地理信息系统标准化的内容与作用

一、GIS标准化的作用

　　过去的三十年，是计算机技术与信息处理技术飞速发展的时代。在这一发展历程中，先后有几代计算机问世，软件技术不断更新。同样，基于计算机硬件和软件技术的GIS，也发生了巨大的变化。这种变化最重要的标志是各种软件（特别是商业化软件）的逐渐成熟以及它们在多种领域和部门的应用。然而，随?应用的推广和数据的积累，GIS又面临了新的挑战，如数据的集成与共享、GIS对社会的影响、GIS与法律等等，已成为这一技术发展的所面临的新问题。而在诸多的问题中，GIS的标准化显得最为重要。

　　GIS的标准化问题不旦涉及GIS技术本身，而且与各种相关技术，特别是与计算机和信息处理技术密切相关。它产生的影响也非常之深刻，对未来这一技术的推广和应用，以及整个GIS界都将产生巨大影响。

　　今天，在GIS应用的各个国家，对GIS标准化的呼声日益高涨，要求建立统一的 GIS标准，日趋迫切。然而，过去对这一问题的认识并非一致，&127;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[1]。&127;这些观点不论是由于目光短浅或出自某种自私的考虑，与GIS是一门综合的信息技术和决策支持系统的特点是大相径庭的。&127;从经济学的角度看，这些观点完全不利于发挥GIS的综合效益。

　　标准化是GIS技术开发、系统建立与运行的一种重要机制。&127;现在对这种机制的 需要比以往任何时候都更为迫切。从技术的角度看，GIS&127;标准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GIS系统的成功，&127;在很大程度上依赖于数据和各种模块的综合与集成。一般情况下，要达到这一目的，有两种途径，即通过大量而分散的个体工作 而实现，或者通过制定和实施某种标准进行综合集成。显然，前者只能是一种短期的有限解决办法，而长期的综合性办法必须依靠标准的制定及其实施。所以，GIS&127;标准是数据共享和系统集成的重要前提，同时也是提高综合效益的必由之路。

　　现在，广大用户已逐渐认识到这样一个问题，数据采集和产生是建立GIS&127;系统 的一项最大的投资。为了建立系统，人们花费大量的人力物力去采取数据，而在另 一方面，大量的数据仍停留于满足某些单一的应用目的上，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，引起这一矛盾的原因是多方面的，有 的是由于技术或管理方面的原因，而有的则是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。没 有公认的数据标准和交换标准，自然就没有利用现存数据和产生共享网络的能力。

　　近二十年来，在处理和解决空间相关问题上，计算机应用不断增加，极大地提 高了生产力和降低了生产成本。大量引入和应用计算机技术，使数字自动化代替了 高劳动强度和重复性的人工操作，使得更加复杂的空间分析得以进行。可是，一旦 进入数字自动化，各部门在结构上的优化和综合已显得更为重要，那些由于各种原 因所引起的在计算机数据、软件和硬件上不利各个系统之间综合的因素，都将影响 系统的集成和运行，从而降低数字自动化的总效益。

　　一个可行的标准是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&127;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，&127;也使 它更易于推广应用。另外，标准化可以为其它系统提供模式或样板。

　　采用GIS标准的好处是多方面的，在经济上，可以节省费用，&127;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，可以达到数据的共 享，从而减少数据采集的费用。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。

　　总之，GIS标准化的作用是多方面的，归纳起来主要有以下几个方面：

　　（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台 上移植；

　　（2）互操作性（interoperability）：一个大型信息系统，&127;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。即从不同硬件环境中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，一种优秀 的软件必须以相同的用户界面在不同大小级别的计算机上运行。

　　（4）通用环境（common applications 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 可以减少在学习上的弯路和提高生产效率。

　　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。&127;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。极大地增强了数据的应用、 信息共享和数据产生的能力，提高了系统的经济效益[1]。

　　二、GIS标准化的内容

　　GIS标准化是一个综合而复杂的概念，它的内容非常广泛，&127;涉及到几乎所有与 GIS有关的领域。对GIS标准化的内容，可以从分两个层次去理解。一是狭义的标准 化,其内容包括数据、数据交换、数据库转换、图形、软件、硬件等方面的标准[2]。 即主要包括空间数据标准和信息技术标准两个方面。二是广义的标准化，其内容则 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。 现将标准分为四类，作简单介绍。

　　１、应用标准　　

　　可以说，GIS的应用是无限的，所以影响GIS的标准也是多种多样的。GIS&127;的一 些主要应用领域，如土地管理、资源管理和城市规划等，都各自有其标准和规范， 数不胜数，这些标准对GIS均有影响，&127;但是最重要的是来自对应用领域有深刻影响 的各种专业组织和机构，具体的讲主要来自测绘部门，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，所以又可以说 是一种基础性标准。

　　（1）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，如地图比例尺和投影均属地理标准的范畴。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逐渐得到发展和完善。如 美国在六十年代初就开始制定了区位编码系统，我国也制定了多种用途的区位编码 系统。这类标准的绝大部分可以根据具体需要直接应用于GIS的数字地图之中。&127;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。

　　（2）算法标准：在进行空间分析和数据处理中，为实现某类目的，&127;往往有多 种算法，如空间插值和视景分析，就有多种算法。为了在应用上提高精度和进行数 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，&127;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。&127;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的突破，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。

　　（3）解译标准：目前解译标准仍很少引起人们的注意。&127;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（结果），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&127;标准化的一个重要方 向。

　　２、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，&127;它们主要包 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。见图6.1。

　

　

　

(暂缺)

　

　

　

　

　

　

　

　

（Steve Ventura, Fig.1 & Fig.2, GIS WORLD 93.8 P49）

　　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。&127;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，每个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 便在同一个单位，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、数据完整性和层次关系等内 容。

　　（3）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 馆中的图书卡片。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?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?手于元数据标准，以作为SDTS的补充。加拿大遥感中心（CCRS）也在?手于这方面的工作。

　　３、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，&127;在下节中将作详细的讨论。

　　４、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?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 的人员资格，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，发放技术水平确认证和从业许可证等。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。在美国，一些机构正在进行这方面的探索，如对 GIS技术和知识的要求等，作一定的规定，虽然这离行业标准差距甚远，&127;但至少可 以为GIS培训和学校制定课程和学生选择课程提供一个有益的参考。

　　

　　三、GIS标准与信息技术标准的发展

　　在GIS标准的各项内容中，空间数据和信息技术标准是两个最为核心的内容。&127; 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&127; 与总的计算机环境之间的相互操作。

　　GIS是一种特殊信息技术，信息技术和GIS之间是一种相互受益的协同关系。信 息技术为GIS的综合提供了通用模式，而GIS则代表了执行这些标准的具体系列。本 节主要介绍最有代表意义的美国空间数据标准和信息技术标准的发展，进而讨论GIS 标准化发展趋势。

　　１、空间数据标准

　　为了满足管理和决策上的需要，几乎每个行业或机构都以某种形式采集、处理 和传播空间信息。在这种情况下，尤其是多种计算机应用环境下，对空间数据的综 合利用和共享就产生了障碍，自然也不利于GIS的推广，所以许多用户已意识到，&127; 制定权威的信息标准是非常必要的。在美国，基础空间数据标准研究与类型很多， 而其核心在于联邦政府，即所谓的“联邦信息处理标准”（FIPS）。

　　在空间数据处理方面，FIPS的两个发展对GIS影响最大，一是地理编码系统； 二是空间数据转换标准的制定。

　　对属性数据和地理实体进行位置确定和空间检索的FIPS地理编码早在六十年代 后期在联邦制定的第一个计算机标准中就已经有了。各国、各州、县、地点、城区 和水文单元的FIPS字母和数字编码，在联邦政府和公众中广为使用。代表各地点的 位置和州议员选区的格式也早已存在。它是美国空间数据标准的一个重要基础。

　　于1980年发起了制定空间数据转换标准（SDTS），经过十多年的努力，已在1991年4月完成，并宣布为期90天的审查期。去年已通过，并作为正式的FIPS标准。SDTS是一个转换复杂地图文件和相关空间数据的综合性标准。其目的是要确保在交换过程中无数据的损失，数据的逼真度和它们的关系都可以保存下来，而且转换后 的文件能够完全理解。GIS的发展和成功应用在很大程度上依赖于SDTS&127;所提供的数 据转换功能。虽然SDTS不可能解决所有GIS的数据问题，但它为GIS界提供了一个所 需要的数据交换机制。

　　２、信息技术标准

　　信息技术标准对现有计算机技术是一个大的促进，并为今后的发展提供了一个 基本框架。过去的标准是一种“反映”式标准，往往当最终标准制定完成时，它就 过时了。今天，标准的制定者们已经清楚地认识到标准发展和审查在时间上的滞后 性。所以必须了解什么时候、什么地方需要标准，这是制定标准的一个重要前提。

　　信息技术标准可以分为基础标准和功能标准两类。基础标准（base standards） 的范围和内容非常广泛，它们满足最基本和通用的需要。功能标准（functional standards）是基于执行的。它能够在基础标准的限制下，确定功能子集的轮廓。&127;信 息技术标准的发展也导致了信息技术参考模型的产生，这些模型为协调基础标准以 达到更高水平和更加广泛的实用性这一目标提供了一个概念性基础。对维持所有相 关的基础标准的一致性，具有参考性。由这类参考模型提供的基础结构具有更大灵 活性和广泛的应用性。

　　信息技术标准很多，而对于GIS&127;最为适应和最有用的是计算机图形元文件　　 （CGM－Computer Graphic Metafile）、结构化询问语言（SQL）和信息资源字典 系统（IRDS）。

　　美国政府每年要花费数十亿美元来获取、维护和实施信息技术，巨大的投资主 要用于保护其数据和应用。美国国家标准和技术研究所的GIS&127;标准实验室建立的最 根本目标是为空间数据和信息技术集成制定标准。

　　３、GIS标准化发展趋势

随?GIS的成熟和应用，GIS的现有标准日臻完善，新的标准不断涌现。

　　GIS标准主要涉及空间数据标准和信息技术标准。&127;空间数据标准与空间数据的 定义、描述和处理有关；信息技术（IT）标准实际上是普通的计算机标准。采用IT 标准，为GIS提供了一组现存的通用计算机标准，它可使在一个GIS内部能够进行综 合。这些标准也促进了不同GIS之间的兼容能力和GIS与其硬件环境的结合。

　　地理标准和数据标准是GIS标准化的基础，&127;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&127;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，&127;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。&127;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，&127;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，以引起了最为广泛的关注。本章所讨论的GIS&127; 标准化也是以地理标准和数据转换为主要内容。

　　大量的信息反映, GIS标准化的发展方向是多方面的，&127;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，&127;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 应用的灵活动性。同时让GIS与本身所依赖的计算机环境紧密结合，&127;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。

　　（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&127;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。&127;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。

　　在GIS标准化方面，也许会有更多的基础信息技术标准出现。&127;用户通过标准化活动和专业组织也将为确定这些特征作出贡献。GIS&127;专业组织在促进和发展这种努力起重要用。

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