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国土资源信息系统标准化的有关问题

钟耳顺,梁军

论文来源:《上海标准化》 2003年第10期

摘要:在我国,国土资源信息系统的建设与应用正在逐步展开,国土资源信息的标准化已经提到议事日程。
关键词: 国土资源信息

  在我国,国土资源信息系统的建设与应用正在逐步展开,国土资源信息的标准化已经提到议事日程。由于国土资源与国土资源信息在社会经济发展中的基础性作用,无论是国家信息产业的宏观决策、信息系统的推广应用,还是某个信息系统建设工程的具体实施,解决标准化问题已是不可回避。然而,国土资源信息标准化是一个极其复杂的问题,不但内容众多、技术复杂、涉及面广,而且随着技术的发展和应用需求的提高,标准化程度与内容也在不断发生变化,所以,标准的研究与制定必须结合实际需要,以创新的思维,在权威部门的组织领导之下,有步骤、有计划地进行。本文就国土资源信息系统标准化的意义与作用、标准化体系等问题加以讨论,并就其具体实施提出有关建议。

一、国土资源信息系统标准化的意义

  国土资源从广义上讲,包括一个国家领土范围内所有的资源;从狭义上说,主要是指土地资源。中国是一个人多地少的国家,土地资源对中国的发展至关重要。充分利用有限的国土资源,有赖于政府高效和科学的管理与决策及国民对国土资源的认识和珍惜。而这些都必须建立在对国土资源的数量、质量和时空分布规律的全面了解的基础上,即建立在对国土资源信息的全面掌握和充分利用的基础上。信息技术及相关技术 (如GIS、RS和GPS等)的发展为国土资源信息获取、处理和分析提供了新的技术手段。建立国土资源信息系统,为国土资源的管理、决策、开发、利用提供服务,在技术上已成为可能。国土资源信息系统由于其基础性的地位,将成为国家信息基础设施的重要组成部分。

  国土资源信息系统是地理信息系统(GIS)的重要分支,国际上通称为土地信息系统(LIS)。在过去的三十年里,计算机与信息处理技术得到飞速发展,GIS技术也发生了巨大的变化,特别是随着应用的推广和数据的积累,标准化已经成为非常重要的问题。

  GIS的标准化问题不但涉及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。它对未来GIS技术的推广和应用以及整个GIS界,都将产生巨大影响。

  今天,在应用GIS的各个国家,对GIS 标准化的呼声日益高涨,建立统一的GIS标准的要求日趋迫切。标准化是 GIS 技术开发、系统建设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更为迫切。从技术的角度看,GIS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,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标准是信息资源 (软件、数据、应用模型)共享、系统集成与互操作的重要前提,同时也是实现信息资源重用、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 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集数据,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,浪费了大量的投资,如一些城市建立了城市规划信息系统和土地信息系统,两个系统间的数据没有实现共享,而且在城市基础地理数据建库方面还出现了重复数字化的现象,一些已建立了规划信息系统或土地信息系统的城市同样面临这些问题。城市基础地理数据库建库的投入往往是以百万元计的,这种重复投资造成的浪费是巨大的。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部门本位的观念所限制。然而,一个最为重要的原因是由于缺乏统一的空间数据标准,缺少数据共享的机制。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,使信息处理自动化 (数字化与信息化)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,一旦实现数字化与信息化,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、软件和硬件上不利于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集成与互操作的前提。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,提高系统内宝贵的信息资源的互用性 (Interoperability)。所以,标准化可以增强 GIS系统的功能、灵活性和效率,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,有利于信息资源的重用。

  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要求,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。在实际工作中,我们已经充分认识到标准化是一个系统建设成功的关键。对于单个系统的建设,在考虑其本身的扩展时,离不开标准化问题。对于推广应用,不论从数据分类与编码,还是系统结构与功能、系统流程与模式,以及系统界面等,均离不开标准化问题的解决。

  国土资源信息系统是我国未来信息领域中非常重要的组成部分。国土资源部科技司组织和主持这方面的工作,对于系统的推广应用、数据共享、节约资金,非常必要,是一件具有远见的工作。

二、国土资源信息系统标准体系

  国土资源信息系统标准化是一个综合而复杂的概念,它的内容非常广泛,涉及到几乎所有与国土资源信息系统有关的领域。国土资源信息系统标准化的内容,可以从两个层次去理解,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,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

  可以说,GIS 的应用是广泛的,所以影响 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,都有各自的标准和规范, 数不胜数,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,具体地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,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,从 “七五”期间就着手这方面的工作,已经有一定的成果,但是,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,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。

  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。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,缺乏对隐含其后的逻辑的探讨,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”。

  2.数据标准

  因为数据是信息系统的基础,所以关于数据方面的标准是非常重要的,主要包括数据内容与质量、元数据、数据交换等三方面的内容。

  (1) 数据内容与质量: 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。数据的完整性涉及数据的内容标准,包括数据类型、组成结构及相互关系,数据的质量标准涉及数据的精度和现势性。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阈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。

  (2) 元数据(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 制 定 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。

  (3)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。

  3. 信息技术标准

  信息技术 (IT)标准主要是计算机硬件与软件标准,用于通信、用户界面、图形、操作系统、数据库查询等许多方面。这类标准与GIS相关的信息标准较多,在下节中将作详细的讨论。

  4. 行业管理标准

  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,越来越多的人员从事国土资源信息系统或相关业务,所以有必要制定统一的标准和规范,以确定国土资源信息系统的人员资格,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,用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,做一定的规定,虽然这离行业管理标准差距甚远,但至少可以为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。

  另外,还要考虑国土资源管理工作的标准化问题,包括机构设置、管理职能、工作流程等。管理的标准化是信息标准化的一个重要保证。

  应该指出,随着信息技术的发展,对国土资源信息的表达、记录、处理和发布等等,均发生了变化,如多媒体技术、虚拟现实、高分辨率遥感信息、海量数据处理、实时监测技术、网络技术和Internet 应用,在很大程度上改变了传统GIS的概念。国土资源信息系统标准化随着技术的发展和应用的需求,将不断发展。

  当前,国际上提出的开放GIS概念,已经引起GIS界的高度重视,Open GIS Consortium组织 逐 步 成 为 GIS的 重 要 的 标 准 化 组 织 。 目 前 ,“Open GIS Consortium”已经有二十多个成员,该组织所制定的要素定义说明、编码和数据交换,以及元数据格式,逐步得到GIS界的接受。

三、国土资源信息系统标准化实施建议

  国土资源信息系统标准化问题包括上节所谈及的几个方面,而国土资源信息系统又包括国土资源调查信息系统、土地利用信息系统、地藉信息系统 (包括城镇地籍信息系统和农村地籍信息系统)三个主要类型。我们在进行国土资源信息系统标准化研究与制定的过程中,不可能全面出击,而应该有所侧重,抓住主要的方面,抓住带普遍性的东西,以及实际工作最急需解决的问题。我国在实施国土资源信息系统标准化工作中,需要做的工作很多,但是有些工作与其他专业相关,如与测绘、规划、信息管理部门等有密切联系,如地形图要素的编码规范问题属于测绘系统的工作范畴。我们的工作应该在土地信息方面,但同时要做好与各相关部门的协调工作。我们建议首先着手以下几件工作:

  1、做好与相关部门的协调工作,如与测绘局合作,解决城市大比例尺地形图与地籍图的兼容性问题,与建设部协调解决建设用地与土地利用分类及编码的一致性问题,与国家计委、农业部、林业部、水利部及其它部委解决好国土资源分类标准问题,发挥国土资源信息系统作为国家信息基础设施重要组成部分的作用。

  2、尽快开始制定 《土地利用信息系统编码方案》和 《城镇地籍信息系统编码方案》。目前我国在土地信息系统建设中,土地利用信息系统、地籍信息系统 (城镇地籍信息系统和农村地籍信息系统)为两大重点,在今后几年内将有大量这两类信息系统需要建设,而编码方案是系统建设的基础。为了使系统能够进行数据交换,首先应该使用统一的编码。而这两类编码已经完全可以进行,不存在太多的困难。我国已经制定了 《土地利用现状调查规范》和 《城镇地籍测量规范》,为制订这两个方案提供一定的基础。这两个方案使用的频率高,相对比较规范,易于成为国标。

  3、尽快着手编写 《国土资源信息系统建设指南》。实际部门已经有建设系统的需要,不少单位正在着手准备系统的建设,但是在实际工作中,很多单位不知道如何建设系统,或者从何处着手。应该尽快编写一本 《国土资源信息系统建设指南》,用以指导当前国土资源信息系统的建设工作,内容包括国土资源信息系统的类型、用户需求分析、系统框架设计、系统功能设计、数据准备与处理、软件评价与选择、网络建设、信息发布、经济效益分析、系统开发与系统管理等等。这样一本指南对于我国目前国土资源信息系统建设将起到很好地推动作用。

  4、在前两件工作的基础上,准备制定国土资源信息系统的元数据标准。因为,目前使用的软件系统相对较多,各类软件相互共存的情况仍需长久下去,所以不同系统的数据格式的转换是不可避免的。在各种商业化系统中,数据格式转化是一种基本功能,然而为了保证数据转换的机制,有必要尽快制订元数据标准,包括数据的各种描述,如类型、编码、精度、处理过程等等,以便在数据使用过程中进行数据转换。这个问题的操作相对有一定的困难,一是由于没有现成模式,我国目前还没有一套其他专业的元数据标准,缺乏参考;二是元数据所涉及的内容较多,一时间难于总结。但是,可以做一个土地信息系统元数据标准框架,以便以后逐步完善。

  5、在标准化工作的实施中,建议选择一个县,建立土地利用信息系统和农村地籍信息系统,选择一个中等城市,建设城市地籍信息系统,以此作为建设的试点。在试点工作中,总结和实践上述的几种方案和规范。在城市地籍信息系统建设过程中,要充分考虑多用途地籍信息系统的建设,使其成为城市地理信息系统的一个子系统,确保所制定的标准与其它标准兼容与一致。

  6、在建立国土资源信息标准的同时,做好国土资源管理的标准化工作,可以参考ISO 9000系列的标准,制定行业管理标准,确保国土资源信息标准的实施和国土资源信息系统的应用与推广。

  (作者单位:中国科学院地理信息产业发展中心)