§3.6 空间数据标准
首先阐述了空间数据标准的定义、原则和交换标准，然后介绍了我国的数据交换格式，接着详细阐述了GIS空间元数据，最后阐述了空间数据的互操作和OpenGIS 规范。
一、空间数据分类标准
从技术的角度看，空间数据标准是指空间数据的名称、代码、分类编码、数据类型、精度、单位、格式等的标准形式。空间数据标准涉及到复杂的科学理论和技术方法问题。空间数据标准的制定对于地理信息系统的发展具有重要意义，但目前空间数据标准的研究仍然落后于地理信息系统的发展。
二、空间数据交换标准
随着地理信息系统的发展，数据共享已越来越重要。由于空间数据模型的不同，空间数据的定义、表达和存储方式也不同，因而数据交换就不那么简单,必须制定一定的标准。
三、GIS空间元数据
空间元数据（Geospatial Metadata）：地理的数据和信息资源的描述性信息。空间元数据是为避免数据的重复性建设，同时协调不同数据部门之间的资源共享而产生的。
四、空间数据的互操作和OpenGIS规范
所谓互操作，就是指异构环境下两个或两个以上的实体，尽管它们实现的语言、执行的环境和基于的模型不同，但它们可以相互通信和协作，以完成某一特定任务。OGC制定的OpenGIS规范就是为了满足GIS互操作需要而制定的。
从技术的角度看，空间数据标准是指空间数据的名称、代码、分类编码、数据类型、精度、单位、格式等的标准形式。每个地理信息系统都必须具有相应的空间数据标准。空间数据标准涉及到复杂的科学理论和技术方法问题。如果只针对某一地理信息系统设计空间数据标准，并不困难；如果所建立的空间数据标准能为大家所承认，为大多数系统所接受和使用，就比较复杂和困难。空间数据标准的制定对于地理信息系统的发展具有重要意义，但目前空间数据标准的研究仍然落后于地理信息系统的发展。
目前我国已有一些与GIS有关的国家标准，内容涉及数据编码、数据格式、地理格网、数据采集技术规范、数据记录格式等。
一、空间数据分类标准
在地理信息系统中，空间数据必须按统一的标准进行分类。通常应遵循以下原则：
(1)遵循已有的国家标准，以利于全国范围内的数据共享。
(2)遵循国务院有关部委以及军队正在使用的数据标准。
(3)遵循各领域中普遍使用和认同的数据标准。
(4)当各种数据标准相互矛盾时，应遵循由上而下的原则进行处理。
(5)制定新的数据标准时，应尽可能参考同类标准。
目前我国已有的与GIS有关的关于空间数据分类的国家标准如：
《中华人民共和国行政区划代码》
国家基础地理信息系统地形数据库境界和居民地要素执行国家标准《中华人民共和国行政区划代码》(GB 2260-1995)，并根据需要扩充了部分代码。代码的结构如下：
《国土基础信息数据分类与代码》
国家基础地理信息系统地形数据库数据分类编码执行国家标准《国土基础信息数据分类与代码》(GB/T 13923-92)。代码为五位数字码,其结构如下:
《公路路线命名编号和编码规则》
国家基础地理信息系统地形数据库国道编码执行国家标准《公路路线命名编号和编码规则》(GB 917.1~917.2-89)。代码的结构如下：
等等。
其他相关资料参考国家基础地理信息中心(NFGIS)网站
空间数据的分类体系是设计数据标准的前提，而分类体系应考虑专业领域专家的意见，并根据地理信息系统的要求来制定，尽可能反映分类的合理性。
二、空间数据交换标准
随着地理信息系统的发展，数据共享已越来越重要。由于空间数据模型的不同，空间数据的定义、表达和存储方式也不同，因而数据交换就不那么简单。空间数据交换的主要方式有：
(1)外部数据交换标准。
这类标准通常是ASCII码文件，用户可以通过阅读说明书来直接读写这种外部数据格式。GIS的外部数据交换格式通常包括矢量数据交换格式、栅格数据交换格式和数字高程模型交换格式。
(2)空间数据互操作协议。
制定一套各方都能接受的标准空间数据操纵函数，通过调用这些函数以互相操作对方的数据。
(3)空间数据共享平台。
采用客户机/服务器体系结构，各种GIS通过一个公共的平台在服务器存取所有数据，以避免数据的不一致性。
(4)统一数据库接口。
在对空间数据模型有共同理解的基础上，各系统开发专门的双向转换程序，将本系统的内部数据结构转换成统一数据库的接口。
随着软硬件的发展，人们逐渐感受到了外部数据交换格式的不足，如自动化程度不高，速度较慢等，但它毕竟解决了不同GIS之间的数据转换问题。
虽然空间数据互操作协议比外部数据交换标准方便，但由于各种软件存储和处理空间数据的方式不同，空间数据的互操作函数又不可能很庞大，因此往往不能解决所有问题。
空间数据共享平台虽然是一个较好的思路，但现有的GIS软件各有自己的底层，因此目前难以实现。
统一数据库接口，首先要求对现实世界进行统一的面向对象的数据理解，这也是不易实现的。
因此，目前外部数据交换标准仍然是实现数据共享的主流方式。
我国空间数据交换格式
空间数据共享存在着多种形式，欧美等发达国家致力于制定空间数据交换格式，前几年起到了较好效果。为促进地理信息产业发展，结合我国实际，应尽快完善我国空间数据交换(标准)格式。为此必须参照成功的先行经验和教训，科学简明可持续发展地制定这一标准是特别重要的。
三、GIS空间元数据
随着地理信息系统在社会各方面的发展，越来越多的地理学科和信息技术学科之外的个人、组织和机构也涉入到这一领域，开始生产、处理和修改数字地理信息。但是这些机构从各自的角度出发来发展空间数据，使得人们不知道存在什么样的数据、已有数据的质量如何、以及怎样访问和使用这些数据成果。因此，迫切需要采取一定的办法来避免数据的重复性建设，同时协调不同数据部门之间的资源共享，这样随着地理空间数据集的数量、复杂性和多样性的增加，一个适应数据集共享的标准化规范——空间元数据，也就应运而生。 对空间元数据标准内容的研究，国际上主要有美国联邦数据委员会（FGDC）、国际标准化组织地理信息/地球信息技术委员会（ISO/TC211）和开放的GIS联盟（OGC）进行，它们从不同侧面对地理空间元数据进行了描述。国内近几年来已经提出了几个元数据标准，如《中国可持续发展信息共享Metadate标准》、《中国生态系统研究网络元数据标准》和《科学数据库元数据标准》等。 1．空间元数据的定义及其作用 元数据（Metadate）：数据的数据，是关于数据和信息资源的描述性信息。图书馆的图书卡片就是关于所有书籍的简单的元数据，它记录了每本书的编号、题目、作者、关键字和出版日期等属性。 空间元数据（Geospatial Metadata）：地理的数据和信息资源的描述性信息。它通过对地理空间数据的内容、质量、条件和其他特征进行描述与说明，以便人们有效地定位、评价、比较、获取和使用与地理相关的数据。空间元数据是一个由若干复杂或简单的元数据项组成的集合。如果说地理空间数据是对地理空间实体的一个抽象映射，那么可以认为，空间元数据是对地理空间数据的一个抽象映射。空间元数据和地理空间数据是对地理空间实体不同层次的描述，是对地理信息的不同深度的表达。 综合起来，空间元数据主要有以下几个方面的作用： （1）用来组织和管理空间信息，并挖掘空间信息资源，这正是数字地球的特点和优点所在。通过它可以在Intranet或Internet上准确地识别、定位和访问空间信息。 （2）帮助数据使用者查询所需空间信息。比如，它可以按照不同的地理区间、指定的语言以及具体的时间段来查找空间信息资源。 （3）组织和维护一个机构对数据的投资。通过空间元数据内容，可以充分描述数据集的详细情况，便于数据使用者得到数据的可靠性保证。同时，当使用数据引起矛盾时，数据提供单位也可以利用空间元数据维护其利益。 （4）用来建立空间信息的数据目录和数据交换中心。通常由一个组织产生的数据可能对其他组织也有用，而通过数据目录、数据代理机、数据交换中心等提供的空间元数据内容，用户便可以很容易地使用它们，达到空间信息的共享。 （5）提供数据转换方面的信息。通过空间元数据，人们便可以接受并理解数据集，并可以与自己的空间信息集成在一起，进行不同方面的分析决策，使地理空间信息实现真正意义上的共享，发挥其最大的潜力。 2．空间元数据的分类 空间元数据可以按照所描述的对象分为三层：高层元数据对应数据库，中层元数据对应表，底层元数据对应数据项。各种元数据与描述地理实体的空间数据之间的关系如图3-6-1所示。
（1）高层元数据（数据集系列Metadata）。高层元数据是指一系列拥有共同主题、日期、分辨率以及方法等特征的空间数据系列或集合，它是用户用于概括性查询数据集的主要内容。在软件实现上，如果拥有数据集系列Metadata模块，则既可以使数据集生产者方便地描述宏观数据集，而且也可以使用户很容易地查询到数据集的相关内容，实现空间信息资源的共享。当然，要获取数据集的详细信息，还需要通过中层元数据来实现。
（2）中层元数据（数据集Metadata）。数据集Metadata模块是整个Metadata标准软件的核心，它既可以作为数据集系列Metadata的组成部分，也可以作为后面数据集属性以及要素等内容的父Metadata数据集系列。在Metadata软件标准设计的初级阶段，通过该模块便可以全面反映数据集的内容。然而随着数据集的变化，为了避免重复记录元数据内容以及保持元数据的实时性，需要通过继承关系更新变化了的信息，这时元数据的层次性便显得异常重要。 （3）底层元数据（要素、属性的类型和实例Metadata）。要素类型是指由一系列几何对象组成的具有相似特征的集合，比如数据集中的道路层、植被层等便是具体的要素类型；要素实例是具体的要素实体，它用于描述数据集中的典型要素。属性类型是用于描述空间要素某一相似特征的参数，如桥梁的跨度是一个属性类型；属性实例则是要素实例的属性，如某一桥梁穿越某一道路的跨度。该Metadata模块是元数据体系中详细描述现实世界的重要部分，也是未来数字地球中走向多级分辨率查询的依据。因此，我们通过数据集系列、数据集、要素类型等层次步骤，便可以逐级对地理世界进行描述，用户也可以按照这一步骤，能够沿网络获取详细的数据集内容信息。 在具体实现时，可以用面向对象的技术实现以地理单元为主线的层次结构元数据管理树，树的叶结点连接空间数据物理存储的“层”，面向地理单元的空间操作通过元数据管理树作用于图层。 3．空间元数据的内容 为了便于不同系统之间的空间数据和空间元数据相互交换，许多机构和组织对空间元数据所要描述的一般内容进行层次化和范式化，指定出可供参考与遵循的空间元数据标准的内容框架。 空间元数据标准由两层组成，其中第一层是目录层，它所提供的信息主要用于对数据集信息进行宏观描述，适合在数字地球的国家级空间信息交换中心或区域以及全球范围内管理和查询空间信息时使用。第二层是空间元数据标准的主体，它由八个基本内容部分和四个引用部分组成，其中基本内容部分包括标识信息、数据质量信息、数据集继承信息、空间数据表示信息、空间参考系信息、实体和属性信息、发行信息、以及空间元数据参考信息等八个方面的内容，另外四个引用部分包括引用信息、时间范围信息、联系信息以及地址信息。它们之间的关系如图3-6-2。 
（1）标识信息。是关于地理空间数据集的基本信息。通过标识信息，数据生产者可以对有关数据集的基本信息进行详细的描述，诸如数据集的名称、作者信息、所采用的语言、数据集环境、专题分类、访问限制等，同时用户也可以根据这些内容对数据集有一个总体了解。 （2）数据质量信息。是对空间数据集质量进行总体评价的信息。通过这部分内容用户可以获得有关数据集的几何精度和属性精度等方面的信息，也可以知道数据集在逻辑上是否一致以及它的完备性，这是用户对数据集进行判断以及决定数据集是否满足需要的主要判断依据。数据生产者也可以通过这部分内容对数据集质量评价的方法和过程进行详细的描述。 （3）数据集继承信息。是建立该数据集时所涉及的有关事件、参数、数据源等的信息，以及负责这些数据集的组织机构信息。通过这部分信息便可以对建立数据集的中间过程有一个详细的描述，比如当一幅数字专题地图的建立经过了航片判读、清绘、扫描、数字地图编辑以及验收等过程时，应对每一过程有一个简要描述，使用户对数据集的建立过程比较清晰，也使数据集每一过程的责任比较清楚。 （4）空间数据表示信息。是数据集中用来表示空间信息的方式的描述，如空间数据类型、空间数据结构、矢量对象描述、栅格对象描述等内容，它是决定数据转换以及数据能否在用户计算机平台上运行的必须信息。利用空间数据表示信息，用户便可以在获取该数据集后对它进行各种处理或分析了。 （5）空间参考系信息。是关于空间数据集地理参考系统与编码规则的描述，它是反映现实世界与地理数字世界之间关系的通道，诸如地理标识码参照系统、水平坐标系统、垂直坐标系统以及大地模型等。通过空间参考系中的各元素，可以知道地理实体转换成数字对象的过程以及各相关的计算参数，使数字信息成为可以度量和决策的依据。 （6）实体和属性信息。是关于数据集信息内容的信息，包括实体类型及其属性、属性值、域值等方面的信息。通过该部分内容，数据集生产者可以详细地描述数据集中各实体的名称、标识码以及含义等内容，也可以使用户知道各地理要素属性码的名称、含义等。 （7）发行信息。是关于数据集发行及其获取方法的信息，包括发行部门、数据资源描述、发行部门责任、订购程序、用户订购过程以及使用数据集的技术要求等内容。通过发行信息，用户可以了解到数据集在何处，怎样获取、获取介质以及获取费用等信息。 （8）空间元数据参考信息。是关于空间元数据的标准、版本、现时性与安全性等方面的信息，它是当前数据集进行空间元数据描述的依据。通过该空间元数据描述，用户便可以了解到所使用的描述方法的实时性等信息，加深了对数据集内容的理解。 （9）引用信息。是引用或参考该数据集时所需的简要信息，它自己不单独使用，而是被基本内容部分的有关元素引用。它主要由标题、作者信息、参考时间、版本等信息组成。 （10）时间范围信息。是关于有关事件的日期和时间的信息，该部分是基本内容部分的有关元素引用时要用到的信息，它自己不单独使用。 （11）联系信息。是同与数据集有关的个人和组织联系时所需的信息，包括联系人的姓名、性别、所属单位等信息。该部分是基本内容部分的有关元素引用时要用到的信息，它自己不单独使用。 （12）地址信息。是同组织或个人通讯的地址信息，包括邮政地址、电子邮件地址、电话等信息。该部分是描述有关地址元素的引用信息，它自己不单独使用。 空间元数据是基于Internet的GIS（即网络地理信息系统）必不可少的一部分，通过它可以了解GIS系统所提供地理空间数据的情况，如：有什么数据？数据质量如何？数据有哪些格式？以什么方式在哪儿可以得到数据？等等和数据有关的信息。通过这些信息可以实现地理空间数据的不同部门、不同专业领域的网络共享，避免因地理空间数据的重复收集、录入和处理导致的大量时间、人力和物力的浪费。
四、空间数据的互操作和OpenGIS规范
空间数据的互操作是UCGIS（The University Consortium for Geographic Information Science，美国大学地理信息联盟）的优先研究领域之一。互操作不仅有理论性和前瞻性，而天在当前的GIS系统中有其实用性。目前GIS界已经制定了OpenGIS互操作规范，并且还在继续完善之中。 （1）概述。当前GIS虽然得到了广泛的应用，其使用范围涉及多学科和多部门，在资源管理、环境治理、预防灾害、区域规划、城市管理、科研、教育和国防等领域得到重要应用，但是GIS应用系统被认为是信息孤岛。应用部门在开发地理信息系统时通常依据本部门的空间数据格式，对地理数据的组织有很大的差异，使得在不同GIS软件上开发的系统间的数据交换存在困难，采用数据转换标准也只能部分解决问题。另外，不同的应用部门对地理现象有不同的理解，对地理信息有不同的定义，这使得领域间在共同协作中进行信息共享和交流存在障碍。这些问题归结为地理信息系统间的互操作问题。互操作是系统集成的基础。 各部门对GIS互操作有迫切的需要。首先是解决对基础数据的共享问题。各部门对建立的GIS应用系统，在有限的经济条件下，更着眼于本部门专业信息及模型的开发，而对基础数据及其他专业数据通过有偿共享而获得。其次，GIS的应用部门对综合和集成有较强的要求，特别是社会发展、经济发展走向一体化，以及可持续发展的要求，需要多学科、多部门的协作。第三，GIS正走向社会化，融于主流的信息技术，成为信息社会和信息基础设施的重要组成部分。如果GIS缺乏互操作性，这些就不可能实现。 互操作应包括哪些内容？以下是GIS互操作的几个定义。 “互操作地理信息处理”（Interoperable geoprocessing）是指数字系统的这些能力：①自由地交换所有关于地球的信息，即所有关于地表上的、空中的、地球表面以下的对象和现象的信息；②通过网络协作运行能够操作这些信息的软件。概括为自由交换地理空间信息以及协作运行空间信息处理的软件。 所谓互操作，就是指异构环境下两个或两个以上的实体，尽管它们实现的语言、执行的环境和基于的模型不同，但它们可以相互通信和协作，以完成某一特定任务。这些实体包括程序、对象、系统运行环境等。 互操作在软件工业中意味着界面的开放。内部数据结构的公开发表允许GIS用户从不同的开发者那里集成软件构件，允许新的软件厂商用可竞争的产品进入市场，并可与已存在的构件互换。互操作也意味着系统间的自由数据交换，交换标准如空间数据转换标准（SDTS）对系统间的数据转换有重要的作用。 互操作方面的进步将由易用性来度量，由完成某一任务所需要的培训来表示。 （2）GIS互操作现状。 ——GIS互操作实现的方法之一：OpenGIS规范。为了发展地理信息的互操作技术，一方面要面向未来，着眼于新技术的应用和新型信息的处理，例如地理空间技术与多媒体技术的复合；另一方面也要照顾到传统GIS的技术积累。这就要求作为异构GIS系统之间互操作标准的规程不但应成为互操作的桥梁，而且还应构成GIS传统技术与未来技术之间沟通的桥梁。OGC制定的OpenGIS规范就是为了满足GIS互操作需要而制定的。 通过这种规范的制定，OGC为软件开发者提供了一个统一的设计和开发软件工具的框架，它使得用户能在分布式计算平台的网络环境下获取地理数据，由于采用了开放式技术来开发地理数据处理和服务工具，从而使得用户和不同的信息群在Internet和Intranet中能灵活地进行地理数据及处理的互操作。这种思路和方法给地理空间技术带来一个全新的变化，用数据、系统和机构之间的具有互操作的地学处理代替了传统的孤立的地理信息技术，使得可以在数据库转换中保持数据的语义或尽可能地减少数据语义的丢失。 ——可行的实现GIS互操作的方法。在选择互操作的实现方法时，所要掌握的一个原则是所有涉及地理数据和处理的机构必须能持久地维护和更新它们各自所拥有的GIS技术，并能使这些技术不断增值。这意味着在选择实现方法时必须对下列问题做出评估： ·地理数据的可用性和兼容性； ·所使用的地学处理系统的功能和可互操作性； ·承担地学服务的机构的灵活性和创新性。 很显然，传统的孤立的地学处理系统不但费用昂贵，而且它们使用各自所独有的接口界面，以致于很难通用。由于这种不灵活性和不兼容性的接口使得互操作在实现时非常艰难。 因而，构件技术用于实现互操作是当前可行的方法。用新的互操作构件代替部分传统的GIS。通过这种方法，新的构件以逐渐替代旧的孤立的系统，并改进新的客户端、新的服务体系结构和新的服务器功能。经过一步一步统一的过程，OpenGIS规范将被实现，从而能设计出关于开放式地学处理系统的综合软件体系结构。
中财网