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1.前言
地理信息系统(GIS)是计算机在地学界发展的产物，它是本世纪地理学最伟大的变革之一，也是信息化社会中全球空间数据基础设施建设的核心内容。目前地理信息系统正经历着前所未有的繁荣，同遥感(RS)、全球定位系统(GPS)等空间技术一起领导着地球科学的“文艺复兴”，向全球空间信息一体化时代迈进，而地理信息系统的标准化则是这一问题的关键。
事实上，自从1960年Tomlinson第一次提出建立地理信息系统思想，到1971年按Tomlinson思想建立的第一个被称为地理信息系统的加拿大地理信息系统(CGIS)投入使用后，地理信息系统的标准化便成了人们关注的问题，但由于早期受计算机等技术发展的限制，地理信息系统这一具有划时代意义的技术受昂贵的建立与维护成本的限制，并未对地理界形成很大的冲击。而伴随本世纪80年代计算机的普及以及目前全球信息高速公路计划的实施，地理信息系统技术也开始走向成熟，并在政府、国家、区域以及全球空间数据基础设施计划的推动下，出现了许多基于不同应用目的、数据格式和软件平台的地理信息系统软件，这时标准化问题才真正受到人们重视，并很快成为整个地理信息产业发展的核心技术，引起了国际社会的关注[1]。
2.GIS技术发展
2.1 机助制图的出现
从本质上讲，GIS是解决空间关系的一门技术，它从空间数据的组织、管理和位置查询方面为不同应用提供了依据，并可满足空间数据的采集、转换、存储、检索、处理、分析、产生和显示等要求，是一种特殊的信息系统，它起源于本世纪50年代地理学的定量革命，并脱颖于机助制图技术[6]。当时，定量地理学随着统计方法和计算机的介入，正在着手解析空间分析方面的探讨，并开始了机助制图的研究。
60年代后期，哈佛大学计算机图形和空间分析实验室推出了SYMAP、Calform和其它制图软件，用于地学研究。其中SYMAP是一个可以产生计算机地图的软件，它通过与主计算机连接的高速行式打印机重复打印获得。紧接着便是更接近传统地图的笔式绘图产品，从而开始了计算机辅助制图时代。但由于计算机制图与手工制图的不同，它需要用数字方法来表示地理特征位置以及地图边界等要素，所以早期的机助制图技术受数学方法和计算机功能的限制，发展一直比较缓慢。
70年代，美国人口调查局为GIS技术的发展奠定了基础，它们把数学中的一个分支——拓扑学用于人口统计中，并成为地图学的新方法，即用点、线、多边形来描述地图特征、边界和面积，并使之与现实世界中的空间实体一一对应[7]。用拓扑学原理建立的数字图形文件中包含了拓扑信息，通过它们可以确定地图中各特征之间的相邻和连接关系，为用数字和数学方法进行地图研究提供了时髦的空间分析方法。相对于早期仅仅提供了对空间特征和边界图形跟踪的“面条”文件来说，这些文件有很大的进步，因为用拓扑结构文件不仅降低了数字图形文件的大小，同时也促使了地理基础文件／二元独立地图编码系统(GBF/DIME)的发展。
目前GBF/DIME系统在拓扑集成地理编码参照(TIGER)中仍然使用，并是当今许多城市GIS系统中地理数据库的主要技术。它相应的拓扑对应词是数字线图(DLG)；是由美国地质调查局完成的，可以用于空间查询。这样由TIGER和DLG组成的软件系统便包含了制图和分析功能，是一种典型的GIS系统。但由于这种系统比较昂贵，在70年代，只有大型机构才能买得起大型计算机，以产生大型的地理数据库，所以在推广上受到了一定的限制。这样，整个70年代对GIS的研究事实上集中在数字化图纸地图和产生高质量的计算机地图方面，即对自动制图的研究，以致产生了多达24种地图数据结构[2]。当然，目前存在的许多地图数据库结构主要仍是上述两种系统的演变。
2.2 GIS技术的成熟
80年代，伴随工作站和微机的出现，计算机软硬件的成本迅速降低，功能不断增强，同时随着关系数据库管理系统(RDBMS)的广泛使用，使计算机制图系统和GIS成本也开始下降。同时，对计算机制图与GIS的区别也有了统一的认识，认为除了机助制图功能外，GIS还具有空间分析功能，它应该是一个综合系统，可以通过其软件对关系数据库管理系统(RDBMS)以及地理属性数据进行控制，允许对数字图形文件进行解析分析。这样，空间分析功能便成了GIS的主要特征。
尽管拓扑学在数字地图文件中的应用，为GIS中空间数据库的建立奠定了基础，但许多地理空间分析功能仍然只能通过诸如多边形叠加等图形方法实现，即用传统上数字图形文件的矢量和栅格格式进行。但由于这两种格式受不同系统的限制，在空间应用上很难形成统一的分析方法，并存在着一定的数据转换误差，所以最近GIS应用领域开始引进诸如专家系统和面向对象等技术方法，以便形成一种统一的空间数据分析格式。当然，这一问题还有待进一步探讨。
销售商对GIS的发展也起了很大的推动作用，他们最初只提供计算机制图系统，然后加了空间分析模块，使其软件系统具有GIS功能，这种转换在桌面制图软件包中尤为明显。目前，仅美国从事GIS产业的公司约有160多个，他们提供包括数字化、数据转换和专业应用方面的不同服务。其中环境系统研究所(ESRI)和Intergraph公司就占了联邦和商业部门50%的GIS市场。另外，前国防系统的一些销售商也瞄准了GIS技术，并开始向这一市场转变。这些行为有力地推动了GIS技术由机助制图向社会普及的发展。
从历史角度来看，各政府机构仍是GIS的主要用户，他们负责获取一些最基础和主要的数据，并用它们来完成一些任务，从事一定的管理。另外，他们同样也是GIS用户的主要数据生产者，并且有政府项目的支持。这样，在GIS发展过程中，政府的支持也是其走向成熟的主要因素之一。
在GIS不断发展的同时，计算机网络技术也日渐成熟，人们便开始构想实现GIS的空间共享问题。同时，从不同数据源进行空间数据的共享和集成、用计算机软硬件集成GIS系统以及GIS与其它技术的集成工作也列入议事日程，这时标准化问题便成为GIS技术的热点[1～5]。
3.GIS标准
GIS标准一词在目前的GIS领域已非常流行，它涉及到信息技术标准和空间数据标准两大方面的问题。首先，一个GIS标准也许就是一个通用计算机标准中的信息技术标准，只是被GIS等同或等效采用而已，比如GIS领域已开始采用的结构化查询语言(SQL)。另外，GIS标准也可能是一个空间数据标准，即用来定义、描述和处理地理空间数据的特殊标准，如空间数据传输标准(STDS)。当然，通用的计算机标准也可以被等同或等效采用，用于定义、描述或处理空间数据。
在标准的制定中，通常存在着一种矛盾，即标准需求的及时性和制定标准的长久性方面的冲突。通常人们在需要标准的时候总希望有现成的标准，以满足所从事的工作，这样就需要标准有超前发展的意识，而事实上，标准的制定是需要大量的经费和时间的，并且标准制定后被采纳的时间周期也很长。这样，在标准的发展中，通常的经验是首先考虑等同或等效采用已存在的标准，而把发展标准则作为下策考虑。GIS的发展也同样存在这一问题，因此，对GIS标准的研究，事实上首先是对已有的国际或国外先进标准应有一个系统的认识，以制定自己相应的措施，也即对GIS标准基础设施的认识与研究，本文后面将以美国为例来讨论这一问题。
4.GIS标准基础设施
GIS标准基础设施必须是已存在的正式标准基础设施的一部分，在美国，该基础设施主要依赖于三个组织，即国家标准和技术研究所(NIST)、美国国家标准研究所(ANSI)以及国际标准化委员会(ISO)，他们分别为联邦组织、工业和私人机构以及国际社会发展标准。这些机构之间又有一定的联系，比如在ISO中ANSI代表美国利益，而在美国，ANSI则为ISO提供必须的联盟。另外，由于标准的发展和批准过程都是相似的，所以许多技术标准的应用具有普遍性，使得类似的标准在一个组织中被批准使用后，可以被其它部门等同或等效采用。
GIS标准的制定必须是合法和公正的，其制定过程也是公开和开放式的，并对投票、评论和意见都有特定的步骤，这样就阻止了个别组织对标准结果的独裁或武断。事实上没有真正意义上的共识，一个标准也不会长久。当然，GIS标准基础设施也包括鼓励或支持正在发展标准的一些非标准组织，因为尽管这些标准没有被正式的标准机构批准和接受，但他们提供的许多协议和规范却成为事实上的标准。下面从三个层次对正在研制已有标准和事实标准的三个组织作一介绍，他们目前已与GIS标准基础设施达成了一定的妥协方案。
4.1 政府方面
4.1.1 FIPS 173的出台
60年代，美国成立了联邦信息发展标准(FIPS)项目组，用于发展联邦计算机使用标准，它由国家技术和标准研究所(NIST)，即前国家标准局(NBS)负责。地理编码标准是FIPS首先发展的标准之一，如普遍知道的FIPS码，该标准集由用于唯一标识事物的标识码、位置和参照数据等组成，可以确定数字地图的边界文件、地理特征位置、空间参照、社会、经济或人口统计等数据。其地理编码和信息技术标准是联邦政府GIS技术标准的核心内容，并成为FIPS 173，代替了这之前在联邦地理与制图领域曾起过一些作用的空间数据转换标准(SDTS)。随着1975年计算机自动制图技术引入该领域，以及计算机功能的增强和体积的减小，GIS工具开始由先前在很少的大组织中使用变为迅速被联邦中的许多机构接受，同时伴随计算机在联邦地理与制图各部门的使用范围的扩展，对地球数据标准的需求也变得越来越明显。
1980年，美国国家标准局和地质调查局(USGS)签定了互解备忘录(MOU)，委任USGS作为联邦政府发展地球科学数据标准的领导部门。1981年，经USGS与美国国会测绘局(ACSM)的共同努力，成立了国家数字制图数据标准委员会(NCDCDS)，由学术界、产业界、联邦，以及州和地方政府的计算机制图与GIS用户组成。并于1982年，由总预算办公室确定了协调联邦政府中地图数字化和计算机制图等方面需要的战略，由管理和预算办公室(OMB)颁布了一个面向联邦机构的备忘录，成立了联邦机构数字制图协调委员会(FICCDC)以协调他们的数字制图产品，FICCDC由USGS负责[8]。
在NCDCDS和FICCDC成立后，他们各自发展了一个空间数据转换标准。1987年，USGS将这两个标准统一成一个标准。该标准取名为空间数据转换标准(SDTS)，并在这之后的三年中被学术界、产业界和政府部门中的一些单位检查、修正和测试，于1992年7月29日，SDTS成为联邦信息处理标准FIPS 173[9,10]。
SDTS作为FIPS被正式批准的标准具有里程碑的意义。首先，SDTS为联邦政府进行数字空间数据交换提供了通用的方法，同时由于相互间的关系，对各州和地方政府以及产业机构也起到了间接的影响作用。其次，SDTS是GIS领域首先被正式批准的标准，这与FIPS地理编码标准、NBS/USGS互解备忘录，以及已有的FIPS过程的影响有很大关系，它们促使了SDTS作为政府标准被批准和承认。另外，由于SDTS提供了一个空间数据在不同应用部门交换、集成和共享数据的公用标准，它也为个别学科技术领域制定标准开辟了先河。
4.1.2 GIS标准的推广
对于GIS标准，其发展主要集中在两大方面，一个是发展标准所需的技术工作，它主要是一个智力活动，另一个是宣传工作，即努力转变那些不了解标准发展的人们的观念，以便使其具有公开和同等的参与意识，并使更多的用户参与标准的制定。
在SDTS发展的十多年中，主要专业学会的各种会议和讨论会，都致力于推广和宣传标准，引导人们去认识并支持它，使得GIS世界对于标准的认识在不断增强，这对空间数据的共享和集成起到了很好的作用，并使它逐渐与所有用户的利益开始联系。SDTS的这种努力不仅从学科上提高了GIS领域对标准的认识，而且从GIS标准对他们领域的重要性上也起到了相辅相成的作用。因此，尽管SDTS作为标准首先是在联邦内部发展的，但它的影响正在向学术界、产业界、各州以及地方用户等方面发展，并作为国家标准制定的示范，对相似国际标准的制定具有很大的借鉴意义，使得目前已有24个国家卷入了发展、等同或等效采纳空间数据转换标准的大潮中了。所以，现在面临的问题是人们已不再问为什么要发展标准了，而是在关心下一步需要发展什么标准，并且什么时候能被使用。这种思想便促使了建立联邦政府、国家和国际GIS标准组织，以便正式发展标准[3]。
在联邦政府中，推进GIS标准发展的主要组织是联邦地理数据委员会(FGDC)，尽管其为非正式的标准组织，但FGDC的行动却得到了白宫到OMB的支持，并在过去几年中掀起了以访问和共享空间数据为目的的国家空间数据基础设施(NSDI)的发展浪潮[11]。特别伴随1994年4月12906号总统令的颁布，使得所有有影响力的联邦组织都必须参予NSDI的建立工作[12]。这样，作为FICCDC的发展结果，FGDC便成为联邦机构中考虑空间数据的联合委员会了，并通过FGDC中所有空间数据委员会的参与，已取得了很大的成就。目前，FGDC中的标准工作组正在促使空间元数据标准的发展，并着手建立FGDC空间数据查询屋(Clea-ringhouse)。另外，戈尔副总统的就职演说中把NSDI也作为其主要的任期目标。这些都将为GIS标准的发展与推广起到很好的促进作用。
4.2 国家方面
国家层中，面对FGDC的发展，在代表私有部门利益的ANSI内部要求成立一个专门的ANSI地理或GIS标准委员会，以发展（包括等同或等效采用已有FIPS的SDTS标准）交换数字空间数据的标准的呼声也越来越高，这便促使了一个新的GIS技术委员会的形成。
在ANSI内部，已批准的技术委员会都不适合发展SDTS，这样就要求建立一个新的技术委员会，以便独立发展GIS标准。于是，代表联邦、各州和地方政府，以及专业化组织的一个新的技术委员会X3L1便于1993年6月成立。该委员会成立后，首先着手采用FIPS 173空间数据转换标准(SDTS)作为美国国家标准，并正在与X3H2数据库委员会紧密合作，以便将SQL引入GIS中，同时对GIS数据质量和空间对象库的研究也非常积极[13]。
事实上，ANSI并不起草标准技术规范，其标准规范由ANSI授权的标准发展组织(SDO[,s])（诸如IEEE）、授权的标准委员会(ASC[,s])（诸如X3信息技术），或通过一个团体机构进行民意调查（诸如NIST）等方法起草并产生。新的GIS技术委员会X3L1是在信息技术X3下面成立的，其中X3在联合技术委员会1(JTC1)、信息技术、国际标准化组织(ISO)以及国际电工委员会(IEC)中起着部分技术顾问组(TAG)的作用，而ISO/IEC和JTC1等制定了ISO中约三分之一的标准，这样X3L1在标准的制定中具有相当重要的作用。
Open GIS协会是X3L1中的新成员，它由来自GIS和计算机领域中的销售商、学术界、政府和私人组织等组成的协会，主要致力于推动开放地理数据互操作规范(OGIS)的发展[14]。该协会希望通过三个方面的努力实现互操作，即：GIS集成和信息技术标准；数据共享；应用和功能共享。尽管OGIS是最近的成果，但由于它直接与主要的GIS销售商打交道，所以OGIS对用户很有吸引力，使它的支持率在不断上升。并且GIS销售商通过OGIS规范，可以提供更多的数据、功能和相关技术的集成，如GPS和IRHS等。这样就使得OGIS的规范越来越被用户接受，并逐步向国际标准迈进。
4.3 国际方面
对GIS标准，国际方面也表示了极大的兴趣。1994年4月，一个新的ISO技术委员会ISO/TC211，即地理信息／地球信息委员会被批准成立，编号为ISO 15046，用于专门推动与协调全球GIS标准的发展。ISO 15046由5个工作组组成，这些工作组又分为20个工作小组，每一小组都有项目负责人，标准制定工作便由各小组来完成。
在ISO 15046成立时，考虑到它对GIS及其正在发展中的标准的优先权、特性和时间等的可能影响作用，在投票过程中，对委员会的名称、工作范围和秘书处的设置等作了仔细的考虑，甚至对该新委员会作为独立的技术委员会还是隶属于ISO/IEC JTC1的子委员会上也作了一定的讨论。其中法国，挪威和英国三个国家都自愿做该新技术委员会的秘书处，最后挪威当选，并于1994年11月在挪威的Oslo举行了ISO TC 211的成立大会。ISO/TC 211的所有标准将于1999年正式出台。
目前从事GIS标准研究的机构已比较多，但在这之中ISO的行动最高，它在个别国家、多国甚至其它国际组织的层次之上。其它一些组织主要包括代表欧共体(EC)16个国家的欧洲标准化委员会(CEN)，其CEN 287技术委员会负责定义地理信息标准；来自北大西洋公约组织(NATO)国家组成的国家数字地理信息工作组(DIGIWG)，制定了DIGEST，即最初主要为军方服务的空间数据交换标准[15]；国际制图协会(ICA)的数字制图转换标准委员会，已出版了一个国际空间数据交换标准报告，并正在推出计算空间数据交换标准参数的专集；国际航海组织(IMO)和国际水文组织(IHO)，共同发展DX-90空间数据交换标准；由20个国家组成的欧洲官方制图代表委员会(CERCO)，正在试图发展一个欧洲转换标准(ETF)，该委员会是一个多国组织，由每个国家民用国家制图局的局长组成。这些组织在ISO中，均以联盟的方式参加，并保持着联系，共同推动全球GIS标准的发展。
5.结束语
GIS是目前国际社会比较关注的热点[16]，特别随着克林顿政府1994年信息高速公路计划的出台和12906号总统令空间数据基础设施建设的落实而更加惹人注目。
面对全球信息化的浪潮，中国政府对GIS的发展也采取了相应的措施[5]。1994年中国首先以积极成员的身份加入ISO/TC 211组织，并于1995年7月25日由国家技术监督局批准，授权国家测绘局为ISO/TC211国内技术归口主管部门，国家基础地理信息中心为技术归口单位，并已成立了五个相应的工作组(WG)，在二十个工作项目上开展标准制定工作，来适应全球信息基础设施的挑战。同时，1997年4月在中国深圳召开的第一届全国信息化会议，也为中国适应全球信息化的发展开始了全面的准备工作。另外，1998年9月21-25日，国际ISO/TC211大会将在中国北京举行，这次会议将为在中国宣传空间数据基础设施和推动全球空间数据基础设施的发展以及GIS标准方面翻开新的一页。
地理学曾一直被看作是所有学科的起源，但随着时间的流逝，对地理学的重要性认识开始降低。而目前GIS技术的发展，则开始了当代地理学的文艺复兴。通过GIS标准基础设施和信息技术标准一起，为GIS世界在利益上的平等和相互交流提供了史无前例的方法。目前，GIS团体已参与到GIS标准基础设施中了，这种基础设施不仅是一个有关标准的论坛，而是要建立和发展一个解决大家普遍关注的问题的规范，同时，伴随GIS标准基础设施在其它国家的出现以及与ISO环境的统一，全球GIS标准问题将最终得到解决，并将统一整个GIS世界。
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