聊聊GIS数据的四个分层与GIS服务

本篇不讨论矢量栅格数据的结构，也不讨论矢量与栅格的区别（即设定读者有这方面的基础）。

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本文系概念性很强的博客，但对GIS项目有帮助，对在读的学生也有必定帮助。

尽管从物理的角度，只有独立数据文件（shp、geojson、tif等）或者数据库（esri geodatabase的gdb、geopackage等）这两种

可是，从学科角度，即从GIS的视角看，地理数据并无那么简单。

为解释简便，使用shapefile、geojson、tif栅格和gdb、postgis，辅助ArcMap/QGIS 3.10作解说。

1. 术语及概念定义

① 地理数据

地理数据=空间数据+非空间数据；也叫地理信息。例如：一座医院；一所学校；一条道路；一条河流

② 空间数据

即几何数据，描述坐标、形状的数据；也叫空间信息。例如：形状、坐标

③ 非空间数据

即属性数据，描述与空间位置无关的一类数据。例如：成绩单、医院名称列表

这类数据的特色是，若是脱离了地理位置也有它自己本身的含义。

2. 矢量数据的四个分层

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不妨这样想：每一层均为子一层的容器。大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米。

2.1. 几何/属性层

这是矢量数据的最底层，有两个类别：几何层或者属性层。

前阵子写了一系列坐标系有关的博客，咱们假定在某个坐标系下，存在某个点P(x0，y0)，这个点在这个肯定的坐标系下，就是独一无二的。

那么，若是这个点表明的是一个咖啡店，仅仅知道这个点的坐标(x0，y0)是不够的。

不一样的用户关心不一样的信息，有人关心这个店的电话号码，有的人关心它所在的城市和行政区，有的人关心它的地址，有的人关心它的人均消费。

这个时候，信息就能够分化成两个种属：几何的，属性的。

• 咱们说表征位置信息的坐标数据（或者多个坐标构成的线、面），叫几何数据。
• 除了几何数据，都叫属性数据。

上大学的时候，系主任说：地理数据区别于其余行业的数据，最大的区别是它具备空间数据！

咱们刚明确了几何数据是什么，属性数据是什么，那么多出来的一系列名词又是什么？

作如下规定：

• 地理数据=几何数据+属性数据=空间数据+非空间数据
• 几何数据=空间数据
• 属性数据=非空间数据

这样就不乱了。

2.1.1. 案例讲解--geojson

如今讲概念其实很枯燥，那么一个具体的矢量数据文件，好比geojson或者shp，如何判断哪些是几何数据，哪些是属性数据呢？

咱们取一个geojson文件，只有一个点，没有属性数据。它在QGIS里长得像这样：

它数据长这样：

 

 

是WGS84下的一个点，在广州城区。

咱们能够很快聚焦到"geometry"这个键上，它下列有两个子键"type"和"coordinate"，这两个子键的值就是这个geojson矢量数据的几何信息。

读者能够想象获得，若是type是“Polyline”，那么coordinate将是一堆折线段的集合，type的值还有其余几个，点线面都有。

可是，geometry的值的的确确就是上面说起的“表征位置信息的坐标数据”。

我编辑了一下这个geojson，使其拥有三个属性数据：所在城市是"Guangzhou"，编辑者是"秋意正寒"，邮政编码是"510000".

属性表长这样：

文本变成了这样：

 

 

咱们不难看到，和geometry键并列的多了一个键："properties"。

它翻译过来就是属性的意思，别的数据可能叫“attributes”等。

这就很清晰明了的看到了在geojson中，“几何层”、“属性层”是如何组织的了。

2.1.2. 案例讲解--shapefile

shp文件至少要有3个文件构成，*.shp、*.shx、*.dbf

由于这些是二进制文件，不能用文本格式查看，因此直接给出结论：

*.shp文件记录的是几何数据

*.dbf文件记录的是属性数据

*.shx连接两者是索引数据

咱们将2.1.1中的geojson文件在QGIS中导出shp并在ArcMap里打开其属性表：

 

 

发现多了两列属性，其中Shape属性不管给这个shp文件加多少个点，它的值写在属性表里的都是一个汉字“点”。

并且，FID和Shape属性是没法在属性表里编辑的。

实际上，这个Shape属性列，就是几何数据，ArcMap把它“写”在了属性表而已。咱们编辑它仍是得靠编辑工具。

ArcMap的属性表经过“显示”Shape列，告诉用户几何数据和旁边city、editor、adcode三列是并排的，也即“几何数据”、“属性数据”是同级别的数据，只不过几何数据可能很复杂，在属性表上一个格子写不完就干脆展现这个几何信息的类别“点”罢了。

2.2. 要素层

要素层很简单。

先下定义：一个要素表示一个地理实体，一个要素有其本身的几何数据和属性数据。

咱们依旧是上面的点json来说解。

 

 

不难看到，properties和geometry键都是"features"这个数组键的某个元素下的子键。

这意味着，一个{"type": “Feature”, ...}就是一个"feature"，即一个要素。

因为有了几何和属性的分割，一个要素固然能够有n个属性，一个要素的几何也能够是n个点/线/面构成的复杂几何图形。

n个属性好理解，n个点/线/面构成的复杂几何图形又是什么意思呢？

这里再也不展开描述，有兴趣的朋友能够去参考ogc的Geometry标准，它规定了几何体的复杂构成。之后有机会必定会写一篇ogc标准下的geometry标准。

咱们注意到了，"features"下的每一个要素的properties的子键都是同样的（名称、类型）。

2.3. 数据层

仍是以上文的geojson为例。

咱们说，n个具备共同类型和数量属性的"feature"（即每个feature的"properties"的子键名称一致，类型一致），加上一些元数据（坐标系信息，四至等，每种数据格式不太同样），构成一个矢量数据。

这个矢量数据已经上升到磁盘文件级别了，咱们为了复用，不可能一个一个要素分别存在独立的文件里的，由于属性的数量、类型一致，因此要素能够存在一个文件（或者容器）里。

咱们把这个容器所在的级别，叫作“数据层”。

我为何不说一个矢量数据文件就是一个“数据层”的实现呢？

由于，一个矢量数据当然能够是一个geojson文件，一个shp文件（由多个同名子文件组成），一个gml文件，一个csv文件...固然一个矢量数据也能够是数据库里的一个表，或者一个要素类（ArcGIS里的gdb）。

咱们讨论的是“分层”，而不是物理文件构成。

一般来讲，咱们传递的大多数都是数据层。好比，咱们传递一个“中国省级行政区划”的shp文件，或者传递一个“广州市医疗机构点位”的geojson文件。

咱们不多传递一个“要素”，传递一个“几何面”——代码层面除外。

plus 数据层为何不叫图层

咱们把一个矢量数据（geojson/shp/数据库里某张地理数据表等）拖到任何一个GIS客户端软件中，必定能看到它的样子，软件会给咱们画出来，它这个时候，叫作“图层”。

由于数据和图层分担着各自不一样的任务，图层负责渲染、显示数据，数据被图层引用。

这就比如，帐本专心管理财务流水，报表ppt专心负责回报财务流水的各类趋势比例。

咱们GIS软件依靠图层将数据符号化，好比给某个点数据设定了符号是一个尺寸是15的红色五角星，给某个线数据设定了标注是它的“name”字段，经过图层查看一个数据的元数据等...

2.4. 地图层

什么是地图层？

咱们有了数据层，就能够进行地理数据的分析、展现、交互了。

咱们为了组织起地理数据，须要将数据排列顺序，符号化，设计出一张地图。

地图这一层包括了n个数据（也即n个图层，每一个图层引用一份数据）。

固然，咱们还能够为数据作分组。

咱们知道ArcMap中，有个“数据框”的概念，其实一个数据框就是一个地图，数据框就是地图层这一级别的容器。

 

 

你们可能看中国地图会观察到右下方一般会有一个“南海诸岛图”，其实中国大陆主体地区和右下方的“南海诸岛图”用两个数据框就能够表示了。

事实上，QGIS也有同样的概念，在布局窗口中，咱们能够插入一个地图：

 

 

一样能作到“南海诸岛图”和大陆图在同一个布局里显示的效果。这里插入的“地图”就是“地图层”的一个活生生的案例。

plus：

GIS客户端软件会使用“工程文件”的手段，把n个“地图”包裹在一块儿。

3. 栅格数据的四个分层

3.1. 位置/属性

[暂空，过年前写完]

3.2. 像元层

[暂空，过年前写完]

3.3. 数据层

[暂空，过年前写完]

3.4. 地图层

地图层与矢量数据的地图层一致，都为n个栅格数据按必定顺序、符号化构成。

4. GIS数据服务是什么

4.1. GIS服务器

GIS服务，与普通网络服务是同样的。

• 普通Web服务器提供网络服务，使得咱们能够上网冲浪
• GIS服务器提供GIS数据服务，使得咱们能够遵循某些规范访问地理数据或者地理服务

咱们常见的Web服务器软件，有IIS、Apache、Nginx、tomcat等，也能够用Java/nodejs等工具语言编写本身的服务器后台软件。

GIS服务器软件基于HTTP等协议（作webgis的，若是连http协议都不知道，建议先补补课），也有一些受欢迎的：开源的GeoServer、MapServer，商用的Esri的ArcGIS Enterprise套件等。

GIS服务器能够是独立的软件，也能够是某个Web服务器的一个插件。例如，ArcGIS Enterprise套件就是自成一家，GeoServer就是Tomcat的一个war包插件。

Q：GIS数据必定要放在GIS服务器上吗？

A：不必定。诸如geojson这样的文本类型数据，能够直接放到普通web服务器上，经过http的get或post请求交换数据；诸如gltf这种3dtiles规范的三维数据，开源服务器还没有支持三维服务，OGC组织也没有3DGIS服务规范，只好放在普通web服务器上。可是，成熟的二维数据，作成GIS数据服务是有利于前端开发者进行调用、渲染、数据查询、云处理的。

4.2. GIS服务

扯了半天，那什么是GIS服务呢？

一般来讲，咱们说的GIS服务就是GIS数据服务。可是，其实GIS服务还能够提供计算服务，也即GIS处理服务，做为4.3的内容讲解。

4.2.1. 提供访问地理数据的网络地图服务——WMS

WMS，Web Map Service，网络地图服务。

一个WMS是一个“地图层”的实现，只不过限制了网络请求的功能。

它容许将n个数据发布成一个“GIS服务”，1个数据被叫作1个图层，由于要对web提供访问，因此用图层这种带符号化的形式来描述“数据层”比较合适。

它提供了如下几大功能，有兴趣的朋友能够参考博客园李晓辉的博客，或者直接查阅OGC官方文档（列在参考文档中了）：

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4.2.2. 提供增删改查矢量数据的网络要素服务——WFS

WFS，Web Features Service，网络要素服务。

WFS强化了WMS中关于矢量数据的访问，提供了增长、修改、删除、查询矢量要素的功能。

WMS对矢量数据的查询，局限在了“识别”这一功能上。

咱们从功能上就能看出，WMS有一个功能是“getFeaturesInfo”，而WFS直接给出了"getFeature"、“”等功能。

WFS的主要功能以下：

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4.2.3. 网络覆被服务——WCS

笔者对WCS了解很少，以粗鄙的文笔写写和WMS、WFS的区别。

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4.2.4. WMS的变种网络切片/缓存服务——WMTS

WMS能给前端返回一张位图，和咱们在GIS软件里对一个地图直接截个图（不通过制图）相似。

若是这张位图体积过大或者网络传输很差，那么极有可能前端是拿不到的，就渲染不出来。

分治思想刺激WMS演进，即WMTS，原理很简单，即把这张位图实现按网格切好，在不一样的分辨率下，把这些切好的图（都缓存在地理服务器上）按前端指定的范围，挨个传递。

这样，一张小图可能体积并不大，保证了前端的体验。

4.2.5. 三维场景服务

迄今为止并未有三维地理数据服务标准，只有三大地理三维数据格式标准：

• i3s
• 3dtiles
• s3m

其中，前两个被ogc认可，且主推i3s。

i3s由Esri（就arcgis家）主推，以slpk文件为交互文件，在自家的ArcGIS Enterprise服务器生态中，已经研发出“SceneService”这种场景服务了。

3dtiles由开源项目Cesium主推，目前只有数据文件，即gltf文件，号称是三维数据界的jpg，目前开源的商业的gis服务器还没有支持三维服务，cesium本身是直接前端调用gltf文件建立视图。

s3m是国内北京超图主推的一个标准。

三者共同的特色是用树结构来组织数据，用json文件描述数据，用二进制文件来存储具体数据。

4.3. GIS处理服务

遵循一种规范，能够将繁重的处理任务交由服务器运行，而后根据规范，将处理结果返回给前端。这在普通的web服务中是理所固然的事情，只不过加上GIS数据这个壳儿，事情就变得有点复杂了起来。

其实OGC组织是有这么一个规范的，叫WPS——Web Process Service。

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