基于地理格網的空間數據轉換與應用

兀 偉，李朋德，董旭明，張 坤，肖學年

（1.國家測繪地理信息局測繪標準化研究所，陜西西安710054;2.國家測繪地理信息局，北京100830;3.西安地圖出版社，陜西西安710054;4.國家測繪地理信息局第一大地測量隊，陜西西安710054）

一、引 言

近年來，我國地理信息產業高速發展，尤其是車載導航和數字城市地理信息公共平臺的推廣應用，使信息時代各類信息定位基礎的空間數據得到了廣泛使用，服務領域迅速擴大，并從國民經濟建設各專業部門走向社會化領域。以衛星導航定位、攝影測量與遙感為代表的對地觀測技術，則為實時、快速和全天候獲取空間信息提供了有力支撐。數字測繪時代的影像處理、數據采集和信息提取技術，為獲取豐富的地理信息數據成果提供了保障。此外，我國在國家、省級基礎地理信息數據庫和數字城市建設中積累了多源、多類型、多比例尺和多時相的地理信息數據。這些數據基于不同坐標系和空間定位基礎，雖然國家標準規定其他坐標系應與國家坐標系建立關聯，但是普通用戶無法獲取轉換參數、算法或換算表以完成數據在不同系統之間的轉換，給地理信息數據社會化應用和服務帶來了困難。

因此，需要基于通用性搭建全國統一的地理格網坐標與編碼系統，用于空間定位和位置服務，以解決多源空間數據坐標系和空間定位基礎不一致對社會化應用的約束。地理格網編碼系統設計完成后，需要進一步研究空間數據集格網轉換和要素格網表示，推動數據向地理格網這一簡單、便捷、通用空間定位系統轉換，實現數據基于地理格網的集成與整合，從而無障礙地用于服務領域，以推動其社會化應用。

二、地理格網編碼系統

該地理格網以我國基本比例尺地圖1∶1 000 000地形圖分幅的劃分為基礎，以邊長100 km的正方形格網為基本單元，按相同地面距離劃分，盡量形成大小統一、形狀規則的格網。為準確描述和表示不同大小要素地面位置范圍與位置點，滿足定位、位置服務和空間分析等社會化應用需要，地理格網按固定規則劃分為不同等級大小，形成系列分級的格網單元。地理格網劃分方案將我國領土范圍劃分為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 等不同等級大小的正方形格網單元，下級格網在上級格網內劃分，各級格網之間為包含關系。

地理格網編碼是為了滿足查詢和檢索要求而為格網建立的統一、規范的標識系統。為便于使用，編碼設計充分考慮規律性、簡單易讀性和實用性原則。基于以上原則，編碼實現格網代碼唯一，使所劃分格網與代碼成一一對應關系。其次，編碼按固定規則進行，編碼方法與地理格網劃分體系對應，相應劃分對應相應編碼規則，并可通過代碼反映格網的大小與位置、格網之間的距離和拓撲關系，實現編碼體系的系統性。此外，編碼設計盡量使代碼的碼位長度更短、更簡化，以保證編碼的簡單、易讀性。

地理格網編碼體系的上述特征有利于空間數據的格網化轉換、要素格網表示，實現數據集成與整合，保證其在社會化應用領域中的推廣。

三、空間數據格網轉換

我國地形圖、地理信息數據一般采用經緯度和公里網坐標表示地面位置，數據格網轉換就是將經緯度或公里網坐標轉換為地理格網坐標。而地理格網是基于經緯度和地面距離劃分的，與基本比例尺地圖分幅關聯，地理格網坐標與經緯度或公里網坐標之間存在一定數學換算關系，因此，可按此關系將數據由經緯度或公里網坐標轉換成地理格網坐標。

數據格網坐標轉換前需要根據數據比例尺和采集方法確定其平面位置精度，并根據精度確定轉換時使用的格網大小。地理信息數據分為柵格和矢量兩類。柵格數據轉換時保持其數學基礎和要素拓撲關系不變，將4個圖廓點經緯度坐標或公里網坐標轉換成相應地理格網坐標，使數據整體轉換到地理格網下;矢量數據是由字符串描述的經緯度或公里網坐標表示地面位置，轉換時需要將數據經緯度或公里網坐標轉換成地理格網坐標，轉換精度可根據數據定位精度要求的不同選用5 m、1 m、0.5 m、0.1 m等不同級格網。

為便于在數據中反映地物要素的位置，圖上一般繪有經緯網、公里網或用于局部區域的地理格網。當數據轉換到地理格網坐標后，也需要繪出相應的地理格網線，所繪格網線大小要綜合考慮數據范圍、比例尺、圖面負載量、所描述要素內容及空間定位要求等。通過對1∶1 000 000、1∶250 000、1∶50 000、1∶10 000 這4種常用比例尺數據分幅、范圍和要素內容分析，相應圖上適宜繪出的格網線見表1。

表1 不同比例尺數據上的地理格網

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縮略圖，以描述該幅地形圖的宏觀地理位置。地理格網位置縮略圖示例如圖1所示。

圖1 地理格網位置縮略圖

四、要素格網表示

1.目的和方法

基于位置服務的地理格網不僅實現了我國范圍內統一、規則的格網劃分，還為格網制定了規范的編碼體系。因此，地理格網不僅可通過數據格網轉換集成與融合空間數據，還可用格網編碼表示各類要素位置信息，進而實現要素的空間查詢、檢索與分析。為達到以上目的，需要研究各類要素地面位置的地理格網表示，使其規范統一。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表示，這也是地理格網用于定位與位置服務的前提和基礎。同時，地理格網可確定要素所在地面位置點和位置范圍。因此，要素地理格網表示有兩種方案:一種是用要素內特定位置點地理格網表示要素地面位置;另一種是用地理格網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.格網表示探討

地理信息要素內容雖然多種多樣，其面積、形狀和大小也各不相同，但是在地圖和地理信息數據中均是用點、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，人們對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別，需要根據其特點和要求確定表示方法。因此，空間要素地面位置地理格網表示分為點狀、線狀、面狀和地名地址。

（1）點狀要素

不依比例尺表示的點狀要素的地面位置范圍無法確定。因此，點狀要素只需表示位置點，即首先確定要素標注點或定位點位置，并用適當地理格網編碼表示。格網大小和精度由應用和服務要求決定，一般可用100 m、50 m、10 m、5 m和1 m 5種等級格網表示。

（2）線狀要素

線狀要素根據需要可表示其位置范圍和位置點。線狀要素地面位置范圍表示時首先需要確定其所在格網，然后用包含其位置范圍的地理格網編碼表示，所用格網等級由要素大小決定。對于要素在格網交界處的特殊情況，若在某一上級格網內，則用上級格網編碼表示;否則，用所在相鄰格網編碼表示。線狀要素位置點可采用“一點法”和“二點法”兩種方法表示。“一點法”是確定線狀要素中點位置，并用該點地理格網編碼表示其地面位置，該方法比較適用于長度較短、形狀規則的要素，如水庫壩;“二點法”需要確定線狀要素起止點位置，并用其起止點格網編碼表示地面位置，該方法適用于一般線狀要素。線狀要素位置點表示所用格網大小、精度等與點狀要素相同。

（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。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，然后用包含該要素地面位置范圍的地理格網編碼表示。面狀要素位置點表示時為保證描述的規范統一，應首先規定表示要素位置的定位點。一般來說，地物要素定位點的最佳位置是其質心位置，但是在實際應用中質心位置很難確定。因此，面狀要素選用圖形的幾何中心點作為地面定位點，用其幾何中心點的地理格網編碼表示其地面位置點。面狀要素位置點表示所用格網大小、精度等與點狀要素相同。

（4）地名地址要素

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

五、地理格網作用展望

地理格網構建了我國范圍內統一的空間參考，有利于實現地理信息整合。首先，地理格網使不同來源、比例尺和數學基礎的空間數據通過格網化轉換進行集成與融合，實現非同源空間數據的共享與互操作;其次，地理格網可跨越自然地理和我國行政區界線，描述與地理空間分布相關的地表覆蓋、資源環境信息，實現信息存儲、統計、分析與交換的一致性，克服了自然和人為界線不規則所帶來的不便，給有效進行跨行政區域界線的比較與分析帶來了便利;最后，地理格網使空間數據表達從傳統的基于地物要素描述的矢量形式轉向基于空間單元表達的柵格形式，更易于被人們接受與使用。因此，地理格網可推進地理信息共享、應用與服務，擴大地理信息產業。

地理格網可搭建一個面向社會各領域、為公眾提供服務的平臺。地理信息和社會專題信息分別依附于自然和社會所劃分的單元。地理格網這一公共地理空間單元可成為自然與社會經濟信息的公共載體，使各類信息歸劃到統一地理格網中，達到以格網為基底平臺的信息整合，實現信息空間化，更好地反映信息空間分布;并建立不同類型信息的空間聯系，用于信息管理、空間分析與決策，有效應用這些信息，能全面準確地認知我們所關心的社會和地理環境，為科學合理的決策奠定基礎。如將城市劃分為適當地理格網單元，將城市基礎設施確定為格網化部件，使城市建設管理中的事情空間化為格網事件，可為社會提供及時有效的服務。另外，信息格網化將會為電子商務、電子政務及科學決策提供豐富、全面、可靠的綜合數據信息和高效的信息服務。因此，地理格網既是統一的空間參考，也是各種自然、人文信息的公共載體。

地理格網編碼體系既使地理信息數據有了規范、統一的空間參考，亦為空間定位和基于位置服務提供了公共基底。首先，多源、多類型空間數據的格網化轉換和各類地理信息要素地面位置的格網表示，實現了要素二維空間定位;其次，地理格網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系;最后，按固定規則對地名地址進行地理格網編碼，建立地址信息的地理索引(即基于格網的地理編碼)，實現地理格網編碼與地址信息結合，使地址信息有了統一的二維空間位置表示，并在位置服務中共享這些索引信息，有利于人們日常生活中的空間定位與尋址，以及確定和描述不同地址之間的距離和位置關系。如以地理格網編碼形式存儲的街道地址用于網上智能服務系統，可用于地址的公共查詢與訪問;在野外旅游探險中出現迷路、傷病等需要救援時，如果能提供相關區域的地理格網位置，就可在搜救活動中迅速確定搜救范圍、路線等，便于救援人員抵達，提高搜救效率。

六、結束語

當前，我國衛星導航定位得到了廣泛應用，各地數字城市建設迅猛發展，人們對于以空間定位與位置服務為基礎的空間數據服務有巨大需求，迫切需要基于社會化服務的地理格網能夠盡快推廣使用。空間數據格網轉換分析和基于格網的要素與地名地址二維空間位置表示研究，對驗證地理格網編碼體系的正確性、合理性與實用性有重要作用，并可推進地理格網的推廣應用。隨著信息時代的來臨，以快遞為支撐的電子商務迅速發展，滿足位置服務要求的地理格網社會化應用將會越來越廣泛。

［1］ 趙學勝，侯妙樂，白建軍.全球離散格網的空間數字建模［M］.北京:測繪出版社，2007.

［2］ 李德仁.論廣義空間信息網格和狹義空間信息網格［J］.遙感學報，2005，9(5):513-520.

［3］ 金君，李成名，印潔，等.人口數據空間分布化模型研究［J］.測繪學報，2003，32(3):278-282.

［4］ 劉明亮，唐先明，劉紀遠，等.基于1 km格網的空間數據尺度效應研究［J］.遙感學報，2001，5(3):183-190.

［5］ 常洲，儲征偉.網格化大比例尺地形圖動態維護模式［J］.測繪通報，2010(4):52-54.

［6］ 周成虎，歐陽，馬廷.地理格網模型研究進展［J］.地理科學進展，2009，28(5):657-662.

［7］ 程承旗，宋樹華，濮國梁，等.空間信息全球惟一編碼GeoID模型初探［J］.測繪科學，2010，35(6):73-75，264.

［8］ 兀偉，段怡紅.美國國家格網的現狀與應用［J］.測繪標準化，2004，20(2):20-22.