OpenGIS 介紹(轉)

值此FOSS4G大會即將召開之日，最近我會在Blog上依次介紹一些OpenGIS標準、架構及用於實現的軟件。一方面給初涉此行的朋友一個快速入門的概覽，另外一方面也是對我接觸OpenGIS近一年來的總結。

OpenGIS定義了一組基於數據的服務，而數據的基礎是要素（Feature）。所謂要素簡單地說就是一個獨立的對象，在地圖中可能表現爲一個多邊形建築物，在數據庫中即一個獨立的條目。要素具備兩個必要的組成部分，幾何信息和屬性信息。OpenGIS將幾何信息分爲點、邊緣、面和幾何集合四種：其中咱們熟悉的線（Linestring）屬於邊緣的一個子類，而多邊形（Polygon）是面的一個子類。也就是說OpenGIS定義的幾何類型並不只僅是咱們常見的點、線、多邊形三種，它提供了更復雜更詳細的定義，加強了將來的可擴展性。另外，幾何類型的設計中採用了組合模式（Composite），將幾何集合（GeometryCollection）也定義爲一種幾何類型，相似地，要素集合（FeatureCollection）也是一種要素。屬性信息沒有作太大的限制，能夠在實際應用中結合具體的實現進行設置。
相同的幾何類型、屬性類型的組合成爲要素類型（FeatureType），要素類型相同的要素能夠被存放在一個數據源中。而一個數據源只能擁有一個要素類型。所以，能夠用要素類型來描述一組屬性類似的要素。在面向對象的模型中，徹底能夠把要素類型理解爲一個類，而要素則是類的實例。
經過GIS中間件能夠從數據源中取出數據，供WMS服務器和WFS服務器使用。
WMS服務器接收請求，根據請求內容的不一樣，能夠返回不一樣格式的最終數據。例如，WMS能夠返回經常使用圖片格式的地圖片斷供最終用戶閱讀（相似Google Maps），其中地圖是根據一個樣式文件（SLD）生成的，它描述了地圖的線劃粗細，色彩等；WMS也能夠返回GeoRSS和KML用來和其它地圖服務互通。
WFS服務器也能夠接收請求，但WFS將返回GML格式的地理信息數據。GML是一種基於XML的數據格式，它能夠完整的再現數據，也是OpenGIS數據源的重要形式。也就是說，WFS返回的GML能夠繼續做爲數據源。在WFS請求中，OpenGIS定義了一個Filter標準，用來實現對數據的篩選，使WFS更加靈活。另外一方面，WFS還支持經過WFS-t提交客戶端對數據的修改。通俗地說，WMS是「只讀」的，而WFS則是能夠讀寫的。
草草說完，發現本身的理解也十分有限，若有謬誤，還望讀者不吝指正。另外還有WCS方面未曾涉及，要得到更進一步的瞭解，請下載OpenGIS的標準進行閱讀。

今天來講OpenGIS架構的軟件、類庫實現狀況。OpenGIS是一個開放標準，不過它已經不只僅在開源世界發揮做用，許多商業軟件也支持了OpenGIS的標準。固然，這裏所提到的軟件所有都是開源軟件。

幾何基礎類庫

表明： JTS（Java）， GEOS（C++）， Shapely（Python）

這類幾何基礎類庫主要實現的是OpenGIS的Simple Feature Access標準，簡單地說他們就是對幾何類型（Geometry）進行了必定程度的封裝。以JTS爲例，它按照OpenGIS對於Geometry的描述實現了基於Java的接口和繼承關係，製做好了可使用的相似Point、LineString這樣的類。另外這些類庫還廣泛實現了OpenGIS的DE-9IM空間位置關係判斷和一些經常使用的計算幾何方法（如緩衝（buffer））。 此類軟件是全部GIS類庫的基礎，正如幾何是GIS的基礎之一同樣。

數據源實現

表明：PostGIS（PostgreSQL），MySQL Spatial

數據源的實現主要是開源數據庫的空間擴展。數據庫的空間擴展不只僅在數據表中支持幾何類型的存儲，並且更提供了SQL級別的集合關係判斷，例如，能夠直接利用SQL查詢在某個多邊形內的點。 

中間件
表明：GeoTools（Java）
中間件在系統中扮演鏈接數據和服務的角色。GeoTools承擔了從各類數據源（如PostGIS，GML，Shapefile，WFS）讀取數據並將數據標準化的工做。Feature接口就定義在GeoTools中，不一樣數據源的數據讀出後被統一成包含一個Geometry成員（定義在JTS中）的Feature接口的實現。這樣，進一步的操做只需面向Feature便可，省去了高層軟件對於不一樣數據源的解讀過程。另外，GeoTools仍是OpenGIS標準的全面實現，其中包括Filter、座標轉換、GML。
WMS/WFS服務器

表明： GeoServer（Java），MapServer（PHP）
地圖服務器扮演向網絡中的客戶端提供地圖服務的角色。這類地圖服務器能夠接收統一規範的WMS和WFS請求（request），返回多種格式的數據。這個過程有WMS/WFS規範的嚴格規定，因此，對客戶端來講其地圖服務器的實現到底是什麼並不會形成太大影響。這樣的規範，爲公共的、聯合的地圖服務創造了可能。
客戶端

表明：OpenLayers/MapBuilder（JavaScript），uDig（Java），QGIS（C++）
客戶端分爲瀏覽器和桌面客戶端程序兩種。以OpenLayers爲表明的B/S系統客戶端如今已經很是強大，它能夠封裝WMS請求，在瀏覽器上實現地圖的切片載入功能。另外拖動、縮放都功能也很是完善，能夠實現跨瀏覽器操做。最近的OpenLayers版本還支持了矢量編輯功能，能夠經過WFS-t提交。而傳統的桌面客戶端程序功能則更增強大，支持多種包括WMS和WFS在內的數據源，另外編輯功能、操做性也要比瀏覽器中的強大。
Shapefile

ESRI的Shapefile格式是GIS矢量文件格式的事實標準，一般由.shp, .shx, .prj, .dbf等文件組成。OpenGIS的實現軟件廣泛支持Shapefile的讀寫。Shapefile在GeoServer中能夠直接做爲數據源，可是這種方式並不被推薦，緣由很簡單，基於文件的數據源可能形成性能不佳和數據丟失。
GML

GML是OpenGIS的標準規範之一，它基於xml描述地理數據。於Shapefile相比，xml更容易讀寫，易於在網絡中以各類形式傳播。同時，xml還具備可讀性，人能夠理解和辨識。GeoTools實現了GMLDataStore，所以在GeoServer中GML也能夠直接做爲數據源（須要下載GML擴展）。同時，GML的數據源爲數據源動態化提供了實現的思路和可能性。
PostGIS

PostGIS是加拿大Refractions公司支持的開源項目，它爲開源數據庫PostgreSQL提供了空間支持。PostGIS安裝後，PostgreSQL中出現一個模版數據庫，新建空間數據庫時只需以PostGIS爲模版便可。PostGIS在SQL級別上實現了基本的空間運算功能。另外絕大多數開源GIS軟件（即便是不嚴格遵照OpenGIS標準的）都支持PostGIS數據表的直接載入，讀寫等功能。毋庸置疑，PostGIS是OpenGIS數據源最佳實現。
MySQL Spatial

MySQL是開源數據庫的大鱷，從MySQL4.0開始加入了Spatial擴展功能，實現了OpenGIS規定的幾何數據類型，在SQL中的簡單空間運算。可是從4.0以後到如今，MySQL的Spatial部分一直沒有繼續的更新和加強。加上早先MySQL在SQL上對空間運算支持的不完善（只支持基於最小外接矩形的關係判斷），因此MySQL是開源數據源中一個不太讓人滿意的選擇。不過因爲MySQL在小型項目上的普遍引用，在一些狀況下也是能夠以MySQL爲數據源的。
db4o?： 對象數據庫做爲數據源的可能性

OpenGIS的系統架構徹底是基於一個面向對象的模型的，而傳統的關係數據庫、Shapefile文件是如今應用的主流。在地理描述的過程當中，關係數據庫的特性並無被徹底發揮，而爲此還須要有中間件作ORM的工做。試想直接將FeatureType和Features以對象形式存入對象數據庫，整個系統至少在理論上能夠減小一層。不過，以對象數據庫做爲數據源，還須要對象數據庫的性能進一步提高。而以後的和已有軟件的對接應該不成問題，由於db4o能夠直接存儲Feature對象和Geometry對象。
可是所以產生的數據對實現的依賴性又是一個問題：數據和實現緊密耦合，數據中捆綁了代碼，雖然db4o號稱支持Java和.NET的的互操做，可是對於其它實現來講又成了問題。從這個角度來講，對象數據庫做爲數據源是一種倒退。
爲何沒有KML？

KML做爲一種新的標準（沒有在乎最後是否經過），它的做用主要是網絡中地理信息的傳輸。KML是一種面向客戶端設計的數據形式，這是它不能取代GML地位的緣由，同時也是它在GoogleEarth和不少地圖應用上遠強於GML的緣由。對照一下KML和GML的形式就很容易理解，GML將屬性數據存儲爲Element，而KML則是以超文本的形式存儲屬性數據，前者便於數據讀取，後者便於客戶端表現。於KML很相似的就是GeoRSS，效果是類似的。