1、在信息技術產業(yè)，要害一個人，就讓他去開發(fā)一個市場標準。虞有澄（前Intel副總裁）第十七章 地理信息系統(tǒng)標準導讀：信息技術的標準對于產業(yè)的發(fā)展有著重要的意義，GIS也不例外，目前GIS標準主要集中于空間數據模型和空間服務模型以及相關領域，此外還包括流程、認證等等。本章介紹了兩個主要的GIS標準：ISO/TC 211和OpenGIS。1地理信息系統(tǒng)標準簡介隨著GIS技術的發(fā)展，特別是網絡技術應用到地理信息系統(tǒng)建設中，與它有關的標準化也成為一個必須解決的問題。一個好的標準是促進、指導和保證高效率、高質量地理信息交流不可缺少的部分。在信息技術領域，標準和規(guī)范按照其使用狀態(tài)，可以分為兩種，即實際使用的

2、標準和法律意義上的標準。前者是在不斷的實踐過程中，有關機構、團體和組織自發(fā)達成的被廣泛接受的標準，如TCP/IP協(xié)議，OpenGIS規(guī)范；后者通常是為了政策或管理的目的，通過法律制定的標準，如FGDC制定的空間元數據內容標準。按照管轄地區(qū)的大小，制定信息技術的標準化組織可以分為五個層次（Cargill），即國際級標準化組織，如ISO；區(qū)域級標準化組織；國家級標準化組織，如美國國家標準化組織ANSI以及美國聯(lián)邦地理數據委員會；政府和用戶級標準化組織，在GIS領域，OGC(OpenGIS)就屬于該層次；以及補充性標準化組織。目前在中國，GB系列中與GIS有關的標準主要是一些地理編碼標準，包括：GB

3、2260-80中華人民共和國行政區(qū)劃代碼，GB/T13923-92國土基礎信息數據分類與代碼，GB14804-931：500、1：1000、1：2000地形圖要素分類與代碼，GB/T5660-19951：5000、1：10000、1：25000、1：100000地形圖要素分類與代碼等。通常，信息技術的標準和規(guī)范可以分為以下五個方面：1）硬件設備的標準，在網絡技術中，存在著大量這種標準，如IEEE 802系列；2）軟件方面的標準，包括操作系統(tǒng)，查詢語言，程序設計語言，圖形用戶界面等等，如SQL，DCOM，CORBA等等；3）數據和格式的標準，包括數據模型，數據庫的構建，數據質量和可靠性，地理要素

4、的分類系統(tǒng)，數據格式轉換等，在地理信息應用中，空間數據編碼規(guī)范、元數據標準等就屬于該范疇；4）數據集標準，數據存放的文件格式標準，如美國人口普查局的TIGER文件標準等；5）過程標準，如ISO9000系列和CMM等，主要是針對系統(tǒng)開發(fā)過程的指導。地理信息系統(tǒng)標準化主要包括后四個方面的標準，具體內容有：軟件工具，如文檔，設計、驗收、評測標準以及軟件的接口規(guī)范等；數據，包括數據模型，數據質量，數據產品，數據交換，數據顯示，空間坐標投影等；系統(tǒng)開發(fā)，系統(tǒng)設計過程，數據工藝流程，標準建庫流程等；其它，包括名詞術語，管理辦法等。一般而言，軟件工具，系統(tǒng)開發(fā)，管理辦法等方面的標準可以借用更為通用的信息技術

5、標準規(guī)范，所以GIS標準主要集中于空間數據以及相關的一系列規(guī)范。應用地理信息系統(tǒng)標準，可以建立一套較為規(guī)范數據的錄入處理流程，提高工作效率和質量，同時采用一致的數據格式以及空間數據可視化方式，指導數據的使用。總而言之，在地理信息系統(tǒng)中引入一系列標準，有利于保障地理信息系統(tǒng)技術及其應用的規(guī)范化發(fā)展，指導地理信息系統(tǒng)相關的實踐活動，拓展地理信息系統(tǒng)的應用領域，從而實現(xiàn)地理信息系統(tǒng)的社會及經濟價值。基于地理信息系統(tǒng)標準，可以實現(xiàn)不同應用領域地理信息的共享和互操作，這也正是實現(xiàn)數字地球的關鍵技術之一（圖17-1）。圖17-1：地理信息標準對地理信息系統(tǒng)應用的意義ISO的標準制定過程：CargillIS

6、O標準的制定過程主要分為以下幾個步驟：（1） 由子委員會起草新的工作內容計劃書，提交一個技術委員會投票表決；（2） 表決通過后，再交由該子委員會負責有關標準制定的各項活動；（3） 子委員會下屬的工作小組起草標準工作草案，交由子委員會投票表決；（4） 若子委員會統(tǒng)一標準工作草案，該草案成為標準草案計劃書，并在整個技術委員會中傳閱；（5） 若技術委員會對草案計劃書也能夠達成共識，該標準草案將被作為國際標準草案送至技術委員會負責人手中；（6） 技術委員會負責人將對國際標準草案進行核實，審查是否符合ISO的原則和要求；（7） 若審查通過，該國際標準草案將被送至ISO的各國成員中傳閱，征求意見，并表決，

7、如果由75%的成員表決通過，則將提交至ISO的執(zhí)行委員會作為ISO的標準出版發(fā)行。目前，有很多個組織和政府部門召集或主持制定地理信息系統(tǒng)標準，其內容主要包括空間數據模型和空間服務模型以及在此基礎上的空間數據共享（Data Sharing）和互操作（Data Interoperation）。其中比較主要的是地理信息/地球信息科學(Geographic information/Geomatics)專業(yè)委員會制定的ISO/TC211地理信息標準以及OGC(Open GIS Consortium)制定的Open GIS。與Open GIS相比，ISO/TC211更為全面，更注重于標準本身的定義，可以指

8、導地理信息系統(tǒng)開發(fā)和使用的各個方面；而OpenGIS由于有許多著名的GIS軟件開發(fā)商參與，因而更加注重軟件的實現(xiàn)。地理數據的互操作：隨著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，需要實現(xiàn)地理數據共享，而互操作則是數據共享的必然產物。在傳統(tǒng)的、以數據集中式管理為特色的地理信息系統(tǒng)應用中，實現(xiàn)數據共享的手段主要是通過數據交換來完成，具體方式包括通過相關表或轉換器的直接轉換以及基于空間數據轉換標準的間接轉換。空間數據的互操作針對異構的數據庫和平臺，實現(xiàn)數據處理的互操作，與數據轉換相比，它是“動態(tài)”的數據共享，獨立于平臺，具有高度的抽象性，是空間數據共享的發(fā)展方向。空間數據的互操作存在著多個層次，從最底層的面向硬件的互操作

9、，到應用層次的信息團體之間的語義共享。下表給出了互操作的層次以及其支持。表17-1：地理數據互操作以及其支持（陳述彭）層次結構支持企業(yè)信息立法、政策、規(guī)范、標準應用語義標準、語義數據模型、規(guī)程數據地理信息系統(tǒng)DBMS、標準、規(guī)程數據庫技術軟件和網絡協(xié)議規(guī)程、協(xié)議、標準硬件和網絡標準等2ISO/TC211地理信息標準ISO/TC 211地理信息/地球信息科學專業(yè)委員會成立于1994年3月，其目的是為了促進全球地理信息資源的開發(fā)、利用和共享，即制定ISO/TC 211地理信息/地球信息科學標準，它是對與地球上位置直接或間接有關的物體或現(xiàn)象信息的結構化標準。該標準共分為25個部分* 這25個部分主要

10、由五個工作組負責。第一組，由美國召集，負責框架和參考模型，即1-5,21,24部分；第二組，由澳大利亞召集，負責空間數據模型和算子，即7、8、9和23部分；第三組，由英國召集，負責地理空間數據管理，即10-15部分；第四組，由挪威召集，負責地理空間數據服務，即16-19,24部分；第五組，由加拿大召集，負責第6,20部分，第22部分由加拿大負責的另一個小組制定。其中后五個的部分的工作剛剛開展。ISO/TC211委員會同時有一個質量控制小組和咨詢小組支持整個標準制定工作。（截至2000年5月），主要針對地理信息的內容和相關的方法；各種數據管理的工具和服務及有關的請求、處理、分析、獲取、表達；以及

11、在不同的用戶、系統(tǒng)平臺和位置上進行數據的轉換。1）參考模型(Reference Model)描述地理信息系統(tǒng)標準的使用環(huán)境、使用的基本原則和標準的改造框架，同時也定義了該標準的所有的概念和要素。參考模型是一個獨立于任何應用、方法和技術的模型，也是整個ISO/TC 211的委員會的工作指南。2）綜述(Overview)整個ISO/TC 211標準系列的介紹和回顧。ISO/TC 211將是一個完整全面的地理信息系統(tǒng)的標準族，該部分提供給潛在用戶一個整體的標準系列和個別標準的綜合介紹，包括標準的目的、標準以及標準之間的關系等，使用戶可以快速查詢到所需要的內容，提高標準的可理解性和可接收性。3）概念化

12、模式語言(Conceptual Schema Language)使用一種標準化的模式語言來促進互操作標準的開發(fā)，并提供一個快速建立地理信息標準的基礎。這種標準語言是在現(xiàn)有的標準概念化語言之上發(fā)展而成的。4）術語定義(Terminology)定義了所有ISO/TC 211標準中使用的專有詞匯，其目的是產生通用的與地理信息標準有關的詞匯，供地理信息系統(tǒng)的標準制定者、使用者和開發(fā)者使用。5）一致性和測試(Conformance and Testing)為了保證所有ISO/TC 211標準的一致性而制定的測試框架、概念和方法。建立測試方法的標準和保持一致性的原則可以使GIS軟件的開發(fā)者來核實各類標準的

13、一致性。6）專用標準(Profiles)定義所有ISO/TC 211標準的子集產品，它確定了在ISO/TC 211制定的全部標準的基礎上，針對某些具體應用提取出專用標準子集的方法和參考手冊。在ISO/TC 211中，定義和描述了一系列地理信息以及地理數據管理和地理過程的標準。其中，某個方面可能有多個標準，如測量標準和編碼標準；其它一些標準可能描述了一系列內容，如空間模式標準。在實際應用中，可能只采用某個標準或標準的一部分，甚至是對某個標準進行特化，專用標準給出了使用的指導。7）空間模式(Spatial Shema)定義對象空間特征的概念模式，主要從幾何體和拓撲關系的角度來制定概念模式。幾何體和

14、拓撲關系是地理信息的兩個主要特征，它們的標準制定將為其它空間特征標準制定提供方便，同時可以幫助GIS開發(fā)者和使用者理解空間數據結構。8）時間尺度子模式(Temporal Subshema)定義空間實體時間尺度特征的概念，地理信息并不局限于三維尺度，許多地理信息系統(tǒng)需要時間特征。9）應用模式規(guī)則(Rules for Application Schema)定義地理信息應用的模式，包括地理對象的分類和它們與應用模式之間關系的原則。采用一致的形式定義應用模式，將增強應用之間數據共享能力，并且允許應用之間實時地交互操作。10）要素分類方法(Feature cataloguing methodology)

15、定義了對地理對象、屬性和關系進行分類的方法論，并且確定建立一個國際化的多語言的分類的可能性。地理信息的類別一般都決定于應用模式，提供一致的分類方法學增強了從一個類別映射到另一個類別的可能性。11）坐標空間參照系統(tǒng)(Spatial referencing by coordinates)定義了坐標空間參照系統(tǒng)的概念化模式以及描述大地參照系統(tǒng)的指導，其中也包括一些國際上使用的參考系統(tǒng)，制定坐標空間參照系統(tǒng)同樣有助于各類應用之間的交流和數據共享。12）基于地理標識的間接參考系統(tǒng)(Spatial referencing by geographic identifiers)定義了間接的空間參照系統(tǒng)的概念化

16、模式。ISO認為越來越多的有關地理信息的應用使用非坐標類型的參照系統(tǒng)，即間接空間參照系統(tǒng)，例如地址數據，因而有必要產生一套間接參考系統(tǒng)的標準模式。13）質量原則(Quality principles)定義了應用于地理數據的質量模式。對地理信息的創(chuàng)建者和使用者而言，質量信息都是十分重要的。一致的質量標準模式，便于一個應用中創(chuàng)建的數據在另一個應用中被適當的評估和使用。14）質量評價過程(Quality Evaluation Procedures)給出了對數據質量進行評估和描述方法的指導。關于地理數據質量的評價信息不僅需要一致的標準，而且需要一個一致的、標準的評估和描述方法。一個標準的評估準則可以保

17、證不同數據集合的質量具有可比性。15）元數據(Metadata)定義地理信息和服務的描述性信息的標準。該標準制定的目的是為了產生一個地理元數據的內容及有關標準。這些內容包括地理數據的現(xiàn)勢性、精度、數據內容、屬性內容、來源、覆蓋地區(qū)以及對各類應用的適應性如何等。對地理數據進行標準的描述可以使地理信息用戶方便地得到適用的數據。16）空間信息定位服務(Positioning Service)定義了定位系統(tǒng)的標準接口協(xié)議。全球定位系統(tǒng)的發(fā)展使得一個地理對象在全球范圍內的定位成為可能，定位信息標準接口的制定將促進這些定位信息在各類應用中更有效的使用。17）地理信息描述(Portrayal)定義了地理信息

18、描繪方法，不同應用系統(tǒng)之間采用一致的符號表現(xiàn)方法，將便于人們更好的理解和識別各類地理信息。18）編碼(Encoding)選擇與地理信息使用的概念模式相匹配的編碼規(guī)則，并且定義了概念模式語言之間以及編碼規(guī)則之間的映射方式。編碼規(guī)則使得地理信息在以數字形式進行存儲和傳輸時，按照一定的編碼語言和系統(tǒng)進行編碼。19）服務(Service)識別和定義地理信息的服務接口以及與開放系統(tǒng)環(huán)境(Open System Environment)模型之間的關系。服務接口的定義有助于不同層次的各種應用訪問和使用地理信息。20）功能標準(Functional standards)定義了地理信息科學領域已經識別出的功能標

19、準的分類方法。功能標準的分類有利于ISO/TC211與其它標準的協(xié)調一致。標準子集的制定也與功能標準的識別有關。21）圖像和柵格數據(Imagery and gridded data)為了使ISO/TC211能夠處理地理信息場模型中的圖像和柵格數據，ISO/TC211需要定義圖像和柵格數據標準。它確定了其它組織以及ISO其它委員會定義的圖像標準，這些標準支持地理信息中柵格和矩陣數據標準的建立。由于地理信息中圖像和柵格數據產品的增加，需要該方面的標準的制定。22）職員的資格認證(Qualifications and Certification of Personnel)描述了地理信息科學/地球信

20、息學中人員的資格認證體系，定義了地理信息科學/地球信息學與其它相關學科以及專業(yè)的邊界。詳細說明了屬于地理信息科學/地球信息學領域的技術。建立了該領域中技術人員、專業(yè)人員以及管理人員的能力范圍和資格水平體系。23）覆蓋幾何和功能的模式(Schema for coverage geometry and functions)定義了描述覆蓋的空間特征的標準概念模式。覆蓋通常包括柵格數據、不規(guī)則三角網、點覆蓋和多邊形覆蓋。在大量地理信息應用領域中，覆蓋是主要的數據結構，包括遙感、氣象、地形、土壤、植被等等。覆蓋幾何和功能的模式將有助于提高地理信息在這些領域內的共享能力。24）圖像和柵格數據的成分(Ima

21、gery and gridded data components)給出了描述和表現(xiàn)圖像和柵格數據的概念標準，這包括針對圖像和柵格數據的新的工作：應用模式規(guī)則、質量原則、質量評價過程、空間參照系統(tǒng)、可視化和服務等，并表明的新的工作與已有的針對矢量數據標準的不同之處。25）簡單要素的訪問SQL選項(Simple feature access - SQL option)該部分面向SQL環(huán)境的簡單要素訪問實現(xiàn)規(guī)范，該實現(xiàn)規(guī)范將支持要素的存儲、檢索、查詢和更新操作。ISO TC211標準的各個部分之間具有依賴關系。下表描述了這種依賴性。其中單元格內容為"D"表示相應行的標準依賴于相應

22、列的標準，如“質量評定過程”依賴于“質量原則”，"I"表示有關，"X"表示無關，"C"表示關系尚不明確。表17-2：ISO/TC 211標準前20個部分之間的關系12345678910111213141516171819201:參考模型IIIXIIIIIXCIXIIIIIX2:綜述DDDDDDDDDDDDDDDDDDD3:概念化模式語言DIIIIIXIIIIIIIIIIII4:術語定義DDDDDDDDDDDDDDDDDDD5:一致性和測試DIXIDDDDDDCCDDIIIID6:專用標準DIDCIDDDDDCCDDDIDDD7:空間子

23、模式DIDIDIXDIIIIIIXIXII8:時間子模式IIDIIXXCCXXIIXXIIXX9:應用模式規(guī)則DIDIXIDDDXCDXDXIIID10:地理信息分類DIIIXXXIDXXCXDXXXXX11:坐標參考系統(tǒng)DIDIDIIXIXXCXXXXXXO12:間接參考系統(tǒng)DIDIIXIXXXIIXIXXXXX13:質量原則CIDIIXIIIIIIIIXXIXX14:質量評定過程DIDIXXIIIIIIDIXXXXX15:元數據DIDIIXDDCDDDDDIIDDD16:定位服務DIDIDXIIXXDXCXIXXDX17:地理信息描述DCDIDIDDDIXIIIDXXIX18:編碼DIDI

24、XIXXDDXXCXDIIIX19:服務DIDIDIIIIXIXXIDDIXD20:功能標準DIDIXCDDDXDDXXDXXXD3開放的地理數據互操作規(guī)范OpenGISOpenGIS(Open Geodata Interoperation Specification,OGIS-開放的地理數據互操作規(guī)范)由美國OGC(OpenGIS協(xié)會，OpenGIS Consortium)提出。OGC是一個非贏利性組織，目的是促進采用新的技術和商業(yè)方式來提高地理信息處理的互操作性(Interoperablity)，OGC會員主要包括GIS相關的計算機硬件和軟件制造商（包括ESRI, Intergraph,M

25、apInfo等知名GIS軟件開發(fā)商），數據生產商以及一些高等院校，政府部門等，其技術委員會負責具體標準的制定工作。OpenGIS的目標是，制定一個規(guī)范，使得應用系統(tǒng)開發(fā)者可以在單一的環(huán)境和單一的工作流中，使用分布于網上的任何地理數據和地理處理。它致力于消除地理信息應用（如地理信息系統(tǒng)，遙感，土地信息系統(tǒng)，自動制圖/設施管理(AM/FM)系統(tǒng)）之間以及地理應用與其它信息技術應用之間的藩籬，建立一個無“邊界”的、分布的、基于構件的地理數據互操作環(huán)境，與傳統(tǒng)的地理信息處理技術相比，基于該規(guī)范的GIS軟件將具有很好的可擴展性、可升級性、可移植性、開放性、互操作性和易用性。OpenGIS規(guī)范主要定義了以

26、下三個模型：1）開放的地理數據(Open Geodata)模型：定義了一個概括的、公用的基本地理信息類型集合，該集合可以被應用于特定領域的地理數據建模。OpenGIS將現(xiàn)實世界抽象成為兩類基本對象：要素（Feature）和覆蓋（Coverage），前者描述現(xiàn)實世界中的實體對象，后者描述現(xiàn)實世界中的現(xiàn)象。對于要素，將與空間坐標相關的屬性抽取出來，稱為幾何體(Geometry)。同時，OpenGIS又定義了要素的時空參照系統(tǒng)、語義(Semantics)以及元數據來對要素進行描述，以便于共享和互操作。2）OpenGIS服務定義了一個服務的集合，該集合用于訪問地理數據模型中定義的地理類型，提供了同一信

27、息團體（Information Community）內不同用戶之間，或者不同信息團體之間的地理數據共享能力。服務模型中的主要組成為：（21）要素實例(Feature Instance)的創(chuàng)建過程該過程用到了兩個概念，要素模式(Feature Schema)和要素注冊(Feature Registry)，前者定義了要素的屬性集，包括幾何體、描述數據等；要素注冊存放要素模式，所有的要使用和共享的要素都要進行注冊，要素注冊起到了要素“工廠（Factory）”的作用，通過它可以創(chuàng)建要素實例。這種面向對象的要素實例創(chuàng)建過程便于實現(xiàn)數據的共享，同時又保證信息的封裝性。（22）獲取地理數據的方法在OpenG

28、IS規(guī)范中，建立了一種樹狀的目錄索引結構，其最小單元是要素，通過該目錄，可以得到所需要的地理數據。數據的獲取在平臺間是透明的，即可以跨平臺訪問數據。（23）時空參照系統(tǒng)的獲取和轉換在一個信息團體中是通過時空參照系來轉換和解釋幾何體的，時空參照系統(tǒng)必須能夠按照一種統(tǒng)一的標準來定義，并且通過某種機制能夠使用這些定義。OpenGIS描述了注冊時空參照系統(tǒng)的機制以及在不同的時空參照系統(tǒng)之間進行地理要素轉換的機制。（24）語義轉換不同信息團體之間通過一個語義轉換注冊器來實現(xiàn)要素語義的轉換，注冊器包括源要素和要素模式、目標要素和要素模式、以及要素轉換器等，可以根據不同的要素轉換要求查找到匹配的轉換器以進行

29、語義轉換。3）信息團體模型信息團體模型的目的是，建立一種途徑，使得信息團體或用戶維護對數據進行分類和共享所遵循的定義；實現(xiàn)一種有效的、更為精確的方式，使不同信息團體之間可以共享數據，盡管他們并不熟悉對方的地理要素定義。信息團體模型定義了一種轉換模式，使得不同信息團體的“地理要素辭典”可以自動“翻譯”。OpenGIS規(guī)范包括抽象（Abstract）規(guī)范，實現(xiàn)（Implementation）規(guī)范以及具體領域（Specific Domain）的互操作性問題，其中抽象規(guī)范是OpenGIS的基礎，也是OpenGIS的主體；實現(xiàn)規(guī)范定義了抽象規(guī)范在不同分布計算平臺上的實現(xiàn)，目前OGC已經定義了針對CORB

30、A，OLE/COM和SQL的簡單要素訪問的實現(xiàn)規(guī)范；針對領域的互操作性研究通過提取領域的互操作性用例(Use case)，檢驗抽象規(guī)范能否滿足該領域的需求，它是抽象規(guī)范的擴展。抽象規(guī)范建立了一個概念模型，并將其文檔化，采用了在面向對象技術中通用的UML作為其形式化的建模語言。抽象規(guī)范通過對現(xiàn)實世界的描述，建立了系統(tǒng)實現(xiàn)與現(xiàn)實世界之間的概念化的聯(lián)系，它是與具體的軟件實現(xiàn)無關的，而只是定義了軟件應該實現(xiàn)的內容。目前，抽象規(guī)范共分為17個主題* 這些主題類同于ISO/TC211中的對應部分，并且一些概念，如“實體”、“覆蓋”、“實體之間的關系”等，在第二篇已經詳細描述，在此不再贅述。：（截至2000

31、年1月）l 綜述(Overview)l 要素幾何體(Feature Geometry)l 空間參照系統(tǒng)(Spatial Reference Systems)l 位置幾何體結構(Locational Geometry Structures)l 存儲功能和插值(Stored Functions and Interpolation)l 要素 (Features)l 覆蓋類型及其子類型(The Coverage Type and its Subtype)l 地球影象(Earth Imagery Case)l 要素之間的關系(Relations Between Features)l 質量(Quality

32、)l 要素集合(Feature Collections)l 元數據(Metadata)l OpenGIS服務體系結構(OpenGIS Service Architecture)l 目錄服務(Catalogs Service)l 語義和信息團體(Semantics and Information Communities)l 圖像使用服務(Image Exploitation Service)l 圖像坐標轉換服務(Image Coordinate Transformation Service)抽象規(guī)范的十七個主題之間同樣具有相互的依賴性，圖17-2描述了這種依賴性。圖17-2：OpenGIS抽象規(guī)范各個主題之間的依賴關系OGCOpenGIS的實現(xiàn)需要分布計算平臺(DCP-Distributed Computing Platform)的支持，圖17-3描述了遵循OpenGIS規(guī)范，地理信息處理在不同DCP“場景”中的實現(xiàn)。但是抽象規(guī)范本身與DCP無關，它可以在任何DCP上實現(xiàn)。圖17-3：遵循OpenGIS規(guī)范，地理信息處理的在不同分布計算“場景”上實現(xiàn)OGC其它有關地理信息系統(tǒng)標準制定組織和標準1）美國聯(lián)邦地理數據委員會(FGDC)制定的美國空間數據元數據標準和空間數據轉換