基于位置服務的地理格網編碼設計

兀 偉，李朋德，張 坤，肖學年，鄧國慶

(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.國家測繪地理信息局第一大地測量隊，陜西西安710054)

一、引 言

隨著地理信息公共平臺、GPS導航定位服務的廣泛應用，空間數據社會化應用不斷推廣普及，公眾開始熟悉和使用地理信息，對空間數據越來越關注，對服務質量要求也越來越高。同時，社會化服務是我國信息化建設的目的，而地理信息則是信息化建設的基礎和重要部分。隨著國家和省級地理信息數據庫的建設和更新，我國積累了豐富的數據成果，但在成果社會化應用方面與世界先進水平相比還有很大差距。此外，盡管我國傳統郵政和街道地址可用于日常活動中的尋址，但該系統缺乏統一空間定位基礎，無法提供我國范圍內任何點的空間位置。因此，為推進空間數據服務，滿足公眾需求，解決空間定位和尋址問題，迫切需要建立一個支持公眾使用和交流位置信息的統一地理格網編碼系統。

目前，國外為解決空間定位和位置服務需要，采用格網對空間數據進行組織和應用。如美國聯邦地理數據委員會2001年發布了《美國國家格網》標準，建立了統一地理格網編碼系統，解決了數據融合困難，實現了地理信息數據的共享［1］。英國陸軍測量局也建立了國家格網系統，并將其用于停車、野外探險和室外休閑，同時還基于國家格網編制了郵政地址，用于郵政服務。國內對地理格網的研究和應用實踐也很多。李德仁提出將地理空間劃分成不同粗細層次的規則格網，記錄與格網密切相關的數據項，并根據地物密集程度確定格網尺度，形成不同層次的格網［2］。我國局部地理格網在城市中也有很多應用，如北京東城區在城市管理中運用格網思想，將轄區分成若干個格網單元，并對各單元實施監控，實現了對管理空間的分層、分級管理。目前，許多城市也開始實施這種管理模式。一些城市交通圖上繪有規則格網，并用格網代碼表示位置。以上事例說明，統一國家地理格網編碼既是適應技術發展、支持數據共享、滿足應用的需求，又是空間信息整合與應用的基礎，在我國有廣泛的應用前景。

本文分析基于位置服務、尋址及空間定位對地理格網的要求，同時參考國外相關成果，設計符合我國特點的地理格網編碼體系，并支持數據集成，以滿足多源、多尺度地理空間信息整合。

二、設計基本原理與方法

地理格網編碼體系是按一定數學規則對地球表面進行科學劃分形成格網系統，并建立統一的格網編碼與索引的技術［3］。國家地理格網將我國領土范圍按一定地面距離劃分為不同層次和等級的格網，并將空間不確定性因素控制在一定范圍內，建立格網體系。地理格網編碼是為了便于查詢檢索，為了地理格網建立統一、規范的標識系統，實現用代碼描述格網的空間位置、等級和包含關系。地理格網是一種科學、統一、簡單、便捷的空間定位參照系統，統一地理格網編碼體系的建立，有利于人們利用格網進行空間數據組織，并用格網代碼描述空間位置和關系，使人們能基于統一格網使用空間數據，交流位置信息，形成基于位置服務的環境，推進地理信息共享、服務和廣泛應用。為確保國家地理格網編碼體系的科學性和實用性，其設計應按照以下方法和原則進行：

1.統一地理格網編碼體系

地理格網編碼體系將在全國范圍應用，并形成公用空間參考系統和統一空間定位，以實現我國范圍內任何地點空間位置的統一表示。因此，設計需面向全國，建立統一的格網體系。

2.簡潔規則的地理格網與編碼

國家地理格網設計應遵循規則化、簡單化原則，基于一定數學基礎，按固定規格劃分。方案應簡單、實用，并建立統一、規則的格網體系，且確保編碼設計的代碼簡單、易讀。

3.層次合理的格網分級

地物對象需要在不同空間或尺度上描述和表達其詳細程度，所建立的格網體系應分層次，以便通過不同等級格網來粗略或詳細描述要素對象的空間位置。

4.規范統一的格網編碼

為便于位置服務和二維空間地址建立，格網與代碼應是一一對應關系，代碼要反映格網的等級、大小和位置關系。因此，地理格網編碼應在規范化原則下制訂統一編碼規則。

5.實用的格網編碼體系

我國現有基礎地理信息數據基于傳統坐標系統，新國家地理格網推廣使用需要利用現有數據。因此，地理格網編碼體系設計要與現行坐標系關聯，以便于轉換。

三、地理格網編碼體系設計

國家地理格網要滿足我國領土范圍內的統一空間定位，其范圍是我國版圖。其次，為便于與我國基本比例尺地圖和地理信息數據銜接，國家地理格網劃分應在經緯網基礎上進行多級格網劃分，一級格網按相同經緯差劃分，二級及以下各級格網按固定地面距離劃分，所形成格網應盡量規則，并且同級格網大小、形狀應相同，從而有利于多級劃分。地理格網編碼應便于公眾使用，便于人們對各級格網進行快速編碼，并可根據代碼確定格網的等級、位置，以及不同格網之間的距離和關系。

1.一級格網劃分與編碼

一級格網描述大致地理位置，格網劃分與我國傳統1∶1 000 000地形圖分幅一致，即緯線方向，從赤道起自南向北按緯差4°，經線方向從180°經線起，自西向東按經差6°劃分，形成相同經緯度差的一級格網。一級格網編碼與相應國家基本比例尺地形圖編號統一，其代碼與百萬地圖圖號一致。

2.二級格網劃分與編碼

二級格網劃分主要在一級格網基礎上進行。由于我國絕大多數地理信息數據均采用了高斯-克呂格投影，為便于數據轉換，二級格網以6°投影帶為基本單元進行。由于我國領土位于東經72°～138°、北緯0°～54°之間，因此我國地理格網以赤道和東經72°經線的交點為起始位置，各投影帶內東西方向以其中央經線為起始位置，按地面長度100 km依次向兩側劃分;南北方向則以赤道為起點，向北按相同地面長度依次劃分，形成二級格網。該格網所表示的地面除6°投影帶邊沿不足100 km外，其余都是邊長為100 km的正方形，最大限度實現了格網規則化。按照本劃分方案，南北方向上處于兩個一級格網交界處的二級格網會落在兩個相鄰一級格網內。

二級格網代碼用兩個字母組合表示。編碼從起點開始，按26個英文字母順序從南向北、從西向東進行編碼，到第27個百公里格網時再從A開始按順序編。這樣任何一個二級格網就由所在一級格網代碼與表示二級格網的字母碼組成。特殊情況下，當二級格網處于一級格網交界處時，由于位于同一6°投影帶內，其一級格網代碼中表示東西位置的數字碼完全一致，可省略一個。因此，其代碼由處于相對低緯度帶的一級格網代碼，以及處于相對高緯度帶的一級格網字母碼和二級格網代碼組成。

3.三級以下格網劃分與編碼

三級格網在二級格網內劃分。規則格網沿南北、東西方向按地面10 km劃分。對于投影帶邊沿的格網，南北方向從南邊開始按地面10 km向北劃分，東西方向從鄰近投影帶中心線一側開始以相同長度依次劃分。四級及以下各級格網的劃分規則與三級格網劃分完全一致，即在上級格網內，按地面長度1/10關系劃分形成1 km、100 m、10 m、1 m、0.1 m、0.01 m等不同等級的格網。從理論上說，地理格網可按此規則無限劃分，但考慮到實際需要，劃分到0.01 m即可。因此，格網的分級到9級。

三級格網代碼用數字表示。編碼從左下開始，按從下到上、從左到右的順序分別用0～9共10個數字表示。這樣左下第一個格網的代碼就是00，如果是規則格網，右上端最后一個格網的代碼就是99。四級及以下各級格網編碼規則與三級格網完全一致，其劃分和編碼示例如圖1所示。

圖1 三級及以下格網劃分與編碼示例

4.補充格網劃分與編碼

在本格網體系下，二級格網以下相鄰兩級格網面積相差100倍，中間無過渡格網。由于相差過大，因此不利于地物對象位置確定，有時無法滿足使用要求。為彌補這一不足，需要增加補充格網。補充格網在二級及以下各級格網上進行，對于規則格網按各邊中線四等分劃分，形成面積為原格網1/4的補充格網;對于投影帶兩側的非規則格網，南北和東西方向小于該級格網理論邊長1/2時不再分，大于1/2時，起始位置與普通格網劃分起始位置相同，并按該級格網理論邊長的1/2進行劃分。

補充格網采用方位代碼進行編碼，即按其在原格網中的方位分別用NE、NW、SE、SW表示。對于位于投影帶邊沿的格網，如果東西方向小于理論邊長1/2，南北方向大于理論邊長1/2而被分成兩部分，則分別用N、S表示。

5.地理格網代碼結構

地理格網的代碼分為3～4部分，第1部分表示其所在的一級格網代碼;第2部分表示所在的二級格網代碼;第3部分為用數字表示的三級及以下各級格網代碼，其中表示南北方向的代碼在前，表示東西方向的代碼在后。如果有補充代碼，則第4部分是表示方位的補充代碼，具體格網代碼結構如圖2所示。

圖2 地理格網代碼結構

四、位置服務解決示例

地理格網可應用于地理尋址、導航等空間定位和基于位置服務。以下示例說明地理格網編碼體系的應用。圖3是一幅地圖上的格網，該圖位于代碼為H49 KA的二級格網內。圖中繪出了1 km的格網線，并標出了10 km和1 km格網線代碼。其中，第1位是10 km格網代碼;第2位是1 km格網代碼。a是某一地物要素的圖上位置，則該地物要素的地面位置就可以用代碼表示出來。根據精度要求不同，可分別用10 m、5 m、1 m、0.1 m 和0.01 m等不同格網表示。地物要素a用不同等級格網代碼可分別表示為，10 m格網：H49 KA 86763678;5 m格網：H49 KA 86763678 NW;1 m 格網：H49 KA 8676036783;0.1 m 格網：H49 KA 867603367835;0.01 m格網：H49 KA 86760323678357。

圖3 地理格網編碼體系空間定位示例

五、應用探討

1.人口普查和資源環境調查

人口普查中利用地理格網編制人口地圖，可以更好地反映人口密度，研究局部區域人口飽和度。如金君等研究了數字人口模型格網法，增加了不同性質、區域人口數據的可比較性［4］。資源環境調查中用國家地理格網，可以豐富空間數據的表現形式，深化數據的處理與分析［5］。上述應用將地理格網推廣到社會經濟領域，實現了社會經濟數據空間化，并以空間為背景進行分析，使地理格網成為數據管理和分析的基礎平臺。

2.城市格網管理

數字城市中引入國家地理格網，并將其作為特定范圍內城市各類信息的載體，用格網代碼實現了對信息的查詢和檢索，是時空坐標系的一種新表示方法，可形成一個面向公眾的平臺，為公眾提供高質量的服務。

3.地址服務

將地名地址分級，并基于國家地理格網編碼體系進行編碼，建立格網索引，形成二維空間地址，并共享索引信息，實現地理格網與地名地址的結合，更好地服務于民眾。

4.救災、急救活動

在災區相關標識和設施嚴重破壞時，可用地理格網提供的位置表示方案定位;公共安全訪問和查詢服務系統中可用地理格網存儲街道地址;在搜救活動中，可用地理格網確定搜救范圍、路線等。地理格網用于以上救災、急救活動，將有助于迅速確定位置，提高效率。

5.地理信息系統服務

國家地理格網作為公共地理空間單元，將自然劃分的地理信息和社會劃分的專題信息劃歸到統一格網中，實現了地理與社會專題數據的集成融合，便于全面、準確地認知理解，為科學決策打下良好的基礎，為電子商務、電子政務提供了豐富、全面、可靠的綜合數據。

六、結束語

當前，國外地理格網編碼體系在基于位置服務中得到了廣泛應用。美國和英國國家地理格網均在各自國家內被廣泛應用，發揮了很大作用。我國對全國統一的地理格網編碼體系也有很大需求。本文根據我國實際需要，開展了地理格網編碼體系的研究，以我國百萬地圖分幅為基礎，繼承了原地圖分幅與編號體系，并以邊長為100 km的正方形格網為基本單元，保證了格網的規則性，且考慮了不同需要，在各級格網基礎上增加了補充格網。同時，格網編碼與格網保持了一致性，編碼設計時從統一起點開始，按固定順序和方向進行，盡量使代碼簡化，碼位長度最短，并與格網一一對應，保證了其實用性。

［1］National Spatial Data Infrastructure.FGDC-STD-011-2001 United States National Grid［S］.Virginia：Federal Geographic Data Committee，2001.

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

［3］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.

［4］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)：92-96.

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

［6］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)：92-96.

［7］周成虎，歐陽，馬廷.地理格網研究模型進展［J］.地理科學進展，2009，28(5)：657-662.

［8］Australian Government.AS/NZS 4819：2003 Geographic Information——Rural and Urban Addressing ［S］.Australia：Intergovernmental Committee on Surveying and Mapping，2003.

［9］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.

［10］中國國家標準化管理委員會.GB/T 12409—2009地理格網［S］.北京：中國標準出版社，2009.