聊聊GIS資料的四個分層與GIS服務

GIS資料的一些實踐經驗總結！

本篇不讨論矢量栅格資料的結構，也不讨論矢量與栅格的差別（即設定讀者有這方面的基礎）。

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本文系概念性很強的部落格，但對GIS項目有幫助，對在讀的學生也有一定幫助。

盡管從實體的角度，隻有獨立資料檔案（shp、geojson、tif等）或者資料庫（esri geodatabase的gdb、geopackage等）這兩種

但是，從學科角度，即從GIS的視角看，地理資料并沒有那麼簡單。

為解釋簡便，使用shapefile、geojson、tif栅格和gdb、postgis，輔助ArcMap/QGIS 3.10做解說。

1. 術語及概念定義

① 地理資料

地理資料=空間資料+非空間資料；也叫地理資訊。例如：一座醫院；一所學校；一條道路；一條河流

② 空間資料

即幾何資料，描述坐标、形狀的資料；也叫空間資訊。例如：形狀、坐标

③ 非空間資料

即屬性資料，描述與空間位置無關的一類資料。例如：成績單、醫院名稱清單

這類資料的特點是，如果脫離了地理位置也有它本身自己的含義。

2. 矢量資料的四個分層

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

這是矢量資料的最底層，有兩個類别：幾何層或者屬性層。

前陣子寫了一系列坐标系有關的部落格，我們假定在某個坐标系下，存在某個點P(x0，y0)，這個點在這個确定的坐标系下，就是獨一無二的。

那麼，如果這個點代表的是一個咖啡店，僅僅知道這個點的坐标(x0，y0)是不夠的。

不同的使用者關心不同的資訊，有人關心這個店的電話号碼，有的人關心它所在的城市和行政區，有的人關心它的位址，有的人關心它的人均消費。

這個時候，資訊就可以分化成兩個種屬：幾何的，屬性的。

• 我們說表征位置資訊的坐标資料（或者多個坐标構成的線、面），叫幾何資料。
• 除了幾何資料，都叫屬性資料。

上大學的時候，系主任說：地理資料差別于其他行業的資料，最大的差別是它具有空間資料！

我們剛明确了幾何資料是什麼，屬性資料是什麼，那麼多出來的一系列名詞又是什麼？

做以下規定：

• 地理資料=幾何資料+屬性資料=空間資料+非空間資料
• 幾何資料=空間資料
• 屬性資料=非空間資料

這樣就不亂了。預設使用“地理資料=幾何資料+屬性資料”這個表達。

2.1.1. 案例講解--geojson

現在講概念其實很枯燥，那麼一個具體的矢量資料檔案，比如geojson或者shp，如何判斷哪些是幾何資料，哪些是屬性資料呢？

我們取一個geojson檔案，隻有一個點，沒有屬性資料。它在QGIS裡長得像這樣：

它資料長這樣：

是WGS84下的一個點，在廣州城區。

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矢量資料的幾何資訊。

讀者可以想象得到，如果type是“LineString（即多折線）”，那麼coordinate将是一堆折線段的集合。

如果是Polygon：

 geometry的值的的确确就是上面提及的“表征位置資訊的坐标資料”。

我編輯了一下隻有一個點的geojson，使其擁有三個屬性資料：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（别的資料格式可能叫“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--shapefile

shp檔案至少要有3個檔案構成，*.shp、*.shx、*.dbf

因為這些是二進制檔案，不能用文本格式檢視，是以直接給出結論：

*.shp檔案記錄的是幾何資料

*.dbf檔案記錄的是屬性資料

*.shx連結二者是索引資料

我們将2.1.1中的geojson檔案在QGIS中導出shp并在ArcMap裡打開其屬性表：

發現多了兩列屬性，其中Shape屬性無論給這個shp檔案加多少個點，它的值在ArcMap屬性表裡的都是一個漢字“點”。

而且，FID和Shape屬性是無法在屬性表裡編輯的。

實際上，這個Shape屬性列，就是幾何資料，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，告訴使用者幾何資料和旁邊city、editor、adcode三列是并排的。

也即“幾何資料”、“屬性資料”是同級别的資料，隻不過幾何資料可能很複雜，在屬性表上一個格子寫不完，就幹脆寫個漢字。

實際在ESRI的體系中，幾何的表達比OGC的表達更為精妙複雜。

因為深入需要研究ArcPy或AO代碼，有一定難度，故不展開。讀者隻要能讀懂“幾何”“屬性”是并列的兩個資料層即可。

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資料和屬性資料。

我們依舊是上面的點json來講解。

不難看到，properties和geometry鍵都是"features"這個數組的某個元素下的子鍵，這裡的某個元素，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/面構成的複雜幾何圖形。

n個屬性好了解，n個點/線/面構成的複雜幾何圖形又是什麼意思呢？

這裡不再展開描述，有興趣的朋友可以去參考ogc的Geometry标準，它規定了幾何體的複雜構成。以後有機會一定會寫一篇ogc标準下的geometry标準。

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. 資料層

還是以上文的geojson為例。

我們說，

n個具有共同類型和數量屬性的"feature"（即每一個feature的"properties"的子鍵名稱一緻，類型一緻），加上一些中繼資料（坐标系資訊，四至等，每種資料格式不太一樣），構成一個矢量資料。

這個矢量資料已經上升到磁盤檔案級别了，我們為了複用，不可能一個一個要素分别存在獨立的檔案裡的，因為屬性的數量、類型一緻，是以要素可以存在一個檔案（或者容器）裡。

我們把這個容器所在的級别，叫做“資料層”。

我為什麼不說一個矢量資料檔案（例如一個json檔案，一份shp檔案）就是一個“資料層”的實作呢？

因為，一個矢量資料固然可以是一個geojson檔案，一個shp檔案（由多個同名子檔案組成），一個gml檔案，一個csv檔案...當然一個矢量資料也可以是資料庫裡的一個表，或者一個要素類（ArcGIS裡的gdb）。

我們讨論的是“分層”，而不是實體檔案構成。

通常來說，我們傳遞的資料大多數處于資料層。比如，我們傳遞一個“中國省級行政區劃”的shp檔案，或者傳遞一個“廣州市醫療機構點位”的geojson檔案。

我們很少傳遞一個“要素”，傳遞一個“幾何面”——代碼層面除外。

plus 資料層（Data）為什麼不叫圖層（Layer）

我們把一個矢量資料（geojson/shp/資料庫裡某張地理資料表等）拖到任何一個GIS用戶端軟體中，一定能看到它的樣子，軟體會給我們畫出來，它這個時候，叫做“圖層”。

因為資料和圖層分擔着各自不同的任務，圖層負責渲染、顯示資料，資料被圖層引用。一個資料是可以被多個圖層引用的。

這就好比，賬本專心管理财務流水，報表ppt專心負責回報财務流水的各種趨勢比例。

我們GIS軟體依靠圖層将資料符号化，比如給某個點資料設定了符号是一個尺寸是15的紅色五角星，給某個線資料設定了标注是它的“name”字段，通過圖層檢視一個資料的中繼資料等...

2.4. 地圖層

什麼是地圖層？

我們有了資料層，就可以進行地理資料的分析、展示、互動了。

我們為了組織起地理資料，需要将資料排列順序，符号化，設計出一張地圖。

地圖這一層包括了n個資料（也即n個圖層，每個圖層引用一份資料）。

當然，我們還可以為資料做分組。

我們知道ArcMap中，有個“資料框”的概念，其實一個資料框就是一個地圖，資料框就是地圖層這一級别的容器。

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和右下方的“南海諸島圖”用兩個資料框就可以表示了。

事實上，QGIS也有一樣的概念，在布局視窗中，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裡顯示的效果。這裡插入的“地圖”就是“地圖層”的一個活生生的案例。

plus：

GIS用戶端軟體會使用“工程檔案”的手段，把n個“地圖”包裹在一起。QGIS使用*.qgz檔案，ArcMap使用mxd文檔，ArcGISPro使用arpx檔案。

3. 栅格資料的四個分層

栅格資料和矢量資料當然是有差別的，但是，在概念上可以歸一。

3.1. 位置/屬性

在栅格中，幾何圖形所代表的空間資料被像元的中心坐标值代替了，該像元的像元值即屬性值。

我們知道，栅格資料可以是單波段也可以是多波段，可以是浮點數栅格也可以是整數栅格。

栅格資料可以代表的地理資料種類比較多，以單波段資料為例，整數栅格有屬性表，可以添加多列屬性（即給不同的像元值賦予不同的意義），浮點栅格則不行。

多波段則能實作“同一個像元坐标”“n個像元值”，并且每個像元值獨立，不受整數或者浮點數影響。

3.2. 像元層

像元，包括像元分辨率、像元中心坐标和像元值三大主要資料。

像元層并不像矢量中的要素層表意那麼直接，因為單像元表達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效果的。

比如，在DEM栅格資料中，一個像元可以概括表達這個像元面積這麼大的地方的海拔高度。多個連片的像元可以構成一塊地區的地形。

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地理實體，把像元的三大主要資料孤立讨論，是不能表達地理實體的。

3.3. 資料層

資料層和矢量資料的資料層類似，為n個呈矩陣排列的像元構成的圖像。

這個圖像可以是一層，也可以是多層疊加，隻要保證像元中心坐标一緻、像元分辨率一緻即可。

資料層的實體形式比較簡單，除了一些中繼資料外（坐标系什麼的），就是一個體積比較大的資料檔案，或者在資料庫裡的一張表或者一個栅格資料集（Esri gdb）。

若為一個單檔案，常見的GIS資料格式為tif，盡管jpg/png/bmp等傳統圖檔格式也可以稱作栅格資料，但是它們設計的初衷并不是GIS應用。

在GIS資料服務中，栅格資料切片可以是jpg/png，因為便于網絡傳輸和顯示。

3.4. 地圖層

地圖層與矢量資料的地圖層一緻，都為n個栅格資料按一定順序、符号化構成。

4. GIS資料服務是什麼

4.1. GIS伺服器

GIS服務，與普通網絡服務是一樣的。

• 普通Web伺服器提供網絡服務，使得我們可以上網沖浪
• GIS伺服器提供GIS資料服務，使得我們可以遵循某些規範通路地理資料或者地理服務

我們常見的Web伺服器軟體，有IIS、Apache、Nginx、tomcat等，也可以用Java/nodejs等工具語言編寫自己的伺服器背景軟體。

GIS伺服器軟體基于HTTP等協定（做webgis的，如果連http協定都不知道，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伺服器可以是獨立的軟體，也可以是某個Web伺服器的一個插件。例如，ArcGIS Enterprise套件就是自成一家，GeoServer就是Tomcat的一個war包插件。

Q：GIS資料一定要放在GIS伺服器上嗎？

A：不一定。諸如geojson這樣的文本類型資料，可以直接放到普通web伺服器上，通過http的get或post請求交換資料；諸如gltf、3dtiles三維資料，開源伺服器尚未支援三維服務，OGC組織也沒有3DGIS服務規範，隻好放在普通web伺服器上。但是，成熟的二維資料，做成GIS資料服務是有利于前端開發者進行調用、渲染、資料查詢、雲處理的。

4.2. GIS資料服務

扯了半天，那什麼是GIS服務呢？

通常來說，我們說的GIS服務就是GIS資料服務。但是，其實GIS服務還可以提供計算服務，也即GIS處理服務，作為4.3的内容講解。

OGC中資料服務有很多，隻挑一些常見的帶過，具體怎麼用還是得靠讀者進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服務扮演的角色，更像是WebGIS中對GIS資料和使用者互動之間的一個橋梁，它規範并限制了請求端的操作。

GIS資料服務應該屬于“地圖層”這一層級，因為它可以包括多個資料（圖層）。

4.2.1. 提供通路地理資料的網絡地圖服務——WMS

WMS，Web Map Service，網絡地圖服務。

一個WMS是一個“地圖層”的實作，隻不過限制了網絡請求的功能。

它允許将n個資料釋出成一個“GIS服務”，1個資料被叫做1個圖層，因為要對web提供通路，是以用圖層這種帶符号化的形式來描述“資料層”比較合适。

它提供了以下幾大功能，有興趣的朋友可以參考部落格園李曉晖的部落格，或者直接查閱OGC官方文檔（列在參考文檔中了）：

• GetCapabitities（傳回服務級中繼資料）
• GetMap（擷取地圖圖像）
• GetFeatureInfo（傳回識别的要素資訊）

第一個沒什麼好說的。

第二個擷取的是給定參數（比如範圍、傳回圖像的格式等）的地圖圖像，和截圖差不多。

第三個功能，說大白話就是“點選地圖，根據點位擷取指定圖層上的要素”。

4.2.2. 提供增删改查矢量資料的網絡要素服務——WFS

WFS，Web Features Service，網絡要素服務。

WFS強化了WMS中關于矢量資料的通路，提供了增加、修改、删除、查詢矢量要素的功能。

WMS對矢量資料的查詢，局限在了“識别”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（擷取這個服務的中繼資料）
• DescribeFeatureType（擷取這個服務上要素的中繼資料）
• GetFeature（擷取要素）
• Transaction（對要素進行增删改）

GetCapabitities和DescribeFeatureType的差別在于，前者描述整個服務，後者聚焦于矢量資料的中繼資料。

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資料。

Transaction使用post請求，将指定格式的xml請求到gis伺服器上。

WFS要求服務的接口必須由XML描述，另外資料互動必須由GML（一個OGC矢量資料格式規範）迚行，資料過濾采用CQL語言。

4.2.3. 網絡覆寫服務——WCS

WCS标準定義了一些操作，這些操作允許使用者通路“Coverage”資料，如衛星影像、數字高程資料等，也就是栅格資料。

有矢量就有栅格，與WFS形成對比，WCS的C，就是栅格資料的意思。

WCS也有幾個功能：

• GetCapabilities（擷取服務的元資訊）
• DescribeCoverage（擷取Coverage的描述資訊）
• GetCoverage（擷取Coverage）

4.2.4. WMS的變種：網絡地圖切片服務——WMTS

WMS能給前端傳回一張位圖，和我們在GIS軟體裡對一個地圖直接截個圖（不經過制圖）類似。

如果這張位圖體積過大或者網絡傳輸不好，那麼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，即WMTS，原理很簡單，即把這張位圖實作按網格切好，在不同的分辨率下，把這些切好的圖（都緩存在地理伺服器上）按前端指定的範圍，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

迄今為止并未有三維地理資料服務标準，隻有三大地理三維資料格式标準：

• i3s
• 3dtiles/gltf
• s3m

其中，前兩個被ogc承認，且主推i3s。

i3s由Esri（就arcgis家）主推，以slpk檔案為互動檔案，在自家的ArcGIS Enterprise伺服器生态中，已經研發出“SceneService”這種GIS商業資料服務了。

3dtiles是ogc的一個标準，是i3s的主要競争對手。

gltf，号稱是三維資料界的jpg，目前（發文時間2020年初）開源的商業的gis伺服器尚未支援三維服務，cesium自己是直接前端調用gltf檔案建立視圖。

s3m是國内北京超圖主推的一個标準。

i3s、gltf、s3m三者共同的特點是用樹結構來組織資料，用json檔案描述資料，用二進制檔案來存儲具體資料。

4.3. GIS處理服務

遵循一種規範，可以将繁重的處理任務交由伺服器運作，然後根據規範，将處理結果傳回給前端。這在普通的web服務中是理所當然的事情，隻不過加上GIS資料這個殼兒，事情就變得有點複雜了起來。

其實OGC組織是有這麼一個規範的，叫WPS——Web Process Service。

Web 處理服務 （WPS） 是用于釋出地理空間過程、算法和計算的 OGC 服務。

WPS 服務可作為GIS伺服器的擴充，為資料處理和地理空間分析提供執行操作。

預設情況下，WPS 不是 GeoServer 的一部分，但可作為擴充提供。

Esri ArcGIS Enterprise中的Server和Portal都原生支援了WPS，并且有比WPS更強大的GP服務。

有關WPS在GeoServer上的資料，參考各大部落格和文末的參考文檔。

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GIS伺服器有商業也有開源，對OGC的多個服務支援也各有千秋，本文僅作簡略介紹，而且有标準文檔、各路案例部落格資料，想必可以不再發文描述。

讀者更應該關注的是本文提出的“四層概念”，多思考多比對。

在本篇中的四層概念合适套用在二維資料或者三維資料上，至于i3s标準下的slpk和3dtiles、gltf資料并不太适用，那些更合适網絡分發，畢竟官方提及，slpk不适合再進行編輯。

參考文檔

[1] GeoServer中WMS、WFS的請求規範 . 李曉晖. https://www.cnblogs.com/naaoveGIS/p/5508882.html

[2] OGC标準介紹. 吳泳鋒 [M] [email protected]

[3] GeoServer WPS文檔 https://docs.geoserver.org/latest/en/user/services/wps/index.html

[4] OGC标準介紹 5 . https://blog.csdn.net/warrenwyf/article/details/5717612

[5] OGC标準介紹. https://blog.csdn.net/lavanana/article/details/93975949