數字邊界中地理空間元數據體系框架設計

趙軍喜，華一新，張亞軍

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、民族團結及邊境地區的經濟建設、社會安定和人民生活［1-2］。20世紀90年代中期以來，我國就已將地理信息技術用于陸地邊界業務工作，并以邊界地理空間數據庫為基礎，以劃界、勘界、聯檢等系統為核心，實現了我國陸地邊界海量數據的集成化管理。但這些系統只在某些特定工作中發揮了作用，由于缺乏統一的技術標準和統一的規劃設計，不同系統間的數據資源難以共享，不能滿足對邊界信息管理和應用的需要。

數字邊界工程建設，是要實現各種邊界信息的快速獲取和綜合管理，實現不同部門間邊界信息的集成與信息共享，實現基于邊界信息應用的綜合分析和輔助決策，為邊界信息的有效應用提供數據資源和信息系統的保障。數字邊界工程建設的一個主要目標就是要按照統一的技術規范和標準，采集和整合各種邊界信息資源，設計建立數字邊界數據庫，實現各種邊界資料的信息化管理與數據共享。為了實現這個目標，其中所需要的一項技術手段是地理空間元數據技術。

元數據技術是數字地球的六大支撐技術之一，也是數字地球建設能否走向成功和實用的關鍵［3］。同樣，數字邊界中的地理空間元數據技術也是數字邊界工程建設能否最終成功的關鍵。

數字邊界的元數據，按照應用領域進行分類應該隸屬于領域專用元數據。目前，在數字邊界領域進行的元數據研究還不多見，它是根據數字邊界工程建設的特點制定的，并用于數字邊界工程項目的實施。它是在滿足項目需要的前提下，在共享元數據和領域元數據的基礎上進行擴展后建立起來的［4］。其中，共享元數據是眾多領域元數據內容的一個統一的框架（如ISO/TC 211的“地理信息元數據”、我國的“地理信息元數據”等），并用于指導各個領域制定各自的元數據；領域元數據是根據各自領域數據資源的特點，在共享元數據的基礎上確定各領域元數據的內容框架（如“基礎地理信息數字產品元數據”等）。目前已有的各種元數據標準，大部分是針對共享元數據和領域元數據制定的，而針對數字邊界這個具體項目還沒有相應的領域專用元數據標準。本文針對數字邊界工程中地理空間數據的復雜性、多樣性等特點，研究面向數字邊界的、更容易被多數用戶接受和使用的、多層次的地理空間元數據體系框架。

二、數字邊界中地理空間數據的類型及特點

要進行數字邊界中地理空間元數據體系框架設計，首先需要研究數字邊界中地理空間數據的類型及其特點。

1.邊界數據類型

數字邊界是一項巨大的數字工程，其邊界資料和數據十分豐富。新中國成立60多年來，長期的談判、劃界、勘界、聯檢及日常邊界管理工作積累了大量與邊界管理有關的圖件和各種法律文件，包括邊界條約和議定書及其附圖、已劃定邊界和爭議界段的各種相關資料、界樁成果、照片、各種協定，以及聯檢記錄等。目前，我國邊界大部分都已完成了劃界和勘界工作，形成了大量的劃界和勘界成果資料。近年來，在相關國界資料數字化和應用系統的建設過程中也積累了大量的邊界數據。這些已有的數據構成了數字邊界的數據庫基礎［5］。

數字邊界的數據庫包括邊界基礎地理數據庫、邊界地景仿真數據庫、邊界專題數據庫。其中，地理空間數據主要位于邊界基礎地理數據庫中，包括“數字邊界”工程建設所需要的所有基礎地理數據，另外在邊界地景仿真數據庫和邊界專題數據庫也有部分相關的地理空間數據［6-7］。邊界基礎地理數據庫的主要內容是基礎地理信息數字產品，即數字矢量地圖（DLG）、數字柵格地圖（DRG）、數字影像地圖（DOM）、數字高程模型（DEM）。

1）數字矢量地圖:是邊界基礎地理數據庫的最主要組成部分，覆蓋各條邊界所有區域，包括道路、河流、居民地、交通、等高線等基礎地理信息。

2）數字柵格地圖:作為邊界議定書附圖（沿邊界5 km條帶范圍）、重點地區、爭議多發地區的柵格掃描地圖和界樁略圖、島嶼沙洲略圖。

3）數字影像地圖:重點地區、爭議多發地區高分辨率數字影像地圖。

4）數字高程模型:覆蓋沿邊界5 km條帶范圍及邊境部分重點區域。

2.邊界數據特點

對邊界基礎地理數據庫的數據內容進行分析，可以看出數字邊界的地理空間數據具有如下特點:

1）地理空間數據種類繁多。包括周邊國家、邊境省區的矢量地圖、柵格地圖、數字高程模型、數字影像地圖，以及邊界條約附圖、議定書附圖、界樁略圖、島嶼沙洲略圖等。

2）地理空間數據形式多樣。數字邊界中地理空間數據的形式有數字矢量地圖（DLG）、數字柵格地圖（DRG）、數字影像地圖（DOM）、數字高程模型（DEM）。

3）地理空間數據按界段進行組織。地理空間數據以界段為主線進行組織。為了便于數據的集成管理與有效使用，數據的組織采取按范圍分區、按內容分層的管理方式，其中分區依據主要是國界界段。

4）地理空間數據的數據尺度多。數字邊界中的地理空間數據涉及多個數據尺度［8］:1∶3500萬（全國范圍總圖，覆蓋區域包括全國、周邊國家）、1∶400萬（各個界段的總圖，覆蓋區域包括邊境省區）、1∶25 萬（特殊地區用圖）、1∶5 萬（覆蓋區域包括沿邊界線5 km條帶范圍）、1∶1萬（覆蓋邊境重要城市建成區）。

5）地理空間數據的數據量巨大。數字邊界的數據量巨大，僅僅陸地國界1∶5萬矢量地圖就有約1300余幅。

三、地理空間元數據體系框架

1.體系框架設計原則

依據“數字邊界”中地理空間數據的內容及其特點，在設計數字邊界地理空間元數據體系框架時遵循了以下原則:

1）體系框架要與數字邊界中地理空間數據的體系框架總體上保持一致。

2）根據數字邊界中地理空間數據按界段進行組織的方式，地理空間元數據的組織方式也可以按界段進行組織。

3）根據不同用戶使用元數據的目的，可以將地理空間元數據的體系分成不同的應用層次。

4）地理空間元數據體系框架將描述的重點放在數據集，即邊界圖幅數據。

5）考慮數字邊界的應用需求，元數據的具體內容重點是對數據質量信息、數據表示信息、內容信息等幾個元數據子集的內容選取和擴充。

6）各個地理空間元數據子集的內容選擇上，以滿足數字邊界應用為前提，力求簡單，不要過于復雜。

7）在制定地理空間元數據標準的數據內容時，要遵循和參考現有的國家標準和領域行業標準，并針對數字邊界工程建設的特點進行修改和擴充。

2.元數據體系框架

按照以上設計原則，數字邊界中地理空間元數據體系框架設計如圖1所示。體系框架是對數字邊界所有地理空間元數據的分類和分層的描述，各種類、各層次的元數據可以在框架下構成一個有機的整體［9］。這個體系框架的特點如下:

1）根據地理空間元數據描述對象的差異，分成3個大的類別:

a.數據庫元數據。又可以稱為數字邊界的全局元數據，是對數字邊界地理空間數據庫的描述信息，包括數據庫的名稱、數據庫的標識、數據庫內容描述、數據庫訪問方法、數據庫更新日期等。

b.數據集系列元數據。又可以稱為界段元數據，是對某條界段的描述信息，包括界段的名稱、標識、空間范圍、包含的圖幅個數等。

圖1 地理空間元數據體系框架

c.數據集元數據:又可以稱為圖幅元數據，是對具體某個圖幅的描述信息，包括數據集的標識、質量、表示、參照系、內容等。

2）體系框架中的重點是數據集元數據（即圖幅元數據），它是數字邊界中地理空間元數據描述的重點內容。

3）從應用層次上考慮，數字邊界地理空間元數據分為兩個層次:

a.核心元數據（即一級元數據）。是標識一個數據集所需要的最少的元數據實體和元素，核心元數據不再細分子集。它是面向應用的元數據，主要用于數據編目和數據發現服務。

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

4）核心元數據是在完全元數據的基礎上，通過對完全元數據的選取和裁剪而生成的。

5）完全元數據是在相應地理空間數據產品（如數字矢量地圖）的基礎上生成的。

6）與數字邊界地理空間數據的形式對應，元數據的形式包括數字矢量地圖元數據、數字柵格地圖元數據、數字影像地圖元數據和數字高程模型元數據。這4種元數據形式的數據內容大體一致，也包括標識信息、數據質量信息、空間數據表示信息、參照系統信息、發行信息等元數據子集。而且，對于同一空間范圍、同一比例尺的不同數據形式的圖幅而言，其元數據標準的數據內容有很多是相同的（如空間范圍、空間坐標系、生產單位等）。

7）數字矢量地圖元數據、數字柵格地圖元數據、數字影像地圖元數據和數字高程模型元數據，是數據集元數據（即圖幅元數據）的主要內容形式。

8）數據集系列元數據（即界段元數據），是在數據集元數據的基礎上，通過選取、融合得到的，可以進一步細分為核心元數據和完全元數據。

9）數據庫元數據（即全局元數據），是在各界段元數據的基礎上，通過選取、融合得到的，也可以進一步細分為核心元數據和完全元數據。

四、結束語

數字邊界中的地理空間元數據，是在已有的共享元數據和領域元數據的基礎上建立的一種領域專用元數據，為了確定它的各級元數據的數據內容，首先要確定整個數字邊界中的地理空間元數據體系框架。本文在分析研究邊界數據類型和特點的基礎上，設計了地理空間元數據的體系框架，對數字邊界工程的元數據進行了分類和分層的描述，為下一步確定各級元數據的具體內容奠定了基礎。

［1］ 劉合輝，張毅，曹一冰.輔助邊界談判劃界子系統設計及關鍵技術［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:The OpenGIS Consortium，1998.

［4］ SDS/T 2111—2004，元數據標準化基本原則和方法［S］.征求意見稿，2004.

［5］ 趙軍喜，張毅，孫慶輝，等.基于 PowerGIS Professional設計“境界信息系統”，GIS的設計、開發與應用［M］.北京:解放軍出版社，2004:149-152.

［6］ 郭星華，華一新，白小雙，等.中國陸地國界信息系統公眾版的設計與實現［J］.測繪通報，2008（8）:56-59.

［7］ 劉小林，華一新，張小朋.國界信息發布系統的設計與實現［J］.測繪通報，2012（2）:77-78.

［8］ 郭奎.邊界信息系統地理空間數據處理技術［D］.鄭州:信息工程大學，2006.

［9］ 趙軍喜.面向數字邊界的地理空間元數據研究［D］.鄭州:信息工程大學，2008.