聊聊GIS數據的四個分層與GIS服務

本篇不討論矢量柵格數據的結構，也不討論矢量與柵格的區別（即設定讀者有這方面的基礎）。

版權聲明：原創。博客園/B站/小專欄/知乎/CSDN @秋意正寒

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本文系概念性很強的博客，但對GIS項目有幫助，對在讀的學生也有必定幫助。

儘管從物理的角度，只有獨立數據文件（shp、geojson、tif等）或者數據庫（esri geodatabase的gdb、geopackage等）這兩種

可是，從學科角度，即從GIS的視角看，地理數據並無那麼簡單。

爲解釋簡便，使用shapefile、geojson、tif柵格和gdb、postgis，輔助ArcMap/QGIS 3.10作解說。

1. 術語及概念定義

① 地理數據

地理數據=空間數據+非空間數據；也叫地理信息。例如：一座醫院；一所學校；一條道路；一條河流

② 空間數據

即幾何數據，描述座標、形狀的數據；也叫空間信息。例如：形狀、座標

③ 非空間數據

即屬性數據，描述與空間位置無關的一類數據。例如：成績單、醫院名稱列表

這類數據的特色是，若是脫離了地理位置也有它自己本身的含義。

2. 矢量數據的四個分層

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不妨這樣想：每一層均爲子一層的容器。大魚吃小魚，小魚吃蝦米。

2.1. 幾何/屬性層

這是矢量數據的最底層，有兩個類別：幾何層或者屬性層。

前陣子寫了一系列座標系有關的博客，咱們假定在某個座標系下，存在某個點P(x0，y0)，這個點在這個肯定的座標系下，就是獨一無二的。

那麼，若是這個點表明的是一個咖啡店，僅僅知道這個點的座標(x0，y0)是不夠的。

不一樣的用戶關心不一樣的信息，有人關心這個店的電話號碼，有的人關心它所在的城市和行政區，有的人關心它的地址，有的人關心它的人均消費。

這個時候，信息就能夠分化成兩個種屬：幾何的，屬性的。

• 咱們說表徵位置信息的座標數據（或者多個座標構成的線、面），叫幾何數據。
• 除了幾何數據，都叫屬性數據。

上大學的時候，系主任說：地理數據區別於其餘行業的數據，最大的區別是它具備空間數據！

咱們剛明確了幾何數據是什麼，屬性數據是什麼，那麼多出來的一系列名詞又是什麼？

作如下規定：

• 地理數據=幾何數據+屬性數據=空間數據+非空間數據
• 幾何數據=空間數據
• 屬性數據=非空間數據

這樣就不亂了。

2.1.1. 案例講解--geojson

如今講概念其實很枯燥，那麼一個具體的矢量數據文件，好比geojson或者shp，如何判斷哪些是幾何數據，哪些是屬性數據呢？

咱們取一個geojson文件，只有一個點，沒有屬性數據。它在QGIS里長得像這樣：

它數據長這樣：

 

 

是WGS84下的一個點，在廣州城區。

咱們能夠很快聚焦到"geometry"這個鍵上，它下列有兩個子鍵"type"和"coordinate"，這兩個子鍵的值就是這個geojson矢量數據的幾何信息。

讀者能夠想象獲得，若是type是「Polyline」，那麼coordinate將是一堆折線段的集合，type的值還有其餘幾個，點線面都有。

可是，geometry的值的的確確就是上面說起的「表徵位置信息的座標數據」。

我編輯了一下這個geojson，使其擁有三個屬性數據：所在城市是"Guangzhou"，編輯者是"秋意正寒"，郵政編碼是"510000".

屬性表長這樣：

文本變成了這樣：

 

 

咱們不難看到，和geometry鍵並列的多了一個鍵："properties"。

它翻譯過來就是屬性的意思，別的數據可能叫「attributes」等。

這就很清晰明瞭的看到了在geojson中，「幾何層」、「屬性層」是如何組織的了。

2.1.2. 案例講解--shapefile

shp文件至少要有3個文件構成，*.shp、*.shx、*.dbf

由於這些是二進制文件，不能用文本格式查看，因此直接給出結論：

*.shp文件記錄的是幾何數據

*.dbf文件記錄的是屬性數據

*.shx連接兩者是索引數據

咱們將2.1.1中的geojson文件在QGIS中導出shp並在ArcMap裏打開其屬性表：

 

 

發現多了兩列屬性，其中Shape屬性不管給這個shp文件加多少個點，它的值寫在屬性表裏的都是一個漢字「點」。

並且，FID和Shape屬性是沒法在屬性表裏編輯的。

實際上，這個Shape屬性列，就是幾何數據，ArcMap把它「寫」在了屬性表而已。咱們編輯它仍是得靠編輯工具。

ArcMap的屬性表經過「顯示」Shape列，告訴用戶幾何數據和旁邊city、editor、adcode三列是並排的，也即「幾何數據」、「屬性數據」是同級別的數據，只不過幾何數據可能很複雜，在屬性表上一個格子寫不完就乾脆展現這個幾何信息的類別「點」罷了。

2.2. 要素層

要素層很簡單。

先下定義：一個要素表示一個地理實體，一個要素有其本身的幾何數據和屬性數據。

咱們依舊是上面的點json來說解。

 

 

不難看到，properties和geometry鍵都是"features"這個數組鍵的某個元素下的子鍵。

這意味着，一個{"type": 「Feature」, ...}就是一個"feature"，即一個要素。

因爲有了幾何和屬性的分割，一個要素固然能夠有n個屬性，一個要素的幾何也能夠是n個點/線/面構成的複雜幾何圖形。

n個屬性好理解，n個點/線/面構成的複雜幾何圖形又是什麼意思呢？

這裏再也不展開描述，有興趣的朋友能夠去參考ogc的Geometry標準，它規定了幾何體的複雜構成。之後有機會必定會寫一篇ogc標準下的geometry標準。

咱們注意到了，"features"下的每一個要素的properties的子鍵都是同樣的（名稱、類型）。

2.3. 數據層

仍是以上文的geojson爲例。

咱們說，n個具備共同類型和數量屬性的"feature"（即每個feature的"properties"的子鍵名稱一致，類型一致），加上一些元數據（座標系信息，四至等，每種數據格式不太同樣），構成一個矢量數據。

這個矢量數據已經上升到磁盤文件級別了，咱們爲了複用，不可能一個一個要素分別存在獨立的文件裏的，由於屬性的數量、類型一致，因此要素能夠存在一個文件（或者容器）裏。

咱們把這個容器所在的級別，叫作「數據層」。

我爲何不說一個矢量數據文件就是一個「數據層」的實現呢？

由於，一個矢量數據當然能夠是一個geojson文件，一個shp文件（由多個同名子文件組成），一個gml文件，一個csv文件...固然一個矢量數據也能夠是數據庫裏的一個表，或者一個要素類（ArcGIS裏的gdb）。

咱們討論的是「分層」，而不是物理文件構成。

一般來講，咱們傳遞的大多數都是數據層。好比，咱們傳遞一個「中國省級行政區劃」的shp文件，或者傳遞一個「廣州市醫療機構點位」的geojson文件。

咱們不多傳遞一個「要素」，傳遞一個「幾何面」——代碼層面除外。

plus 數據層爲何不叫圖層

咱們把一個矢量數據（geojson/shp/數據庫裏某張地理數據表等）拖到任何一個GIS客戶端軟件中，必定能看到它的樣子，軟件會給咱們畫出來，它這個時候，叫作「圖層」。

由於數據和圖層分擔着各自不一樣的任務，圖層負責渲染、顯示數據，數據被圖層引用。

這就比如，帳本專心管理財務流水，報表ppt專心負責回報財務流水的各類趨勢比例。

咱們GIS軟件依靠圖層將數據符號化，好比給某個點數據設定了符號是一個尺寸是15的紅色五角星，給某個線數據設定了標註是它的「name」字段，經過圖層查看一個數據的元數據等...

2.4. 地圖層

什麼是地圖層？

咱們有了數據層，就能夠進行地理數據的分析、展現、交互了。

咱們爲了組織起地理數據，須要將數據排列順序，符號化，設計出一張地圖。

地圖這一層包括了n個數據（也即n個圖層，每一個圖層引用一份數據）。

固然，咱們還能夠爲數據作分組。

咱們知道ArcMap中，有個「數據框」的概念，其實一個數據框就是一個地圖，數據框就是地圖層這一級別的容器。

 

 

你們可能看中國地圖會觀察到右下方一般會有一個「南海諸島圖」，其實中國大陸主體地區和右下方的「南海諸島圖」用兩個數據框就能夠表示了。

事實上，QGIS也有同樣的概念，在佈局窗口中，咱們能夠插入一個地圖：

 

 

一樣能作到「南海諸島圖」和大陸圖在同一個佈局裏顯示的效果。這裏插入的「地圖」就是「地圖層」的一個活生生的案例。

plus：

GIS客戶端軟件會使用「工程文件」的手段，把n個「地圖」包裹在一塊兒。

3. 柵格數據的四個分層

3.1. 位置/屬性

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3.2. 像元層

[暫空，過年前寫完]

3.3. 數據層

[暫空，過年前寫完]

3.4. 地圖層

地圖層與矢量數據的地圖層一致，都爲n個柵格數據按必定順序、符號化構成。

4. GIS數據服務是什麼

4.1. GIS服務器

GIS服務，與普通網絡服務是同樣的。

• 普通Web服務器提供網絡服務，使得咱們能夠上網衝浪
• GIS服務器提供GIS數據服務，使得咱們能夠遵循某些規範訪問地理數據或者地理服務

咱們常見的Web服務器軟件，有IIS、Apache、Nginx、tomcat等，也能夠用Java/nodejs等工具語言編寫本身的服務器後臺軟件。

GIS服務器軟件基於HTTP等協議（作webgis的，若是連http協議都不知道，建議先補補課），也有一些受歡迎的：開源的GeoServer、MapServer，商用的Esri的ArcGIS Enterprise套件等。

GIS服務器能夠是獨立的軟件，也能夠是某個Web服務器的一個插件。例如，ArcGIS Enterprise套件就是自成一家，GeoServer就是Tomcat的一個war包插件。

Q：GIS數據必定要放在GIS服務器上嗎？

A：不必定。諸如geojson這樣的文本類型數據，能夠直接放到普通web服務器上，經過http的get或post請求交換數據；諸如gltf這種3dtiles規範的三維數據，開源服務器還沒有支持三維服務，OGC組織也沒有3DGIS服務規範，只好放在普通web服務器上。可是，成熟的二維數據，作成GIS數據服務是有利於前端開發者進行調用、渲染、數據查詢、雲處理的。

4.2. GIS服務

扯了半天，那什麼是GIS服務呢？

一般來講，咱們說的GIS服務就是GIS數據服務。可是，其實GIS服務還能夠提供計算服務，也即GIS處理服務，做爲4.3的內容講解。

4.2.1. 提供訪問地理數據的網絡地圖服務——WMS

WMS，Web Map Service，網絡地圖服務。

一個WMS是一個「地圖層」的實現，只不過限制了網絡請求的功能。

它容許將n個數據發佈成一個「GIS服務」，1個數據被叫作1個圖層，由於要對web提供訪問，因此用圖層這種帶符號化的形式來描述「數據層」比較合適。

它提供瞭如下幾大功能，有興趣的朋友能夠參考博客園李曉輝的博客，或者直接查閱OGC官方文檔（列在參考文檔中了）：

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4.2.2. 提供增刪改查矢量數據的網絡要素服務——WFS

WFS，Web Features Service，網絡要素服務。

WFS強化了WMS中關於矢量數據的訪問，提供了增長、修改、刪除、查詢矢量要素的功能。

WMS對矢量數據的查詢，侷限在了「識別」這一功能上。

咱們從功能上就能看出，WMS有一個功能是「getFeaturesInfo」，而WFS直接給出了"getFeature"、「」等功能。

WFS的主要功能以下：

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4.2.3. 網絡覆被服務——WCS

筆者對WCS瞭解很少，以粗鄙的文筆寫寫和WMS、WFS的區別。

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4.2.4. WMS的變種網絡切片/緩存服務——WMTS

WMS能給前端返回一張位圖，和咱們在GIS軟件裏對一個地圖直接截個圖（不通過製圖）相似。

若是這張位圖體積過大或者網絡傳輸很差，那麼極有可能前端是拿不到的，就渲染不出來。

分治思想刺激WMS演進，即WMTS，原理很簡單，即把這張位圖實現按網格切好，在不一樣的分辨率下，把這些切好的圖（都緩存在地理服務器上）按前端指定的範圍，挨個傳遞。

這樣，一張小圖可能體積並不大，保證了前端的體驗。

4.2.5. 三維場景服務

迄今爲止並未有三維地理數據服務標準，只有三大地理三維數據格式標準：

• i3s
• 3dtiles
• s3m

其中，前兩個被ogc認可，且主推i3s。

i3s由Esri（就arcgis家）主推，以slpk文件爲交互文件，在自家的ArcGIS Enterprise服務器生態中，已經研發出「SceneService」這種場景服務了。

3dtiles由開源項目Cesium主推，目前只有數據文件，即gltf文件，號稱是三維數據界的jpg，目前開源的商業的gis服務器還沒有支持三維服務，cesium本身是直接前端調用gltf文件建立視圖。

s3m是國內北京超圖主推的一個標準。

三者共同的特色是用樹結構來組織數據，用json文件描述數據，用二進制文件來存儲具體數據。

4.3. GIS處理服務

遵循一種規範，能夠將繁重的處理任務交由服務器運行，而後根據規範，將處理結果返回給前端。這在普通的web服務中是理所固然的事情，只不過加上GIS數據這個殼兒，事情就變得有點複雜了起來。

其實OGC組織是有這麼一個規範的，叫WPS——Web Process Service。

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