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国家基础地理信息数据库升级改造的思考

引 言

基础地理信息是国家空间数据基础设施的重要组成部分,是国家信息化的权威、统一的定位基准和空间载体,是国家经济建设、社会发展、国防建设和生态保护中不可或缺的基础性和战略性信息资源,具有通用性强、共享需求大、行业应用广泛等特点,在国家经济社会发展中发挥基础保障作用。

近年来,我国基础地理信息数据库建设取得了显著成绩,实现了全国范围数据全覆盖,并实现了“一年一版”动态联动更新,还建立了多尺度、多类型、多版本高度集成的国家基础数据库,持续为国土规划、资源环境监测、防灾减灾、应急救援体系建设等提供了重要的基础数据支撑。

然而,随着国际国内信息化的快速发展,整个经济社会对于基础地理信息的需求也发生了翻天覆地的变化。我国的基础地理信息数据库建设虽然取得了重大进展和成就,但距离“全空间、全信息”(据刘先林院士)的更高需求依然存在一定差距,需要对国家基础地理信息数据库的产品形式、数据模型、管理服务平台等方面进行优化升级。


1 我国基础地理数据库建设与更新进展

我国当前的基础地理信息数据库主要内容包括矢量地形要素数据库(DLG)、正射影像数据库(DOM)、数字高程模型数据库(DEM)、数字栅格地图或地形图制图数据库(DRG/DCM)等,也称为“4D”产品。经过30年的发展与建设,我国已经建成了覆盖全国、多尺度、全要素基础地理信息数据库,并实现了快速动态更新、多尺度联动更新。其中,全国1:1 000 000、1:250 000、1:50 000基础地理数据库为国家级,由国家测绘地理信息局负责建设与维护;1:10 000(或1:5 000)比例尺数据库为省级,由各省、市及自治区负责;1:2 000、1:500比例尺数据库为市县级,由相应的市县负责建设和更新。国家级数据库建设历经了试验研究、初始建库、全面更新、动态更新4个历史阶段,实现了“从无到有、从有到新、从新到优”的三步跨越式发展。自上世纪80年代中期开始,开展了技术研究和试验,建成了全国1:1 000 000数据库;在“九五”“十五”期间,完成了全国1:250 000、1:50 000数据库的初始建库;“十一五”期间,完成了国家基础地理数据的首次全面更新,并实现了1:50 000尺度基础地理信息数据库的全国覆盖;“十二五”至今,国家基础地理信息数据库全面开展动态更新,每年更新一次、发布一版,使重点要素的更新频率达到1年,一般要素在2~3年内实现更新。同时,建立了地形制图一体化的数据库,1:250 000、1:1 000 000数据库与1:50 000数据库实现了年度联动更新。国家基础地理信息数据库的建设历程见表1。

表1 国家基础地理信息数据库建设情况一览表

Tab.1 The list of national fundamental geographic information database construction situation

近年来,省级1:10 000基础地理信息数据库建设与更新加快推进,到2016年底已经覆盖全国陆地国土约60%的面积,大多数省、市、自治区已实现全覆盖或必要覆盖,只有少数几个省尚在积极争取早日完成1:10 000基础地理信息的必要覆盖。

大多数省级基础地理信息数据库在“十五”“十一五”期间完成了“初始建库”,基本上都是核心要素数据库,从已测制的地形图上进行数字化采集生产,现势性也普遍比较差。从“十二五”期间开始,全国省级1:10 000基础地理信息数据库建设及更新全面开展,1:10 000DLG数据库已基本上全面更新替换为全要素,DOM数据多为0.5~2.5 m多分辨率正射影像,多个省还采用Lidar技术生产获取了全省2~3 m间距的高精度DEM数据,有10余个省(市)已经实现了基础地理信息数据库的常态化更新,实现1~3年全面更新1次,重点要素一年甚至半年更新1次,数据库的现势性大幅提高。通过对1:10 000基础地理数据库的整合升级,实现了全国范围横向统一,以及与国家级数据库的纵向衔接。同时,通过“数字城市地理空间框架”建设,实现城市建成区1:500(或1:1 000)、1:2 000大比例尺基础地理数据基本覆盖,为建成全国一体的基础地理数据库奠定坚实的基础。

2 国家基础地理信息数据库升级改造的必要性

近年来,地理信息越来越成为信息社会的重要元素,随着地理信息产业的快速发展,基础地理信息数据库建设应该顺应国家重大发展战略需要,包括落实中央五大发展理念,实施“一带一路”、“走出去”、海洋开发、“互联网+”、大数据等国家重大战略,全面建设小康社会与提升人民生活水平等。这对测绘地理信息特别是基础地理信息提出了更高的需求:

一是从对地图和数据产品的需求上升为对信息和服务的需求,要求面向行业或专业应用发展产品类型,并以信息产品和服务的方式进行提供与发布。

二是从对宏观需求逐步转变为对宏观微观双重需求,要求地理信息具有更高分辨率、更高精度、更详细的要素和属性内容。

三是要求拓展基础地理信息数据的覆盖范围,从国内拓展到全球范围、从陆地拓展到海洋、从地表拓展到地下和水下等多方面的基础地理信息。

四是对数据现势性要求达到年、月甚至实时的需求,要求根据应用需求,加快部分地区数据更新速度,平衡地区更新不一致的差距,并对应急救援等应用提供实时数据。

由上可以看出,整个经济社会发展对于基础地理信息的需求发生了翻天覆地的变化。我国的基础地理信息数据库建设虽然取得了重大的进展和成就,但离国家经济社会发展对于基础地理信息的需求依然存在很大的差距,难以适应新形势下迫切需要基础地理信息全空间、全信息(据刘先林院士),优化升级势在必行。主要问题表现在以下几个方面:

一是产品模式及内容方面。目前,我国基础地理数据产品依然是“4D”产品,产品类型单一,要素内容也主要为地形图上表示的要素及属性,专业要素及属性不够丰富,可以满足用户最基本的需要,但难以满足信息分析和决策支持等更高层次的应用需要。“4D”产品是美国USGS在20世纪八、九十年代推出的产品形式,而国际上普遍按照国家空间信息基础设施(NSDI)中的框架数据(Framework)标准进行建设。框架数据是用户使用频率最高的共用数据,不单是地形图数据,包括测绘基准、地形地貌、正射影像、行政区界、地籍、交通、水系水文、土地覆盖、地名地址等,各个国家会根据应用需要加减不同的信息内容。美国政府通过国家空间数据协调委员会协调各部门,按照地理空间框架建立了上千要素层的国家地图(National Map);英国也建立了跨部门、跨专业、高精度、全要素的综合地理数据库(Master Map);印度的全国地理数据库由总理负责协调各部门共同完成,除了地形、地物和地貌要素外,加载了人口、经济和应急等方面要素及300多项属性;其他一些发达国家也在开展类似工作。

二是数据库建库的方式方面。目前我国基础地理信息数据库实行分级建设和管理维护。分级的方式是按照地形图比例尺,国家级负责1:1 000 000、1:250 000、1:50 000数据库,省级负责1:10 000或1:5 000数据库,地市级负责1:500、1:2 000数据库。这种按照比例尺分别建库以及对要素内容进行综合取舍的方式,造成要素不全、精度降低,许多要素在不同的数据库中重复采集和存储,详细程度和精度不尽相同,还可能产生不一致或矛盾,给综合性的集成应用带来很大困难。实际上这种思维模式来源于传统的地图制图,在一张纸上要表示一个区域内的地理信息,必须要按比例尺并选取重要的要素。而作为地理信息数据库,一个地区没有必要按尺度建几个数据库,最好是建立一个内容最详细、精度最高、现势性最好的数据库,既避免了资金浪费,又方便应用。同时,由各专业部门负责建立各级、各类、各专题地理数据库,形成一个个多元异构、分散孤立的信息孤岛,难以实现共建共享、互联互通、协同服务。

三是在数据模型方面。空间数据模型是用计算机能够识别和处理的形式化语言来定义和描述现实世界地理实体、地理现象及其相互关系,是现实世界到计算机世界的映射。现实世界非常复杂多样,从不同角度、用不同方法去认识和理解现实世界,将产生不同的认知模型。如果建立数据库的目的和用途不同,描述地理实体和对象的空间数据模型也就不同,因此对地理要素的表现方式(如二维还是三维,矢量还是栅格等)、分类分级、地理实体、存储结构等会出现差异。当前的基础地理数据库还基本上沿用传统地形图的的应用定位,即需要满足地图用户的通用性及基本需求,所以其数据模型也是基于这个视角来对地理要素的表现方式、分类分级、地理实体和关系等进行定义,难以自动转换到当前信息化时代的各种专业应用数据模型下,妨碍了数据的广泛应用。

四是在技术及管理方面。大范围地理信息的变化发现自动化程度不高,实际工程中仍以人工为主,生产效率难以进一步提高。另一方面,由于保密原因,基于“互联网+”的新技术难以采用,基于泛在众包的新模式难以实现,进一步制约了更新技术的转型升级。在分级管理的体制下,存在规划、计划、资金、技术和标准等方面协同性困难问题,且各地经济发展不平衡,全国范围的数据建库和更新难以统一和同步,因此大大影响和制约了数据成果的应用价值,不能满足应用的需要。

3 数据库升级改造基本思路

3.1 总体思路

未来国家地理信息数据库的发展应该由国家测绘地理信息部门进行统筹,联合省、地、市、县测绘地理信息部门,并与各专业部门合作共同构建。新型数据库主要遵循“需求驱动、面向应用”的基本原则,按照“统筹设计、融合建库、丰富扩展、云平台服务”的基本思路进行建设。

1)统筹设计

深入调研分析,全面理清应用需求,突破原本按照地形图的设计模式,实行按需设计,要在统筹设计的基础之上统一技术标准。摒弃综合取舍和按比例尺制图思路,按需应采尽采、全面表达,实现最大比例尺基础地理信息无缝融合。同时,升级创新数据模型,从地理实体模型、三维数据模型和时空动态模型三方面建设新型地理数据库,建设成“全国统一、多尺度融合、多专题齐全”的数据库。最终通过云平台建设,实现测绘成果的共享,并为政府机构、专业部门和测绘应用提供统一的信息服务。

2)融合建库

在纵向上,要实现全国统一、多尺度融合,改变按比例尺建库的技术模式,建立政务版(秘密版)和公开版两大类数据库以解决保密问题。国家、省、地市要按区域分工负责,避免重复。

在横向上,要形成综合型、各专题齐全的数据库,改变现有的产品分类模式,根据应用需要新增数据库产品类型。不同部门、不同项目要按照要素内容分工负责,避免重复工作。

3)丰富扩展

要通过边境测绘、海洋测绘、全球测图等工作,扩展地理信息覆盖范围。另外,协同专业部门,丰富地理信息内容特别是专题要素信息。诸如,可通过民政部地名普查成果,丰富综合地名地址信息;可通过水利部水利普查成果,丰富水系要素内容及属性信息;可通过国土部土地调查成果,丰富地表植被、土地利用等信息。

4)云平台服务

要从地理信息数据的静态版本提供走向动态信息服务发布,开展全国地理信息产品服务的模型与方法研究,深化对地理信息及其变化信息发现、更新、发布及服务提供的认知,提出地理信息动态服务的理论模型与技术方法。继而在云环境下,根据地理信息的时空大数据特点,实现并行计算框架下的海量地理信息数据高效计算、专业信息产品集成,构建支撑涵盖地理信息及其变化的更新、发布及应用服务计算与提供的新模式共享平台。

3.2 产品形式升级创新

新型基础地理信息产品形式升级创新主要可体现为“纵向融合、横向整合、应采尽采与全面表达”。

1)纵向融合

突破现有基础地理信息按照比例尺划分的模式,将不再考虑比例尺、载幅量、综合取舍等规则和限制,继而通过将同一区域内的最大比例尺基础地理信息无缝融合,建立综合性、基础性的产品数据库。在具体应用时,在该数据库基础上,按照应用需求确定尺度、内容、精度等问题,通过技术手段快速派生出适合于各行业的应用产品。

2)横向整合

突破现有基础地理信息数据产品类型单一、数据内容偏重地形图制图、缺少顾及社会经济发展及各专业部门应用需求的专题数据的缺陷,发展融合交通、水利、管线、民政等多方面的数据,同时包含社会经济、人文信息等多方面属性信息的综合型的基础地理信息数据库。

3)应采尽采,全面表达

突破原来制图思维下要素按比例尺进行综合取舍的模式,将符合指标的地理要素应采尽采,全面表达到新型基础地理信息数据库中。基于此,可实现提供真正的地理信息产品,取代以往数字化地图的形式。在各行业部门应用时,将不囿于现有的主体底图显示模式,升级到对地理信息的统计分析服务等的使用模式。

3.3 数据模型升级创新

在传统地理信息数据模型基础上,结合新形式下对数据、产品和服务的需求进行创新,新型基础地理信息数据库建设将重点在“地理实体模型、三维数据模型、时空动态模型”这3个方面进行数据模型升级。

1)顾及多种应用的地理实体模型升级地理实体模型与应用需求紧密相关。在不同的应用需求下,应设计和采用不同的地理实体模型。以长江为例,在国家级、省级、城市级等不同级别河长制的应用需求下,“长江”这个地理实体对象也是各不相同的;同样,在航道管理、防汛预测、环境保护、地理研究等不同方向的应用需求下,“长江”这个地理实体对象也是不尽相同的。

按照“需求驱动、面向应用”的原则,充分调研分析各专业部门、各社会用户的应用需求,改变目前的以满足通用需求和基本应用为主的产品定位,通过重新定义和设计新型的基础地理信息对象内容和模型规则,将以“点、线、面”要素为基本对象单元的简单地理实体模型升级为顾及多种应用需求的复合地理实体模型。

进而可以根据不同应用需要,基于相应的模型转换重组规则,就可便捷地进行转换和重组地理实体。基于地理实体模型升级的地理信息数据库,其描述的地理实体更加符合人类对客观世界的认识和思维习惯,更易于被用户理解和接受。以地理实体为单位也更易将地理信息与社会经济和各类专业属性进行挂接,更有利于对地理实体进行相关操作和一体化管理。

2)基于三维数据模型升级

传统基础地理信息数据库对现实世界中地理实体的空间表达主要侧重于二维坐标的描述,普遍缺乏第三维的高程信息。尽管数据高程模型可用于表达地球表面的地形起伏,但其高程信息与地理实体相分离。单一侧重二维或高程信息的表达与人在三维化信息空间中认识的现象不符,且难以对地表物体的多层高程信息及复杂的地下物体进行空间表达。

面向立体交通、地下管网、地质矿山、城市建设与管理等对空间物体三维信息的需求,结合现有地理信息数据库中的二维坐标信息和高程信息,迫切需要进行三维数据模型升级,发展新型的三维地理信息数据库。

基于三维数据模型升级的地理信息数据库,其描述的区域现象符合人们在多维化信息空间中认识现象的习惯,便于用户全方位地获取知识。这有利于高效地组织和管理三维空间数据,便于对区域对象的地上地下一体化管理,还可为地理信息真三维可视化提供重要基础。

3)基于时空动态模型升级

传统基础地理信息数据库每更新一次均可获取一套完整数据版本,形成版本式或快照式数据库。然而,由于各个数据版本之间是静态的,难以建立版本之间的关联关系,不利于数据版本之间的对比和分析,这给面向各行业需求的时空地理数据分析与应用造成了阻碍。

基于时空动态模型的升级主要体现在以某一版本数据为基础,采用要素级多时态数据模型,按照时间顺序先后在基础数据版本上进行增加、删除或修改地理现象相关的位置和属性信息等,而这些操作所引起的变化将以增量形式也按时间顺序存储于原基础数据版本中(自2012年起,国家1:50 000基础地理信息数据库已实现基于增量的动态更新和要素级多时态数据管理)。

基于时空动态模型升级的地理信息数据库,不仅能实现人们对地理现象的时间和空间信息的表达和建模,也能方便、快速地存储、管理时空信息。这对模拟和预测地理信息时空变化研究具有重要意义,也为自然环境和气候监测、灾害预警和应急等应用提供重要数据支撑。

3.4 管理服务平台升级创新

传统基础地理信息数据库建设过程中,不同尺度、不同专题数据往往由各级各部门分别建设,不仅易造成重复建设、资源浪费,而且还易导致信息冗余和不一致等问题。同时,由于缺乏统一的数据库模型设计和系统平台设计,对于数据库系统升级、数据表的维护需要耗费大量人力物力,造成了各级各类数据库多元异构、分散孤立,难以共建共享、互联互通和协同服务的现状。

管理服务平台升级主要体现在采用云平台为基础架构,将计算机网络上的各种计算资源进行统一管理和动态分配,并建立高速通道,提高存储和计算能力利用率,并以数据为中心,以虚拟化技术为手段,利用SOA架构为各行业用户提供安全、可靠、便捷的数据及应用服务。

基于地理空间数据服务云平台的新型基础地理信息数据库建设概念图如图1所示,在地理信息云平台基础上,将不同尺度、不同类型的基础地理信息数据库由各测绘部门按照统一标准进行建设和维护,通过地理空间数据云平台实现测绘成果的共享,改变目前各级、各类数据库分割、孤立的现状,并为政府机构、专业部门和测绘应用提供统一的服务,包括数据服务、地图服务、基于多源数据的挖掘、统计分析服务等。

图1 基于云平台的新型基础地理信息数据库建设概念图

Fig.1 Concept map of new national fundamental geographic information database construction based on cloud platform

4 结束语

经过30年的努力发展,我国在基础地理信息数据库建设方面已取得了显著成绩,建立了多尺度、多类型、多版本高度集成的国家基础数据库,并形成了一整套数据库建库与更新技术体系。但随着国际国内信息化的快速发展,国民经济建设各行业对基础地理信息提出了新需求。

针对这些需求,本文从现有基础地理信息数据库存在的不足出发,简述了其在产品模型、更新技术、生产实施和管理服务方面的限制,基于“需求驱动、面向应用”的基本原则,按照“统筹设计、融合建库、丰富扩展、云平台服务”的基本思路,提出了国家基础地理信息数据库升级改造的初步设计内容,包括“纵向融合、横向整合、应采尽采与全面表达”的产品形式升级、基于“地理实体模型、三维数据模型、时空动态模型”的数据模型升级、以及基于云平台的管理服务平台建设升级等。

 

这一系列升级改造将有助于优化基础地理信息数据库建设的技术模式、生产组织模式和信息服务模式,促进新型基础地理信息数据库体系构建和基础测绘转型升级,有利于提升我国基础测绘成果的应用服务水平,为国家经济建设和社会发展提供更好的测绘保障服务。