盡管從物理的角度，只有獨立數(shù)據(jù)文件（shp、geojson、tif等）或者數(shù)據(jù)庫（esri geodatabase的gdb、geopackage等）這兩種 但是，從學(xué)科角度，即從GIS的視角看，地理數(shù)據(jù)并沒有那么簡單。 為解釋簡便，使用shapefile、geojson、tif柵格和gdb、postgis，輔助ArcMap/QGIS 3.10做解說。 1. 術(shù)語及概念定義① 地理數(shù)據(jù)地理數(shù)據(jù)=空間數(shù)據(jù)+非空間數(shù)據(jù)；也叫地理信息。例如：一座醫(yī)院；一所學(xué)校；一條道路；一條河流 ② 空間數(shù)據(jù)即幾何數(shù)據(jù)，描述坐標(biāo)、形狀的數(shù)據(jù)；也叫空間信息。例如：形狀、坐標(biāo) ③ 非空間數(shù)據(jù)即屬性數(shù)據(jù)，描述與空間位置無關(guān)的一類數(shù)據(jù)。例如：成績單、醫(yī)院名稱列表 這類數(shù)據(jù)的特點是，如果脫離了地理位置也有它本身自己的含義。 2. 矢量數(shù)據(jù)的四個分層
不妨這樣想：每一層均為子一層的容器。大魚吃小魚，小魚吃蝦米。 2.1. 幾何/屬性層這是矢量數(shù)據(jù)的最底層，有兩個類別：幾何層或者屬性層。 前陣子寫了一系列坐標(biāo)系有關(guān)的博客，我們假定在某個坐標(biāo)系下，存在某個點P(x0，y0)，這個點在這個確定的坐標(biāo)系下，就是獨一無二的。 那么，如果這個點代表的是一個咖啡店，僅僅知道這個點的坐標(biāo)(x0，y0)是不夠的。 不同的用戶關(guān)心不同的信息，有人關(guān)心這個店的電話號碼，有的人關(guān)心它所在的城市和行政區(qū)，有的人關(guān)心它的地址，有的人關(guān)心它的人均消費。 這個時候，信息就可以分化成兩個種屬：幾何的，屬性的。
上大學(xué)的時候，系主任說：地理數(shù)據(jù)區(qū)別于其他行業(yè)的數(shù)據(jù)，最大的區(qū)別是它具有空間數(shù)據(jù)！ 我們剛明確了幾何數(shù)據(jù)是什么，屬性數(shù)據(jù)是什么，那么多出來的一系列名詞又是什么？ 做以下規(guī)定：
這樣就不亂了。默認(rèn)使用“地理數(shù)據(jù)=幾何數(shù)據(jù)+屬性數(shù)據(jù)”這個表達(dá)。 2.1.1. 案例講解--geojson現(xiàn)在講概念其實很枯燥，那么一個具體的矢量數(shù)據(jù)文件，比如geojson或者shp，如何判斷哪些是幾何數(shù)據(jù)，哪些是屬性數(shù)據(jù)呢？ 我們?nèi)∫粋€geojson文件，只有一個點，沒有屬性數(shù)據(jù)。它在QGIS里長得像這樣：
它數(shù)據(jù)長這樣：
是WGS84下的一個點，在廣州城區(qū)。 我們可以很快聚焦到"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(shù)據(jù)的幾何信息。 讀者可以想象得到，如果type是“LineString（即多折線）”，那么coordinate將是一堆折線段的集合。
如果是Polygon： geometry的值的的確確就是上面提及的“表征位置信息的坐標(biāo)數(shù)據(jù)”。 我編輯了一下只有一個點的geojson，使其擁有三個屬性數(shù)據(jù)：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：
我們不難看到，和geometry鍵并列的多了一個鍵："properties"。 它翻譯過來就是屬性的意思（別的數(shù)據(jù)格式可能叫“attributes”） 我們看到了在geojson中，“幾何層”、“屬性層”是如何組織的。 2.1.2. 案例講解--shapefileshp文件至少要有3個文件構(gòu)成，*.shp、*.shx、*.dbf 因為這些是二進(jìn)制文件，不能用文本格式查看，所以直接給出結(jié)論： *.shp文件記錄的是幾何數(shù)據(jù) *.dbf文件記錄的是屬性數(shù)據(jù) *.shx鏈接二者是索引數(shù)據(jù) 我們將2.1.1中的geojson文件在QGIS中導(dǎo)出shp并在ArcMap里打開其屬性表：
發(fā)現(xiàn)多了兩列屬性，其中Shape屬性無論給這個shp文件加多少個點，它的值在ArcMap屬性表里的都是一個漢字“點”。 而且，F(xiàn)ID和Shape屬性是無法在屬性表里編輯的。 實際上，這個Shape屬性列，就是幾何數(shù)據(jù)，ArcMap把它“寫”在了屬性表而已。我們編輯它還是得靠編輯工具。 ArcMap的屬性表通過“顯示”Shape列，告訴用戶幾何數(shù)據(jù)和旁邊city、editor、adcode三列是并排的。 也即“幾何數(shù)據(jù)”、“屬性數(shù)據(jù)”是同級別的數(shù)據(jù)，只不過幾何數(shù)據(jù)可能很復(fù)雜，在屬性表上一個格子寫不完，就干脆寫個漢字。
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，一個要素有其自己的幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。 我們依舊是上面的點json來講解。
不難看到，properties和geometry鍵都是"features"這個數(shù)組的某個元素下的子鍵，這里的某個元素，就是要素。 也即，{"type": “Feature”, ...}就是一個"feature"，一個要素。 由于有了幾何和屬性的分割，一個要素當(dāng)然可以有n個屬性，一個要素的幾何也可以是n個點/線/面構(gòu)成的復(fù)雜幾何圖形。 n個屬性好理解，n個點/線/面構(gòu)成的復(fù)雜幾何圖形又是什么意思呢？ 這里不再展開描述，有興趣的朋友可以去參考o(jì)gc的Geometry標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了幾何體的復(fù)雜構(gòu)成。以后有機(jī)會一定會寫一篇ogc標(biāo)準(zhǔn)下的geometry標(biāo)準(zhǔn)。 我們注意到了，"features"下的每個要素的properties的子鍵都是一樣的（名稱、類型）。 2.3. 數(shù)據(jù)層還是以上文的geojson為例。 我們說，
這個矢量數(shù)據(jù)已經(jīng)上升到磁盤文件級別了，我們?yōu)榱藦?fù)用，不可能一個一個要素分別存在獨立的文件里的，因為屬性的數(shù)量、類型一致，所以要素可以存在一個文件（或者容器）里。 我們把這個容器所在的級別，叫做“數(shù)據(jù)層”。 我為什么不說一個矢量數(shù)據(jù)文件（例如一個json文件，一份shp文件）就是一個“數(shù)據(jù)層”的實現(xiàn)呢？ 因為，一個矢量數(shù)據(jù)固然可以是一個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...當(dāng)然一個矢量數(shù)據(jù)也可以是數(shù)據(jù)庫里的一個表，或者一個要素類（ArcGIS里的gdb）。 我們討論的是“分層”，而不是物理文件構(gòu)成。 通常來說，我們傳遞的數(shù)據(jù)大多數(shù)處于數(shù)據(jù)層。比如，我們傳遞一個“中國省級行政區(qū)劃”的shp文件，或者傳遞一個“廣州市醫(yī)療機(jī)構(gòu)點位”的geojson文件。 我們很少傳遞一個“要素”，傳遞一個“幾何面”——代碼層面除外。 plus 數(shù)據(jù)層（Data）為什么不叫圖層（Layer）我們把一個矢量數(shù)據(jù)（geojson/shp/數(shù)據(jù)庫里某張地理數(shù)據(jù)表等）拖到任何一個GIS客戶端軟件中，一定能看到它的樣子，軟件會給我們畫出來，它這個時候，叫做“圖層”。 因為數(shù)據(jù)和圖層分擔(dān)著各自不同的任務(wù)，圖層負(fù)責(zé)渲染、顯示數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被圖層引用。一個數(shù)據(jù)是可以被多個圖層引用的。 這就好比，賬本專心管理財務(wù)流水，報表ppt專心負(fù)責(zé)回報財務(wù)流水的各種趨勢比例。 我們GIS軟件依靠圖層將數(shù)據(jù)符號化，比如給某個點數(shù)據(jù)設(shè)定了符號是一個尺寸是15的紅色五角星，給某個線數(shù)據(jù)設(shè)定了標(biāo)注是它的“name”字段，通過圖層查看一個數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)等... 2.4. 地圖層什么是地圖層？ 我們有了數(shù)據(jù)層，就可以進(jìn)行地理數(shù)據(jù)的分析、展示、交互了。 我們?yōu)榱私M織起地理數(shù)據(jù)，需要將數(shù)據(jù)排列順序，符號化，設(shè)計出一張地圖。 地圖這一層包括了n個數(shù)據(jù)（也即n個圖層，每個圖層引用一份數(shù)據(jù)）。 當(dāng)然，我們還可以為數(shù)據(jù)做分組。 我們知道ArcMap中，有個“數(shù)據(jù)框”的概念，其實一個數(shù)據(jù)框就是一個地圖，數(shù)據(jù)框就是地圖層這一級別的容器。
大家可能看中國地圖會觀察到右下方通常會有一個“南海諸島圖”，其實中國大陸主體地區(qū)和右下方的“南海諸島圖”用兩個數(shù)據(jù)框就可以表示了。 事實上，QGIS也有一樣的概念，在布局窗口中，我們可以插入一個地圖：
同樣能做到“南海諸島圖”和大陸圖在同一個布局里顯示的效果。這里插入的“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”包裹在一起。QGIS使用*.qgz文件，ArcMap使用mxd文檔，ArcGISPro使用arpx文件。 3. 柵格數(shù)據(jù)的四個分層柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)當(dāng)然是有區(qū)別的，但是，在概念上可以歸一。 3.1. 位置/屬性在柵格中，幾何圖形所代表的空間數(shù)據(jù)被像元的中心坐標(biāo)值代替了，該像元的像元值即屬性值。 我們知道，柵格數(shù)據(jù)可以是單波段也可以是多波段，可以是浮點數(shù)柵格也可以是整數(shù)柵格。 柵格數(shù)據(jù)可以代表的地理數(shù)據(jù)種類比較多，以單波段數(shù)據(jù)為例，整數(shù)柵格有屬性表，可以添加多列屬性（即給不同的像元值賦予不同的意義），浮點柵格則不行。 多波段則能實現(xiàn)“同一個像元坐標(biāo)”“n個像元值”，并且每個像元值獨立，不受整數(shù)或者浮點數(shù)影響。 3.2. 像元層像元，包括像元分辨率、像元中心坐標(biāo)和像元值三大主要數(shù)據(jù)。 像元層并不像矢量中的要素層表意那么直接，因為單像元表達(dá)的地理實體不如一個要素強。但是，多個像元是可以做到一個要素的表達(dá)效果的。 比如，在DEM柵格數(shù)據(jù)中，一個像元可以概括表達(dá)這個像元面積這么大的地方的海拔高度。多個連片的像元可以構(gòu)成一塊地區(qū)的地形。 但是，和要素層的核心要義是一樣的，像元層和要素層都能表達(dá)地理實體，把像元的三大主要數(shù)據(jù)孤立討論，是不能表達(dá)地理實體的。 3.3. 數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)層和矢量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)層類似，為n個呈矩陣排列的像元構(gòu)成的圖像。 這個圖像可以是一層，也可以是多層疊加，只要保證像元中心坐標(biāo)一致、像元分辨率一致即可。 數(shù)據(jù)層的物理形式比較簡單，除了一些元數(shù)據(jù)外（坐標(biāo)系什么的），就是一個體積比較大的數(shù)據(jù)文件，或者在數(shù)據(jù)庫里的一張表或者一個柵格數(shù)據(jù)集（Esri gdb）。 若為一個單文件，常見的GIS數(shù)據(jù)格式為tif，盡管jpg/png/bmp等傳統(tǒng)圖片格式也可以稱作柵格數(shù)據(jù)，但是它們設(shè)計的初衷并不是GIS應(yīng)用。 在GIS數(shù)據(jù)服務(wù)中，柵格數(shù)據(jù)切片可以是jpg/png，因為便于網(wǎng)絡(luò)傳輸和顯示。 3.4. 地圖層地圖層與矢量數(shù)據(jù)的地圖層一致，都為n個柵格數(shù)據(jù)按一定順序、符號化構(gòu)成。 4. GIS數(shù)據(jù)服務(wù)是什么4.1. GIS服務(wù)器GIS服務(wù)，與普通網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是一樣的。
我們常見的Web服務(wù)器軟件，有IIS、Apache、Nginx、tomcat等，也可以用Java/nodejs等工具語言編寫自己的服務(wù)器后臺軟件。 GIS服務(wù)器軟件基于HTTP等協(xié)議（做webgis的，如果連http協(xié)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(wù)器可以是獨立的軟件，也可以是某個Web服務(wù)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。
4.2. GIS數(shù)據(jù)服務(wù)扯了半天，那什么是GIS服務(wù)呢？ 通常來說，我們說的GIS服務(wù)就是GIS數(shù)據(jù)服務(wù)。但是，其實GIS服務(wù)還可以提供計算服務(wù)，也即GIS處理服務(wù)，作為4.3的內(nèi)容講解。 OGC中數(shù)據(jù)服務(wù)有很多，只挑一些常見的帶過，具體怎么用還是得靠讀者進(jìn)一步閱讀更多的資料，本文的重點仍舊是上面的四層概念。 GIS服務(wù)扮演的角色，更像是WebGIS中對GIS數(shù)據(jù)和用戶交互之間的一個橋梁，它規(guī)范并限制了請求端的操作。 GIS數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)該屬于“地圖層”這一層級，因為它可以包括多個數(shù)據(jù)（圖層）。 4.2.1. 提供訪問地理數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)——WMSWMS，Web Map Service，網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)。 一個WMS是一個“地圖層”的實現(xiàn)，只不過限制了網(wǎng)絡(luò)請求的功能。 它允許將n個數(shù)據(jù)發(fā)布成一個“GIS服務(wù)”，1個數(shù)據(jù)被叫做1個圖層，因為要對web提供訪問，所以用圖層這種帶符號化的形式來描述“數(shù)據(jù)層”比較合適。 它提供了以下幾大功能，有興趣的朋友可以參考博客園李曉暉的博客，或者直接查閱OGC官方文檔（列在參考文檔中了）：
第一個沒什么好說的。 第二個獲取的是給定參數(shù)（比如范圍、返回圖像的格式等）的地圖圖像，和截圖差不多。 第三個功能，說大白話就是“點擊地圖，根據(jù)點位獲取指定圖層上的要素”。
4.2.2. 提供增刪改查矢量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)——WFSWFS，Web Features Service，網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)。 WFS強化了WMS中關(guān)于矢量數(shù)據(jù)的訪問，提供了增加、修改、刪除、查詢矢量要素的功能。 WMS對矢量數(shù)據(jù)的查詢，局限在了“識別”這一功能上。 我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"、“Transaction”等功能。 WFS的主要功能如下：
GetCapabitities和DescribeFeatureType的區(qū)別在于，前者描述整個服務(wù)，后者聚焦于矢量數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)。 GetFeature既可以使用get請求，也可以使用post請求。無論get請求還是post請求，都可以使用過濾條件，過濾一些不滿足給定條件的矢量數(shù)據(jù)。 Transaction使用post請求，將指定格式的xml請求到gis服務(wù)器上。 WFS要求服務(wù)的接口必須由XML描述，另外數(shù)據(jù)交互必須由GML（一個OGC矢量數(shù)據(jù)格式規(guī)范）迚行，數(shù)據(jù)過濾采用CQL語言。 4.2.3. 網(wǎng)絡(luò)覆蓋服務(wù)——WCSWCS標(biāo)準(zhǔn)定義了一些操作，這些操作允許用戶訪問“Coverage”數(shù)據(jù)，如衛(wèi)星影像、數(shù)字高程數(shù)據(jù)等，也就是柵格數(shù)據(jù)。 有矢量就有柵格，與WFS形成對比，WCS的C，就是柵格數(shù)據(jù)的意思。 WCS也有幾個功能：
4.2.4. WMS的變種：網(wǎng)絡(luò)地圖切片服務(wù)——WMTSWMS能給前端返回一張位圖，和我們在GIS軟件里對一個地圖直接截個圖（不經(jīng)過制圖）類似。 如果這張位圖體積過大或者網(wǎng)絡(luò)傳輸不好，那么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(jìn)，即WMTS，原理很簡單，即把這張位圖實現(xiàn)按網(wǎng)格切好，在不同的分辨率下，把這些切好的圖（都緩存在地理服務(wù)器上）按前端指定的范圍，挨個傳遞。 這樣，一張小圖可能體積并不大，保證了前端的體驗。 4.2.5. 三維場景服務(wù)迄今為止并未有三維地理數(shù)據(jù)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，只有三大地理三維數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)：
其中，前兩個被ogc承認(rèn)，且主推i3s。 i3s由Esri（就arcgis家）主推，以slpk文件為交互文件，在自家的ArcGIS Enterprise服務(wù)器生態(tài)中，已經(jīng)研發(fā)出“SceneService”這種GIS商業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)了。 3dtiles是ogc的一個標(biāo)準(zhǔn)，是i3s的主要競爭對手。 gltf，號稱是三維數(shù)據(jù)界的jpg，目前（發(fā)文時間2020年初）開源的商業(yè)的gis服務(wù)器尚未支持三維服務(wù)，cesium自己是直接前端調(diào)用gltf文件創(chuàng)建視圖。 s3m是國內(nèi)北京超圖主推的一個標(biāo)準(zhǔn)。 i3s、gltf、s3m三者共同的特點是用樹結(jié)構(gòu)來組織數(shù)據(jù)，用json文件描述數(shù)據(jù)，用二進(jìn)制文件來存儲具體數(shù)據(jù)。 4.3. GIS處理服務(wù)遵循一種規(guī)范，可以將繁重的處理任務(wù)交由服務(wù)器運行，然后根據(jù)規(guī)范，將處理結(jié)果返回給前端。這在普通的web服務(wù)中是理所當(dāng)然的事情，只不過加上GIS數(shù)據(jù)這個殼兒，事情就變得有點復(fù)雜了起來。 其實OGC組織是有這么一個規(guī)范的，叫WPS——Web Process Service。 Web 處理服務(wù) （WPS） 是用于發(fā)布地理空間過程、算法和計算的 OGC 服務(wù)。 WPS 服務(wù)可作為GIS服務(wù)器的擴(kuò)展，為數(shù)據(jù)處理和地理空間分析提供執(zhí)行操作。 默認(rèn)情況下，WPS 不是 GeoServer 的一部分，但可作為擴(kuò)展提供。 Esri ArcGIS Enterprise中的Server和Portal都原生支持了WPS，并且有比WPS更強大的GP服務(wù)。 有關(guān)WPS在GeoServer上的資料，參考各大博客和文末的參考文檔。
==============分割線============== GIS服務(wù)器有商業(yè)也有開源，對OGC的多個服務(wù)支持也各有千秋，本文僅作簡略介紹，而且有標(biāo)準(zhǔn)文檔、各路案例博客資料，想必可以不再發(fā)文描述。 讀者更應(yīng)該關(guān)注的是本文提出的“四層概念”，多思考多比對。 在本篇中的四層概念合適套用在二維數(shù)據(jù)或者三維數(shù)據(jù)上，至于i3s標(biāo)準(zhǔn)下的slpk和3dtiles、gltf數(shù)據(jù)并不太適用，那些更合適網(wǎng)絡(luò)分發(fā)，畢竟官方提及，slpk不適合再進(jìn)行編輯。
參考文檔[1] GeoServer中WMS、WFS的請求規(guī)范 . 李曉暉. https://www.cnblogs.com/naaoveGIS/p/5508882.html [2] OGC標(biāo)準(zhǔn)介紹. 吳泳鋒 [M] warrenwyf@gmail.com [3] GeoServer WPS文檔 https://docs./latest/en/user/services/wps/index.html [4] OGC標(biāo)準(zhǔn)介紹 5 . https://blog.csdn.net/warrenwyf/article/details/5717612 [5] OGC標(biāo)準(zhǔn)介紹. https://blog.csdn.net/lavanana/article/details/93975949 |
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