地理信息系统标准化的范畴与进展

一、GIS标准化的作用

　　随着GIS应用的扩大和数据的积累，GIS标准化已是十分必要。建立统一的GIS标准体系日趋迫切。然而，过去对这一问题的认识并非一致，有人认为标准只不过是为了那些技术跟随者们所制定的，它限制了人们的思想，阻碍研究与开发。甚至有人认为市场就是标准。这些观点不论是由于目光短浅或出自其它种种考虑，与GIS是一门综合信息技术和决策支持系统的特点大相径庭。

　　 标准化是GIS技术开发、系统建立与运行的一种重要机制。现在对这种机制的需要比以往任何时候都迫切。从技术的角度看，GIS标准化建立在计算机和信息处理等多种技术的标准之上，离开了这些标准，就无法开发最基本的系统。从应用的角度来看，一个成功的GIS系统在很大程度上依赖于数据和各种模块的综合与集成。GIS标准化是数据共享和系统集成的重要前提，是提高系统综合效益的心由之路。

　　数据采集和更新是建立GIS系统的一项最大的投资。在数据采集上，各国都花费大量的人力和物力，而在另一方面，大量的数据仍停留于满足某些单一的应用，没有被其他用户所共享，即现有的数据资源没有得到充分利用。当然，引起这一矛盾有多方面的原因，有技术或管理上的原因，或由于狭隘的地方主义所限制。然而，一个最为重要的原因是由于缺乏空间数据标准的一致性，缺少相互运行的机制。

　　标准化是GIS集成的前提。在内部，它可以增强GIS的内在综合能力，从而通过协调数据、软件和硬件之间的关系，使应用效率更高、更经济。在外部，可以通过数据管理、数据库管理、图形、硬件和软件的兼容性促进与其它GIS系统或信息系统的综合。所以，标准化可以增强GIS系统的功能、灵活性和效率，也使它易于推广应用。

　　采用GIS标准的好处是多方面的，在经济上，可以节省费用，提高效率和方便应用。有了标准，系统可以推广到多个部门和满足不同的用户，实现数据共享，从而减少数据采集费用。另一方面，有了标准可以使用户易于学习类似的系统，从而降低学习和培训费用。有了标准，可以大大缩短系统的测试周期，从而缩短了系统开发的总周期。也可以使系统开发者及早发现系统设计中的错误和减少设计中的同类错误。

GIS标准化的作用是多方面的，归结起来主要包括：

　　1、可移植性（portability）：为了获得在硬件、软件和系统上的综合投资效益，系统必须是可移植的，使所开发的应用模块和数据库能够在各种计算机平面上移植；

　　2、互操作性（interoperability）：一个大型信息系统，往往是一个由多种计算机平台组成的复杂网络系统，有了标准，可以促进用户从网络的不同节点上获取数据和实现各种应用。

　　3、可伸缩性（scalability）：为了适应不同的项目和应用阶段，有了标准，可以使软件以相同的用户界面在不同级别的计算机上运行。

　　4、通用环境（common application environment）：标准提供了一个通用的系统应用环境，如提供通用的用户界面和查询方法等。利用这个通用环境，用户可以减少在学习新系统上所花费的时间和提高生产效率。

　　另一方面，一个GIS标准的制定实际上是一项重大的技术进步。它为建立各种系统软件和硬件组成提供了标准界面，也为检测各部分功能的正确性提供了机会。所以标准被认为是系统开发和集成的一个最好的指南。

二、GIS标准化的内容

　　GIS标准化包括各种GIS标准（或标准体系）和标准的制定，它是一个综合而复杂的概念，内容广泛，涉及几乎所有与GIS相关的领域。狭义的标准化主要包括空间数据标准和信息技术标准两个方面，如数据、数据交换、数据库转换、图形、软件、硬件、通信等方面的标准。广义的标准化，其内容更为广泛，除以上两个方面外，还包括地理、算法、解译和行业标准等方面的内容。

　　国际上对GIS标准化的研究日益重视，但是至今没有一个完整的体系。现将GIS标准体系分为四大类，并做进一步讨论。

1、应用标准

　　GIS应用非常广泛，影响GIS标准的因素多种多样。在GIS的主要应用领域中，如土地管理、资源管理和城市规划等，均有各自的技术标准和规范，它们都是GIS 标准化的基础。当然，对应用领域影响最广泛者要算是测绘部门，即与地图相关，如空间要素的表达、地图规范和算法要求等，这些是进行空间要素处理的基础，又可以说是一种基础性标准。

　　Ａ、地理标准：主要指地图和空间数据表达方面的标准，它们主要涉及地图要素的位置和位置精度等，如地图比例尺、投影和图示规范等均属此范畴。实际上，这类标准已有数百年的发展历史，十分完善，许多国家都建立了自己的标准。另一个重要方面是空间信息的分类编码，这一工作在近二十年里得到迅速发展，如美国在六十年代初就开始制定区位编码系统。我国也制定了多种用途的区位编码系统，如行政区划、邮政编码、公路、河流的国家标准编码均已制定或正在制定之中。这类标准可以根据具体需要直接应用于GIS的建立。但是，现在仍然存在许多问题，有待进一步发展和完善。例如，在各种专题地图要素的一致性问题上，仍没有完整的标准，每当建立一个系统都需要对地图要素的符号、颜色等重新设计，以满足应用的要求。

　　Ｂ、算法标准：在进行空间分析和数据处理中，一个目标的实现，往往有多种算法，如空间插值和视景分析就是如此。为了提高应用精度和进行数据转换，各种算法需要达到一定的基准，同时给用户提供指南。

　　在更深一个层次上，GIS的处理结构也应标准化。如早期的数据库管理，各种产品联系很少，SQL语言出现后，极大地增加了系统的联系和提高了效率。所以有人提出制定一种“GIS标准语言”（GSL），用以促进应用模型的发展和模型的相互转换。

　　至今，在算法标准上还没有大突破，许多思想仍停留在概念上。但在学术界，通用的、综合的处理机制已引起越来越多人的兴趣。

　　Ｃ、解译标准：目前解译标准仍很少引起人们的注意。对地理现象和实体的表达，地图是一种行之有效的手段，然而，地图表达地理空间现象通常是通过某种“模型”来实现的。至今，人们所强调的往往是地图的产品，而没有检验最终产品结果的标准，缺乏对隐含其后逻辑的探讨，即缺少建立各种地理模型的标准。然而，要实现对空间要素的认识、解译和表达的标准化是非常困难的，即无法找到一种统一的模型。现在离解译标准相距遥远，但将是GIS标准化的一个重要方向。

数据标准

　　 因为数据是GIS的基础，所以关于数据方面的标准是非常重要的，也是目前GIS标准化工作的重点。数据标准主要包括数据交换、数据质量和数据说明文件等三方面的内容。

　　1、数据交换：数据交换是将一种数据格式转换成为另外某种数据格式的技术。简单地说，它是一种专门的中间媒介转换系统。图1列举了八种流行软件数据格式之间的相互转换关系，a为常规的转换方式，b为通用数据转换方式。

　　这类标准往往涉及环境要素的描述、分类、编码等方面的内容，美国的空间数据转换规范（SDTS）和欧洲的地理数据文件（GDF）均属这类标准。但是在具体的应用和实施过程中，由于空间数据的格式、结构、应用和软硬件的复杂多样性，制定这类标准的难度非常之大。在目前的实际应用中，仍是以采取系统两两相互转换的方法为多。这种方法的弊端在于容易丢失信息和损失数据精度，无法转换元数据文件。

　　2、数据精度：在应用过程中，用户都希望获得现时的、完整而准确的数据。每个部门对数据的精度、流通性、完整性以及其它方面的要求是不同的，即便在同一单位，不同的应用项目对数据的精度要求也不相同。所以很难以某种数据阀值来确定统一的精度标准，现在的做法是采用“数据质量报告”的概念来描述所了解的数据精度。如SDTS就采用数据质量报告对数字空间数据的一些要素进行描述，包括空间数据精度、属性数据精度、逻辑一致性、数据完整性层次关系等。具体包括下列内容：

　　A、数据精度内容：
　　 　数据的世系性：数据来源，获取数据的方法、转换方法，控制点等；
　　　 数据位置精度；
　　　 属性精度；
　　　 数据的逻辑一致性；
　　　 数据的完备性；
　　　 数据的实效性；

　　B、精度类型（包括空间精度和属性精度）：
　　　 数据采集中的误差（总误差、任意误差、系统误差等）。
　　　 数据采集后阶段出现的误差（绘图控制误差、编辑误差、编辑错误、地图生成错误、要素定义错误、数字化或扫描误差等）。

　　C、精度标准
　　　 数据采集受精度制约，对于测量精度，各国均制定了自行的标准，如美国的国家测量精度标准（NMAS）。我国也制定了多种测量精度标准。然而，要制定包括GIS各个方面的精度标准，如数字化、编辑、绘图、属性、数据转换等仍是一件非常艰巨的任务。

　　1、数据文件：数据文件通常称为元文件（metadata），它是关于数据的数据，用以描述数据集或数据库的内容、数据的组织形式、数据存取方式等。元数据还包括了数据质量和转换的相关信息。

　　元数据有三种用途，一是作为数据的目录，提供数据集内容的摘要，类似于图书馆中的图书卡。二是有助于数据共享，提供数据集或数据库转换和使用所需要的数据内容、形式、质量方面的信息。三是内部文件记录，用以记录数据集或数据库的内容、组织形式、维护和更新等情况。

　　目前还没有元数据的标准，在美国，不少数据提供部门都着手制定自己的元数据文件，联邦地理数据委员会（FGDC）和国家标准与技术研究所（NIST）正着手于元数据标准，以作为SDTS的补充。加拿大遥感中心（CCRS）也在着手于这方面的工作。

　　1、信息技术标准

　　信息技术（IT）标准主要来自计算机界，计算机的硬件与软件生产者早已采用了多种标准，用于通信、用户界面、图形、操作系统、数据库查询等许多方面。这类标准具有比较广泛的适用性，与GIS相关的信息标准较多，据有关文献，与GIS相关的信息技术标准多达百余种。如我国的计算机汉字处理标准也属这一范畴。

　　2、行业标准

　　主要指从事这一技术的专业人员的标准与规范。随着技术的成熟和推广应用，越来越多人员从事GIS或相关业务，所以有必要制定统一的标准和规范，以确定GIS人员的资格，保证人员的技术水平。目前仍没有这类标准，参照其它学科的做法，如我国的软件水平升级考试等，可以制定某种规定或标准，通常可以基于专业学历和技术培训，发放技术水平确认和从业许可证等。当然在实施过程中，是非常复杂的，很难进行标准化和规范化。

　　美国一些部门正在讨论GIS人员证书的必要性，有的对GIS人员的技术和知识的要求等，均作出一定的规定。虽然这离行业标准差距甚远，但到少可以为GIS培训和学校制定课程提供一个有益的参考。

三、GIS标准化与信息技术标准化的发展

　　许多国家都认识到标准的重要性，一些国家和国际组织成立了GIS标准化组织，开发和研制有关的标准。美国、德国、英国、加拿大、澳大利亚和欧洲制图委员会、北约组织等已开发了各自的GIS数据转换标准。表1列出了一些标准及概况。在各种标准之中，美国的SDTS影响最大，已进入应用阶段。 　　　　　　　　　　　　表1 各种主要空间数据转换标准比较表

国家
组织  英国
OS 德国
ADV 美国
DCDSTF 西欧
CERCO 北约
DGIWG
标准名称 NTF ATKIS SDTS … DIGEST
概念方案 数据   制图 特征  
-现实目标
（RWO） 分类 ATKIS—DLM 特征 目录 FACC
-地图目标（MO） … ATKIS—DKM … … …
逻辑方案 数据    数据
-RWO数据模型 结构 ATKIS—DLM 定义 ATKIS—DLM 结构
-MO数据模型 … ATKIS—DKM … … …
交换格式      
-RWO交换法则 交换结构 EDBS SDTS … DIG格式
-MO交换法则中 … EDBS … … …
-DB通讯法则 … EDBS … … …
-交换句法 交换结构 EDBS ISO8211 ISO8211 ISO821
-字符编码 ISO646 … ISO646

ISO6093
 … ISO646

ISO6093
 

　　在GIS标准化的各项内容中，空间数据和信息技术标准是两个最为核心的内容。空间数据标准与数据的定义、数据的描述和数据的处理相关；而信息技术标准则为普通的计算机技术标准。把特定的计算机标准应用于GIS，便产生了GIS的标准。信息技术标准为GIS提供了一套现存的计算机标准。这些标准也促进了GIS之间或GIS与计算机环境之间的相互操作。

　　地理标准和数据标准是GIS标准化的基础，尽管这一基础有许多成熟的编码系统和方案，有的已进入应用阶段，但许多方面仍待进一步发展，如面向目标GIS的出现，对空间数据的地理编码提出了新的要求，空间数据的标准化需要进一步完善。第二阶段是数据转换标准，现在国际GIS界在这方面作了大量的研究，制定了多种标准，可以说数据转换标准是目前GIS标准化最为活跃的方面。第三阶段是算法标准、解译标准和行业标准等，现在距离这些标准仍有一段相当长的过程。所以目前国际GIS标准化基本处于第一、第二阶段之中，即地理标准和数据转换标准的制定和研究阶段，特别是数据转换方面，已引起了最为广泛的关注。

　　GIS标准化的发展方向是多方面的，空间数据标准与信息技术的结合和数据转换标准向信息管理标准发展是GIS标准化的两个重要内容。

　　1、空间数据标准与信息技术标准结合

　　空间数据标准与信息技术标准的结合是GIS标准化发展的必然趋势，其结合的程度是GIS成功的重要标志之一。信息技术标准和空间数据标准的结合成为GIS的应用从地学扩展到社会管理、消费服务等领域的一个重要环节。另外，也可以提高其应用的灵活性。同时让GIS与本身所依赖的计算机环境紧密结合，在某种程度上可以为更多的计算机用户提供GIS功能。

　　空间数据标准和信息技术标准的结合刚刚开始。信息技术标准不断涌现和不断发展，许多新技术的出现和标准的制定，如CD-ROM、全球定位系统、图形用户接口和面向目标技术方面的标准的出现，将对GIS的应用产生冲击。另外，随着“信息高速公路”的兴起，基于Internet的分布式GIS也是一个新的研究课题。

　　 2、数据管理

　　GIS标准化将由现在的数据转换标准向数据管理标准发展。一旦SDTS这类转换标准被GIS界广泛接受，大量数据的可达性将成为另一个重要问题。使用计算机技术对数据进行采集是传统数据管理方法远远不能胜任的。各种组织正努力使用计算机技术来管理它们自己的数据。同时，若要利用政府部门大量的数据，没有协调和数据管理标准是无法成功的。所以标准化的重点很快又会从空间数据标准转移到计算机信息标准和数据管理上来。