空间元数据服务

第26卷　第5期2007年　10月地域研究与开发

ARE AL RESE ARCH AND DE VE LOP ME NT Vol . 26　No . 5Oct .

2007

基于元数据的空间数据网络分发系统研究

余　旭

1, 2

(1. 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京100101; 2. 中国科学院研究生院, 北京100049)

摘要:随着GI S 应用的深入, 重要问题。由于网络中内容和形式各异的海量数据的存在, 的保证, 地发现各种空间数据服务。, 包括元数据技术、数据压缩技术、, 。

关　键　词:元数据; ; ; 数字水印

中图分类号::A 　　　　　文章编号:1003Ο2363(2007) 05Ο0111Ο05

1　引言

地理空间数据是国家空间信息基础设施(NSII ) 建设的重要内容

[1～3]

间数据网络分发系统的设计与实现进行相关探讨。

2　系统关键技术

2. 1　空间元数据技术

元数据(metadata ) 原意是关于数据变化描述, 即关

[4]

于数据的数据。空间元数据是描述空间数据集内容、质量、表示方式、空间参照系及管理方式等特征的信息。概括来说, 空间元数据功能可以分为两类:(1) 内部管理, 即帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据, 建立数据文档; (2) 外部共享, 即向用户提供数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换、数据销售等方面信息, 便于用户了解数据来源和质量水平, 快速有效地查询、检索、评价、比较获取和使用地理

[5]

数据。同物理、化学等学科使用的数据结构类型相比, 空间数据是一种结构比较复杂的数据类型。它既涉及到对于空间特征的描述, 也涉及到对于属性特征以及

它们之间关系的描述。所以, 空间数据元数据标准的建立是项复杂的工作, 并且由于种种原因, 某些数据组织或数据用户开发出来的空间数据元数据标准很难为地学界所广泛接受。但空间数据元数据标准的建立是空间数据标准化的前提和保证, 只有建立起规范的空间数据元数据才能有效利用空间数据。

目前, 元数据技术已逐步在各行各业得到应用, 但是不同的行业, 使用的数据千差万别, 即使是同一数据, 不同的用户所关心的侧重点也不尽相同, 所以很难找到一套适合所有数据和所有用户的元数据标准。正因为如此, 各行业都出现了各自的元数据标准。同时, 现在大部分的GI S 应用系统都是以自己的格式来定义空间元数据的, 因此, 缺乏一个通用的模型来产生和获取元数据, 使用者必须开发不同应用间的接口以实现数据交

, 同时伴随电子技术和信息技术的广

泛应用, 作为各种信息的空间基础支持的地理空间数据正受到越来越多的关注, 社会各领域对空间数据的需求也越来越大。随着互联网与GI S 的结合, GI S 的功能划分正逐步向互联网上分布。不同机构对空间数据从各自的角度进行采集、处理、生产, 这些数据既可以满足本单位的需要, 也可以满足其它应用的需要。但目前的现状是我们不知道存在什么样的数据、已有数据的质量如何、以及怎样访问和使用这些数据成果。因此, 迫切需要采取一定的办法来避免数据的重复性建设, 以及协调不同数据部门之间的资源共享。这样, 随着地理空间数据集的数量、复杂性和多样性的增加, 提供一个适应空间数据共享的标准化方法便成为空间信息基础设施建设中的迫切需求。元数据为各种形态的数字化信息单元和资源集合提供规范、普遍的描述方法和检索工具, 为分布、由多种数字化资源有机构成的数据共享体系提供整合的工具和纽带。它与描述的数据内容有密切联系, 不同应用领域的数据及不同数据共享应用系统的元数据具体内容不同。随着信息化的发展和数据生产部门与应用部门的分离, 数据共享成为空间信息基础设施建设的重要目标之一, 其中, 空间元数据管理系统是实现空间数据共享的关键所在。文章就基于元数据的空

收稿日期:2006-10-25; 修回日期:2007-03-02

基金项目:国家高技术研究发展计划(“863”计划) 资助项目

(2002AA131030)

作者简介:余旭(1977-) , 男, 湖北麻城人, 在读博士, 主要从事地理信息系统理论及应用研究, (E Οmail ) yux@lreis . ac . cn 。

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据的共享

[6]

地域研究与开发第26

卷

换从而限制了互操作性, 难以实现异构系统间空间元数

。可靠的元数据是以标准方式构建的, 是使

空间数据合理应用的核心, 它可以保证任何分析结果的可靠性。元数据可使人们更加便利地查询和访问数据交换站的数据集。要实现这一目的, 有2个关键技术必须解决, 其一是元数据的组织和管理, 其二是对元数据的查询检索要灵活、方便、高效。

因此, 在全面分析国内外关于元数据标准以及现有空间数据特性的基础上, 在该系统的研制中, 对空间数据的元数据条目进行了分类:第一类是数据源, 此类中的信息, 基本上是各部门共同关心的, 包括产品名称、产品代号、产品所有权单位等; 第二类是空间参考系, 是对数据坐标系统、数据质量, 检验评价单位、; , 主要包括数据更新时间、更新资料来源等; 第五类是图幅接边, , 包括相邻图幅的名称, 各边的接边情况等; 第六类是数据分发, 主要包括产品价格、分发介质、分发单位等; 第七类是原图信息, 主要是有关原始数据的信息, 包括原图图名、原图图号、原图经纬度范围等。经过这样的分类可以带来两方面的好处, 其一是对于用户来说, 可以很容易定位到自己所需要的数据; 其二是经过这种分类, 有利于数据库的结构安排, 减少数据冗余, 提高数据查询检索效率。

系统只针对一种图象数据做压缩算法设计, 其它数据在压缩前都先转换成这种特定的数据格式。矢量数据压缩分为2种:数据本身压缩与数据文件压缩。其中, 数据本身压缩又分为有损数据压缩和无损数据压缩:有损压缩采用抽点的办法, 减少数据的密度, 达到压缩数据的目的; 无损数据压缩, 通过改变数据描述形式与相对坐标系的变化, 达到压缩的目的。数据文件压缩采用通损压缩:, 无损压缩应用。栅格数据压缩:有损压缩采用JPG 压缩算法; 无损。经过对矢量数据进行分析发现, 矢量数据和普通文本数据类似。元数据在网络中是以X ML 格式进行传输。综合来看, 矢量数据、元数据和普通文本数据就属于一类数据, 都是纯文本数据格式, 所以, 这3类数据可以使用相同的压缩算法。通过多种算法的比较和实验, 该系统采用自适应

Huff man 算法、LZ77算法实现对这类文本数据进行压缩。

2. 2　数据压缩技术

近年来, 随着新型传感技术的发展, 遥感影像的时间、空间和光谱分辨率不断提高; 随着航天遥感技术的迅速发展, 相应的数据规模呈几何级数增长。遥感数据量日益庞大, 有限的信道容量与传输大量遥感数据的需求之间的矛盾日益突出, 给数据的传输和存储带来了极大的困难。数据压缩技术作为解决这一问题的有效途径, 在遥感领域越来越受到重视, 尤其对于遥感图象数据来说。一般说来, 图象分辨率越高, 相邻采样点的相关性越高, 数据水分也越大。对遥感数据进行压缩, 有利于节省通信信道, 提高信息的传输速率; 数据压缩之后有利于实现保密通讯, 提高系统的整体可靠性。

数据压缩需要解决的问题是压缩比高和压缩速度快, 而要做到这2点, 只有对具体的数据进行分析, 设计适合该数据的算法。该系统需要处理的数据主要包括四类:影像数据、矢量数据、元数据和普通文本数据。其中影像数据既有TI F, JPEG, BMP 等通用图象格式, 也有PC I, ERDAS, ENV I 等遥感图象数据格式。面对如此种类繁多的图象格式, 要设计一套适合所有数据的压缩算法是不可能的。为了实现对所有图象数据进行压缩, 该

2. 3　数据加密技术

实现空间数据共享, 可以使更多的人充分地使用已有数据资源, 减少资料收集、数据采集等重复劳动和相应费用, 而把精力重点放在开发新的应用程序及系统集成上。但是由于空间数据的存储问题, 加之空间数据的数据机密数据的特性, 在空间数据传输和利用过程中, 数据的防窃取和防篡改问题显得特别重要。

为了兼顾数据的加密效率和加密的安全性, 通常的做法是通讯双方先协商一个密码, 称为会话密码, 用这个会话密码对要传输的数据进行对称加密, 用非对称加密算法加密会话密码后传给对方, 加密数据和会话密码分开传输。这样的方式存在如下几个问题:其一, 客户端需要存储会话密码和加密数据, 并要记录它们之间的对应关系, 增加了客户端数据维护的复杂性; 其二, 会话密码容易被劫取, 随着计算机硬件技术的发展, 计算机的运算速度也在飞速提高, 被劫取的密码完全有可能被破译。

针对上述问题, 该系统采用了改进的混合加密方式, 使得会话密码和加密数据互相融合后一起打包进行数据传输。具体步骤是:第一步, 由加密方随机生成会话密码, 用会话密码对数据进行对称加密, 用非对称加密算法对会话密码加密; 第二步, 将加密后的会话密码按照约定规则(由服务器端和客户端协商确定) 进行切分后, 插入到数据加密结果中。这样做和常用的混合加密方式相比有如下几个优势:(1) 数据安全性增强。因为会话密码和加密数据互相融合, 所以破译者如果不知道融合规则就很难提取出会话密码, 从而加大了破译难

　第5期余　旭:

基于元数据的空间数据网络分发系统研究

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度, 大大增强了数据的安全性; (2) 数据易于维护。因为加密数据携带会话密码一起传输, 所以数据接收后一起存储, 不需要记录会话密码和加密数据的对应关系, 任何时候使用, 只要提取接收数据就可以进行解密, 从而使得加密数据的使用和维护更加简单便捷。

系统还采用了数字水印技术, 数字水印保证数据的接收方能够识别信息的发送方, 并且数据的发送方不能否认曾经发送过此数据, 提供公开密钥加密算法(即非对称加密算法) 为基础的数字签名, 保证及时发现信息在传递过程中是否被修改。

要的数据; 实现数据压缩功能, 以降低网络传输流量; 实现数据加密功能, 以保证数据网络传输的安全。基于此, 该系统采用B /S, C /S 相结合的体系结构。其中, 对元数据的操作全部采用B /S 结构; 对地图数据库的操作, 数据分发部分采用B /S 结构, 地图数据管理(包括数据建库、入库、出库等) 采用C /S 结构; 对网络数据库的操作, 日志管理、用户权限管理、密钥生成、公钥查询采用B /S 结构, 对私钥的提取采用/结构如图1。

9) (查询、、) ; 2) 请求地图数据接口; (3) ; (4) 访问元数据接口; (5) 访问地图(通过图名、图号、范围等确定要提取的数据实体) ; (6) 提取数据预览图接口(通过图名、图号、范围等确定要预览的数据实体) ; (7) 请求网络服务器接口(包括日志的提交、权限确认、公钥提取、密钥生成等) ; (8) 私钥提取接口(用于数字签名, 为了安全起见,

通过局域

3　系统体系结构及主要功能

3. 1　系统的体系结构

, , 网络发布, ; 实现网络数据分发, 图1　系统体系结构

F i g . 1　The arch itecture of the syste m

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网访问) ; ⑨网络数据访问接口。

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3. 2　系统的主要功能

由以上分析以及系统的体系结构, 可以看出系统的主要功能包括:(1) 元数据管理功能, 包括元数据建库、查询、备份、恢复、导入、导出等操作, 并且对于具有编辑权限的用户, 可以进行元数据的添加、修改和删除操作; (2) 空间数据管理功能, 包括地图数据建库、导入、导出、备份、更新、恢复、预览、历史数据管理等; (3) 元数据网络发布功能, 发布各种地图的元数据以便用户查找; (4) 地图数据网络分发功能, 能够提取用户指定的空间数据, 并通过一系列的压缩和加密处理从网络传送给用户; (5) 数据加密/解密, 以及空间数据数字签名, 加密, ; (6) , , ; (7) , 能够对数据加, 保管用户公开密钥, 并根据用户申请对公开密钥进行分配; (8) 日志管理, 用于记录和查询用户的操作记录, 包括操作时间、操作人、操作类型、操作具体内容等。

4. 4　混合加密确保网络传输安全

通过改进混合加密方式, 使数据安全得到有效保障。在加密方面, OpenSS L 提供了建立在普通的通讯层基础上的加密传输层; 这些功能为许多网络应用和服务程序所广泛使用。它能够支持安全套接字层v2/v3(SS 2Lv2/SS Lv3) 和安全传输层v1(T LSv1) 3种网络协议。同时, 它可作为通用的密码学函数库使用, 该系统就是。

4. 5　使得影像数据能够。

. 当空间数据被篡改或非法复制时, 空间数据发布者可以从被篡改或非法复制的空间数据中提取水印信号,

以维护自身权益。

5　结语

地理空间元数据和基于网络的数据分发技术的研究是互联网时代人们渴望改变传统数据分发手段的新要求。对这一问题的有效、深入研究, 有利于高效利用现有数据, 节省资金, 对促进GIS 产业的长足发展必然会产生深远的影响。由于空间数据具有数据海量性、分布性、异构性、类型复杂性等特征, 因此, 建立基于元数据的空间数据网络分发系统有助于实现空间数据的共享, 实现分布式数据组织与管理, 跨平台数据访问。元数据作为互联网上的行业语言, 提供了分布式异型地理信息交换与共享的技术可能性, 这种鲜明的行业性使得空间元数据系统将在行业信息网的建设中成为巨大的现实生产力, 具有广泛的应用前景。参考文献:

[1]　国家地理空间信息协调委员会办公室. 国家空间信息

4　系统技术特点

4. 1　模块化开发

通过对需求的分析, 结合方案采用技术的特点, 整个系统被划分为多个相对独立的模块, 坚持高内聚、松耦合的原则, 除了模块为其他模块提供的服务接口外, 模块与模块之间不存在其它的调用关系。

4. 2　对元数据的有效管理

系统对元数据的组织方式、元数据的存储方式以及元数据的应用进行了全盘考虑, 在元数据的组织上采用面向对象的方法, 使得元数据更加符合用户认识客观事

物的规律; 在数据存储和维护上, 采用大型数据库对元数据进行存储和管理, 使得元数据能够更好的支持大数据量和并发访问; 通过将元数据的信息进行合理分类, 并针对元数据在数据库中的存储特点, 优化查询语句, 以提高元数据的查询检索效率; 采用x m l 作为介质实现客户端和服务器端进行数据交换, 易于实现元数据的跨平台操作。

基础设施发展规划研究[M].北京:中国计划出版社,

2002.

[2]　张清浦. 电子政务与数字中国地理空间基础框架[J ].

地理信息世界, 2004, 2(1) :1-6.

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[4]　陈述彭, 鲁学军, 周成虎. 地理信息系统导论[M].北

4. 3　对空间数据的统一管理

面对空间应用数据日趋庞大, 管理和维护工作日趋复杂, 系统采用大型数据库O racle10g 实现对空间数据的统一管理, 既满足了海量数据的存储要求, 也满足了简化数据管理的要求。同时选择成熟的商用软件作为开发平台, 符合社会资源合理配置、最大效益地利用社会资源的宗旨。

京:科学出版社, 2003.

[5]　王继周, 李成名, 林宗坚. 面向共享的空间元数据管理

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　第5期余　旭:

基于元数据的空间数据网络分发系统研究

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Research on Spa ti a l Da t a Network D istr i buti on Syste m Ba sed on M et ada t a

Y U Xu

1, 2

(1. Institute of Geographical Sciences and N atural R esou rces R esearch, CAS,

B eijing 100101, China; 2. Graduate S chool of the Chinese A cade m y of Sciences, B eijing , China )

Abstract:W ith the increasing use of GI S, the s data an portant issue that affects the devel opment of many sect ors engaging in GI S of the existence of mas 2sive data with vari ous contents and for m s in net w the necessary guarantee for quickly re 2trieving and correctly using shared is the main means t o realize the s patial da 2ta sharing in the heter net w ork envir onment, all s orts of s patial data services can be quickly . The paper detailedly discusses the key technol ogies which are in 2volved in s patial ork on syste m based on metadata, including metadata technol ogy, data comp res 2si on technol ogy, data encryp ti on technol ogy, and gives the architecture of the whole syste m.

Key words:metadata; s patial data; net w ork distributi on; data encryp ti on; data co mp ressi on; digital water 2marking

　　(上接第95页)

Probe i n to I n l and V isitors ’Behav i ora l

Psychology wh ile They are Shopp i n g a t Hong Kong

ZHANG L i 2hua

(School of R esources and Environm ent, A nqing Teachers ’College, A nqing 246000, China )

Abstract:Shopp ing t ourist market in Hong Kong is perfect concerning operating mechanis m s o that it has of 2fered and de monstrated a good shopp ing exa mp le for mainland t ourist market . This paper, thr ough analyzing the case of inland visit ors ’shopp ing travel in Hong Kong, thinks that the p sychol ogical activity la w of the shopp ing be 2havi or is shown as:Pleasant sur p rise 2Doubt 2Regret 2App r oval 2Satisfacti on . It is owing t o i m perfect inland commodity market, inefficient t ourist industry operating mechanis m , and cl osely related t o inland econom ic level, visit ors ’consu m ing p sychol ogy aswell . T o cultivate the t ourist market, we should use Hong Kong t ourist industry experience of devel opment f or reference in many such as pects as operating mechanis m , manage ment style, p r oducti on and ex 2clusive agent of travel commodity, travel, effective measures of shopp ing market quality guarantee, etc .

Key words:inland visit ors; shopp ing travels; behavi or; p syche; Hong Kong