城市空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的共享技術(shù)研究

1、城市空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的共享技術(shù)研究石鵬飛摘要：城市空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施（USDI）是“數(shù)字城市”建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該文分析了城市地理空間數(shù)據(jù)的應(yīng)用特點(diǎn)及目前地理空間數(shù)據(jù)共享存在的問題，圍繞地理空間數(shù)據(jù)共享與互操作，從機(jī)構(gòu)體系、空間數(shù)據(jù)資源、政策法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)體系、數(shù)據(jù)交換與服務(wù)體系等方面，對城市空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行研究。關(guān)鍵詞：空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施；數(shù)字城市；空間數(shù)據(jù)共享當(dāng)前，數(shù)字城市受到廣泛的關(guān)注，許多城市都在積極規(guī)劃和建設(shè)各自的數(shù)字城市。城市數(shù)據(jù)中與空間相關(guān)的約占總量的75%以上，對這些數(shù)據(jù)來說，屬性、空間、時(shí)間三個(gè)要素是不能缺少的基本特征，表明“數(shù)字城市”建設(shè)對空間信息資源共享的實(shí)際需求，也表明以時(shí)空

2、框架整合多源、異構(gòu)、多時(shí)相、多類型的數(shù)據(jù)是組織管理城市海量數(shù)據(jù)的最好方式。1 城市地理空間數(shù)據(jù)的應(yīng)用特點(diǎn)城市地理空間數(shù)據(jù)具有的應(yīng)用特點(diǎn)：1）共享性強(qiáng)?；贗nternet / Intranet 的分布式GIS 用戶，雖然應(yīng)用目的不盡相同，但他們的工作需要具有公共的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。2）數(shù)據(jù)類型的多樣性和服務(wù)對象的多層性。城市數(shù)據(jù)包含了地理要素和資源、環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)等多類型的數(shù)據(jù)，在時(shí)間上是多時(shí)相，結(jié)構(gòu)上多層次，性質(zhì)上又有“空間定位”和“屬性”之分，既有以圖形為主的矢量數(shù)據(jù)和以遙感為源的柵格數(shù)據(jù)，又有關(guān)系型的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，還有聲音、影像等多媒體數(shù)據(jù)，因此必須對數(shù)據(jù)模型提出特殊要求。在服務(wù)對象方面，既要考慮對

3、單一類型數(shù)據(jù)的需求，又要滿足用戶多源數(shù)據(jù)集成與融合的需要，因此，空間數(shù)據(jù)在服務(wù)對象的多層性上有很高的要求。3）精度高、現(xiàn)勢性強(qiáng)。從特定角度看，城市空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施（USDI）面對的是大比例尺地學(xué)中的應(yīng)用，其精度要求甚高，另外城市化進(jìn)程和城市發(fā)展加快，對信息更新的時(shí)效性要求也隨之提高，必須保持?jǐn)?shù)據(jù)良好的現(xiàn)勢性。4）嚴(yán)格的層次結(jié)構(gòu)和高度統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。城市的職能部門很多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此USDI 從數(shù)據(jù)生產(chǎn)到數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)，在層次結(jié)構(gòu)和建設(shè)順序上均有嚴(yán)格要求。且在信息標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)上必須有一整套規(guī)范，以確?？臻g信息共享和系統(tǒng)兼容。2 我國城市地理空間數(shù)據(jù)共享存在的問題地理空間數(shù)據(jù)共享，是指地

4、理空間數(shù)據(jù)的社會化應(yīng)用，就是數(shù)據(jù)生產(chǎn)部門、用戶和數(shù)據(jù)經(jīng)銷部門之間以一種規(guī)范化、穩(wěn)定、合理的關(guān)系使用地理空間數(shù)據(jù)及相關(guān)服務(wù)機(jī)制。地理空間數(shù)據(jù)的共享，深受信息相關(guān)技術(shù)的發(fā)展水平、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究及其所制定的各種法規(guī)保障制度的制約。高質(zhì)量、可共享的空間數(shù)據(jù)是數(shù)字城市建設(shè)和應(yīng)用的瓶頸。目前，我國城市信息化建設(shè)受到信息資源共享的制約，存在問題有：1）城市內(nèi)各部門信息化建設(shè)發(fā)展不平衡，由于缺少空間信息資源體系支撐，相當(dāng)一部分職能部門還處在低級建設(shè)和應(yīng)用階段，仍然存在“信息荒島”。2）雖然網(wǎng)絡(luò)上空間信息資源在不斷增長，但由于行業(yè)管理和數(shù)據(jù)安全等原因，這些資源各自獨(dú)立、相互屏蔽、條塊分割、缺乏基本的共享機(jī)制，無

5、法實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域、跨部門、跨應(yīng)用的信息資源共享，也無法實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市資源的集成。這些資源基本上仍然是信息孤島。3）城市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫建庫成本高，使得城市空間信息資源嚴(yán)重缺乏；數(shù)據(jù)種類比較單調(diào)，現(xiàn)勢性較差，可用性低。4）城市空間數(shù)據(jù)建設(shè)的重復(fù)性、無序性和低效性的矛盾十分突出。5）標(biāo)準(zhǔn)化程度低，空間信息通常具有比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，不同GIS產(chǎn)品采用不同的數(shù)據(jù)模型來描述空間信息，由于GIS產(chǎn)品在服務(wù)接口上的各異性和局限性，很難滿足基于網(wǎng)絡(luò)空間信息互操作的需求。3 城市空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施及其構(gòu)成以上問題的解決辦法和途徑就是建設(shè)USDI。USDI 是實(shí)現(xiàn)空間信息共享的基本保障，它提供數(shù)據(jù)獲取、訪問及使用兼容的空間數(shù)

6、據(jù)的最佳途徑，僅通過協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，使得用戶能夠容易地發(fā)現(xiàn)、獲取、使用和共享空間信息，通過對多種空間信息集成降低成本，免除因重復(fù)采集空間數(shù)據(jù)和開發(fā)用于發(fā)現(xiàn)、交換和使用這些數(shù)據(jù)的軟件而造成的巨大浪費(fèi)?？臻g數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施主要由機(jī)構(gòu)體系、標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)集以及空間數(shù)據(jù)交換與服務(wù)網(wǎng)絡(luò)組成。3.1 USDI 的功能USDI 是國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的延伸和重要組成部分，它能夠滿足空間數(shù)據(jù)高速傳輸、網(wǎng)絡(luò)集成應(yīng)用和信息服務(wù)的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。其基本功能有：1）具備處理和管理海量、多維空間信息的地理空間信息系統(tǒng)軟件和發(fā)布、傳輸海量空間數(shù)據(jù)的寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來支持空間數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享和互操作；2）依托共同的地理空間定位數(shù)據(jù)框架進(jìn)

7、行建設(shè)，滿足空間信息地理上分區(qū)、層次上分級、專業(yè)上分類處理和綜合集成的需要；3）滿足多層次用戶廣泛、多樣的網(wǎng)絡(luò)集成應(yīng)用需求，支持分布式異構(gòu)空間信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)范化共享。在物理上是一個(gè)跨部門、跨地區(qū)、多專業(yè)、多層次、分布式的區(qū)域開放系統(tǒng)。既能支持宏觀用戶，也能支持更普遍的微觀用戶，特別是支持“電子商務(wù)”的物流配送。3.2 機(jī)構(gòu)體系USDI 是一個(gè)開放的、復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及面非常廣泛，部門間利益的不平衡將會影響USDI 的建設(shè)，因此需要采取一系列的有效組織措施。建設(shè)USDI應(yīng)該擺正政府的位置，正確運(yùn)用市場機(jī)制，在建設(shè)過程中政府要起引導(dǎo)作用，同時(shí)要調(diào)動市場各方的積極性。首先成立政府主要領(lǐng)導(dǎo)負(fù)責(zé)的權(quán)

8、威空間數(shù)據(jù)和地理信息協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)，包括從事數(shù)據(jù)獲取和加工的骨干生產(chǎn)組織；專門從事空間數(shù)據(jù)維護(hù)和提供的單位。這個(gè)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)行政和技術(shù)實(shí)施方案的制定，招標(biāo)工作、工程方案的落實(shí)，監(jiān)督工程質(zhì)量和工程進(jìn)度。其次，USDI 具體建設(shè)、管理、維護(hù)、更新工作應(yīng)交給公司負(fù)責(zé)，即把原來從屬于各部門的空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)單位剝離出來，脫離政府、事業(yè)單位序列，成立城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集團(tuán)公司，同時(shí)還需要成立空間數(shù)據(jù)分發(fā)與服務(wù)中心，以最大限度地發(fā)揮地理空間框架數(shù)據(jù)的作用。3.3 空間數(shù)據(jù)資源體系USDI 空間數(shù)據(jù)資源包括框架數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)以及空間元數(shù)據(jù)。重點(diǎn)需要研究的是框架數(shù)據(jù)和地理空間元數(shù)據(jù)?？蚣軘?shù)據(jù)不僅提供有關(guān)自然、人文、經(jīng)濟(jì)、

9、環(huán)境等要素的幾何位置、形態(tài)特征和相關(guān)關(guān)系，而且為定位、嵌入或配準(zhǔn)各類圖形、圖像、文本、視頻、音頻信息提供了二維或三維空間載體，使用戶能夠按照地理坐標(biāo)或空間位置集成、檢索、展示所關(guān)心的自然、社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境信息，進(jìn)行空間分布特征、運(yùn)行狀態(tài)、變化態(tài)勢等的分析模擬?？蚣軘?shù)據(jù)對所有用戶應(yīng)該免費(fèi)共享或酌情收取少許成本費(fèi)?？蚣軘?shù)據(jù)的選擇以適度反映自然景觀與人文景觀的復(fù)雜性及其基本特征為準(zhǔn)則。城市空間框架數(shù)據(jù)除了我國國家地理空間框架數(shù)據(jù)所涵蓋的DOM、DEM、行政邊界、居民地、道路、水系以及大地控制點(diǎn)和地名、土地覆蓋的內(nèi)容外，還應(yīng)包括城市地籍、房產(chǎn)、規(guī)劃（包括規(guī)劃紅線、藍(lán)線和綠線）、三維建筑模型和地址編碼等

10、。 地理空間數(shù)據(jù)在這里指與空間相關(guān)的非框架數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括自然資源數(shù)據(jù)（例如土壤、植被、水資源、礦產(chǎn)資源）；能源數(shù)據(jù)；生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)；公用設(shè)施數(shù)據(jù)；人口數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等?？臻g元數(shù)據(jù)描述了數(shù)據(jù)的內(nèi)容、質(zhì)量、情況和其他特性，可以幫助用戶定位、理解和使用空間數(shù)據(jù)。3.4 政策、法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)體系為了解決USDI 建設(shè)和運(yùn)營中可能發(fā)生的條塊分割、各自為政、無序建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)不一、資源封閉、相互扯皮等問題，最大限度減少人為干擾因素和協(xié)調(diào)難度，必須加強(qiáng)政策法規(guī)體系的建設(shè)，從項(xiàng)目一開始就要確保建設(shè)的可持續(xù)性、規(guī)范化行為、減少摩擦、提高效率、保證共享。政策法規(guī)主要包括數(shù)據(jù)管理和工程管理等方面的政策法規(guī)。制定數(shù)據(jù)政

11、策的原則應(yīng)是促進(jìn)城市空間數(shù)據(jù)的公開，發(fā)展基于數(shù)據(jù)的服務(wù)。國內(nèi)對空間數(shù)據(jù)政策的理論已經(jīng)進(jìn)行了一些卓有成效的研究，當(dāng)前有必要結(jié)合城市的特點(diǎn)，盡快制定相應(yīng)的政策法規(guī)并頒布實(shí)施?？臻g數(shù)據(jù)共享的標(biāo)準(zhǔn)化貫穿在空間數(shù)據(jù)采集、處理、分發(fā)、傳輸、應(yīng)用的全過程。國外地理信息標(biāo)準(zhǔn)化工作大體可分為兩部分。一是對于已經(jīng)發(fā)布實(shí)施的信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以直接引用或者經(jīng)過修編采用。二是研制地理空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，包括數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)處理等方面的標(biāo)準(zhǔn)，是空間信息共享所特需的。根據(jù)空間數(shù)據(jù)與空間信息系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用的流程，城市空間信息標(biāo)準(zhǔn)體系（表1）可以分為：空間參照系及時(shí)間模式標(biāo)準(zhǔn)、空間元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)獲取標(biāo)準(zhǔn)、信息更新與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

12、、信息質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、信息分發(fā)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、公共信息服務(wù)平臺、空間信息系統(tǒng)建設(shè)和管理標(biāo)準(zhǔn)。3.5 空間數(shù)據(jù)交換與服務(wù)網(wǎng)絡(luò)空間數(shù)據(jù)交換與服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是USDI 的重要組成部分，其目的是最大限度地挖掘和發(fā)揮空間數(shù)據(jù)的效用，為政府、企業(yè)、社區(qū)和公眾提供高質(zhì)量的基于空間信息的服務(wù)。它包括作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的各種地理信息系統(tǒng)（含軟硬件，空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)）；數(shù)字化空間通訊網(wǎng)絡(luò)等。由于城市空間數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)性，以及分布式空間數(shù)據(jù)服務(wù)器和用戶端所采用的平臺很可能不同，因此需要建立對空間數(shù)據(jù)跨平臺的共享和互操作機(jī)制。XML 優(yōu)良的數(shù)據(jù)存儲格式，良好的可擴(kuò)展性，高度結(jié)構(gòu)化和方便的網(wǎng)絡(luò)傳輸，使得XML 可以作為用戶與數(shù)據(jù)源之間，甚至作為數(shù)據(jù)源之間交互的一種標(biāo)準(zhǔn)語言?；贕ML 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口和基于XML 的元數(shù)據(jù)表示層提供了空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的整合能力；提供了到GML 數(shù)據(jù)編碼的轉(zhuǎn)換接口；提供XML格式的目錄元數(shù)據(jù)及其管理的導(dǎo)航功能?；贕ML 數(shù)據(jù)表示層和XML 元數(shù)據(jù)表示層之上利用XML 的可擴(kuò)展性建立的各種層次