论空间信息多级格网及其典型应用

论空间信息多级格网及其典型应用

网格技术与空间信息处理结合(称空间信息网格)的研究目前才刚刚开始。1992年，Goodchild和Yang就提出了一种全球地理信息系统层次数据结构，其思想在后来Dutton的全球层次坐标网格体系中被采用和发展;1998年，Sahr和White讨论了离散全球网格系统DGGS(discrete global grid system)，阐述了以经纬度来划分地球网格的方法以及将地球看成多面体，用4面体、立方体、8面体、12面体和20面体等5种理想的立体形状模拟地球，并逐级划分地球的全球网格方法;2000年，Dutton在Goodchild思想的基础上提出全球层次坐标(global hierarchical coordinates)方法，通过对地球进行8面体的四分三角形网格(octahedral quaternary trianlgular mesh，O-QTM)逐级划分，形成全球多级网格(global multi-scale mesh)。

但上述网格的划分在技术层面上更多地用于解决GIS空间定位、空间检索机制的网格划分，对于解决当前在GGG(great global grid)网格计算环境下空间数据和信息的资源共享和协同利用的问题是远远不够的。为此，本文在分析网格概念的基础上提出了SIMG。

1　网格与空间信息多级格网

SIMG的概念在地学领域早已有过尝试，二叉树、四叉树和八叉树都是将特定空间范围进行逐级格网划分，形成不同的层次格网;不同比例尺的图幅划分实际上也形成一种多级格网。如在数字高程模型(DEM)中，将覆盖区域划分成规则排列的正方形格网，每个格网作为表示空间信息的最小单元，记录着一个高程值以及一个起算点的位置坐标和格网间距，并能通过LOD(level of detail)技术实现对地球表面的多级表示。Goodchild、Dutton Sahr和White等人研究的全球网格“Global Grid”则按不同的空间划分方法(如按经纬度划分、基于地球正多面体的表面映射划分)将地球球面进行表面分割，从而有效地描述地球表面的空间位置关系。

本文研究的SIMG属于地学网格的概念，是对地理空间进行多层次划分的方法。它既是空间位置的划分方法，也是特定空间位置范围内自然、社会、经济属性的信息载体，同时也是适合时空坐标系变化的空间信息的一种新的表示方法，是为了更方便地在网格计算环境下实现对空间信息资源的整合、共享与利用，实现将SIMG的空间划分、空间数据组织与表示方法作为网格节点上空间数据组织与管理的基础。SIMG的核心思想是:按不同格网大小将全国范围划分不同粗细层次的格网，每个层次的格网在范围上具有上下层涵盖关系;每个格网以其中心点的坐标(格网中心点)来确定其地理位置，同时记录与此格网密切相关的基本数据项(如经纬度、全球地心坐标、各类投影参数下的坐标);落在每个格网内的地物对象(细部地物)记录与格网中心点的相对位置，以高斯坐标系为基准。SIMG在立足于多级格网技术的基础上，重点考虑格网的基准问题、格网的投影技术和格网内不同坐标系的基础数据表示、转换方法和标准体系。

2　SIMG潜在的三大职能

2.1　作为现有地图产品的补充产品

不难发现，不同比例尺地图本身就可以被看作是一个格网。如1∶100万相对1∶1万来说就是一个格网，只不过这种格网太粗略，还没有超越数字地图产品的规范要求，但却能带来很多启发式的思考。在美国和加拿大多采用经纬格网，并按行政区划来调查和统计地理空间的分布现象，效果与格网表示比较接近。如果把不同地区人口、年龄构成、土地分布等全写进一个数据库里，操作起来一定比较慢。如果有统一的格网，可以采用格网与GPS相联系的数据采集策略，用GPS采集空间和非空间数据，并按照统一的格网数据标准填充到格网里，只要精度能满足要求，不必考虑行政区划，更不用考虑成图比例尺和投影坐标系，这种数据更新方法在数据更新时优势更加明显，而且数据成果可以作为现有地图的补充产品。

将SIMG作为数字地图的补充产品，并不是让其代替传统的数字产品。在表现形式上，可以使两者相结合，两者之间可以相互转化，格网中依附的信息可以从传统的GIS中分析得到。同样，格网信息也可以通过一定的手段转化为GIS中空间对象(如行政区划)的属性。此外，格网信息也可以直接通过调查和野外采集得到，如通过带有GPS设备的便携式手持设备进行格网内的人口调查统计，所以，新理论是对旧理论的继承和发展，目的是为了使格网产品更适合用户。

2.2　作为适应时空坐标系变化的一种空间数据的表示和组织方法

空间数据是各种测量手段得到的结果，空间信息与大地坐标密不可分，因此，大地坐标系一直是大地测量中最基本的问题。

我国建立了多种坐标系，其中54坐标系和80坐标系以及部分城市的地方坐标系是二维坐标系统，地心坐标系是三维系统。目前，GPS测量的数据属于W GS84地心坐标系。在实用中，这几种坐标系并存，造成我国在相当长的时间内不同部门、不同地区、不同需求、不同年代所使用的坐标系统不一致，从而给国民经济的各个应用部门、基础建设、军事应用带来极大的不便。由于GPS技术和整个卫星大地测量、卫星重力测量等技术的飞速发展，全球时空基准与框架不断精化，其周期越来越短，必将走向实时动态化。因此，以存储某一坐标系下的坐标串为主要方式的空间信息系统是适应不了这种变化的，需要从地理空间数据在计算机中的表示方法来寻求非地图表示的新方法。GIS空间数据以上述坐标系统的数据为基础，在数据共享和应用服务带来的不便是很自然的。大地坐标系的发展将对空间信息系统产生深远的影响，而且现有的坐标系越来越复杂，仍采用地图上的坐标串来实现不同投影、不同坐标系间的转换已无法满足要求。地球动力学研究仍在发展，网格计算要求从三维发展到四维，因此格网技术可以满足要求。使用格网技术，研究实现一种网格划分方法，只需考虑格网中心点的坐标可以转换成不同坐标系，格网的中心点能在不同投影不同坐标系中变换，而格网内部的相对量(角度、长度、面积等)不变(或是投影误差小到可以忽略)，从而避免了从54坐标系到80坐标系变化时全部数据都要发生变化的问题。

因此，研究适应动态坐标系下(时空坐标系下)空间数据表示的新方法(保角、保长度、保面积)，寻找从球面到平面的距离(角度、面积等)在一定误差范围内具有不变性的投影变换方法，反过来支持存储格网划分，使得这种划分能满足不同应用的精度要求。研究的任务首先要通过计算分析确定这种表示方法的有效性。在有效的前提下，需要提供这种空间数据的表示和组织框架下的存储、检索、空间分析的实现方法，以及与传统数字地图4D产品的转换方法，对SIMG这部分内容研究的关键之一是确定不同层次的格网划分。如果研究成功，可能有望成为一种随时空变化的新的空间数据的有效表示和组织方法，可以作为现有表示方法的替代或补充。

2.3　SIMG是在网格计算环境下实现对现有各种空间数据库进行操作的工具

网格技术与空间信息处理结合的研究目前才刚刚开始，主要涉及三个技术:网格计算、基于Web服务的信息共享技术和空间信息互操作技术。前两项属于信息基础设施建设和技术标准问题。对后一问题，两个国际标准化组织OGC和ISO/TC211已经作了大量的研究工作，发布了一系列技术标准，如基于Web的地图服务规范(WMS)和基于Web的要素服务规范(WFS)等，从技术上解决了异构数据库的互操作问题。

根据现有的空间信息服务与互操作标准，将网格技术与空间信息处理技术相结合，利用已有的各类空间信息资源，实现空间信息的共享，在技术上已基本具备了研究和实现的条件。将SIMG技术与网格技术相结合，研究SIMG框架下实现空间信息共享的关键问题，在现有的空间信息资源的基础上，将空间信息多级格网作为与空间位置分布紧密关联的专题信息的载体，能从现有资源中生成相关应用领域的格网附属信息。因此，网格计算环境下的多级格网一定要与网格计算联系起来，在开放网格体系结构中，全面吸收Web Service的技术和标准，找出适合网格计算的或者称为网格计算环境下的新的空间数据的表示方法，并使SIMG与空间数据立方体和空间数据仓库里的新方法相结合，将对空间数据的应用扩展到网格服务的层面上，充分利用格网体系结构中的先进特性，使空间信息更好地满足用户需求。

3　SIMG面临的四大挑战

3.1　时间不一致引起的问题

由于同一空间区域内不同主题的数据获取时间可能不一致，在进行格网分析时，数据不能简单叠加，必须建立基于时间的不同领域主题空间数据的外推或内推模型，将时间不一致的空间数据首先变换到同一时间，才能进行格网的叠加和集成运算。如将全国各省市(地区)非同一时刻进行调查的土地利用、经济发展水平、人口分布等数据进行统计分析时，应根据当时自然和社会发展规律及特点将它们统一到同一时间基准，这项建模和同化工作应由空间信息格网技术来完成。

3.2　不同坐标系不同投影引起的问题

由于空间数据存在多种比例尺、多种空间参考系和多种投影类型，我国目前的现状是54坐标系、80坐标系、地心坐标系并用，而且不同地方还使用着各自的地方坐标系，不同的应用需要不同比例尺的空间信息的支持，对空间参考系和投影类型也有相应的要求。目前的GIS数据大多来自地图数字化，而不是直接的测量数据。地图以某种统一空间基准测量得到的结果，经投影变换后地物在平面上表示，很难适应基准变化的要求。SIMG要求格网中心点坐标对应着统一的地心坐标系，因此，如何将现有的空间数据变换到SIMG的多级格网里，仍是进一步要研究的问题。如可以对格网中心点实施严格坐标系转换(作为锚点)，然后用简单的双线性内插工具完成所有地物目标的坐标向地心坐标系的转换。

3.3　数据格式不一致引起的问题

空间数据种类繁多，不同行业、不同部门有不同内容的专题信息，由于测量技术、方法和设备仪器的限制，因此数据格式各异，空间数据的生产、维护都分散在不同的单位进行。而且空间信息具有关系复杂、非结构化、数据量大、多比例尺、随时间变化等特点，这给需要使用空间数据的用户带来了很大的困难，不利于空间信息的共享。在技术方面，还没有建立完善的空间信息共享标准体系，包括空间数据标准和互操作标准。

现有的空间数据组织和管理技术没有很好地解决这些问题，因此很难适应未来空间信息共享和利用的要求。网格技术与空间信息技术结合，有望解决共享和服务模式方面的问题。目前，在联邦数据库上实现数据与软件的共享与互操作就属于这方面的一种解决办法。

3.4　语义不一致引起的问题

由于不同行业的空间信息系统对同一个概念的语义解释往往有很大的差别，导致对同一地理现象观察和描述时会侧重于不同的侧面，从而产生空间信息语义上的差异，形成语义异构。如果不考虑这种语义的差异，就可能对用户的要求无法回答或作出不正确的回答，网格计算环境下的共享也就只能停留在纯粹的计算环境下，不能实现真正意义上的计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享，因此，如何实现具有语义共享的空间信息语义网格，也是SIMG需要面对的问题。目前，有关本体GIS的研究目的就在于研究如何处理语义信息的不一致性问题。

4　SIMG的技术体系结构

4.1　SIMG核心层

SIMG核心层主要是指SIMG的基本理论和方法，具体包括SIMG划分层次、格网的形状、格网大小确定原则;每个格网点属性项的确定原则;行政区划与SIMG对应关系的确定;多级格网数据的组织与管理;SIMG作为数字地图补充产品的可视化表现和SIMG编码方法。格网内部细部地物的表示方法、存储与管理;格网内部对象的索引研究;SIMG格网划分的精度分析;基于SIMG的空间分析算法与空间分析模型研究;基于SIMG的空间目标的可视化表现;基于SIMG空间数据表示方法与4D产品的转换等。

4.2　SIMG支撑层

SIMG支撑层主要包括对SIMG支持工具和SIMG的共享研究的支持环境。SIMG的支持工具主要实现格网数据的获取、空间分析组件以及SIMG与4D产品的转换工具。格网数据的获取可以使用带有GPS功能的手持PDA或其他采集工具，也可以是通过软件从现有的空间信息资源中进行分析和抽取。

SIMG共享研究的支持环境主要实现对基本研究部分的SIMG信息共享，也就是SIMG作为数字地图的补充产品，将通过分析或直接获取的格网基本信息服务与应用部门，提供决策支持服务。主要内容包括:SIMG Grid Service接口实现;SIMG服务中间件实现;SIMG核心管理中间件实现;SIMG表现组件实现。在本文的研究中，SIMG支撑层主要为本文的示例构建一个SIMG的验证平台。

4.3　SIMG应用层

SIMG在各个具体领域有广泛的应用，涉及空间索引、SIMG用于人口调查统计分析、环境调查、资源调查、气象、海洋、地质等。SIMG应用层是各个具体领域的应用程序，在SIMG支撑层的支持下，通过Grid Service支撑下的二次开发环境实现应用功能。本文以人口调查为例，设计一个带空间信息编码的人口普查多级格网SIMGPC(spatial information multi-grid for population census)应用方案。

5　服务于人口普查的SIMGPC应用方案设计

人口普查是准确地查清人口在数量、地区分布、结构和素质方面的变化而开展的一项基础工作。一方面，人口自身有其变化规律;另一方面，人口和社会文化、经济和政治等诸因素相互影响和作用，形成了相对稳定的互动关系。因此，人口普查的目的是为了科学地制定国民经济和社会发展战略与规划，制定人口政策，统筹安排人民的物质和文化生活，实现人口与资源、环境的协调发展，并能通过对纷繁的人口现象和人口问题的分析来认识和理解人类行为，为国家的宏观决策提供服务。

5.1　确定影响SIMGPC格网划分的因素

影响多级格网划分的因素可以分为两个方面，一是影响人口分布的因素，自然环境和种种文化历史因素形成了人口的分布现状。另一方面，尤其是人口的结构将为国民经济和社会发展战略与规划提供有价值的参考，因此，在SIMGPC中需要考虑人口结构，包括人口的自然结构、空间结构和社会结构。人口的空间结构直接与空间数据相关，人口的自然结构和社会结构也可以以格网为数据的载体，其主要研究内容如图1所示。

图1　人口普查中的人口结构

5.2　SIMGPC系统框架设计

依据SIMG的三层技术体系结构，笔者设计了一个带空间数据编码的人口普查多级格网系统的实验平台。实验区域包括全国1∶100万、1∶25万的宏观区域，也可以用于研究1∶10000、1∶2000的发展水平各不相同的城市，可以涉及几种不同的坐标系(54系、80系、84系)，以不同的格网形状和不同层次格网的大小来开展人口普查和进行统计分析，SIMGPC系统体系框架如图2所示。

5.3　SIMGPC功能设计

本文以人口普查为例，设计了一个带空间信息编码的SIMGPC的应用设计方案，并重点设计了服务于人口普查的SIMGPC的功能模块。

1)SIMGPC多级格网的确定。充分利用遥感资料提取不同层面的专题数据(建筑物密度、容积率等)，根据实际用途划分格网的级别，同时研究影响人口密度的各相关指标要素，分析并预测某一区域人口增长的过程规模，以便形成科学化、体系化和实用化相结合的以及具有较强针对性的指标体系。城市里人口密集，格网级别要多，农村人口稀少，格网级别可以定低;科学性、完备性、简洁性、动态性、空间性和数据的可获取性是SIMGPC人口普查系统划分格网层次、格网的形状、格网大小确定的原则。当然，也可以用四叉树等方法获得每个格网唯一的编码，这需要进行研究和对比实验。

2)SIMGPC格网属性项确定。包括与人口统计紧密相关的格网中心点坐标

图2　SIMGPC系统体系框架

(如格网索引编号、格网中心点的地心坐标、经纬度坐标、高斯投影坐标等)、格网的层次和一些重要的与人口统计相关的经济指标。有了基本属性项，以格网为最小单元开展人口普查或是汇总统计就变得方便快捷。

3)建立SIMGPC与行政区划的对应关系。人口的归属(即属于哪一级行政区划)将作为格网人口信息的一个属性，这样很容易就实现了现有人口统计方法和格网人口普查软件的转换。在格网的数据采集时，可以进行跨行政区采集(如以格网为单位)，也可以在不同的行政区内，分别按格网采集，然后进行格网信息融合。

4)SIMGPC可视化表现。可以以表格的方式表现或以格网的方式表现，也可以以格网叠加矢量框架要素，还可以以格网叠加影像或格网叠加DEM正射晕渲图的方式表现。

5)SIMGPC编码方法。不同层次的格网和格网内部人口属性的编码采用统一编码方法，编码方法能够做到将不同比例尺层次的人口普查信息以一个一体化的数据库进行统一存储与管理。本文目前采用经典的四叉树编码方法。

6)SIMGPC数据采集和更新。GIS数据库里的现有数据也可以直接为统计服务，也可以采用格网、PDA与GPS接收机相联系的数据采集策略，将采集到的数据按照统一的格网数据标准填充到格网里。

7)SIMGPC人口普查系统的查询显示。按SIMG的划分思想，为人口普查系统建立两级索引，一是格网间索引，二是格网内部索引。这种基于SIMG的索引方法能实现空间信息的快速查询，同时可实现SIMG人口普查数据的表示与4D产品的转换，实现SIMG的人口统计数据与矢量地图和栅格地图的一体化表示。

8)SIMGPC人口普查系统的统计分析。通过格网作为统计人口的基本单元，实现不同的空间分析算法，并建立不同等级的空间分析模型，可以为定性分析某一地区人口饱和程度和未来该地区开发潜力提供一种科学依据。

9)SIMGPC用于宏观决策。信息交换的快速性和信息的集成性是当前宏观决策中最重要的环节。如考虑灾害区灾情的时候，可能关心空间分析模型针对具体问题的宏观统计、查询、决策、强调信息的集成性，常常是将灾害地理数据与统计数据叠加、将人口与经济因素叠加。如果能把经济数据格网化，就能为宏观决策提供更为客观的依据。

10)SIMGPC提供格网化的数字产品。目前，很多基础数据的获取和生产还处于“数据体系”阶段，而不同的应用需求面向不同“服务体系”的信息或数据，即现实中不同应用对空间数据使用的要求不一样，不同应用对空间数据需要表达的层次也不一样。因此，只是按照当前的数据生产标准完成数据生产而得到的空间数据很难满足现实应用部门的需求。SIMGPC能根据不同应用部门对人口统计信息的不同方面的需求(如人口自然结构中的年龄结构、人口小城镇建设中的空间分布、某城市不同行业中的社会劳动力供求情况等)，建立不同层次的格网，提供格网化的数字产品。

6　结语

地球是一个复杂的球体，在数学上用椭球体描述，早期地图制作者曾试图用多面体模型模仿地球表面。如今，学者们又提出多种地理离散格网(全球格网)的方法在椭球体上划分经纬格网，建立各种模型来描述地球表层。今后，地球空间全球格网划分研究仍将是一个值得关注的地学热点领域。笔者从对空间信息的客观现实需求出发，探讨空间信息多级格网的概念、潜在的职能、面临的挑战及其应用前景。本文只希望能为空间信息的共享和服务寻找一种有效的新途径，并为推动空间信息多级格网技术在国家和省市宏观决策走向实用作出尝试。

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(合著者:邵振峰朱欣焰)

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