基础地理信息特征研究.docx

1、基础地理信息特征研究摘 要 我国多数基础GIS数据库由于对地理信息特征研究不甚深入，甚至混淆了与地图数据库概念，在数据库结构的设计上或在地理信息采集的要求上并没有按照GIS数据库的范式、标准、原则和要求去做，因此也就不能很好地提供全面的GIS应用支持。本文简要阐述了地理信息的一些基本特性，给出地理信息系统的建立应该遵循的几条基本原则，提出了用精度、分辨率和现势性来衡量和评价基础地理信息数据库质量的概念。关键词 GIS数据库 DLG数据库 地理信息特性The Research of Base GeoInfo CharacteristicAbstract Most of basal GIS-dat

2、abases cannot support GIS applications in all-sided in our country since they are not real GIS-database at design of DB structure, principia, standard of collecting geo-information and so on due to lack in research of geo-information characteristic or confusing at conception between GIS-database and

3、 DLG-database and so on. This paper describes some basic specialities of geo-information and points several rules that to establish GIS-databases should be followed and puts forward the concept that estimating the quality of basal geo-database by their precision, resolution and present situation.Key

4、words GIS-DB DLG-DB Speciality of Geo- informatio1 引言信息既非物资又非能量，信息就是信息 ，信息论创始人之一的维纳如是说1 。地理信息是信息的重要组成部分，大约占信息总量的80%左右。对地理信息的特点，很多学者进行了很深入的研究，比如对地理信息的客观存在性和抽象性、时间性与空间性、可存储性与可传输性、可度量性与近似性、可转换性与可扩充性、商品性与共享性等等都作了详细的阐述2 。其中时间特性是绝大多数信息最重要的特性之一，当某一条带有时间特性的信息同时还具有空间特性时，该信息就是地理信息了。地理信息与一般信息的根本区别就在于其空间特性，即定位性

5、或指向性。对地理信息特性的理解是建设地理信息数据库的前提和基础，当混淆了地理信息数据库和地图数据库的概念时，所设计或建立的地理信息数据库将不能称作真正意义上的GIS数据库3 ，因为它将不能满足大多数GIS应用的需求。2 地理信息的时空特性地理信息系统（GIS）是涉及地学、测量学、数学、空间科学、信息科学、管理科学的一门新兴的交叉学科，同时，地理信息系统是以地理空间数据库（Geospatial Database，以下简称“GIS数据库”）为基础，采用地理模型分析方法，实时提供多种空间的动态地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机决策支持技术系统。与其他信息系统一样，目前主流的GIS数据库采用的

6、也是关系型数据库（已经发展到“面向对象”技术的应用），因此，在其它信息系统中使用的管理方式基本上也可以用来对地理信息进行管理。而与其他信息系统不同的是，GIS具备对图形的支持，具备图形元素间的拓扑管理，因此，它的复杂程度远大于普通的信息系统。在GIS数据库中存放着大量的被称为“地理信息”的数据，它们也是作为一条条记录被保存的，地理信息具备一些基本的时间和空间特征，是与其他数据库中的信息不同的或略有差别的。2.1 地理信息的精度地理信息与其他社会、经济、军事等信息的最大区别在于它还包含定位（常用坐标表示）、指向（常用方位角表示）等“空间”或“地理”内容。本文论述的精度基本上也仅限于数值上的准确度

7、概念，有关数据库质量的讨论将在以后章节开展。地理信息是需要通过测量来获取的，因此任何地理信息都有其统计精度，其精度的高低、优劣取决于原始数据的精度、数据获取的设备精度、方法、要求、技术、环境等众多因素。高精度的地理信息适用的GIS应用范围要比同类低精度地理信息的范围要广。如：位置精度低于10米的地理信息是无法用于需要1米定位精度的GIS应用的，反之，具备1米位置精度的地理信息可以用于定位要求低于1米的所有GIS应用。地理信息的精度又分绝对精度和相对精度，一般意义上的GIS数据库的信息精度是指相对于该数据库定位基准的相对精度。2.2 地理信息的分辨率地理信息的分辨率是一个比较宽泛的概念，是对地理

8、信息 “细腻”程度的描述。在对栅格数据描述时，“分辨率”用来说明地理信息（数据点）的“密度”（比如影像像素的尺寸、DEM或DTM的格网间距等）。在对矢量数据描述时，“分辨率”又常用“坐标分辨率”代替（在实际应用中，GIS数据库中坐标分辨率可以设到毫米级，因为，控制点的坐标精度通常取位到毫米或更粗）。分辨率除了对地理信息的数值有意义外，对属性数据的详细程度也同样可以用分辨率来描述，即信息本身的分辨率。因此广义地认为，地理信息的分辨率还可以扩展到行政级别、技术等级等属性信息方面。总之，地理信息的分辨率是指对某类地理信息最细微的表达能力。比如某影像的灰度分辨率为12bit、某GIS数据库的DEM格网

9、间距为22、地名分辨率到“乡镇”、道路采集到“县级公路”或水系收录到“X等级河流”等等。分辨率是GIS数据库中地理信息的一项重要的属性，与精度一样，决定着该GIS数据库应用面的宽窄。与精度类似，高分辨率的地理信息适用的GIS应用范围要比同类低分辨率地理信息的范围要广。有的应用，需要高于数据库能提供的分辨率，通常可以采用“内插”的方法来加密信息量，但加密的数据精度将不会高于原来数据的精度。在使用GIS的地图功能时，为使曲线图形圆润、光滑，采用的“光滑”算法通常也是一种“内插”。而属性信息是不可能进行内插来加密的，比如地名分辨率到“乡镇”一级的GIS数据库不可能提供“村”级地名服务。当GIS数据库

10、存放的某一类地理信息有着不同精度或不同分辨率时，习惯上又称其为多尺度GIS数据库。2.3 地理信息的时间属性地理信息作为对现实世界的真实反映的数据记录，也有其生命周期，通过地理信息的存在、变更或是消亡，人们可以了解自己生存的地球的变化情况，甚至于解译出从未到过的城市、地区的变化。在GIS的众多应用里，地理信息的时空变化应用是最重要的应用之一，因此，GIS数据库内每一条地理信息都应该有其时间属性。很多专家、学者已经对地理信息的时间属性给与了相当的重视，提出了建立“GIS历史数据库”概念，其实，所谓历史数据库就是要给地理信息增加时间属性，当某一地理对象具有一条以上地理信息时，时间属性将显得格外重要

11、，因为它提供了根据时间属性来筛选信息的可能性。对时间属性的结构和内容，也已经有很多的设想。如有的学者提出了：在数据库中，处理的时间分为两类：世界时间和事务时间，世界时间指事件在现实时间中发生的时间，事务时间指事件在数据库中发生的时间4 。2.4 基础地理信息的标识地理信息在GIS数据库中是以记录的形式存在的，与绝大多数信息系统一样，我们可以对在GIS数据库中的每一条信息进行有效的管理、筛选和应用。地理信息是“不可数名词”，因为它有无穷多，但GIS数据库里的地理信息量是可数的，因此理论上讲，地理信息是可以通过唯一标识来管理的。对于大多数并不准备由本数据库提供GIS应用的地理信息对象，不一定有必要

12、给予唯一的标识号，毕竟地理信息对象的数量之多可能会超出系统的管理能力。然而对于大于GIS数据库某类地理信息最小分辨率的该类地理信息，如果需要数据库提供各种GIS应用服务的，就必须给其一个唯一的标识号。在基础GIS中，许多地理对象已由相关的部门进行了符合数据库管理要求的统一编号。如交通部门对全国主要的交通干线进行了唯一的编号；水利部门对全国主要的河流、湖泊以及水库等作了唯一的编号；民政部门对全国所有行政区块进行了唯一的编号等等不一。所有这些编号事实上可以是，也应该是GIS数据库中的地理要素标识号的标识基础。使用统一标准的标识体系是基础地理信息共享的前提，在全社会都开始理解、接受、倡导和推动信息共

13、享的今天，作为信息化、数字化社会基础建设的基础地理信息共享无疑是空间基础设施建设中的基础。但是，如果不能对具体的地理实体进行唯一的编码，要实现基础地理信息的共享只能是一句空话。另一方面，地理信息的复杂程度远非“海量”所能描述。对于一个人口信息系统，即使给全国每一个人一个独立的标识号，用目前我国身份证号的办法，有18位十进制正整数就足以满足一切需求了。然而，地理信息却复杂得多，比如同一个地理对象可以有多条地理信息记录（随着时间的推移，还将积累更多）、一条地理信息可以分解成多条记录、一条地理信息可以是许多条其他地理信息的集合等等。地理信息的整合、分解和变更也是地理信息系统应用中最常遇见的事件之一，

14、由此可见，对地理信息的科学合理的标识是一项地理信息科学的基础研究。3 基础GIS数据库的设计与改造以往我们对地理信息的利用基本上仅限于地图，地图对我们的影响可以说是根深蒂固，以至于相当多的技术人员也直接将DLG的生产和GIS数据的采集划上了等号。事实上，GIS提供的服务范围应该远远超出地图制图范围。GIS数据库和地图数据库在概念、要求、规范或是标准上是不尽相同的3 。在地理信息数据库中，不再有“比例尺”的概念，因为，地理信息本身是没有“比例尺”含义的。但是地理信息是有精度、分辨率和时间等基本特征的，它们与地图制图中的比例尺有一定的关联，但含义则完全不同。如果混淆两者的区别，所建立的GIS数据库

15、要么会限制GIS的更广泛应用，如仅符合某某比例尺制图应用，要么不符合数据库设计范式，造成大量数据的冗余，影响数据库的效率，甚至于将本应是一个的GIS数据库分割成若干个“XX比例尺GIS数据库”，人为地将同一区域的地理信息在逻辑关系上分隔开来，使得同一条地理信息在多个数据库里有着不同的拷贝，这既不符合数据库设计的基本要求，也为GIS的应用以及GIS数据库的更新增加了额外的负担。因此有必要对已建立的或正准备建立的基础GIS数据库进行优化和改造。地理信息数据库由一系列表组成，在表中存放地理信息，一条地理信息（通常是一条或数条记录）可以包含很多字段，每个字段都可能为一些应用提供信息支持，但基础GIS数

16、据库的主表必须包括，也仅仅需要包括的是基础数据字段，基础数据字段是指为各类（或者是绝大多数）GIS应用所需要的，比如位置信息、时间属性等。一些仅为某应用需要的字段可以作为“专用、扩展”数据通过地理信息的标识号连接到数据库的其他表里（在很多地方，人们将一些专用、扩展的表提取出来，与主表合并，建立了许多很实用的“专题地理信息系统”，为许多领域提供了GIS应用服务）。只有按照数据库设计范式来设计和改造地理信息数据库，才能保证数据库的运行速度和质量。3.1 基础地理信息数据库结构和数据3.1.1 筛选必要的信息有专家认为，80%的信息与地理信息有关7 ，即都可以与地理信息整合以形成更有价值的信息。但如

17、果把所有与地理信息有关的信息都收录到GIS数据库，那将是真正的“海量数据”，即没有必要也不太可能。基础GIS数据库要收录的应该是绝大多数GIS应用都需要的最基本的空间地理信息及其属性，大量的“有关信息”都可以放在各种其他的数据库、专题数据表中去。精度、时间、特征码（地理信息类别）等信息是地理信息的基本属性，又是相当多的GIS应用需要的重要信息，因此，地理信息数据库必须包含精度、时间、特征码等基本特性字段。GIS数据库的更新（地理信息变更）处理是极其复杂的，可能是单纯位置的改变，也可能是单纯的属性值改变，或者空间属性和非空间属性同时改变，甚至于是合并、分解等多对多的一种变更关系。按照数据库要求，

18、理论上一个地理实体应该仅有一个唯一的标识码，但事实上，同一个地理实体可以有多条记录（一个地理对象的多个版本信息），于是，ID码必须能分辨数据库里的这两条记录是指的同一地理实体还是不同的两个地理实体，也就是说，该标识码还应具备提供记录变动信息的关联能力，能关联变更前后地理对象的关系。另一方面，对于已有编码的地理实体，对其编码应尽可能加以利用，原则上不再赋予新的标识码，已有国标码的一定要采用。我国国土部门建立的GIS（应用包括土地利用分类、详查统计、变更发证等）在地块的变更方面已经取得了丰富的经验，可以为其它地理要素更新研究提供借鉴。一些不真正属于地理信息的编码应该删除，比如，有的基础地理信息数据

19、库为棚房中的斜线编码，作为地理信息加以采集，这是错误的（见图 1）。因为这样的线条仅是为地理信息的表现而人为添加的附属图形，而非地理实体本身，应该是“表现属性”6 ，它的绘制属于地图符号化过程。部分地理实体可以没有ID码，但没有ID码的地理要素将不能用于绝大多数GIS应用。图 地理信息编码和表现属性为提高地理信息数据库的运行效率，每一条地理信息还需要一个范围字段，通常可以用地理实体的左下角和右上角两组坐标来确定。增加地理信息的范围字段肯定要增加信息物理存储的开销，但本字段对通过地理位置进行GIS数据库的检索，在速度上将有十分显著的提高。3.1.2 增加表现属性表地图是最重要的GIS应用，特别是

20、在建立GIS数据库初期更是如此，因此，可以专门为基础地理信息数据库建立专门的数据表（结构）。在GIS的地图制图应用中，会使用大量的地图显示特征6 信息，这些信息不是地理信息本身的属性数据，不与具体地理实体关联。可以建立各类地图的表现属性表（也可称作显示特征表），将表中的记录与地理信息的特征码关联。表现属性表是一个保存图形表现数据的参数集（包括符号、线型、图层、颜色、旋转、偏移、大小、注记参数、压盖顺序、显示区间等等），当带有某一种特征码的地理实体需要显示、打印或其他输出时，将采用这些参数将其合适地表现出来。显示特征可以随地图制图比例尺以及各类地图特殊的表现需求改变以及GIS应用需求的改变而改变

21、。地理信息属性与地理信息的表现属性是完全不同的两类数据，地理信息属性通过地理信息的唯一标识与其属性表建立联系，而地理信息的表现属性是与地理信息的类型编码相关联的。一条地理信息可以与多个属性表相关联，是一对多的关系，而地理信息的表现属性是一类编码对应一个表现属性表（对于不同的输出应用（显示、打印或印刷等）可以对应不同的表现属性表，但一次应用原则上只关联一张表），是多对一的关系。3.2 地理信息的采集原则地理数据的信息质量由三个方面决定，即空间地理信息必须是客观世界的实时反映、空间地理信息必须是客观世界在信息系统中的完整反映和空间地理信息必须是客观世界在信息系统中的真实反映4 。“实时反映”取决于

22、空间信息数据源的时效以及生产效率，“完整反映”同样取决于空间信息数据源以及信息采集原则，而“真实反映”则几乎完全取决于信息的采集原则。因此，排除数据源和生产效率的影响，地理信息的采集原则决定了地理信息的质量，决定了GIS的效能。为保证地理信息的“真实性”，GIS信息的采集应该采用 “可以舍去，不可以改变”的采集原则。即对于小于设计要求分辨率的、精度低于设计要求的或者设计中不要求采集的空间地理信息可以不予采集，但不能对数据源中的信息进行影响信息精度（包括移位、综合等）的操作，否则所采集的数据将不能“真实反映”客观世界，也就不能提供全面、正确的GIS应用服务。事实上，现有大量的GIS数据库在信息采

23、集时，对原始信息按照对地形图图式要求进行了较大的“综合取舍”（这样的操作，使得采集的地理信息包含了很大的随意性），这样的采集原则必将限制GIS数据库在地图制图外的其他GIS应用，因为经“综合取舍”后的信息已不能“真实反映”客观世界了。如果说目前我国大多数已建和正在建的GIS数据库还不是真正意义上的基础地理数据库，采用了错误的地理信息采集原则是其重要原因之一。3.3 建立基本比例尺地图数据库地图是GIS众多应用中最基本、最重要、最广泛的应用，但决不是唯一的应用。GIS要满足对地图制图的全自动化需求必须同时在其数据库的信息构成以及技术手段两方面达到一定的要求。在数据源方面，GIS数据库要支持地图制

24、图必须能够提供地图制图所需要的基础地理信息，并且提供从中筛选、提炼地图制图所需信息的方法和功能。比如，某地图需要乡镇以上的行政地名注记，也就是说，村地名将不予采纳，这时如果GIS数据库中不能提供乡地名和村地名的区分条件和方法，此地图将无法自动生成。同样道理，如果GIS数据库的基础地理信息没有时间属性，将很难按要求提供“历史地图”。在技术方面，地图的制作要求可以是非常简单，也可以是极其复杂的。在大多数GIS应用里，可能都会用到地图，那些地图主要满足计算机屏幕上的显示等临时需要，其制作要求较专业地图（多数是需要打印或印刷的）要简单得多，目前的绝大多数GIS都已经具备了这样的动态生成地图能力。而专业

25、地图、基本比例尺地形图有着非常严格的图式、规范要求，其制作是目前绝大多数GIS尚不支持或需要进行较大程度开发、编制才可能完成的。以目前的理论、规范、已建立的基础地理信息数据库的数据结构、数据成分和技术水平，由GIS自身提供的地图服务还无法实现完全意义上的“实时”、“动态”和“规范”。因此，目前解决建库和出图矛盾的最好办法是在建立地理信息数据库的同时，建立以系列基本比例尺地形图为阶梯的地图数据库（MAPDB或DLGDB），以满足随时对地形图的需求。有关建立地图数据库的理论、方法和技术要点等将另文探讨。3.4 基础地理信息数据库的更新与发展基础地理信息数据库的建立仅是该地区现代基础测绘的开始，因为

26、地理信息数据库建设是一个动态过程。所谓的建立是一时之功，更新和维护好基础地理信息数据库才是长久之策。更新基础地理信息数据库的前提是完成多尺度数据库的实现，即解决数据库中地理信息记录的标识（见2.4 基础地理信息的标识）及数据库表结构、记录间的拓扑关系建立。所谓记录间的拓扑关系事实上就是要说明更新的元素与原先的元素（更新前的元素）之间的关系。基础地理信息数据库的更新不仅是简单的数据采集、替换、编辑过程，还应该包含发展的含义，即有一定的工作目标。许多地区的基础地理信息数据库安排的更新计划仅是简单的周期性工作，比如规定3到5年更新一遍。其实，基础地理信息数据库的更新与传统的测绘或地图制图更新在许多方

27、面是可以也应该有所不同的。基础地理信息数据库的更新已可以不受图幅限制，取而代之以行政区域、地理元素类别或地理信息数据源类型、质量、范围等进行更新约束。比如当有了较新的影像资料时，可以根据影像的分辨率更新水系、交通、地物等图形方面的地理信息，这些信息的更新基本上可以没有外业作业，仅需要在计算机上进行，方便且快速。当有了外业调绘或其他地理信息数据时，可以更新数字地面高程模型、境界、地名、名称注记和实地采集的属性方面的地理信息。因此基础地理信息数据库的更新可以根据规划，分别安排地理实体的位置、形状等地理空间方面信息的更新和与之关联的属性方面信息的更新，其周期也可以根据当地情况进行合理的安排，其手段更

28、可以是多样化的8 。基础地理信息数据库更新的第二个任务就是发展或是优化现有的地理信息数据，数据库结构、数据精度、分辨率和现势性是衡量基础地理信息数据库最重要的质量指标。在基础地理信息数据库建立初期，由于数据源、经费或时间等方面的限制，所建立的数据库结构不一定符合真正意义上GIS数据库结构的要求、所采集的地理信息不论在精度、分辨率还是在现势性方面可能都比较低，因此基础地理信息数据库的更新通常可以在优化现有数据库结构、提高地理信息的精度、分辨率、和现势性等方面下大力气，这里的精度、分辨率和现势性既可以是数学方面的参数也可以是属性方面的指标。4 结论在我国已经或正在建立的一批基础GIS数据库中，由于

29、数据源的限制或经费、时间的限制或是在设计时混淆了与地图数据库概念等原因，相当多的基础GIS数据库在数据库结构的设计上或在地理信息采集的要求上并未执行建设基础GIS数据库的标准，因此不能很好地提供全面的GIS应用支持。只有充分研究地理信息的基本特征、全面了解基础GIS数据库与地图数据库的异同、明确所创建的基础GIS的最终目的，才能建立起或将已有缺陷的GIS数据库改造成满足多方面应用需求的基础GIS数据库。今后对GIS数据库质量的评定将着重于考察数据库中数据的精度、分辨率和现势性等指标。数据库的更新原则上也不再以图幅的范围来进行了。参考文献1 何建邦 等.地理信息共享的原理与方法. 科学出版社，2

30、003年：PP.1-22 闾国年 等. 地理信息特点的研究. 南京师大学报 自然科学版，第23卷（第2期）：PP.120-1243 陈泽民. GIS数据库与地图数据库关系辨析. 现代测绘，第28卷（第3期）：PP.3-64 宋玮 等. 基于空间数据库的地籍时空数据组织. 测绘学院学报，第22卷（第2期）：PP.142-1445 马林波 等. 空间基础地理信息不对称问题探讨.测绘科学，第28卷（第7期）：PP.16-196 陈泽民. 中国矢量数据交换格式的应用研究. 武汉大学学报信息科学版，第29卷（第4期）：PP.451-4557 王厚之 等. 论城市基础测绘与数字城市的关系.城市勘测，200

31、3：PP.22-248 殷耀国. 地学信息源和信息现势性保证. 东北测绘，2002：PP.20-21LIDAR技术在江苏沿海滩涂测绘中的应用杜国庆1 史照良1 龚越新1 李铁军2（1江苏省测绘局，江苏 南京210097 2北京星球数码科技有限公司，北京 100083）摘要：利用LIDAR技术综合运用精确大地水准面成果、连续运行参考站卫星定位综合服务系统以及数字计算机处理技术制作DEM、DOM、DLG等产品。在分析江苏沿海滩涂特点的基础上，介绍了项目过程、特点及关键技术。关键词：LIDAR 遥感 测图 沿海滩涂5 引言江苏沿海是我国淤泥质潮滩最为集中的地区之一，沿海滩涂面积位居沿海各省区之首，对

32、这片富饶而广阔区域的海洋区域进行科学、有效、有序、可持续性的开发具有极大的社会和经济双重效益。但是一直以来由于这片区域所处的特殊的海陆交界位置，具有地势平坦，高低潮位间滩涂面积变化大，区域内难以布置有效控制点等特点，使得通过传统的航测手段很难获得精确的地理信息资料，实际工作中一直沿用上个世纪中期以来不准确的资料。这些资料已经不能满足迅速发展的江苏经济的需要，更无法与江苏已经建立起来的系统、完善的测绘基础地理信息系统相匹配。使用全新的技术手段对江苏沿海进行系统的基础地理信息资料收集，摸清沿海滩涂的范围，不仅可以有效地补充江苏基础地理信息数据库，使其提高准确性、完整性，具有权威性，而且也将对沿海海洋资源的科学开发、海洋环境保护，促进沿海经济发展将起到开路先锋的作用，具有特别重要的意义。6 LIDAR技术简介LIDAR(航空激光扫描探测技术)即Light Detection And Ranging，是一种安装在飞机上的机载激光探测和测距系统，可以量测地面物体的三维坐标。LIDAR是一种主动式对地观测系统，是九十年代初首先由西方国家发展起来并投入商业化应用的一门