openGIS介绍

值此FOSS4G大会即将召开之日，最近我会在Blog上依次介绍一些OpenGIS标准、架构及用于实现的软件。一方面给初涉此行的朋友一个快速入门的概览，另一方面也是对我接触OpenGIS近一年来的总结。



OpenGIS定义了一组基于数据的服务，而数据的基础是要素（Feature）。所谓要素简单地说就是一个独立的对象，在地图中可能表现为一个多边形建筑物，在数据库中即一个独立的条目。要素具有两个必要的组成部分，几何信息和属性信息。OpenGIS将几何信息分为点、边缘、面和几何集合四种：其中我们熟悉的线（Linestring）属于边缘的一个子类，而多边形（Polygon）是面的一个子类。也就是说OpenGIS定义的几何类型并不仅仅是我们常见的点、线、多边形三种，它提供了更复杂更详细的定义，增强了未来的可扩展性。另外，几何类型的设计中采用了组合模式（Composite），将几何集合（GeometryCollection）也定义为一种几何类型，类似地，要素集合（FeatureCollection）也是一种要素。属性信息没有做太大的限制，可以在实际应用中结合具体的实现进行设置。

相同的几何类型、属性类型的组合成为要素类型（FeatureType），要素类型相同的要素可以被存放在一个数据源中。而一个数据源只能拥有一个要素类型。因此，可以用要素类型来描述一组属性相似的要素。在面向对象的模型中，完全可以把要素类型理解为一个类，而要素则是类的实例。

通过GIS中间件可以从数据源中取出数据，供WMS服务器和WFS服务器使用。
WMS服务器接收请求，根据请求内容的不同，可以返回不同格式的最终数据。例如，WMS可以返回常用图片格式的地图片段供最终用户阅读（类似Google Maps），其中地图是根据一个样式文件（SLD）生成的，它描述了地图的线划粗细，色彩等；WMS也可以返回GeoRSS和KML用来和其它地图服务互通。
WFS服务器也可以接收请求，但WFS将返回GML格式的地理信息数据。GML是一种基于XML的数据格式，它可以完整的再现数据，也是OpenGIS数据源的重要形式。也就是说，WFS返回的GML可以继续作为数据源。在WFS请求中，OpenGIS定义了一个Filter标准，用来实现对数据的筛选，使WFS更加灵活。另一方面，WFS还支持通过WFS-t提交客户端对数据的修改。通俗地说，WMS是“只读”的，而WFS则是可以读写的。

草草说完，发现自己的理解也十分有限，如有谬误，还望读者不吝指正。另外还有WCS方面不曾涉及，要获得更进一步的了解，请下载OpenGIS的标准进行阅读。



今天来说OpenGIS架构的软件、类库实现情况。OpenGIS是一个开放标准，不过它已经不仅仅在开源世界发挥作用，许多商业软件也支持了OpenGIS的标准。当然，这里所提到的软件全部都是开源软件。

几何基础类库
代表： JTS（Java）， GEOS（C++）， Shapely（Python）
这类几何基础类库主要实现的是OpenGIS的Simple Feature Access标准，简单地说他们就是对几何类型（Geometry）进行了一定程度的封装。以JTS为例，它按照OpenGIS对于Geometry的描述实现了基于Java的接口和继承关系，制作好了可以使用的类似Point、LineString这样的类。另外这些类库还普遍实现了OpenGIS的DE-9IM空间位置关系判断和一些常用的计算几何方法（如缓冲（buffer））。
此类软件是所有GIS类库的基础，正如几何是GIS的基础之一一样。

数据源实现
代表：PostGIS（PostgreSQL），MySQL Spatial
数据源的实现主要是开源数据库的空间扩展。数据库的空间扩展不仅仅在数据表中支持几何类型的存储，而且更提供了SQL级别的集合关系判断，例如，可以直接利用SQL查询在某个多边形内的点。

中间件
代表：GeoTools（Java）
中间件在系统中扮演连接数据和服务的角色。GeoTools承担了从各种数据源（如PostGIS，GML，Shapefile，WFS）读取数据并将数据标准化的工作。Feature接口就定义在GeoTools中，不同数据源的数据读出后被统一成包含一个Geometry成员（定义在JTS中）的Feature接口的实现。这样，进一步的操作只需面向Feature即可，省去了高层软件对于不同数据源的解读过程。另外，GeoTools还是OpenGIS标准的全面实现，其中包括Filter、坐标转换、GML。

WMS/WFS服务器
代表： GeoServer（Java），MapServer（PHP）
地图服务器扮演向网络中的客户端提供地图服务的角色。这类地图服务器可以接收统一规范的WMS和WFS请求（request），返回多种格式的数据。这个过程有WMS/WFS规范的严格规定，所以，对客户端来说其地图服务器的实现究竟是什么并不会造成太大影响。这样的规范，为公共的、联合的地图服务创造了可能。

客户端
代表：OpenLayers/MapBuilder（JavaScript），uDig（Java），QGIS（C++）
客户端分为浏览器和桌面客户端程序两种。以OpenLayers为代表的B/S系统客户端现在已经非常强大，它可以封装WMS请求，在浏览器上实现地图的切片载入功能。另外拖动、缩放都功能也非常完善，可以实现跨浏览器操作。最近的OpenLayers版本还支持了矢量编辑功能，可以通过WFS-t提交。而传统的桌面客户端程序功能则更加强大，支持多种包括WMS和WFS在内的数据源，另外编辑功能、操作性也要比浏览器中的强大。


Shapefile
ESRI的Shapefile格式是GIS矢量文件格式的事实标准，通常由.shp, .shx, .prj, .dbf等文件组成。OpenGIS的实现软件普遍支持Shapefile的读写。Shapefile在GeoServer中可以直接作为数据源，但是这种方式并不被推荐，原因很简单，基于文件的数据源可能造成性能不佳和数据丢失。

GML
GML是OpenGIS的标准规范之一，它基于xml描述地理数据。于Shapefile相比，xml更容易读写，易于在网络中以各种形式传播。同时，xml还具有可读性，人可以理解和辨识。GeoTools实现了GMLDataStore，因此在GeoServer中GML也可以直接作为数据源（需要下载GML扩展）。同时，GML的数据源为数据源动态化提供了实现的思路和可能性。

PostGIS
PostGIS是加拿大Refractions公司支持的开源项目，它为开源数据库PostgreSQL提供了空间支持。PostGIS安装后，PostgreSQL中出现一个模版数据库，新建空间数据库时只需以PostGIS为模版即可。PostGIS在SQL级别上实现了基本的空间运算功能。另外绝大多数开源GIS软件（即使是不严格遵守OpenGIS标准的）都支持PostGIS数据表的直接载入，读写等功能。毋庸置疑，PostGIS是OpenGIS数据源最佳实现。

MySQL Spatial
MySQL是开源数据库的大鳄，从MySQL4.0开始加入了Spatial扩展功能，实现了OpenGIS规定的几何数据类型，在SQL中的简单空间运算。但是从4.0之后到现在，MySQL的Spatial部分一直没有继续的更新和增强。加上早先MySQL在SQL上对空间运算支持的不完善（只支持基于最小外接矩形的关系判断），所以MySQL是开源数据源中一个不太让人满意的选择。不过由于MySQL在小型项目上的广泛引用，在一些情况下也是可以以MySQL为数据源的。

db4o?： 对象数据库作为数据源的可能性
OpenGIS的系统架构完全是基于一个面向对象的模型的，而传统的关系数据库、Shapefile文件是现在应用的主流。在地理描述的过程中，关系数据库的特性并没有被完全发挥，而为此还需要有中间件做ORM的工作。试想直接将FeatureType和Features以对象形式存入对象数据库，整个系统至少在理论上可以减少一层。不过，以对象数据库作为数据源，还需要对象数据库的性能进一步提升。而之后的和已有软件的对接应该不成问题，因为db4o可以直接存储Feature对象和Geometry对象。
但是因此产生的数据对实现的依赖性又是一个问题：数据和实现紧密耦合，数据中捆绑了代码，虽然db4o号称支持Java和.NET的的互操作，但是对于其它实现来说又成了问题。从这个角度来说，对象数据库作为数据源是一种倒退。

为什么没有KML？
KML作为一种新的标准（没有在意最后是否通过），它的作用主要是网络中地理信息的传输。KML是一种面向客户端设计的数据形式，这是它不能取代GML地位的原因，同时也是它在GoogleEarth和很多地图应用上远强于GML的原因。对照一下KML和GML的形式就很容易理解，GML将属性数据存储为Element，而KML则是以超文本的形式存储属性数据，前者便于数据读取，后者便于客户端表现。于KML很类似的就是GeoRSS，效果是相似的。