数字建筑与增强打印技术：优化国家空间数据基础设施

（1）中国国家信息基础设施

中国国家信息基础设施（China NII）的内容包括：信息基础设施（包括信息源、信息传输网络和信息应用系统），信息技术及产业，信息人力资源，信息软环境（包括信息政策、法规、标准和规范）。中国CNII这些年建立了金桥网“信息中速国道”，将以光纤、卫星、微波、程控、无线移动等多种通信方式，形成天地一体的网络结构，与邮电系统之中国公用分组交换数据网（China PAC）、中国公用数字数据网（China DDN）和公用电话网（PSIN）互联互通、互为备用；并与金融网以及其他信息数据专用网互联互通、互为支持。金桥基干网是网中之网，其用户是个专用业务网络系统。建成了一批对国民经济社会发展急需的应用信息系统工程，即金关、金卡、金税系列应用系统工程。

我国信息网络现有基础：

①中国互联网ChinaNet是中国电信经营管理的基于Internet网络技术之中国公用计算机互联网。服务包括：WWW服务、信息查询Gopher、文件名查询Archie、关键字查询WAIS等。

②中国公用分组交换数据网（CHINAPAC）由原邮电部建成。它由国家骨干网和各省、区、市的省内网组成，骨干网覆盖到全国各省会城市与公用电话网互联。业务包括：电子信箱、可视图文、电子数据交换、数据库检索和传真存储转发业务。

③中国公用数字数据网（China DDN）是利用光纤（或数字微波和卫星）数字电路和数字交叉联结设备的数字数据网。特别适合于对传输时延要求高、信息量大的用户的要求。

④中国教育和科研网（CERNET）是由教育部和主要高等学校联合建设的网络，其目的是加强信息基础设施建设，提高综合国力，缩小我国与国外先进国家在信息领域的差距，改善我国教育和科研事业的基础条件，促进国内外交流，有利于人才培养；为我国计算机信息网络建设积累经验，并取示范作用。

（2）国家空间数据基础设施

国家空间数据基础设施（NSDI）是继国家信息基础设施（NII）的又一国家级信息基础设施。它是为解决空间数据上网，即在Internet—Web上运行的技术系统由于空间数据（Spatial Data）比一般数据要复杂得多、在网上传输的难度要大得多的难题而进行的单独研究。空间数据主要是指地学空间数据（GSD），不仅因为地学空间数据更加复杂，而且它占总的信息量的75%～80%，对于推动社会经济发展，提高自然资源管理以及保护环境都至关重要。但NSDI这个名词，早在1992年是由美国制图科学委员会（MSC）首先提出来的。

国家空间数据基础设施是指地学空间数据的获取、处理、访问、分发以及有效利用所需的技术、政策、标准和人力资源。地学空间数据是指标识地球表面的自然或人工建筑要素及境界的地理位置和特征的信息。这些信息可以从各方面获得，尤其是通过遥感，制图和测量技术获得。统计数据也可包括在内，根据情况由收集机构决定。国家空间数据基础设施的内容框架：“获取、处理、访问、分发及提取地学信息应用所必需的技术、政策、标准和人力资源”，具体内容为：数据、标准、技术、政策及组织五个部分。

国家空间数据设施是由：数据、标准、技术、政策、分发机制、机构职能、人力与资金等几个方面组成。国家空间数据设施包括以下几个方面：数据源、数据库和原数据、数据网络、技术服务、组织机构、政策、标准及用户等几个方面。框架有四个主要构成：信息内容、技术背景、操作背景和商业事务背景。信息内容是指框架的数据组成；技术背景包括建立和操作框架所需的技术因素；商业使用背景解决保证框架数据可用的条件。

图1-16　国家空间数据基础设施的组成框架

①信息或数据内容

大多数组织使用的地理数据专题：大地测量控制、正射影像、地形图、高程、交通、水文、行政单元和地籍信息。

a.大地测量控制

大地测量控制包括大地测量控制站和相关的信息：名字、特征标识码、经纬度、绝对高度和椭球高度，以及每个站的原数据。每个大地测量控制点的原数据，包括描述数据、定位精度、条件，以及与控制点相关的其他特征。大地测量控制信息可用于规划测绘、评估数据质量、规划数据收集和转换，使新的数据区域适合已存在的覆盖层。

b.正射影像

正射影像提供经过位置纠正的地球图像，由航空摄影或其他遥感数据经过传感器纠正和地形影响的消除。正射影像同地图有同样的特性，有一致的比例，数字正射影像由地球参考的像元阵列构成，有离散数据值的地面反射率编码。许多地理特征，可以从正射影像中解译或编辑出来。正射影像可以作为背景，使应用的结果表现在陆地景观上。各种分辨率的图像，精确定位的，高分辨率的数据（每个像元1米或更高）对征的编辑是很有用的，特别是支持那些局部的数据需求。正射影像为各种应用提供有用的工具，因为许多特征可以在正射影像上看见。

c.地形图

以相对平衡的详细程度表示地面各种自然和人文现象的地图。着重表示制图区域最一般的自然和社会经济现象的地图，即以水系、地貌、土质植被、居民地、交通网、境界，以及独立地物为主要制图对象。为各种应用提供有用的工具。

d.数字高程

高程数据提供地形的信息。高程是指空间参考的一个数字表面之上或之下的垂直位置。包括陆地表面的高程和水面下的深度。对于陆地表面，包括高程矩阵，高程值以每2弧秒或更小尺度（约为47．4米）。对于深度，包括声纳和栅格海底模型。水深由一个相关的垂直参考表面确定。　高程用于许多不同的应用。需要地形的表示，例如等值线图、地貌晕渲。高程数据也用于建立模型，例如剖面计算、道路规划、水流。在应用和制图中，高程数据常同其他数据组合。

e.交通

交通数据包括下面的共同的交通网络和设施特征：

公路：中心线，特征标识码，功能级别，名字，街道地址范围。

小路：中心线，特征标识码，名字，类型。

铁路：中心线，特征标识码，类型。

水路：中心线，特征标识码，名字。

机场和港口：特征标识码，名字。

桥梁和隧道：特征标识码，名字。

交通信息有许多应用。有些部门用于参考，作为基础制图的一个元素。其他部门应用它以附加其他信息，如地址相关的信息或街道属性。交通特征和相关数据对许多规划也是重要的内容。地理编码用道路和相关地址数据，这些应用从市场分析到厂址确认。路径分析用街道网络数据，如交通工具的运行和管理。

f.水文

包括地球表面的水特征，如：湖泊和水池，河流和溪流，运河，海洋，海岸线。每个特征有一个名字属性和特征标识代码。用中心线和多边形来编码这些特征的位置。用户需要水文网络的联结性和水流方向信息。需要这些信息用于水供应、污染、洪水灾害、野生动物、开发和土地的持续性的分析和模拟。

g.行政单元

包括行政单位的地理区域，包括：国家、省或州、县。行政单位包括名称、编码。行政边界可包括其他特征信息（如河流，道路等）。行政单位多边形可确定所包含其他特征的数量。商业GIS常用这些边界作统计分析和决策。

h.地籍

地籍信息特征包括测量角、测量边界和地块等。地籍信息是许多分析、决策制定和操作应用的基础。例如厂址选择、土地利用管理、交通规划。

②技术内容

a.空间数据模型

对于正射影像和高程数据，采用栅格数据模型。观测位置由单元或点阵列表示，单元值表示属性。对于其他数据，用基于特征的矢量数据模型。一个特征就是地球上一个地理实体的描述。例如，一条公路、一个湖泊、一个地块或一个县。一个特征可被联结到一个空间对象（例如点、节点、链和区域）以标识它的位置。不同的空间对象集合有不同的分辨率。一个特征由独一无二的编码来标识：即永久特征标识码。它的位置（Location）特征可通过它与空间对象（例如点、节点、链和区域）的联结（Linkage）来描述。一个特征可由属性集和关系来进一步描述。属性定义了特征的性质，如，湖泊的名称、道路类型、县的人口等。关系可以定义为表示两个特征之间的相互作用，例如河流系统的流或交通网络的联结性。

数据有特定的空间描述、属性和关系，用户可以添加这些因素的详细细节来满足他们的需要。用户的数据通过特征标识码来同框架的特征联结。用于对矢量特征的位置编码的空间对象必须遵循拓扑规则。链只在节点处相交，所有的节点固定链的终点。对于一个区域（Area），将有链来构成其边界，链将标识区域是在其左或在其右。区域间的空隙（Gaps）或重叠（Overlaps）是不允许的。空间数据模型的开发需要详细的数据模型，专题的数据模型将被集成以形成框架的一个数据模型。已安排了建立框架的共同数据模型的程序，各专题的数据模型的开发已在进行之中。结果模型将提供模板，以便使用和贡献框架数据，对这些数据模型开发本地扩展。当本地数据模型由本地操作需要驱动时，模型提供一个有用的起点。

b.永久特征标识码

每个出现的特征分配一个独一无二的、永久的特征标识码。这个标识码提供一个关键字，通过它用户可以把框架数据同自己的联系起来，对事务更新可作为跟踪（Tracking）机制，并且联结一个在不同分辨率和穿过不同区域扩展的特征的表示。一旦分配后，永久特征标识码就不再修改，除非这个特征经过大的变化，例如一条道路被毁、一河流变成了湖泊。特征标识码提供了确定框架数据单元的一致方法。

c.多分辨率和综合

不同的用户需要不同分辨率的地理数据：例如，地方政府需要覆盖较小区域的较详细的数据；一个州部门需要覆盖较大区域较粗略的一致的数据，包括有地方政府详细数据的区域。通常，这些需要通过独立的数据收集工作来完成。框架的一个目的就是改变这种方法。一个区域内可获得的更详细的、更精确的、更现时的和更完整的数据将形成框架的基础。更新地理数据的努力将集中在这些详细的数据上。对次一级详细程度的数据的需求可以通过对这些详细数据的综合来得到。结果将形成一个共同的数据基础，在这个基础上建立多元的、综合的观点。各界正在寻求克服到达这个目标的各种技术上的和操作上的障碍。(www.xing528.com)

d.坐标参考系统

一个共同的坐标定位参考系统保证数据可以联结和集成。鼓励在数据中使用经纬度坐标，这个系统提供了一个无缝的坐标系统，并可以转变成各种投影和栅格坐标系统。水平坐标信息引用1983年北美数据（NAD83），垂直坐标信息引用1988年北美垂直数据（NAVD88）。

e.空间跨越上的一致性

框架数据是无缝的跨越收集区域。例如一条公路跨越一条县界时，在县界处不应该有缝隙。作为一般原则，当数据并入框架时，数据的位置不被修改。在并入框架之前，穿过不同数据收集区域的特征在位置上要作调整，通过不同的区域数据收集者共同协调工作来完成。数据提供者应同他们的相邻地区提供者一起来作调整数据，减少不确定性。这个被称之为“水平集成”的技术将用于吻合得不好的数据建立无缝的覆盖层。

f.专题间的一致性

数据在各专题间是一致的。维护不同专题上的特征的相关关系，对各特征的一致性调整，例如一条边界沿着一条河流，这就需要匹配。更具有挑战性的问题是高程专题数据和水文专题数据的一致性。在专题间调和不一致性的过程称为“垂直集成”。这里同样，一般的原则是当数据并入框架后数据的位置不再被修改。因此特征在并入框架之前，它们必须是垂直集成的。当数据不吻合时，就需要垂直的技术过程。垂直集成方法：垂直集成可以有不同的方法。可直接调整数据，或位置调整，没有实际的联结。关系或联结可以在不同的专题内相关的特征间建立。虽然研究满足通用的需要，特定部门的需要也要考虑。这是参与者为什么重要的另一个原因。

③操作技术

a.操作特征

（a）框架支持事务更新，数据生产者只提供变化的文件，用户仅需要处理这些变化的部分；

（b）框架过程保证通过信息网络和数字媒体对框架数据的官方版本的访问；

（c）可通过国家空间数据交换中心发现框架数据。

b.框架覆盖层

这个目标是包括由较小区域生产的地片数据构成的框架数据覆盖层。对每一个贡献数据的地片，地理区域没有固定的大小。

c.集成

框架是基于许多组织建立的数据。对于覆盖一个地理区域的数据专题，可能有许多，有时是重复的数据源贡献给框架。用户需要跨越其地理区域的不同专题的一致的数据。

d.数据的定位

（a）数据可以驻留在每个生产者的站点上；

（b）一个部门可对许多生产者生产的数据进行访问。一个站点可以提供对其数据的访问，也可以把数据主动发往用户；

（c）有许多部门使用框架数据，并对框架贡献数据。

e.技术的挑战

（a）开发集成数据的规则；

（b）建立永久特征标识码的规则；

（c）提供数据精度的标准测试以及数据认证的方法；

（d）开发把局部拥有的高分辨率的数据综合和合并到区域或国家的数据中的方法；

（e）开发处理数据事务的方法；

（f）开发管理数据的历史或过去的版本的方法。

④商业背景

为了达到框架被广泛使用的目标，它的数据必须是开放可访问的；包括数据的信息；以公用的、非私有的格式、遵循标准，以及是被认证的。框架的商业使用背景的一个基本前提是避免有限制性的实行。符合这个目标的基本因素是提供及时的和平等的数据分发；提供不受限制的数据访问、使用；确定数据访问价格。

a.数据费用

当框架数据被广泛访问时，一个框架操作必须能够收回部分或全部的数据访问费用。访问框架数据的价格必须限制在提供访问和分发的花费上。对每个框架操作，一个价格单位必须被确定。例如，价格是基于所访问的数据量，或是被访问元素的数量，或是被访问的专题或层数量、区域的大小，还是访问时间？当用户访问各生产商的数据时，这些方面是很复杂的。

b.数据访问

框架数据必须是广泛使用的，所以应避免任何限制访问的实践和布置。私有的格式、排外性的布置、使用上的限制性、超过数据提供的价格等都是不可接受的。必须以及时的和平等的方式提供给用户现时的数据。操作上、机构上和技术上的能力和过程，必须保证不受限制性的访问。

c.关于数据使用的信息及格式

框架包括数据的限制条件的信息，例如对数据使用的选择或建议、数据质量评估、放弃、可靠性条款。框架数据必须是公用的，非私有的格式。

（3）数据标准

数据的标准与规范是数据共享的基础。包括核心数据及专题数据的标准与规范等，如：大地测量控制点的水平与垂直坐标标准及名称、要素识别代码、原数据及位置程度等；交道运输数据的分类与名称、要素识别代码标准等；行政单元界线的分类与标识代码标准等；地籍数据的各种测量、说明性参考及地块与地块的测量描述标准等。标准与规范的制定的目的，是为了统一表达，方便将不同地点、单位的同类或异类的数据的集成和应用。目前正编制辅助标准与指南以支持框架，包括地理参考、数据质量、数据集成及数据转换等标准。框架数据必须满足最低的框架标准。专题数据的种类繁多，其标准与规范工作，包括建立分类体系和编码体系等。

GIS标准由信息技术标准和空间数据标准组成，是空间数据基础设施的核心标准。GIS标准经应做到以下三点：首先，GIS标准的发展应当超前。而标准化的实时性却非常关键。如果标准化开始的太迟，则标准制定者和用户之间很难达成统一的决议；如果太早，又会遏制技术的改进甚至使技术偏离它自己最初的发展轨道。　其次，目前GIS标准的发展包含了最终用户的参与。GIS用户不仅考虑软硬件的互操作，对数据的互操作也非常关注——如术语、语法、含义等。GIS用户已认识到正在发展的许多空间数据标准在很大程度上将被GIS数据生产者和用户采纳。　第三，GIS标准需要集成。GIS世界认识到标准应当成为一个标准的集成系统来发挥作用，而不是一系列独立的标准。出台的原数据标准和数据质量标准将成为其他的标准的一部分。为避免重复和不兼容性，需要进行总体规划、协调作业，发展GIS标准，使之成为空间数据基础设施的结构体系。

（4）组织与管理

国家空间数据基础设施（NSDI）共享技术分三个层次进行。其基础是标准化与规范化包括数据标准与系统标准。GIS标准基础设施和全球空间数据基础设施层次的一致性，为空间数据一体化铺平了道路，使得GIS标准不仅能够在空间数据基础设施各层之间进行横向集成，而且也能够在各层之间纵向集成。这样，全球空间数据基础设施为国家GIS标准的发展、拓展和实现就起了重要的促进作用，反过来，标准的成功也决定了空间数据基础设施的可行性。作为全球标准基础设施的一个特殊子集，GIS标准基础设施为GIS标准的协调和集成发展提供了一个组织框架和过程。框架数据遵循标准，使用户了解数据的特征，要符合最低限度的标准，如FGDC的原数据和地籍数据标准，必须经过认证。支持框架的另外的标准和指南也在开发之中，包括地理参考标准、数据质量标准、数据集成和数据转换。框架数据必须满足小限度的框架准则，这个过程保证基础数据以及集成。

①国家层

全球范围内，空间数据基础设施国家中发展迅速的典型仍是美国。在美国，标准化在州政府、联邦政府、国家和国际层上进行。美国州下面从事标准制定的是市和县。联邦政府层中，国家标准与技术研究所（NIST）为联邦政府中的各组织传播标准，它是一个正式的标准实体。而联邦地理数据委员会（FGDC）是联邦政府层的主要用户，它由主要对空间数据感兴趣并从事这方面工作的联邦机构组成。FGDC被授权开始发展空间数据标准，并已批准了空间数据传输标准（SDTS）和拓扑矢量普范（TVP）标准，发展了原数据标准，以及多项其他标准草案。属于该层的正式标准团体，为美国国家标准研究所（ANSI）授权的L1，GIS技术委员会。国家层中的用户／产业组织包括Open GIS协会（OGC）、国家州地理信息委员会（NSGIC），以及联邦地理数据委员会。最近成立国际标准化组织（ISO）地理信息/地球信息技术委员会TC211。

②区域层

在GIS标准基础设施的区域层中，欧洲有一个正式的区域标准团体，即欧洲标准化委员会（CEN）。有两个技术委员会在直接从事这方面的工作，它们是CEN／TC278公路信息和CEN／TC287地理信息委员会。区域层中，用户／产业组由数字地理信息工作组（DGIWG）、UROGI和亚太GIS基础设施常设委员会组成。DGIWG制定了用于军事的数字地理交换标准（DIGEST）。EUROGI与欧洲标准化委员会（CEN）保持一致，仅作为SIO标准的用户而已。欧洲和亚太区域空间数据基础设施目前已达成共识，通过ISO／TC211为全示空间数据基础设施提供所需的GIS标准。空间数据的全球共享是非常关键的。它为改善生活质量和保护国家、区域和全球环境带来了国际效益。

③国际层

在国际层中，ISO有100多个成员国，其中每一个国家都有ISO中代表本国利益的国家标准组织。国际层中的用户／应用组包括：国际制图协会（ICA）、国际水文局，以及国际摄影测量与遥感学会（ISPRS）。1994年4月，ISO／TC 211地理信息／地球信息委员会成立。从用户角度看，ISO／TC211有9个A类联络员和7个其他ISO技术委员会。空间数据基础设施所需的GIS领域各个层次的标准正在由该委员会发展。当前的工作内容包括20个工作小组的项目，并将成为标准。ISO把该工作定为ISO 15046，ISO／TC 211涉及的内容比较广泛。全球空间数据基础设施的成功直接依赖于GIS标准基础设施以及其国际组织的ISO/TC211的发展。