基于地理格網(wǎng)的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與應(yīng)用

兀 偉，李朋德，董旭明，張 坤，肖學(xué)年

（1.國(guó)家測(cè)繪地理信息局測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化研究所，陜西西安710054;2.國(guó)家測(cè)繪地理信息局，北京100830;3.西安地圖出版社，陜西西安710054;4.國(guó)家測(cè)繪地理信息局第一大地測(cè)量隊(duì)，陜西西安710054）

一、引 言

近年來(lái)，我國(guó)地理信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，尤其是車載導(dǎo)航和數(shù)字城市地理信息公共平臺(tái)的推廣應(yīng)用，使信息時(shí)代各類信息定位基礎(chǔ)的空間數(shù)據(jù)得到了廣泛使用，服務(wù)領(lǐng)域迅速擴(kuò)大，并從國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各專業(yè)部門走向社會(huì)化領(lǐng)域。以衛(wèi)星導(dǎo)航定位、攝影測(cè)量與遙感為代表的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，則為實(shí)時(shí)、快速和全天候獲取空間信息提供了有力支撐。數(shù)字測(cè)繪時(shí)代的影像處理、數(shù)據(jù)采集和信息提取技術(shù)，為獲取豐富的地理信息數(shù)據(jù)成果提供了保障。此外，我國(guó)在國(guó)家、省級(jí)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)字城市建設(shè)中積累了多源、多類型、多比例尺和多時(shí)相的地理信息數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)基于不同坐標(biāo)系和空間定位基礎(chǔ)，雖然國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其他坐標(biāo)系應(yīng)與國(guó)家坐標(biāo)系建立關(guān)聯(lián)，但是普通用戶無(wú)法獲取轉(zhuǎn)換參數(shù)、算法或換算表以完成數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換，給地理信息數(shù)據(jù)社會(huì)化應(yīng)用和服務(wù)帶來(lái)了困難。

因此，需要基于通用性搭建全國(guó)統(tǒng)一的地理格網(wǎng)坐標(biāo)與編碼系統(tǒng)，用于空間定位和位置服務(wù)，以解決多源空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)系和空間定位基礎(chǔ)不一致對(duì)社會(huì)化應(yīng)用的約束。地理格網(wǎng)編碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)一步研究空間數(shù)據(jù)集格網(wǎng)轉(zhuǎn)換和要素格網(wǎng)表示，推動(dòng)數(shù)據(jù)向地理格網(wǎng)這一簡(jiǎn)單、便捷、通用空間定位系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)基于地理格網(wǎng)的集成與整合，從而無(wú)障礙地用于服務(wù)領(lǐng)域，以推動(dòng)其社會(huì)化應(yīng)用。

二、地理格網(wǎng)編碼系統(tǒng)

該地理格網(wǎng)以我國(guó)基本比例尺地圖1∶1 000 000地形圖分幅的劃分為基礎(chǔ)，以邊長(zhǎng)100 km的正方形格網(wǎng)為基本單元，按相同地面距離劃分，盡量形成大小統(tǒng)一、形狀規(guī)則的格網(wǎng)。為準(zhǔn)確描述和表示不同大小要素地面位置范圍與位置點(diǎn)，滿足定位、位置服務(wù)和空間分析等社會(huì)化應(yīng)用需要，地理格網(wǎng)按固定規(guī)則劃分為不同等級(jí)大小，形成系列分級(jí)的格網(wǎng)單元。地理格網(wǎng)劃分方案將我國(guó)領(lǐng)土范圍劃分為100 km、50 km、10 km、5 km、1 km、500 m、100 m、50 m、10 m、5 m、1 m、0.5 m 和 0.1 m 等不同等級(jí)大小的正方形格網(wǎng)單元，下級(jí)格網(wǎng)在上級(jí)格網(wǎng)內(nèi)劃分，各級(jí)格網(wǎng)之間為包含關(guān)系。

地理格網(wǎng)編碼是為了滿足查詢和檢索要求而為格網(wǎng)建立的統(tǒng)一、規(guī)范的標(biāo)識(shí)系統(tǒng)。為便于使用，編碼設(shè)計(jì)充分考慮規(guī)律性、簡(jiǎn)單易讀性和實(shí)用性原則。基于以上原則，編碼實(shí)現(xiàn)格網(wǎng)代碼唯一，使所劃分格網(wǎng)與代碼成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。其次，編碼按固定規(guī)則進(jìn)行，編碼方法與地理格網(wǎng)劃分體系對(duì)應(yīng)，相應(yīng)劃分對(duì)應(yīng)相應(yīng)編碼規(guī)則，并可通過代碼反映格網(wǎng)的大小與位置、格網(wǎng)之間的距離和拓?fù)潢P(guān)系，實(shí)現(xiàn)編碼體系的系統(tǒng)性。此外，編碼設(shè)計(jì)盡量使代碼的碼位長(zhǎng)度更短、更簡(jiǎn)化，以保證編碼的簡(jiǎn)單、易讀性。

地理格網(wǎng)編碼體系的上述特征有利于空間數(shù)據(jù)的格網(wǎng)化轉(zhuǎn)換、要素格網(wǎng)表示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成與整合，保證其在社會(huì)化應(yīng)用領(lǐng)域中的推廣。

三、空間數(shù)據(jù)格網(wǎng)轉(zhuǎn)換

我國(guó)地形圖、地理信息數(shù)據(jù)一般采用經(jīng)緯度和公里網(wǎng)坐標(biāo)表示地面位置，數(shù)據(jù)格網(wǎng)轉(zhuǎn)換就是將經(jīng)緯度或公里網(wǎng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地理格網(wǎng)坐標(biāo)。而地理格網(wǎng)是基于經(jīng)緯度和地面距離劃分的，與基本比例尺地圖分幅關(guān)聯(lián)，地理格網(wǎng)坐標(biāo)與經(jīng)緯度或公里網(wǎng)坐標(biāo)之間存在一定數(shù)學(xué)換算關(guān)系，因此，可按此關(guān)系將數(shù)據(jù)由經(jīng)緯度或公里網(wǎng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成地理格網(wǎng)坐標(biāo)。

數(shù)據(jù)格網(wǎng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前需要根據(jù)數(shù)據(jù)比例尺和采集方法確定其平面位置精度，并根據(jù)精度確定轉(zhuǎn)換時(shí)使用的格網(wǎng)大小。地理信息數(shù)據(jù)分為柵格和矢量?jī)深?。柵格?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)保持其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和要素拓?fù)潢P(guān)系不變，將4個(gè)圖廓點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)或公里網(wǎng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)地理格網(wǎng)坐標(biāo)，使數(shù)據(jù)整體轉(zhuǎn)換到地理格網(wǎng)下;矢量數(shù)據(jù)是由字符串描述的經(jīng)緯度或公里網(wǎng)坐標(biāo)表示地面位置，轉(zhuǎn)換時(shí)需要將數(shù)據(jù)經(jīng)緯度或公里網(wǎng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成地理格網(wǎng)坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換精度可根據(jù)數(shù)據(jù)定位精度要求的不同選用5 m、1 m、0.5 m、0.1 m等不同級(jí)格網(wǎng)。

為便于在數(shù)據(jù)中反映地物要素的位置，圖上一般繪有經(jīng)緯網(wǎng)、公里網(wǎng)或用于局部區(qū)域的地理格網(wǎng)。當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地理格網(wǎng)坐標(biāo)后，也需要繪出相應(yīng)的地理格網(wǎng)線，所繪格網(wǎng)線大小要綜合考慮數(shù)據(jù)范圍、比例尺、圖面負(fù)載量、所描述要素內(nèi)容及空間定位要求等。通過對(duì)1∶1 000 000、1∶250 000、1∶50 000、1∶10 000 這4種常用比例尺數(shù)據(jù)分幅、范圍和要素內(nèi)容分析，相應(yīng)圖上適宜繪出的格網(wǎng)線見表1。

表1 不同比例尺數(shù)據(jù)上的地理格網(wǎng)

為更好地反映地形圖的概略位置，可在圖廓整飾部分繪出該幅圖所在的地理格網(wǎng)縮略圖，以描述該幅地形圖的宏觀地理位置。地理格網(wǎng)位置縮略圖示例如圖1所示。

圖1 地理格網(wǎng)位置縮略圖

四、要素格網(wǎng)表示

1.目的和方法

基于位置服務(wù)的地理格網(wǎng)不僅實(shí)現(xiàn)了我國(guó)范圍內(nèi)統(tǒng)一、規(guī)則的格網(wǎng)劃分，還為格網(wǎng)制定了規(guī)范的編碼體系。因此，地理格網(wǎng)不僅可通過數(shù)據(jù)格網(wǎng)轉(zhuǎn)換集成與融合空間數(shù)據(jù)，還可用格網(wǎng)編碼表示各類要素位置信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)要素的空間查詢、檢索與分析。為達(dá)到以上目的，需要研究各類要素地面位置的地理格網(wǎng)表示，使其規(guī)范統(tǒng)一。由于不同類及不同形狀要素二維空間位置表示方法與要求不同，因此需要分類研究要素的地理格網(wǎng)表示，這也是地理格網(wǎng)用于定位與位置服務(wù)的前提和基礎(chǔ)。同時(shí)，地理格網(wǎng)可確定要素所在地面位置點(diǎn)和位置范圍。因此，要素地理格網(wǎng)表示有兩種方案:一種是用要素內(nèi)特定位置點(diǎn)地理格網(wǎng)表示要素地面位置;另一種是用地理格網(wǎng)表示要素所在地面位置范圍。而后者不僅可以描述要素的位置，還反映了要素的大小。

2.格網(wǎng)表示探討

地理信息要素內(nèi)容雖然多種多樣，其面積、形狀和大小也各不相同，但是在地圖和地理信息數(shù)據(jù)中均是用點(diǎn)、線和面3種幾何類型表示的，不同幾何類型要素的地面位置表示方法一般是不同的。同時(shí)，人們對(duì)地名地址要素位置表示有特殊要求，這與普通要素有一定區(qū)別，需要根據(jù)其特點(diǎn)和要求確定表示方法。因此，空間要素地面位置地理格網(wǎng)表示分為點(diǎn)狀、線狀、面狀和地名地址。

（1）點(diǎn)狀要素

不依比例尺表示的點(diǎn)狀要素的地面位置范圍無(wú)法確定。因此，點(diǎn)狀要素只需表示位置點(diǎn)，即首先確定要素標(biāo)注點(diǎn)或定位點(diǎn)位置，并用適當(dāng)?shù)乩砀窬W(wǎng)編碼表示。格網(wǎng)大小和精度由應(yīng)用和服務(wù)要求決定，一般可用100 m、50 m、10 m、5 m和1 m 5種等級(jí)格網(wǎng)表示。

（2）線狀要素

線狀要素根據(jù)需要可表示其位置范圍和位置點(diǎn)。線狀要素地面位置范圍表示時(shí)首先需要確定其所在格網(wǎng)，然后用包含其位置范圍的地理格網(wǎng)編碼表示，所用格網(wǎng)等級(jí)由要素大小決定。對(duì)于要素在格網(wǎng)交界處的特殊情況，若在某一上級(jí)格網(wǎng)內(nèi)，則用上級(jí)格網(wǎng)編碼表示;否則，用所在相鄰格網(wǎng)編碼表示。線狀要素位置點(diǎn)可采用“一點(diǎn)法”和“二點(diǎn)法”兩種方法表示?！耙稽c(diǎn)法”是確定線狀要素中點(diǎn)位置，并用該點(diǎn)地理格網(wǎng)編碼表示其地面位置，該方法比較適用于長(zhǎng)度較短、形狀規(guī)則的要素，如水庫(kù)壩;“二點(diǎn)法”需要確定線狀要素起止點(diǎn)位置，并用其起止點(diǎn)格網(wǎng)編碼表示地面位置，該方法適用于一般線狀要素。線狀要素位置點(diǎn)表示所用格網(wǎng)大小、精度等與點(diǎn)狀要素相同。

（3）面狀要素

依比例尺表示的面狀要素也可表示地面位置范圍和位置點(diǎn)。其中，地面位置范圍表示與線狀要素相同，即首先確定要素所在地理格網(wǎng)，然后用包含該要素地面位置范圍的地理格網(wǎng)編碼表示。面狀要素位置點(diǎn)表示時(shí)為保證描述的規(guī)范統(tǒng)一，應(yīng)首先規(guī)定表示要素位置的定位點(diǎn)。一般來(lái)說，地物要素定位點(diǎn)的最佳位置是其質(zhì)心位置，但是在實(shí)際應(yīng)用中質(zhì)心位置很難確定。因此，面狀要素選用圖形的幾何中心點(diǎn)作為地面定位點(diǎn)，用其幾何中心點(diǎn)的地理格網(wǎng)編碼表示其地面位置點(diǎn)。面狀要素位置點(diǎn)表示所用格網(wǎng)大小、精度等與點(diǎn)狀要素相同。

（4）地名地址要素

地名地址是社會(huì)化應(yīng)用中地面定位和基于位置服務(wù)的基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行地理格網(wǎng)編碼表示是推進(jìn)地理格網(wǎng)應(yīng)用的保障。用地理格網(wǎng)編碼表示地名地址位置范圍的方法與一般地物要素相同。地名地址的位置點(diǎn)表示一般也首選幾何中心點(diǎn)，用幾何中心點(diǎn)的地理格網(wǎng)編碼表示其位置。但是，地名地址有其特殊性，人們?cè)谖恢梅?wù)中常常不需要關(guān)注地名地址所轄地面范圍的幾何中心點(diǎn)，同時(shí)某些地名地址也不好確定其幾何中心點(diǎn)。相反，人們會(huì)關(guān)注一些特殊點(diǎn)位置，這些點(diǎn)常被稱為“興趣點(diǎn)”。如一家單位，人們一般不關(guān)注其幾何中心點(diǎn)位置，而常常需要確定大門、停車場(chǎng)、辦公大樓等位置。因此，地名地址位置點(diǎn)的地理格網(wǎng)編碼表示可以是其定位點(diǎn)(幾何中心點(diǎn))，也可以是興趣點(diǎn)。地名地址位置點(diǎn)表示所用格網(wǎng)大小、精度等也與點(diǎn)狀要素相同。

五、地理格網(wǎng)作用展望

地理格網(wǎng)構(gòu)建了我國(guó)范圍內(nèi)統(tǒng)一的空間參考，有利于實(shí)現(xiàn)地理信息整合。首先，地理格網(wǎng)使不同來(lái)源、比例尺和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的空間數(shù)據(jù)通過格網(wǎng)化轉(zhuǎn)換進(jìn)行集成與融合，實(shí)現(xiàn)非同源空間數(shù)據(jù)的共享與互操作;其次，地理格網(wǎng)可跨越自然地理和我國(guó)行政區(qū)界線，描述與地理空間分布相關(guān)的地表覆蓋、資源環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析與交換的一致性，克服了自然和人為界線不規(guī)則所帶來(lái)的不便，給有效進(jìn)行跨行政區(qū)域界線的比較與分析帶來(lái)了便利;最后，地理格網(wǎng)使空間數(shù)據(jù)表達(dá)從傳統(tǒng)的基于地物要素描述的矢量形式轉(zhuǎn)向基于空間單元表達(dá)的柵格形式，更易于被人們接受與使用。因此，地理格網(wǎng)可推進(jìn)地理信息共享、應(yīng)用與服務(wù)，擴(kuò)大地理信息產(chǎn)業(yè)。

地理格網(wǎng)可搭建一個(gè)面向社會(huì)各領(lǐng)域、為公眾提供服務(wù)的平臺(tái)。地理信息和社會(huì)專題信息分別依附于自然和社會(huì)所劃分的單元。地理格網(wǎng)這一公共地理空間單元可成為自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息的公共載體，使各類信息歸劃到統(tǒng)一地理格網(wǎng)中，達(dá)到以格網(wǎng)為基底平臺(tái)的信息整合，實(shí)現(xiàn)信息空間化，更好地反映信息空間分布;并建立不同類型信息的空間聯(lián)系，用于信息管理、空間分析與決策，有效應(yīng)用這些信息，能全面準(zhǔn)確地認(rèn)知我們所關(guān)心的社會(huì)和地理環(huán)境，為科學(xué)合理的決策奠定基礎(chǔ)。如將城市劃分為適當(dāng)?shù)乩砀窬W(wǎng)單元，將城市基礎(chǔ)設(shè)施確定為格網(wǎng)化部件，使城市建設(shè)管理中的事情空間化為格網(wǎng)事件，可為社會(huì)提供及時(shí)有效的服務(wù)。另外，信息格網(wǎng)化將會(huì)為電子商務(wù)、電子政務(wù)及科學(xué)決策提供豐富、全面、可靠的綜合數(shù)據(jù)信息和高效的信息服務(wù)。因此，地理格網(wǎng)既是統(tǒng)一的空間參考，也是各種自然、人文信息的公共載體。

地理格網(wǎng)編碼體系既使地理信息數(shù)據(jù)有了規(guī)范、統(tǒng)一的空間參考，亦為空間定位和基于位置服務(wù)提供了公共基底。首先，多源、多類型空間數(shù)據(jù)的格網(wǎng)化轉(zhuǎn)換和各類地理信息要素地面位置的格網(wǎng)表示，實(shí)現(xiàn)了要素二維空間定位;其次，地理格網(wǎng)編碼不僅可以反映地物要素的大小、地面位置與范圍，還可反映不同坐標(biāo)系、不同比例尺及不同圖幅中地物要素之間的距離與位置關(guān)系;最后，按固定規(guī)則對(duì)地名地址進(jìn)行地理格網(wǎng)編碼，建立地址信息的地理索引(即基于格網(wǎng)的地理編碼)，實(shí)現(xiàn)地理格網(wǎng)編碼與地址信息結(jié)合，使地址信息有了統(tǒng)一的二維空間位置表示，并在位置服務(wù)中共享這些索引信息，有利于人們?nèi)粘Ｉ钪械目臻g定位與尋址，以及確定和描述不同地址之間的距離和位置關(guān)系。如以地理格網(wǎng)編碼形式存儲(chǔ)的街道地址用于網(wǎng)上智能服務(wù)系統(tǒng)，可用于地址的公共查詢與訪問;在野外旅游探險(xiǎn)中出現(xiàn)迷路、傷病等需要救援時(shí)，如果能提供相關(guān)區(qū)域的地理格網(wǎng)位置，就可在搜救活動(dòng)中迅速確定搜救范圍、路線等，便于救援人員抵達(dá)，提高搜救效率。

六、結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位得到了廣泛應(yīng)用，各地?cái)?shù)字城市建設(shè)迅猛發(fā)展，人們對(duì)于以空間定位與位置服務(wù)為基礎(chǔ)的空間數(shù)據(jù)服務(wù)有巨大需求，迫切需要基于社會(huì)化服務(wù)的地理格網(wǎng)能夠盡快推廣使用?？臻g數(shù)據(jù)格網(wǎng)轉(zhuǎn)換分析和基于格網(wǎng)的要素與地名地址二維空間位置表示研究，對(duì)驗(yàn)證地理格網(wǎng)編碼體系的正確性、合理性與實(shí)用性有重要作用，并可推進(jìn)地理格網(wǎng)的推廣應(yīng)用。隨著信息時(shí)代的來(lái)臨，以快遞為支撐的電子商務(wù)迅速發(fā)展，滿足位置服務(wù)要求的地理格網(wǎng)社會(huì)化應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。

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