地球空間參考網(wǎng)格系統(tǒng)建設(shè)初探

程承旗 吳飛龍 王嶸 秦永剛 童曉沖 陳波

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地球空間參考網(wǎng)格系統(tǒng)建設(shè)初探

程承旗1,?吳飛龍2,3王嶸4,5秦永剛6童曉沖7陳波1

1. 北京大學(xué)工學(xué)院, 北京 100871; 2. 北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所, 北京 100871; 3. 31009部隊(duì), 北京 100088; 4. 61139部隊(duì), 北京 100091; 5. 國(guó)防科技大學(xué)信息系統(tǒng)與管理學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410073; 6. 國(guó)防大學(xué)信息作戰(zhàn)與指揮訓(xùn)練教研部, 北京 100091; 7. 信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院, 鄭州 450052; ? E-mail: ccq@pku.edu.cn

為了彌補(bǔ)用經(jīng)緯度作為地理位置標(biāo)識(shí)存在的描述復(fù)雜、無(wú)區(qū)域特征、計(jì)算復(fù)雜度高等不足, 以北京大學(xué)提出的GeoSOT網(wǎng)格為基礎(chǔ), 構(gòu)建一套全球空間參考網(wǎng)格系統(tǒng)。該系統(tǒng)以等度、等分、等秒的完美四叉樹(shù)剖分網(wǎng)格為基礎(chǔ), 建立適合協(xié)調(diào)空地聯(lián)合行動(dòng)的網(wǎng)格體系, 設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單實(shí)用、可距離計(jì)算的定位編碼方法, 可實(shí)現(xiàn)多部門、多源異構(gòu)地理空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一檢索, 并發(fā)展出高效編碼代數(shù)運(yùn)算、地理空間管理與計(jì)算框架、三維地球空間剖分框架等新方法, 將在未來(lái)的地理空間大數(shù)據(jù)應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

地球空間參考網(wǎng)格系統(tǒng); GeoSOT; 經(jīng)緯度; 四叉樹(shù)

地球空間參考網(wǎng)格系統(tǒng)采用地球剖分技術(shù), 對(duì)地球表面進(jìn)行剖分, 形成形狀近似、空間無(wú)縫不重疊、尺度連續(xù)的多層次網(wǎng)格, 通過(guò)對(duì)剖分網(wǎng)格進(jìn)行有序的地理遞歸編碼, 使得大到地球尺度、小到厘米尺度的網(wǎng)格都有一個(gè)唯一的地理編碼。地球空間參考網(wǎng)格系統(tǒng)是一個(gè)科學(xué)的、簡(jiǎn)明的、全球統(tǒng)一的剛性定位網(wǎng)格參照系統(tǒng), 是對(duì)現(xiàn)有測(cè)繪參照系統(tǒng)和其他專用定位系統(tǒng)的補(bǔ)充。

在現(xiàn)有測(cè)繪參照系統(tǒng)中, 通常僅采用經(jīng)緯度作為地理位置的標(biāo)識(shí)。經(jīng)緯度坐標(biāo)以度?分?秒的形式分別表示經(jīng)度和緯度, 描述地球上某一點(diǎn)的位置, 具有以下不足: 1) 度?分?秒的形式描述復(fù)雜, 不便于位置報(bào)告和方位距離的簡(jiǎn)單計(jì)算; 2) 經(jīng)緯度描述的是一個(gè)點(diǎn), 不附帶區(qū)域特征; 3) 經(jīng)緯度數(shù)值由兩個(gè)帶小數(shù)的實(shí)數(shù)組成, 計(jì)算分析的復(fù)雜度高。為了補(bǔ)充經(jīng)緯度坐標(biāo)體系, 美國(guó)軍隊(duì)(簡(jiǎn)稱“美軍”)在 20世紀(jì)中期發(fā)展了軍用網(wǎng)格參考系統(tǒng), 并伴隨多種應(yīng)用需求的出現(xiàn), 在隨后的幾十年中發(fā)展了多套網(wǎng)格系統(tǒng)。

1 國(guó)外網(wǎng)格系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

在美軍參謀長(zhǎng)聯(lián)席會(huì)議于2012年10月發(fā)布的《聯(lián)合作戰(zhàn)中的地理空間情報(bào)(Geospatial Intellig-ence in Joint Operations)》報(bào)告中, 提出在位置定位中采用經(jīng)緯度坐標(biāo)和軍用網(wǎng)格參考系統(tǒng)(Military Grid Reference System, MGRS)坐標(biāo), 在區(qū)域參考中采用全球區(qū)域參考系統(tǒng)(Global Area Reference System, GARS)坐標(biāo)[1]。上述兩種網(wǎng)格編碼的發(fā)展歷史背景不同,編碼結(jié)構(gòu)具有不同形式,在軍事應(yīng)用中發(fā)揮的作用也不相同。以美國(guó)堪薩斯州的勞倫斯為例,經(jīng)緯度坐標(biāo)為 38°57′33.804″N, 95°15′ 55.739″W, MGRS坐標(biāo)為15SUD0370414710, GARS坐標(biāo)為170LT13。此外, 還有Google Earth虛擬數(shù)字地球, 其實(shí)質(zhì)是采用一套完整的地球剖分網(wǎng)格體系, 構(gòu)建全球多分辨率遙感影像的承載平臺(tái), 值得借鑒。

1.1 MGRS網(wǎng)格

MGRS于20世紀(jì)40年代由美軍根據(jù)歐洲網(wǎng)格化地圖修改得到, 已廣泛用于地面作戰(zhàn)行動(dòng)和國(guó)土安全防御的地理位置定位, 主要由陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)使用。MGRS 提供一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)參考, 并在經(jīng)緯度坐標(biāo)與網(wǎng)格坐標(biāo)之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系, 簡(jiǎn)化士兵之間的位置報(bào)告和協(xié)調(diào)。美軍相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定, 所有的 2D 和 3D 位置軟件應(yīng)同時(shí)顯示經(jīng)緯度坐標(biāo)和MGRS坐標(biāo)。

MGRS首先將全球規(guī)則地劃分為多個(gè)8°×6°網(wǎng)格, 然后在通用橫軸墨卡托投影(Universal Trans-verse Mercator Projection, UTM)基礎(chǔ)上劃分為多個(gè)百公里網(wǎng)格, 將百公里網(wǎng)格不斷十等分, 獲得十公里網(wǎng)格、公里網(wǎng)格, 直至米級(jí)網(wǎng)格[2-3], 編碼結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。通過(guò) MGRS 編碼, 可在百公里網(wǎng)格內(nèi)部通過(guò)簡(jiǎn)單加減法進(jìn)行方位和距離的計(jì)算。

MGRS 采用覆蓋全球的統(tǒng)一位置標(biāo)識(shí), 為美軍提供了良好的全球一體化位置服務(wù), 并已在紙質(zhì)地形圖、電子地圖、GPS中推廣普及。與傳統(tǒng)的經(jīng)緯度地圖相比, 新地圖有 MGRS 方形網(wǎng)格, 可通過(guò)MGRS 編碼, 直接對(duì)應(yīng)在地面上的距離, 使得方位和距離估算更簡(jiǎn)便。美國(guó)災(zāi)難事故調(diào)查與救援委員會(huì)的地理位置標(biāo)識(shí)規(guī)定, 在陸地災(zāi)難事故查找救援、陸地/航空協(xié)同查找救援等業(yè)務(wù)中優(yōu)先采用MGRS 編碼標(biāo)識(shí)位置, 建議在空中災(zāi)難事故查找救援等業(yè)務(wù)中將 MGRS 編碼作為經(jīng)緯度坐標(biāo)的補(bǔ)充手段。

1.2 GARS網(wǎng)格

GARS網(wǎng)格由美國(guó)地理空間情報(bào)局(National Geospatial-Intelligence Agency, NGA)于 2006 年提出, 是美國(guó)國(guó)防部進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化戰(zhàn)場(chǎng)區(qū)域的參考系統(tǒng), 主要用于滿足聯(lián)合作戰(zhàn)中作戰(zhàn)系統(tǒng)與指揮機(jī)構(gòu)協(xié)同運(yùn)作的需要。出于聯(lián)合作戰(zhàn)考慮, 尤其是空軍、空地協(xié)同各作戰(zhàn)單元之間的位置報(bào)告特點(diǎn)要求, 采用等經(jīng)緯度網(wǎng)格剖分方法, GARS 網(wǎng)格被劃分為 30′, 15′ 和 5′ 的 3 個(gè)層級(jí)[4]。如圖 2 所示, 用 3 位數(shù)字(經(jīng)度方向, 001~720)和 2 位字母(緯度方向, AA~ QZ, I 和 O 除外)表示 30′網(wǎng)格; 一分為四, 用 1~4 表示 15′ 網(wǎng)格; 再一分為九, 用 1~9 表示 5′ 網(wǎng)格。GARS 網(wǎng)格與地圖投影無(wú)關(guān), 是一個(gè)可用于聯(lián)合作戰(zhàn)的、以區(qū)域?yàn)閱挝欢皇嵌ㄎ稽c(diǎn)(MGRS)的全球范圍參考系統(tǒng), 為聯(lián)合作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)感知、空地協(xié)調(diào)提供一個(gè)通用框架。

GARS 主要是一個(gè)作戰(zhàn)層次的管理標(biāo)準(zhǔn), 用于在戰(zhàn)場(chǎng)空間協(xié)調(diào)、作戰(zhàn)行動(dòng)同步和大面積搜索救援中快速地定位地理區(qū)域, 并在任務(wù)規(guī)劃和作戰(zhàn)分析中使用, 被譽(yù)為數(shù)字戰(zhàn)場(chǎng)空間和通用作戰(zhàn)圖的關(guān)鍵推動(dòng)者。GARS 專為戰(zhàn)場(chǎng)空間管理設(shè)計(jì), 不是位置參考系統(tǒng)的替代品, 不用于精確的地理定位、制導(dǎo)武器的精確位置描述以及小于 5′ 區(qū)域的描述。GARS 可用于定義一個(gè)區(qū)域的特性, 如水域管理中的限制火力區(qū)域、無(wú)火力區(qū)域等, 而這個(gè)區(qū)域可能沒(méi)有地形特征要素(如房屋等)。每個(gè)GARS細(xì)胞被賦予關(guān)鍵信息、海拔高度、時(shí)間、所有者、作戰(zhàn)狀態(tài)/目的等, 用于管理戰(zhàn)場(chǎng)信息。GARS是一個(gè)二維框架, 還可以擴(kuò)展至三維、四維(時(shí)間)。GARS 顯著地有利于多任務(wù)協(xié)同, 已印制在美國(guó)軍用地圖上, 并在阿富汗、伊拉克和韓國(guó)等地使用, 在美國(guó)聯(lián)邦緊急事務(wù)管理署、海岸警衛(wèi)隊(duì)和地方政府的搜索和救援工作中也得到廣泛應(yīng)用。

1.3 Google Earth網(wǎng)格

Google Earth是谷歌公司開(kāi)發(fā)的虛擬數(shù)字地球, 于 2005 年推出, 展現(xiàn)了新一代遙感影像數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的巨大技術(shù)優(yōu)勢(shì)。它通過(guò)構(gòu)建一套經(jīng)緯度網(wǎng)格剖分體系, 基于四叉樹(shù)的瓦片數(shù)據(jù)層疊加技術(shù)來(lái)存儲(chǔ)組織遙感影像數(shù)據(jù)。

GoogleEarth 網(wǎng)格的劃分方案是: 將整個(gè)球面180°×360°區(qū)域作為四叉樹(shù)的父節(jié)點(diǎn), 不斷地依次四分[5]。每個(gè)瓦片參照金字塔模式, 按照層級(jí)依次存儲(chǔ), 如圖 3 所示。每個(gè)層級(jí)的瓦片都按照行和列row(,)進(jìn)行索引, 以(?180°W, 90°N)為 row(0, 0)。影像的瓦片大小為 256×256 pixel, PNG/JPEG格式。

1.4 學(xué)術(shù)研究層面的網(wǎng)格

為解決經(jīng)緯度網(wǎng)格系統(tǒng)中存在的兩極畸變難題, 研究人員一直致力于發(fā)展多面體網(wǎng)格方法。Dutton[6]利用正八面體逼近地球并進(jìn)行三角剖分, 建立正球面三角形數(shù)據(jù)模型 O-QTM 或 QTM。White[7]采用多種投影方法, 將正八面體和正二十面體投影到地球表面。賁進(jìn)等[8]提出球面等積六邊形離散網(wǎng)格的生成及其算法。因?qū)⒔?jīng)緯度記錄的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多邊形球面數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)方法比較復(fù)雜, 故上述工作一直停留在學(xué)術(shù)研究層面。隨著對(duì)地球的認(rèn)知不斷擴(kuò)展, 研究人員將二維地球剖分延展至三維空間, Stemmer等[9]、Ballard等[10]以及Stadler等[11]面向多種應(yīng)用對(duì)三維格網(wǎng)進(jìn)行了探索。

2 地球空間參考網(wǎng)格系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地球空間參考網(wǎng)格系統(tǒng)及其編碼, 是通過(guò)編碼化降維, 將二維地球空間處理成一維空間, 并形成簡(jiǎn)明可讀的網(wǎng)格編碼, 具有可標(biāo)識(shí)、可定位、可索引、可計(jì)算、多尺度等優(yōu)異特性[12-13]?，F(xiàn)階段, 在地理空間位置協(xié)調(diào)、空地聯(lián)合同步行動(dòng)中, 對(duì)地理位置的標(biāo)識(shí)依然采用經(jīng)緯度坐標(biāo)方式, 在位置報(bào)告中亦如此。由于坐標(biāo)系不同和應(yīng)用尺度不同等原因, 我國(guó)不宜直接采用美軍的網(wǎng)格參考系統(tǒng), 亟待發(fā)展自己的地球空間參考網(wǎng)格系統(tǒng), 作為經(jīng)緯度坐標(biāo)的補(bǔ)充。

2.1 GeoSOT網(wǎng)格

本文建議使用的地球空間參考網(wǎng)格系統(tǒng), 源自北京大學(xué)提出的基于 2一維整型數(shù)組地理坐標(biāo)的地球剖分網(wǎng)格(geographical coordinate global sub-division based on one-dimension-integer and two to-th power, GeoSOT)[14], 具有獨(dú)立自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。GeoSOT網(wǎng)格以經(jīng)緯度坐標(biāo)體系為基礎(chǔ), 采用 2000國(guó)家大地坐標(biāo)系, 通過(guò)3次地球擴(kuò)展(將地球擴(kuò)展為 512°×512°, 將 1° 擴(kuò)展為 64′, 將 1′ 擴(kuò)展為 64″), 不斷進(jìn)行四分, 實(shí)現(xiàn)整度、整分、整秒的四叉樹(shù)剖分, 形成一個(gè)上至地球(0 級(jí))、下至厘米級(jí)面元(32級(jí))的多尺度四叉樹(shù)網(wǎng)格。GeoSOT 網(wǎng)格坐標(biāo)是對(duì)經(jīng)緯度坐標(biāo)體系的補(bǔ)充和擴(kuò)展, 是對(duì)國(guó)家基本比例尺地形圖分幅網(wǎng)格、國(guó)家地理格網(wǎng)等網(wǎng)格的繼承和發(fā)展。

GeoSOT網(wǎng)格由32級(jí)構(gòu)成。

0~9 級(jí)為度級(jí)網(wǎng)格。0 級(jí)網(wǎng)格定義為將地球?qū)嶋H范圍擴(kuò)展的 512°方格。在 0 級(jí)網(wǎng)格的基礎(chǔ)上平均分為 4 份, 得到 1 級(jí)網(wǎng)格, 每個(gè) 1 級(jí)網(wǎng)格大小為256°。依此類推, 繼續(xù)四叉樹(shù)劃分, 得到 2~9 級(jí)網(wǎng)格, 每個(gè)9級(jí)網(wǎng)格大小為1°。

10~15 級(jí)網(wǎng)格為分級(jí)網(wǎng)格。將 9 級(jí)的 1° (60′)網(wǎng)格虛擬擴(kuò)展至 64′, 平均分為 4 份, 每個(gè) 10 級(jí)網(wǎng)格大小為32′。繼續(xù)四分, 得到11~15級(jí)網(wǎng)格, 每個(gè)15級(jí)網(wǎng)格大小為1′。

16~21 級(jí)為秒級(jí)網(wǎng)格。與上述擴(kuò)展方法類似, 將 15 級(jí)的1′ (60″)網(wǎng)格網(wǎng)格虛擬擴(kuò)展為 64″方格, 四叉樹(shù)劃分, 得到 16 級(jí)網(wǎng)格, 每個(gè) 16 級(jí)網(wǎng)格大小為 32″。繼續(xù)四分, 得到 17~21 級(jí)網(wǎng)格, 每個(gè) 21 級(jí)網(wǎng)格大小為1″。

繼續(xù)四叉樹(shù)剖分, 得到秒以下的 22~32 級(jí)網(wǎng)格, 32級(jí)網(wǎng)格的大小為1/2048″。

虛擬擴(kuò)展及四分方法如圖4所示。按照上述定義, GeoSOT網(wǎng)格一共分為32個(gè)層級(jí), 大到全球級(jí), 小到厘米級(jí), 均勻地將地球表面空間劃分為多層次的網(wǎng)格, 形成全球四叉樹(shù)網(wǎng)格體系。

GeoSOT網(wǎng)格編碼模型采用Z序編碼, 如圖5所示, 編碼起點(diǎn)為(0, 0), 4個(gè)半球的Z序方向因此不同。自全球依次向下四分編碼, 下一級(jí)網(wǎng)格在上一級(jí)網(wǎng)格的基礎(chǔ)上 Z 序編碼[15]; 每一級(jí)網(wǎng)格按 Z序被分別賦值0, 1, 2, 3, 轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼為00, 01, 10, 11; 每一級(jí)網(wǎng)格編碼占用2 bit, 32級(jí)網(wǎng)格編碼占用64 bit。網(wǎng)格編碼通過(guò)經(jīng)緯度直接轉(zhuǎn)換計(jì)算獲得, 可用于以經(jīng)緯度坐標(biāo)方式記錄地理位置的數(shù)據(jù)處理和分析。例如北京世紀(jì)壇中心(39°54′37.0″N, 116°18′54.8″E ), 將其按度(9 位)、分(6 位)、秒(6位)、秒以下(11位)分別轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù): 緯度轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制, 如39 = 000100111, 即000100111°1101 10′100101″00000000000; 經(jīng)度轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制,即001110100°010010′110110″11001100000。根據(jù)網(wǎng)格層級(jí), 進(jìn)行網(wǎng)格編碼的位數(shù)抽取,亦體現(xiàn)網(wǎng)格的多尺度性, 如第27級(jí)網(wǎng)格編碼計(jì)算時(shí), 將緯向和經(jīng)向編碼第27 位之后都取值 0。將經(jīng)緯向編碼進(jìn)行降維處理,緯向和經(jīng)向編碼依次交叉,如00和11交叉得到0101,由此形成二進(jìn)制形式的GeoSOT網(wǎng)格編碼。第 27 級(jí)網(wǎng)格編碼為 000001110101111010 1011001011001101001101100101000001010000000000, 十進(jìn)制為531051692176970752。

2.2 地球空間參考網(wǎng)格系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

結(jié)合應(yīng)用實(shí)際考慮, 抽取GeoSOT網(wǎng)格中的部分網(wǎng)格, 形成具有特定含義的基礎(chǔ)網(wǎng)格集—— 地球空間參考網(wǎng)格, 并生成簡(jiǎn)易可識(shí)別的網(wǎng)格編碼, 便于人們表達(dá)和記憶。地球空間網(wǎng)格編碼可直接轉(zhuǎn)換為GeoSOT網(wǎng)格編碼, 利用GeoSOT網(wǎng)格的完美四叉樹(shù)體系, 使得二進(jìn)制形式網(wǎng)格編碼的每一位二進(jìn)制碼都具有空間意義, 在涉及地理空間的計(jì)算中效率極高。

如表 1 所示, 設(shè)計(jì)方案中, 以 4° 網(wǎng)格、16′ 網(wǎng)格、1′ 網(wǎng)格、4″ 網(wǎng)格、1/4″ 網(wǎng)格、1/64″ 網(wǎng)格作為基礎(chǔ)網(wǎng)格, 分別代表 500 km 級(jí)(大尺度)、50 km 級(jí)(過(guò)渡)、1 km 級(jí)(中尺度)、100 m 級(jí)(小尺度)、10 m級(jí)(定位級(jí))、1 m級(jí)(精確級(jí))基礎(chǔ)網(wǎng)格, 構(gòu)成地球空間網(wǎng)格系統(tǒng)。4°網(wǎng)格將地球(180°×360°)劃分為46×90份, 緯度方向用字母A~Y和a~y (I, O和I, o除外)共 46 個(gè)字母代替, 北緯為大寫, 南緯為小寫, 起算點(diǎn)為 0°, 從低緯度到高緯度字母依次按 A~Y的順序變化; 經(jīng)度方向用數(shù)字 0~89 代替, 起算點(diǎn)為?180°。如圖 6 所示, 將 4°網(wǎng)格(1°按 64′ 計(jì), 即256′ )劃分為 16′ 網(wǎng)格, 形成 16×16 個(gè)網(wǎng)格, 東北半球以左下為角點(diǎn), 以 0123456789ABCDEF 十六進(jìn)制順序進(jìn)行編碼。同理, 可繼續(xù)進(jìn)行 16×16 的劃分至 1′ 網(wǎng)格、4″ 網(wǎng)格、1/4″ 網(wǎng)格、1/64″ 網(wǎng)格。例如北京世紀(jì)壇中心(39°54′37.00″N, 116°18′54.8″E), 其4°網(wǎng)格位于39°54′/4 = 9余3°54′, 116°18′/4 = 29余18′, 即北緯向第10個(gè)格子、經(jīng)向第30個(gè)格子, 編碼為 K29, 將緯度余數(shù)除以 16′ (1°以 64′ 計(jì), (3×64+54)/16=15余6), 取15即F, 同理可推至1′, 4″, 1/4″, 1/64″, 得到6, 9, 4, 0, 即4°后緯向編碼為F6940。同理, 經(jīng)度余數(shù)得到1, 2, 13, 11, 3, 即4°后經(jīng)向編碼為 12DB3。將緯向和經(jīng)向編碼依次交叉, 并加上 4°編碼, 可以得到地球空間網(wǎng)格編 碼 K29F1629D4B03。從逆向上來(lái)看, 可將編碼K29F1629D4B03 拆分為緯向編碼(9)F6940 和經(jīng)向編碼(29)12DB3, 分位換算為二進(jìn)制, 并將 4°網(wǎng)格二進(jìn)制補(bǔ)至 7 位, 其他補(bǔ)至 4 位, 得到 0001001 1111 0110 1001 0100 0000和0011101 0001 0010 1101 1011 0011, 將緯向和經(jīng)向編碼依次交叉, 補(bǔ)齊至 64 位, 得到 0000011101011110101011001011 001101001101100101000001010000000000, 十進(jìn)制數(shù)為 531051692176970752, 與 GeoSOT 網(wǎng)格編碼一致。

表1 地球空間網(wǎng)格系統(tǒng)基礎(chǔ)網(wǎng)格層級(jí)

3 網(wǎng)格參考系統(tǒng)特點(diǎn)分析

地球空間網(wǎng)格參考系統(tǒng)構(gòu)建了等度、等分、等秒的四叉樹(shù)網(wǎng)格體系, 發(fā)展出一套以網(wǎng)格為單元的計(jì)算分析框架, 具有以下特點(diǎn)。

1) 構(gòu)建起類似 GARS 的等度、等分、等秒網(wǎng)格體系。地球空間網(wǎng)格是一套全球區(qū)域參考網(wǎng)格系統(tǒng), 是整度、整分、整秒的經(jīng)緯度網(wǎng)格, 可用于空地聯(lián)合行動(dòng)中的位置協(xié)調(diào)。它是在經(jīng)緯度坐標(biāo)體系下發(fā)展而來(lái), 與經(jīng)緯度標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格(如國(guó)內(nèi)外主要的地圖圖幅、氣象圖幅、海圖圖幅、國(guó)家地理格網(wǎng)等)具有良好的包容關(guān)系。以經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)行采集的地理空間數(shù)據(jù)或其他特定應(yīng)用數(shù)據(jù), 不需再次進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集, 只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的編碼轉(zhuǎn)換即可。

2) 發(fā)展了類似 MGRS 的網(wǎng)格定位編碼方法。人們可以采用一個(gè)簡(jiǎn)單數(shù)字報(bào)告自己的位置, 如“我在2283網(wǎng)格, 正在向2293網(wǎng)格前進(jìn)”。通過(guò)網(wǎng)格編碼的簡(jiǎn)單加減乘除運(yùn)算, 可獲得兩個(gè)網(wǎng)格之間的方位和距離。如圖7所示, 4位網(wǎng)格位置報(bào)告法簡(jiǎn)單可行。假設(shè)救援區(qū)域在編碼為A293D的 1°網(wǎng)格, 那么救援人員報(bào)告自己的位置時(shí)只需報(bào)告自己處在該 1°網(wǎng)格內(nèi)的 2283 網(wǎng)格即可(4′, 大約 120 m)。通過(guò)網(wǎng)格計(jì)算表, 可知該緯度定位級(jí)網(wǎng)格大小為8 m, 大致推算圖中E1網(wǎng)格與2E網(wǎng)格距離為北向(2-E)×8 m=?96 m, 東向(E-1)×8 m=104 m, 即南向96 m, 東向104 m。

3) 構(gòu)建起類似 Google Earth 的全球四叉樹(shù)數(shù)據(jù)組織體系。地球空間網(wǎng)格的虛擬擴(kuò)展方法在實(shí)現(xiàn)等度、等分、等秒劃分的同時(shí), 也構(gòu)建起一套完整的全球四叉樹(shù)數(shù)據(jù)組織體系。網(wǎng)格作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的“抽屜”, 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)可依照其地理位置賦予網(wǎng)格編碼, 即被規(guī)則地放置到“抽屜”中, 不同數(shù)據(jù)之間通過(guò)網(wǎng)格編碼有機(jī)地關(guān)聯(lián)在一起, 由此可實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)在空間特征上的關(guān)聯(lián)整合。傳統(tǒng)查詢檢索中基于二維經(jīng)緯度的復(fù)雜空間關(guān)系計(jì)算, 轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S二進(jìn)制編碼的簡(jiǎn)單匹配, 效率提升幅度巨大。

本網(wǎng)格參考系統(tǒng)已在某業(yè)務(wù)部門進(jìn)行真實(shí)試驗(yàn)驗(yàn)證, 實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)地理空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一檢索, 并極大地提升查詢檢索效率。試驗(yàn)數(shù)據(jù) 3000 萬(wàn)條, 是 5年內(nèi)4顆對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星獲得的2級(jí)遙感影像產(chǎn)品, 以景為單元存儲(chǔ), 其元數(shù)據(jù)按衛(wèi)星型號(hào)分 4 個(gè)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)。該業(yè)務(wù)部門采用 ArcSDE 對(duì)其元數(shù)據(jù)進(jìn)行管理, 將數(shù)據(jù)的空間位置擬合到局部自適應(yīng)網(wǎng)格中進(jìn)行組織。兩種方法都采用四叉樹(shù)索引, 與ArcSDE 檢索方法相比, 本方法主要不同之處在于, ArcSDE 建立的是局部自適應(yīng)格網(wǎng), 采用自己的編碼體系, 檢索中仍會(huì)采用經(jīng)緯度; 本方法的編碼建立在全球剖分網(wǎng)格體系下, 數(shù)據(jù)的空間位置由經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格編碼后存入編碼索引表, 在排序的編碼索引表中完全依托具有地理空間含義的一維二進(jìn)制編碼計(jì)算進(jìn)行檢索。在GeoSOT一維二進(jìn)制網(wǎng)格編碼計(jì)算與ArcSDE二維網(wǎng)格編碼和經(jīng)緯度混合計(jì)算對(duì)比條件下, 針對(duì)同樣的數(shù)據(jù), 進(jìn)行了檢索性能對(duì)比試驗(yàn)。硬件配置為 Intel Xeon E5-2609 2.4GHz/ 16GB, 數(shù)據(jù)庫(kù)采用 Oracle 11 G。查詢南海地區(qū) 1年內(nèi)數(shù)據(jù), 傳統(tǒng)方法耗時(shí)204 s, 本方法耗時(shí)10.2 s, 整體效率平均提升10倍左右。本方法為多部門、多源地理空間數(shù)據(jù)快速保障提供了新的思路。

4) 發(fā)展了一套以二進(jìn)制編碼為基礎(chǔ)的高效編碼代數(shù)運(yùn)算方法。地球空間網(wǎng)格采用完美的四叉樹(shù)剖分方法, 以二進(jìn)制整形進(jìn)行編碼, 非常適合計(jì)算機(jī)運(yùn)算?；诳臻g的運(yùn)算與操作, 采用網(wǎng)格編碼直接進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算的計(jì)算復(fù)雜度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)算法, 更高效、更快捷, 部分涉及地理空間的計(jì)算效率可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

以救援中進(jìn)行區(qū)域內(nèi)人員統(tǒng)計(jì)(即判斷點(diǎn)(人員)是否位于多邊形(救援區(qū)域)內(nèi))為例, 傳統(tǒng)方法采用射線法, 從點(diǎn)向某個(gè)方向引出射線, 計(jì)算射線與多邊形的交點(diǎn)數(shù), 判斷點(diǎn)是否位于多邊形內(nèi); 網(wǎng)格計(jì)算方法將點(diǎn)和多邊形處理成點(diǎn)網(wǎng)格編碼和多邊形網(wǎng)格編碼集, 而多邊形網(wǎng)格編碼集是按大小排序的, 通過(guò)簡(jiǎn)單的整形數(shù)值比較計(jì)算即可判斷點(diǎn)網(wǎng)格編碼是否屬于多邊形網(wǎng)格編碼集。計(jì)算射線與多邊形交點(diǎn)數(shù)的復(fù)雜度遠(yuǎn)大于一個(gè)整數(shù)計(jì)算。進(jìn)行 1 萬(wàn)個(gè)點(diǎn)和多邊形關(guān)系判斷, 傳統(tǒng)方法(經(jīng)緯度)耗時(shí) 46 ms, 網(wǎng)格計(jì)算方法耗時(shí)4 ms, 效率提升10倍左右。

5) 建立起一套以網(wǎng)格為單元的全新地理空間管理與計(jì)算框架。通過(guò)網(wǎng)格化處理, 復(fù)雜的地理空間被規(guī)則地劃分為網(wǎng)格單元, 網(wǎng)格被賦予應(yīng)用特性。以網(wǎng)格作為計(jì)算單元, 通過(guò)復(fù)雜的應(yīng)用模型可計(jì)算獲得分析結(jié)果, 在綜合態(tài)勢(shì)表達(dá)、行動(dòng)模擬推演等方面將發(fā)揮重要作用。

在軍事應(yīng)用中, 傳統(tǒng)方法通常將戰(zhàn)場(chǎng)空間看成連續(xù)空間, 可分析性不足。將戰(zhàn)場(chǎng)空間處理成可計(jì)算的離散網(wǎng)格單元后, 以網(wǎng)格為單元進(jìn)行地形量化, 每個(gè)單元被賦予地形因子, 并附帶通行能力、高程等指標(biāo), 將敵方的障礙物、火力密集點(diǎn)等信息也負(fù)載在網(wǎng)格單元上, 通過(guò)相關(guān)計(jì)算處理, 可獲得通行的最佳路徑。

6) 可擴(kuò)展至高程維度形成三維地球空間剖分網(wǎng)格框架。在二維網(wǎng)格的基礎(chǔ)上引入高度維, 可將上至5萬(wàn)公里高空、下至地心的地球空間進(jìn)行三維剖分, 構(gòu)建八叉樹(shù)網(wǎng)格, 形成從地心到地球外圍最大高度的三維地球空間剖分網(wǎng)格。當(dāng)高程維度(大地高)為0時(shí), 三維地球空間剖分網(wǎng)格框架就變?yōu)槎S地球球面剖分網(wǎng)格框架, 兩者天然映射。

計(jì)算難度極大的三維空間被抽象為網(wǎng)格體集合, 復(fù)雜的三維計(jì)算將轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單的一維計(jì)算。如復(fù)雜云體的體積計(jì)算, 傳統(tǒng)方法計(jì)算極其復(fù)雜, 網(wǎng)格方法將其轉(zhuǎn)變?yōu)樵企w組成網(wǎng)格數(shù)量的簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì), 以類似“曹沖稱象”的方式解決傳統(tǒng)方法無(wú)法解決的諸多問(wèn)題。如圖 8 所示, 采用三維剖分網(wǎng)格對(duì)地磁場(chǎng)進(jìn)行表達(dá)。

4 應(yīng)用及展望

地球空間網(wǎng)格系統(tǒng)在減災(zāi)、公安、建筑、國(guó)土資源、軍事等多個(gè)領(lǐng)域具有極為廣闊的應(yīng)用前景, 目前已與多個(gè)部門形成合作關(guān)系, 并在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生減災(zāi)網(wǎng)格、警用地址編碼、建筑物編碼等多種應(yīng)用產(chǎn)品。以減災(zāi)領(lǐng)域?yàn)槔? 已發(fā)展出一套減災(zāi)應(yīng)用網(wǎng)格和編碼, 納入到減災(zāi)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)中, 用于多部門、多源異構(gòu)減災(zāi)數(shù)據(jù)的快速查詢檢索, 并將在以下幾個(gè)方面進(jìn)行應(yīng)用探索。

1) 在減災(zāi)用手持終端加入網(wǎng)格編碼, 定位信息通過(guò)網(wǎng)格編碼形式展示, 在與其他救援隊(duì)員和救援直升機(jī)進(jìn)行溝通時(shí), 口頭報(bào)送網(wǎng)格編碼, 估算與他人的方位和距離。

2) 在減災(zāi)用采集終端加入網(wǎng)格編碼, 數(shù)據(jù)從采集時(shí)即具有網(wǎng)格編碼, 將傳統(tǒng)的以行政區(qū)為單位的報(bào)送方式改變?yōu)橐跃W(wǎng)格為單位進(jìn)行報(bào)送, 由此實(shí)現(xiàn)以網(wǎng)格為單位的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析能力, 并有可能形成以網(wǎng)格為單位的災(zāi)害空間計(jì)算分析體系。

3) 在虛擬地球上以三維網(wǎng)格場(chǎng)形式表達(dá)氣象、地磁場(chǎng)等信息, 輔助減災(zāi)人員掌握災(zāi)區(qū)信息。

地球空間網(wǎng)格參考系統(tǒng)提供了一個(gè)全新的、以網(wǎng)格為基礎(chǔ)的全球通用區(qū)域參考框架, 有助于空地聯(lián)合行動(dòng)中各行動(dòng)單元的相互協(xié)調(diào), 以及多部門、多源地理空間數(shù)據(jù)的集成共享, 將建立起一套新的基于網(wǎng)格的地理空間計(jì)算體系, 在未來(lái)的空間大數(shù)據(jù)應(yīng)用中發(fā)揮重大作用。

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obe Spatial Grid Reference System Construction

CHENG Chengqi1,?, WU Feilong2,3, WANG Rong4,5, QIN Yonggang6, TONG Xiaochong7, CHEN Bo1

1. College of Engineering, Peking University, Beijing 100871; 2. Institute of Remote Sensing and Geographical Information System, Peking University, Beijing 100871; 3. Unit 31009, Beijing 100088; 4. Unit 61139, Beijing 100091; 5. College of Information System and Management, National University of Defense Technology, Changsha 410073; 6. Department of Information Combat and Command Training, National Defense University, Beijing 100091; 7. Institute of Mapping and Surveying, Zhengzhou 450052; ? E-mail: ccq@pku.edu.cn

To supplement the deficiency of the latitude and longitude existed as location code, such as complex description, non-regional characteristics and complex computation, a globe spatial grid reference system is constructed based on GeoSOT from Peking University. The grid system, built from a perfect quadtree with one degree, one minute and one second grid, could be fit for air-earth joint action. It designs a simple and practical location coding method, which also supports distance simple calculation. It could realize multi-source spatial data integrated retrieval, and develop methods of efficient code operation, framework of spatial computing, and 3D-earth grid system. Globe Spatial Grid Reference System will definitely play an important role in the future of big spatial data applications.

globe spatial grid reference system; GeoSOT; latitude and longitude; quadtree

10.13209/j.0479-8023.2016.051

P208

2015-06-11;

2015-09-13;

網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2016-09-29

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(61399)和國(guó)家高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)(30-Y30B13-9003-14/16, 03Y30B06-9001-13/15)資助