地理空間元數據框架研究

馬海燕 肖瑜

摘 要：我國地理空間元數據理論研究相對落后，與西方發達國家存在一定差距。由于地理空間元數據的發展時間較短，沒有系統的理論指導，在理念上還沒有得到應用領域的普遍認可，因此存在應用零散、不成體系的現象。地理空間元數據的理論問題，是研究制定地理空間元數據標準的重要依據，是對地理空間元數據進行深入研究和應用的基礎。該文以地理空間元數據的框架為研究對象，論文首先分析了地理空間元數據的研究現狀，進而詳細探討了地理空間元數據的框架，包括地理現象的抽象過程和理論體系的研究框架，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：地理空間 元數據 框架 體系

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（c）-0039-02

隨著GIS技術和數據庫技術的發展，數據生產者實現了對海量的地理空間數據管理，通過互聯網發布地理空間元數據以方便用戶的查詢，而數據用戶也可以通過查詢檢索地理空間元數據，以獲取、瀏覽、查詢相應的地理空間數據集。

1 地理空間元數據理論研究現狀和分析

1.1 元數據理論研究現狀

我國地理空間元數據理論研究相對落后，與西方發達國家存在一定差距。由于地理空間元數據的發展時間較短，沒有系統的理論指導，在理念上還沒有得到應用領域的普遍認可，因此存在應用零散、不成體系的現象。研究地理空間元數據的理論主要包括地理信息的模型建立理論、表示理論、空間參照系理論、質量體系理論以及計算機通訊技術等方面的理論，它們是元數據理論體系依賴的基礎。

（1）地理信息模型建立理論。在對地理空間元數據認識和了解之前，需要對地理現象的抽象過程有明確的理解，即對地理信息的模型建立過程和地理要素之間的關系有一個總體的了解。對地理信息建立模型的過程，也是對地理信息的認知過程。（2）地理信息表示方法。不同的地理信息可以有不同的表示方法，矢量地理信息、柵格地理信息、數字高程模型等不同地理信息的表示方法差別很大。在用元數據描述地理信息的表示方法時，也要分別采用不同的元數據元素。（3）地理信息空間參照系理論。空間參照系是地理信息的數學基礎，因此必須對它進行準確的描述，這樣用戶才能正確地理解地理信息。（4）地理信息質量體系理論。用戶可以根據地理數據集的質量信息，來判斷該數據集是否滿足特定的需求。地理數據集的質量信息主要包括數據的位置精度、屬性精度、邏輯一致性、完整性、時間精度等，這些都是要在地理空間元數據中說明的。（5）計算機、通訊技術理論。地理空間元數據的形成與計算機技術、通訊技術等領域內的相關理論有一定的作用關系，例如數據傳輸協議對地理信息傳輸質量有一定的影響。

1.2 現狀分析

以上理論涉及地理空間元數據研究的一些方面，但還不是很完善，沒有總結出從現實世界的地理對象到地理空間數據再到地理空間元數據，這一系列抽象過程涉及到的基本理論。而且，上述理論是作為一些分散的理論提出，沒有一個體系框架來指導和約束，使得整個理論體系缺乏整體性、層次性、關聯性和開放性。整體性是建立理論體系首先要考慮的因素。所謂整體性是指地理空間元數據理論體系的各個部分是一個有機的整體。在這個整體中，一方面各個部分都有自己的“目標”，另一方面各個部分又在實現體系整體的“目標”中充當著不可或缺的角色。層次性是指地理空間元數據理論體系內部是由幾個部分的理論組成的，各個部分又包括一些更小的部分或研究方向。關聯性是指構成理論體系的各個層次之間存在相互影響、相互作用、相互制約的聯系，這種關聯給出了理論體系的結構框架，同時也決定整個理論體系的機制。開放性是指隨著科學技術的發展，地理空間元數據的研究會在更廣闊的范圍內和更深的層次上吸取現代科學技術的最新成果，并在更廣闊的領域和更高的層次上充分發揮地理空間元數據的功能和作用。

2 地理空間元數據理論體系的研究框架

地理空間數據是對客觀現實世界的抽象和模擬，即人們通過地理空間數據所建立起來的模型來認識和了解客觀現實世界。而數據的數據——元數據，是對地理空間數據的進一步抽象描述，因此可以通過地理空間元數據模型來認識和了解地理空間數據。必須首先明確這個抽象和模擬的過程，即對地理現象的抽象過程，才可以建立一個地理空間元數據理論體系的研究框架。

2.1 地理現象的抽象過程

地理現象的抽象過程比較復雜，隨著認識方法、手段等的差異，不同的人對地理現象的認識結果可能有明顯的不同。OGC認為地理現象的抽象過程可以分為9個層次（見圖1），這9個層次之間通過8個接口相互連接，通過這種9層模型實現了由現實世界到地理要素集合世界的抽象和轉換。

這種9層模型看起來有點復雜，不夠概括和精煉，也沒有描述從地理空間數據到地理空間元數據的抽象過程。本文用四層次空間的劃分來對地理現象進行抽象（見圖2）。現實空間是指由自然界的事物或現象形成的一種空間形式，空間中的這些事物或現象是真實存在的，正是由這些事物或現象及其相互之間的關系才構成了現實世界，這是地理空間信息的獲取基礎，也是進行空間認知的基礎。概念空間是用自然語言來表達的一種空間形式，是人們為了便于定義對現實空間的認識結果，而用自然語言描述的空間對象概念。概念空間是用自然語言表達的世界，人們對所了解并認識的事物或現象進行命名，這些命名的事物或現象構成了“語言的世界”。概念空間的存在是由現實空間的存在決定的。地理空間則是用地理學語言來表達事物和現象的空間分布和非空間屬性的一種空間形式，通常認為地圖是地理學的第二語言，GIS是地理學的第三語言。地理學語言可以是地圖投影、地圖符號系統、地圖注記、制圖綜合等，在該空間中重點研究的是地理數據模型。元空間是本文提出的一個新名詞，指的是用地理空間元數據來描述地理數據模型的內容、質量、參照系、格式等屬性的一種空間表示形式，在該空間中重點研究的是元數據模型。

2.2 理論體系的研究框架

根據對地理現象抽象過程的四層次空間劃分，該文提出了一個地理空間元數據理論體系的研究框架。在該理論體系研究框架中，空間認知過程是始終一直存在的，其著重研究地理現象抽象過程不同階段的認知問題，研究成果能夠從根本上指導地理空間元數據的研究。空間認知的結果需要通過信息傳輸才能夠在理論體系框架的四層次空間中進行傳遞和反饋，4個空間的交替過程也是通過它實現的。所以通常認為空間認知理論與信息傳輸理論是屬于研究框架的第一層面。概念空間的表示是研究概念空間中各種概念的內涵和外延，從而科學地確定那些最符合空間認知結果的空間概念，屬于研究框架的第二層面。地理信息的表示和地理信息的空間關系屬于研究框架的第三層面，其研究成果主要用于正確地描述地理信息及其相互關系。空間參照系理論、質量體系理論和計算機技術是理論體系研究框架的第四層面，其研究成果直接用于地理空間元數據，可以直接指導地理空間元數據標準的建立和元數據管理系統、元數據服務系統的技術實現。

把與研究地理空間元數據相關的若干理論，統一地放在該框架下，用這個研究框架來對這些理論進行指導和約束，就使得整個地理空間元數據理論體系具備了整體性、層次性、關聯性和開放性。

（1）在該框架下研究地理空間元數據理論體系，就使得這些分散的理論具有良好的整體性。（2）在該框架下研究地理空間元數據理論體系，具有良好的層次性。根據對地理現象抽象過程的四層次空間劃分，可以看出地理空間元數據理論體系內部又由4個部分的理論組成，各個部分又包括其他更小的部分。（3）在該框架下研究地理空間元數據理論體系，具有良好的關聯性。根據圖2中元數據模型的生成過程，可以看出構成地理空間元數據理論體系的各個層次之間存在著相互影響、相互作用、相互制約的聯系。（4）在該框架下研究地理空間元數據理論體系，具有良好的開放性。

3 結語

地理空間元數據的理論問題，是研究制定地理空間元數據標準的重要依據，是對地理空間元數據進行深入研究和應用的基礎。能夠用來進行地理空間元數據研究的理論很多，為了理清各個理論對地理空間元數據的作用及其這些理論相互之間的關系，建立地理空間元數據理論體系的研究框架，以指導地理空間元數據的理論研究。對于這個框架下各個理論的具體研究內容，還需要進一步深入地探討。

參考文獻

[1] 陳尹軍，卞正富，王一冒.基于XML的地理空間元數據管理[J].海洋測繪，2009（5）.

[2] 陳斌，李迪，周志逵.地理空間元數據管理系統的研究與設計[J].安徽地質， 2004（4）.

[3] 楊占東.應用XML DB的空間元數據存儲技術[J].地理空間信息，2010（3）.