国际地理信息标准体系

国际地理信息标准体系_网络地理信息系统

3.1.2　国际地理信息标准体系

3.1.2.1　ISO/TC211的标准体系

ISO/TC211是国际标准化组织ISO中专门负责制订地理信息标准的委员会，其提出的ISO19100系列标准定义了在数据管理和交换中使用的地理信息的语义和结构，同时定义了在数据处理中使用的地理信息服务组件和其行为。

地理信息标准不仅涉及地理数据的定义、采集、分析、访问、表达和传输，还涉及地理信息的管理方法、工具和地理信息服务。制订地理信息标准的目的是推动地理信息领域的规范化和地理信息系统的互操作。由于地理信息标准依存的主体主要是地理信息与信息技术结合而形成的，所以地理信息标准是将地理信息(Geographic Information)及信息技术(Information Technology)结合起来构成的标准体系。图3.6展示了这种方法相结合产生的地理信息标准的参考模型。

图3.6　ISO19100系列地理信息标准的参考模型图(ISO19101，2002)

在图3.6中，ISO19100系列地理信息标准可以分为五大部分(ISO19101，2002):

(1)框架与参考模型(framework and refernece model):它涵盖了ISO19100系列地理信息标准中的基础部分。参考模型定义了标准涉及的重要部分以及它们之间的关联，为ISO19100系列中不同标准的交流提供基础。

(2)地理信息服务(geographic information services):定义了信息传输的编码格式、基于地图学的可视化表达方法、位置服务接口等。

(3)数据管理(data administration):定义数据质量、评估及度量，对数据、元数据、要素目录的描述，以及空间对象的直接和间接空间参照系等。

(4)数据模型与操作(data models and operators):定义地球的几何性质、如何对地理要素及其空间特征进行建模，以及空间特征的定义及其相关联系。

(5)专用标准和现行标准(profiles and functional standards):针对标准集合进行组织和选取子集，以适应具体应用领域和用户的需求，这样有助于快速构建适应于用户环境的标准集合。同时，商业上广泛应用并成为事实的标准也可以采纳并与现有标准进行协调。

在地理信息服务、数据管理和数据模型与操作中，概念建模(conceptual modelling)严格地描述地理信息、定义服务中的地理信息转换和交换，并且在专用标准和现行标准中也得到运用。ISO19100系列标准中概念建模的方法基于开放分布处理(ODP)参考模型和概念模式建模纲要(CSMF)中的原则。

域参考模型(domain reference model)针对数据管理、数据模型与操作，提供地理信息结构与内容的高层表达与描述。它描述了ISO19100系列地理信息标准工作的范围，明确了地理信息标准化的主体。一方面，它对数据模型中地理信息的结构和操作的定义进行标准化;另一方面，它对地理信息的管理进行标准化。例如，通用要素模型(general feature model)为要素及其属性定义了一个元模型。

结构参考模型(architectural reference model)针对地理信息服务，描述了操作地理信息的计算机系统提供的服务的通用类型，列举了服务互操作的服务接口，为服务处理的地理信息的标准化提供了明确要求的方法。通过对服务接口的标准化建设，能够支持服务与环境进行互操作和交换地理信息。

专用文件(profiles):专用标准和现行标准将ISO19100系列中不同的地理信息标准组合起来，根据应用的需求对标准中的信息进行细化，为特定的应用进行地理信息系统和应用系统的开发提供标准支持。

1．概念建模

概念建模是针对现实世界的某一部分(即论域)建立抽象描述或建立一组相关抽象概念的过程(ISO19101，2002)。例如，水道、湖泊、岛等一组要素构成现实世界中的论域。一组描述了这些要素的形状的几何结构，例如点、线、面等，即为一组抽象概念。对现实世界中要素的抽象描述称为概念模型(conceptual model。概念模型可以存在于人的大脑中并通过口头交流，然而这样的概念模型通常不够准确。概念模型可以记录并存储下来以促进更广泛的传播。概念模式语言(conceptual schema language)提供语义和语法要素来严格描述概念模型。用概念模式语言描述的概念模型)就称为概念模式(conceptual schema)。描述了应用所需的数据的概念模式称为应用模式(application schema)。由于概念模式语言提供了描述信息的统一的方法和格式，因此计算机系统才有可能像人一样去读取和更新概念模式。采用概念模式语言来开发概念模式是地理信息标准化的基础。

ISO19100系列地理信息标准采用概念建模的目的是为地理信息和服务提供严密的定义，使这些定义标准化，以实现系统在分布式计算环境下的互操作。

概念建模的方法如图3.7所示。

ISO19000系列标准中概念模型的建立要遵循以下原则:

图3.7　地理信息概念建模方法(ISO19101，2002)

(1)百分之百原则。论域中所有相关结构和行为规则都要在概念模式中描述，确保概念模式完整地定义论域。

(2)概念化原则。概念模式应该只包含与论域相关的结构和行为，而所有的物理的内外部数据表达内容是不包含在内的。即概念模式是独立于任何物理实现技术和平台的。

(3)Helsinki原则。概念模式中所有的陈述都必须基于一套语义和语法的规则，例如通用建模语言UML，来进行阐述和交换。

(4)使用一个具体的概念模式语言语法。概念模式中信息是使用一套形式化定义的概念模式语言的语法规则来表达的。

(5)自描述原则。国际标准中定义的规范性结构都应有自描述功能。

2．域参考模型

域参考模型在ISO19100系列标准中是用于计算目的的地理信息的表达、组织、存储、交换和分析的主要概念，包括高抽象级别的域参考模型、应用模式、空间对象、参照系、数据质量、元数据和通用要素。

图3.8显示了域参考模型的高层视图。域参考模型使用了三层结构进行抽象建模。

(1)数据层(data level):包含了地理数据集(dataset)、元数据集(metadata dataset)、地理信息服务(geographic information services)。数据集包括了要素实例(feature instance)、空间对象(spatial object)和位置(position)。要素实例描述了要素属性、关系和要素操作(计算要素信息的数学操作)。空间对象描述了要素的空间特征或是在某定义空间将属性值与位置关联的复杂数据结构。通常有两种方法对地理信息的空间特征进行建模:矢量和栅格。位置使用参照系提供的度量单位描述了空间对象在时空的位置。元数据集的使用允许用户搜索、评估、比较和订购地理数据。元数据集描述了数据集中地理信息的管理、组织、内容等。元数据集的结构在ISO19115地理信息-元数据标准中定义的元数据模式中进行标准化。地理信息服务通过操作数据集中地理信息的软件程序实现。服务引用元数据集以实现正确地执行相关的数据操作，例如转换和内插操作。

图3.8　域参考模型高层视图(ISO19101，2002)

(2)应用模型层(Application model level):包含了ISO19100系列标准中的应用模式和概念模式。应用模式描述地理数据集的内容、结构和语义，包含了一系列的抽象类型定义，包括空间对象类型(Spatial object type)、数据质量元素(Data quality element)、参考系(Reference system)等。每一个地理数据集都对应一个应用模式。应用模式需要遵循ISO19100系列标准中的概念模式。概念模式基于通用要素模型开发，为应用模式的定义提供了基础。概念模式包括空间模式(Spatial schema)、时间模式(Temporal schema)、元数据模式(Metadata schema)、质量模式(Quality schema)等。详见ISO19100系列标准。专用标准等也属于应用模型层。

(3)元模型层(meta model level):确定了用于定义应用模型层中模式的语言。包括概念模式语言和通用要素模型。概念模式语言例如UML。通用要素模型提供了开发地理信息应用模式的元模型。应用模式中包含了通用要素模型中定义的类型实例。例如通用要素模型中定义了地物类型的概念，而应用模式中定义了特定的要素类型道路或湖泊等。通用要素模型定义了要素编目中的类型，例如要素、要素属性、要素操作和要素关系。要素编目中的特定类型可以在应用模式中使用。通用要素模型的详细说明见ISO19109。

3．体系结构参考模型

体系结构参考模型不仅定义了地理信息服务的结构，而且为确定地理信息标准化的需求提供了方法，使地理信息服务发挥更强大的功能。该模型提供了对ISO19100系列标准中不同标准定义的服务类型的理解，以及这些服务与其他信息服务的区别。它还显示了如何决定地理信息的哪些方面需要标准化来支持这些服务的操作。

(1)服务和服务接口。图3.9显示了分布在网络不同计算节点上应用系统和服务。服务提供了信息的处理、转换、管理或表现等功能。服务接口是服务调用和数据在服务与应用、外界存储设备、通信网络或人之间传输的边界。图3.9中显示了五类接口。应用程序接口(API)是服务与应用系统之间的接口，应用系统通过该接口调用地理信息服务。地理信息服务API的标准化是ISO19100系列地理信息标准中的核心。通信服务接口(CSI)是应用和服务访问数据传输服务的接口，从而能够进行网络通信。不同计算网络之间的通信可以通过一个网络与网络之间的接口(NNI)进行连接。人的技术接口(HTI)允许个人终端用户访问计算系统，该接口包括图形用户接口和键盘等。信息服务接口(ISI)是提供数据服务的边界，允许数据的持久性存储。

图例　API—应用程序接口HTI—人的技术接口ISI—信息服务接口CSI—通信服务接口NNI—网络与网络之间的接口

图3.9　服务与服务接口示意图(ISO19101，2002)

(2)地理信息服务类型。与OGC空间信息服务框架中信息观点描述的服务类型相同，都在扩展的开放系统环境模型的基础上划分了6类地理信息服务，包括地理信息人机交互(Geographic Human Interaction Services，GHS)、地理信息模型管理服务(Geographic Model Management Services，GMS)、地理信息工作流/任务服务(Geographic Workflow/Task Services，GWS)、地理信息系统管理服务(Geographic System Management Services，GSS)、地理信息处理服务(Geographic Processing Services，GPS)和地理信息通信服务(Geographic Communication Services，GCS)(图3.10)。

图例　G—地理　IT—信息技术　HS—人机交互　MS—模型管理服务　WS—工作流/任务服务　SS—系统管理服务　PS—处理服务　CS—通信服务　该方法在信息技术服务的基础上，根据地理信息的需求划分了6类地理信息服务。

图3.10　信息技术服务在地理信息领域中的扩展(ISO19101，2002)

(3)地理信息服务的标准化需求。为实现信息资源共享，保证地理信息产业的协调性和兼容性，发挥系统的整体和集成效应，有必要制定统一的地理信息服务标准，实现统一的规划和部署。地理信息服务标准化的内容主要包括:服务提供的功能，地理信息服务如何被激活，服务如何发送和接收元数据的描述信息，服务如何接收和发送语义信息，包括质量信息描述、编码、格式转换、数据等信息如何接收和发送。

4．专用标准和现行标准

基础标准定义了基础和通用的规范，提供了为各种应用使用的基础标准。专用标准是一个或多个基础标准组合在一起解决实际应用问题。专用标准中必须规定各适用情况下的选择条件、类别、子集和参数等信息。一些现存的广泛应用的国际地理信息标准被称为现行标准。

3.1.2.2　OGC的标准体系

国际地理信息联盟OGC由GIS相关的厂商、高等院校和政府部门形成联盟，机制灵活，其推出标准的周期较短，特别是在实现规范上能够较好地与信息技术的发展相结合。OGC制定的规范可以分为抽象规范和实现规范两大类。

1.抽象规范

抽象规范编写的目的是建立一个概念模型，并证明该模型可以用来创造实现规范。目前，抽象规范包括20个主题，如表3.2所示。主题19——通用参考系统(General Reference Systems)规范尚在讨论中。

表3.2　OGC抽象规范主题

2.实现规范

抽象规范经过编码、接口定义、参数定义才能成为可执行的实现规范。目前OGC提供的实现规范包括网络地物要素服务规范(Web Feature Service，WFS)，网络地图服务规范(Web Map Service，WMS)，网络覆盖服务规范(Web Coverage Service，WCS)，网络目录服务规范(Catalogue Services for Web，CSW)，地理注记语言规范(Geography Markup Language，GML)，网络处理服务规范(Web Processing Service，WPS)，以及传感器观测服务规范(Sensor Observation Service，SOS)等。