§7.1國(guó)家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的基本概念

國(guó)家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(NationalSpatialDataInfrastructure，NSDI)是繼國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施(NationalInformationInfrastructure，NII)的又一國(guó)家級(jí)信息基礎(chǔ)設(shè)施。它是為解決空間數(shù)據(jù)上網(wǎng)，即在Internet-Web上運(yùn)行的技術(shù)系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)(SpatialData)比一般數(shù)據(jù)要復(fù)雜得多、在網(wǎng)上傳輸?shù)碾y度要大得多的難題而進(jìn)行的單獨(dú)研究?？臻g數(shù)據(jù)主要是指地學(xué)空間數(shù)據(jù)(Ceo-SpatialData，GSD)，不僅因?yàn)榈貙W(xué)空間數(shù)據(jù)更加復(fù)雜，而且它占總的信息量的75％～80％，對(duì)于推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高自然資源管理以及保護(hù)環(huán)境都至關(guān)重要。但NSDI這個(gè)名詞，早在1992年是由國(guó)際制圖科學(xué)委員會(huì)(MSC)首先提出來(lái)的。根據(jù)美國(guó)總統(tǒng)于1994年頒發(fā)的《協(xié)調(diào)地學(xué)數(shù)據(jù)的獲取與訪問(wèn)：國(guó)家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施》的12906號(hào)執(zhí)行令，國(guó)家空間信息基設(shè)施(NSDI)是指地學(xué)空間數(shù)據(jù)的獲取、處理、訪問(wèn)、分發(fā)以及有效利用所需的技術(shù)、政策、標(biāo)準(zhǔn)和人力資源。地學(xué)空間數(shù)據(jù)(GSD)是指標(biāo)識(shí)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。

國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施(NSDI)的內(nèi)容框架，按美國(guó)國(guó)家公共管理研究院(NAPA)根據(jù)1994總統(tǒng)12906執(zhí)行會(huì)的規(guī)定，其內(nèi)容框架為：“獲取、處理、訪問(wèn)、分發(fā)及提取地學(xué)信息應(yīng)用所必需的技術(shù)、政策、標(biāo)準(zhǔn)和人力資源”，具體內(nèi)容為：數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)、政策及組織等五個(gè)部分。Coleman和Melaughlin(1990)指出，國(guó)家空間數(shù)據(jù)設(shè)施是由：數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)、政策、分發(fā)機(jī)制、機(jī)構(gòu)職能、人力與資金等幾個(gè)方面組成。圖7．1是國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施框架圖。

根據(jù)一些專(zhuān)家觀點(diǎn)進(jìn)行綜合，框架有四個(gè)主要構(gòu)成：信息內(nèi)容、技術(shù)背景、操作背景和商業(yè)事務(wù)背景。信息內(nèi)容是指框架的數(shù)據(jù)組成，包括七個(gè)共同的地理專(zhuān)題；技術(shù)背景包括建立和操作框架所需的技術(shù)因素；操作背景描述框架的操作環(huán)境；商業(yè)使用背景解決保證框架數(shù)據(jù)可用的條件。一、信息或數(shù)據(jù)內(nèi)容框架包括大多數(shù)組織所使用的地理數(shù)據(jù)專(zhuān)題，它們是大地測(cè)量控制、正射影像、高程、交通、水文、行政單元和地籍信息。

1)大地測(cè)量控制

大地測(cè)量控制為所有地理數(shù)據(jù)建立坐標(biāo)提供共同的參考系統(tǒng)，它提供把所有地理特征聯(lián)系到共同的、廣泛使用的水平和垂直坐標(biāo)系統(tǒng)的方法。大地測(cè)量控制信息的主要特征是大地測(cè)量控制站。這些永久點(diǎn)(有時(shí)是GPS控制站)有精確測(cè)量的水平和垂直位置，作為確定其他點(diǎn)的位置的基礎(chǔ)?？蚣艿拇蟮販y(cè)量控制包括大地測(cè)量控制站和相關(guān)的信息：名字、特征標(biāo)識(shí)碼、經(jīng)緯度、絕對(duì)高度和橢球高度，以及每個(gè)站的元數(shù)據(jù)。每個(gè)大地測(cè)量控制點(diǎn)的元數(shù)據(jù)，包括描述數(shù)據(jù)、定位精度、條件，以及與控制點(diǎn)相關(guān)的其他特征。2)正射影像

正射影像提供經(jīng)過(guò)位置糾正的地球圖像，一幅正射影像是地球參考圖像，由航空攝影或其他遙感數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)傳感器取向糾正和地形影響的消除。正射影像同地圖有同樣的特性，有一致的比例，數(shù)字正射影像由地球參考的像元陣列構(gòu)成，有離散數(shù)據(jù)值的地面反射率編碼。許多地理特征，包括框架中的有些部分，可以從正射影像中解譯或編輯出來(lái)。

3)數(shù)字高程高程數(shù)據(jù)提供地形的信息。高程是指空間參考的一個(gè)數(shù)字表面之上或之下的垂直位置?？蚣馨懙乇砻娴母叱毯退嫦碌纳疃?。對(duì)于陸地表面，框架包括高程矩陣，高程值以每2弧秒或更小尺度收集(在緯度40度大約為47.4米)。對(duì)于深度，框架包括聲納和柵格海底模型。水深由一個(gè)相關(guān)的垂直參考表面確定。通常從潮汐觀測(cè)得到。將來(lái)，這個(gè)垂直參考可基于地球體或橢球體。它是GPS中表示高程測(cè)量的參考。4)交通數(shù)據(jù)框架的交通數(shù)據(jù)包括下面的共同的交通網(wǎng)絡(luò)和設(shè)施特征：公路：中心線，特征標(biāo)識(shí)碼，功能級(jí)別，名字，街道地址范圍小路：中心線，特征標(biāo)識(shí)碼，名字，類(lèi)型。鐵路：中心線，特征標(biāo)識(shí)碼，類(lèi)型。水路：中心線，特征標(biāo)識(shí)碼，名字。機(jī)場(chǎng)和港口：特征標(biāo)識(shí)碼，名字。橋梁和隧道：特征標(biāo)識(shí)碼，名字。5)水文數(shù)據(jù)框架水文數(shù)據(jù)包括地球表面的水特征，例如：湖泊和水池，河流和溪流，運(yùn)河，海洋，海岸線。每個(gè)特征有一個(gè)名字屬性和特征標(biāo)識(shí)代碼。用中心線和多邊形來(lái)編碼這些特征的位置。6)行政單元框架包括行政單位的地理區(qū)域，這些單位包括：國(guó)家、省或州、縣。每個(gè)行政單位包括名稱(chēng)、編碼。行政邊界也可以包括其他特征信息(例如河流，道路等)。（行政邊界對(duì)許多應(yīng)用是有用的），一些應(yīng)用僅需要它的屬性和取向。有些應(yīng)用需要行政單位多邊形以確定所包含其他特征的數(shù)量。商業(yè)常用這些邊界作統(tǒng)計(jì)分析和決策制訂。7)地籍地籍信息特征包括測(cè)量角、測(cè)量邊界和地塊等。地籍信息是許多分析、決策制定和操作應(yīng)用的基礎(chǔ)。例如廠址選擇、土地利用管理、交通規(guī)劃。二、技術(shù)內(nèi)容

設(shè)計(jì)框架的技術(shù)背景，使人們易于使用和貢獻(xiàn)框架數(shù)據(jù)。已有的屬性和圖形數(shù)據(jù)將保持同框架的聯(lián)系。參與者可以貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)給框架。

框架數(shù)據(jù)模型和支持技術(shù)允許對(duì)數(shù)據(jù)的更新，而不必?fù)?dān)心已存在的投資，允許屬性數(shù)據(jù)加到空間數(shù)據(jù)上。為了實(shí)現(xiàn)這些，要開(kāi)發(fā)確認(rèn)單個(gè)特征以及為這些特征分配一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的標(biāo)識(shí)的方法。

1)空間數(shù)據(jù)模型

對(duì)于正射影像和高程數(shù)據(jù)，框架將采用柵格數(shù)據(jù)模型。觀測(cè)位置由單元或點(diǎn)陣列表示，單元值表示屬性。對(duì)于正射影像，單元包括地面反射率值；對(duì)于高程，它們包括高程或深度值。

對(duì)于其他的框架數(shù)據(jù)，用基于特征的矢量數(shù)據(jù)模型。一個(gè)特征就是地球上一個(gè)地理實(shí)體的描述。例如，一條公路、一個(gè)湖泊、一個(gè)地塊或一個(gè)縣。一個(gè)特征可被連接到一個(gè)空間對(duì)象(例如點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)、鏈和區(qū)域)以標(biāo)識(shí)它的位置。不同的空間對(duì)象集合有不同的分辨率。

一個(gè)特征由獨(dú)一無(wú)二的編碼來(lái)標(biāo)識(shí)：即永久特征標(biāo)識(shí)碼。它的位置(Location)特征可通過(guò)它與空間對(duì)象(例如點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)、鏈和區(qū)域)的連接(Linkage)來(lái)描述。一個(gè)特征可由屬性集和關(guān)系來(lái)進(jìn)一步描述。屬性定義了特征的性質(zhì)，例如，湖泊的名稱(chēng)、道路類(lèi)型、縣的人口等。關(guān)系可以定義為表示兩個(gè)特征之間的相互用，例如河流系統(tǒng)的流或交通網(wǎng)絡(luò)的連接性。

2)永久特征標(biāo)識(shí)碼

每個(gè)出現(xiàn)的特征分配一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的、永久的特征標(biāo)識(shí)碼。這個(gè)標(biāo)識(shí)碼提供一個(gè)關(guān)鍵字，通過(guò)它用戶(hù)可以把框架數(shù)據(jù)同自己的聯(lián)系起來(lái)，對(duì)事務(wù)更新可作為跟蹤(Tracking)機(jī)制，并且連接一個(gè)在不同分辨率和穿過(guò)不同區(qū)域擴(kuò)展的特征的表示。一旦分配后，永久特征標(biāo)識(shí)碼就不再修改，除非這個(gè)特征經(jīng)過(guò)大的變化，例如一條道路被毀、一河流變成了湖泊。特征標(biāo)識(shí)碼提供了確定框架數(shù)據(jù)單元的一致方法。

3)多分辨率和綜合

不同的用戶(hù)需要不同分辨率的地理數(shù)據(jù)。例如，地方政府需要覆蓋較小區(qū)域的較詳細(xì)的數(shù)據(jù)；一個(gè)州部門(mén)需要覆蓋較大區(qū)域較粗略的一致的數(shù)據(jù)，包括有地方政府詳細(xì)數(shù)據(jù)的區(qū)域。通常，這些需要通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)收集工作來(lái)完成?？蚣艿囊粋€(gè)目的就是改變這種方法。一個(gè)區(qū)域內(nèi)可獲得的更詳細(xì)的、更精確的、更現(xiàn)時(shí)的和更完整的數(shù)據(jù)將形成框架的基礎(chǔ)。更新地理數(shù)據(jù)的努力將集中在這些詳細(xì)的數(shù)據(jù)上。對(duì)次一級(jí)詳細(xì)程度的數(shù)據(jù)的需求可以通過(guò)對(duì)這些詳細(xì)數(shù)據(jù)的綜合來(lái)得到。結(jié)果將形成一個(gè)共同的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在這個(gè)基礎(chǔ)上建立多元的、綜合的觀點(diǎn)。各界正在尋求克服到達(dá)這個(gè)目標(biāo)的各種技術(shù)上的和操作上的障礙。

4)坐標(biāo)參考系統(tǒng)

一個(gè)共同的坐標(biāo)定位參考系統(tǒng)保證貢獻(xiàn)給框架的數(shù)據(jù)可以連接和集成。鼓勵(lì)在框架數(shù)據(jù)中使用經(jīng)緯度坐標(biāo)，這個(gè)系統(tǒng)提供了一個(gè)無(wú)縫的坐標(biāo)系統(tǒng)，并可以轉(zhuǎn)變成各種投影和柵格坐標(biāo)系統(tǒng)。水平坐標(biāo)信息引用1983北美數(shù)據(jù)(NAD83)，垂直坐標(biāo)信息引用1988北美垂直數(shù)據(jù)(NAVD88)。5)空間跨越上的一致性框架數(shù)據(jù)是無(wú)縫的跨越收集區(qū)域。例如一條公路跨越一條縣界時(shí)，在縣界處不應(yīng)該有縫隙。作為一般原則，當(dāng)貢獻(xiàn)給框架的數(shù)據(jù)并入框架時(shí)，數(shù)據(jù)的位置不被修改。因此，在并入框架之前，穿過(guò)不同數(shù)據(jù)收集區(qū)域的特征在位置上要作調(diào)整，這通過(guò)不同的區(qū)域數(shù)據(jù)收集者共同協(xié)調(diào)工作來(lái)完成。采用這個(gè)方法的原因是集成數(shù)據(jù)的部門(mén)沒(méi)有比提供數(shù)據(jù)的部門(mén)更好的信息，因此他們沒(méi)有修復(fù)這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)提供者應(yīng)同他們的相鄰地區(qū)提供者一起來(lái)作調(diào)整數(shù)據(jù)，減少不確定性。這個(gè)被稱(chēng)之為“水平集成”的技術(shù)將用于吻合得不好的數(shù)據(jù)建立無(wú)縫的覆蓋層。6)專(zhuān)題間的一致性框架數(shù)據(jù)在各專(zhuān)題間是一致的。維護(hù)不同專(zhuān)題上的特征的相關(guān)關(guān)系，對(duì)各特征的一致性調(diào)整，例如一條邊界沿著一條河流，這就需要匹配。更具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題是高程專(zhuān)題數(shù)據(jù)和水文專(zhuān)題數(shù)據(jù)的一致性。在專(zhuān)題間調(diào)和不一致性的過(guò)程稱(chēng)為“垂直集成”。這里同樣，一般的原則是當(dāng)數(shù)據(jù)并入框架后數(shù)據(jù)的位置不再被修改。因此特征在并入框架之前，它們必須是垂直集成的。當(dāng)數(shù)據(jù)不吻合時(shí)，就需要垂直的技術(shù)過(guò)程。

垂直集成方法：垂直集成可以有不同的方法。可直接調(diào)整數(shù)據(jù)，或位置調(diào)整，沒(méi)有實(shí)際的連接。關(guān)系或連接可以在不同的專(zhuān)題內(nèi)相關(guān)的特征間建立。雖然研究滿(mǎn)足通用的需要，特定部門(mén)的需要也要考慮。這是參與者為什么重要的另一個(gè)原因。他們有必要解決各種問(wèn)題，例如哪種集成方法更適合他們。7)歷史數(shù)據(jù)框架保持?jǐn)?shù)據(jù)的過(guò)去版本，以支持歷史的和過(guò)程的研究。對(duì)過(guò)去版本的訪問(wèn)需要支持登記到框架的歷史專(zhuān)題數(shù)據(jù)和基于時(shí)間的研究?？茖W(xué)研究和策略研究常需要地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的向前或向后的時(shí)間序列。8)元數(shù)據(jù)框架包括元數(shù)據(jù)，以說(shuō)明框架數(shù)據(jù)的特性和質(zhì)量，包括位置和屬性精度、完整性、邏輯一致性和連接性。元數(shù)據(jù)幫助用戶(hù)找到適合的框架數(shù)據(jù)，評(píng)估它們，以及正確地使用。三、操作技術(shù)

框架的操作環(huán)境強(qiáng)調(diào)可訪問(wèn)性和易用性。

1)操作特征(a)框架支持事務(wù)更新，數(shù)據(jù)生產(chǎn)者只提供變化的文件，用戶(hù)僅需要處理這些變化的部分。這種方法減少因變化對(duì)用戶(hù)已存在操作環(huán)境的影響；(b)框架過(guò)程保證通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字媒體對(duì)框架數(shù)據(jù)的官方版本的訪問(wèn)；(c)可通過(guò)國(guó)家空間數(shù)據(jù)交換中心發(fā)現(xiàn)框架數(shù)據(jù)。2)框架覆蓋層這個(gè)目標(biāo)是包括由較小區(qū)域生產(chǎn)的地片數(shù)據(jù)構(gòu)成的框架數(shù)據(jù)覆蓋層。對(duì)每一個(gè)貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)的地片，地理區(qū)域沒(méi)有固定的大小。各種實(shí)驗(yàn)正在評(píng)估各種地片大小，例如流域、區(qū)域、州，以及更小的區(qū)域。這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果將提供覆蓋層大小的信息，使其便于管理和維護(hù)。然而，每一個(gè)貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)地片的可行的地理覆蓋層將依賴(lài)于提供數(shù)據(jù)的經(jīng)濟(jì)上的考慮。3)集成框架是基于許多組織建立的數(shù)據(jù)。對(duì)于覆蓋一個(gè)地理區(qū)域的數(shù)據(jù)專(zhuān)題，可能有許多，有時(shí)是重復(fù)的數(shù)據(jù)源貢獻(xiàn)給框架。另外，在同一個(gè)地區(qū)，可能有不同的組織收集和維護(hù)不同的數(shù)據(jù)專(zhuān)題。然而，用戶(hù)需要跨越其地理區(qū)域的不同專(zhuān)題的一致的數(shù)據(jù)。例如，水文特征和邊界特征碰巧一致，對(duì)一個(gè)地理區(qū)域，數(shù)據(jù)的水平集成和垂直集成以建立一致的數(shù)據(jù)是框架的一個(gè)重要功能。4)框架數(shù)據(jù)的定位框架數(shù)據(jù)分布在不同的地方。站點(diǎn)通過(guò)電子網(wǎng)絡(luò)連接，使用戶(hù)在任何地方都可以訪問(wèn)數(shù)據(jù)。物理分布的模式是變化的。在一個(gè)區(qū)域內(nèi)有幾個(gè)可選的數(shù)據(jù)配置：(a)數(shù)據(jù)可以駐留在每個(gè)生產(chǎn)者的站點(diǎn)上。(b)一個(gè)部門(mén)可對(duì)許多生產(chǎn)者生產(chǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)。這種訪問(wèn)可以是主動(dòng)的或被動(dòng)的，即一個(gè)站點(diǎn)可以提供對(duì)其數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，也可以把數(shù)據(jù)主動(dòng)發(fā)往用戶(hù)。(c)有許多部門(mén)使用框架數(shù)據(jù)，并對(duì)框架貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)因此，框架數(shù)據(jù)在物理上可駐留在任何地方，這依賴(lài)于專(zhuān)題、地理和時(shí)間。5)技術(shù)開(kāi)發(fā)以及未來(lái)的挑戰(zhàn)框架的有些方面代表了技術(shù)上的挑戰(zhàn)。當(dāng)必要的技術(shù)工具和過(guò)程被開(kāi)發(fā)后，它們將被集成到框架操作中，技術(shù)問(wèn)題上包括下面這些內(nèi)容：(a)開(kāi)發(fā)集成數(shù)據(jù)的規(guī)則；(b)建立永久特征標(biāo)識(shí)碼的規(guī)則；(c)提供數(shù)據(jù)精度的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試以及數(shù)據(jù)認(rèn)證的方法；(d)開(kāi)發(fā)把局部擁有的高分辨率的數(shù)據(jù)綜合和合并到區(qū)域或國(guó)家的數(shù)據(jù)中的方法；(e)開(kāi)發(fā)處理數(shù)據(jù)事務(wù)的方法；(f)開(kāi)發(fā)管理框架數(shù)據(jù)的歷史或過(guò)去的版本的方法。

上述問(wèn)題的解決正在下列一些活動(dòng)中進(jìn)行：

(a)啟動(dòng)先行工程；(b)同供應(yīng)商合作；(c)資助研究和開(kāi)發(fā)活動(dòng)(d)開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和指南；(e)鼓勵(lì)在地理數(shù)據(jù)界內(nèi)的討論。

四、商業(yè)事務(wù)背景為了達(dá)到框架被廣泛使用的目標(biāo)，它的數(shù)據(jù)必須是開(kāi)放可訪問(wèn)的；包括數(shù)據(jù)的信息；以公用的、非私有的格式、遵循標(biāo)準(zhǔn)，以及是被認(rèn)證的。框架的商業(yè)使用背景的一個(gè)基本前提是避免有限制性的實(shí)行。這是同聯(lián)邦政府以及州和地方政府的信息訪問(wèn)政策一致。符合這個(gè)目標(biāo)的基本因素是提供及時(shí)的和平等的數(shù)據(jù)分發(fā)；提供不受限制的數(shù)據(jù)訪問(wèn)、使用和數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)；確定數(shù)據(jù)訪問(wèn)價(jià)格不高于訪問(wèn)的花費(fèi)。1)數(shù)據(jù)費(fèi)用當(dāng)框架數(shù)據(jù)被廣泛訪問(wèn)時(shí)，一個(gè)框架操作必須能夠收回部分或全部的數(shù)據(jù)訪問(wèn)費(fèi)用。訪問(wèn)框架數(shù)據(jù)的價(jià)格必須限制在提供訪問(wèn)和分發(fā)的花費(fèi)上。對(duì)每個(gè)框架操作，一個(gè)價(jià)格單位必須被確定。例如，價(jià)格是基于所訪問(wèn)的數(shù)據(jù)量、或是被訪問(wèn)元素的數(shù)量、或是被訪問(wèn)的專(zhuān)題或?qū)訑?shù)量、區(qū)域的大小，還是訪問(wèn)時(shí)間當(dāng)用戶(hù)訪問(wèn)各生產(chǎn)商的數(shù)據(jù)時(shí)，這些方面是很復(fù)雜的。

2)數(shù)據(jù)訪問(wèn)框架數(shù)據(jù)必須是