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空间数据基础设施建设中的地理信息标准化问题

2017-08-23 18:02

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刘若梅 蒋景瞳
 
国家基础地理信息中心
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摘 要
地理信息标准化是关系到我国国家空间数据基础设施 (NSDI) 建设成败的关键之一,也是建设”数字中国”、建设“数字地球”
的必备条件之一。本文从国家空间数据基础设施和数字地球的提出入手,讨论地理信息标准化对推动空间数据基础设施建设和
构建“数字地球”的重要意义,分析国际国内地理信息标准化的内涵、特性和进展,指出应当提高对地理信息标准化的认识,
重视标准的研究和制定,使之与国家空间数据基础设施和数字地球的建设需求相适应。
关键词:空间数据基础设施 地理信息标准化 地理信息 数字地球
 Abstract
 Geographic information standardization is one of the key issues to develop the National Spatial Data Infrastructure(NSDI) of China. It is also one of the preconditions to develop the Digital China or Digital Earth(DE). Briefly introducing the NSDI and DE, the paper puts stress on the significance to promote development of NSDI and DE. It discusses scope, characteristics and evolvement of geographic information standardization at home and abroad. It is necessary to heighten understanding the geographic information standardization, to attach importance to research and work out standards, to meet the requirements of NSDI and DE development.
Keyword: NSDI, Geographic Information Standardization, Geographic Information, Digital Earth
 
一、“空间数据基础设施”与“数字地球”的提出
 
地理空间数据对于地区、国家以至全球的经济增长、保持环境质量与稳定并推动社会进步有十分显著的作用。对空间信息的获取、
共享及有效使用带来的巨大经济和社会效益也是世界各国共同关心的,政治家更是用战略眼光看待这一问题。基于这种认识,美国
在1993年启动了国家信息基础设施(NII)建设后,1994年美国总统克林顿又发布了12906号行政令,提出建立国家空间数据基础设
施(NSDI),其目的是有效地生产、方便地访问和共享高精度、高质量的空间数据,以适应国家的各种需求。1994年以来,美国国
内许多机构参与了NSDI政策的制定及方法研究,旨在使数据共享变得更加容易。其中,由14个生产和使用地理数据的部门和独立机
构组成的联邦地理数据委员会(FGDC)是美国NSDI的组织指导机构。
在美国的带动下,加拿大、澳大利亚、新西兰、英国、日本、马来西亚、印度、韩国、伊朗等许多国家均已开始研究和建立各自国
家的NSDI,跨国家的地区性空间数据基础设施(RSDI)和全球空间数据基础设施(GSDI)也已引起有关国家的重视,欧洲、亚洲
等地区相继建立了地区性组织,以推动这项计划的开展。例如,根据1994年5月在我国召开的联合国区域测绘会议(UNRCC)第十
三次亚太会议第十六项决议的要求,亚太地区GIS基础设施常设委员会(PCGIAP)于1995年7月成立,迄今已经召开过四次会议。
“空间数据”可以理解为“地球空间信息”或地理信息,内容涉及自然、社会、经济等所有与空间定位有关的信息。在今天的网络
环境中,空间数据基础设施实质上是一个通过计算机、网络、数据和人构成的虚拟设施,是数据资源的网络系统。建立空间数据基
础设施的目的是为推动各种地理空间数据集的不重复采集,减少浪费,协调地理空间数据的使用,加强对地理信息资源有效而经济
的管理。我国对NSDI、亚太地区GIS基础设施(RSDI)以及GSDI均十分重视。国家测绘局副局长杨凯教授担任PCGIAP副主席,作
为中国NSDI的重要组成部分之一的国家基础地理信息系统(NFGIS),已经完成了全国1:100万和1:25万数据库的建设,目前正在实
施1:5万和1:1万数据库建库和完善网络体系工作。我国还积极参与联合国支持的全球测图计划,准备承担我国范围的任务,提供我国
1:100万地貌、植被、土地覆盖、交通、水系、境界和地名等数据。在地理信息标准化方面,中国作为国际标准化组织(ISO)地理
信息技术委员会(ISO/TC211)的积极成员,有多位专家参与了地理信息国际标准的研制,1998年还成功地在北京主办了ISO/TC211
第七次全体会议。我国全国地理信息标准化技术委员会(CSBTS/TC230)也于1997年12月成立,该技术委员会正在致力于地理信息
国家标准制定,努力推进协调与地理信息有关的标准化问题,开展地理信息标准的宣传贯彻工作等。
在NII和NSDI的基础上,1998年1月31日美国副总统戈尔发表了题为“数字地球:认识二十一世纪我们这颗星球(The Digital Earth:
Understanding our planet in the 21st Century)”的演讲,在这个演讲中,戈尔描述了一个空间信息科学的发展前景,即“数字地球”
——“一种可以嵌入海量地理数据的、多分辨率的和三维的地球表示”。为了构建这样一个数字化的地球,需要一些技术上的支持,
如计算科学、大规模存贮技术、高分辨率的卫星图像、宽带网络、互操作技术、元数据标准等。“数字地球”未来的潜力在于覆盖
全球的数字信息、高分辨率的遥感图像、实时的获取数据、可共享的虚拟空间、信息较好的查询、获取与分析工具等方面的应用。
国家空间数据基础设施与“数字地球”在美国得到了响应,一些政府部门、机构、组织已经做了许多努力,如美国国防部高级研究
计划局(ARPA)、美国国家科学基金会(NSF)、美联邦地理数据委员会(FGDC)、美国影像制图局(NIMA)、美国地质测量
局(USGS)、美国航空航天局(NASA)、开放的地理信息系统协会(OGC)等已开展了大量工作,实施完成或正在完成多项与此
相关的计划,如MAGIC、GEOWORLD、DDB、KDI、Clearinghouse、Metadata、在线国家地图集、NIMA的集成处理项目、数字图书
馆、NASA的ESIP和Hologlobe计划、全球灾害信息网络、OGC的工作及遥感产业等等。
从事空间信息科学研究的一些美国学者认为,提出“数字地球”是基于几个原因,如信息过载、引人注目的地学空间应用、许多技
术的结合等。他们同时也认为“数字地球”存在一些问题,如核心数据元素的确定、公共域值的混乱、长期任务与研究计划的矛盾、
什么是TCP/IP的等价物以及分布式、可扩展、可升级、可互操作等问题。此外还有应用方案、管理体制、有关隐私权、国家机密、
数据共享政策、现有公共和私人活动及数据质量与现势性等问题。对于“数字地球”的提法,有人也有不同看法,认为这在某种程
度上是民主党的口号,类似共和党的“星球大战计划”。
我们认为,“数字地球”所要实现的目标,无论赋予何种名称,实际上都是建立在信息基础设施和空间数据基础设施的基础上的,
“数字地球”是空间数据基础设施发展的延伸。
 
二、空间数据基础设施构成
 
关于空间数据基础设施的组成有多种不同的见解。克林顿总统行政令确定四个组成部分,即为获取、处理、存储、分发和提高使用
地理空间数据所需要的技术、政策、标准和人力资源;亚太GIS常设委员会定义的空间数据基础设施包括:机构体系、技术标准、
基础数据集和数据交换网络;澳大利亚与新西兰土地信息委员会关于空间数据基础设施的报告提出的模式与其类似。无论空间数据
基础设施分解为几个组成部分,其总体涵盖的内容是一致的,即必须有机构体系来参与、协调和实施这项工作;必须制定有关空间
数据基础设施的管理、建立、运行和共享的政策;必须有一系列数据共享所需要的技术标准,如定位参照系统、数据模型、数据字
典、数据质量、数据转换格式及元数据等标准;必须有在一定标准基础上采集、建立的基本数据集;必须有GIS的技术支持和网络
化数据分发、共享系统,即空间数据交换网络;同时,必须有任何一项工作都不可缺少的技术人力资源。
标准化作为空间数据基础设施的重要组成部分之一,在国家空间数据基础设施(NSDI)、区域空间数据基础设施(RSDI)和全球
空间数据基础设施(GSDI)建设中均占有一席之地。同样,为了构建“数字地球”,需要技术支持,如计算科学、大规模存贮技
术、高分辨率的卫星图像、宽带网络、互操作技术、元数据标准等,标准化也在其中。
标准是以科学技术为依据制定的技术行为准则,建立空间数据基础设施和构建“数字地球”都需要依照技术行为准则,对各项工作
与活动进行有效的指导、监督和管理,保证建立在不同计算机平台的、分布式的、异构的、不同数据源的数据能在网络环境中共享。
 
三、地理信息标准化
 
早在20世纪60年代,国际上已经开始研究GIS技术和开发地理信息系统。然而,初期标准化工作未能得到应有的重视,给GIS系统间
的兼容、数据的共享带来极大的困难,造成很大的损失。严重的教训促使人们认识到GIS标准化工作的重要性。自从70年代开始,许
多国家加强了标准化工作,特别是作为空间数据基础设施的组成部分之一,近年来地理信息标准化已经取得了长足进步。
标准化是一门技术性、管理性兼长的综合学科,是在经济、技术、科学及管理等社会实践中,对重复性事务和概念通过制定、发布
和实施标准,达到统一,以获得最佳秩序和社会效益的过程。
标准化的综合性具体表现为法制性、政策性、技术性和经济性。法制性体现在我国有《标准化法》及其配套法规,规定标准有强制
性和推荐性两类,标准要由一定的权威机关审批,具有法规作用;政策性体现在推行标准化是国家的一项经济技术政策,体现国家
的技术发展规划和技术发展政策;技术性体现在标准化的成果就是制定出一个个标准,这些标准成为国民经济各部门的共同技术依
据,标准的制定需要被研究对象及标准化等各方面的技术知识;经济性体现在标准化正是由于可以取得十分显著的经济效果而发生
和发展起来的,标准化可以使国民经济生产发展避免盲目性和重复性,避免不必要的、无代价的经济损失和劳动损失。
随着科学技术的发展,现代标准化除了具有综合性特征外,还具有超前性和动态性的特征。综合性是基本的,超前性和动态性是特
殊的,现代标准中所沉淀的应该是那些经过努力才能达到的动态指标。
标准化过程需要解决诸如发展与稳定的矛盾、统一与不统一的矛盾、生产与使用的矛盾、通用与专用的矛盾、水平高与水平低的矛
盾、繁与简的矛盾、标准化与多样化的矛盾等。总之,推行标准化目的在于使标准成为运用新技术的手段,提高标准在生产、产品
等方面的整体最佳功能,对生产、产品等技术和质量水平进行科学规划,建立能保证最佳条件的跨专业部门的统一体系,以适应国
民经济各部门之间进行复杂协调工作的客观需要,保证各级标准的统一协调和整体最佳效果。
与其他领域的标准化一样,地理信息标准化亦是如此,为解决空间数据基础设施或数字地球建设中的各种矛盾,地理信息标准化尤
为重要。
国际地理信息标准化工作大体可分为两部分。一是以已经发布实施的信息技术(IT)标准为基础,直接引用或者经过修编采用;二是
研制地理空间数据标准,包括数据定义、数据描述、数据处理等方面的标准。
同其他标准一样,国外地理信息标准分为五个层次,即国际标准、地区标准、国家标准、地方标准、其他标准。
制定地理信息标准的最主要的国际组织是国际标准化组织(ISO)地理信息技术委员会(Tecnical Committee of Geographic Information/Geomatics,
即ISO/TC211)。该委员会的工作范围为数字地理信息领域标准化。其主要任务是针对直接或间接与地球上位置相关的目标或现象信息制
定一套标准,以便确定地理信息数据管理(包括定义和描述)、采集、处理、分析、查询、表示、以及在不同用户、不同系统、不同地方
之间转换的方法、工艺和服务。该项工作与相应的信息技术及有关数据标准相联系,并为使用地理数据进行各种开发提供标准框架。该技
术委员会目前正开展22个国际标准项目的研制工作。每个项目均以一些比较成熟的国家标准、地区性标准为基础。内容主要涉及地理信息
框架和参考模型、地理空间数据模型和算子、地理空间数据管理、地理空间数据服务和专用标准等。标准项目包括参考模型、地理信息术
语、一致性与测试、空间模式、时间模式、应用模式规则、要素分类方法、数据质量、空间参照系统、元数据、地理信息表述、数据编码、
影像和栅格数据、实用标准等。
戈尔提出的、作为数字地球重要支撑技术之一的元数据标准也是当前正在研制的这些国际标准中的一项。
上述这些标准项目中,参考模型设计地理信息标准的总体结构框架、研制这类标准所应用的基本原理、标准的整体概念和组成部分,确定
各个标准之间的关系;空间参照系统标准包括大地参照系统和间接参照系统,为数据共享规定统一的空间定位体系;数据模型标准定义地
理空间目标空间特征和时间特征的概念模型及关系,空间特征包括几何特征和拓扑特征,是构成地理信息的两个主要方面,是其他地理信
息标准的基础,时间特性的概念模型能提高地理信息系统的应用能力,该标准致力于向用户提供具有一致性的、易理解的空间数据结构和
时间数据结构的地理信息,增强地理信息的共享能力;要素分类和编码标准制定统一的地理信息数据(包括空间数据和属性数据)分类原
则、方法及代码;元数据标准明确定义描述数据项,是关于数据或数据集的数据,说明数据或数据集的内容、质量、特性和适用范围,为
用户提供所需的数据是否存在和怎样能够得到这些数据的途径、方法等方面的信息,帮助人们了解数据、使用数据;数据质量标准包含数
据质量定义、质量元素和数据质量评价过程与方法,同时规定统一的数据质量报告内容和形式。
其他一些专门的国际机构也制订各自专业范围的国际性标准,如国际水道测量组织(IHO)制定了DX90标准;国际制图协会(ICA)下设
四个技术委员会:空间数据转换委员会、元数据委员会、空间数据质量委员会和空间数据质量评价方法委员会,也制订相关标准。近几年
由于GSDI、RSDI或NSDI的实施和信息共享需求而引发成立的一些国际、洲际组织,如开放的地理信息系统协会(OGC)、欧洲开放信息
交换(OII)服务等组织,活动也很活跃。其中,特别值得一提的是开放的地理信息系统协会(OGC)的工作。
OGC是生产与管理部门为实现地理空间信息的互操作而成立的公共与私人组织的联合体。其目标是实现地理空间数据与地理空间信息处理
资源的全面集成,通过信息基础设施广泛使用商业化的、可互操作的地理空间信息处理软件。在网络环境中真正实现开放的、可互操作的
空间信息处理,透明地共享庞杂的地理数据与地理信息处理资源。OGC的主要任务之一就是合作开发互操作技术规范,按照OGC的技术开
发计划,要逐步开发独立于计算平台的通用规范(Abstract Specification)和计算平台特有的实施规范(Implementation Specification)。目前通
用规范有14章,部分章节内容已经完成,新的章节还在酝酿中。OGC与ISO/TC211已经达成合作协议,ISO/TC211组织制定的标准,OGC予
以采纳和实施,使该项标准具有ISO/TC211和OGC的“双重标记”。传统GIS是面向单一应用的、单一的空间型信息系统与关系型信息系统
集成,开放的GIS是动态互操作的,使用组件化的软件、分布式目标及通过元数据实现网络信息查询等。因此,OGC的工作极富创新意义。
地理信息标准化也是我国国家空间数据基础设施建设的重要组成部分之一。在我国国家空间数据基础设施建设中,地理信息标准化工作的
任务包括标准的制定、发布和实施,同时对标准的执行进行监督。其中既有技术方面的问题,也有非技术性问题。标准化工作必须贯彻执
行国家标准化的有关法律、法规、方针、政策,要依据标准化管理体制运行,组织实施标准,并对标准的实施进行监督检查。此外,标准
本身的制定也包含大量的协调工作。我们需要提高对这些问题的认识,采取切实的措施加以解决。具体可以从以下几个方面分析和认识:
1. 标准化同样也是我国空间数据基础设施,进而也是数字地球建设不可缺少的重要组成部分之一。实现数据共享必须要有统一的标准。
2. 我国地理信息标准同样分为信息技术标准和地理空间数据标准两大类,前者大多是信息技术的通用标准,后者是地理信息的专用标准,
是目前地理信息标准研究的主攻目标。
3. 对比分析我国和国际标准研制现状,我国应当加强地理信息标准理论研究,研究标准参考模型,制定结构化的标准,使地理信息标准更
加科学、合理。
国际标准的制定已经从完全由应用推动的,研制不尽协调的单个标准,发展成为研制有一定理论基础的结构化标准,大大提高了标准本
身的质量和应用效果,符合“全员参加、基础雄厚”这一国际标准化发展趋势。十多年来,我国地理信息标准化工作走的是一条自主发
展的道路,即充分吸取国外先进经验和教训,从我国的实际出发,结合GIS技术发展和系统开发的需要,制定和发布实施了若干急需的
标准,取得了一定的进展。然而,与我国GIS技术发展和地理信息产业形成的需要相比,与国际GIS标准化工作相比,我国还存在着相当
大的差距。如:缺乏理论研究,不是结构化的,没有标准体系表和参考模型等;不同部门、不同时间立项研制的标准缺乏协调;标准内
容涵盖的面尚不够广,比较多地偏重于数据分类编码方面的标准制定工作,许多重要的、急需的标准尚未着手研制或尚未完成;标准本
身质量参差不齐,缺乏统一的标准质量评价指标和方法;参与制定标准的人员结构不合理,人员知识亟待更新;此外,国家对标准研究
的投入严重不足,也在一定程度上限制了研究水平的提高。
因此,我国应当重视理论研究,加强宏观协调,改革标准制定传统模式,研制地理信息标准体系表,增加资金投入,优先制定数据共享
急用的各项标准。
4. 吸取国际先进经验,结合我国国情,我国在国家空间数据基础设施建设中应着重、优先制定下列标准:参考模型、空间参照系统、数
据分类和编码方法、元数据、数据质量控制等。全国地理信息标准化技术委员会正在组织了上述国家标准的立项工作。
5.地理信息标准化,不仅必须考虑技术问题,而且必须考虑体制、经济和执行问题。标准的制定不是目的,目的是依据标准规定的技术
行为准则产生经济和社会效益。因此,在制定出高质量的标准后,还要有强有力的指导、监督和执行机制,推动标准的实施。
 
四、结束语
 
地理信息标准化是关系到我国国家空间数据基础设施建设成败的关键之一,也是建设“数字中国”、建设“数字地球”的必备条件之一。
在重视空间数据基础设施中的数据库和网络建设及开展“数字地球”研究的同时,应当重视地理信息标准化的研究,尽快制定一系列
高质量的地理信息标准,改变长期来地理信息标准滞后的状况,使标准化真正发挥效益,与空间数据基础设施的建设和“数字地球”
的发展需求相适应。另外,由于标准是经过高度浓缩的技术,是长期科学研究和生产实践的总结,尤其在国际标准的制定过程中,汇
集了国际众多知名专家参与,吸收、融化了许多国际地理信息的最新技术,因此标准又是最实用、最可靠的信息源,空间数据基础设
施的建设与“数字地球”的研究也可从中得到启发。
总之,地理信息标准化的发展与地理信息技术发展密切相关,地理信息标准要与技术发展同步,随技术和生产的发展而发展,并不断
促进地理信息产业的进步。
 
参考文献
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