“數(shù)字周邊”中地理空間元數(shù)據(jù)研究

趙軍喜，華一新，張亞軍

(信息工程大學地理空間信息學院，河南鄭州450052)

一、引 言

我國邊界形勢十分復雜，陸地邊界總長達22 000多千米，與14個國家接壤。邊界工作是我國外交工作中一項長期而重要的任務，它直接影響到我國的主權和領土完整、民族團結(jié)以及邊境地區(qū)的經(jīng)濟建設、社會安定和人民生活［1－2］。新中國成立以來，在外交部領導下，國家測繪地理信息局陸續(xù)組織開展了邊界測圖，完成了大部分邊界帶狀1∶5萬地圖工作，形成了具有系統(tǒng)性的數(shù)據(jù)生產(chǎn)技術規(guī)范、邊界航空攝影作業(yè)技術規(guī)范、邊界信息數(shù)據(jù)處理規(guī)范、邊界測圖和制圖技術規(guī)范等一系列技術標準和規(guī)范。

在科技部基礎性工作項目的支持下，建立了全國陸地邊界地理框架數(shù)據(jù)庫，包括全國1∶100萬標準國界劃法數(shù)據(jù)，全國陸地邊界地區(qū)1∶25萬、1∶5萬地理底圖DRG數(shù)據(jù)，中朝、中緬、中越邊界議定書及附圖數(shù)據(jù)，邊界地區(qū)1∶50萬土地利用數(shù)據(jù)等。同時，以邊界地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎，建立了邊界劃界、勘界、聯(lián)檢和國界管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了我國陸地邊界海量數(shù)據(jù)的集成化管理。但這些系統(tǒng)只在某些特定工作中發(fā)揮了作用。由于缺乏統(tǒng)一的技術標準和規(guī)劃設計，不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)資源難以共享，不能滿足對邊界信息管理和應用的需要。

“數(shù)字周邊”是要實現(xiàn)周邊地緣環(huán)境中各種信息的快速獲取和綜合管理，實現(xiàn)不同部門間邊界信息集成與信息共享，實現(xiàn)基于邊界信息應用的綜合分析和輔助決策，為周邊地緣環(huán)境信息的有效應用提供數(shù)據(jù)資源和信息系統(tǒng)的保障。“數(shù)字周邊”的一個建設目標是要按照統(tǒng)一的技術規(guī)范和標準，采集和整合各種邊界信息資源，設計建立數(shù)字周邊數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)各種邊界資料的信息化管理與數(shù)據(jù)共享。為了實現(xiàn)這個目標，所需要的一項技術手段是地理空間元數(shù)據(jù)技術。元數(shù)據(jù)技術是數(shù)字地球的六大支撐技術之一，是數(shù)字地球建設能否走向成功和實用的關鍵［3］。同樣，地理空間元數(shù)據(jù)技術，也是“數(shù)字周邊”建設能否最終成功的關鍵。

二、“數(shù)字周邊”地理空間元數(shù)據(jù)體系框架

1.體系框架設計原則

依據(jù)“數(shù)字周邊”中地理空間數(shù)據(jù)的內(nèi)容及其特點，設計地理空間元數(shù)據(jù)體系框架時遵循的原則包括：

1)體系框架要與“數(shù)字周邊”地理空間數(shù)據(jù)的體系框架總體上取得一致;

2)根據(jù)地理空間數(shù)據(jù)按界段進行組織的方式，地理空間元數(shù)據(jù)也按界段進行組織;

3)根據(jù)不同用戶使用元數(shù)據(jù)的目的，可以將地理空間元數(shù)據(jù)的體系分成不同的應用層次;

4)地理空間元數(shù)據(jù)體系框架將描述的重點放在數(shù)據(jù)集，即邊界圖幅數(shù)據(jù);

5)考慮應用的需求，元數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容重點是對“數(shù)據(jù)質(zhì)量信息”、“數(shù)據(jù)表示信息”、“內(nèi)容信息”等幾個元數(shù)據(jù)子集的內(nèi)容選取和擴充;

6)各個地理空間元數(shù)據(jù)子集的內(nèi)容選擇以滿足應用為前提，力求簡單，不要過于復雜;

7)在制定地理空間元數(shù)據(jù)標準的數(shù)據(jù)內(nèi)容時，要遵循和參考現(xiàn)有的國家標準和領域行業(yè)標準，并針對“數(shù)字周邊”建設的特點進行修改和擴充。

2.元數(shù)據(jù)體系框架

按照以上設計原則，“數(shù)字周邊”地理空間元數(shù)據(jù)體系框架設計如圖1所示。體系框架是對“數(shù)字周邊”所有地理空間元數(shù)據(jù)的分類和分層的描述，各種類、各層次的元數(shù)據(jù)可以在框架下構成一個有機的整體［4］。

圖1 地理空間元數(shù)據(jù)體系框架

地理空間元數(shù)據(jù)體系框架的特點如下：

1)根據(jù)地理空間元數(shù)據(jù)描述對象的差異，分為三大類別：

a.數(shù)據(jù)庫元數(shù)據(jù)：又可以稱為“數(shù)字周邊”全局元數(shù)據(jù)，是對“數(shù)字周邊”地理空間數(shù)據(jù)庫的描述信息，包括數(shù)據(jù)庫的名稱、標識、內(nèi)容描述、訪問方法、更新日期等。

b.數(shù)據(jù)集系列元數(shù)據(jù)：又可以稱為界段元數(shù)據(jù)，是對某條界段的描述信息，包括界段的名稱、標識、空間范圍、包含的圖幅個數(shù)等。

c.數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)：又可以稱為圖幅元數(shù)據(jù)，是對具體某個圖幅的描述信息，包括數(shù)據(jù)集的標識、質(zhì)量、表示、參照系、內(nèi)容等。

2)體系框架中的重點是數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)(即圖幅元數(shù)據(jù))，它是“數(shù)字周邊”地理空間元數(shù)據(jù)描述的重點內(nèi)容。

3)從應用層次上考慮，“數(shù)字周邊”地理空間元數(shù)據(jù)分成兩個層次：

a.核心元數(shù)據(jù)(即一級元數(shù)據(jù))：是標識一個數(shù)據(jù)集所需要的最少的元數(shù)據(jù)實體和元素，核心元數(shù)據(jù)不再細分子集。它是面向應用的元數(shù)據(jù)，主要用于數(shù)據(jù)編目和數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)服務。

b.完全元數(shù)據(jù)(即二級元數(shù)據(jù))：是建立完整的數(shù)據(jù)集文檔所需要的全部元數(shù)據(jù)實體和元素，通常又細分為若干子集。它是面向內(nèi)容的元數(shù)據(jù)，主要用于數(shù)據(jù)的標識、評價、摘錄、使用和管理。

4)核心元數(shù)據(jù)是在完全元數(shù)據(jù)的基礎上，通過對完全元數(shù)據(jù)選取和裁剪而生成的。

5)完全元數(shù)據(jù)是在相應地理空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品(如數(shù)字矢量地圖)的基礎上生成的。

6)與“數(shù)字周邊”地理空間數(shù)據(jù)的形式對應，元數(shù)據(jù)的形式包括：數(shù)字矢量地圖元數(shù)據(jù)、數(shù)字柵格地圖元數(shù)據(jù)、數(shù)字影像地圖元數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型元數(shù)據(jù)。這4種元數(shù)據(jù)形式的數(shù)據(jù)內(nèi)容大體一致，包括標識信息、數(shù)據(jù)質(zhì)量信息、空間數(shù)據(jù)表示信息、參照系統(tǒng)信息、發(fā)行信息等元數(shù)據(jù)子集。而且，對于同一空間范圍、同一比例尺的不同數(shù)據(jù)形式的圖幅而言，其元數(shù)據(jù)標準的數(shù)據(jù)內(nèi)容有很多是相同的(例如空間范圍、空間坐標系、生產(chǎn)單位等)。

7)數(shù)字矢量地圖元數(shù)據(jù)、數(shù)字柵格地圖元數(shù)據(jù)、數(shù)字影像地圖元數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型元數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)(即圖幅元數(shù)據(jù))的主要內(nèi)容形式。

8)數(shù)據(jù)集系列元數(shù)據(jù)(即界段元數(shù)據(jù))，是在數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)的基礎上，通過選取、融合得到的，可以進一步細分成核心元數(shù)據(jù)和完全元數(shù)據(jù)。

9)數(shù)據(jù)庫元數(shù)據(jù)(即全局元數(shù)據(jù))，是在各界段元數(shù)據(jù)的基礎上，通過選取、融合得到的，也可以進一步細分成核心元數(shù)據(jù)和完全元數(shù)據(jù)。

三、地理空間數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)設計

1.元數(shù)據(jù)的組織結(jié)構

元數(shù)據(jù)按層狀結(jié)構進行組織，分為3層：元數(shù)據(jù)子集、元數(shù)據(jù)實體和元數(shù)據(jù)元素［5］(如圖2所示)。元數(shù)據(jù)元素是元數(shù)據(jù)的最基本單元，是邏輯上不可再分割的數(shù)據(jù)項;元數(shù)據(jù)實體是同類元數(shù)據(jù)元素的集合;元數(shù)據(jù)子集是相互關聯(lián)的元數(shù)據(jù)實體和元素的集合。元數(shù)據(jù)實體可以有兩類(簡單實體和復合實體)，簡單實體只包含元素;復合實體既包含復合實體和簡單實體，又包括元素。

圖2 元數(shù)據(jù)的組織結(jié)構

復合實體、簡單實體及構成這兩種實體的元素之間具有繼承關系。復合實體的例子如圖3所示，復合實體“數(shù)據(jù)集范圍”由地理范圍、時間范圍和高程范圍等3個實體組成［6］。用圖形表示時，元數(shù)據(jù)元素為一個帶陰影的方框，框內(nèi)填寫元素的名稱;實體及復合實體則表示為圍繞數(shù)據(jù)元素和(或)其他實體的方框。其中，“地理范圍”又是復合實體，它由4個元素和1個“地理區(qū)域”實體組成。“地理區(qū)域”實體又由兩個元素組成;“時間范圍”實體由3個元素組成;“高程范圍”實體則由兩個元素組成。

圖3 元數(shù)據(jù)元素、實體和復合實體

2.完全元數(shù)據(jù)

完全元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，可以采用UML圖和數(shù)據(jù)字典兩種方式進行描述。UML圖通過圖形方式準確地表達元數(shù)據(jù)元素、元數(shù)據(jù)實體和元數(shù)據(jù)子集之間的關系，便于將元數(shù)據(jù)內(nèi)容轉(zhuǎn)換為XML編碼形式，并且具有語義嚴謹、無歧義的特點。完全元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)內(nèi)容根據(jù)其所描述方面的不同，將眾多元數(shù)據(jù)實體、元素、代碼表放置到不同的元數(shù)據(jù)子集中，以便于理解和管理。圖4所示為元數(shù)據(jù)子集框架，包括標識信息、數(shù)據(jù)質(zhì)量信息、數(shù)據(jù)表示信息、參照系信息、內(nèi)容信息、分發(fā)信息和元數(shù)據(jù)參考信息7個元數(shù)據(jù)主要子集;還包括引用信息和聯(lián)系信息兩個可重復使用的次要子集。每個子集(UML包)由若干個實體(UML類)和元素(UML屬性)構成。可重復使用實體(引用信息實體、聯(lián)系信息實體)由其他子集調(diào)用，不單獨使用。

圖4 元數(shù)據(jù)子集的框架

3.核心元數(shù)據(jù)

由于數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)的完全元數(shù)據(jù)內(nèi)容復雜、元數(shù)據(jù)實體和元素眾多，實際應用(尤其是數(shù)據(jù)編目和數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)應用)中通常僅使用它的一個子集，來回答諸如“特定專題的數(shù)據(jù)集是否存在(what)”、“是否覆蓋特定的地區(qū)(where)”、“數(shù)據(jù)集特定的日期或時段(when)”以及“了解更多情況或定購數(shù)據(jù)集的聯(lián)系方法(who)”等基本的問題［7］。對于這種標識一個數(shù)據(jù)集，特別是用于數(shù)據(jù)編目和發(fā)現(xiàn)所需要的最少量元素稱為“核心元數(shù)據(jù)”。“數(shù)字周邊”地理空間數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)中核心元數(shù)據(jù)如表1所示。

四、結(jié)束語

“數(shù)字周邊”的地理空間元數(shù)據(jù)，是針對具體工程項目和應用系統(tǒng)提出的“領域?qū)Ｓ迷獢?shù)據(jù)”。為了確定它的各級元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，首先要確定地理空間元數(shù)據(jù)體系框架。本文設計了地理空間元數(shù)據(jù)的體系框架，重點對數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)內(nèi)容進行了研究，確定了數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)的組織結(jié)構，設計了完全元數(shù)據(jù)的子集框架，基于實際應用提出了核心元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)元素。

表1 數(shù)據(jù)集核心元數(shù)據(jù)

［1］劉合輝，張毅，曹一冰.輔助邊界談判劃界子系統(tǒng)設計及關鍵技術［J］.測繪與空間地理信息，2011，34(2)：6-9.

［2］劉合輝，張毅，曹一冰.邊界談判劃界決策支持系統(tǒng)的設計與應用［J］.地理空間信息，2011，9(2)：49-51.

［3］GORE A.The Digital Earth：Understanding Our Planet in the 21st Century［R］.Los Angeles：［s.n.］，1998.

［4］趙軍喜.面向數(shù)字邊界的地理空間元數(shù)據(jù)研究［D］.鄭州：信息工程大學地理空間信息學院，2008.

［5］劉若梅，蔣景曈，賈云鵬.中國可持續(xù)發(fā)展信息共享元數(shù)據(jù)標準實施，中國地理信息元數(shù)據(jù)標準研究［M］.北京：科學出版社，1999：36-46.

［6］蔣景曈，劉若梅，賈云鵬.國際元數(shù)據(jù)標準的發(fā)展和現(xiàn)狀研究，中國地理信息元數(shù)據(jù)標準研究［M］.北京：科學出版社，1999：1-15.

［7］畢建濤.面向網(wǎng)絡共享的地理信息服務研究［D］.北京：中國科學院地理科學與資源研究所，2004.