地理信息系统(GIS)和地理空间应用和基础设施得到广泛应用，并广泛集成到其他系统中。这类系统中最著名的是那些基于全球定位系统(GPS)和其他全球导航卫星系统(GNSS)的系统。它们使各种各样的应用成为可能，如汽车导航系统、能标记照片位置的智能手机，以及瞄准敌人位置的军事武器系统。通常认为80%的数据可能具有地理空间参考，但Hahmann和Burghardt(2013)的研究表明，大约60%的数据具有空间参考;即数据可以与空间参考系统中的物理坐标相关，或由地理标识符识别。系统及其组成部分在空间中存在或运行，通常需要知道它们或它们的部分、组成部分等在哪里;移动组件的去向;或者系统观察到的物体在哪里。换句话说(Longley et al. 2015):“几乎所有发生的事情都发生在某个地方。知道事情发生在哪里是非常重要的。”扩展这一观察，系统及其相关组成部分可能需要其活动和动作的同步，这通常通过通过时间戳触发动作来实现;为此，系统需要在一定程度或精度上进行时间同步。地理空间/大地测量工程(GGE)知识领域对这一整体主题提供了广泛的介绍，以使读者了解相关技术在系统中实际使用的地方。它反映了大地测量和地理空间技术在GNSS和GPS(卫星定位系统)等系统中的丰富应用甚至关键依赖关系;GIS;空间引用系统;地理数据的处理、分析和可视化(图示)。简要分析了INCOSE系统工程手册(2015)中列出的系统工程专业活动以及建模和仿真在多大程度上可以得到相关主题专业知识的支持。因此，它的结论是，GGE活动可以被认为是系统工程中专门的专业工程活动。

主题

这个知识领域包括三篇主题文章:

• 地球空间/大地测量工程综述
• 系统工程与地球空间/大地测量工程的关系
• 地理空间/大地测量工程的进一步见解

地球空间/大地测量工程综述

本文是系统工程和地理空间/大地测量工程 (GGE) 知识领域的一部分。 它对包括相关应用程序在内的整个主题进行了广泛的介绍，以使读者了解 GGE 在系统中的使用位置。

GIS 和地理空间应用

最近关于地理信息系统(GIS)最全面的标准教科书可能是Longley et al.(2015)和Kresse and Danko(2012)。除了这两本书之外，还有许多其他关于GIS和各自的空间数据捕获程序(测量、摄影测量和遥感)和管理应用的书。汤姆林森(2019)和彼得斯(2012)以及本教科书的在线继承者，系统设计策略，提供了如何建立GIS系统方面的宝贵见解。Tomlinson(2019)更关注管理视角和实施GIS的过程，而Peters(2012)更关注技术方面。

许多教科书中也记录了特定领域的GIS应用程序。该领域包括农业和林业、保险经济学和风险分析、模拟和环境影响分析、水文、考古学、生态学、犯罪调查和取证、灾害管理和第一反应人员、市场营销、市政和土地管理和城市规划、公用事业部门、电信、智能城市和军事应用。后者包括指挥与控制(C2)系统，或甚至扩展到指挥、控制、通信、计算机情报、监视与侦察(C4ISR)系统。一般来说，在地理空间环境中显示或描绘、处理和/或分析事件数据时，都涉及到GIS技术。用户界面的具体类型并不重要。它可以是一个web界面，一个桌面客户端，或者一个移动设备，如智能手机或平板电脑。为了提供这些数据的可视化，必须有定位的空间上下文，地理数据，如数字地形图或地理图像，数字地形模型(DTM)等。除了这些经典的地理数据之外，还经常使用其他类型的数据，如气象和其他环境数据。

互操作性是地理空间技术中的一个重要问题。开放地理空间联盟(OGC)可能是处理GIS和传感器系统互操作性的最相关的组织。OGC针对其主题发布了一套专用的接口规范标准。

定位、导航和计时

之前对地理空间技术的描述主要集中在静止的物体上，即非移动的地理空间数据。本节主要关注运动中的物体，即在空间中运动的物体，以及派生的应用，如导航、监视和跟踪这些物体。所需的基本操作是(地理)定位和导航。当然，大多数使用智能手机的人也在使用各种基于位置的服务(LBS)，这些服务是与GIS数据库和服务一起提供的，例如谷歌Maps，一个著名的在线GIS应用程序。因此，主要通过卫星定位系统(如全球卫星导航系统(GNSS))实现的定位和导航，在过去十年中已经成为无处不在和透明的技术。显然，在过去最相关的常用系统是美国全球定位系统(GPS)，因为它是第一个这样的系统。然而，这并不是唯一的一种。俄罗斯开发了一种名为GLONASS的全球卫星导航系统;欧洲开发了伽利略系统，该系统已接近完全具备操作能力;中国正在研制北斗卫星导航系统。GNSS不仅仅用于定位和导航。由于GNSS所进行的距离测量是基于极其精确的信号单程旅行时间，这些卫星有极其精确的时钟。全球导航卫星系统在这个时间发射供其他系统使用，使系统和需要从这些时间信号得到频率法线的应用程序实现时间同步。这三种GNSS服务统称为定位、导航和授时(PNT)。关于卫星定位系统和卫星导航的更多信息，有两个很好的来源是Teunissen和Montenbruck(2017)和Hofmann-Wellenhof等人(2008)。

公众一般没有意识到在各个领域使用的多少系统依赖于GPS/GNSS信号的可用性。目前，大多数国家关键基础设施依赖于GNSS(英国皇家工程院2013;Wallischeck 2016)。因此，开放获取全球导航卫星系统信号本身被认为是关键的基础设施。依赖全球导航卫星系统的基础设施和应用实例包括运输(铁路、公路、航空、海洋、自行车、步行)、农业、渔业、执法、公路管理、弱势群体服务、能源生产和管理、测量、疏浚、卫生服务、金融服务、信息服务、制图、安全监测、科学和环境研究、搜索和救援(例如全球海上遇险和安全系统，GMDSS)、电信、跟踪车辆和贵重或危险货物，以及量子密码学(英国皇家工程院，2013年)。

为所有空间应用提供框架的大地测量学和大地测量工程

以上部分是面向应用程序的。但是，在更基本的层面上，对自然和人造静止和移动物体(包括卫星)的所有数值(坐标)描述都需要参考一个空间参考系统。它可能是一个局部静止的工程坐标参考系统，一个固定在(运动中的)物体上的(移动的)内部坐标参考系统，一个国家空间参考系统，一个区域空间参考系统，甚至是一个全球空间参考系统，例如世界大地测量系统1984 (WGS84, cf. national Imagery and Mapping Agency 2004)给出的空间参考系统，它是GPS工作的空间参考系统。二维(“水平”)坐标，如大地坐标系中的经纬度组合，是相当直接的，因为它们主要基于数学假设。地球的形状由椭球逼近，椭球表面上定义了坐标，椭球通过大地基准面/大地参考系与地球固定在一起。实际上椭球的定义本身也是大地参考系的一部分。只需要地球物理学的少量输入(地球旋转轴的定位)。然而，对于第三个维度，人们的态度大多是不同的。高度一般是参照参照面的。对于椭球面高度，这是椭球面，但由于椭球面高度可能会引起混淆，因为它们没有考虑地球的质量特征及其分布，更常见的是使用与平均海平面(MSL)表面有关的高度。后者主要取决于地球上质量的(不规则的!)分布，因此也取决于它们的物理性质。用来参考这些重力相关高度的典型表面是所谓的大地水准面，可以用MSL近似。然而，除了这些与地球有关的方面，还有天体空间参考系统和其他天体的空间参考系统。Torge和Müller(2012)提供了关于这些系统的更多信息。因此，大地测量工程及其物理、数学大地测量子学科以及相关的工程学科为包括系统中的系统在内的各种科学技术应用提供了基础框架。

用地图投影和制图描绘地理数据

因为人们通常更依赖于视觉描述而不是语言描述，所以复杂的地球表面通常需要“按”到平面屏幕上，或者像传统制图学中的地图或图表上，即使它是在2D屏幕上的三维透视视图。根据显示比例的不同，从3D到2D的缩小是不可能实现的，除非物体的形状发生一定程度甚至严重的扭曲。基于微分几何的数学大地测量和地图投影为实现这些目标提供了基础(Grafararend et al. 2014)。通过仔细选择合适的地图投影，可以强调不同地块的特征和应用。例如，经典的墨卡托投影用于从赤道到中纬度的海图，而在航空学中经常使用的立体投影，因为两个位置之间的最短距离是一条直线。在墨卡托投影中，直线是一条恒向线，即恒方位线，便于使用磁罗盘来操纵船只(忽略地球上磁偏角的变化)。在这里，地球表面两点(测地线)之间的最短距离是图表上的一条曲线，其曲线向各自半球的极点弯曲。

由于地理数据的描述是GIS的一项基本功能，相应的地图投影模块一般都包含在GIS软件包中。除了这些纯粹与投影相关的可视化地理数据方面，地图制图还提供了显示什么以及如何可视化地理数据的规则和程序。Kraak和Ormeling(2020)表示，这些数据可能通过符号、线条和区域来抽象，包括在地图中应用什么颜色和样式的图形元素，如何在屏幕或纸质地图上相互关联，如何概括它们，即如何简化它们的形状和描绘，甚至在显示时丢弃，当显示的比例发生变化时，等等。

系统工程与地球空间/大地测量工程的关系

本文通过INCOSE(2015)中列出的几个专业工程学科与GGE之间的关系，讨论了系统工程(SE)与地理空间/大地测量工程(GGE)之间的关系。对于大多数这些学科，在知识领域SE和质量属性中也有SEBoK的文章。

INCOSE 专业工程活动中的地理空间方面

直接包含地理空间组件和系统元素的系统，或者执行导航操作或在其最广泛的解释中处理可参考对象的系统，需要来自大地/地理空间领域的专门贡献。这些贡献应该通过将适当的主题专家集成到SE团队中来实现。

以下部分将简要介绍可能直接支持2015年INCOSE专业工程活动的地理空间解决方案或贡献。

环境工程/影响分析

分析污染物的空间分布或扩散通常依赖于已集成到地理信息系统(GIS)中的特定模块;例如，羽流模型将估计化学物质在某些气象条件下如何溶解在大气中。其他应用程序可以确定洪水模拟的径流，或者在地理空间分析中揭示不同类型的环境参数之间的依赖关系。此类应用程序的列表很长。知识领域(KA)系统工程和环境工程提供了更多的信息。

互操作性分析

几十年来，互操作性一直是地理空间基础设施的一个主要问题。开放地理空间联盟(OGC)成立于1994年，1997年发布了第一个标准(OpenGIS简单功能规范)。其他组织也公布标准，包括国际标准组织(ISO)及其211地理信息/测绘技术委员会(另见此处)、国际水道测量组织(IHO)和北大西洋公约组织(北约)。就气象数据而言，世界气象组织(WMO)将有关服务和数据格式标准化。这些机构通常密切合作。

使用这些标准可以大大节省系统开发和运行的成本，从而有助于INCOSE的另一项专业工程活动:负担能力/成本效益/生命周期成本分析。NASA资助了一项由博斯艾伦汉密尔顿公司(2005)进行的研究。研究发现，采用和实施地理空间互操作性标准的项目:

风险调整后的投资回报率(ROI)为119.0%。这个ROI是5年项目生命周期中的“储蓄与投资”比率。

10年的风险调整投资回报率(ROI)为163.0%。

与依赖专有标准的项目相比节省26.2%。

另一个发现是，基于标准的项目比那些完全依赖专有产品进行数据交换的项目具有更低的维护和操作成本。

综上所述，地理空间领域为支持互操作性分析做出了大量贡献。

Logistics Engineering

根据 INCOSE（2015 年），“组织工作工程……是一门工程学科，涉及识别、获取 、 采购和提供维持系统运行和维护 所需的所有支持资源 。” 除其他外，INCOSE (2015) 中确定了以下支持Logistics Engineering的要素，这些要素与地理空间、 GIS 和 PNT/ 全球导航卫星系统 (GNSS)技术直接相关：

• 持续工程；
• 培训和培训支持；
• 供应支持；
• 设施和基础设施；
• 包装、处理、储存和运输 (PHS&T)。

与相关活动相关的典型关键字是：

• “技术监视”，例如，使用大地测量工程技术对现场 系统进行监视，例如结构和场地的变形分析，
• 需要虚拟 3D 环境 和 GIS 的“模拟" ，
• 现在使用与GIS密切相关的建筑信息模型 (BIM) 技术管理的“设施” ，基于地方当局的地籍数据，
• 在空间中移动物体、材料和货物的“转移”和“运输”，其中包括GIS以及用于规划路线和 运输过程中 导航的导航 地图。

有时，由于安全原因，GNSS和实时地理信息系统技术也被用于跟踪货物。

可靠性、可用性和可维护性

地图或在数字化世界中，显示在屏幕或移动设备上的地理数据集有多可靠?这首先取决于数据的来源，即来源的可靠性，另一方面，甚至对于可信的数据源，也取决于是否需要根据业务需求和相关领域发生的变化来更新数据集。更新和维护地理空间数据库是一项昂贵且有时耗时的操作(同样与专业工程活动“负担能力/成本效益/生命周期成本分析”有关)。Peters(2012)从技术角度讨论了如何有效更新地理空间数据库，并且至少在一定程度上必须反映在地理空间数据基础设施的设计中。利用中央服务提供地理数据是解决这一问题的一种可能性，因为根据单一信息源原则，只需要更新一组数据。其他人将通过服务访问此数据集，以始终接收可用数据的最新版本。显然，必须在承载这种地理空间数据库的IT基础设施的设计中解决所需的可用性约束，还需要考虑IT安全方面。

弹性工程

近年来，越来越多的人意识到依赖GPS/GNSS的系统的脆弱性。弹性PNT被广泛讨论，eLoran和satellite等替代方案也经常被提及。根据英国皇家工程院(2013)的说法，“所有需要精确GNSS导出时间和或定时的关键基础设施和安全关键系统，都应该指定使用剩余技术运行三天。”该来源还列出了系统设计中需要考虑的其他建议。

弹性导航和定时基金会(RNT Foundation)定期提供示例案例的一个来源。美国和英国的官方报告也包括Wallischeck(2016)和皇家工程院(2011)。干扰和GPS干扰确实会发生，有时会发布官方警告，例如美国海岸警卫队(DHS 2016)。根据RNT基金会的一份通知，在2017年德国汉堡举行的G20峰会期间，飞行当局发出了官方警告。它警告说，要考虑为保护G20会议而有意发起的活动和行动造成GPS中断的可能性。

谨慎的系统工程师会考虑这些依赖关系，并确保现有系统在一定程度上具有弹性和容错性，即在没有GNSS信号的情况下，这些系统不会终止安全可靠的运行，或在需要继续与其他系统通信时造成重大问题。

系统安全工程

虽然这可能不是很简单，但即使在系统安全工程中，也有一些方面可能受到大地测量和测量工程的支持。一个例子可能是对水坝、桥梁和建筑物等的监测，即建筑物在不同的环境条件下移动的程度，特别是在受到风、水压或热量的影响时。另一个例子是监测火山或山坡等自然物体，以便及早发现将来可能爆发火山或可能发生滑坡，或监测裂缝地带或容易发生地震的地区。

可用性分析/人体系统集成

地理显示有时会成为用户界面的中心部分。在这种情况下，可能需要适当的可用性分析和人类系统集成的其他方面(所有这些活动都是人类因素工程(HFE)的一部分)，地理空间专业知识。但除此之外，在HFE中还考虑了其他几个方面，包括用户与系统的一般交互(Stanton et al. 2013)。然而，在显示虚拟环境方面，HFE与制图学的科学和应用有关(Kraak and Ormeling 2020)，因为后者不仅涉及地理数据的描绘，而且在很大程度上涉及人类对空间现象的不同感知和抽象方式，特别是数据显示的不同尺度的依赖性。

建模和仿真中的地理空间方面

建模与仿真是一个广泛的领域，广泛应用于各个学科，因此也广泛应用于不同的SE生命周期过程。地理空间技术通过提供地理数据来创建用于二维或三维应用的真实环境，为这些活动做出了贡献。根据INCOSE（2015），这种模型被称为“形式几何模型”。当同时考虑时间方面和现象时，使用了四维模型。建模者必须识别必须建模的地理信息类型，以及它们是否是可以用边界分隔的离散对象，或者它们是否是连续字段，表示“作为有限数量变量的真实世界，每个变量定义在每个可能的位置”（Longley等人，2015），如温度。有关连续场和离散对象地理信息系统中地理表示的一般理论以及如何整合这些概念的全面介绍，请参见Longley等人（2015）、Goodchild等人（2007）和Worboys and Duckham（2004）。

在传统制图中，地图模型由著名的地图图例描述，该图例解释了所描绘特征或现象的描述。今天，使用所谓的数字地形模型（DTM）创建用于景观透视可视化的相当简单的模型，并使用地理图像进行渲染。使用这些类型的模型，除了几何信息和图像的视觉解释之外，无法提取进一步的描述性信息来确定实际存在的内容。一个著名的应用程序是谷歌地球。矢量模型可以提供更多信息。向量模型中的离散对象可以通过属性进一步描述，例如街道的宽度。向量模型是使用所谓的“特征目录”创建的，该目录定义了要表示的真实世界对象和域值。国防地理空间信息工作组（DGIWG）为全球军事测绘项目创建了一个典型的军事要素目录，称为DGIWG要素数据字典（DFDD）。特征目录随建模比例的不同级别而不同，即大规模模型比提供更多概述的小规模模型提供更高的粒度。

INCOSE（2015）列出了整个系统生命周期中模型的以下用途：

• 描述现有系统的特征，
• 任务和系统概念的制定和评估，
• 系统架构设计和需求流程，
• 支持系统集成和验证，
• 支持培训
• 知识获取与系统设计演化。

第二和第五目的可由地理空间技术支持;即，创建、存储、模拟和可视化/描绘真实世界或虚拟环境模型的数据和软件组件，系统将部署在那里，或操作将在那里进行(Tolk 2012)。“任务和系统概念的制定和评估”与行动概念(ConOPS)的定义相联系。通过分析系统部署的不同变体，并根据确定的成本函数对其进行分类，可以优化系统设计，为决策提供坚实的依据。

结论

大地测量和地理空间技术和服务在许多系统的系统和独立系统中起着基础性的作用。一般公众往往不知道，他们的生活和活动在多大程度上依赖这些资产来提供和维持电力和通信服务等关键基础设施。在这种背景下，系统工程师通常需要掌握GGE的知识，并接触GGE的主题专家，因此，地理空间和大地测量工程可能也被认为是系统和系统工程中的系统的专业工程学科。

地理空间/大地测量工程的进一步见解

本文是系统工程和地理空间/大地测量工程(GGE)知识领域的一部分。它更详细地讨论了地理信息系统(GIS)和科学的初学者或采用各自技术的系统工程师可能感兴趣或应该了解的一组选定的主题。讨论的主题包括地理空间技术的知识体系、与地理数据相关的各个方面以及地理空间领域的标准化。

GIS 相关知识体系

《地理空间/大地测量工程概览》这篇文章的重点在于，系统和系统中的系统在多大程度上依赖地理信息系统相关技术，以及可能的接口或贡献在哪里。为了提供一个改进但仍然简单的概述，概述哪些主题一般与地理空间和大地测量工程有关，以及地理空间领域实际上有多广泛，本文对地理空间领域的现有知识体系进行了高层次的介绍。

地理空间领域知识体系(BOK)的工作实际上可以追溯到20世纪80年代(cf. Kemp & Goochild 1991，引自Stelmaszczuk-Górska等人2020年)，从那时起，至少有两个主要的工作流程得到了发展。2006年，美国大学地理信息科学联盟(UCGIS)出版了《地理信息科学与技术知识体系》(GISTBoK)第1版(DiBiase et al. 2006)。对于地理空间情报(GEOINT)学科，美国地理空间情报基金会(USGIF)进行了细化。UCGIS GISTBoK还形成了欧洲其他工作流程的核心，该工作流程始于GI-N2K:地理信息-需要知道的项目(Vandenbroucke和Vancauwenberghe, 2016)，旨在在知识体系中更好地反映欧洲方面，并提供概念和关系的本体结构(Hofer等人，2020年)。随后，欧洲工作流程作为地球信息观测项目(EO4GEO)的一部分被进一步推进，该项目完善并扩展了GI-N2K工作(Stelmaszczuk-Górska et al. 2020;Hofer等，2020年)。

UCGIS：地理信息科学与技术知识体系（GISTBoK）

对于 2006 年 GISTBoK，地理空间域的层次分解被分为 10 个知识领域，这些知识领域再次分为 73 个单元，然后分为 329 个主题。 这些主题中列出了 1600 多个学习目标。 随着 2013 年开始的更新（Wilson 2014），当前 GISTBoK 中也有 10 个知识领域，但与 2006 年版本相比，它们发生了部分变化。 截至 2022 年初，共有 54 个单元和 363 个主题。 当前的知识领域是：

• 基础概念，包含 7 个单元和 35 个主题；
• 知识经济，4个单元，20个主题；
• 计算平台，5个单元，28个主题；
• 编程与开发，包含 5 个单元和 23 个主题；
• 数据采集​​，有 8 个单元和 35 个主题；
• 数据管理，7个单元53个主题；
• 分析和建模，包含 9 个单元和 70 个主题；
• 绘图和可视化，有 6 个单元和 36 个主题；
• 领域应用程序，有 44 个主题（没有分类为单元）；
• GIS&T 与社会，包含 3 个单元和 19 个主题。

但是应该注意的是，GISTBoK 不断发展，对于最新版本 ，必须检查相应的GISTBoK 在线资源。此外，这本 BOK 的一个特点是，许多主题都与相应的可引用文章相关联，提供对手头主题的见解。 UCGIS 还在其网站 (UCGIS BOK ) 上提供有关 GIS 和 GIScience 的开放教育资源的信息。

USGIF：GEOINT 基本知识体系

除了由UCGIS主办的主要由学术界推动的活动外，USGIF在2014年发布了其GEOINT基本知识体系的第一版，以GEOINT学科为目标。在其他来源中，它基于2006年的GISTBoK (DiBiase et al. 2006)，但在必要时对其进行了扩展，以更好地反映GEOINT和相关行业的更广泛需求。经过18个月的准备，第二个版本(Brooks等人，2019年)于2019年发布，该版本在GEOINT社区进行了一项调查，涉及解释调查结果的各种主题专家。它是GEOINT学科所需技能的指南，并作为相应的GEOINT专业认证考试的蓝图(Brooks等人2019;大2018)。GEOINT基本知识体2.0版分为三个部分。第一个与“技术能力”有关，包括以下几个方面:

• 地理信息系统和分析工具；
• 遥感与影像分析；
• 地理空间数据管理；
• 数据可视化。

第二部分与“跨功能能力”有关，涵盖了通用技能，如软技能或通用GEOINT知识和适合GEOINT从业者的实践，而第三部分着眼于“新兴能力”，如数据科学、机器学习技术、虚拟现实。人工智能和无人机平台。

值得一提的是，自2015年起，USGIF还每年发布《GEOINT报告的现状与未来》。这些也可作为地球空间技术未来趋势的一般参考。

欧洲：“GI-N2K：地理信息 - 需要知道”和“EO4GEO：地球观测地理信息”BOK

GI-N2K项目由欧盟(EU)伊拉斯谟终身学习计划(Erasmus终身学习计划)及其BOK资助，也是从2006年的GISTBoK (DiBiase et al. 2006)开始的，共有10个知识领域。针对这些知识领域，确定了63个子概念，并进一步划分为301个3级概念。然而，在某些情况下，3级甚至被进一步分解为4级，甚至部分分解为5级概念。最后，在这些层次上定义了411个概念。这个知识体系提供的其他功能是课程设计工具和一个GeoWiki，使专家之间可以进行讨论。

欧洲gis相关BOK的最新发展是EO4GEO BOK，它作为伊拉斯姆斯+行业技能联盟项目EO4GEO的一部分继续并进一步发展，该项目在GI-N2K项目中开展工作。随着地球观测(EO)和地理信息(GI)数据源，尤其是来自空间部门的数据源，如今在数据捕获和衍生数据更新方面越来越重要，需要定义、匹配或合并各自的数据捕获、信息处理、独立和组合分析以及相关应用的技能，以反映学术界、商业和应用领域的这种变化(Stelmaszczuk-Górska等，2020年)。一项分析显示，“美国和欧洲的GIS&T(评论:地理信息科学与技术)和GI-N2K BOKs都不包括EO的综合信息”(Stelmaszczuk-Górska et al. 2020)。此外，由于有批评认为以前的书籍太过以学术驱动的教育为导向，太过理论化，缺乏实践方面，因此强调通过分析一组与适用概念相关的业务流程，以“更好地使”以学术为导向的EO4GEO书籍“与商业、专业和工业视角”(Hofer等人，2020)。

EO4GEO BOK在其最高级别有以下14个子概念:

• 分析方法，有 14 个子概念；
• 概念基础，有 8 个子概念；
• 绘图 和可视化，有 6 个子概念；
• 地理信息系统的设计和设置 ，有4个子概念；
• 数据建模、存储和利用，包含 5 个子概念；
• 地理计算，有 4 个子概念；
• 地理空间数据，有 4 个子概念；
• GI和社会，有 6 个子概念；
• 图像处理与分析，有6个子概念；
• 组织和制度方面，有 5 个子概念；
• 物理原理，有 2 个子概念；
• 平台、传感器和数字图像，有 4 个子概念；
• 主题和应用领域，有 5 个子概念；
• 基于网络的 GI，有 7 个子概念。

与 GIN-2K BOK 类似，在子概念之下还有部分层次。 除了BOK，它还提供职业概况工具、工作offer工具、课程设计工具、BOK注释工具、BOK匹配工具等教育功能。 对于这些概念，它们的名称与描述和参考一起给出。 保留了一组 5 个概念之间的关系，并且解释 EO*GEO 知识实际使用的技能与这些概念相关联（Hofer 等人，2020 年）。 BOK 探索由图形工具支持。

地理数据和元数据

地理数据

地理空间数据实际上是任何类型的地理应用程序所需的燃料，无论它可能仅用于可视化目的，例如作为实时态势感知应用程序的背景信息，还是用于涉及不同数据源和特定分析方法的高级空间分析。SEBoK 的文章“系统工程与地理空间/大地测量工程之间的关系”已经对 地理数据的两个基本概念进行了第一次分类 。 他们是：

• 连续场，即没有明确限制或边界的空间分布现象，并将“现实世界表示为有限数量的变量，每个变量都定义在每个可能的位置”（Longley 等人，2015 年）。 对于使用位置重复模式的情况，通常使用术语栅格数据，特别是对于使用等距矩阵模式的情况。 但是，矩阵可能在列和行中具有不同的分辨率，或者理论上也可能涉及其他规则模式，例如六边形模式，但这些应用非常罕见。
• 离散对象或要素，它们由边界分隔，并可能与一组属性数据相关联，以进一步描述它们超出其空间属性。 这种类型的数据在GIS 环境中也称为矢量数据。

除了这两个基本概念之外，在使用地理数据设计系统时需要考虑的不同方面非常多样化，无法在此详细讨论。 实施 GIS 数据库时要考虑的一些来自实践经验的重要关键词包括：

• 实际需要哪些数据（示例见下文）？
  • 数据应以何种比例可视化，即所需的详细程度。
  • 维度：GIS 技术中使用的典型维度有：
    • 2D，在平面上描述地球表面，如纸质地图；
    • 2.5D，在水平面的某个位置具有唯一的 z 值；
    • 3D，考虑所有三个维度；
    • 时间维度：对于 3D 数据的情况，然后是 4D，但前两种情况也可能在时间上有变化，这里将其视为时间维度。
  • 需要展示哪些关键基础设施，例如交通网络？
• 需要考虑哪些标准，例如特征目录、接口和数据格式标准、数据采集标准等？
• 地理数据所需 的位置精度是多少？这通常与要选择的数据采集方法相关，并且显然与所涉及的成本有关。
• 需要什么级别的语义细节，例如，应为特征/矢量数据捕获多少特征属性，以及应从中选择它们的域值集有多大？
• 是否存在需要捕获和维护的复杂拓扑关系，即为矢量数据建立连接，例如用于路由应用程序或公用事业网络？
• 关于更新的问题：
  • 数据需要多久更新一次？ 这与数据库的维护成本（即要考虑的经常性成本）直接相关，但也与更新资源的可用性有关。
  • 数据将如何更新？ 是否可以对更新的数据使用中央服务，即可以委派更新的责任吗？
  • 当数据和更新分布在系统中时，使用哪些通信线路？ 或者服务模型是更好的选择，因为它实现了单一信息源原则？ 系统工程师必须牢记，地理数据可能会达到相当大的数据量（取决于数据类型 TB 和 PB），例如，这些数据量不容易通过空中分发。
• 可能或必须使用的数据源有哪些？ 数据使用的边界条件如何？
  • 来自空间数据基础设施、来自国际或国家政府机构（甚至是政府间机构）的权威数据，例如美国地质调查局或英国军械调查局等国家调查，或国际层面的联合国。
  • 商业数据源，例如卫星图像服务提供商或地图服务提供商。
  • 开源，来自Open Street Map或Open Seamap 倡议等活动。
  • 与数据源相关的版权和知识产权。
  • 数据分类。
  • 限制性法律条件（例如出口控制法律和数据出口法规，例如某些卫星图像分辨率可能有出口限制）。
  • 数据的责任方面，特别是法律边界的情况，即国家边界。 当邻国之间存在边界争端时，这一点尤其重要！

对于实施方面，Tomlinson (2019) 和 Peters (2012) 以及后者教科书 System Design Strategies的在线继任者再次被提及。

地理数据的元数据

虽然上面的部分讨论了地理数据本身的各个方面，但让这些数据可供潜在用户使用或被潜在用户 检测到也非常重要 。 这是通过元数据描述数据并使元数据可用来完成的，例如在用户可以搜索它的目录中。 虽然都柏林核心元数据倡议定义的都柏林核心数据集（ISO 2017；ISO 2019b）现在用于描述一般项目，但对于地理数据的特殊情况，已经开发了一套专门的 ISO 标准（ISO 2014，与其修订版 ISO 2018 和 ISO 2022；ISO 2020d)。 因此，ISO 19115“提供了关于标识、范围、质量、空间和时间方面、内容、 空间参考 、数字地理数据和服务的描述 、分布和其他属性”（ISO 2014）。

地理编码系统、本地化和地理搜索

此处查看的另一个特定方面是如何 表达特征的空间参考。 当然，在技术上或数学上描述位置的最著名的方法是使用坐标，对于平面的简单情况，可以使用 2 维，也可以使用 3 维，甚至添加时间维度。 ISO 6709 (ISO 2009) 涵盖了 表达地理坐标的标准化方法，但也使用了笛卡尔坐标系。 然而， 空间参考 也可以由其他类型的 地理标识符给出，其中位置由特定（有时是非数字）代码或名称表示。 地名录用于 管理，地理标识符，例如地理名称，例如州、省或其他地理可识别特征例如湖泊等）的名称。使用的其他代码例如地址（应该记住，也有不同的邮政地址类型在使用中） , 国家代码 (ISO 3166-1, ISO 2020a) 和国家主要地区的代码，例如州和省 (ISO 3166-2; ISO 2020b)，但还有许多其他的，有时是特定于应用程序或 特定领域 ，甚至是商业开发的地理代码。

What3words 系统是商业开发的专有地理编码器的一个示例，该 系统甚至在某些国家/地区用作邮政寻址系统。 通过将地球表面划分为大约 3 米乘 3 米的正方形，并为每个正方形分配唯一的 3 个有序单词，就可以建立每个位置的代码。 但是，还有几个其他系统可用，例如Geohash或 Mapcode，它们没有许可证限制。

一般来说，地理编码可以分为非分层地理编码和分层地理编码，而对于后者，位置位置的准确性在细化/细分过程中增加，类似于向坐标添加更多有效数字。geonames.org提供了 GIS 应用程序中 经常使用的著名地理名称数据集 。

然后这些代码还可以用于在地理显示中导航，即通过插入地理代码，人们可以直接在显示中跳转到与代码相关联的相应位置或特征（由位置描述）。 如果代码不明确（有时是地名如城市名称的情况），可以给出消歧义，以澄清选择。 虽然这种方法主要用于在显示中导航或查找位置，但不应将其与在多维空间数据库中有效搜索的主题相混淆。 此处不予处理，因为它与数据库管理系统设计和实施有关，包括空间索引，例如空间填充曲线。

示例：联合国 14 个全球基本地理空间数据主题

系统中要使用的地理数据集总是取决于手头系统的目的和目标，因此这里不能提供通用结构。SEBoK 文章“系统工程与地理空间/大地测量工程之间的关系”在建模和模拟中的地理空间方面的框架中 已经给出了一些地理数据的示例。 为了扩展这一点，以便更好和更广泛地了解一般认为相关的内容，以下地理空间数据主题列表可以作为第一个指标。 它已被联合国全球地理空间信息管理专家委员会（UN-GGIM 2019）详细阐述为“14 个全球基本地理空间数据主题”。

• 全球大地参考系；
• 地址，例如邮政地址 ，见上文；
• 建筑物和住区；
• 高程和深度，例如由数字高程模型和 数字地形模型 (DTM) 提供；
• 职能领域，例如行政或立法领域；
• 地理名称，例如由地名词典管理和提供的 地理标识符 ，见上文；
• 地质和土壤；
• 土地覆盖和土地利用；
• 地块，例如地籍或土地登记册；
• 有形基础设施，包括工业和公用设施；
• 人口分布；
• Orthoimagery，这是正交投影中地理图像 的一种特殊情况
• 运输网络，例如可能与连通性关系相关的铁路、公路、水路和航空运输路线；
• 水，包括河流、湖泊和海洋特征。

UN-GGIM (2019) 提供了有关主题的更多见解和信息，例如可用的标准和可能的数据来源。 在GIS 中，通常以组合方式处理来自不同来源的多个地理数据集，这些数据集被组织成堆叠的图层集，例如可以单独打开和关闭以用于可视化目的。

活跃在地理空间领域的标准化组织

下面简要介绍发布与地理空间领域相关的标准的国际民间组织。

开放地理空间联盟 (OGC)

开放地理空间联盟 (OGC) 成立于 1994 年，发布地理空间领域的开放标准和规范。 这些文件是在成员驱动的共识过程中创建的。 最成功的标准是 Web Map Service (WMS; OGC 2006) 和 Web Feature Service (WFS; OGC 2010)，但 OGC 已经发布了大约 70 个实施标准和大约 20 个抽象规范。

OGC 与 ISO TC211 密切合作（见下一节），一些文件是共同制定和出版的。 例如，上面提到的WMS也是一个ISO标准（即ISO 2005），WFS（ISO 2010）也是。 另一个示例是由 OGC 和 ISO 发布的地理标记语言规范（OGC，2012；和 ISO，2015 和 2020a）。 必须特别注意哪个版本在哪个文档中发布，因为它们不一定在同一版本中同时发布。 除了与 ISO TC211 的合作外，OGC 还拥有其他联盟伙伴，如对象管理组织 (OMG)、结构化信息标准促进组织 (OASIS)、Web3D 联盟、万维网联盟 (W3C)、

亚马逊网络服务、苹果、谷歌、微软、甲骨文和 SAP 等多家公众熟知的公司以及大学、政府、政府间和非政府组织以及个人都是 OGC 不同级别的成员会员总数，总计500多名会员。

ISO TC 211“地理信息/地理信息”

国际标准化组织 (ISO) 无疑是世界上最著名的国际标准化组织，它被组织成制定标准的技术委员会。 技术委员会 (TC) 211 与“地理信息/地理信息”有关。 TC211 已经发布了 80 多个标准，其中大部分是 191xx 系列标准的一部分，包括抽象规范和与 OGC 一起的接口标准。 下面的参考列表中引用了几个 ISO TC211 标准。 TC211 还维护在线多语言术语表 (MLGT) 在 Geolexica 中，它用于定义该知识领域中使用的术语。 通常，ISO 标准也作为国家标准或作为来自各个欧洲标准化组织的欧洲标准颁布。

国际水文组织 (IHO)

IHO 成立于 1921 年，前身为国际水道测量局，1970 年更名为国际水道测量组织 (IHO)，它是一个政府间组织，负责标准化和协调水文学、航海制图和 海图领域的活动，以确保最初和仍然主要是航行安全。 随着人们对海洋环境的兴趣日益增加，例如安装海上风电场，IHO 活动的重要性随着它发布了创建和交换数字水文数据的标准（IHO 2020；IHO 2017a；IHO 2000 及其附录），可用作GIS 底图 图层 ，也用于数据的描绘（IHO 2014）。 IHO (2017b) 讨论了水文办公室如何通过为海洋环境提供数据来支持创建空间数据基础设施的方式。 随着其标准的修订以符合 ISO TC211 标准，IHO 现在正在过渡到 S-100 系列标准（IHO 2018）。

世界气象组织 (WMO)

WMO最初成立于1873年，前身为国际气象组织，1950年更名为世界气象组织（WMO），是一个政府间组织和联合国专门机构。 根据其网站上描述的任务，它提供了“在气象（天气和气候）、业务水文学和相关地球物理科学领域”的国际合作框架，并促进“自由和不受限制地交换数据和信息、产品和在与社会安全保障、经济福利和环境保护有关的事项上提供实时或近实时服务。” WMO 定义了几种用于交换天气信息的数据格式（WMO 2019 和 2021a/b）。

显然，创建气象信息所需的科学背景远远超出了标准GIS应用程序所需的范围。 从 GIS 的角度来看，天气信息可以被视为一个或多个信息层，并且由于通常需要实时或接近实时的信息，因此必须与天气数据提供者建立相应的在线接口，无论它们是国家级的气象服务或商业公司。