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1、第 5 章 GIS数据库标准,主要内容：,5.1 GIS数据库标准体系5.2 GIS数据的分类与编码5.3 GIS数据库的数据质量5.4 GIS数据库行业规范,5.1 GIS数据库标准体系,5.1.1 标准原因与特点5.1.2 GIS数据库标准体系的编制原则和内容5.1.3 国内外GIS标准的研究进展5.1.4 国家标准地球空间数据交换格式介绍,5.1.1 标准原因与特点,什么是标准？标准产生的原因标准的特点,5.1.2 GIS数据库标准体系的GIS标准化的作用、编制原则和内容,1 GIS标准化的作用2 GIS标准的编制原则3 GIS标准的内容,1 GIS标准化的作用,（1）可移植性（port
2、ability）：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，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
3、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。,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。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,地理信息标准对地理信息系统应用的意义,2 GIS标准的编制原则,GIS标准化的范围和目标制定GIS标准的基本原则,3 GIS标准的内容,GIS标准化是一个综合而复杂的概念，它的内容非常广泛，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
4、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。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。,（1）应用标准,GIS应用是无限的，影响GIS的标准也是多种多样的。GIS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，这些标准对GIS均有影响；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，
5、所以又可以说是一种基础性标准。,地理标准算法标准解译标准,应用标准地理标准,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。,应用标准算法标准,在进行空间分析和数据处理中，为实现某类目的，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。,应用标准解译标准,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
6、含其后逻辑的探讨，即缺少建立各种地理模型的标准。,（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;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。,数据标准数据交换,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。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
7、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。,数据标准数据精度,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。,数据标准数据文件,数据文件通常称为元文件（metadata）目前还没有元数据的标
8、准，在美国，不少数据提供部门都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）在研究元数据标准，以作为SDTS的补充。加拿大遥感中心（CCRS）也在从事这方面的工作。,（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。,（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。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
9、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，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。,5.1.3 国内外GIS标准的研究进展,1 GIS标准与信息技术标准的发展2 美国空间数据交换标准3 ISO/TC211地理信息标准4 开放的地理数据互操作规范OpenGIS,1 GIS标准与信息技术标准的发展
10、,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。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；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与总的计算机环境之间的相互操作。,下面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
11、共享就产生了障碍，也不利于GIS的推广，所以许多用户已意识到：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198
12、0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。现已通过，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”
13、式标准。,信息技术标准可以分为基础标准（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。信息技术标准很多，而对于GIS最为适应和最有用的是计算机图形元文（CGMComputer Graphic Metafile）、结构化询问语言（SQL）和信息资源字典系统（IRDS）。,（3）GIS标准化发展阶段及趋势,第一阶段：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GI
14、S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，以引起了最为广泛的关注。,趋势：,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是GIS标准化的两个重要内容。,空间数据标准与信息技术标准结合,是G
15、IS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。其结合成为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，在某种程度上可以为更多的计算机用户提供GIS功能。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。,数据管理,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
16、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。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专业组织在促进和发展这种努力起重要用。,2 美国空间数据交换标准,标识数据质量空间数据组织空间参照实体和属性信息分发元数据参考信息,3 ISO/TC211地理信息标准,1）参考模型(Reference Model)2）综述(Overview)3）概念化模式语
17、言(Conceptual Schema Language)4）术语定义(Terminology)5）一致性和测试(Conformance and Testing)6）专用标准(Profiles)7）空间模式(Spatial Shema)8）时间尺度子模式(Temporal Subshema),9）应用模式规则(Rules for Application Schema)10）要素分类方法(Feature cataloguing methodology)11）坐标空间参照系统(Spatial referencing by coordinates)12）基于地理标识的间接参考系统(Spatial r
18、eferencing by geographic identifiers)13）质量原则(Quality principles)14）质量评价过程(Quality Evaluation Procedures),15）元数据(Metadata)16）空间信息定位服务(Positioning Service)17）地理信息描述(Portrayal)18）编码(Encoding)19）服务(Service)20）功能标准(Functional standards)21）图像和栅格数据(Imagery and gridded data),22）职员的资格认证(Qualifications and Ce
19、rtification of Personnel)23）覆盖几何和功能的模式(Schema for coverage geometry and functions)24）图像和栅格数据的成分(Imagery and gridded data components)25）简单要素的访问SQL选项(Simple feature access-SQL option),4 开放的地理数据互操作规范OpenGIS,OpenGIS(Open Geodata Interoperation Specification,OGIS-开放的地理数据互操作规范)由美国OGC(OpenGIS协会，OpenGIS Con
20、sortium)提出。OGC是一个非赢利性组织，目的是促进采用新的技术和商业方式来提高地理信息处理的互操作性(Interoperablity)。,OpenGIS规范主要定义的三个模型：,1）开放的地理数据(Open Geodata)模型2）OpenGIS服务3）信息团体模型,1）开放的地理数据(Open Geodata)模型,定义了一个概括的、公用的基本地理信息类型集合，该集合可以被应用于特定领域的地理数据建模。,2）OpenGIS服务,服务模型中的主要组成为：要素实例(Feature Instance)的创建过程获取地理数据的方法时空参照系统的获取和转换语义转换,3）信息团体模型,信息团体模
21、型的目的是建立一种途径，使得信息团体或用户维护对数据进行分类和共享所遵循的定义；实现一种有效的、更为精确的方式，使不同信息团体之间可以共享数据。,OpenGIS抽象规范各个主题之间的依赖关系OGC,5.2 GIS数据的分类与编码,5.2.1 GIS数据分类编码的意义5.2.2 GIS数据分类编码的原则5.2.3 GIS数据分类编码的方法5.2.4 GIS数据的分类体系和指标体系,5.2.1 GIS数据分类编码的意义,实现系统内和系统间信息交换、集成与信息共享,5.2.2 GIS数据分类编码的原则,1 科学性和系统性2 稳定性3 不受比例尺限制4 兼容性与一致性5 适用性6 规范化7 国际性,5
22、.2.3 GIS数据分类编码的方法,1 GIS数据的分类方法2 编码原则3 我国国家基础地理信息编码原则,1 GIS数据的分类方法,1.1 线分类法线分类法以树状结构建立父类与子类之间的纵向从属关系，多叉树的不同分支之间则一般不存在横向对应关系。倘若将代码全部配成整形码，并将代码视为数值在数轴上加以表达，那么，任何一个父类都在数轴上定义了一段区间，这一区间内的代码都是这个父类的子类，或者是其子类的子类，从属关系极其分明。1.2 面分类法,1 GIS数据的分类方法,1.2 面分类法面分类法则将整形码分为若干码段，一个码段定义事物的一重意义，需要定义多重意义就可以采用多个码段。这种代码的数值当然也
23、可以在数轴上找到表达，然而，一根数轴却只能约束一重意义上父类与子类的从属关系，多重意义的约束就要用多根数轴来实现，也就是说一个码段对应一根数轴。面分类是若干个线分类的合成。,基于这一理解，线分类法应该属于1维分类法，面分类法则为2维或多维的分类法。现实生活中，面分类法的应用可谓广泛，以大家熟悉的15位的身份证号码为例：第一段(前6位)描述办证机关的至县一级的空间定位，采用省、市、县的行政区划代码给码；第二段(7至12位)是生辰时序的描述，以办证个人的诞辰给码；而最后3位至少有两重意义，一是同县同日出生者的办证顺序，二是性别，末位奇数为男性，偶数为女性。采用面分类法编码，虽然增加了代码的复杂性，
24、但却可以处理线分类法无法解决的描述对象多重意义的问题，在地理信息数据分类编码中大有可为。,2 编码原则,唯一性原则合理性原则可扩充性原则简单性原则适用性原则规范性原则,3 我国国家基础地理信息编码原则,实体代码结构代码唯一输入代码的编写实体属性项及相应属性值的编写图形符号码的编写举例中国山脉山峰名称代码,5.3 GIS数据库的数据质量,数据质量是指数据适用于不同应用的能力。空间数据质量是指空间数据在表达空间位置、专题特征以及时间信息时能够达到的准确性、一致性、完整性，以及他们三者之间同一性的程度。空间数据的质量具有相对性。,研究空间数据质量的目的在于加强数据生产过程中的质量控制，提高数据质量,
25、空间数据质量的重要性,GeographicDatabase,Query and Analysis,Spatial Data Input and Management,Output:Display,Help Prevent“Garbage in，Garbage out！”,G I S,5.3.1 GIS数据质量概述,准确性（Accuracy）精度（Precision）空间分辨率（Spatial Resolution）比例尺（Scale）误差（Error）不确定性（Uncertainty）,准确性（Accuracy）,一个记录值（测量或者观察值）与它的真实值之间的接近程度；空间数据的准确性通常是根
26、据所指的位置、拓扑或者非空间属性来分类的；可以误差（Error）来衡量空间数据的准确性；,精度（Precision）,数据精度表示数据对现象描述的详细程度数据精度和数据准确性的区别：精度低的数据不一定准确度也低；数据精度如果超出了测量仪器的已知准确度，这样的纪录数字在效率上是冗余的；例如：在设计精度为0.1mm的数字化仪上测量返回的坐标数据（10.11mm,12.233mm），其中就含有冗余的数据；,空间分辨率（Spatial Resolution）,分辨率是两个可测量数值之间最小的可辨识的差异；空间分辨率可以看作是记录变化的最小幅度；空间分辨率示例：地图上最细线宽度对应的地理范围，遥感图像上
27、一个像素代表的实际地理范围大小空间分辨率 数据精度,空间分辨率示例,Real World,Vector Data,Raster Data,比例尺（Scale）,地图上一个记录的距离和它所表现的“真实世界”的距离之间的一个比例；如右图中，这幅地图的比例尺=10cm:1000m=1:10000比例尺是刻画数据精度的量（如最小线宽为地图的空间分辨率）；,误差（Error）,描述测量值和真实值之间的差别；在大部分情况下，误差的大小是很不准确的，因为待测量的真实值往往无法得到；研究如何给出误差大小的最佳估计以及误差传播规律，是很有用的；误差的分析包括:位置误差（如点、线、多边形的位置误差）；属性误差；位
28、置和属性误差之间的联系；,不确定性（Uncertainty）,对于空间信息科学技术来说，数据的正确性与错误并存，正常与异常并存，精确与粗糙并存，质量高与质量低并存，什么时候是正确的，什么时候不正确的，这些都属于不确定性现象；GIS中数据的不确定性包括：位置的不确定性、属性的不确定性、时域的不确定性、逻辑上的不一致性以及数据的布完整性；研究不确定性可以更好的了解测量数据的性质？,5.3.2 GIS数据源的质量问题,空间现象自身存在的不稳定性分布的不确定性、属性类型划分和表达多样性等；空间现象的表达测量误差、地图投影、数值采样和量化等；空间数据处理中的误差投影转换、地图数字化与扫描矢量化、格式转换
29、、数据抽象（聚类、归并等）、空间分析、可视化等；空间数据使用中的误差：生产者和使用者对数据的解释和理解不同，可通过空间数据的元数据来沟通；,空间现象的表达,定义 变量概念理解的不一致性导致 数据测量误差。测量 测量仪器本身有一定的设计精度表达方式 图形的不合理表达产生误差物理介质的变化,数据处理中的误差,空间数据使用中的误差,对数据的解释过程缺少文档,空间数据的误差分析,空间数据误差的类型（1）空间数据误差分为：几何误差、属性误差、时间误差和逻辑误差；逻辑误差和几何误差为GIS特有逻辑误差：语义角度判断数据的合理性,空间数据误差的类型（2）几何误差：空间数据表达的位置信息误差，在二维平面上主要
30、反映在点（位置）误差和线（位置）误差上；线误差分布可以用Epsilon模型（等宽）或者误差带模型（不等宽）来描述,其他数据质量问题地图数据的质量问题地图固有误差、地图材料变形、地图扫描及数字化误差；遥感数据的质量问题遥感仪器观测过程误差（表现为空间分辨率、光谱分辨率、几何畸变以及辐射误差等）、图像处理和解译过程误差（校正匹配、解译判读、分类等）测量数据的质量问题选定的大地坐标系及投影、环境影响、测量仪器精度、操作误差、偶然误差等,空间数据质量的控制,应从数据质量产生和扩散的所有过程和环节入手，分别用一定的方法减少误差；常见的数据质量控制方法有：传统的手工方法与原始地图或者属性数据比较；元数据方法阅读元数据了解数据质量的信息；地理相关法 利用空间数据描述的地理特征要素自身的相关性,
