地理空間元數(shù)據(jù)框架研究

馬海燕 肖瑜

摘 要：我國地理空間元數(shù)據(jù)理論研究相對落后，與西方發(fā)達(dá)國家存在一定差距。由于地理空間元數(shù)據(jù)的發(fā)展時間較短，沒有系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，在理念上還沒有得到應(yīng)用領(lǐng)域的普遍認(rèn)可，因此存在應(yīng)用零散、不成體系的現(xiàn)象。地理空間元數(shù)據(jù)的理論問題，是研究制定地理空間元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)，是對地理空間元數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)。該文以地理空間元數(shù)據(jù)的框架為研究對象，論文首先分析了地理空間元數(shù)據(jù)的研究現(xiàn)狀，進(jìn)而詳細(xì)探討了地理空間元數(shù)據(jù)的框架，包括地理現(xiàn)象的抽象過程和理論體系的研究框架，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：地理空間 元數(shù)據(jù) 框架 體系

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（c）-0039-02

隨著GIS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)生產(chǎn)者實(shí)現(xiàn)了對海量的地理空間數(shù)據(jù)管理，通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布地理空間元數(shù)據(jù)以方便用戶的查詢，而數(shù)據(jù)用戶也可以通過查詢檢索地理空間元數(shù)據(jù)，以獲取、瀏覽、查詢相應(yīng)的地理空間數(shù)據(jù)集。

1 地理空間元數(shù)據(jù)理論研究現(xiàn)狀和分析

1.1 元數(shù)據(jù)理論研究現(xiàn)狀

我國地理空間元數(shù)據(jù)理論研究相對落后，與西方發(fā)達(dá)國家存在一定差距。由于地理空間元數(shù)據(jù)的發(fā)展時間較短，沒有系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，在理念上還沒有得到應(yīng)用領(lǐng)域的普遍認(rèn)可，因此存在應(yīng)用零散、不成體系的現(xiàn)象。研究地理空間元數(shù)據(jù)的理論主要包括地理信息的模型建立理論、表示理論、空間參照系理論、質(zhì)量體系理論以及計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)等方面的理論，它們是元數(shù)據(jù)理論體系依賴的基礎(chǔ)。

（1）地理信息模型建立理論。在對地理空間元數(shù)據(jù)認(rèn)識和了解之前，需要對地理現(xiàn)象的抽象過程有明確的理解，即對地理信息的模型建立過程和地理要素之間的關(guān)系有一個總體的了解。對地理信息建立模型的過程，也是對地理信息的認(rèn)知過程。（2）地理信息表示方法。不同的地理信息可以有不同的表示方法，矢量地理信息、柵格地理信息、數(shù)字高程模型等不同地理信息的表示方法差別很大。在用元數(shù)據(jù)描述地理信息的表示方法時，也要分別采用不同的元數(shù)據(jù)元素。（3）地理信息空間參照系理論?？臻g參照系是地理信息的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，因此必須對它進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，這樣用戶才能正確地理解地理信息。（4）地理信息質(zhì)量體系理論。用戶可以根據(jù)地理數(shù)據(jù)集的質(zhì)量信息，來判斷該數(shù)據(jù)集是否滿足特定的需求。地理數(shù)據(jù)集的質(zhì)量信息主要包括數(shù)據(jù)的位置精度、屬性精度、邏輯一致性、完整性、時間精度等，這些都是要在地理空間元數(shù)據(jù)中說明的。（5）計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)理論。地理空間元數(shù)據(jù)的形成與計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)等領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)理論有一定的作用關(guān)系，例如數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對地理信息傳輸質(zhì)量有一定的影響。

1.2 現(xiàn)狀分析

以上理論涉及地理空間元數(shù)據(jù)研究的一些方面，但還不是很完善，沒有總結(jié)出從現(xiàn)實(shí)世界的地理對象到地理空間數(shù)據(jù)再到地理空間元數(shù)據(jù)，這一系列抽象過程涉及到的基本理論。而且，上述理論是作為一些分散的理論提出，沒有一個體系框架來指導(dǎo)和約束，使得整個理論體系缺乏整體性、層次性、關(guān)聯(lián)性和開放性。整體性是建立理論體系首先要考慮的因素。所謂整體性是指地理空間元數(shù)據(jù)理論體系的各個部分是一個有機(jī)的整體。在這個整體中，一方面各個部分都有自己的“目標(biāo)”，另一方面各個部分又在實(shí)現(xiàn)體系整體的“目標(biāo)”中充當(dāng)著不可或缺的角色。層次性是指地理空間元數(shù)據(jù)理論體系內(nèi)部是由幾個部分的理論組成的，各個部分又包括一些更小的部分或研究方向。關(guān)聯(lián)性是指構(gòu)成理論體系的各個層次之間存在相互影響、相互作用、相互制約的聯(lián)系，這種關(guān)聯(lián)給出了理論體系的結(jié)構(gòu)框架，同時也決定整個理論體系的機(jī)制。開放性是指隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，地理空間元數(shù)據(jù)的研究會在更廣闊的范圍內(nèi)和更深的層次上吸取現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的最新成果，并在更廣闊的領(lǐng)域和更高的層次上充分發(fā)揮地理空間元數(shù)據(jù)的功能和作用。

2 地理空間元數(shù)據(jù)理論體系的研究框架

地理空間數(shù)據(jù)是對客觀現(xiàn)實(shí)世界的抽象和模擬，即人們通過地理空間數(shù)據(jù)所建立起來的模型來認(rèn)識和了解客觀現(xiàn)實(shí)世界。而數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)——元數(shù)據(jù)，是對地理空間數(shù)據(jù)的進(jìn)一步抽象描述，因此可以通過地理空間元數(shù)據(jù)模型來認(rèn)識和了解地理空間數(shù)據(jù)。必須首先明確這個抽象和模擬的過程，即對地理現(xiàn)象的抽象過程，才可以建立一個地理空間元數(shù)據(jù)理論體系的研究框架。

2.1 地理現(xiàn)象的抽象過程

地理現(xiàn)象的抽象過程比較復(fù)雜，隨著認(rèn)識方法、手段等的差異，不同的人對地理現(xiàn)象的認(rèn)識結(jié)果可能有明顯的不同。OGC認(rèn)為地理現(xiàn)象的抽象過程可以分為9個層次（見圖1），這9個層次之間通過8個接口相互連接，通過這種9層模型實(shí)現(xiàn)了由現(xiàn)實(shí)世界到地理要素集合世界的抽象和轉(zhuǎn)換。

這種9層模型看起來有點(diǎn)復(fù)雜，不夠概括和精煉，也沒有描述從地理空間數(shù)據(jù)到地理空間元數(shù)據(jù)的抽象過程。本文用四層次空間的劃分來對地理現(xiàn)象進(jìn)行抽象（見圖2）?，F(xiàn)實(shí)空間是指由自然界的事物或現(xiàn)象形成的一種空間形式，空間中的這些事物或現(xiàn)象是真實(shí)存在的，正是由這些事物或現(xiàn)象及其相互之間的關(guān)系才構(gòu)成了現(xiàn)實(shí)世界，這是地理空間信息的獲取基礎(chǔ)，也是進(jìn)行空間認(rèn)知的基礎(chǔ)。概念空間是用自然語言來表達(dá)的一種空間形式，是人們?yōu)榱吮阌诙x對現(xiàn)實(shí)空間的認(rèn)識結(jié)果，而用自然語言描述的空間對象概念。概念空間是用自然語言表達(dá)的世界，人們對所了解并認(rèn)識的事物或現(xiàn)象進(jìn)行命名，這些命名的事物或現(xiàn)象構(gòu)成了“語言的世界”。概念空間的存在是由現(xiàn)實(shí)空間的存在決定的。地理空間則是用地理學(xué)語言來表達(dá)事物和現(xiàn)象的空間分布和非空間屬性的一種空間形式，通常認(rèn)為地圖是地理學(xué)的第二語言，GIS是地理學(xué)的第三語言。地理學(xué)語言可以是地圖投影、地圖符號系統(tǒng)、地圖注記、制圖綜合等，在該空間中重點(diǎn)研究的是地理數(shù)據(jù)模型。元空間是本文提出的一個新名詞，指的是用地理空間元數(shù)據(jù)來描述地理數(shù)據(jù)模型的內(nèi)容、質(zhì)量、參照系、格式等屬性的一種空間表示形式，在該空間中重點(diǎn)研究的是元數(shù)據(jù)模型。

2.2 理論體系的研究框架

根據(jù)對地理現(xiàn)象抽象過程的四層次空間劃分，該文提出了一個地理空間元數(shù)據(jù)理論體系的研究框架。在該理論體系研究框架中，空間認(rèn)知過程是始終一直存在的，其著重研究地理現(xiàn)象抽象過程不同階段的認(rèn)知問題，研究成果能夠從根本上指導(dǎo)地理空間元數(shù)據(jù)的研究?？臻g認(rèn)知的結(jié)果需要通過信息傳輸才能夠在理論體系框架的四層次空間中進(jìn)行傳遞和反饋，4個空間的交替過程也是通過它實(shí)現(xiàn)的。所以通常認(rèn)為空間認(rèn)知理論與信息傳輸理論是屬于研究框架的第一層面。概念空間的表示是研究概念空間中各種概念的內(nèi)涵和外延，從而科學(xué)地確定那些最符合空間認(rèn)知結(jié)果的空間概念，屬于研究框架的第二層面。地理信息的表示和地理信息的空間關(guān)系屬于研究框架的第三層面，其研究成果主要用于正確地描述地理信息及其相互關(guān)系?？臻g參照系理論、質(zhì)量體系理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)是理論體系研究框架的第四層面，其研究成果直接用于地理空間元數(shù)據(jù)，可以直接指導(dǎo)地理空間元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建立和元數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、元數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

把與研究地理空間元數(shù)據(jù)相關(guān)的若干理論，統(tǒng)一地放在該框架下，用這個研究框架來對這些理論進(jìn)行指導(dǎo)和約束，就使得整個地理空間元數(shù)據(jù)理論體系具備了整體性、層次性、關(guān)聯(lián)性和開放性。

（1）在該框架下研究地理空間元數(shù)據(jù)理論體系，就使得這些分散的理論具有良好的整體性。（2）在該框架下研究地理空間元數(shù)據(jù)理論體系，具有良好的層次性。根據(jù)對地理現(xiàn)象抽象過程的四層次空間劃分，可以看出地理空間元數(shù)據(jù)理論體系內(nèi)部又由4個部分的理論組成，各個部分又包括其他更小的部分。（3）在該框架下研究地理空間元數(shù)據(jù)理論體系，具有良好的關(guān)聯(lián)性。根據(jù)圖2中元數(shù)據(jù)模型的生成過程，可以看出構(gòu)成地理空間元數(shù)據(jù)理論體系的各個層次之間存在著相互影響、相互作用、相互制約的聯(lián)系。（4）在該框架下研究地理空間元數(shù)據(jù)理論體系，具有良好的開放性。

3 結(jié)語

地理空間元數(shù)據(jù)的理論問題，是研究制定地理空間元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)，是對地理空間元數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)。能夠用來進(jìn)行地理空間元數(shù)據(jù)研究的理論很多，為了理清各個理論對地理空間元數(shù)據(jù)的作用及其這些理論相互之間的關(guān)系，建立地理空間元數(shù)據(jù)理論體系的研究框架，以指導(dǎo)地理空間元數(shù)據(jù)的理論研究。對于這個框架下各個理論的具體研究內(nèi)容，還需要進(jìn)一步深入地探討。

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