“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(xué)地理空間信息學(xué)院，河南鄭州450052)

一、引 言

我國(guó)邊界形勢(shì)十分復(fù)雜，陸地邊界總長(zhǎng)達(dá)22 000多千米，與14個(gè)國(guó)家接壤。邊界工作是我國(guó)外交工作中一項(xiàng)長(zhǎng)期而重要的任務(wù)，它直接影響到我國(guó)的主權(quán)和領(lǐng)土完整、民族團(tuán)結(jié)以及邊境地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)安定和人民生活［1－2］。新中國(guó)成立以來(lái)，在外交部領(lǐng)導(dǎo)下，國(guó)家測(cè)繪地理信息局陸續(xù)組織開(kāi)展了邊界測(cè)圖，完成了大部分邊界帶狀1∶5萬(wàn)地圖工作，形成了具有系統(tǒng)性的數(shù)據(jù)生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范、邊界航空攝影作業(yè)技術(shù)規(guī)范、邊界信息數(shù)據(jù)處理規(guī)范、邊界測(cè)圖和制圖技術(shù)規(guī)范等一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

在科技部基礎(chǔ)性工作項(xiàng)目的支持下，建立了全國(guó)陸地邊界地理框架數(shù)據(jù)庫(kù)，包括全國(guó)1∶100萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)界劃法數(shù)據(jù)，全國(guó)陸地邊界地區(qū)1∶25萬(wàn)、1∶5萬(wàn)地理底圖DRG數(shù)據(jù)，中朝、中緬、中越邊界議定書(shū)及附圖數(shù)據(jù)，邊界地區(qū)1∶50萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)等。同時(shí)，以邊界地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，建立了邊界劃界、勘界、聯(lián)檢和國(guó)界管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)劃設(shè)計(jì)，不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)資源難以共享，不能滿足對(duì)邊界信息管理和應(yīng)用的需要。

“數(shù)字周邊”是要實(shí)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(shí)現(xiàn)不同部門(mén)間邊界信息集成與信息共享，實(shí)現(xiàn)基于邊界信息應(yīng)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(yīng)用提供數(shù)據(jù)資源和信息系統(tǒng)的保障?！皵?shù)字周邊”的一個(gè)建設(shè)目標(biāo)是要按照統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，采集和整合各種邊界信息資源，設(shè)計(jì)建立數(shù)字周邊數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)各種邊界資料的信息化管理與數(shù)據(jù)共享。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，所需要的一項(xiàng)技術(shù)手段是地理空間元數(shù)據(jù)技術(shù)。元數(shù)據(jù)技術(shù)是數(shù)字地球的六大支撐技術(shù)之一，是數(shù)字地球建設(shè)能否走向成功和實(shí)用的關(guān)鍵［3］。同樣，地理空間元數(shù)據(jù)技術(shù)，也是“數(shù)字周邊”建設(shè)能否最終成功的關(guān)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(shè)計(jì)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(diǎn)，設(shè)計(jì)地理空間元數(shù)據(jù)體系框架時(shí)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(jìn)行組織的方式，地理空間元數(shù)據(jù)也按界段進(jìn)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(yīng)用層次;

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

5)考慮應(yīng)用的需求，元數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容重點(diǎn)是對(duì)“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(gè)元數(shù)據(jù)子集的內(nèi)容選取和擴(kuò)充;

6)各個(gè)地理空間元數(shù)據(jù)子集的內(nèi)容選擇以滿足應(yīng)用為前提，力求簡(jiǎn)單，不要過(guò)于復(fù)雜;

7)在制定地理空間元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)內(nèi)容時(shí)，要遵循和參考現(xiàn)有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和領(lǐng)域行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并針對(duì)“數(shù)字周邊”建設(shè)的特點(diǎn)進(jìn)行修改和擴(kuò)充。

2.元數(shù)據(jù)體系框架

按照以上設(shè)計(jì)原則，“數(shù)字周邊”地理空間元數(shù)據(jù)體系框架設(shè)計(jì)如圖1所示。體系框架是對(duì)“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(gòu)成一個(gè)有機(jī)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(diǎn)如下：

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

a.數(shù)據(jù)庫(kù)元數(shù)據(jù)：又可以稱為“數(shù)字周邊”全局元數(shù)據(jù)，是對(duì)“數(shù)字周邊”地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)的描述信息，包括數(shù)據(jù)庫(kù)的名稱、標(biāo)識(shí)、內(nèi)容描述、訪問(wèn)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(duì)某條界段的描述信息，包括界段的名稱、標(biāo)識(shí)、空間范圍、包含的圖幅個(gè)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(duì)具體某個(gè)圖幅的描述信息，包括數(shù)據(jù)集的標(biāo)識(shí)、質(zhì)量、表示、參照系、內(nèi)容等。

2)體系框架中的重點(diǎn)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(diǎn)內(nèi)容。

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

a.核心元數(shù)據(jù)(即一級(jí)元數(shù)據(jù))：是標(biāo)識(shí)一個(gè)數(shù)據(jù)集所需要的最少的元數(shù)據(jù)實(shí)體和元素，核心元數(shù)據(jù)不再細(xì)分子集。它是面向應(yīng)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(wù)。

b.完全元數(shù)據(jù)(即二級(jí)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(shí)體和元素，通常又細(xì)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(biāo)識(shí)、評(píng)價(jià)、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(chǔ)上，通過(guò)對(duì)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(yīng)地理空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品(如數(shù)字矢量地圖)的基礎(chǔ)上生成的。

6)與“數(shù)字周邊”地理空間數(shù)據(jù)的形式對(duì)應(yīng)，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(biāo)識(shí)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(chǔ)上，通過(guò)選取、融合得到的，可以進(jìn)一步細(xì)分成核心元數(shù)據(jù)和完全元數(shù)據(jù)。

9)數(shù)據(jù)庫(kù)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(chǔ)上，通過(guò)選取、融合得到的，也可以進(jìn)一步細(xì)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(shè)計(jì)

1.元數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)

元數(shù)據(jù)按層狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，分為3層：元數(shù)據(jù)子集、元數(shù)據(jù)實(shí)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(xiàng);元數(shù)據(jù)實(shí)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(guān)聯(lián)的元數(shù)據(jù)實(shí)體和元素的集合。元數(shù)據(jù)實(shí)體可以有兩類(簡(jiǎn)單實(shí)體和復(fù)合實(shí)體)，簡(jiǎn)單實(shí)體只包含元素;復(fù)合實(shí)體既包含復(fù)合實(shí)體和簡(jiǎn)單實(shí)體，又包括元素。

圖2 元數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)

復(fù)合實(shí)體、簡(jiǎn)單實(shí)體及構(gòu)成這兩種實(shí)體的元素之間具有繼承關(guān)系。復(fù)合實(shí)體的例子如圖3所示，復(fù)合實(shí)體“數(shù)據(jù)集范圍”由地理范圍、時(shí)間范圍和高程范圍等3個(gè)實(shí)體組成［6］。用圖形表示時(shí)，元數(shù)據(jù)元素為一個(gè)帶陰影的方框，框內(nèi)填寫(xiě)元素的名稱;實(shí)體及復(fù)合實(shí)體則表示為圍繞數(shù)據(jù)元素和(或)其他實(shí)體的方框。其中，“地理范圍”又是復(fù)合實(shí)體，它由4個(gè)元素和1個(gè)“地理區(qū)域”實(shí)體組成?！暗乩韰^(qū)域”實(shí)體又由兩個(gè)元素組成;“時(shí)間范圍”實(shí)體由3個(gè)元素組成;“高程范圍”實(shí)體則由兩個(gè)元素組成。

圖3 元數(shù)據(jù)元素、實(shí)體和復(fù)合實(shí)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(jìn)行描述。UML圖通過(guò)圖形方式準(zhǔn)確地表達(dá)元數(shù)據(jù)元素、元數(shù)據(jù)實(shí)體和元數(shù)據(jù)子集之間的關(guān)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(yǔ)義嚴(yán)謹(jǐn)、無(wú)歧義的特點(diǎn)。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(shí)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(biāo)識(shí)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(gè)元數(shù)據(jù)主要子集;還包括引用信息和聯(lián)系信息兩個(gè)可重復(fù)使用的次要子集。每個(gè)子集(UML包)由若干個(gè)實(shí)體(UML類)和元素(UML屬性)構(gòu)成?？芍貜?fù)使用實(shí)體(引用信息實(shí)體、聯(lián)系信息實(shí)體)由其他子集調(diào)用，不單獨(dú)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(fù)雜、元數(shù)據(jù)實(shí)體和元素眾多，實(shí)際應(yīng)用(尤其是數(shù)據(jù)編目和數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用)中通常僅使用它的一個(gè)子集，來(lái)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(shí)段(when)”以及“了解更多情況或定購(gòu)數(shù)據(jù)集的聯(lián)系方法(who)”等基本的問(wèn)題［7］。對(duì)于這種標(biāo)識(shí)一個(gè)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(yǔ)

“數(shù)字周邊”的地理空間元數(shù)據(jù)，是針對(duì)具體工程項(xiàng)目和應(yīng)用系統(tǒng)提出的“領(lǐng)域?qū)Ｓ迷獢?shù)據(jù)”。為了確定它的各級(jí)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(shè)計(jì)了地理空間元數(shù)據(jù)的體系框架，重點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行了研究，確定了數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了完全元數(shù)據(jù)的子集框架，基于實(shí)際應(yīng)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(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)［J］.測(cè)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(shè)計(jì)與應(yīng)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(xué)地理空間信息學(xué)院，2008.

［5］劉若梅，蔣景曈，賈云鵬.中國(guó)可持續(xù)發(fā)展信息共享元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，中國(guó)地理信息元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)研究［M］.北京：科學(xué)出版社，1999：36-46.

［6］蔣景曈，劉若梅，賈云鵬.國(guó)際元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展和現(xiàn)狀研究，中國(guó)地理信息元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)研究［M］.北京：科學(xué)出版社，1999：1-15.

［7］畢建濤.面向網(wǎng)絡(luò)共享的地理信息服務(wù)研究［D］.北京：中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，2004.