“数字周边”中地理空间元数据研究

2012-12-11赵军喜华一新张亚军

测绘通报 2012年1期

赵军喜，华一新，张亚军

(信息工程大学地理空间信息学院，河南郑州450052)

一、引言

我国边界形势十分复杂，陆地边界总长达22 000多千米，与14个国家接壤。边界工作是我国外交工作中一项长期而重要的任务，它直接影响到我国的主权和领土完整、民族团结以及边境地区的经济建设、社会安定和人民生活［1－2］。新中国成立以来，在外交部领导下，国家测绘地理信息局陆续组织开展了边界测图，完成了大部分边界带状1∶5万地图工作，形成了具有系统性的数据生产技术规范、边界航空摄影作业技术规范、边界信息数据处理规范、边界测图和制图技术规范等一系列技术标准和规范。

在科技部基础性工作项目的支持下，建立了全国陆地边界地理框架数据库，包括全国1∶100万标准国界划法数据，全国陆地边界地区1∶25万、1∶5万地理底图DRG数据，中朝、中缅、中越边界议定书及附图数据，边界地区1∶50万土地利用数据等。同时，以边界地理空间数据库为基础，建立了边界划界、勘界、联检和国界管理信息系统，实现了我国陆地边界海量数据的集成化管理。但这些系统只在某些特定工作中发挥了作用。由于缺乏统一的技术标准和规划设计，不同系统间的数据资源难以共享，不能满足对边界信息管理和应用的需要。

“数字周边”是要实现周边地缘环境中各种信息的快速获取和综合管理，实现不同部门间边界信息集成与信息共享，实现基于边界信息应用的综合分析和辅助决策，为周边地缘环境信息的有效应用提供数据资源和信息系统的保障。“数字周边”的一个建设目标是要按照统一的技术规范和标准，采集和整合各种边界信息资源，设计建立数字周边数据库，实现各种边界资料的信息化管理与数据共享。为了实现这个目标，所需要的一项技术手段是地理空间元数据技术。元数据技术是数字地球的六大支撑技术之一，是数字地球建设能否走向成功和实用的关键［3］。同样，地理空间元数据技术，也是“数字周边”建设能否最终成功的关键。

二、“数字周边”地理空间元数据体系框架

1.体系框架设计原则

依据“数字周边”中地理空间数据的内容及其特点，设计地理空间元数据体系框架时遵循的原则包括：

1)体系框架要与“数字周边”地理空间数据的体系框架总体上取得一致;

2)根据地理空间数据按界段进行组织的方式，地理空间元数据也按界段进行组织;

3)根据不同用户使用元数据的目的，可以将地理空间元数据的体系分成不同的应用层次;

4)地理空间元数据体系框架将描述的重点放在数据集，即边界图幅数据;

5)考虑应用的需求，元数据的具体内容重点是对“数据质量信息”、“数据表示信息”、“内容信息”等几个元数据子集的内容选取和扩充;

6)各个地理空间元数据子集的内容选择以满足应用为前提，力求简单，不要过于复杂;

7)在制定地理空间元数据标准的数据内容时，要遵循和参考现有的国家标准和领域行业标准，并针对“数字周边”建设的特点进行修改和扩充。

2.元数据体系框架

按照以上设计原则，“数字周边”地理空间元数据体系框架设计如图1所示。体系框架是对“数字周边”所有地理空间元数据的分类和分层的描述，各种类、各层次的元数据可以在框架下构成一个有机的整体［4］。

图1 地理空间元数据体系框架

地理空间元数据体系框架的特点如下：

1)根据地理空间元数据描述对象的差异，分为三大类别：

a.数据库元数据：又可以称为“数字周边”全局元数据，是对“数字周边”地理空间数据库的描述信息，包括数据库的名称、标识、内容描述、访问方法、更新日期等。

b.数据集系列元数据：又可以称为界段元数据，是对某条界段的描述信息，包括界段的名称、标识、空间范围、包含的图幅个数等。

c.数据集元数据：又可以称为图幅元数据，是对具体某个图幅的描述信息，包括数据集的标识、质量、表示、参照系、内容等。

2)体系框架中的重点是数据集元数据(即图幅元数据)，它是“数字周边”地理空间元数据描述的重点内容。

3)从应用层次上考虑，“数字周边”地理空间元数据分成两个层次：

a.核心元数据(即一级元数据)：是标识一个数据集所需要的最少的元数据实体和元素，核心元数据不再细分子集。它是面向应用的元数据，主要用于数据编目和数据发现服务。

b.完全元数据(即二级元数据)：是建立完整的数据集文档所需要的全部元数据实体和元素，通常又细分为若干子集。它是面向内容的元数据，主要用于数据的标识、评价、摘录、使用和管理。

4)核心元数据是在完全元数据的基础上，通过对完全元数据选取和裁剪而生成的。

5)完全元数据是在相应地理空间数据产品(如数字矢量地图)的基础上生成的。

6)与“数字周边”地理空间数据的形式对应，元数据的形式包括：数字矢量地图元数据、数字栅格地图元数据、数字影像地图元数据和数字高程模型元数据。这4种元数据形式的数据内容大体一致，包括标识信息、数据质量信息、空间数据表示信息、参照系统信息、发行信息等元数据子集。而且，对于同一空间范围、同一比例尺的不同数据形式的图幅而言，其元数据标准的数据内容有很多是相同的(例如空间范围、空间坐标系、生产单位等)。

7)数字矢量地图元数据、数字栅格地图元数据、数字影像地图元数据和数字高程模型元数据，是数据集元数据(即图幅元数据)的主要内容形式。

8)数据集系列元数据(即界段元数据)，是在数据集元数据的基础上，通过选取、融合得到的，可以进一步细分成核心元数据和完全元数据。

9)数据库元数据(即全局元数据)，是在各界段元数据的基础上，通过选取、融合得到的，也可以进一步细分成核心元数据和完全元数据。

三、地理空间数据集元数据设计

1.元数据的组织结构

元数据按层状结构进行组织，分为3层：元数据子集、元数据实体和元数据元素［5］(如图2所示)。元数据元素是元数据的最基本单元，是逻辑上不可再分割的数据项;元数据实体是同类元数据元素的集合;元数据子集是相互关联的元数据实体和元素的集合。元数据实体可以有两类(简单实体和复合实体)，简单实体只包含元素;复合实体既包含复合实体和简单实体，又包括元素。

图2 元数据的组织结构

复合实体、简单实体及构成这两种实体的元素之间具有继承关系。复合实体的例子如图3所示，复合实体“数据集范围”由地理范围、时间范围和高程范围等3个实体组成［6］。用图形表示时，元数据元素为一个带阴影的方框，框内填写元素的名称;实体及复合实体则表示为围绕数据元素和(或)其他实体的方框。其中，“地理范围”又是复合实体，它由4个元素和1个“地理区域”实体组成。“地理区域”实体又由两个元素组成;“时间范围”实体由3个元素组成;“高程范围”实体则由两个元素组成。

图3 元数据元素、实体和复合实体

2.完全元数据

完全元数据的数据内容，可以采用UML图和数据字典两种方式进行描述。UML图通过图形方式准确地表达元数据元素、元数据实体和元数据子集之间的关系，便于将元数据内容转换为XML编码形式，并且具有语义严谨、无歧义的特点。完全元数据的数据内容根据其所描述方面的不同，将众多元数据实体、元素、代码表放置到不同的元数据子集中，以便于理解和管理。图4所示为元数据子集框架，包括标识信息、数据质量信息、数据表示信息、参照系信息、内容信息、分发信息和元数据参考信息7个元数据主要子集;还包括引用信息和联系信息两个可重复使用的次要子集。每个子集(UML包)由若干个实体(UML类)和元素(UML属性)构成。可重复使用实体(引用信息实体、联系信息实体)由其他子集调用，不单独使用。

图4 元数据子集的框架

3.核心元数据

由于数据集元数据的完全元数据内容复杂、元数据实体和元素众多，实际应用(尤其是数据编目和数据发现应用)中通常仅使用它的一个子集，来回答诸如“特定专题的数据集是否存在(what)”、“是否覆盖特定的地区(where)”、“数据集特定的日期或时段(when)”以及“了解更多情况或定购数据集的联系方法(who)”等基本的问题［7］。对于这种标识一个数据集，特别是用于数据编目和发现所需要的最少量元素称为“核心元数据”。“数字周边”地理空间数据集元数据中核心元数据如表1所示。

四、结束语

“数字周边”的地理空间元数据，是针对具体工程项目和应用系统提出的“领域专用元数据”。为了确定它的各级元数据的数据内容，首先要确定地理空间元数据体系框架。本文设计了地理空间元数据的体系框架，重点对数据集元数据的数据内容进行了研究，确定了数据集元数据的组织结构，设计了完全元数据的子集框架，基于实际应用提出了核心元数据的数据元素。