數(shù)字邊界中地理空間元數(shù)據(jù)體系框架設(shè)計

趙軍喜，華一新，張亞軍

一、引 言

我國邊界形勢十分復(fù)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(wù)，它直接影響到我國的主權(quán)和領(lǐng)土完整、民族團結(jié)及邊境地區(qū)的經(jīng)濟建設(shè)、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(shù)用于陸地邊界業(yè)務(wù)工作，并以邊界地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，以劃界、勘界、聯(lián)檢等系統(tǒng)為核心，實現(xiàn)了我國陸地邊界海量數(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)準和統(tǒng)一的規(guī)劃設(shè)計，不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)資源難以共享，不能滿足對邊界信息管理和應(yīng)用的需要。

數(shù)字邊界工程建設(shè)，是要實現(xiàn)各種邊界信息的快速獲取和綜合管理，實現(xiàn)不同部門間邊界信息的集成與信息共享，實現(xiàn)基于邊界信息應(yīng)用的綜合分析和輔助決策，為邊界信息的有效應(yīng)用提供數(shù)據(jù)資源和信息系統(tǒng)的保障。數(shù)字邊界工程建設(shè)的一個主要目標(biāo)就是要按照統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準，采集和整合各種邊界信息資源，設(shè)計建立數(shù)字邊界數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)各種邊界資料的信息化管理與數(shù)據(jù)共享。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，其中所需要的一項技術(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，也是數(shù)字地球建設(shè)能否走向成功和實用的關(guān)鍵［3］。同樣，數(shù)字邊界中的地理空間元數(shù)據(jù)技術(shù)也是數(shù)字邊界工程建設(shè)能否最終成功的關(guān)鍵。

數(shù)字邊界的元數(shù)據(jù)，按照應(yīng)用領(lǐng)域進行分類應(yīng)該隸屬于領(lǐng)域?qū)Ｓ迷獢?shù)據(jù)。目前，在數(shù)字邊界領(lǐng)域進行的元數(shù)據(jù)研究還不多見，它是根據(jù)數(shù)字邊界工程建設(shè)的特點制定的，并用于數(shù)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(shù)據(jù)和領(lǐng)域元數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行擴展后建立起來的［4］。其中，共享元數(shù)據(jù)是眾多領(lǐng)域元數(shù)據(jù)內(nèi)容的一個統(tǒng)一的框架（如ISO/TC 211的“地理信息元數(shù)據(jù)”、我國的“地理信息元數(shù)據(jù)”等），并用于指導(dǎo)各個領(lǐng)域制定各自的元數(shù)據(jù)；領(lǐng)域元數(shù)據(jù)是根據(jù)各自領(lǐng)域數(shù)據(jù)資源的特點，在共享元數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上確定各領(lǐng)域元數(shù)據(jù)的內(nèi)容框架（如“基礎(chǔ)地理信息數(shù)字產(chǎn)品元數(shù)據(jù)”等）。目前已有的各種元數(shù)據(jù)標(biāo)準，大部分是針對共享元數(shù)據(jù)和領(lǐng)域元數(shù)據(jù)制定的，而針對數(shù)字邊界這個具體項目還沒有相應(yīng)的領(lǐng)域?qū)Ｓ迷獢?shù)據(jù)標(biāo)準。本文針對數(shù)字邊界工程中地理空間數(shù)據(jù)的復(fù)雜性、多樣性等特點，研究面向數(shù)字邊界的、更容易被多數(shù)用戶接受和使用的、多層次的地理空間元數(shù)據(jù)體系框架。

二、數(shù)字邊界中地理空間數(shù)據(jù)的類型及特點

要進行數(shù)字邊界中地理空間元數(shù)據(jù)體系框架設(shè)計，首先需要研究數(shù)字邊界中地理空間數(shù)據(jù)的類型及其特點。

1.邊界數(shù)據(jù)類型

數(shù)字邊界是一項巨大的數(shù)字工程，其邊界資料和數(shù)據(jù)十分豐富。新中國成立60多年來，長期的談判、劃界、勘界、聯(lián)檢及日常邊界管理工作積累了大量與邊界管理有關(guān)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(guān)資料、界樁成果、照片、各種協(xié)定，以及聯(lián)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(guān)國界資料數(shù)字化和應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)過程中也積累了大量的邊界數(shù)據(jù)。這些已有的數(shù)據(jù)構(gòu)成了數(shù)字邊界的數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)［5］。

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

1）數(shù)字矢量地圖:是邊界基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫的最主要組成部分，覆蓋各條邊界所有區(qū)域，包括道路、河流、居民地、交通、等高線等基礎(chǔ)地理信息。

2）數(shù)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(qū)、爭議多發(fā)地區(qū)的柵格掃描地圖和界樁略圖、島嶼沙洲略圖。

3）數(shù)字影像地圖:重點地區(qū)、爭議多發(fā)地區(qū)高分辨率數(shù)字影像地圖。

4）數(shù)字高程模型:覆蓋沿邊界5 km條帶范圍及邊境部分重點區(qū)域。

2.邊界數(shù)據(jù)特點

對邊界基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)內(nèi)容進行分析，可以看出數(shù)字邊界的地理空間數(shù)據(jù)具有如下特點:

1）地理空間數(shù)據(jù)種類繁多。包括周邊國家、邊境省區(qū)的矢量地圖、柵格地圖、數(shù)字高程模型、數(shù)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(shù)據(jù)形式多樣。數(shù)字邊界中地理空間數(shù)據(jù)的形式有數(shù)字矢量地圖（DLG）、數(shù)字柵格地圖（DRG）、數(shù)字影像地圖（DOM）、數(shù)字高程模型（DEM）。

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

4）地理空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)尺度多。數(shù)字邊界中的地理空間數(shù)據(jù)涉及多個數(shù)據(jù)尺度［8］:1∶3500萬（全國范圍總圖，覆蓋區(qū)域包括全國、周邊國家）、1∶400萬（各個界段的總圖，覆蓋區(qū)域包括邊境省區(qū)）、1∶25 萬（特殊地區(qū)用圖）、1∶5 萬（覆蓋區(qū)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(qū)）。

5）地理空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量巨大。數(shù)字邊界的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)體系框架

1.體系框架設(shè)計原則

依據(jù)“數(shù)字邊界”中地理空間數(shù)據(jù)的內(nèi)容及其特點，在設(shè)計數(shù)字邊界地理空間元數(shù)據(jù)體系框架時遵循了以下原則:

1）體系框架要與數(shù)字邊界中地理空間數(shù)據(jù)的體系框架總體上保持一致。

2）根據(jù)數(shù)字邊界中地理空間數(shù)據(jù)按界段進行組織的方式，地理空間元數(shù)據(jù)的組織方式也可以按界段進行組織。

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放在數(shù)據(jù)集，即邊界圖幅數(shù)據(jù)。

5）考慮數(shù)字邊界的應(yīng)用需求，元數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容重點是對數(shù)據(jù)質(zhì)量信息、數(shù)據(jù)表示信息、內(nèi)容信息等幾個元數(shù)據(jù)子集的內(nèi)容選取和擴充。

6）各個地理空間元數(shù)據(jù)子集的內(nèi)容選擇上，以滿足數(shù)字邊界應(yīng)用為前提，力求簡單，不要過于復(fù)雜。

7）在制定地理空間元數(shù)據(jù)標(biāo)準的數(shù)據(jù)內(nèi)容時，要遵循和參考現(xiàn)有的國家標(biāo)準和領(lǐng)域行業(yè)標(biāo)準，并針對數(shù)字邊界工程建設(shè)的特點進行修改和擴充。

2.元數(shù)據(jù)體系框架

按照以上設(shè)計原則，數(shù)字邊界中地理空間元數(shù)據(jù)體系框架設(shè)計如圖1所示。體系框架是對數(shù)字邊界所有地理空間元數(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)成一個有機的整體［9］。這個體系框架的特點如下:

1）根據(jù)地理空間元數(shù)據(jù)描述對象的差異，分成3個大的類別:

a.數(shù)據(jù)庫元數(shù)據(jù)。又可以稱為數(shù)字邊界的全局元數(shù)據(jù)，是對數(shù)字邊界地理空間數(shù)據(jù)庫的描述信息，包括數(shù)據(jù)庫的名稱、數(shù)據(jù)庫的標(biāo)識、數(shù)據(jù)庫內(nèi)容描述、數(shù)據(jù)庫訪問方法、數(shù)據(jù)庫更新日期等。

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)，是對某條界段的描述信息，包括界段的名稱、標(biāo)識、空間范圍、包含的圖幅個數(shù)等。

圖1 地理空間元數(shù)據(jù)體系框架

c.數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù):又可以稱為圖幅元數(shù)據(jù)，是對具體某個圖幅的描述信息，包括數(shù)據(jù)集的標(biāo)識、質(zhì)量、表示、參照系、內(nèi)容等。

2）體系框架中的重點是數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)（即圖幅元數(shù)據(jù)），它是數(shù)字邊界中地理空間元數(shù)據(jù)描述的重點內(nèi)容。

3）從應(yīng)用層次上考慮，數(shù)字邊界地理空間元數(shù)據(jù)分為兩個層次:

a.核心元數(shù)據(jù)（即一級元數(shù)據(jù)）。是標(biāo)識一個數(shù)據(jù)集所需要的最少的元數(shù)據(jù)實體和元素，核心元數(shù)據(jù)不再細分子集。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)實體和元素，通常又細分為若干子集。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、評價、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，通過對完全元數(shù)據(jù)的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)字邊界地理空間數(shù)據(jù)的形式對應(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，也包括標(biāo)識信息、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)準的數(shù)據(jù)內(nèi)容有很多是相同的（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，通過選取、融合得到的，可以進一步細分為核心元數(shù)據(jù)和完全元數(shù)據(jù)。

9）數(shù)據(jù)庫元數(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，通過選取、融合得到的，也可以進一步細分為核心元數(shù)據(jù)和完全元數(shù)據(jù)。

四、結(jié)束語

數(shù)字邊界中的地理空間元數(shù)據(jù)，是在已有的共享元數(shù)據(jù)和領(lǐng)域元數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立的一種領(lǐng)域?qū)Ｓ迷獢?shù)據(jù)，為了確定它的各級元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，首先要確定整個數(shù)字邊界中的地理空間元數(shù)據(jù)體系框架。本文在分析研究邊界數(shù)據(jù)類型和特點的基礎(chǔ)上，設(shè)計了地理空間元數(shù)據(jù)的體系框架，對數(shù)字邊界工程的元數(shù)據(jù)進行了分類和分層的描述，為下一步確定各級元數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 劉合輝，張毅，曹一冰.輔助邊界談判劃界子系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)［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(tǒng)的設(shè)計與應(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:The OpenGIS Consortium，1998.

［4］ SDS/T 2111—2004，元數(shù)據(jù)標(biāo)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(shè)計“境界信息系統(tǒng)”，GIS的設(shè)計、開發(fā)與應(yīng)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(tǒng)公眾版的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.測繪通報，2008（8）:56-59.

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

［8］ 郭奎.邊界信息系統(tǒng)地理空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)［D］.鄭州:信息工程大學(xué)，2006.

［9］ 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)，2008.