guī)范的統(tǒng)一、數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一、量綱統(tǒng)一、實(shí)體代碼的統(tǒng)一等內(nèi)容。該項(xiàng)工作涉及新舊格式、新舊代碼的轉(zhuǎn)換,較為繁瑣與復(fù)雜。

4.4 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與整合,實(shí)現(xiàn)要素的歸并與分層組織的過(guò)程,需要綜合考慮海洋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系、存儲(chǔ)、使用、共享、發(fā)布等因素,按照海洋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的時(shí)空關(guān)系,考慮地理信息系統(tǒng)的空間化特性,為海洋數(shù)據(jù)的空間化提供基礎(chǔ)模型。

4.5 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

主流的GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)包括Oracle公司推出的Oracle Spatial、ESRI公司的Geodatabase等。Geodatabase即是ESRI公司在對(duì)Coverage數(shù)據(jù)模型進(jìn)行全面揚(yáng)棄之后,遵循面向?qū)ο笏枷?并仍以傳統(tǒng)大中型商用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)為后臺(tái),所推出的一種全新的空間數(shù)據(jù)模型[10-12],它采用對(duì)象-關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)機(jī)制,以現(xiàn)有大中型商用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),巧妙地將面向?qū)ο笏枷脒\(yùn)用到對(duì)現(xiàn)實(shí)地理世界的建模上來(lái),從而真正實(shí)現(xiàn)了地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域空間數(shù)據(jù)庫(kù)的概念模型[13]。該模型通過(guò)ArcSDE在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)現(xiàn)Geodatabase具有良好的層次關(guān)系,處于層狀結(jié)構(gòu)頂端的是空間數(shù)據(jù)庫(kù),往下是按照不同分類原則組織的要素集和要素類,以及各種值域規(guī)則和行為規(guī)則,要素類還可劃分子類。要素集是具有相同坐標(biāo)系統(tǒng)和密切關(guān)聯(lián)的要素類的集合[11]。

4.6 數(shù)據(jù)空間化改造

通過(guò)采用標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的命名規(guī)范、數(shù)據(jù)格式規(guī)范、實(shí)體代碼規(guī)范、數(shù)據(jù)字典標(biāo)準(zhǔn)、要素編目標(biāo)準(zhǔn)、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、圖示圖例標(biāo)準(zhǔn)等,通過(guò)專用軟件及C#.NET進(jìn)行ArcGIS Engine的二次開(kāi)發(fā)的方式,實(shí)現(xiàn)文本數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、空間化改造,完成多源異構(gòu)海洋數(shù)據(jù)的整合,形成命名規(guī)范統(tǒng)一、數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一、量綱統(tǒng)一、實(shí)體代碼統(tǒng)一等各方面統(tǒng)一的空間化數(shù)據(jù)。

4.7 數(shù)據(jù)編輯

4.7.1 矢量數(shù)據(jù)編輯

對(duì)改造完成的矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理,包括對(duì)有誤的點(diǎn)、線、面等矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行增、刪、改處理,對(duì)被圖幅切割為多塊的圖元進(jìn)行要素的幾何的面向?qū)ο蠼M合處理;依照數(shù)據(jù)質(zhì)量要求,消除圖形的幾何錯(cuò)誤和空間邏輯關(guān)系不一致等錯(cuò)誤;對(duì)圖形信息不全、高程點(diǎn)稀少或缺失等情況,參照數(shù)據(jù)或源數(shù)據(jù)進(jìn)行信息的補(bǔ)充。根據(jù)應(yīng)用需要,依照相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圖幅的拼接或分割處理,以滿足數(shù)據(jù)整合改造全區(qū)域圖或重點(diǎn)區(qū)域圖的需要,并對(duì)拼接后的數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何和屬性接邊處理;對(duì)重組數(shù)據(jù)不同要素層的量綱根據(jù)項(xiàng)目應(yīng)用需求進(jìn)行轉(zhuǎn)換或歸一化處理;對(duì)存在邏輯關(guān)系的屬性項(xiàng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理,保證屬性的一致性;依照參考數(shù)據(jù)、源數(shù)據(jù)進(jìn)行信息補(bǔ)充;同時(shí),根據(jù)圖示圖例規(guī)范完成矢量圖層的符號(hào)庫(kù)建設(shè)與可視化表達(dá)。

4.7.2 影像數(shù)據(jù)編輯

對(duì)改造完成的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理,包括影像數(shù)據(jù)的去云處理、去噪等處理;遙感圖像的輻射校正、幾何校正,并采用地面控制點(diǎn)和數(shù)字高程模型對(duì)幾何校正模型進(jìn)行修正;遙感影像的鑲嵌、融合處理,并進(jìn)行影像的勻色、濾波、增強(qiáng)等操作;依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分幅。

4.7.3 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)編輯

改造完成的空間化數(shù)據(jù)相當(dāng)一部分為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為與空間化矢量圖層相關(guān)聯(lián)的表,必須進(jìn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián),主要包括統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)站點(diǎn)、統(tǒng)計(jì)航線、統(tǒng)計(jì)區(qū)域及統(tǒng)計(jì)行政區(qū)等的關(guān)聯(lián)。

4.8 相關(guān)信息提取與編制

根據(jù)數(shù)據(jù)字典標(biāo)準(zhǔn)、要素編目標(biāo)準(zhǔn)、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、共享分類體系標(biāo)準(zhǔn)等編制相關(guān)采集軟件,完成數(shù)據(jù)字典、要素編目、元數(shù)據(jù)的采集,以應(yīng)用于信息服務(wù)與檢索、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域。

4.9 數(shù)據(jù)入庫(kù)

根據(jù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)模型和相關(guān)的表關(guān)系,研發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)軟件,完成矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及元數(shù)據(jù)的加載。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)海洋數(shù)據(jù)的空間化流程解析,有利于用戶建立完善的海洋數(shù)據(jù)空間化整合流程,研發(fā)一體化的空間化整合系統(tǒng),形成高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量的海洋空間化整合數(shù)據(jù),為海洋信息空間化建設(shè)與服務(wù)奠定基礎(chǔ)。該海洋數(shù)據(jù)的空間化流程已在 “國(guó)家自然資源和地理空間基礎(chǔ)信息庫(kù)建設(shè)項(xiàng)目”海洋和海洋衛(wèi)星分中心的建設(shè)中進(jìn)行了實(shí)踐與應(yīng)用。

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國(guó)家自然基金項(xiàng)目(41106159);國(guó)家海洋局海洋大氣化學(xué)與全球變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(GCMAC1202).