数字边界中地理空间元数据体系框架设计

赵军喜，华一新，张亚军

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、民族团结及边境地区的经济建设、社会安定和人民生活［1-2］。20世纪90年代中期以来，我国就已将地理信息技术用于陆地边界业务工作，并以边界地理空间数据库为基础，以划界、勘界、联检等系统为核心，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统一的规划设计，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。

数字边界工程建设，是要实现各种边界信息的快速获取和综合管理，实现不同部门间边界信息的集成与信息共享，实现基于边界信息应用的综合分析和辅助决策，为边界信息的有效应用提供数据资源和信息系统的保障。数字边界工程建设的一个主要目标就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，设计建立数字边界数据库，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，其中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，也是数字地球建设能否走向成功和实用的关键［3］。同样，数字边界中的地理空间元数据技术也是数字边界工程建设能否最终成功的关键。

数字边界的元数据，按照应用领域进行分类应该隶属于领域专用元数据。目前，在数字边界领域进行的元数据研究还不多见，它是根据数字边界工程建设的特点制定的，并用于数字边界工程项目的实施。它是在满足项目需要的前提下，在共享元数据和领域元数据的基础上进行扩展后建立起来的［4］。其中，共享元数据是众多领域元数据内容的一个统一的框架（如ISO/TC 211的“地理信息元数据”、我国的“地理信息元数据”等），并用于指导各个领域制定各自的元数据；领域元数据是根据各自领域数据资源的特点，在共享元数据的基础上确定各领域元数据的内容框架（如“基础地理信息数字产品元数据”等）。目前已有的各种元数据标准，大部分是针对共享元数据和领域元数据制定的，而针对数字边界这个具体项目还没有相应的领域专用元数据标准。本文针对数字边界工程中地理空间数据的复杂性、多样性等特点，研究面向数字边界的、更容易被多数用户接受和使用的、多层次的地理空间元数据体系框架。

二、数字边界中地理空间数据的类型及特点

要进行数字边界中地理空间元数据体系框架设计，首先需要研究数字边界中地理空间数据的类型及其特点。

1.边界数据类型

数字边界是一项巨大的数字工程，其边界资料和数据十分丰富。新中国成立60多年来，长期的谈判、划界、勘界、联检及日常边界管理工作积累了大量与边界管理有关的图件和各种法律文件，包括边界条约和议定书及其附图、已划定边界和争议界段的各种相关资料、界桩成果、照片、各种协定，以及联检记录等。目前，我国边界大部分都已完成了划界和勘界工作，形成了大量的划界和勘界成果资料。近年来，在相关国界资料数字化和应用系统的建设过程中也积累了大量的边界数据。这些已有的数据构成了数字边界的数据库基础［5］。

数字边界的数据库包括边界基础地理数据库、边界地景仿真数据库、边界专题数据库。其中，地理空间数据主要位于边界基础地理数据库中，包括“数字边界”工程建设所需要的所有基础地理数据，另外在边界地景仿真数据库和边界专题数据库也有部分相关的地理空间数据［6-7］。边界基础地理数据库的主要内容是基础地理信息数字产品，即数字矢量地图（DLG）、数字栅格地图（DRG）、数字影像地图（DOM）、数字高程模型（DEM）。

1）数字矢量地图:是边界基础地理数据库的最主要组成部分，覆盖各条边界所有区域，包括道路、河流、居民地、交通、等高线等基础地理信息。

2）数字栅格地图:作为边界议定书附图（沿边界5 km条带范围）、重点地区、争议多发地区的栅格扫描地图和界桩略图、岛屿沙洲略图。

3）数字影像地图:重点地区、争议多发地区高分辨率数字影像地图。

4）数字高程模型:覆盖沿边界5 km条带范围及边境部分重点区域。

2.边界数据特点

对边界基础地理数据库的数据内容进行分析，可以看出数字边界的地理空间数据具有如下特点:

1）地理空间数据种类繁多。包括周边国家、边境省区的矢量地图、栅格地图、数字高程模型、数字影像地图，以及边界条约附图、议定书附图、界桩略图、岛屿沙洲略图等。

2）地理空间数据形式多样。数字边界中地理空间数据的形式有数字矢量地图（DLG）、数字栅格地图（DRG）、数字影像地图（DOM）、数字高程模型（DEM）。

3）地理空间数据按界段进行组织。地理空间数据以界段为主线进行组织。为了便于数据的集成管理与有效使用，数据的组织采取按范围分区、按内容分层的管理方式，其中分区依据主要是国界界段。

4）地理空间数据的数据尺度多。数字边界中的地理空间数据涉及多个数据尺度［8］:1∶3500万（全国范围总图，覆盖区域包括全国、周边国家）、1∶400万（各个界段的总图，覆盖区域包括边境省区）、1∶25 万（特殊地区用图）、1∶5 万（覆盖区域包括沿边界线5 km条带范围）、1∶1万（覆盖边境重要城市建成区）。

5）地理空间数据的数据量巨大。数字边界的数据量巨大，仅仅陆地国界1∶5万矢量地图就有约1300余幅。

三、地理空间元数据体系框架

1.体系框架设计原则

依据“数字边界”中地理空间数据的内容及其特点，在设计数字边界地理空间元数据体系框架时遵循了以下原则:

1）体系框架要与数字边界中地理空间数据的体系框架总体上保持一致。

2）根据数字边界中地理空间数据按界段进行组织的方式，地理空间元数据的组织方式也可以按界段进行组织。

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）考虑数字边界的应用需求，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上，以满足数字边界应用为前提，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，并针对数字边界工程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，数字边界中地理空间元数据体系框架设计如图1所示。体系框架是对数字边界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［9］。这个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，分成3个大的类别:

a.数据库元数据。又可以称为数字边界的全局元数据，是对数字边界地理空间数据库的描述信息，包括数据库的名称、数据库的标识、数据库内容描述、数据库访问方法、数据库更新日期等。

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。

图1 地理空间元数据体系框架

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），它是数字边界中地理空间元数据描述的重点内容。

3）从应用层次上考虑，数字边界地理空间元数据分为两个层次:

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，通过对完全元数据的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）与数字边界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，也包括标识信息、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（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，可以进一步细分为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，也可以进一步细分为核心元数据和完全元数据。

四、结束语

数字边界中的地理空间元数据，是在已有的共享元数据和领域元数据的基础上建立的一种领域专用元数据，为了确定它的各级元数据的数据内容，首先要确定整个数字边界中的地理空间元数据体系框架。本文在分析研究边界数据类型和特点的基础上，设计了地理空间元数据的体系框架，对数字边界工程的元数据进行了分类和分层的描述，为下一步确定各级元数据的具体内容奠定了基础。

［1］ 刘合辉，张毅，曹一冰.辅助边界谈判划界子系统设计及关键技术［J］.测绘与空间地理信息，2011，34（2）:6-9.

［2］ 刘合辉，张毅，曹一冰.边界谈判划界决策支持系统的设计与应用［J］.地理空间信息，2011，9（2）:49-51.

［3］ GORE A.The Digital Earth:Understanding Our Planet in the 21st Century［R］.Los Angeles:The OpenGIS Consortium，1998.

［4］ SDS/T 2111—2004，元数据标准化基本原则和方法［S］.征求意见稿，2004.

［5］ 赵军喜，张毅，孙庆辉，等.基于 PowerGIS Professional设计“境界信息系统”，GIS的设计、开发与应用［M］.北京:解放军出版社，2004:149-152.

［6］ 郭星华，华一新，白小双，等.中国陆地国界信息系统公众版的设计与实现［J］.测绘通报，2008（8）:56-59.

［7］ 刘小林，华一新，张小朋.国界信息发布系统的设计与实现［J］.测绘通报，2012（2）:77-78.

［8］ 郭奎.边界信息系统地理空间数据处理技术［D］.郑州:信息工程大学，2006.

［9］ 赵军喜.面向数字边界的地理空间元数据研究［D］.郑州:信息工程大学，2008.