地理信息系统：第十七章 地理信息系统标准

在信息技术产业，要害一个人，就让他去开发一个市场标准。 虞有澄（前Intel副总裁） 第十七章 地理信息系统标准 导读：信息技术的标准对于产业的发展有着重要的意义，GIS也不例外，目前GIS标准主要集中于空间数据模型和空间服务模型以及相关领域，此外还包括流程、认证等等。本章介绍了两个主要的GIS标准：ISO/TC 211和OpenGIS。 1．地理信息系统标准简介 随着GIS技术的发展，特别是网络技术应用到地理信息系统建设中，与它有关的标准化也成为一个必须解决的问题。一个好的标准是促进、指导和保证高效率、高质量地理信息交流不可缺少的部分。 在信息技术领域，标准和规范按照其使用状态，可以分为两种，即实际使用的标准和法律意义上的标准。前者是在不断的实践过程中，有关机构、团体和组织自发达成的被广泛接受的标准，如TCP/IP协议，OpenGIS规范；后者通常是为了政策或管理的目的，通过法律制定的标准，如FGDC制定的空间元数据内容标准。 按照管辖地区的大小，制定信息技术的标准化组织可以分为五个层次（Cargill），即国际级标准化组织，如ISO；区域级标准化组织；国家级标准化组织，如美国国家标准化组织ANSI以及美国联邦地理数据委员会；政府和用户级标准化组织，在GIS领域，OGC(OpenGIS)就属于该层次；以及补充性标准化组织。 目前在中国，GB系列中与GIS有关的标准主要是一些地理编码标准，包括：GB2260-80《中华人民共和国行政区划代码》，GB/T13923-92《国土基础信息数据分类与代码》，GB14804-93《1：500、1：1000、1：2000地形图要素分类与代码》，GB/T5660-1995《1：5000、1：10000、1：25000、1：100000地形图要素分类与代码》等。 通常，信息技术的标准和规范可以分为以下五个方面： 1）硬件设备的标准，在网络技术中，存在着大量这种标准，如IEEE 802系列； 2）软件方面的标准，包括操作系统，查询语言，程序设计语言，图形用户界面等等，如SQL，DCOM，CORBA等等； 3）数据和格式的标准，包括数据模型，数据库的构建，数据质量和可靠性，地理要素的分类系统，数据格式转换等，在地理信息应用中，空间数据编码规范、元数据标准等就属于该范畴； 4）数据集标准，数据存放的文件格式标准，如美国人口普查局的TIGER文件标准等； 5）过程标准，如ISO9000系列和CMM等，主要是针对系统开发过程的指导。 地理信息系统标准化主要包括后四个方面的标准，具体内容有：软件工具，如文档，设计、验收、评测标准以及软件的接口规范等；数据，包括数据模型，数据质量，数据产品，数据交换，数据显示，空间坐标投影等；系统开发，系统设计过程，数据工艺流程，标准建库流程等；其它，包括名词术语，管理办法等。一般而言，软件工具，系统开发，管理办法等方面的标准可以借用更为通用的信息技术标准规范，所以GIS标准主要集中于空间数据以及相关的一系列规范。 应用地理信息系统标准，可以建立一套较为规范数据的录入处理流程，提高工作效率和质量，同时采用一致的数据格式以及空间数据可视化方式，指导数据的使用。 总而言之，在地理信息系统中引入一系列标准，有利于保障地理信息系统技术及其应用的规范化发展，指导地理信息系统相关的实践活动，拓展地理信息系统的应用领域，从而实现地理信息系统的社会及经济价值。基于地理信息系统标准，可以实现不同应用领域地理信息的共享和互操作，这也正是实现数字地球的关键技术之一（图17-1）。
图17-1：地理信息标准对地理信息系统应用的意义 ISO的标准制定过程：[Cargill] ISO标准的制定过程主要分为以下几个步骤： 由子委员会起草新的工作内容计划书，提交一个技术委员会投票表决； 表决通过后，再交由该子委员会负责有关标准制定的各项活动； 子委员会下属的工作小组起草标准工作草案，交由子委员会投票表决； 若子委员会统一标准工作草案，该草案成为标准草案计划书，并在整个技术委员会中传阅； 若技术委员会对草案计划书也能够达成共识，该标准草案将被作为国际标准草案送至技术委员会负责人手中； 技术委员会负责人将对国际标准草案进行核实，审查是否符合ISO的原则和要求； 若审查通过，该国际标准草案将被送至ISO的各国成员中传阅，征求意见，并表决，如果由75%的成员表决通过，则将提交至ISO的执行委员会作为ISO的标准出版发行。 目前，有很多个组织和政府部门召集或主持制定地理信息系统标准，其内容主要包括空间数据模型和空间服务模型以及在此基础上的空间数据共享（Data Sharing）和互操作（Data Interoperation）。其中比较主要的是地理信息/地球信息科学(Geographic information/Geomatics)专业委员会制定的ISO/TC211地理信息标准以及OGC(Open GIS Consortium)制定的Open GIS。 与Open GIS相比，ISO/TC211更为全面，更注重于标准本身的定义，可以指导地理信息系统开发和使用的各个方面；而OpenGIS由于有许多著名的GIS软件开发商参与，因而更加注重软件的实现。 地理数据的互操作： 随着地理信息系统的发展，需要实现地理数据共享，而互操作则是数据共享的必然产物。 在传统的、以数据集中式管理为特色的地理信息系统应用中，实现数据共享的手段主要是通过数据交换来完成，具体方式包括通过相关表或转换器的直接转换以及基于空间数据转换标准的间接转换。 空间数据的互操作针对异构的数据库和平台，实现数据处理的互操作，与数据转换相比，它是“动态”的数据共享，独立于平台，具有高度的抽象性，是空间数据共享的发展方向。 空间数据的互操作存在着多个层次，从最底层的面向硬件的互操作，到应用层次的信息团体之间的语义共享。下表给出了互操作的层次以及其支持。 表17-1：地理数据互操作以及其支持（陈述彭） 层次结构 支持  企业 信息 立法、政策、规范、标准  应用 语义 标准、语义数据模型、规程  数据 地理信息系统 DBMS、标准、规程   数据库   技术 软件和网络协议 规程、协议、标准   硬件和网络 标准等  2．ISO/TC211地理信息标准 ISO/TC 211地理信息/地球信息科学专业委员会成立于1994年3月，其目的是为了促进全球地理信息资源的开发、利用和共享，即制定ISO/TC 211地理信息/地球信息科学标准，它是对与地球上位置直接或间接有关的物体或现象信息的结构化标准。该标准共分为25个部分*（截至2000年5月），主要针对地理信息的内容和相关的方法；各种数据管理的工具和服务及有关的请求、处理、分析、获取、表达；以及在不同的用户、系统平台和位置上进行数据的转换。 1）参考模型(Reference Model) 描述地理信息系统标准的使用环境、使用的基本原则和标准的改造框架，同时也定义了该标准的所有的概念和要素。参考模型是一个独立于任何应用、方法和技术的模型，也是整个ISO/TC 211的委员会的工作指南。 2）综述(Overview) 整个ISO/TC 211标准系列的介绍和回顾。ISO/TC 211将是一个完整全面的地理信息系统的标准族，该部分提供给潜在用户一个整体的标准系列和个别标准的综合介绍，包括标准的目的、标准以及标准之间的关系等，使用户可以快速查询到所需要的内容，提高标准的可理解性和可接收性。 3）概念化模式语言(Conceptual Schema Language) 使用一种标准化的模式语言来促进互操作标准的开发，并提供一个快速建立地理信息标准的基础。这种标准语言是在现有的标准概念化语言之上发展而成的。 4）术语定义(Terminology) 定义了所有ISO/TC 211标准中使用的专有词汇，其目的是产生通用的与地理信息标准有关的词汇，供地理信息系统的标准制定者、使用者和开发者使用。 5）一致性和测试(Conformance and Testing) 为了保证所有ISO/TC 211标准的一致性而制定的测试框架、概念和方法。建立测试方法的标准和保持一致性的原则可以使GIS软件的开发者来核实各类标准的一致性。 6）专用标准(Profiles) 定义所有ISO/TC 211标准的子集产品，它确定了在ISO/TC 211制定的全部标准的基础上，针对某些具体应用提取出专用标准子集的方法和参考手册。 在ISO/TC 211中，定义和描述了一系列地理信息以及地理数据管理和地理过程的标准。其中，某个方面可能有多个标准，如测量标准和编码标准；其它一些标准可能描述了一系列内容，如空间模式标准。在实际应用中，可能只采用某个标准或标准的一部分，甚至是对某个标准进行特化，专用标准给出了使用的指导。 7）空间模式(Spatial Shema) 定义对象空间特征的概念模式，主要从几何体和拓扑关系的角度来制定概念模式。几何体和拓扑关系是地理信息的两个主要特征，它们的标准制定将为其它空间特征标准制定提供方便，同时可以帮助GIS开发者和使用者理解空间数据结构。 8）时间尺度子模式(Temporal Subshema) 定义空间实体时间尺度特征的概念，地理信息并不局限于三维尺度，许多地理信息系统需要时间特征。 9）应用模式规则(Rules for Application Schema) 定义地理信息应用的模式，包括地理对象的分类和它们与应用模式之间关系的原则。采用一致的形式定义应用模式，将增强应用之间数据共享能力，并且允许应用之间实时地交互操作。 10）要素分类方法(Feature cataloguing methodology) 定义了对地理对象、属性和关系进行分类的方法论，并且确定建立一个国际化的多语言的分类的可能性。地理信息的类别一般都决定于应用模式，提供一致的分类方法学增强了从一个类别映射到另一个类别的可能性。 11）坐标空间参照系统(Spatial referencing by coordinates) 定义了坐标空间参照系统的概念化模式以及描述大地参照系统的指导，其中也包括一些国际上使用的参考系统，制定坐标空间参照系统同样有助于各类应用之间的交流和数据共享。 12）基于地理标识的间接参考系统(Spatial referencing by geographic identifiers) 定义了间接的空间参照系统的概念化模式。ISO认为越来越多的有关地理信息的应用使用非坐标类型的参照系统，即间接空间参照系统，例如地址数据，因而有必要产生一套间接参考系统的标准模式。 13）质量原则(Quality principles) 定义了应用于地理数据的质量模式。对地理信息的创建者和使用者而言，质量信息都是十分重要的。一致的质量标准模式，便于一个应用中创建的数据在另一个应用中被适当的评估和使用。 14）质量评价过程(Quality Evaluation Procedures) 给出了对数据质量进行评估和描述方法的指导。关于地理数据质量的评价信息不仅需要一致的标准，而且需要一个一致的、标准的评估和描述方法。一个标准的评估准则可以保证不同数据集合的质量具有可比性。 15）元数据(Metadata) 定义地理信息和服务的描述性信息的标准。该标准制定的目的是为了产生一个地理元数据的内容及有关标准。这些内容包括地理数据的现势性、精度、数据内容、属性内容、来源、覆盖地区以及对各类应用的适应性如何等。对地理数据进行标准的描述可以使地理信息用户方便地得到适用的数据。 16）空间信息定位服务(Positioning Service) 定义了定位系统的标准接口协议。全球定位系统的发展使得一个地理对象在全球范围内的定位成为可能，定位信息标准接口的制定将促进这些定位信息在各类应用中更有效的使用。 17）地理信息描述(Portrayal) 定义了地理信息描绘方法，不同应用系统之间采用一致的符号表现方法，将便于人们更好的理解和识别各类地理信息。 18）编码(Encoding) 选择与地理信息使用的概念模式相匹配的编码规则，并且定义了概念模式语言之间以及编码规则之间的映射方式。编码规则使得地理信息在以数字形式进行存储和传输时，按照一定的编码语言和系统进行编码。 19）服务(Service) 识别和定义地理信息的服务接口以及与开放系统环境(Open System Environment)模型之间的关系。服务接口的定义有助于不同层次的各种应用访问和使用地理信息。 20）功能标准(Functional standards) 定义了地理信息科学领域已经识别出的功能标准的分类方法。功能标准的分类有利于ISO/TC211与其它标准的协调一致。标准子集的制定也与功能标准的识别有关。 21）图像和栅格数据(Imagery and gridded data) 为了使ISO/TC211能够处理地理信息场模型中的图像和栅格数据，ISO/TC211需要定义图像和栅格数据标准。它确定了其它组织以及ISO其它委员会定义的图像标准，这些标准支持地理信息中栅格和矩阵数据标准的建立。由于地理信息中图像和栅格数据产品的增加，需要该方面的标准的制定。 22）职员的资格认证(Qualifications and Certification of Personnel) 描述了地理信息科学/地球信息学中人员的资格认证体系，定义了地理信息科学/地球信息学与其它相关学科以及专业的边界。详细说明了属于地理信息科学/地球信息学领域的技术。建立了该领域中技术人员、专业人员以及管理人员的能力范围和资格水平体系。 23）覆盖几何和功能的模式(Schema for coverage geometry and functions) 定义了描述覆盖的空间特征的标准概念模式。覆盖通常包括栅格数据、不规则三角网、点覆盖和多边形覆盖。在大量地理信息应用领域中，覆盖是主要的数据结构，包括遥感、气象、地形、土壤、植被等等。覆盖几何和功能的模式将有助于提高地理信息在这些领域内的共享能力。 24）图像和栅格数据的成分(Imagery and gridded data components) 给出了描述和表现图像和栅格数据的概念标准，这包括针对图像和栅格数据的新的工作：应用模式规则、质量原则、质量评价过程、空间参照系统、可视化和服务等，并表明的新的工作与已有的针对矢量数据标准的不同之处。 25）简单要素的访问——SQL选项(Simple feature access - SQL option) 该部分面向SQL环境的简单要素访问实现规范，该实现规范将支持要素的存储、检索、查询和更新操作。 ISO TC211标准的各个部分之间具有依赖关系。下表描述了这种依赖性。其中单元格内容为"D"表示相应行的标准依赖于相应列的标准，如“质量评定过程”依赖于“质量原则”，"I"表示有关，"X"表示无关，"C"表示关系尚不明确。 表17-2：ISO/TC 211标准前20个部分之间的关系 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20  1:参考模型  I I I X I I I I I X C I X I I I I I X  2:综述 D  D D D D D D D D D D D D D D D D D D  3:概念化模式语言 D I  I I I I X I I I I I I I I I I I I  4:术语定义 D D D  D D D D D D D D D D D D D D D D  5:一致性和测试 D I X I  D D D D D D C C D D I I I I D  6:专用标准 D I D C I  D D D D D C C D D D I D D D  7:空间子模式 D I D I D I  X D I I I I I I X I X I I  8:时间子模式 I I D I I X X  C C X X I I X X I I X X  9:应用模式规则 D I D I X I D D  D X C D X D X I I I D  10:地理信息分类 D I I I X X X I D  X X C X D X X X X X  11:坐标参考系统 D I D I D I I X I X  X C X X X X X X O  12:间接参考系统 D I D I I X I X X X I  I X I X X X X X  13:质量原则 C I D I I X I I I I I I  I I X X I X X  14:质量评定过程 D I D I X X I I I I I I D  I X X X X X  15:元数据 D I D I I X D D C D D D D D  I I D D D  16:定位服务 D I D I D X I I X X D X C X I  X X D X  17:地理信息描述 D C D I D I D D D I X I I I D X  X I X  18:编码 D I D I X I X X D D X X C X D I I  I X  19:服务 D I D I D I I I I X I X X I D D I X  D  20:功能标准 D I D I X C D D D X D D X X D X X X D   3．开放的地理数据互操作规范——OpenGIS OpenGIS(Open Geodata Interoperation Specification,OGIS-开放的地理数据互操作规范)由美国OGC(OpenGIS协会，OpenGIS Consortium)提出。OGC是一个非赢利性组织，目的是促进采用新的技术和商业方式来提高地理信息处理的互操作性(Interoperablity)，OGC会员主要包括GIS相关的计算机硬件和软件制造商（包括ESRI, Intergraph,MapInfo等知名GIS软件开发商），数据生产商以及一些高等院校，政府部门等，其技术委员会负责具体标准的制定工作。 OpenGIS的目标是，制定一个规范，使得应用系统开发者可以在单一的环境和单一的工作流中，使用分布于网上的任何地理数据和地理处理。它致力于消除地理信息应用（如地理信息系统，遥感，土地信息系统，自动制图/设施管理(AM/FM)系统）之间以及地理应用与其它信息技术应用之间的藩篱，建立一个无“边界”的、分布的、基于构件的地理数据互操作环境，与传统的地理信息处理技术相比，基于该规范的GIS软件将具有很好的可扩展性、可升级性、可移植性、开放性、互操作性和易用性。 OpenGIS规范主要定义了以下三个模型： 1）开放的地理数据(Open Geodata)模型： 定义了一个概括的、公用的基本地理信息类型集合，该集合可以被应用于特定领域的地理数据建模。OpenGIS将现实世界抽象成为两类基本对象：要素（Feature）和覆盖（Coverage），前者描述现实世界中的实体对象，后者描述现实世界中的现象。对于要素，将与空间坐标相关的属性抽取出来，称为几何体(Geometry)。同时，OpenGIS又定义了要素的时空参照系统、语义(Semantics)以及元数据来对要素进行描述，以便于共享和互操作。 2）OpenGIS服务 定义了一个服务的集合，该集合用于访问地理数据模型中定义的地理类型，提供了同一信息团体（Information Community）内不同用户之间，或者不同信息团体之间的地理数据共享能力。 服务模型中的主要组成为： （2．1）要素实例(Feature Instance)的创建过程 该过程用到了两个概念，要素模式(Feature Schema)和要素注册(Feature Registry)，前者定义了要素的属性集，包括几何体、描述数据等；要素注册存放要素模式，所有的要使用和共享的要素都要进行注册，要素注册起到了要素“工厂（Factory）”的作用，通过它可以创建要素实例。 这种面向对象的要素实例创建过程便于实现数据的共享，同时又保证信息的封装性。 （2．2）获取地理数据的方法 在OpenGIS规范中，建立了一种树状的目录索引结构，其最小单元是要素，通过该目录，可以得到所需要的地理数据。数据的获取在平台间是透明的，即可以跨平台访问数据。 （2．3）时空参照系统的获取和转换 在一个信息团体中是通过时空参照系来转换和解释几何体的，时空参照系统必须能够按照一种统一的标准来定义，并且通过某种机制能够使用这些定义。OpenGIS描述了注册时空参照系统的机制以及在不同的时空参照系统之间进行地理要素转换的机制。 （2．4）语义转换 不同信息团体之间通过一个语义转换注册器来实现要素语义的转换，注册器包括源要素和要素模式、目标要素和要素模式、以及要素转换器等，可以根据不同的要素转换要求查找到匹配的转换器以进行语义转换。 3）信息团体模型 信息团体模型的目的是，建立一种途径，使得信息团体或用户维护对数据进行分类和共享所遵循的定义；实现一种有效的、更为精确的方式，使不同信息团体之间可以共享数据，尽管他们并不熟悉对方的地理要素定义。信息团体模型定义了一种转换模式，使得不同信息团体的“地理要素辞典”可以自动“翻译”。 OpenGIS规范包括抽象（Abstract）规范，实现（Implementation）规范以及具体领域（Specific Domain）的互操作性问题，其中抽象规范是OpenGIS的基础，也是OpenGIS的主体；实现规范定义了抽象规范在不同分布计算平台上的实现，目前OGC已经定义了针对CORBA，OLE/COM和SQL的简单要素访问的实现规范；针对领域的互操作性研究通过提取领域的互操作性用例(Use case)，检验抽象规范能否满足该领域的需求，它是抽象规范的扩展。 抽象规范建立了一个概念模型，并将其文档化，采用了在面向对象技术中通用的UML作为其形式化的建模语言。抽象规范通过对现实世界的描述，建立了系统实现与现实世界之间的概念化的联系，它是与具体的软件实现无关的，而只是定义了软件应该实现的内容。 目前，抽象规范共分为17个主题*：（截至2000年1月） 综述(Overview) 要素几何体(Feature Geometry) 空间参照系统(Spatial Reference Systems) 位置几何体结构(Locational Geometry Structures) 存储功能和插值(Stored Functions and Interpolation) 要素 (Features) 覆盖类型及其子类型(The Coverage Type and its Subtype) 地球影象(Earth Imagery Case) 要素之间的关系(Relations Between Features) 质量(Quality) 要素集合(Feature Collections) 元数据(Metadata) OpenGIS服务体系结构(OpenGIS Service Architecture) 目录服务(Catalogs Service) 语义和信息团体(Semantics and Information Communities) 图像使用服务(Image Exploitation Service) 图像坐标转换服务(Image Coordinate Transformation Service) 抽象规范的十七个主题之间同样具有相互的依赖性，图17-2描述了这种依赖性。
图17-2：OpenGIS抽象规范各个主题之间的依赖关系[OGC] OpenGIS的实现需要分布计算平台(DCP-Distributed Computing Platform)的支持，图17-3描述了遵循OpenGIS规范，地理信息处理在不同DCP“场景”中的实现。但是抽象规范本身与DCP无关，它可以在任何DCP上实现。
图17-3：遵循OpenGIS规范，地理信息处理的在不同分布计算“场景”上实现[OGC] 其它有关地理信息系统标准制定组织和标准 1）美国联邦地理数据委员会(FGDC)制定的美国空间数据元数据标准和空间数据转换标准 FGDC是美国政府机构的一个协调性组织，其主要目的是在全国范围内促进对地理数据的共同开发、使用、共享和传播。 空间数据的元数据标准定义了一套数字化地理元数据的内容，并建立了相应的概念和术语，根据该标准的定义，元数据可以从以下七个方面对空间数据进行描述： （1．1）标识(Indentification)：包括数据名称，开发者，数据描述的区域，专题，现势性，对数据使用的限制等； （1．2）数据质量(Data Quality)：数据质量的定义，数据精度，完整性，一致性，产生该数据的原始数据以及处理过程； （1．3）空间数据组织(Spatial Data Organization)：数字编码的空间数据组织方式，空间实体的数目，除空间坐标外其他的属性； （1．4）空间参照(Spatial Reference)：数据采用的地图投影，存储格式（矢量还是栅格），水平与垂直的地球参照系，从一种坐标系统转换到另一种坐标系统的方法； （1．5）实体和属性信息(Entity & Attribute Information)：数据中包括的地理信息，信息的编码方式，编码的意义描述； （1．6）分发(Distribution)：如何得到数据，数据的格式，存储介质，价格等等； （1．7）元数据参考信息(Metadata Reference)：该数据何时完成，由谁完成等信息。 2）空间数据转换标准(SDTS-Spatial Data Transfer Standard)是目前美国许多政府部门和商业组织所采用的交换格式标准。SDTS是一个分层的数据转换模型，定义了数据转换的概念、逻辑和格式三个层次，同时采用元数据来辅助数据转换和评价。 概念层建立了地理要素及其特征的模型，可以是矢量数据也可以是栅格数据，提供了地理要素的标准实体和属性的定义。逻辑层将概念化的地理要素转换成为逻辑化的模型、记录、数据项和子项，它提供了各种空间数据类型和关系的基础内容。SDTS的物理格式层定义了与标准相符合的文件格式，以进行空间数据的转换。 SDTS使得任意两种空间数据可以相互转换，并保证最小的信息损失，对于NSDI（国家空间数据基础设施）的实现起到了决定性的意义。 3）加拿大Mercator GIS标准 Mercator是以墨卡托投影来命名的，它是由加拿大政府组织、建立的一个国家GIS数据标准，其主要目标是：建立空间地理信息的标准，建立空间数据的存储库以及有关软件的开发。Mercator定义了一个叫做OGDI(Open Geospatial Datastore Interface)的程序接口，支持在客户机/服务器模式下访问空间数据。