城市基础设施实施空间数据的共享

城市空间数据基础设施的共享技术研究
摘要：城市空间数据基础设施（USDI）是“数字城市”建设的关键环节，该文分析了城市地理空间数据的应用特点及目前地理空间数据共享存在的问题，围绕地理空间数据共享与互操作，从机构体系、空间数据资源、政策法规与标准体系、数据交换与服务体系等方面，对城市空间数据基础设施进行研究。

关键词：空间数据基础设施；数字城市；空间数据共享
当前，数字城市受到广泛的关注，许多城市都在积极规划和建设各自的数字城市。

城市数据中与空间相关的约占总量的75%以上，对这些数据来说，属性、空间、时间三个要素是不能缺少的基本特征，表明“数字城市”建设对空间信息资源共享的实际需求，也表明以时空框架整合多源、异构、多时相、多类型的数据是组织管理城市海量数据的最好方式。

1 城市地理空间数据的应用特点
城市地理空间数据具有的应用特点：
1）共享性强。

基于Internet / Intranet 的分布式GIS 用户，虽然应用目的不尽相同，但他们的工作需要具有公共的数据基础。

2）数据类型的多样性和服务对象的多层性。

城市数据包含了地理要素和资源、环境、社会经济等多类型的数据，在时间上是多时相，结构上多层次，性质上又有“空间定位”和“属性”之分，既有以图形为主的矢量数据和以遥感为源的栅格数据，又有关系型的统计数据，还有声音、影像等多媒体数据，因此必须对数据模型提出特殊要求。

在服务对象方面，既要考虑对单一类型数据的需求，又要满足用户多源数据集成与融合的需要，因此，空间数据在服务对象的多层性上有很高的要求。

3）精度高、现势性强。

从特定角度看，城市空间数据基础设施（USDI）面对的是大比例尺地学中的应用，其精度要求甚高，另外城市化进程和城市发展加快，对信息更新的时效性要求也随之提高，必须保持数据良好的现势性。

4）严格的层次结构和高度统一的规范标准。

城市的职能部门很多，结构复杂，因此USDI 从数据生产到数据分发服务，在层次结构和建设顺序上均有严格要求。

且在信息标准、技术标准和系统标准上必须有一整套规范，以确保空间信息共享和系统兼容。

2 我国城市地理空间数据共享存在的问题
地理空间数据共享，是指地理空间数据的社会化应用，就是数据生产部门、用户和数据经销部门之间以一种规范化、稳定、合理的关系使用地理空间数据及相关服务机制。

地理空间数据的共享，深受信息相关技术的发展水平、相关标准化研究及其所制定的各种法规保障制度的制约。

高质量、可共享的空间数据是数字城市建设和应用的瓶颈。

目前，我国城市信息化建设受到信息资源共享的制约，
存在问题有：
1）城市内各部门信息化建设发展不平衡，由于缺少空间信息资源体系支撑，相当一部分职能部门还处在低级建设和应用阶段，仍然存在“信息荒岛”。

2）虽然网络上空间信息资源在不断增长，但由于行业管理和数据安全等原因，这些资源各自独立、相互屏蔽、条块分割、缺乏基本的共享机制，无法实现跨领域、跨部门、跨应用的信息资源共享，也无法实现整个城市资源的集成。

这些资源基本上仍然是信息孤岛。

3）城市基础地理数据库建库成本高，使得城市空间信息资源严重缺乏；数据种类比较单调，现势性较差，可用性低。

4）城市空间数据建设的重复性、无序性和低效性的矛盾十分突出。

5）标准化程度低，空间信息通常具有比较复杂的结构，不同GIS产品采用不同的数据模型来描述空间信息，由于GIS产品在服务接口上的各异性和局限性，很难满足基于网络空间信息互操作的需求。

3 城市空间数据基础设施及其构成
以上问题的解决办法和途径就是建设USDI。

USDI 是实现空间信息共享的基本保障，它提供数据获取、访问及使用兼容的空间数据的最佳途径，仅通过协议、标准和技术，使得用户能够容易地发现、获取、使用和共享空间信息，通过对多种空间信息集成降低成本，免除因重复采集空间数据和开发用于发现、交换和使用这些数据的软件而造成的巨大浪费。

空间数据基础设施主要由机构体系、标准、数据集以及空间数据交换与服务网络组成。

3.1 USDI 的功能
USDI 是国家空间数据基础设施的延伸和重要组成部分，它能够满足空间数据高速传输、网络集成应用和信息服务的相关基础设施。

其基本功能有：1）具备处理和管理海量、多维空间信息的地理空间信息系统软件和发布、传输海量空间数据的宽带网络系统来支持空间数据的网络共享和互操作；2）依托共同的地理空间定位数据框架进行建设，满足空间信息地理上分区、层次上分级、专业上分类处理和综合集成的需要；3）满足多层次用户广泛、多样的网络集成应用需求，支持分布式异构空间信息系统的网络规范化共享。

在物理上是一个跨部门、跨地区、多专业、多层次、分布式的区域开放系统。

既能支持宏观用户，也能支持更普遍的微观用户，特别是支持“电子商务”的物流配送。

3.2 机构体系
USDI 是一个开放的、复杂的系统工程，涉及面非常广泛，部门间利益的不平衡将会影响USDI 的建设，因此需要采取一系列的有效组织措施。

建设USDI应该摆正政府的位置，正确运用市场机制，在建设过程中政府要起引导作用，同时要调动市场各方的积极性。

首先成立政府主要领导负责的权威空间数据和地理信息协调领导机构，包括从事数据获取和加工的骨干生产组织；专门从事空间数据维护和提供的单位。

这个机构负责行政和技术实施方案的制定，招标工作、工程方案的落实，监督工程质量和工程进度。

其次，USDI 具体建设、管理、维护、更新工作应交给公司负责，即把原来从属于各部门的空间数据生产单位剥离出来，脱离政府、事业单位序列，成立城市基础数据集团公司，同时还需要成立空间数据分发与服务中心，以最大限度地发挥地理空间框架数据的作用。

3.3 空间数据资源体系
USDI 空间数据资源包括框架数据和地理空间数据以及空间元数据。

重点需
要研究的是框架数据和地理空间元数据。

框架数据不仅提供有关自然、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、图像、文本、视频、音频信息提供了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。

框架数据对所有用户应该免费共享或酌情收取少许成本费。

框架数据的选择以适度反映自然景观与人文景观的复杂性及其基本特征为准则。

城市空间框架数据除了我国国家地理空间框架数据所涵盖的DOM、DEM、行政边界、居民地、道路、水系以及大地控制点和地名、土地覆盖的内容外，还应包括城市地籍、房产、规划（包括规划红线、蓝线和绿线）、三维建筑模型和地址编码等。

地理空间数据在这里指与空间相关的非框架数据。

这些数据包括自然资源数据（例如土壤、植被、水资源、矿产资源）；能源数据；生态环境数据；公用设施数据；人口数据和社会经济数据等。

空间元数据描述了数据的内容、质量、情况和其他特性，可以帮助用户定位、理解和使用空间数据。

3.4 政策、法规与标准体系
为了解决USDI 建设和运营中可能发生的条块分割、各自为政、无序建设、标准不一、资源封闭、相互扯皮等问题，最大限度减少人为干扰因素和协调难度，必须加强政策法规体系的建设，从项目一开始就要确保建设的可持续性、规范化行为、减少摩擦、提高效率、保证共享。

政策法规主要包括数据管理和工程管理
等方面的政策法规。

制定数据政策的原则应是促进城市空间数据的公开，发展基于数据的服务。

国内对空间数据政策的理论已经进行了一些卓有成效的研究，当前有必要结合城市的特点，尽快制定相应的政策法规并颁布实施。

空间数据共享的标准化贯穿在空间数据采集、处理、分发、传输、应用的全过程。

国外地理信息标准化工作大体可分为两部分。

一是对于已经发布实施的信息技术标准，可以直接引用或者经过修编采用。

二是研制地理空间数据标准，包括数据定义、数据描述、数据处理等方面的标准，是空间信息共享所特需的。

根据空间数据与空间信息系统建设和应用的流程，城市空间信息标准体系（表1）可以分为：空间参照系及时间模式标准、空间元数据标准、数据获取标准、信息更新与产品标准、信息质量标准、信息分发服务标准、公共信息服务平台、空间信息系统建设和管理标准。

3.5 空间数据交换与服务网络
空间数据交换与服务网络是USDI 的重要组成部分，其目的是最大限度地挖掘和发挥空间数据的效用，为政府、企业、社区和公众提供高质量的基于空间信息的服务。

它包括作为网络结点的各种地理信息系统（含软硬件，空间数据库系统）；数字化空间通讯网络等。

由于城市空间数据的多源异构性，以及分布式空间数据服务器和用户端所采用的平台很可能不同，因此需要建立对空间数据跨平台的共享和互操作机制。

XML 优良的数据存储格式，良好的可扩展性，高度结构化和方便的网络传输，使得XML 可以作为用户与数据源之间，甚至作为数据源之间交互的一种标准语言。

3.5.1 基于GML 的数据转换接口和基于XML 的元数据表示层提供了空间数据和非空间数据的整合能力；提供了到GML 数据编码的转换接口；提供XML格式的目录元数据及其管理的导航功能。

3.5.2 基于GML 数据表示层和XML 元数据表示层之上利用XML 的可扩展性建立的各种层次的服务：空间数据导航服务；空间数据和非空间数据的网络交换服务；在数据导航服务的基础上可构建多层次的各种服务（高层服务）。

4 结语
80%以上的城市资源由政府所拥有，数字城市的核心应用———电子政务与以GIS 为代表的空间信息系统有着天然的紧密关系，需要城市数字化的信息资源体系的支撑，否则电子政务只能停滞于公文的流转层面。

随着电子政务由政府上网工程向更高层次发展，可以预见USDI 将步入发展的快车道。