多维动态地理空间框架数据的构建①陈　军②(国家基础地理信息中心,北京100044)摘要:地理基础框架数据是数字化地理空间基础框架的重要组成部分。

迄今为止,人们一直是按照平面图或铺盖数据模型,将具有鲜明的多维、动态特征的现实空间世界抽象为二维、静态目标,生产、提供和使用二维(或2.5维)的地理基础框架数据。

该地理基础框架数据在表达或反映三维实体及其时空变化方面有着很大的局限性,不能满足国家信息化的应用需求。

本文就数字化地理空间基础框架的狭义和广义概念、国内外地理空间框架数据的发展过程、地理空间框架数据的三维、多尺度、时态和动态问题进行了初步的分析,并提出了构建多维、动态地理空间框架数据的建议,加强对多维动态空间数据模型的理论研究,开展多维动态地理空间框架数据的建设工程,开拓多维动态地理空间框架数据的应用领域。

关键词:多维动态;地理空间框架数据中图分类号:P 2081　前言当前世界各国信息化发展的一个重要方向是把与人类生存和发展有关的各种自然、社会、经济、人文、环境等要素信息化,按地理空间予以集成,构建数字城市、数字区域、数字国家乃至数字地球[1,2]。

所以,构建数字化地理空间基础框架(digital geo 2spatial fram ew o rk ),与将地球、国家、区域或城市的多类型、多时相、多分辨率的图形、图像、文本、视频、音频信息有机地组织起来,实现海量存储、高效管理与持续更新,提供方便和直观的检索和显示手段,使全社会都能够“充分地利用和共享”信息数据[3～6]。

就狭义而言,这种数字化地理空间基础框架主要由空间基准框架和地理基础框架数据组成(Geo 2spatial D ata F ram ew o rk ,英文缩写为GSD F )。

空间基准框架由参考椭球模型、平面基准、高程基准、重力基准和地图投影系统等组成,其作用是提供一个统一的三维、动态、地心、实用、高精度、时空的空间定位基准,实现多源数据的无缝无边的连接和整合,保证地理空间数据的一致性、兼容性或可转换性[7～8]。

基础框架数据主要包括地形、地名、行政境界、道路交通、水系、土地覆盖、地籍、居民地及遥感图像等基本内容,其不仅提供了有关自然、人文、经济、环境等要素的几何位置、形态特征和相关关系,而且为定位、嵌入或配准各类图形信息提供着二维或三维空间载体,使用户能够按照地理坐标或空间位置集成、检索、展示所关心的自然、社会、经济、环境信息,进行空间分布特征、运行状态、变化态势等的分析模拟[9～10]。

广义地讲,数字化地理空间基础框架还包括相应的法规与标准体系、网络分发服务体系和组织管理体系[11]。

法规与标准体系是关于数字化地理空间基础框架及其应用的一系列技术行为准则,包括定位参照系统、数据模型、数据字典、数据质量、数据转换格式及元数据等数据标准、技术标准和应用标准,以及标准制定、发布、实施与执行监督的法规。

其作用是规范地理空间信息数据描述、采集、处理、分析、查询、表示、转换、工艺和服务,在分布式环境下实现多源、异质、异构数据的流通、共享与系统互操作。

网络服务体系包括有G IS 技术支持和网络化的数据分发、共享的多边形数据传输交换通讯网络。

组织管理体系由权威的协调管理机构、数据生产部门和数第1期　2002年3月地　球　信　息　科　学GEO 2I N FORM A T I ON SC IEN CEN o 11M arch,2002①②作者简介:陈军(19562),男,国家基础地理信息中心主任、教授、博士生导师,国际摄影测量与遥感学会第二委员会主席(2000～2004)、中国G IS 协会会长(1999～2003),国际欧亚科学院通讯院士(1999～)。

主要研究方向:G IS 空间数据模型、空间决策支持系统等。

收稿日期:2001211222　基金项目:国家自然科学基金重点项目(69833010)资助。

据服务机构等组成。

就本质而言,这种广义的数字化地理空间基础框架是国家的空间数据基础设施(N SD I),应作为国家的公益性、基础性事业进行建设[12]。

本文主要是以数字化地理空间基础框架建设为背景,讨论了地理空间框架数据的三维、多尺度、时态和动态问题,提出了构建多维、动态地理空间框架数据的建议。

2　地理空间框架数据的发展过程20世纪70年代,世界各国地理空间框架数据建设大体上经历了全要素框架数据和核心框架数据两个主要发展过程,现开始构思新一代地理空间框架数据。

(1)全要素框架数据。

早期世界各国政府测绘部门主要是生产矢量型全要素框架数据,其是根据平面图数据模型,把现实世界空间实体抽象地看作是由平面上的点、线、面空间目标(spatialob jects),进行纸质地图的数字化,或利用摄影测量手段从影像上获取。

美国地质测量局(U SGS)先后完成了1∶200万全要素地形数据库、1∶10万地形数据库(部分要素)和1∶25万土地利用数据库,开始建立全国1∶2.4万地形数据库。

加拿大完成了1∶25万和南部人口稠密地区的1∶5万矢量库。

根据矢量化的等高线和地形数据,经过内插等,派生出数字高程模型(D E M)[13]。

欧洲大多数国家是根据原有的地图比例尺系列,生产矢量型系列框架数据。

例如,英国军械测量局(O rdnance Su rvey)从1970年开始从事数字化制图,已完成全国范围的1∶5万、1∶25万以及城市地区1∶1250、农村地区1∶2500、山区及荒地1∶10000的矢量地图。

法国地理院从1985年起建立1∶5万全国地形数据库(BD TO PO),x、y的精度为2.5m,z精度为1.0m。

荷兰建立了覆盖全国的大比例尺(1∶1000和1∶2000)及1∶1万数字地形数据库GB KN。

德国自1989年起开始建设全国官方的地形和制图信息系统A T K IS,包括具有拓扑关系的数字景观模型(DLM)和数字制图模型(D K M)[14]。

德国大多数地方都在将1∶1000的地籍图连同GPS测定的界址点转换成基于地块的信息系统,到2007年全德国将利用这些基于地块的数据进行地籍管理、城乡规划等。

日本是亚洲地区最早开展地理信息化工作的国家之一。

其国土地理院(GS I)目前向社会提供数字地图、D E M等系列产品[15]。

数字地图系列中包括覆盖全国的86幅1∶2.5万矢量图,东京、O saka市的1∶2500和1∶1万的矢量地图,部分地区的1∶2.5万数字影像图、1∶20万数字地图和数字影像图、数字道路图(城市为1∶2.5万,乡村为1∶5万)等。

数字高程模型系列中的50mD E M是根据1∶25000地形图生成,全国共有4000幅图(每幅大约10km×10km);250mD E M根据1∶20万的地形图生成的,共88幅(每幅覆盖面积约为80km×80km); 1kmD E M为166幅(每幅1km×1km)。

我国国家测绘局先后于1994年和1998年底建成了全国1∶100万和1∶25万地形数据库、数字高程模型库、地名数据库。

其中全国1∶25万地形数据库含819图幅,包括水系、交通、境界、居民点、地形、植被等14层要素,D E M库分为100m×100m格网和3″×3″格网两种,地名数据库共有805431地名。

不少城市测绘部门生产了大比例尺全要素矢量框架数据,如上海市已完成覆盖全市范围的1∶2000数字线划地图(7511幅)和1∶10000数字线划地图(322幅),城乡结合部和城镇地区的1∶1000数字线划地图(5069幅)、中心城区的1∶500数字线划地图(7758)等。

(2)核心框架数据。

鉴于全要素矢量数据的生产过程复杂、费用较高,美国U SGS于20世纪90年代初,开始建立“4D”产品[16]为代表的简化型框架数据。

我国在20世纪90年代末期,在1∶5万数据库建设过程中先后完成了全国1∶5万DR G、D E M,正在生产1∶5万DOM和DL G等。

在已有矢量数据的基础上,一些测绘部门大力派生简化的矢量框架数据。

例如,英国军械测量局推出了国家道路地名(nati onal street gazetteer)、邮政编码分区(address2po in t TM)、境界数据(boundary2 line TM)、道路中心线(O SCA R T raffic2M anager)等,还参与研制了欧洲行政界限数据库SAB E (Seam less A dm in istrative Boundaries of Eu rope),包括29个国家的行政界限、名称、编码等。

日本GS I 推出了比例尺为1∶2500的空间框架数据(Spatial data fram ew o rk,SD F)等,其中SD F包括路网、行政界限、内陆水体等,覆盖面积约96000km2的主要城市区域,而1999年底推出的数字地图包括了1∶25000地图上的地名、公共设施及其它编码信息。

・8・地　球　信　息　科　学2002年3月(3)向新一代框架数据发展。

值得指出的是,迄今为止,人们一直是按照平面图或铺盖数据模型,将具有鲜明的多维、动态特征的现实空间世界抽象为二维、静态目标,所形成的是二维或2.5维框架数据,难以表达或反映三维实体及其时空变化,往往不能满足应用的要求[17]。

随着国家信息化的逐步深入和普及,人们对地理空间框架数据的内容、维数、尺度、精度、现势、共享、服务等提出了越来越高的需求。

南水北调、抗洪救灾等需要分米级甚至厘米级的高精度数字高程模型[18]。

目前,一些国家的测绘部门正在积极地研究和发展新一代的地理空间框架数据。

例如,时序框架数据、多尺度框架数据、导航框架数据和其它新型地理空间框架数据。

例如,英国军械测量局(O rdnance Su rvey)自2000年起开始在原L and2L ine数据的基础上,研制了一种名为数字国家框架(D igital N ati onal F ram ew o rk,DN F)的新型产品,使用户可以方便地提取所感兴趣范围内的变化要素。

3　地理空间框架数据的三维问题目前人们将二维数字化地图、遥感影像图与D E M叠合,构建三维景观模型,虽能表达地表起伏,所以,本质上只是可视化模型,其原因主要有:(1)人们在地理空间框架数据建模时,是将形状规则的三维空间实体(如建筑物等)和其它空间实体等投影到二维平面上,转化为二维目标,并将其第三维的高度信息做为属性处理,这不仅容易丢失第三维的其它信息,而且在许多场合下导致空间目标划分与表达的困难。

而对于形状不规则的的三维地形(terrain)、海平面(seafloo r su rface)等,通常用格网、T I N s和样条函数(sp ine functi on s)表示。