ISO 19123-12023 地理信息.覆蓋幾何圖形和功能模式.第1部分基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)發(fā)展報(bào)告

地理信息覆蓋幾何圖形和功能模式第1部分：基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)發(fā)展報(bào)告StandardizationDevelopmentReport:GeographicInformation—SchemaforCoverageGeometryandFunctions—Part1:Fundamentals摘要隨著對(duì)地觀測(cè)技術(shù)、空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字孿生等領(lǐng)域的快速發(fā)展，覆蓋（Coverage）作為表達(dá)連續(xù)空間現(xiàn)象（如溫度場(chǎng)、遙感影像、高程模型等）的核心數(shù)據(jù)模型，在地理信息科學(xué)中占據(jù)不可替代的地位。ISO19123-1:2023《地理信息覆蓋幾何圖形和功能模式第1部分：基礎(chǔ)》由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織地理信息技術(shù)委員會(huì)（ISO/TC211）制定，于2023年6月21日正式發(fā)布，取代了原ISO19123:2005的部分內(nèi)容，是覆蓋數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化體系中的奠基性文件。本報(bào)告系統(tǒng)梳理了該標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)背景、編制歷程、核心技術(shù)內(nèi)容及其與關(guān)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系，重點(diǎn)分析了其在柵格數(shù)據(jù)互操作、多維時(shí)空建模、Web服務(wù)集成等場(chǎng)景中的應(yīng)用價(jià)值。報(bào)告指出，ISO19123-1:2023引入了基于現(xiàn)代軟件工程理論的統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UML）形式化表達(dá)框架，明確了覆蓋類(lèi)型的六大層級(jí)分類(lèi)體系，有效解決了異構(gòu)系統(tǒng)間覆蓋數(shù)據(jù)共享的語(yǔ)義障礙，為后續(xù)第2部分（覆蓋實(shí)現(xiàn)模式）的制定奠定了理論基礎(chǔ)。該標(biāo)準(zhǔn)已被我國(guó)等同采用為GB/T35647-2017（對(duì)應(yīng)原ISO19123:2005），新版標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化工作正在推進(jìn)之中。關(guān)鍵詞：地理信息；覆蓋模型；幾何圖形；功能模式；空間數(shù)據(jù)互操作；ISO/TC211；柵格數(shù)據(jù)Keywords:GeographicInformation;CoverageModel;Geometry;FunctionSchema;SpatialDataInteroperability;ISO/TC211;RasterData一、引言1.1研究背景在地理信息科學(xué)領(lǐng)域，空間數(shù)據(jù)可大體劃分為兩大基本類(lèi)型：離散對(duì)象（DiscreteObjects）與連續(xù)場(chǎng)（ContinuousFields）。后者——如大氣溫度分布、土壤濕度變化、植被覆蓋指數(shù)、遙感影像灰度值等——在數(shù)學(xué)上通常以覆蓋（Coverage）方式進(jìn)行建模和表達(dá)。所謂覆蓋，是指將時(shí)空域中的每個(gè)直接位置（DirectPosition）映射到屬性值域上的函數(shù)關(guān)系。這一概念自20世紀(jì)90年代起被納入國(guó)際地理信息標(biāo)準(zhǔn)化議程，其核心成果即為ISO19123標(biāo)準(zhǔn)。隨著新一代信息技術(shù)——包括云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和數(shù)字孿生——與地理信息系統(tǒng)的深度融合，覆蓋數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)體量、維度復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性方面均面臨前所未有的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)以網(wǎng)格（Grid）和影像（Image）為核心的覆蓋模型已難以滿足多維、多分辨率、不規(guī)則采樣的表達(dá)需求，亟需從數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和形式化語(yǔ)義層面重構(gòu)覆蓋模型體系。1.2標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)的必要性原ISO19123:2005自發(fā)布以來(lái)已近二十年，期間地理信息技術(shù)發(fā)生了深刻變革：第一，面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）和OGCWebCoverageService（WCS）等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的普及，要求覆蓋數(shù)據(jù)模型具備更明確的接口語(yǔ)義和實(shí)現(xiàn)映射規(guī)則；第二，CoverageJSON、GeoTIFF、NetCDF等多樣化編碼格式的涌現(xiàn)，對(duì)覆蓋模型在概念層面的統(tǒng)攝能力提出了更高要求；第三，三維城市模型（如CityGML3.0）、時(shí)空立方體（Space-TimeCube）等新應(yīng)用場(chǎng)景，需要擴(kuò)展覆蓋模型以支持多維度連續(xù)場(chǎng)的表達(dá)。在此背景下，ISO/TC211于2015年前后啟動(dòng)了ISO19123的修訂工作，決定將該標(biāo)準(zhǔn)拆分為兩個(gè)部分進(jìn)行系統(tǒng)性重構(gòu)，其中第1部分側(cè)重于覆蓋模型的基礎(chǔ)概念框架和領(lǐng)域語(yǔ)義定義，第2部分則聚焦于覆蓋數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)模式和編碼規(guī)則。二、標(biāo)準(zhǔn)編制單位與組織2.1主要起草單位ISO19123-1:2023由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織地理信息技術(shù)委員會(huì)（ISO/TC211）負(fù)責(zé)制定。ISO/TC211成立于1994年，秘書(shū)處設(shè)在挪威（StandardNorge），其工作范圍涵蓋數(shù)字地理信息標(biāo)準(zhǔn)的制定與維護(hù)，目前下設(shè)多個(gè)工作組（WG），其中與覆蓋模型直接相關(guān)的為第6工作組（WG6，信息建模）和第7工作組（WG7，信息內(nèi)容）。ISO/TC211的職責(zé)與貢獻(xiàn)：ISO/TC211建立了一套完整的地理信息標(biāo)準(zhǔn)框架，包括參考模型（ISO19101）、空間模式（ISO19107）、時(shí)間模式（ISO19108）、要素概念（ISO19109）以及編碼規(guī)則（ISO19118）等基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。ISO19123-1正是在這一系列基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)之上構(gòu)建的領(lǐng)域?qū)Ｓ脴?biāo)準(zhǔn)。該委員會(huì)組織的多學(xué)科專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)，在編制過(guò)程中廣泛吸收了來(lái)自測(cè)繪、氣象、海洋、環(huán)保等領(lǐng)域的應(yīng)用需求反饋，并協(xié)調(diào)了與開(kāi)放地理空間信息聯(lián)盟（OGC）、世界氣象組織（WMO）、國(guó)際水道測(cè)量組織（IHO）等國(guó)際組織的協(xié)作關(guān)系。2.2標(biāo)準(zhǔn)編制歷程該標(biāo)準(zhǔn)的制定過(guò)程歷經(jīng)以下關(guān)鍵階段：-2015年10月：ISO/TC211在東京全體會(huì)議上正式?jīng)Q議啟動(dòng)ISO19123修訂工作，成立專(zhuān)項(xiàng)編制組（ProjectTeam）；-2016—2018年：完成工作草案（WD）和委員會(huì)草案（CD）的編制，在此期間多次召開(kāi)編輯會(huì)議（EditingMeeting），對(duì)UML模型進(jìn)行逐類(lèi)審查；-2019年5月：進(jìn)入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案（DIS）階段，面向各成員國(guó)開(kāi)展為期五個(gè)月的投票和意見(jiàn)征集；-2020—2021年：受全球疫情影響，部分工作會(huì)議轉(zhuǎn)為線上形式，標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)有所延遲；-2022年：完成最終國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案（FDIS）審查；-2023年6月21日：ISO19123-1:2023正式出版發(fā)布。三、標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容概述3.1標(biāo)準(zhǔn)的范圍與定位ISO19123-1:2023規(guī)定了一個(gè)用于地理信息領(lǐng)域覆蓋數(shù)據(jù)的通用概念模式，明確了覆蓋的幾何結(jié)構(gòu)、功能語(yǔ)義以及值域（ValueDomain）的定義規(guī)則。該標(biāo)準(zhǔn)適用于以下場(chǎng)景：-描述規(guī)則網(wǎng)格、不規(guī)則點(diǎn)集、曲線網(wǎng)絡(luò)等多種覆蓋幾何類(lèi)型；-定義覆蓋數(shù)據(jù)中空間、時(shí)間和屬性維度的關(guān)聯(lián)方式；-支持覆蓋數(shù)據(jù)的查詢(xún)、分析和可視化等操作語(yǔ)義；-為不同編碼格式（如GMLCOV、GeoTIFF、NetCDF等）提供無(wú)歧義的概念基礎(chǔ)。與ISO19123:2005相比，本版標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)容組織上進(jìn)行了重大調(diào)整，將原先單一文件拆分為“基礎(chǔ)”和“實(shí)現(xiàn)模式”兩個(gè)部分，其中第1部分不再涉及具體的編碼規(guī)則，而是聚焦于模式層面的概念定義。3.2核心概念框架標(biāo)準(zhǔn)中定義了以下核心概念類(lèi)型：|概念名稱(chēng)|英文術(shù)語(yǔ)|定義說(shuō)明||---------|---------|---------||覆蓋|Coverage|從時(shí)空域到屬性值域的函數(shù)映射||覆蓋幾何|CoverageGeometry|覆蓋所對(duì)應(yīng)的時(shí)空域結(jié)構(gòu)特征||覆蓋功能|CoverageFunction|將域中元素映射至值域中元素的規(guī)則||直接位置|DirectPosition|由坐標(biāo)元組直接標(biāo)識(shí)的幾何位置||域?qū)ο髚DomainObject|覆蓋域中的基本構(gòu)成單元||值對(duì)象|ValueObject|屬性值的封裝對(duì)象||覆蓋點(diǎn)|CoveragePoint|單點(diǎn)采樣的覆蓋類(lèi)型||覆蓋曲線|CoverageCurve|沿曲線采樣的覆蓋類(lèi)型||覆蓋曲面|CoverageSurface|面狀連續(xù)場(chǎng)的覆蓋類(lèi)型||覆蓋實(shí)體|CoverageSolid|三維體狀連續(xù)場(chǎng)的覆蓋類(lèi)型|3.3覆蓋類(lèi)型的層級(jí)分類(lèi)體系標(biāo)準(zhǔn)將覆蓋類(lèi)型劃分以下六個(gè)層級(jí)，建立了新的分類(lèi)體系（其中“覆蓋點(diǎn)”“覆蓋曲線”“覆蓋曲面”“覆蓋實(shí)體”為層級(jí)分支類(lèi)型）：1.覆蓋（Coverage）——所有覆蓋類(lèi)型的抽象父類(lèi)；2.離散覆蓋（DiscreteCoverage）——域由有限個(gè)離散元素組成的覆蓋；3.連續(xù)覆蓋（ContinuousCoverage）——域?yàn)檫B續(xù)空間區(qū)域的覆蓋；4.覆蓋點(diǎn)（CoveragePoint）——離散覆蓋的一種，其域由點(diǎn)集構(gòu)成；5.覆蓋曲線（CoverageCurve）——其域沿曲線段展開(kāi)；6.覆蓋曲面（CoverageSurface）——其域?yàn)槊鏍顓^(qū)域；7.覆蓋實(shí)體（CoverageSolid）——其域?yàn)槿S實(shí)體空間。該分類(lèi)體系繼承了原ISO19123:2005對(duì)離散覆蓋與連續(xù)覆蓋的基本劃分邏輯，并對(duì)幾何維度和采樣方式進(jìn)行了更精確的形式化定義，提升了整個(gè)體系對(duì)多維復(fù)雜覆蓋類(lèi)型的表達(dá)能力。3.4覆蓋功能的定義機(jī)制覆蓋功能（CoverageFunction）是本標(biāo)準(zhǔn)的核心創(chuàng)新之一。標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種基本的功能映射方式：-內(nèi)插功能（InterpolationFunction）：在已知采樣值之間通過(guò)指定插值方法推導(dǎo)未知位置的值。標(biāo)準(zhǔn)在附錄中列出了包括最近鄰、線性、雙線性、三次卷積、樣條插值等在空間域與時(shí)間域上的適用規(guī)則；-評(píng)估功能（EvaluationFunction）：給定一個(gè)直接位置，通過(guò)覆蓋功能計(jì)算返回該位置對(duì)應(yīng)的屬性值。該過(guò)程可細(xì)分為定位（Referencing）和值提取（ValueExtraction）兩個(gè)子步驟，其中定位涉及將域元素映射到幾何對(duì)象上的反算過(guò)程。這一功能定義機(jī)制為覆蓋數(shù)據(jù)的空間分析操作提供了形式化基礎(chǔ)，使不同系統(tǒng)間在插值語(yǔ)義上實(shí)現(xiàn)互通。3.5與關(guān)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系ISO19123-1:2023在編制過(guò)程中，緊密遵循并引用了以下ISO標(biāo)準(zhǔn)：-ISO19107:2019（空間模式）：定義了幾何對(duì)象的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，覆蓋幾何建立在該模式之上；-ISO19108:2002（時(shí)間模式）：為覆蓋提供時(shí)間維度的概念框架；-ISO19111:2019（坐標(biāo)參照系）：為覆蓋中的直接位置提供坐標(biāo)基準(zhǔn)語(yǔ)義；-ISO19115-1:2014（元數(shù)據(jù)）：覆蓋數(shù)據(jù)集的元數(shù)據(jù)描述遵循該標(biāo)準(zhǔn)；-ISO19109:2015（要素概念模式）：明確覆蓋與地理要素之間的語(yǔ)義區(qū)分及映射關(guān)系。此外，該標(biāo)準(zhǔn)與OGC的CoverageImplementationSchema（CIS1.1）存在緊密的概念對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩者共同構(gòu)成了從抽象模型到具體實(shí)現(xiàn)的完整鏈路。四、推廣實(shí)施情況4.1國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)采用現(xiàn)狀I(lǐng)SO19123-1:2023發(fā)布后，已被多國(guó)采納為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。其前版ISO19123:2005在世界范圍內(nèi)得到了廣泛采用，我國(guó)就該前版標(biāo)準(zhǔn)等同采納為GB/T35647-2017《地理信息覆蓋幾何和函數(shù)模式》。目前，針對(duì)ISO19123-1:2023的國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)化工作已在推進(jìn)中，以替代原有標(biāo)準(zhǔn)。此外，OGC的CoverageImplementationSchema（CIS1.1）及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也與之形成了緊密的配套關(guān)系，共同服務(wù)于全球空間數(shù)據(jù)互操作生態(tài)。4.2重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域1.遙感對(duì)地觀測(cè)：多光譜/高光譜影像的波段組織、空間網(wǎng)格建模和產(chǎn)品分級(jí)；2.氣象與海洋預(yù)報(bào)：數(shù)值天氣預(yù)報(bào)格點(diǎn)場(chǎng)、海洋溫度鹽度場(chǎng)的表達(dá)與交換；3.數(shù)字孿生與三維城市：三維體元（Voxel）覆蓋模型用于地下空間和城市風(fēng)環(huán)境的仿真；4.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)：土壤養(yǎng)分空間分布、作物長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)的多源數(shù)據(jù)融合；5.公共衛(wèi)生與流行病學(xué)：疫情時(shí)空分布建模與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域識(shí)別。4.3應(yīng)用案例分析以歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的開(kāi)放數(shù)據(jù)為例，其提供的ERA5再分析數(shù)據(jù)集采用規(guī)則網(wǎng)格覆蓋模型組織全球氣象要素場(chǎng)。基于ISO19123-1定義的概念框架，不同客戶端系統(tǒng)可對(duì)該數(shù)據(jù)集的域結(jié)構(gòu)、插值方式、值域單位進(jìn)行一致的語(yǔ)義解讀，從而實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)的高效數(shù)據(jù)集成與分析。在地理信息領(lǐng)域，國(guó)際開(kāi)源社區(qū)（如GDAL、QGIS）對(duì)覆蓋數(shù)據(jù)格式的支持亦在很大程度上受益于這一標(biāo)準(zhǔn)化體系。五、主要參編單位介紹本標(biāo)準(zhǔn)的編制凝聚了全球地理信息標(biāo)準(zhǔn)化專(zhuān)家的集體智慧。以下重點(diǎn)介紹在本標(biāo)準(zhǔn)編制中發(fā)揮關(guān)鍵作用的機(jī)構(gòu)——德國(guó)地球科學(xué)研究中心（GFZ）。GFZ是德國(guó)亥姆霍茲聯(lián)合會(huì)下屬的國(guó)家級(jí)地球科學(xué)研究中心，總部位于波茨坦，在全球地球系統(tǒng)科學(xué)研究領(lǐng)域享有盛譽(yù)。GFZ長(zhǎng)期參與ISO/TC211的工作，是地理信息標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域的核心貢獻(xiàn)機(jī)構(gòu)之一。在ISO19123-1:2023的編制過(guò)程中，GFZ的研究人員主要承擔(dān)了以下工作：-負(fù)責(zé)覆蓋幾何類(lèi)型體系的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，特別是針對(duì)不規(guī)則網(wǎng)格和多重網(wǎng)格覆蓋的幾何表達(dá)進(jìn)行了理論推導(dǎo)；-主導(dǎo)了覆蓋功能中插值方法的抽象定義和分類(lèi)框架，確保了標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)學(xué)上的嚴(yán)謹(jǐn)性和工程上的可操作性；-協(xié)調(diào)了與OGC標(biāo)準(zhǔn)體系的對(duì)接工作，推動(dòng)CIS1.1與ISO19123-1在概念上的一致性；-組織了多次面向遙感、氣象、海洋等應(yīng)用領(lǐng)域的用戶需求調(diào)研，搜集和整合了大量行業(yè)反饋意見(jiàn)。GFZ的代表性專(zhuān)家長(zhǎng)期擔(dān)任ISO/TC211的工作組召集人和項(xiàng)目編輯（ProjectEditor），在標(biāo)準(zhǔn)文本的起草、意見(jiàn)處理和終稿審定等方面發(fā)揮了核心作用。此外，美國(guó)OpenGeospatialConsortium（OGC）的成員單位、加拿大自然資源部以及中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院等機(jī)構(gòu)的專(zhuān)家也深度參與了該標(biāo)準(zhǔn)的編制工作，貢獻(xiàn)了來(lái)自不同應(yīng)用場(chǎng)景和學(xué)科背景的專(zhuān)業(yè)見(jiàn)解。六、結(jié)論與展望ISO19123-1:2023的發(fā)布標(biāo)志著地理信息覆蓋數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)入了一個(gè)新階段。該標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)引入形式化的UML建模方法、清晰的覆蓋類(lèi)型分類(lèi)體系和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓δ芏x機(jī)制，有效增強(qiáng)了不同系統(tǒng)間覆蓋數(shù)據(jù)的語(yǔ)義互操作性，為遙感、氣象、海洋、環(huán)保等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)共享與分析提供了統(tǒng)一的概念基石。展望未來(lái)，覆蓋模型標(biāo)準(zhǔn)化將呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：第一，多維度擴(kuò)展。隨著三維城市、地下空間和海洋深部探測(cè)等應(yīng)用的興起，覆蓋模型將進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)三維乃至四維時(shí)空連續(xù)場(chǎng)的表達(dá)能力，覆蓋實(shí)體（CoverageSolid）類(lèi)型有望成為下一階段的研究熱點(diǎn)。第二，與人工智能技術(shù)融合。機(jī)器學(xué)習(xí)尤其是深度學(xué)習(xí)模型對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)格式有特定要求，覆蓋模型與AI數(shù)據(jù)流水線的無(wú)縫銜接將成為新的標(biāo)準(zhǔn)化課題。第三，云原生部署。隨著地理信息系統(tǒng)的全面云端化，覆蓋數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)與并行計(jì)算模式將推動(dòng)覆蓋模型與云原生數(shù)據(jù)管理框架的深度適配。第四，ISO19123-2的協(xié)同推進(jìn)。作為第1部分的補(bǔ)充，ISO19123-2（覆蓋實(shí)現(xiàn)模式）將進(jìn)一步明確不同編碼格式下的具體實(shí)現(xiàn)規(guī)則，兩個(gè)部分協(xié)同應(yīng)用將構(gòu)成完整的覆蓋數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化解決方案。我國(guó)作為ISO/TC211的積極成員（P成員），應(yīng)加快推進(jìn)ISO19123-1:2023的等同采用工作，同步開(kāi)展覆蓋數(shù)據(jù)應(yīng)用試驗(yàn)和示范系統(tǒng)建設(shè)，以標(biāo)準(zhǔn)化手段支撐數(shù)字中國(guó)建設(shè)、新型基礎(chǔ)測(cè)繪和實(shí)景三維中國(guó)等重大戰(zhàn)略