吳 萍,許惠平,陳華根

(同濟大學海洋與地球科學學院, 上海200092)

隨著計算機和地理信息系統(tǒng)(geographic information system ,GIS)技術尤其是網絡通信技術的發(fā)展,地理空間數據呈幾何級數增長.如何有效地存儲、管理和應用海量數據, 成為GIS 專家面臨的一大挑戰(zhàn).作為“ 數字地球” 六大核心技術之一的元數據成為解決這一問題的有效途徑[1],是近十年來GIS 研究的熱點之一.

元數據標準是元數據應用的數據基礎, 元數據管理是元數據應用的實現(xiàn)工具.目前, 元數據應用存在以下問題:①由于不同的研究對象和項目需求, 產生了多種元數據標準, 而這些標準相互之間的兼容性很差, 造成了元數據標準制定的重復做工;②現(xiàn)有的元數據管理是針對某一特定的元數據標準而構建, 元數據標準的不同導致元數據管理的重復構建和編程, 浪費大量的人力和物力.

因此,本文采用面向對象技術解決上述問題, 深入分析了元數據標準的對象特性和元數據管理中涉及的對象, 提出了元數據標準和元數據管理的對象模型, 并在東海信息中心的海洋數據共享與交換系統(tǒng)中得以實施和驗證.

1 面向對象的元數據標準

1.1 元數據概述

元數據應用存在已久,早期的地圖圖例、書本目錄到后來的圖書館卡片分類等,都屬于元數據.但元數據還沒有一個統(tǒng)一定義[2].目前,關于地理空間元數據比較流行的是國際標準化組織(ISO)地理信息技術委員會(ISO/ TC 211)的定義:元數據是關于數據的數據,即數據的標識、覆蓋范圍、質量、空間和時間模式、空間參照系和數據分發(fā)等信息[3-5].

隨著網絡技術飛速發(fā)展, 數據共享需求日益迫切, 元數據已經從最初的數據描述和索引方法發(fā)展成為數據表現(xiàn)、數據轉換、數據管理和數據使用整個信息傳輸過程中不可或缺的工具和方法之一[6-8].

元數據標準是各國際組織和應用部門研究的重心, 在這十多年的發(fā)展歷程中, 根據不同的應用領域,提出了不同的元數據標準.表1 列出了較為常用的元數據標準.

表1 元數據標準Tab.1 Metadata standard

1.2 元數據標準的對象模型

為了有效地組織管理復雜的地理空間元數據,FGDC 在其元數據標準CSDGM中提出了元數據子集、復合元數據、元數據元素的元數據層級劃分策略.同時, 我國國標《地理信息元數據》 基于ISO 19115 :2003 提出了與之相似的元數據子集、元數據實體和元數據元素的元數據劃分策略[9],形成了地理空間信息元數據的樹狀層次模型.

一方面,這種樹狀層次結構很好地體現(xiàn)了面向對象中的封裝、聚合、對象和屬性等概念.元數據與元數據子集、元數據子集與元數據實體之間是一種整體與部分的關系,類似于面向對象中的聚合.同時,不同元數據子集以及元數據子集下屬的同一層級的不同元數據實體之間具有相對的獨立性,類似于面向對象中的封裝.元數據子集、元數據實體和元數據元素之間就是面向對象中的對象與屬性的關系.

另一方面,地理空間信息元數據樹狀層次模型還體現(xiàn)了面向對象的泛化概念.元數據隨著人們對地理空間信息描述需求的全面和深入而同步發(fā)展,該過程是人們在對地理空間信息元數據普遍性認識的基礎上,對特性逐漸把握的結果,反映了從一般到特殊,從抽象到具體,從粗略到精細的認識演化規(guī)律.

因此,地理空間元數據在認識和組織方面具有面向對象中對象抽象、封裝、繼承、聚合等特性.采用面向對象的通用建模語言UML 繪制地理空間元數據對象模型, 如圖1 所示.

圖1 元數據標準對象關系圖Fig .1 Ob jects relationship of metadata standard

此圖清晰地顯示了元數據中各實體之間的對象關系.元數據由元數據子集聚合而成, 一個元數據標準由一個或多個元數據子集組成;元數據子集是由零到多個元數據實體聚合而成;元數據實體既可繼承元數據子集產生,還可聚合或繼承其他實體生成.元數據元素作為元地理空間數據的基本單元, 抽象為元數據體系中的屬性.基于這樣的模型,利用面向對象的繼承、關聯(lián)等關系,易于實現(xiàn)元數據標準的擴展和新建等操作.

本文以地理信息元數據國際標準ISO 19115 作為通用元數據標準,并建立其對象模型, 以促進其他專業(yè)應用元數據的制定和互操作.

1.3 專業(yè)元數據標準的制定方法

專業(yè)元數據標準的制定是以通用元數據標準為基礎,進行標準擴展、修改,制定滿足專業(yè)需求的專業(yè)元數據.基于元數據標準的對象模型, 通過類提取、類繼承、類屬性的覆蓋、類或類屬性的刪減和類的新建等面向對象操作, 實現(xiàn)專業(yè)元數據標準的制定.

1.3 .1 類的提取

根據所采用的通用元數據標準, 將相關的元數據實體和元數據子集抽象為對象類, 并建立相互之間的邏輯關系(關聯(lián)、聚合、繼承等), 將元數據元素抽象為對象類屬性,構建基礎元數據類.

目前,多個國際海洋組織均采用ISO 19115 作為海洋元數據標準開發(fā)基礎,如AODC(澳大利亞海洋數據中心)、WMO(世界氣象組織)采樣的元數據標準,為了增強與現(xiàn)有元數據的互操作和交互性, 本文采用ISO 19115 元數據標準來通用元數據標準,直接復用了其中的元數據子集類MD_ 數據標識信息、MD_數據質量信息、MD_ 數據發(fā)布、MD_坐標系統(tǒng)等.

1.3.2 類的繼承

類的繼承是以某元數據類為基類, 根據所要描述對象的特性,創(chuàng)建一個子類, 在繼承其父類所有屬性的基礎上, 還具有其特有的屬性.

海洋現(xiàn)象的數據獲取手段主要有現(xiàn)場觀測、數值模擬和遙感等10].因此, 在MD_ 數據標識信息類的基礎上,還需要通過繼承而產生MD_ 觀測、MD_數值模擬和MD_遙感類, 分別描述這三種數據來源的相關平臺、儀器以及數值方法的信息.

1.3.3 類屬性的覆蓋

類屬性實際就是元數據元素, 類屬性的覆蓋是指通過自定義類屬性的最大出現(xiàn)次數、約束/條件、域,實現(xiàn)對元數據標準原型中元數據類所定義相應特征的修改, 以滿足特定的應用需求.這主要用于對特定值域的代碼表、枚舉等值的修改、替換.

如,在海洋數據中, 海洋環(huán)境數據分為海洋生物、海洋水文、海洋氣象、海洋物理、海洋化學、海洋地質地球、海洋遙感和海洋災害等, 因此, 在設置MD_數據標識中的專題屬性時, 就需要將上述數值添加到該屬性的代碼表中.

1.3.4 類或類屬性的刪減

作為國際通用標準,為了兼顧多學科需求, 元數據標準具有較為廣泛的定義, 因此, 針對具體應用時,需要對該元數據標準內容進行刪減、精簡, 以求增強元數據的實用性.類和類屬性的刪減主要包括以下操作:刪除無意義的元數據類;刪除類中的無用屬性項,即元數據元素;刪除作為類屬性的元數據元素的域值等.

1.3.5 類的新建

即通過面向對象中的關聯(lián)(包括關聯(lián)、聚類和組合)而添加的元數據類.

對于海洋現(xiàn)場觀測數據來說, 多數是通過觀測平臺和觀測儀器進行描述的,因此,在該元數據標準中,為MD_觀測添加了新建的元數據類MD_觀測平臺和MD_觀測儀器.

基于這種思想構建的元數據標準, 一方面能最大限度地提高元數據標準之間的兼容性;另一方面,以元數據類作為操作單元, 便于元數據研發(fā)時的分工合作和進度控制,有助于元數據的擴展和維護.

2 面向對象的元數據管理

元數據標準的制定是元數據應用的基礎, 而元數據管理是元數據功能實現(xiàn)的工具.用戶通過元數據管理實現(xiàn)元數據錄入、管理、搜索查詢及數據挖掘等功能.現(xiàn)有的元數據管理均是基于某一元數據標準而設計, 針對不同的元數據標準需要進行重新構建, 故造成了較大的資源浪費.而本文的思想是構建元數據管理的對象模型, 實現(xiàn)元數據管理構建的代碼重用.

2.1 元數據管理概述

元數據管理通常包括三類用戶:一般用戶(brow ser)、專業(yè)用戶(client)和管理員.一般用戶有元數據查詢、瀏覽等元數據服務功能;專業(yè)用戶擁有一般用戶功能,還增加了元數據錄入、編輯等元數據管理和數據服務功能;管理員主要實現(xiàn)用戶、數據庫管理功能.基于這樣的用戶分類和用戶職能分配, 通用的元數據管理功能如圖2 所示.

2.2 元數據管理的對象模型

元數據管理中涉及的對象主要有數據對象.元數據對象和用戶對象, 結合上文所介紹的元數據管理功能, 采用面向對象設計方法,建立了元數據管理的對象模型, 如圖3 所示.

2.2 .1 元數據項類

元數據項類由數據集元數據類和目錄元數據類聚合組成, 數據集元數據是數據集的完整元數據描述, 而目錄元數據僅是數據集元數據的子集, 同時,也代表了元數據目錄中目錄項所顯示的元數據信息.數據集元數據類同時還封裝了顯示、輸出和獲取數據的方法.同時, 元數據項類還具有一元關聯(lián)關系.

2.2 .2 元數據容器

元數據容器是對所有元數據對象的操作管理.該類設置了元數據個數屬性, 記錄其所含元數據對象的數量.方法主要包括:元數據管理(添加元數據、刪除元數據、更新元數據)和元數據查詢(關鍵字查詢、字段組合查詢和空間范圍查詢).查詢操作結果是元數據項對象集合.

2.2 .3 數據類

數據類主要實現(xiàn)對數據資源的操作管理.數據類屬性有數據ID 、數據集名稱和數據等級.數據等級屬性主要是對不同保密等級的數據設置等級, 實現(xiàn)不同等級數據的不同獲取操作(在線顯示、下載和與相關人員聯(lián)系).方法主要有:添加數據、刪除數據、更新數據、自動獲取元數據、格式轉換和數據顯示.

2.2.4 用戶信息類

用戶信息是對用戶權限和用戶信息的管理.用戶一般分為3 類:大眾用戶、專業(yè)用戶和管理員.大眾用戶具有元數據的查詢、瀏覽及數據獲取等操作;專業(yè)用戶在具有大眾用戶的操作權限基礎上, 還具有數據上傳、元數據上傳、更新、修改等操作權限;管理員主要實現(xiàn)對大眾用戶和專業(yè)用戶的管理和權限分配.用戶根據不同的權限配置, 實現(xiàn)不同的操作,這也是系統(tǒng)安全的保障措施之一.

用戶信息屬性包括有用戶名、密碼和權限等級.方法主要包括:新建用戶、刪除用戶、修改密碼和修改用戶名.新建用戶和刪除用戶是管理員所特有的功能.

圖2 元數據管理圖Fig .2 Metadata management system

2.2 .5 目錄項

目錄項類主要實現(xiàn)對元數據目錄項的構建和管理.目錄項類屬性包括目錄ID 、目錄等級、目錄類、父目錄.根目錄的目錄等級為0 ,往下依次增加1 .方法主要有:是否是葉節(jié)點、是否是根節(jié)點和獲取父節(jié)點.根目錄沒有父目錄,目錄編目的相關字段來自于目錄元數據.

2.2 .6 元數據編輯器

元數據編輯器類用于根據已定義的元數據模式, 載入相應元數據, 實現(xiàn)元數據編輯, 或根據數據信息獲取相關元數據, 提供錄入界面供用戶進行輸入其他元數據項, 實現(xiàn)元數據錄入, 最終生成XML(ex tensib le markup language,可擴展標記語言)文檔的元數據.

圖3 元數據管理對象圖Fig .3 Ob jects of metadata management system

這種基于面向對象思想設計的元數據管理能很好地解決現(xiàn)有元數據管理中存在的問題.元數據標準和元數據功能分別封裝為對象的屬性和行為, 通過類的重新定義即可實現(xiàn)代碼重用,大大節(jié)省了人力.這個元數據管理對象模型具有很強的普適性, 可應用于各行各業(yè)的元數據管理.

2.3 實現(xiàn)技術

2.3.1 元數據的存儲

XML 具有數據和顯示分離、簡單易讀等特點,已廣泛用于網絡數據傳輸和顯示.毫無疑問, 使用XML 來表達和傳輸元數據具有很大優(yōu)勢,且已被大家普遍接受, 目前的關鍵問題是如何有效存儲和管理基于XML 的元數據以方便用戶查詢、使用.

由于XML 數據庫還沒有成熟,目前以XML 描述的元數據存儲主要有兩種方式:直接存儲為數據庫字段和映射為2 維表格.Oracle 數據庫提供了BLOB(binary large ob ject,二進制大對象)字段, 可用于存儲整個XML 文檔, 這種方式的優(yōu)點是存儲、讀取速度快, 不受元數據模式影響,但元數據查詢和處理較慢.將元數據映射為2 維表格存儲在RDBMS(relational database management system,關系型數據庫管理系統(tǒng))中, 數據查詢處理速度快, 充分應用了數據庫成熟的查詢處理技術,但其缺點是元數據模式更改會直接導致表結構的變化, 而且,同時讀取多個表格也會延緩數據讀取速度.可見, 這兩種方式各有優(yōu)缺點.

同時,元數據通常被分為兩級元數據,即目錄元數據和數據集元數據.其中, 目錄元數據是對整個數據的概括描述,是數據集元數據的子集, 是整個元數據中經常需要查詢使用的元數據要素;而數據集元數據是關于整個數據的元數據, 多用于元數據的顯示.

因此,本文提出關鍵字段+XML 文檔的存儲方式.其中,關鍵字段為用于數據查詢、目錄顯示的元數據字段信息,存儲在2 維表中;而數據集元數據就存儲為一個大字段.這樣,對元數據的查詢實際就是對2 維表的查詢, 提高了查詢速度.這種思想在元數據管理的對象模型中表現(xiàn)為元數據項類由數據集元數據類和目錄元數據類聚合而成, 其中, 數據集元數據類和目錄元數據類的屬性就分別封裝了XML 元數據文檔和關鍵字段.

2.3.2 元數據與數據的一體化管理

盡管元數據和數據集之間存在一一對應的關系,但在元數據管理模型中,元數據的管理和數據集的管理卻是相互獨立的.當數據集發(fā)生增、刪、改等操作時,元數據缺乏相應的響應和更新機制,會導致元數據信息的準確性下降, 直接影響元數據的質量.

依賴倒轉原則是面向對象設計原則之一, 其基本原則是:要依賴于抽象, 不要依賴于具體, 更好地實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴展性.本文以依賴倒轉原則為指導,引入了元數據管理接口,提供了元數據添加、刪除和更新3 個抽象方法,通過類之間的繼承和依賴關系,實現(xiàn)數據和元數據的同步更新, 符合面向對象的開-閉原則.

元數據和數據同步更新包括數據添加、刪除和更新時元數據的相應操作, 其實現(xiàn)流程如圖4 所示.

圖4 元數據和數據同步更新Fig.4 Synchronized updating of metadata and data

2.3.3 數據與數據之間的交叉引用

元數據查詢主要有3 種方式:關鍵字查詢、字段組合查詢和空間范圍查詢.空間范圍查詢是基于元數據中所提供的空間范圍信息進行查詢, 而在實際應用中,屬性數據通常沒有空間范圍信息描述, 因此會出現(xiàn)屬性數據遺漏的問題.通常情況下,某些屬性數據是對空間數據的其他屬性描述,而這些屬性數據也是有一定隱含的空間范圍的,如何查詢這類屬性數據也是本文研究中涉及的問題.

面向對象設計中的關聯(lián)關系可以很好地解決這個問題, 本文通過元數據項類的一元關聯(lián)關系來實現(xiàn).一個空間數據的元數據對應零到多個屬性數據的元數據, 一個屬性數據的元數據對應零到一個空間數據的元數據.這樣,就能很方便地查詢到與某一元數據相關的其他元數據信息.

2.3 .4 數據安全

數據安全是數據共享中首要考慮的問題.本文采用用戶權限控制和數據安全等級設置來保證數據安全.為用戶設置權限等級, 決定用戶有無獲取數據的權限;根據數據安全級別的高低,將數據分為3 種安全等級:可下載、可在線瀏覽和與相關聯(lián)系人聯(lián)系.數據獲取流程如圖5 所示.

圖5 數據獲取流程圖Fig .5 Flow chart of data retrieval

3 應用實例

本文所介紹的對象模型應用于東海信息中心的海洋數據共享與交換系統(tǒng)建設中, 其整體思路為:根據本研究區(qū)描述數據和對象的特點, 基于通用元數據標準制定專業(yè)元數據標準, 建立元數據標準的對象模型;根據制定的元數據標準和前文的元數據管理對象模型, 設計適合該應用的元數據管理對象模型, 最終建立元數據管理應用系統(tǒng).

該系統(tǒng)中所涉及的數據包括兩大類:地理空間數據和非空間數據.地理空間數據包括基礎地理數據、遙感影像數據等.非空間數據主要包括:海洋環(huán)境基礎數據、模型參數、系統(tǒng)管理中的用戶數據等.圖6 以影像數據為例, 說明專業(yè)元數據標準的制定.虛線框內的遙感影像類是對通用元數據標準類的繼承, 是對通用元數據標準的擴展.

圖6 海洋元數據實例Fig .6 Example of ocean metadata

該系統(tǒng)采用海洋數據分布式存儲, 元數據集中式存儲的策略,構建了“一個中心, 多個節(jié)點” 的系統(tǒng)平臺,主要實現(xiàn)元數據輸入、管理、元數據查詢、目錄查詢、數據獲取和用戶管理等功能.因此, 本系統(tǒng)采用B/S(brow ser/server,瀏覽器和服務器)結構的WebGIS 架構, 在服務器端采用前文的元數據管理對象模型,實現(xiàn)該系統(tǒng)的快速構建,并有利于系統(tǒng)的擴展、維護.

4 結語

元數據具有很強的實踐性,因此, 建立統(tǒng)一的元數據標準是不可能實現(xiàn)的.而如何增強元數據標準之間的互操作性,實現(xiàn)元數據擴展和維護是目前元數據研究的重要方向.本文基于面向對象設計技術,實現(xiàn)了元數據標準和元數據管理的對象化模型設計,很好地解決了元數據標準和管理系統(tǒng)的擴展和維護.同時,在元數據管理對象模型設計中解決了目前多數管理系統(tǒng)在元數據存儲、元數據和數據同步更新、元數據查詢等方面存在的問題.

地理信息元數據模型是地理信息數據庫中對地理信息數據進行定義、管理、操作、擴展等的工具, 是整個地理信息數據庫的核心.它存儲了地理信息元數據的基本操作, 通過基本操作及其組合,可實現(xiàn)對地理信息元數據、地理信息數據的所有操作[11].ISO提出了電子文件管理相關的元數據模型[12].本文目前僅是對元數據模型的初步抽象和概括, 在下一步工作中,將全面地考慮元數據自身特點及其功能, 建立完善的元數據模型.

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